1、地 理 信 息 系 统第一节 地理信息系统基本概念一、数据和信息1、数据（Data）：通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号。不仅数字是数据，而且文字、声音和图像也是数据。2、信息（Information）：用数据来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理、经营、分析和决策依据。3.信息与数据的关系（1）信息来源于数据，是数据的内容和解释。（2）信息与数据是不可分离的；数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。（3）不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不
2、同信息。4.信息的特征：客观性、适用性、可传输性、共享性二、 地理数据与地理信息1.地理数据：表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。2.地理信息：与研究对象的地理分布有关的信息，是地理数据所有蕴含和表达的地理含义。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：空间特征：是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志。位置、形状、空间关系、空间分布数据量大：地理信息既有空间数据，也有属性数据、时间数据。 数据的分析、处理对系统带来很大压力。多维属性特征：属性数据有时又称非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标指在同一
3、位置上可有多种专题的信息结构时序特征：时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的 GIS 系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。3、信息系统1、信息系统：具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统，它能为单一的或有组织的决策过程提供各种有用信息。2.分类从系统结构及处理方法看，信息系统主要分为：管理信息系统、决策支持系统、智能决策支持系统、空间信息系统（1）管理信息系统是一种基于数据库的回答系统，它主要停留在数据库上支持管理者。如人事管理信息系统、财务管理信息系统、产品销售信息系统等。（2）决策支持系统是在管理信息系统基础上发展起来的 。不仅为管理者
4、提供数据支持，还提供方法和模型的支持，可对问题进行模拟，从而辅助决策者对问题的解决选择最佳方案。（3）智能决策支持系统是在决策支持系统中进一步引入人工智能技术。如专家决策系统，可提高系统决策的智能化程度。（4）空间信息系统由于空间数据的特殊性，使空间信息系统的组织结构及处理方法有别于一般信息系统。 4.地理信息系统对于地理学家，以下三个间题是最基本的:地理空间中地理现象发生的地点;现象的特征;各现象之间的空间关系。要回答这些问题，地理学家必须处理各种描述地理现象的地理数据，而这些数据的最大特点是具有空间位置。地理现象和事物的空间表达：点、线、面1、地理信息系统由计算机软、硬件和不同的方法组成的
5、系统，该系统设计来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题总的分析 ：（1）多元化（2）从以前侧重系统和技术角度考察 GIS,到逐渐关注应用中的人员问题、组织管理问题和社会背景问题。（3）地理空间是 GIS 的独特标志。（张超，地理信息系统应用教程，P252)2.GIS 定义对 GIS 的理解GIS 的物理外壳是计算机化的技术系统GIS 的操作对象是空间数据：空间数据的管理与操作，是 GIS 区别于其它信息系统的根本标志，也是技术难点之一。GIS 的技术优势在于它的空间分析能力陈述彭认为地理信息系统的最根本的特点是每个数据都按地理坐标来编码，即首先是定位，
6、然后才是各种定性(分类)、定量的属性。处理空间数据是地理信息系统的最大特点，是区别于其它信息系统的标志，同时也是它的技术难点和关健所在。小结：GIS 是地图学理论、方法与功能的延伸。地图学与 GIS 是一脉相承的 ，它们都是空间信息处理的科学，只不过地图学强调图形信息传输，而 GIS 则强调空间数据管理、处理与分析，辅助决策。地理信息系统：在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用；第二节 GIS 的组成概论主要的 GIS 产品供应商国外：INTERGAPH、ESRI、AutoDesk、Smallworld、MapInfo、Other国内
