1、教 案课程名称：地理信息系统原理及应用1第一章 绪论【导入新课】随着资源开发与利用、环境保护等问题的日益突出，我们急需要弄清楚这几个问题：1.我们在哪里？我们周围有什么？有多少？2.它们之间的关系以及和我们的关系？3.我们需要的东西在哪里？4.万物变化的趋势是什么？谁使它们变化？5.我们怎么办？人类社会迫切需要一种能够有效地分析、处理空间信息的技术、方法和系统。 著名的地理学家陈述彭先生说：“地理信息系统事实上就是地图的一个延续，就是用地理信息系统扩展地图工作的内容。 ”【教学过程】第一节 地理信息系统的概念及构成一、地理信息系统的全称：全称虽有出入，但简称都叫做“GIS”。Geographi
2、cal Information System英国Geographical-Information-System 德国Land Information System加拿大、澳大利亚Resources and Enviromental Information System 中国二、地理信息系统的定义“GIS 是一种存储、分析和显示空间与非空间数据的信息技术。 ” 美国 Parker“GIS 是全方位分析和操作地理数据的数字系统。 ”加拿大 Reger Tomlinson“GIS 是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规
3、划和管理问题。 ”美国联邦数字地图协调委员会三、GIS 的概念框架用户界面系统和数据库管理产品生成产品输出空间数据处理空间数据分析数据输入数据库建立2四、GIS 基本功能的实现过程文件图表原始数据存储检索空间查询空间分析数据编辑投影变换数据输出制图、表格交互展示结构化数据空间数据库数据获取五、系统的应用模式1、单机式2、局域网模式3、广域网模式六、GIS 的分类1、根据研究范围：全球性信息系统、区域性信息系统2、根据研究内容：专题信息系统、综合信息系统3、根据数据结构：栅格型 、矢量型、混合型七、GIS 的构成完整的 GIS 由四部分构成：1、计算机硬件系统2、计算机软件系统3、地理空间数据4
4、、系统开发、管理和使用人员第二节 GIS 的功能和应用一、GIS 的主要功能采集、存储、查询、分析、显示、输出二、GIS 的主要应用领域地理信息系统的博才取胜和运筹帷幄的优势，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具。也成为与空间信息有关各行各业的基本工具，以下简要介绍地理信息系统的一些主要应用方面：1、测绘与地图制图：2、资源管理：3、城乡规划：4、灾害监测：5、环境保护：6、国防：7、宏观决策支持：3第三节 几个基本概念一、信息、地理信息1、信息和数据2、地理信息3、地理信息的特征地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：（1）空间分布性。（2）数据量大。（3）信息载体
5、的多样性。二、信息系统1、信息系统的基本组成2、信息系统的类型根据系统所执行的任务，信息系统可分为事务处理系统（Transaction process system）和决策支持系统（Decision support system） 。事务处理系统强调的是数据的记录和操作，民航定票系统是其典型示例之一。决策支持系统是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，一般是由语言系统、知识系统和问题处理系统共同构成。第四节 GIS 的发展历史及发展趋势一、国际发展状况综观 GIS 发展，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段： 1、地理信息系统的开拓期（60 年代）：2、地理信息系统的巩固发展期（70 年代）
6、3、地理信息系统技术大发展时期（80 年代）：4、地理信息系统的应用普及时代（90 年代）：二、国内发展状况我国地理信息系统方面的工作自 80 年代初开始。起步阶段：19781980发展阶段：19811985初步发展阶段：1986至今第五节 GIS 与相关学科的关系地理学地图制图学数据库理论机助设计软件工程人工智能城市规划测量学摄影测量遥感地理学计算机科学信息科学资源管理GIS4第六节 课程安排本课程分理论学习和上机实习两部分；通过该门课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本原理、基本方法与常用 GIS 软件的操作 ，为 GIS 的应用和二次开发应用打下理论基础。5第三章 空间数据的获取第一节
7、 GIS 数据的内容1、数字线化数据：地形测图思想：点、线、面2、影像数据：数据源丰富，生产效率高，直观详细记录地表自然现象3、数字高程模型4、属性数据：是什么，判读和考察，详细描述信息第二节 空间数据的特征1、位置特征(location)位置特征又称空间特征，描述了事物所处的位置。通常以坐标数据形式来表示空间位置，以拓扑关系来表示空间位置关系。 2、属性特征（attibution)反应了空间事物的质量特征或数量特征。属性数据本身属于非空间数据，但它是空间数据中的重要数据成分。3、时间特征（temporal)反映了地理现象发生或存在的时刻或时段。实体随时间的变化具有周期性，其变化的周期有超短周
