西南石油大学

西 南 石 油 大 学 教 案课程名称 地理信息系统原理及应用 任课教师 钟 凤 媛 院(系、部) 资源与环境学院 教 研 室 资源环境与城乡规划 2006 年 8 月 28 日课 程 表课程名称 地理信息系统原理及应 用 专业年级 地理信息 2004学 时 56 行课时间 1220 周节次星期 教室12 节 34 节 56 节 78 节 910 节星期一 A414星期二 A414星期三星期四 A414星期五星期六星期日地理信息系统原理及应用课程教学大纲一、课程基本信息1、课程英文名称： The Principle of Geographic Information Systems2、课程类别：专业基础课程3、课程学时：总学时 56，实验学时 124、学 分：3.55、先修课程：自然地理学、地图学、数据库原理6、适用专业：地理信息系统专业，资源环境与城乡规划管理专业7、大纲执笔：资源环境与城乡规划教研室王成武8、大纲审批：资源与环境学院学术委员会9、制定(修订)时间：二、课程的目的与任务：课程设置的目的，是为各专业的学生提供必备的预备知识，为学习后续的专业课程服务。三、课程的基本要求：通过本课程的学习，要求学生在地理信息系统的组成、空间信息的描述、空间数据结构、空间数据库的建立、空间数据模型的建立、空间分析方法、空间数据的可视化等方面的知识能牢固地掌握。各专业的学生可根据专业的特点、侧重点学习有关章节的内容。四、教学内容、要求及学时分配：(一)理论教学：44 学时第一章 绪 论 2 学时地理信息系统的基础知识；掌握地理信息系统组成及其功能；地理信息系统基础；地理信息系统与相关学科的关系；地理信息系统的发展。重点：地理信息系统组成及其功能；地理信息系统的发展难点：地理信息系统组成及其功能第二章 地理空间与空间数据基础 9 学时地理空间的概念；空间数据结构与模型，空间数据组织和编码；地理空间结构；空间数据结构与模型；空间数据质量；空间数据的元数据重点：地理空间的概念；空间数据结构与模型；地理空间结构难点：空间数据结构与模型第三章 空间数据处理 12 学时如何进行空间数据输入地理空间数据库；空间数据的坐标转换；空间数据结构转换；多源空间数据的融合；空间数据压缩与综合； 空间数据的内插；图幅数据边沿匹配处理重点：空间数据的坐标转换；空间数据压缩与综合，空间数据的内插难点：空间数据的内插第四章 地理信息系统空间数据库 3 学时空间数据库概述；空间数据库概念模型设计；空间数据库逻辑模型设计和物理设计。重点：空间数据库概念模型设计难点：语义数据模型和面向对象数据模型第五章 空间分析的原理与方法 11 学时数字地面模型分析；空间叠合分析；空间缓冲区分析；空间网络分析；空间统计分析；空间数据的集合分析和查询。重点：数字地面模型分析；空间叠合分析；空间缓冲区分析难点：空间网络分析；空间统计分析第六章 地理信息系统的应用模型 2 学时地理信息系统应用模型的分类；地理信息系统应用模型的构建；地理信息系统的应用；地理信息系统应用模式。 重点：地理信息系统应用模型的分类；地理信息系统应用模型的构建难点：地理信息系统应用模型的构建第七章 地理信息系统的设计与评价 2 学时地理信息系统设计的目的，系统设计的模式，系统设计的流程；地理信息系统设计的步骤；地理信息的标准化重点：系统设计的模式，系统设计的步骤难点：系统设计的模式第八章 地理信息系统产品的输出设计 2 学时地理信息系统产品的输出形式；地理信息系统图形输出系统设计；地理信息系统的可视化与虚拟现实重点：地理信息系统产品的输出形式；地理信息系统图形输出系统设计难点：地理信息系统图形输出系统设计授 课 日 历课次 授课时间 授课内容 重点、难点 作业、实验 课后记录1 2 学时 地理信息系统的基础知识 地理信息系统组成及其功 能p27 思考题第 1、2、3题2 2 学时 地理信息基础知识 地理信息空间定位模型形 成及其特征 记忆常用投影、比例尺3 2 学时 空间对象描述基础知识空间对象描述方法；地理编码概念；拓扑关系的含义p70 思考题第 1、2、3题4 2 学时 空间数据组织与管理 空间数据组织与管理的基 础数据结构 p70 思考题第 6 题5 2 学时 空间数据组织与管理的基础数据结构 栅格数据结构描述实质及 其压缩方法 p70 思考题第 7 题6 2 学时 空间数据组织与管理的机制 空间数据库的现行管理方 案及其索引方法 p70 思考题第 5 题 7 2 学时 空间数据采集的原理GIS 的数据内容、GIS 的数据来源及现行主要数据采集方法p106 思考题第 1 题8 2 学时 空间数据编辑的内容与方法空间数据编辑的内容与方法，数据格式转换原理与方法思考题：现有商业软件中有哪些数据格式转换方法9 2 学时 数据结构转换原理与方法 矢量到栅格与栅格到矢量 数据格式转换 p106 思考题第 6 题10 2 学时 数据压缩与概化的原理与方法数据压缩与概化的原理与方法，图像纠正的原理与方法思考题：地形图的纠正步骤是什么。11 2 学时 地图投影转换的原理与方法，地理信息 系统边界匹配的方法 地图投影转换的原理与方 法 p106 思考题第 2、3 题12 2 学时 空间分析的基本原理与方法空间查询的方法，基于点的空间数据内插原理与方法p106 思考题第 5 题13 2 学时 空间分析的区域内插算法，数字地面模 型基本原理 空间分析的区域内插算法 p194 思考题第 4 题14 2 学时 地理信息系统数字地面模型基本原理与 方法地理信息系统数字地面模型谷脊特征判断，地学剖面的绘制方法。