地理信息系統導論論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 相對位置。地圖投影與GIS 地圖是GIS的主要數據來源，在采集地圖數據并輸入GIS的過程中，就要考慮地圖投影的系統配置。為確保GIS在同一系統內或在不同系統之間的信息（或數據）能夠實現交換和共享，配準是第一步。否則后續所有基于GIS的空間分析、處理及應用都是不可能的。可以說地圖投影對GIS的影響是滲透在GIS建設的各個方面，下圖可以反映出地圖投影與GIS的關系。地圖投影在GIS中的作用（1）GIS以地圖方式顯示地理信息。地圖是平面，而地理信息則是在地球橢球面上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。投影是一個GIS項目的首要任務。（2）GIS數據庫中地理數據以地理坐標存儲時，則以地圖為數據源的空間數據必須通過投影變換轉換成地理坐標；而輸出或顯示時，則要將地理坐標表示的空間數據通過投影變換轉換成指定投影的平面坐標。（3）在GIS中，地理數據的顯示可根據用戶的需要而指定投影方式，但當所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。統一地圖投影系統（1）地球曲面轉換成平面是應用了地圖投影的原理，在空間信息系統中投影系統配置要統一。（2）空間信息系統中地圖投影配置的一般原則：①所配置的投影系統應與相應比例尺的國家基本圖（基本比例尺地形圖、基本省區圖或國家大地圖集）投影系統一致。②系統一般只考慮至多采用兩種投影系統，一種服務于大比例尺的數據處理與輸入輸出，另一種服務于中小比例尺。③為保證不變形或變形少，選用投影以等角投影為宜。④所用投影應能與網格坐標系統相適應，即所采用的網格系統在投影帶中應保持完整。統一的地圖投影系統的意義為GIS選擇和設計一種或幾種適用的地圖投影系統和網格坐標系統，可以為各種地理信息的輸入、輸出及匹配處理提供一個統一的定位框架，使各種來源的地理信息和數據能夠具有共同的地理基礎，并在這個基礎上反映出它們的地理位置和地理空間關系特征。面向數字地球的投影問題 數字地球是美國前副總統戈爾于1998年提出的，其基本概念是指可以嵌入海量地理數據的多分辨率和三維的地球表示，是虛擬地球，是現實地球的模型。目前，有關這方面的研究已有一定的進展，典型的成果是球面格網模型的建立（球面四元三角網QTM）及其在全球參考系統中的應用。第四節地球時間系統一、時間的本質和含義這種物質運動變化的序列和持續的性質，就是時間的本 質。時間不能完全脫離于空間，而必須和空間結合在一起，空間目標的表征和現象是隨時間變化而變化的。時間有時刻和時段兩重含義。二、量時原則和時間計量系統時間是通過物質的運動形式來計量表達的，但在選擇不同的物質運動形式來表達或計量時間的過程中，必須遵從的三個原則是被時間計量所考察的物質運動必須具有周期性、穩定性和可測性。在GIS中，人們經常用到的是太陽時系統（以太陽在天穹上的位置來確定一日中的時間），包括平太陽時（簡稱平時）和視太陽時（簡稱視時）。第三章GIS數據結構和空間數據庫第一節數據結構在GIS領域，目前普遍采用了兩種數據模型，即基于目標的和基于場的。常用的數據結構有兩種，即基于矢量的和基于柵格的。一、矢量數據結構表示法矢量數據模型（1）基于對象的矢量數據簡單模型矢量數據模型是以點為基本單位描述地理實體的分布特征，每一個點用一對（x，y）坐標表示。點狀實體由一個單獨的點表示；線狀實體由一系列有序點串或集表示，點的記錄順序稱為線的“方向”；面狀實體由一系列首末同點的閉合環或有序點集表示；線狀和面狀實體在顯示時分別以直線段將組成它們的點連接成線段鏈和多邊形。（2）矢量數據獲取方式和編碼方法矢量數據模型只需選取和記錄反映地理實體分布形狀特征的點，但點的數量對地理實體表示有影響。它非常適合于表示線狀實體和面狀實體的范圍邊界。獲取方式：①由外業測量獲得。②由柵格數據轉換獲得。《地理信息系統導論》復習資料（要點）陳詩吉（編）③由跟蹤數字化獲得。編碼方法：①對于點實體和線實體，直接記錄空間信息和屬性信息。②對于多邊形地物，用樹狀索引編碼法和拓撲結構編碼法。③對于多邊形地物，用坐標序列法，即由多邊形邊界的“x、y坐標對”集合及說明信息組成。矢量數據結構（1）簡單矢量數據結構：空間數據按照基本的空間對象（點、線、面或多邊形）為單位進行單獨組織，并以地理實體為單位，將地理實體特征點的坐標存儲到一個數據文件中。每個實體由其編號或識別碼標識，實體的屬性數據設為屬性碼，以表的形式存儲在另一個數據文件中，當需要查詢、顯示或分析某一實體的屬性數據時，GIS以實體編號為關鍵字從屬性數據文件中將它們讀取出來。