7、 GIS 产品：武测：吉奥之星 Geostar。中国地质大学：MapGIS。超图：SUPERMAP输入设备：数字化仪、全站仪、遥感；输出设备：绘图仪空间数据 人员 应用模型第三节 GIS 的功能一、核心问题：位置（Locations）、条件（Conditions）、趋势（Trends）、模式（Patterns ）、模型（Models）二、GIS 的功能数据流程角度1.数据获取2.编辑变换与处理目的：保证数据在入库时在内容上的完整性， 逻 辑上的一致性。方法：数据编辑与处理、错误修正：数据格式转化：矢量、栅个格转化，不同数据格式转化；数据比例转化：平移、旋转、比例、纠正投影变换：投影方式数据概化
8、：平滑、特征集结数据重构：几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构）地理编码：拓扑结构3.数据组织与管理数据的集成：几何数据与属性数据组织数据结构：矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结构决定着 GIS 的数据分析能力、效率和精度数据管理：层次模型、网络模型、关系模型、混合管理模式4.空间分析空间查询：位置查询、属性查询、拓扑查询空间分析：地形分析、网络分析、缓冲区分析、几何量测、地图分析、叠置分析、统计分析、决策分析5.数据输出数据交换统计表格制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图地理信息系统目前的发展网络地理信息系统、移动、ComGIS、三维 GIS、云计算第二章 地理信息系统数据结构第一节 地
9、理空间及其表达31.地理空间：地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。地理信息系统中的地理空间，通常就是指经过投影变换后放在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间，它的理论基础在于旋转椭球体和地图投影变换。二、空间实体的表达1、空间实体在空间数据中不可再分的最小单元被称为空间实体，空间实体是对存在于自然界中的地理实体的抽象，空间实体一般按地形维数进行归类划分：主要包括点、线、面和实体等基本类型。点：零维；线：一维；面：二维；体：三维；时间点：一般指那些占面积较小，不能按比例尺表示，又要定位的事物；有位置，无宽度和长度；具体或抽象的点线：有长度
10、，但无宽度和高度；用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多面：在二维欧氏平面上是指由一组闭合弧段所包围的空间区域。具有长和宽的目标；通常用来表示自然或人工的封闭多边形（同质区域的封闭多边形）；一般分为连续面和不连续面不连续变化曲面，如土地利用等，属性变化发生在边界上，面的内部是同质的。连续变化曲面：如地形起伏，整个曲面在空间上曲率变化连续。体：有长、宽、高的目标；通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标2.空间实体的描述与表达（1）矢量表达法示意（点、线、面）（2）栅格表达法点：具有一定数值的栅格单元线：表现为按线特征相连接的一组单元面：表现为按二维形状特征相连接的一组单元空
11、间实体的数据表达方法：如果采用一个没有大小的点（坐标）来表达基本点要素时，称为矢量表示法如果采用一个有固定大小的点（面元）来表达基本点要素时，称为栅格表示法3.空间关系是指地理实体之间存在的与空间特性有关的关系，如度量关系、方向关系、顺序关系、拓扑关系、相似关系、相关关系等，是数据组织、查询、分析和推理的基础。拓扑关系：图形在保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。用拓扑关系来描述并确定空间的点、线、面之间关系及属性，关心的是点、线、面之间的联接关系，而不管实际图形的几何形状。拓扑学与欧几里得几何学的不同之处在于它不涉及距离、方位或曲直等性质，即不涉及图形的量度性质。结点一指孤立点、线的端点
