地理信息系統原理

《地理信息系統原理》課是地理信息系統專業方向及專業特色課，本教學大綱適用於地理信息系統專業本科生教學。通過本課程的學習，使學生了解地理信息系統的產生背景、功能、應用領域及發展方向；掌握GIS的基本概念、GIS的數據結構、GIS數據輸入存儲編輯方法、GIS空間分析方法、GIS產品等知識點；懂得如何利用GIS去解決實際問題的思路。在學完本課程後，學生應對GIS有一個較全面的瞭解，提高利用GIS解決實際問題的能力。

共分七個部分，分別介紹了GIS的基本知識、空間數據的處理方法、空間分析的原理與方法、GIS的輸出和地學可視化、GIS應用工程設計、GIS的高級應用技術。圖文並茂，內容豐富、新穎，貼近科學前沿，是一本教材。 ^[1] 

第一部分 地理信息系統的科學和技術基礎

第一章 地理信息系統的科學基礎

第一節 地球系統科學

第二節 地球信息科學

第三節 地理信息科學

第四節 地球空間信息科學

第五節 地理信息系統

練習與思考題

第二章 地理信息系統的基礎理論

第一節 地理系統理論

第二節 地理信息理論

第三節 地理（地球）空間認知理論

練習與思考題

第三章 地理信息系統概述

第一節 地理信息系統的基本概念

第二節 地理信息系統的構成

第三節 地理信息系統的功能

第四節 地理信息系統與相關學科的關係

第五節 地理信息系統發展簡史

練習與思考題

第四章 地理信息系統的技術基礎

第一節 數據採集技術

第二節 計算機網絡工程技術

第三節 現代通信技術

第四節 軟件工程技術

第五節 信息安全技術

第六節 網絡空間信息傳輸技術

第七節 虛擬現實與仿真技術

練習與思考題

第一部分綜合實習

第二部分 地理空間數據組織與管理

第五章 地理空間信息基礎

第一節 地理空間信息的描述方法

第二節 矢量數據的屬性描述

第三節 矢量數據的類型和空間關係

第四節 元數據

練習與思考題

第六章 地理空間數據模型

第一節 地理空間數據模型的概念

第二節 地理空間數據的基本特徵和描述內容

第三節 空間數據的分類編碼和數據分層

第四節 空間數據的空間索引

第五節 空間數據模型

練習與思考題

第七章 地理空間數據結構

第一節 無拓撲矢量數據結構

第二節 拓撲數據結構

第三節 柵格數據結構

第四節 數字高程模型數據結構

第五節 四叉樹和八叉樹數據結構

第六節 其它數據結構

練習與思考題

第八章 地理空間數據庫

第一節 數據庫的概念

第二節 數據庫的系統結構

第三節 數據庫管理系統的功能與組成

第四節 空間數據庫管理系統的管理模式

第五節 地理數據庫中的時間維

練習與思考題

第二部分綜合實習

第三部分 地理空間數據的獲取與處理

第九章 地理空間數據獲取

第一節 數據源的種類

第二節 數據採集的方法

練習與思考題

第十章 空間數據的編輯

第一節 圖形數據的編輯

第二節 圖形數據的幾何糾正

第三節 圖幅的拼接

第四節 網絡特徵元素的編輯

第五節 文本數據的編輯

練習與思考題

第十一章 空間數據的處理方法

第一節 圖形屏幕編輯的基本操作算法

第二節 空間數據的拓撲關係自動生成

第三節 空間數據的壓縮編碼方法

第四節 空間數據的格式轉換

第五節 矢量數據和柵格數據的轉換

練習與思考題

第十二章 地理空間數據的質量

第一節 GIS數據質量的概念

第二節 GIS數據質量的研究方法

第三節 空間數據的不確定性

練習與思考題

第三部分綜合實習

第四部分 空間分析基本原理和方法

第十三章 空間數據分析的計算模型

第一節 關於分析計算模型的一般知識

第二節 GIS的空間計算模型

練習與思考題

第十四章 空間查詢與統計方法

第一節 GIS常用的空間統計分析模型

第二節 空間數據的查詢

第三節 屬性數據的查詢統計

練習與思考題

第十五章 空間分析方法

第一節 柵格數據分析的基本模式

第二節 矢量數據分析的基本方法

第三節 網絡分析應用

第四節 基於地形的空間分析

練習與思考題

第四部分綜合實習

第五部分 地理信息系統產品輸出及可視化

第十六章 地理信息系統產品輸出

第一節 地理信息系統產品的輸出系統

第二節 地理信息系統產品的類型

練習與思考題

第十七章 空間信息可視化技術方法

第一節 可視化的概念

第二節 可視化的技術方法

第三節 三維虛擬GIS（VR-GIS）的應用

練習與思考題

第五部分綜合實習

第六部分 地理信息系統工程設計與標準化

第十八章 地理信息系統工程設計

第一節 地理信息系統工程的設計模式與程序評價模式

第二節 地理信息系統工程設計的內容與過程

第三節 地理信息系統工程的系統分析

第四節 地理信息工程的系統設計

第五節 地理信息系統工程的實施設計

第六節 地理信息系統工程的運行維護設計

練習與思考題

第十九章 地理信息系統的標準化

第一節 地理信息系統標準化的作用

第二節 地理信息系統標準化的內容

練習與思考題

第七部分 地理信息系統的高級技術

第二十章 分佈式地理信息系統