其特點是結構簡單，存取便捷。（2）拓撲數據結構：除了存儲地理實體的坐標數據以外，還以計算機可以識別的方式存儲反映地理實體拓撲特性。在拓撲數據結構中，點狀實體僅以其編號和一對（x，y）坐標表示和存儲；線狀實體則表示為線段弧，又稱為弧段；面狀實體可看成是由一系列的弧段組成的多邊形。（3）不規則三角網（TIN）數據結構：根據一系列不規則分布的數據點產生的，每個數據點由（x，y，z）表示。其中，x、y為點坐標，z為所表示的地理實體在該點的屬性值。TIN將數據點以直線相連形成一個不規則三角網，網中所有三角形相互鄰接，互不相交，互不重疊。將不規則分布的數據點連接成三角網的方法最常用的是狄諾里三角形。使用Delaunay三角構網法形成的每一個三角形，它的外接圓不含有除三個頂點以外的其他數據點，而這個外接圓的圓心正是與該三角形三個頂點相對應的多邊形（也稱泰森多邊形，Thiessen或Voronoi）的公共頂點。泰森多邊形可用于GIS定性分析、統計分析、鄰近分析等。泰森多邊形的特性：①每個泰森多邊形內僅含有一個離散點數據。②泰森多邊形內的點到相應離散點的距離最近。③位于泰森多邊形邊上的點到其兩邊的離散點的距離相等。建立泰森多邊形的步驟：①離散點自動構建三角網，即構建Delaunay三角網。②找出與每個離散點相鄰的所有三角形的編號，并記錄下來。對已構建的三角網中找出具有一個相同頂點的所有三角形即可。③對與每個離散點相鄰的三角形按順時針或逆時針方向排序，以便下一步連接生成泰森多邊形。④計算每個三角形的外接圓圓心，并記錄之。⑤根據每個離散點的相鄰三角形，連接這些相鄰三角形的外接圓圓心，即得到泰森多邊形。對于三角網邊緣的泰森多邊形，可作垂直平分線與圖廓相交，與圖廓一起構成泰森多邊形。TIN是一種拓撲數據結構，不僅存儲每個數據點的（x，y，z）三維坐標值，而且存儲三角網的拓撲特性。每個三角形具有三個特性（即面積、梯度（或坡度）和方位），都可以作為TIN的屬性值存儲在一個數據文件中，或在使用TIN時將它們計算出來。TIN是根據不規則分布的數據點所構建的，很適合表示連續型面狀實體，尤其對于復雜的、變化大的面狀實體，表達比較逼真，效果較好。（4）網絡數據模型與數據結構網絡是指一組相互連接的線狀地理實體。在GIS中，網絡數據模型本質上是矢量數據模型，它把網絡看成是由結點和路徑組成，并以結點和路徑為單位描述網絡的幾何、拓撲和專題特征。二、柵格數據結構表示法柵格數據結構表示法以規則網格描述地理實體、記錄和表示地理數據。柵格數據模型柵格數據模型視地球表面為平面，將其分割為一定大小、形狀規則的格網，以網格為單位記錄地理實體的分布位置和屬性。組成格網的網格通常使用正方形。使用這種柵格數據模型，點狀地理實體表示為單一的網格或表示為單個像元；線狀地理實體表示為一串相連的網格或在一定方向上連接成串的相鄰像元的集合；面狀地理實體則由一組聚集在一起且相互連接的網格或由聚集在一起的相鄰像元的集合表示。每個地理實體的形狀特征表現為由構成它的網格組成的形狀特征。每個網格的位置由其所在的行列號表示。柵格數據可以是一組數據矩陣，每個數據稱為網格值，代表相應網格內地理實體的屬性。柵格數據不明確地表示地理實體的拓撲特性，但有些特性可以通過計算獲得。柵格數據的精度在很大程度上取決于網格的大小。網格越大，精度越低；反之，網格越小，精度越高。柵格數據的精度對地理實體幾何形狀特征表示的詳細性和精確性影響很大。一般實體特征愈復雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高。柵格數據量愈大（按分辨率的平方指數增加），計算機成本就越高，處理速度就越慢。不管網格有多小，每個網格內有關地理實體屬性變化的細節會全部丟失，而且柵格數據總會在某種程度上會歪曲地理實體的細部特征。當一個網格包含兩種或兩種以上不同類型的地理實體時，只能將它表示為其中一種類型。通常使用的網格賦值規則包括：①中心點法：選取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。②面積占優法：選取占據柵格單元屬性值為面積最大者賦值。常用于分類較細、地理類別圖斑較小的情景。③重要性法：定義屬性類型的重要級別，選取重要的屬性值為柵格屬性值，常用于有重要意義而面積較小的要素，特別適用于點、線地理要素的定義。④長度占優法：定義每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實體的屬性來確定。柵格數據結構柵格數據結構是以規則的陣列來表示空間地物或現象分布的數據組織，組織中的每個數據表示地物或現象的非幾何屬性特征。