12、、弧的连接点等。弧一指两个结点间的有序弧段，弧的两个结点可以是不同的结点、也可以是同一个结点。面域一指若干闭合弧段围成的多边形区域，通常用对应的多边形表示。结点、弧段和多边形的拓扑关系拓扑邻接：同类元素之间的拓扑关系。邻接关系是借助于不同类型的拓扑元素描述的，如面通过链而邻接。拓扑关联：不同类元素之间的拓扑关系。拓扑包含：同类不同级元素之间的拓扑关系。拓扑关系的关联表达全显式表达：不仅明确表示空间数据多边形弧段点之间拓扑关系，同时还明显表达点弧段多边形之间关系。半隐式表示空间数据拓扑关系的意义不需要利用坐标或距离，可以确定空间实体的位置关系；利用拓扑关系便于空间要素的查询根据拓扑关系可以重建地
13、理实体，例如利用弧段构建多边形等。方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。地理空间数据的度量关系度量关系主要是指空间对象之间的距离关系。主要距离：欧氏距离、曼哈顿距离（出租车距离）、时间距离第二节 地理空间数据及其特征一、GIS 中的空间数据分类1.按来源地图数据：来源于各种类型的普通地图和专题地图。影像数据：来源于航空航天遥感，数据类型丰富，包括多平台、多时相、多光谱、多分辨率的遥感影象数据。属性数据：来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息。2.按数据结构分类（1）矢量数据（2）栅格数据3.按数据特征分类（1）空间定位数据（2）非空间属性数据4.按数据几何特征分类5.按数据
14、发布形式分类4D 产品DLG(数字线划图， Digital Line Graphic)DEM(数字高程模型，Digital Elevation Model)DOM(数字正射影像图，Digital Orthophoto Map)DRG(数字栅格地图，Digital Raster Graphic) 第三节 空间数据结构的类型为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。概念模型：场模型、对象模型、网络模型逻辑数据模型：矢量模型、栅格模型、数字高程模型、矢量和栅格的混合数据模型物理数据模型对象模型，也称作要素模型，将研
15、究的整个地理空间看成一个空域，地理现象和空间实体作为独立的对象分布在该空域中。场模型，也称作域（field）模型，是把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待。数据结构：数据组织的形式，适合于计算机存贮、管理、处理的数据逻辑结构。 空间数据结构是空间数据在计算机中的具体组织方式。主要以矢量数据结构和栅格数据结构两种形式存储。一、栅格数据结构栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织方式，组织中的每个数据表示地理要素的非几何属性特征。（一）特点与获取方法.特点：属性明显，定位隐含。.获取方法：来自于遥感数据、来自于对图片的扫描、由矢量数据转换而来、由手工方法获取（均匀划格，确定属性
16、）（二）栅格系统的确定1、单元(cell）尺寸和形状栅格单元的尺寸确定的原则是应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度2、栅格坐标系的确定3、栅格代码（属性值）的确定(三)栅格数据的偏差：几何偏差、属性偏差(四)栅格数据中混合像元的处理方案一：面积占优法、长度占优法、中心点法、重要性法方案二：缩小栅格单元的面积(五) 栅格数据分层组织影像金字塔结构：指在同一的空间参照下，根据用户需要以不同分辨率进行存储与显示，形成分辨率由粗到细、数据量由小到大的金字塔结构。（六）栅格数据结构1.直接栅格编码直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记
17、录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序栅格数据为什么要编码？51.便于读取；2.数据压缩栅格数据量大，格网数多，由于地理数据往往有较强相关性，即相邻像元的值往往是相同的。所以出现了各种栅格数据压缩方法。数据压缩是将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。分为：无损压缩：在编码过程中信息没有丢失，经过解码可恢复原有的信息-信息保持编码有损压缩：最大限度压缩数据，在编码中损失一些认为不太重要的信息，解码后，这部分信息无法恢复-信息不保持编码2.链码链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。把线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些