第一節 GIS計算環境發展回顧

第二節 分佈式地理信息系統的概念

第三節 分佈式地理信息系統的體系結構

第四節 分佈式地理信息系統的計算模式

第五節 分佈式地理信息系統的計算技術

練習與思考題

第二十一章 空間信息基礎設施與數字工程

第一節 空間數據基礎設施

第二節 “數字地球”的概念與框架

第三節 “數字城市”的概念、框架和建設技術

第四節 “數字流域”的概念和框架

練習與思考題

第二十二章 空間信息網格

第一節 空間信息網格的概念

第二節 空間信息網格的計算

第三節 空間信息網格技術與GIS

第四節 網格GIS的體系結構

練習與思考題

第二十三章 空間數據的互操作

第一節 空間數據互操作的概念

第二節 互操作的實現技術

練習與思考題

第二十四章 地理信息系統的集成

第一節 地理信息系統集成的概念

第二節 “3S”技術集成

第三節 多源數據的集成

第四節 GIS與專家系統的集成

第五節 GIS與應用分析模型的集成

練習與思考題

地理信息系統的基本概念，系統的構成，功能及其運行環境，系統所具有的空間特徵，數據的採集、組織與管理，數據結構和數學模型，系統的設計方法、原則、模式以及步驟。開發的系統具有采集、管理、分析和以多種方式輸出地理空間信息的能力，為管理和決策服務，使系統具有快速、準確並能綜合的對複雜的地理系統進行空間分析和過程的動態分析。

一、如何用計算機來描述和表達地理現象？

憑藉計算機來研究地理，首先需要解決的問題是：如何用計算機來描述和表達地理現象？在這之前，古人用各種形式的紙張地圖和各種文字數據等資料來描述地理現象，這些資料大都通過測量和調查等方式獲取的。如今有了計算機，那用計算機該如何展現地圖和各種文字數據等資料呢？古人藉助座標，通過測量把地理上的現象描繪到紙張上，那自然我們也會想到用同樣的思路，用座標來描述，用圖形來展現地圖。經過抽象，分別用點（X,Y）,線（X0,Y0,X1,Y1……Xn,Yn），面（X0,Y0,X1,Y1……Xn-1,Yn-1,X0,Y0）這三種座標形式來表達各種地理現象.各種相關的文字數據等資料，將以屬性字段的形式來描述.這種就是我們通常所説的矢量數據.而另一種描述方式——柵格數據，就是我們通常看到的圖象，是由柵格所組成，每個柵格所在的位置和地理的相應區域是對應的，象素值就是對應的屬性值。

二、如何用計算機來存儲地理數據?

在計算機中，數據的存儲表達形式無非就兩種形式：1，二進制；2，字符（其實字符最終也是二進制）.在GIS中，用二進制或者字符來存儲座標（屬性值同理），座標浮點型，可以用二進制4或者8個字節來存儲，或者也可以用字符串的形式（不過麻煩的是，解析字符串不是很高效），把這一系列的座標二進制數據以一定的結構保存起來，我們常見的shp格式，就是二進制的.在數據庫中，可以用二進制BLOB字段類型來存儲座標序列，也可以用字符串字段類型.柵格數據通常是存儲每個象素的值，也是基本數據類型，比如int,double,char等. 整個圖象以矩陣或者矩陣的壓縮形式來存儲的.

三、如何用計算機對這些數據進行處理分析?

空間數據的處理，就是根據應用分析的需求，採用一種算法，對空間數據進行運算.對矢量而言，就是對地理座標點進行運算，比如空間關係的判斷，就是根據地物的座標位置，用一種算法來判斷地物之間的拓撲關係；數據編輯，也是對地物的座標進行操作；.對柵格數據，就是對柵格象素進行運算，比如二值化，兩個柵格圖象的疊置運算.

四、如何用計算機來展現地理信息?

地理信息的展示，通常以圖形圖象或者表格的方式來展現，也是用户操作的UI接口.這裏涉及到如何把地理座標用圖形的方式展現出來，如何把圖象柵格展現出來?這裏涉及到一個共同的問題就是把地理座標轉換成屏幕顯示座標，因為我們最終是要通過屏幕來顯示的，如何在屏幕上定位一個地物的座標，必然涉及到兩者的轉換.同時地理信息的展現也涉及到如何渲染的問題，主要表現為地圖符號化上，採用不同的形狀，不同的顏色，不同大小粗細來表達不同數量，不同質量的信息.

當然，地理信息系統內涵是很豐富的，涉及到的學科也是非常多的，並不僅僅侷限於這裏所介紹的幾個方面，一些前沿的研究課題已經引起了很多學者的關注和研究，比如時態GIS，三維虛擬現實，模式識別，空間數據挖掘，知識發現…

地理信息系統的操作對象是空間地理實體，建立一個地理信息系統的首要任務是建立空間數據庫，即將反映地理實體特性的地理數據存儲在計算機中，這需要解決地理數據具體以什麼形式在計算機中存儲和處理即空間數據結構問題和如何描述實體及其相互關係即空間數據庫模型問題。

柵格數據模型（Raster Data Model）

矢量數據模型（Vector Data Model）

對象數據模型（Object Data Model）

數據結構：將數據模型的概念性描述進行具體的存儲與表現

矢量數據結構概念：矢量數據結構通過記錄空間對象的座標及空間關係來表達空間對象的位置。

數據結構即指數據組織的形式，是適合於計算機存儲、管理和處理的數據邏輯結構。對空間數據則是地理實體的空間排列方式和相互關係的抽象描述。

矢量數據表達