p194 思考题第 4 题15 8 学时 地理信息系统空间分析基本原理与方法 空间叠合分析，网络分析， 缓冲区分析p194 思考题第2、3、4 题16 2 学时 地理信息系统空间分析基本原理与方法地理信息系统空间建模基本原理以及基本类型。 p222 思考题第 1，2 题17 2 学时 地理信息系统空间建模基本原理以及基 本类型地理信息系统应用模型的构建与具体领域方法应用模型的构建。p222 思考题第 3，4 题18 2 学时 地理信息系统设计与标准化基本原理地理信息系统设计的步骤，GIS 评价,GIS 标准化的意义和作用。p243 思考题第 1，2 题19 2 学时 地理信息系统产品输出基本原理地理信息系统空间信息输出系统,电子地图系统。 p243 思考题第 1 题20 2 学时 实习一 初识商业地理信息系统平台熟悉商业地理信息系统的环境，了解地理信息系统的文件组成实习报告21 2 学时 实习二 栅格图象配准 深入理解物理坐标与用户坐标的概念及其转换关系 实习报告22 2 学时 实习三 属性数据库的建立 GIS 属性数据库建立及其与空间数据库关联的方法。 实习报告23 2 学时 实习四 GIS 分析方法初步了解常用的几种地理分析方法在 MapInfo 环境下的实现过程实习报告24 2 学时 实习五 统计图、专题图的制作 制作统计图、专题地图， 供 GIS 数据分析使用。 实习报告25 2 学时 实习六 成果地图打印输出 应用地理信息系统软件制 作输出的地图 实习报告授课总结第 1 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统的基础知识，掌握地理信息系统组成及其功能；地理信息系统概念；地理信息系统与相关学科的关系；地理信息系统的发展。二、内容纲要1、地理信息系统定义地图观点：地图数据处理与显示 数据库观点：计算机角度 分析工具观点：地学应用GIS 定义 ： GIS 是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、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。 美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）对 GIS 的理解：1) GIS 的物理外壳是计算机化的技术系统 2) GIS 的操作对象是空间数据 3) GIS 的技术优势在于它的空间分析能力 4) GIS 与地理学、测绘学联系紧密GIS 按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展，以减小重复很费，提高数据共享程度和实用性。2、地理信息系统的构成完整的 GIS 主要由五个部分构成：即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据、系统应用模型和系统管理操作人员理解：1) 计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称2) 地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等3) 系统开发、管理和使用人员：地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用3、GIS 与相关学科与技术的关系地理学和测绘学是以地域单元研究人类居住的地球及其部分区域，研究人类环境的结构、功能、演化以及人地关系。空间分析是 GIS 的核心，地理学作为 GIS 的分析理论基础，可为 GIS 提供引导空间分析的方法和观点。测绘学和遥感技术不但为 GIS 提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。再者，GIS 与计算机科技、数学、运筹学、统计学、认知学等学科也密切相关。计算机辅助设计(CAD)为 GIS 担供了数据输入和图形显示的基础软件；数据库管理系统(DBMS)更是 GIS 的核心；数学的许多分支，尤其是几何学、图论、拓扑学、统计学、决策优化方法等被广泛应用于 GIS 空间数据的分析。4、地理信息系统的功能1) 数据获取、数据编辑目的：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： 2) 数据变换数据格式转化：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：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) 空间查询位置查询、属性查询、拓扑查询 4) 空间分析地形分析、网络分析、缓冲区分析等5) 数据输出 等5、地理信息系统的应用资源清查，测绘与地图制图，城乡规划，灾害监测，环境保护。重点、难点：地理信息系统组成及其功能。三、教学设计1、教学步骤：1）总体介绍课程性质，总的要求2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把地理信息系统的概念，理解地理信息系统组成作为一个小单元，地理信息系统与相关学科的关系及其功能，地理信息系统的发展作为一个小单元。教学方法以讲解和示例为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解系统机制和发展过程。