GIS原理学习目录

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内容提要

本网络教程是教育部“新世纪网络课程建设工程”的实施课程。系统扼要地阐述地理信息系统的技术体系，重点突出地理信息系统的基本技术及方法。

本网络教程共分八章：第一章绪论，重点介绍地理信息系统的组成、功能、由来与发展；第二章阐述空间数据结构、模型和空间数据库设计；第三章较详细地介绍了空间数据的采集标准和质量控制；第四章为空间数据处理，阐述拓扑关系的建立、图形编辑、数据变换、数据压缩和插值、图像处理和更新等内容；第五章阐述了空间查询和空间分析，包括度量分析、叠置分析、三维分析、缓冲区分析及网络分析等基本基础空间分析以及统计分析和空间分析模型；第六章阐述了空间信息可视化，包括符号、符号化、色彩、注记等内容，还包括了电子地图(集)、动态地图及虚拟现实介绍；第七章阐述了地理信息系统的应用，重点介绍了资源、环境调查与管理、规划和决策上的应用，与遥感的结合，与全球定位系统、遥感的结合，与人工智能的结合，以及简单介绍了WEBGIS的原理和应用特点；第八章阐述了地理信息系统的开发方法、开发过程和系统评价。

本网络课程具有不同物理层面，也即对应不同综合层面的内容，使用时可方便地按需选择不同的简繁内容以适合较广泛层次的需要。

本网络教程适合地理信息系统专业的高年级本科生学习所用，也适合相应或相关专业的本科生、研究生教学和自学，并可供从事地学工作的教师、科技人员和管理人员参考。

前 言

新的世纪人类社会面临人口增长,环境变异,资源匮乏等全球性问题,人们把解决这些问题的希望寄托于现代管理和科技。地理信息系统作为传统地学学科和现代科学相结合的产物，目前已发展成为集遥感、全球定位系统、互联网技术于一身的综合集成化技术系统，其概念层出不穷，技术日新月异，它的理论、方法和技术作为地学学科的技术基础课程不仅吸引了广大地学、信息技术工作者及学生的研究和关注，而且受到更广泛的经济、文化、社会工作者及学生的青睐。因此利用强大的互联网和局域计算机网络和资源，形象生动、繁简适中地阐述地理信息系统的基础理论和方法，为对它的深入学习和发展奠定良好基础是本教程的基本出发点。

本网络教程是“新世纪网络课程建设工程”的一个实施课程、是由胡鹏、吴艳兰、李圣权和代琪编著并制作，承蒙高等教育出版社靳剑辉同志详细审阅并提供修改意见，沈中山参与协助修改编辑，才得以完成。

本教程主要是以国家测绘九五重点教材“地理信息系统教程”为基础的，并以之为本网络教程的辅助文字教材，该教材由原武汉测绘科技大学、南京大学、原郑州测绘学院三校合作，并由胡鹏、黄杏元、华一新编著，徐庆荣教授审阅。此外，本教程精选了近年来网上及其它多媒体素材(均标有出处)加工而成，是学习更加方便、并可进行全文检索。由于网络课程是个新事物，如何编著尚属初步尝试，并且地理信息系统正处在迅猛发展之中，由于作者水平所限，不成熟不完善之处在所难免，希望读者提出宝贵意见。

本网络教程可作为普通高等学校测绘、地理、地质、城市规划、市政管理、土地、资源与环境等专业本科生和研究生教材，也可供从事地理信息系统、资源和环境信息系统、土地和各种专业信息系统等相应工作的科技人员和管理人员参考。

编著者

phu@wtusm.edu.cn

2003年3月

第一章 绪论

本章概述：本章主要为深入学习地理信息系统的具体技术和方法打基础，介绍地理信息系统所涉及的一些基本概念，回答什么是地理信息系统，地理信息系统有哪些组成部分，地理信息系统能做什么，地理信息系统的过去和今后怎样发展等问题。

§1.1 地理信息系统的概念

首先介绍一个地理信息系统应用实例,之后给出信息与数据，地理信息与地学信息，信息系统与地理信息系统等基本概念，最后阐述地理信息系统与其它信息系统的关系和区别。

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§1.2 地理信息系统的组成

介绍地理信息系统的五个主要组成部分：系统硬件，系统软件，空间数据，应用人员和应用模型。

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§1.3 地理信息系统的功能和应用

介绍地理信息系统的具备的基本功能和主要的一些应用领域。

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§1.4 地理信息系统的发展

介绍地理信息系统在国际、国内的发展状况和今后的发展趋势。

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{练习题}{基本概念}{典型问题}{本章说明}

第二章 空间数据结构和空间数据库

本章概述：地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。本章重点介绍主要的空间数据结构和空间数据库模型。