18、基本方向确定的单位矢量链。单位矢量的长度默认为一个栅格单元。链式编码前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量方向，八个方向以 07 的整数代表。3、游程长度编码游程是指栅格矩阵一行内相邻同值的栅格数量。只在各行（或列）数据值发生变化时依次记录该值以及相同值重复的个数，从而实现数据的压缩，并实现数据的组织。经编码后，原始栅格数据阵列转换为（si，li）数据对，其中 si 为属性值，li 为行程长度。4.块码采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成5.四叉树编码根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照 4 个象限进行递归
19、分割（2n2n，且 n1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树的树形表示：根：整个区域；叶：不能再分割的块；树叉：还需分割的块建立四叉树结构的方式自上而下方式(top-down)从顶层开始，即先检测全区域，其值不单调时再四划分，直到数值或内容单调为止。自下而上方式(bottom-up)。从底层开始，对栅格数据按莫顿码的顺序进行检测。如果每相邻四个网格值相同则进行合并，反之为叶结点;逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。四叉树结构类型根据四叉树存储结构，可以将四叉树结构类型分为: 常规四叉树、线性四叉树常规四叉树：结点之间的联系用指针联系。每个结点需要 6 个变量
20、：父结点指针、四个子结点的指针和本结点的属性值。线性四叉树：记录叶结点的位置，深度（几次分割）和属性。地址码 （四进制、十进制）优点：存贮量小，只对叶结点编码，节省了大量中间结点的存储，地址码隐含着结点的分割路径和分割次数。线性四叉树可直接寻址，通过其坐标值直接计算其 Morton 码，而不用建立四叉树。定位码容易存储和执行实现集合相加等组合操作。莫顿码：实质上是按左上、右上、左下、右下的顺序，从零开始对每个栅格进行自然编码第二讲 12直接栅格编码：简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；链码：压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；游程长度
21、编码：在很大程度上压缩数据，最大限度保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；块码和四叉树编码：具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。二、矢量数据结构（一）矢量数据结构的定义矢量数据结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体的一种数据组织方式。（二） 特点：定位明显，属性隐含。（三）获取方法：1.由外业测量获得。2.由栅格数据转换获得，利用栅格数据矢量化技术，把栅格数据转换为矢量数据。3.跟踪数字化。（四）矢量数据结构.实体型实体型数据结构是最简单的数据结构；以实体为单位记
22、录其坐标;点用一个坐标对来表示；线用两个或者两个以上的有序坐标对来表示；多边形用首尾相同的坐标对来表示；特点：1）数据按点、线或多边形为单元进行组织，具有编码容易，数字化操作简单和编排直观等优点。2）每个多边形都以闭合线段存储，邻接多边形的公共边被数字化和存储两次，结点被多次记录，不仅造成数据冗余，引起严重的匹配误差。如裂隙的产生。3）每个多边形自成体系，缺少有关的邻域关系的信息，岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。4）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。.拓扑结构多边形的边界被分割成线（弧、链）和点（结点）等拓扑要素;多边形是由弧段连接而成的。线有方向，
23、并与左右多边形相邻接；双重独立编码结构：对图上网状或面状要素的任何一条线段，用顺序的两点定义以及相邻多边形来予以定义。链状双重独立式数据结构：DIME 数据结构的一种改进。在 DIME 中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的多边形来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。 拓扑数据模型与非拓扑数据模型比较拓扑结构明确反映拓扑关系，可以高效地存储数据。拓扑信息与空间坐标分别存储，公共弧段只存储一次弧段坐标，两个相邻多边形共享弧段。有利于邻近，包含和相连等查询操作。拓扑表必须在一开始就创建，需要时间和空间。3、矢量与栅格的比较（见书本 P80）四、