8、期的、短期的、中期的、长期的和超长期的。这三个方面的基本特征及其组合可以形成千变万化的地理关系，从而得到丰富的空间地理信息。第三节 空间数据的采集一、准备工作1、资料准备，区域标定1）基础原始数据的确定2）数据分类项目的确定3）数据标准的准确性的确定2、进行三个统一：（地理基础统一，即确定投影、比例尺、 分类分级编码）3、所用软件的检查、试用菜单准备及其它辅助工作。4、硬件检查5、精度试验6、试验，样区、单项试验二、数据采集任务1、将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成 GIS 可以接受的数字形式。2、数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑
9、上的一致性。3、不同的数据来源要用到不同的设备和方法。数据的转换装载。4、数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等。三、数据源种类 6电子数据、非电子数据；一手资料、二手资料。四、空间数据的采集：1、属性数据的采集2、几何数据的采集3、图形数据的采集第四节 空间数据的转换数据交换文件GIS A GIS A GIS B GIS B 内部文件 外部文件 外部文件 内部文件 GIS A数据交换标准Open GISInternet1、互操作含义2、GIS 互操作类型3、GIS 互操作问题4、急需实现异构 GIS 间的互操作5、GIS 互操作现状第五节 空间数据质量控制一、空间数据质量的概念1、空间数据
10、质量空间位置、专题特征以及时间是表达现实世界空间变化的三个基本要素。空间数据是 有关空间位置、专题特征以及时间信息的符号记录。而数据质量则是空间数据在表达这三 个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。空间数据是对现实世界中空间特征和过程的抽象表达。由于现实世界的复杂性和模糊 性，以及人类认识和表达能力的局限性，这种抽象表达总是不可能完全达到真值的，而只 能在一定程度上接近真值。从这种意义上讲，数据质量发生问题是不可避免的；另一方面，对空间数据的处理也会导致出现一定的质量问题；例如，在某些应用中，用户可能根据需 要来对数据进行一定的删减或扩充，这对数据记录
11、本身来说也是一种误差。因此，空间数据质量的好坏是一个相对概念，并具有一定程度的针对性。尽管如此，我们仍可以脱离开具体的应用，从空间数据存在的客观规律性出发来对空间数据的质量进行评价和控制。2、与数据质量相关的几个概念（1）误差(Error)：误差反映了数据与真实值或者大家公认的真值之间的差异，它是一 7种常用的数据准确性的表达方式。（2）数据的准确度(Accuracy)：数据的准确度被定义为结果、计算值或估计值与真实值或者大家公认的真值的接近程度。（3）数据的精度(Resolution)：数据的精密度指数据表示的精密程度，亦即数据表示的有效位数。它表现了测量值本身的离散程度。由于精密度的实质在
12、于它对数据准确度的影响，同时在很多情况下。它可以通过准确度而得到体现，故常把二者结合在一起称为精确度，简称精度。（4）不确定性（Uncertainty) ：不确定性是关于空间过程和特征不能被准确确定的程度，是自然界各种空间现象自身固有的属性。在内容上，它是以真值为中心的一个范围，这个范围越大，数据的不确定性也就越大。二、空间数据质量评价1、空间数据质量标准空间数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据，数据质量是数据整体性能的 综合体现。目前，世界上已经建立了一些数据质量标准，如美国 FGDC 的数据质量标准等。空间数据质量标准的建立必须考虑空间过程和现象的认知、表达、处理、再现等全过 程。
13、空间数据质量标准要素及其内容如下：(1)数据情况说明：要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等作出准确、全面和详尽的说明。(2)位置精度或称定位精度：为空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常 表现为空间三维坐标数据精度。它包括数学基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度(形状保真度)、像元定位精度(图像分辨率) 等。平面精度和高程精度又可分 为相对精度和绝对精度。(3)属性精度：指空间实体的属性值与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类 型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名 称的正确性等。(4)时间精度：指数据的现势性。可以通