§2.1 地理实体及其描述

介绍地理实体的概念，地理实体需要描述的内容，实体的空间特征和实体间的空间关系。

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§2.2 矢量数据结构

讲述矢量数据的图形表示、获取方式和表示(即矢量编码方法)。

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§2.3 栅格数据结构

讲述栅格数据的图形表示、栅格数据的组织、栅格结构的建立和栅格数据的表示。

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§2.4 矢量栅格一体化数据结构

针对矢量栅格数据结构互为优缺点状况，介绍集两者优点为一体的矢量栅格一体化数据结构的概念和具体数据结构设计方法。

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§2.5 三维数据结构

主要阐述基于栅格的八叉树三维数据结构的基本原理和存储结构。在矢量结构方面，介绍常用的三维边界表示法的方法原理、特点和应用。

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§2.6 空间数据模型

首先介绍数据库有关基础知识，传统数据模型如何存储图形数据及其局限性，重点阐述面向对象技术、面向对象模型和用于地理信息系统的空间数据库管理系统的类型。

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§2.7 空间数据库的设计、建立和维护

介绍空间数据库的设计的内容、建立过程和维护方法。

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{练习题}{基本概念}{典型问题}{本章说明}

第三章 空间数据的采集和质量控制

本章概述：通过前一章的学习，我们对于GIS的数据结构有了一定的认识，在这一章我们将学习以下知识点：空间数据的参照系和控制基础，它们是地理数据的空间数学基础；采集数据之前如何根据所要采集的数据设定数据的编码体系；GIS数据的采集方式；如何控制数据采集的质量与如何评价GIS数据的质量；作为补充，我们将学习一些常用的空间数据规范和标准。

§3.1 概述

首先介绍了GIS的数据源定义及分类，然后分析了空间数据采集的任务，最后阐述了研究GIS数据质量的目的和意义。

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§3.2 空间数据的地理参照系和控制基础

首先介绍了地球的形状及特点，然后阐述了坐标系、地理坐标系、平面坐标系和高程系的概念和我国使用的大地坐标系高程系。接着着重阐述了地图投影的概念、特性、分类和GIS中的投影。

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§3.3 地理实体数据的编码与GIS数据库

首先介绍了地理实体与地理目标的概念、分类，然后介绍了几何数据的分类，地理目标的分层，最后阐述了地理实体属性编码的原则并举出实例。

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§3.4 空间数据的采集

首先介绍了几何数据的采集的几种方法，然后介绍了属性数据的采集方法，最后阐述了空间数据的检核需要注意的地方和检核方法。

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§3.5 GIS的数据质量

首先阐述了GIS数据质量的内容和类型，然后介绍了GIS数据质量的研究方法，详细介绍了数据采集中，数据处理中的数据质量评价。

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§3.6 空间数据标准

首先阐述了空间数据标准的定义、原则和交换标准，然后介绍了我国的数据交换格式，接着详细阐述了GIS空间元数据，最后阐述了空间数据的互操作和OpenGIS 规范。

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{练习题}{基本概念}{典型问题}{本章说明}

第四章 空间数据的处理

本章概述：通过前面的课程，我们学习了GIS的数据源、数据结构、数据模型、数据编码、数据质量控制等等有关GIS数据的基本知识。由于数据获取方法的不同和对数据用途的不同要求，我们所采集的GIS数据往往存在问题、错误或者不符合用途要求的情况，这些数据必须通过数据处理才能达到应用的要求。本章将介绍空间数据处理的基本内容、途径和算法。

§4.1 矢量数据拓扑关系的自动建立

矢量数据拓扑关系在空间数据的查询与分析中非常重要，矢量数据拓扑关系自动建立的算法是GIS中的关键算法之一，这里介绍其实现的基本步骤和要点。

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§4.2 矢量数据的图形编辑

图形编辑是纠正数据采集错误的重要手段，其基本的功能要求是：具有友好的人机界面；具有对几何数据和属性编码的修改功能；具有分层显示和窗口功能。图形编辑的关键是点、线、面的捕捉。