（1）柵格矩陣：將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼（也稱直接柵格編碼）。通常，這個文件具有一個文件標頭部分，用以存放有關柵格數據模型基本要素方面的數據。柵格矩陣要求存儲所有的網格值，所產生的數據文件的大小取決于網格的行數和列數（mn）。網格的大小對柵格數據量有很大的影響。這種數據結構存儲的網格值，冗余度較大。《地理信息系統導論》復習資料（要點）陳詩吉（編）到第i個觀測點之間的距離，Ai、a、b和c為待定系數。評價：①薄板樣條函數的主要問題是在數據點或觀測點稀少的地區會產生很大的梯度變化，插值的結果常比實際情況偏ing）是一種用于空間插值的地有一定的連續性，但不能以一個單一的平滑變化的總體趨勢：即現象成連續面狀分布為半方差圖的統計方的大小取決于觀測點之間的距離。大。為了糾正這一問題，人們已提出了幾種改進的樣條函數，包括規則化樣條函數和張力薄板樣條函數。②樣條函數比較適合于呈連續、平滑曲面狀分布的面狀實體。雖由樣條函數產生的等值線顯得非常平滑，在某些情況下，則可能會產生不切合實際的平滑效果。克里（金）格法（1）克里（金）格法（Krig學統計方法。（2）克里格法使用區域化變量的概念，這種變量的值隨著地點而變化，具數學方程來模擬，許多地形表面、土壤質量的區域變化等都具有這種特性。這類現象的空間變化既不是隨機的，也不是確定的，而是由三個部分組成：①的總體結構。②空間自相關變化：即偏離總體變化趨勢的一些小的變化，這些變化雖然是隨機的，但在空間上是相互關聯的。例如，在地形表面出現的一些小峰谷，它們的高程與周圍地點的高程是呈連續變化的，即相關的。③隨機誤差或隨機噪音：它們既與總體變化趨勢無關，又沒有空間上的相互關系。例如地面上突然出現的巨大礫石。（3）模擬和估算：克里格法對區域化變量的這三個成分分別采用不同的方法進行模擬和估算。總體趨勢以模擬變量區域性變化的數學方程表達和計算；空間自相關變化和隨機噪音通過使用稱法估算。半方差是衡量觀測點或樣本點數據之間空間依賴性的一個統計量，它觀測點數據在距離為h的半方差r（h）定義為所有相距h距離 的觀測點數據的方差除以一半。表達式：。式中，h為觀測點之間的距離，n為相距h距離的觀測點的個為觀測點xi的數據值，z（xi＋h）為與觀測點xi相距h距離的數模型、高斯模型、插值結果的方差達到最小，并運用半方差圖估類，即普通克里格法和廣義克里是根據點狀實體的分布估算它們在一個區域內各地的分布密度。密度估算則針對點狀實體。上，計算位于每個網格的點數，根據每個點所代表的 點狀含的所有 觀測數，z（xi）另一觀測點的數據值。半方差應隨著距離的增大而增大。利用此曲線可以估算任何距離的半方差，利用這條擬合曲線可以模擬了區域變量的自相關變化。半方差圖中的擬合曲線通常采用以下五種數學曲線模型之一：球形曲線模型、圓環曲線模型、指線性模型。克里格法使用半方差圖來估算插值過程中所需要的已知點權重值，以使算出插值結果的方差值。根據對區域化變量分布特性的假設不同，克里格法可劃分為好幾類，GIS中常用的有兩格法。密度估算密度估算上述的四種空間插值方法用于估算連續性面狀實體在每一點的值，而這里的密度估算產生一個面，可以柵格數據或等值線的形式輸出。（1）簡單密度估算：將一個格網覆蓋在一個點狀實體分布圖實體的個數計算每個網格所包含的點狀實體的總數，將這個總數除以網格的面積即得一個網格的密度。（2）采用核函數計算：假想將核的中心（底部圓心）移到待計算點上，以帶寬為搜索半徑，尋找核所包點，根據各觀測點到待計算點的距離由核函數估算它們對待計算點影響的權重，然后用公式估算待計算點的密度：。式中，（x，y）為待計算測點個數，h為帶寬，（點的坐標，n為核函數帶寬范圍內觀yi）為帶寬范圍內第i個觀測點的坐標，mi為在第i個觀測點影響大于遠距離點值的影響。一定 的差用的數據模型。i，觀測到的個體數目。所有的空間差值技術都有一個基本的假設，即一個點的值受其附近已知點值的空間插值技術有很多種，不管使用哪一種方法，通過插值獲取的數據都是估算的近似數據，它們與實際值會有距，任何根據內插數據進行分析的結果都具有某種程度上的不確定性。因此，在使用內插數據時必須認識到數據的局限性。總結：柵格數據模型和矢量數據模型是描述地理現象最常見、最通《地理信息系統導論》復習資料（要點）陳詩吉（編）第六章GIS應用模型第一節GIS應用模型概述一、GIS應用模型的問題，借助于GIS自身的技術優 勢，類象的不同分概念根據具體的應用目標和使觀念世界中形成的概念模型，具體化為信息世界中可操作的機理和過程。二、GIS應用模型的分