24、他数据结构1.曲面数据结构按单元形状可分为：规则格网和不规则格网。前者采用统一形状的单元，一般为正方形；后者不规则单元形状，主要为 TIN（ Triangulated Irregular Network）和泰森多边形。2.三维空间数据结构3.八叉树编码八叉树结构就是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域(即将一个六面的立方体再分解为八个相同大小的小立方体)，同区域的属性相同。八叉树主要用来解决地理信息系统中的三维问题第四节 空间数据结构的建立7一、空间数据的分类和编码1、空间数据的分类空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将
25、空间数据组织为不同的信息层，为数据采集、存储、管理、查询和共享提供依据。空间分幅 属性分层 时间分段原则：图形原则：即按点、线和面状要素分类对象原则：即根据不同的对象分层。例如，可以把道路、河流、管道归为线状图形层，也可以把它们分别归为“道路”层，“河流”层，“管道”层。空间数据分层的目的：便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。1）分层后，每个数据层的数据结构往往比较单一，数据量也相对较小，管理起来就相对简单；2）查询时，不需要对所有空间数据进行查询，只需要对某一层空间数据进行查询即可，因而可加快查询速度；3）便于任意选择需要显示的图层，因而增加了图形显示的灵活性；4）对不同数据层进行叠加，
26、可进行各种目的的空间分析。2.空间数据的编码编码：将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成，或由它们共同组成的混合码。码位、码段及其与编码的关系码位：编码中每个字符或数字的位置称为码位码段：若干个码位组合成一个独立的意思，称为码段码位是编码的最小单位，码段是编码的基本单位。 码位 组成 码段 组成 编码编码方法：层次分类编码：分类对象的从属和层次关系；有明确的分类对象类别和严格的隶属关系多源分类编码：按空间对象不同特性进行分类并编码；代码之间没有隶属关系；具有较大的信息量，有利于空间分析二 、 地图数据的获取地图数字化仍然
27、是目前空间数据获取的主要手段 ：数字化方式有两种：手扶跟踪数字化；地图扫描数字化。数字化仪的操作方式点方式（Point Mode）：操作员能选择最有利于表现曲线特征的那些点位进行数字化。流方式 Stream Mode）：等时间间隔或等距离间隔自动记录坐标。手扶跟踪数字化仪输入法具体步骤原图准备将原图内容转绘到不易引起变形的聚脂薄膜上，检查原图内容的完整性，分别标识原图的图幅角点、内部的控制点等。输入初始化参数和控制点坐标包括数字化的阈值(数字化两点间的最短距离 )，图幅四角点的理论坐标，比例尺、地图投影等。地图数字化：输人数字化图幅内的图形，直到形成一个数字化信息存储层。检查和修改数字化错误并
28、予以改正。建立拓扑关系和输入属性。手扶跟踪数字化采样误差分析 人工操作误差：属于偶然误差，包括采点时的误差，以及取点的代表性误差，此项误差与操作人员的经验和熟练程度有很大关系。仪器误差：是指由于数字化仪本身的结构及其分辨率等因素引起的误差，属于系统误差，目前数字化仪的精度一般可达到 0.1mm 0.05mm，可以满足数字化图的精度要求。（二）地图扫描矢量化 1、屏幕跟踪矢量化输入法具体步骤数据源准备将已有的地图，通过扫描仪扫入计算机，以栅格形式保存。进行必要的格式转换后，输入 GIS 软件。影象变换处理输入地面控制点坐标，进行影象纠正、投影转换。利用屏幕跟踪技术，实现专题图层矢量化在 GIS
29、软件支持下，将要数字化的影象作为背景图层，增加（建立）矢量要素层，进行屏幕跟踪数字化，直到形成一个数字化信息存储层。检查和修改数字化错误建立拓扑关系：属性输入：2、地图扫描数字化误差分析1） 扫描仪的分辨率和精度：选择适当的扫描仪 2） 栅格数据矢量化的精度损失：栅格数据矢量化过程中的细化、跟踪等均可能引入一些误差三、 栅格数据获取1、栅格数据采集产生和栅格数据结构相适应的 GIS 空间数据的过程。其方法包括：遥感影像，图形扫描输入，以及其它数据转换输入。2、透明网格采集输入步骤A 确定栅格单元大小 B 准备栅格网 C 对栅格单元进行编码 D 读取栅格单元值 E 数据录入四、遥感数据获取遥感数