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§4.3 空间数据的坐标变换

图形编辑只能消除数字化产生的明显误差，而图纸变形产生的误差难以改正，因此要进行几何纠正。几何纠正常用的有高次变换、二次变换和仿射变换。

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§4.4 空间数据的压缩处理

矢量数据压缩的目的是删除冗余数据，减少数据的存贮量，节省存贮空间，加快后继处理的速度。矢量方法有道格拉斯——普克法(Douglas—Peucker)、垂距法、光栏法、并对几种方法进行比较。栅格数据的压缩包括直接栅格编码、游程长度（行程）编码、四叉树编码。

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§4.5 空间数据的结构变换

介绍矢量——栅格转换和栅格——矢量转换。矢量─栅格转换有线的栅格化方法、和面(多边形)的栅格化方法。 线的栅格化方法包括DDA法(数字微分分析法)、Bresenham算法。面(多边形)的栅格化方法包括内部点扩散法、扫描法、和边填充算法。栅格数据到矢量数据转换的一般过程可描述为：二值化、二值图像的预处理、细化、追踪、拓扑化。

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§4.6 空间数据的插值方法

在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程称为内插；在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程称为外推。常用的内插方法有：边界内插、趋势面分析、局部内插、移动平均法。

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§4.7 图像数据的处理方法

一幅图像经过生成、复制、扫描、传输、变换后，由于多种因素的影响，图像的质量不能满足要求，这时就需要进行图像增强处理。图像增强的目的是改善图像的效果，以更适应人眼的观察或计算机的处理。基本的图像增强方法有：灰度级的修整、空域处理、频域处理。

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§4.8 空间数据的更新处理

GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，遥感数据是GIS的重要信息源和数据更新的手段。全球卫星定位系统(GPS)作为一种新型的定位数据的采集和更新手段，具有高精度、高效益、全天候、低成本、高灵活性、实时性等特有的优势，因而在GIS中具有重要的应用价值。

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{练习题}{基本概念}{典型问题}{本章说明}

第五章 空间查询与空间分析

本章概述：GIS不仅仅是一个地理数据的存贮系统，它还提供了丰富的数据查询功能。更重要的，GIS有自己的复杂而科学的空间分析模型和工具，使得我们可以通过GIS的空间分析功能，获取隐藏在GIS数据之中的信息和关系。地理信息系统集成了多学科的最新技术，如关系数据库管理、高效图形算法、插值、区划和网络分析，为空间分析提供了强大的工具，使得过去复杂困难的高级空间分析任务变得简单易行。本章将介绍GIS数据查询的基本知识和常用的GIS空间分析模型及其算法。

§5.1 空间数据的查询

本节将介绍空间数据查询的含义及图形查询、属性查询、混合查询、模糊查询等几种主要的查询方式，以及如何根据需求来控制查询结果的显示方式。

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§5.2 空间数据的统计分析

讲述空间数据统计分析中基本统计量的计算和常用统计数据的分类分级算法。

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§5.3 数字高程模型分析

讲述基于数字高程模型的信息提取、坡度分析、坡面分析、剖面分析和通视性分析、并介绍具体的算法。

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§5.4 空间数据的叠置分析

空间叠置分析是GIS提取空间隐含信息的重要手段之一，本课介绍基于栅格和基于矢量数据结构的叠置分析方法，包括矢量数据的点、线、面两两叠置和栅格数据的单层和多层叠置分析。

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§5.5 空间数据的缓冲区分析

缓冲区分析是解决空间实体邻接度问题的有效方法，本课介绍基于栅格和基于矢量数据结构的缓冲区生成算法。

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§5.6 泰森多边形分析

泰森多边形对于GIS的空间划分、插值等具有重要意义，本节介绍泰森多边形、Delaulay三角形的定义、特性及生成算法。

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§5.7 空间数据的网络分析

网络是以图论为工具模拟现实信息流通的通道，并解决路径优化、资源配给等运筹问题，网络分析具有重要的实际意义。本课讲述网络图论基础、路径分析及网络定位及分配模型。

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§5.8 空间距离的量算。

空间距离量算是许多空间分析的基础，在此介绍点、线、面实体之间的距离量算。

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§5.9 空间分析模型

讲述空间分析模型的概念、GIS常用的空间统计分析模型、对应的详细算法及模型库。

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第六章 空间信息的可视化

本章概述：地理空间中的信息具有广阔的范畴，丰富的内容和复杂的结构。为了系统而又本质地表述、传输和使用地理空间信息，必须把握住它们的基本特征，可视化能够全面且本质地把握住地理空间信息的基本特征，便于最迅速、形象地传递和接收它们，因此空间信息从来离不开可视化；而可视化技术成为空间信息阅读、理解进而交互作用最重要的工具手段。