14、过数据更新的时间和频度来表现。(5)逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容( 包括空间特征、专题特征和时间特征)，以及拓扑性质上的内在一致性。(6)数据完整性：指地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。(7)表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征和时间特征表达的合理性等。2、空间数据质量的评价空间数据质量的评价，就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时 间特征进行评价。三、误差的类型（源误差、操作误差）空间数据的质量通常用误
15、差来衡量，而误差定义为空间数据与其真值的差别。空间数据误差的来源是多方面的。如下表所示。1、源误差GIS 数据的来源主要有，直接从现场利用 GPS 或全站仪采集的数字数据；现有纸质地图的数字化；航空影像和遥感数字数据或统计调查数据等。这些数据受表 53 中前两类误8差来源的部分或全部影响。空间数据误差的来源误差类型 误差来源 误差特征源误差 数据年代；数据的空间覆盖范围；地图比例尺；观测密度数据的可访问性，数据格式；数据与用途的一致性；数据的采集处理费用明显、易探测由自然变化或原始测量引起的误差位置误差；属性误差：质量和数量方面的误差数据偏差：输入输出错误，观测者偏差，自然变化不明显难测定GI
16、S 处理过程引起的误差计算机字长引起的误差拓扑分析引起的误差：逻辑错误、地图叠置操作分类与综合引起的误差：分类方法、分类间隔、内插方法复杂难探测2、操作误差除了 GIS 原始录入数据本身带有的源误差外，空间数据在 GIS 的模型分析和数据处理等操作中还会引入新误差。如，由计算机字长引起的误差，拓扑分析引入的误差和叠置中引入的误差等。(1)由计算机字长引起的误差(2)由拓扑分析引起的误差(3)数据分类和内插引起的误差以上讨论了 GIS 空间数据库中原始录用数据本身含有的源误差和随后空间操作中引入的新误差。一般来说，源误差远大于操作误差，因此，要想控制 GIS 产品的质量，良好的原始录用数据是首要
17、的。四、GIS 空间操作中误差的传播1、算术关系下的误差传播如果 f()为算术关系，例如独立变量的和差关系、倍数关系或线性关系，则其中误差传播规律是众所周知的；若为相关或一般非线性函数时，其误差传播规律也在经典测量误差理论中已有详细介绍。2、逻辑关系下的误差传播除了上述算术关系操作外，在 GIS 中还存在着叠置、推理等大量逻辑运算，如布尔逻辑运算(AND 、 OR、NOT)和专家系统中的不精确推理。（1）布尔逻辑运算下的误差传播（2）不精确推理关系下的误差传播逻辑关系下的误差传播律正处于研究中，借用信息论、模糊数学、人工智能和专家系统的基础理论可望解决这一问题。通过上述讨论不难理解，由于 GI
18、S 还是一门比较年轻的学科，对 GIS 数据的质量和精度问题还不大为人们所了解，还有许多问题有待于深入研究。例如，由于用户的需求多式多样，对数据质量和精度还没有一致的意见；缺乏度量空间数据和 GIS 输出结果不确定性9的方法；在 GIS 功能中没有标准方法来建立误差模型。对如何处理误差，没有成熟的规范可循，现有的 GIS 能够提供一个派生信息的工具，但却没能提供一个关于系统可靠性的工具，即交出的最终结果没有附上一份相应的关于其可靠性的分析报告。五、空间数据质量的控制数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数据质量产生和扩散的所有过程 和环节入手，分别用一定的方法减少误差。空间数据质量控制
19、常见的方法有：1、传统的手工方法 质量控制的人工方法主要是将数字化数据与数据源进行比较，图 形部分的检查包括目视方法、绘制到透明图上与原图叠加比较，属性部分的检查采用与原 属性逐个对比或其它比较方法。 2、元数据方法 数据集的元数据中包涵了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量，同时元数据也记录了数据处理过程中质量的变化，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。3、地理相关法 用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。例如，从地表自然特征的空间分布着手分析，山区河流应位于微地形的最低点，因此，叠加河流和等高线两层数据时，若河流的位置不在等高线的外凸连线上，则说明两层数
20、据中必有一层数据有质量问题，如不能确定哪层数据有问题时，可以通过将他们分别与其它质量可靠的数据层叠加来进一步分析。因此，可以建立一个有关地理特征要素相关关系的知识库，以备各空间数据层之间地理特征要素的相关分析之用。数据质量控制应体现在数据生产和处理的各个环节。下面以地图数字化生成地图数据过程为例，说明数据质量控制的方法。数字化过程的质量控制，主要包括数据预处理、数字化设备的选用、对点精度、数字化误差和数据精度检查等项内容。1、数据预处理工作 2、数字化设备的选用 3、数字化对点精度(准确性) 4、数字化限差 5、数据的精度检查 空间数据的采集与处理工作，是建立 GIS 的重要环节，了解 GIS 数字化数据的质量与不确定性特征，最大限度地纠正所产生的数据误差，对保证 GIS 分析应用的有效性具有重要意义。