30、据是 GIS 重要数据源，也是 GIS 数据更新的主要手段。通过遥感信息处理，可以得到矢量数据和栅格数据两种格式。2、目视法获取遥感影像数据利用航空航天影像，经过目视判读，编制出各种专题图。目视判读其实质是将遥感影像目视解译结果形成专题系列图提供给 GIS。这些专题系列图的各专题要素因来自同一信息源，保证了时相和图幅位置配准，因而很适合 GIS 中进行多重信息的综合分析，从而派生出综合性数据及图件。 目视判读的结果（专题图件）为矢量图。3、遥感影像自动分类遥感影像数据经信息提取和分类后，其结果为分类图，属于栅格数据。五 摄影测量数据获取1.摄影测量与遥感都是对非接触传感器系统获得的影像及其数字
31、表达，通过记录、测量和解译来获取有关自然对象的数据的技术。摄影测量在我国的基本比例尺测图生产中起关键作用。我国的大部分 1：10000、1：50000 地形图都使用摄影测量方法。二、摄影测量数据的获取模式1、地面摄影测量和航空摄影测量摄影测量中较为有效的方式是立体摄影测量。通过对同一地区同时摄影的两张或多张重叠的像片，最后通过数字摄影测量工作站，获取空间数据，作为 GIS 数据源，在计算机上重构目标。2、解析摄影测量解析测图仪可用于数字测图，模拟立体测图仪通过软件与电子计算机连接后成为机助和机控测图系统。测图仪测量结果可直接存人计算机，然后由计算机编图和绘图。数据产品也可直接进入 GIS 系统
32、。3、数字摄影测量数字摄影测量主要指全数字摄影测量，是完全数字化的新型摄影测量方法，用于生产数字高程模型、数字正射影像等。在全数字摄影测系统中所有的数据处理过程全部在计算机中进行，包括存储和处理数字影像，建立立体数字高程模型，输出数字地图、数字正射摄影像等。六 实测数据的获取第三章 空间数据质量与空间数据处理第一节 空间数据质量1、空间数据质量9空间数据质量是空间数据在表达空间位置、专题特征以及时间这三个基本要素时，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。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公认的真值之间的差异。（2）数据的准
33、确度(Accuracy)：计算值或估计值与真实值或者公认的真值的接近程度。3、空间数据质量评价：就是用空间数据质量标准对数据进行评价。数据情况说明：要求对地理数据来源、内容及其处理过程等做出准确、全面和详尽的说明。位置精度：指空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，通常表现为空间三维坐标数据精度。属性精度：指空间实体的属性与其真值相符的程度。时间精度：指数据的现势性。可以通过数据更新的时间和频度来表现。逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性。数据完整性：指地理数据在范围、内容等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、属性特征分类等方面的完整性。表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表达与真
34、实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征、时间特征表达的合理性。4、误差的具体来源5、空间数据质量的控制方法手工方法：将数字化数据与数据源进行逐一比较。叠合比较法、目视检查法、逻辑检查法元数据方法：元数据中描述数据的质量信息（原始质量、处理质量），以供使用过程中掌握。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。6、元数据：简要地说元数据就是关于数据的数据，是一种说明性数据，用于描述地理数据内容、质量状况、表示方式、空间参考及其他特征。7、元数据的主要内容(1)对数据集的描述，对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代( 数据生产历史)等的说明；(2)对数据质量的