§6.1 空间信息与可视化

讲述空间信息的所具有的空间、时间、属性和多媒体等基本特征；信息可视化的意义及应用领域；空间信息可视化的形式。

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§6.2 地图语言与符号库

讲述地图语言的特征；地图符号的功能与分类、分级；地图符号的设计以及矢量栅格地图符号库的建立。

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§6.3 空间数据的可视化

讲述从地图数据库中获取数据，经过预处理后的根据需要配置矢量或者栅格符号符号化，并介绍地图符号配置的详细算法，最后讲述地图数据可视化后的输出。

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§6.4 电子地图

讲述电子地图（集）的基本特征与设计目标，电子地图系统的结构和开发技术，并以万像GIS为例，讲述了电子地图开发的若干技术。

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§6.5 动态地图

自然界和人类社会的很多现象都具有移动变化的特征，用动态地图可以很好地表现这些动态度过程。讲述动态地图的特征、作用、表示方法及设计。

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§6.6 虚拟现实技术的空间

信息技术的发展为人们提供了更好的人机交互方式，其中虚拟现实是一种在GIS中有着重要价值的交互方式。讲述VR技术的系统结构、意义及在应用，最后介绍了GIS的虚拟现实技术。

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{练习题}{基本概念}{典型问题}{本章说明}

第七章 地理信息系统的应用

本章概述：地理信息系统是以应用为龙头，市场为导向，软件为核心的产业，是应用促进了GIS的发展，也是应用校正了GIS蓬勃发展的方向和促进GIS软件市场的形成。早期GIS主要应用于自动制图，设施管理和土地信息系统，后来逐步扩展到军事、资源和环境管理、监测和预估等众多领域，随着GPS技术的成熟及与相关学科的结合，GIS已经进入政治分析与决策、经济规划、交通运输等所有涉及空间信息的行业和部门；地理信息系统的应用水平也从提供简单数据表格，发展到提供分析和解决问题办法。本章主要介绍地理信息系统与相关技术的结合应用。

§7.1 地理信息系统与遥感的结合

阐述GIS与遥感结合的必要性，结合的技术途径和一个具体的城市分析实例。

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§7.2 地理信息系统与全球定位系统的结合

讲述讲述全球定位系统GPS与GIS结合的形式和实例。

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§7.3 地理信息系统与人工智能的结合

讲述人工智能的重要概念和GIS与之结合的实例。

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§7.4 地理信息系统的管理应用

讲述信息管理系统(MIS)的不足，介绍万像电子地图集系统对供水信息的解决方案。

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§7.5 地理信息系统的规划应用

讲述GIS用于规划工作的优势、原则、实例。

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§7.6 地理信息系统的决策应用

3S集成是GIS发展的趋势，讲述了GIS应用于决策的实例——常州市发展预测及相应住宅规划。

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§7.7 Web GIS

介绍Web GIS原理与特点。

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第八章 地理信息系统的开发与评价

本章概述：地理信息系统的开发，与许多其它系统一样，也是一个大型的系统工程，因此，其开发有其它系统共有的特性，更有其自身的特色，本章将从软件工程出发，讲述地理信息系统的开发方法、开发过程，并介绍GIS系统的评价方法和指标。

§8.1 地理信息系统的开发方法

讲述地理信息系统开发的一般性过程和原则，介绍了地理信息系统开发常用的五种方法，并在此基础上建议了一个通用的方法。

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§8.2 地理信息系统的开发过程

地理信息系统的开发是一个系统工程，其开发周期较长，涉及多个学术领域，包含内容十分广泛，它分为系统调查分析、系统设计和系统实施、系统运行和维护四个大阶段，其中又分为若干小阶段。它们相互衔接而又互相影响，整个过程形成螺旋式上升的循环过程。

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§8.3 地理信息系统的评价

系统评价是指对一个GIS系统从系统性能和经济效益两方面进行评价，新系统的全面评价一般应在新系统稳定运行一段时间后才进行，以达公正、客观，系统评价的结果是写出评价报告和改进效益措施的实施。

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{练习题}{基本概念}{典型问题}{本章说明}

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