35、描述，如分辨率、数据 比例尺等；(3)对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；(4)对数据转换方法的描述；(5)对数据库的更新、集成等的说明。第二节 空间数据的变换1、空间数据变换的主要类型几何纠正：主要解决数字化原图变形等原因引起的误差、G1S 中设备坐标同用户坐标的不一致，设备坐标之间的不一致问题。投影变换：主要解决地理坐标到平面坐标之间的转换问题。2、变换的实质是建立两个坐标系坐标点间的数学关系。3、变换的意义：1.将设备坐标转换为地理要素的实际坐标；2.实现多幅图的拼接或叠置；3.减少各种变形(投影变形、扫描变形、纸张变形等 )。*仿射变换：要实现仿射变换，需要知道不在同一直线上的 3
36、对控制点的数字化坐标及其理论坐标值，可求得上述的 6个待定参数。按最小二乘法原理来求解待定参数，有关最小二乘法的计算请参照相关算法。4、配准的目的：变换通过配准来实现配准的方法：采集一定数量的控制点生产实践中常常出现的问题：控制点分布不均匀、或点位不精确；5、投影转换当系统使用的数据取自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据。（1）地图投影的转换方法(1.1)正解变换利用解析关系式，直接由一种投影的 x、y 坐标变换到另一种投影的 x、y 坐标。(1.2)反解变换由一种投影的坐标反解出地理坐标(x、yB、L),将地理坐标代入另一投影坐标公式中（ B、L X、
37、Y），从而实现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换。(1.3) 数值变换根据两种投影在变换区内的若干同名数字化点,采用插值法, 或待定系数法等,从而实现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换.第三节 空间数据结构转换1、结构转换意义：为了有效的利用不同数据结构的优点，有必要进行数据结构之间的转换。2、转换种类：矢量向栅格的转换、栅格向矢量的转换3、矢量向栅格的转换：矢量数据的基本要素是点、线、面，只要实现点、线、面的转换，变换问题都可以得到解决。栅格数据中线段由相邻的栅格单元组成。多边形数据的栅格化：即在多边形边界内部的所有栅格上赋予相应的多边形编号，从而形成栅格数据阵列。多边形数据栅格化的
38、转换方法边界代数算法(1)假定沿边界前进方向 Y 值下降为下行，Y 值上升为上行。(2)上行时，对搜索多边形边界曲线左侧进行填充，填充值是左多边形减右多边形；(3)下行时，对搜索多边形边界曲线左侧( 从曲线前进方向看为右侧)进行填充，填充值是右多边形减左多边形。(4)每次将填充值同该处的原值做代数运算，得到最终的属性值。内部点扩散法复数积分算法也称为检验夹角之和，由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分。如果积分值为 2，则该待判点属于此多边形，赋予多边形编号(纪录属性 )；如果积分值为 0，则该待判点在此多边形外部。射线算法和扫描算法射线算法是由待判点向图外某点引射线，判断该射线与某多边形
39、所有边界相交的总次数.(1)如相交偶数次，则待判点在该多边形的外部，(2)如相交奇数次，则待判点在该多边形内部。基于弧段的栅格化方法4、栅格向矢量的转换目的：11为了能自动将扫描仪获取的图像加入矢量形式的数据库；为了将栅格数据分析的结果，通过矢量绘图装置输出；为了数据压缩的需要，将大量的面状栅格数据转换为由少量数表示的多边形边界；方法：基于图象数据的转换方法、栅格数据的转换方法线段的矢量化:实质是将具有相同属性值的连续的单元格搜索出来，最后得到细化的一条线。多边形(面) 的矢量化：提取以相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。
40、提取以相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。图像向矢量格式转换的一般步骤：(1)栅格数据的二值化 (2)多边形边界提取和细化 (3)多边形边界跟踪 (4)去除多余点及曲线光滑 (5)扑关系生成(1)栅格数据的二值化 由于栅格数据常以不同灰度级来表示，为实现矢量化转换需要先进行二值化。二值化关键是在灰度级的范围内取一个阈值，小于阈值的灰度级取值为 0，大于阈值的灰度级取值为 1。(2)多边形边界提取和细化细化实质使线段横截面具有一个像素宽度。注意保持图像的连接性不变（边相连或角相连）。主要有“剥皮法”和“骨架法。剥皮法：3 3
41、个像元，以不影响连通性为原则决定中心像元是否可以剥离，由上而下，自左到右，逐次排下去，可以将线条带剥离成单个像元的细线。(3)多边形边界跟踪多边形边界跟踪的目的是，将细化处理后的栅格数据转换成矢量图形坐标系列(4)去除多余点及曲线光滑 由于上述过程是逐个栅格进行的，因此存在大量多余点需要除去，多余点去除根据直线方程，在直线上时，去除中间点。(5) 拓扑关系生成第五节 空间数据的压缩与重分类一、空间数据压缩的意义（1）数据采集系统获得的坐标数据量极其巨大; （2）简化次要内容压缩比属性清单FROM 关系（表名）WHERE 条件GROUP BY 分组ORDER BY 排序第五节 空间信息量算1长度
42、：线状物体的长度是最基本的形态参数之一。2面积：多边形边界可以分解为上下两半，其面积就是上半边界下的积分值与下半边界下的积分值之差。3弯曲度：描述线状物体弯曲程度的一个重要参数，它定义为曲线长度与曲线的两个端点之间长度的比值，即 :w=观测路径长度/起点到终点的直线距离4. 质心量算分两种情况：1）面状目标的质心。2）面状分布离散目标重心：可理解为其分布中心。计算方法是取离散目标的加权平均中心。5. 形状量算当把城市作为单个面状目标看待时，可以直接使用面状目标的形状系数，如形状率、圆形率、紧凑度等,这些指标计算较简单，但只反映一个抽象的形状；当把城市作为面状目标的集合看待时，可以使用放射状指数
43、、标准面积指数等形状系数，这些指标计算较复杂，但反映了城市内部的具体联系。伸延率=L/ L 式中，L 为区域最长轴长度，L为区域最短轴长度。该指标反映城市的带状延伸程度，带状延伸越明显则延伸率越大，反映城市的离散程度越大。紧凑度：该指标反映城市的紧凑程度，其中圆形区域被认为最紧凑，紧凑度为 1。其它形状的区域，其离散程度越大则紧凑度越低。第六节 泰森多边形1、泰森多边形泰森多边形的始祖要追溯到 1908 年，G.Voronoi 首先在数学上限定了每个离散点数据的有效作用范围，即其有效反映区域信息的范围，并定义了二维平面上的 Voronoi 图。1911 年，荷兰气候学家 A.H.Thiesse
44、n 应用 Voronoi 图进行了大区域内的平均降水量研究。泰森多边形：平面上有若干个互不重叠的离散点，其中任意一个离散点都有一个邻近范围，在邻域范围内的任一点同该离散点之间距离小于它同其他离散点之间的距离。这个邻域是一个不规则的多边形，该多边形称为泰森多边形。2、泰森多边形的特点每个泰森多边形内仅含有一个离散点；泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；位于泰森多边形边上的点到其两侧离散点的距离相等。3、Delaunay 三角网1934 年，B.Delaunay 由 Voronoi 图演化出 Delaunay 三角网。狄洛尼三角网是以离散点为顶点的相互邻接但互相不重叠的三角形集合，并且每一三角
45、形的外接圆内不包含其他离散点。 Delaunay 三角网是惟一的。Delaunay 三角网的构建是由离散点构建三角网，即确定哪三个数据点构成一个三角形，也称为自动联接三角网构建原则：1)任何一个 Delaunay 三角形的外接圆内不能包含任何其它离散点。（空圆法则）2)相邻两个三角形构成凸四边形，在交换凸四边形的对角线之后，六个内角的最小者不再增大。该性质即为最小角最大准则。Delaunay 三角网建立逐点插入法(凸包插值算法)原理：先在包含所有数据点的一个多边形中建立初始三角网，然后将余下的点逐一插入，用 LOP 算法确保其成为Delaunay 三角网。步骤：(1)定义一个包含所有数据点的初
46、始多边形；(2)在初始多边形中建立初始三角网；(3)插入一个数据点 P，在三角网中找出包含 P 点的三角形，把 P 点与三角形的三个顶点相连，生成新的三角形;(4)用 LOP 算法优化三角网：局部优化过程（Local Optimization Procedure）对由两个公共边组成的四边形进行判断，如果其中一个三角形的外接圆包含第四个顶点，则将这个四边形的对角线交换。然后迭代此步骤，直至所有数据点被处理。4.泰森多边形的建立（1）构建 Delaunay 三角网。对离散点和形成的三角形编号，记录每个三角形是由哪三个离散点构成的。（2）找出与每个离散点相邻的所有三角形的编号，并记录下来。（3）对与每个离散点相邻的三角形按顺时针或逆时针方向排序，排序的方法可如图所示。（4）计算每个三角形的外接圆圆心。（5）根据每个离散点的相邻三角形，连接这些相邻三角形的外接圆圆心，即得到泰森多边形。对于三角网边缘的泰森多边形，可作垂直平分线与图廓相交，与图廓一起构成泰森多边形。5.应用泰森多边形可用于定性分析、统计分析、邻近分析等。例如:1）可以用离散点的性质来描述泰森多边形区域的性质；2）判断一个离散点与其它哪些离散点相邻时，若泰森多边形是 n 边形，则与 n 个离散点相邻