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：p27 思考题第 1、2、3 题第 2 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统的地理信息基础知识，掌握地理信息空间定位模型形成及其特征；投影概念；比例尺的含义。二、内容纲要1、地理信息空间定位模型逐级近似：第一类是地球的自然表面，它是一个起伏不平，十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。第二类是相对抽象的面，即大地水准面。地球表面的 72被流体状态的海水所覆盖，因此，可以假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面。以大地水准面为基准，可以方便地用水准仪完成地球自然表面上任意一点高程的测量。尽管大地水准面比起实际的固体地球表面要平滑得多，但实际上，由于海水温度的变化，盛行风的存在，可以导致海平面高达百米以上的起伏变化。第三类是模型，就是以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。大地水准面虽然十分复杂，但从整体来看，起伏是微小的，很接近与绕自转轴旋转的椭球体。所以在测量和制图中就用旋转椭球来代替大地球体。这个旋转球体通常称地球椭球体。地球椭球体表面是一个规则的数学表面。椭球体的大小通常用两个半径长半径 a 和短半径 b，或由一个半径和扁率 来决定。扁率表示椭球的扁平程度。扁率 的计算公式如下：=(a-b)/ba、b、 称为地球椭球体的基本元素。2、地理空间坐标系的建立建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地面点的位置。1) 最直截了当的方法就是用地理坐标（纬度、经度）来表示。2) 把地面上的点表示在平面上，采用平面坐标系（笛卡儿平面直角坐标） 。首先要把曲面展开为平面，因此必须运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上点的函数关系，使地球表面上任一个由地理坐标(、）确定的点，在平面上必有一个与它相对应的点。3、地图投影实质： 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线网的数学基础，也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标（ ， ）与平面上对应点的平面坐标（ x， y）之间的函数关系： ),(21fyx当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式投影选择因素：1 制图区域的地理位置、形状和范围 2 制图比例尺 3 地图内容 4 出版方式GIS 中的地图投影：1) GIS 以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS 中不可缺少。 2) GIS 数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。 3) GIS 中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式。4、地图比例尺地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系，纸质地图：内容、概括程度、数据精度等。 比例尺的含义： 制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例； 制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化，这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率， 称为主比例尺。地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺。重点、难点：地理信息空间定位模型的主要特性及地图投影、比例尺的含义。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把地理信息空间定位模型逐级近似及地理空间坐标系的建立作为一个小单元，地图投影、比例尺含义讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：记忆常用投影、比例尺第 3 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统的空间对象描述基础知识，掌握地理信息空间对象描述内容及其方法；地理编码概念；拓扑关系的含义。二、内容纲要1、空间对象类型在地图学上，按地形维数进行归类划分把地理空间的实体分为点、线、面三种要素，分别用点状、线状、面状符号来表示。1) 点状要素地面上真正的点状事物很少，一般都占有一定的面积，只是大小不同。这里所谓的点状要素，是指那些占面积较小，不能按比例尺表示，又要定位的事物。对点状要素的质量和数量特征，用点状符号表示。2) 线状要素对于地面上呈线状或带状的事物如交通线、河流、境界线、构造线等，在地图上，均用线状符号来表示。当然，对于线状和面状实体的区分，也和地图的比例尺有很大的关系。如河流，在小比例尺的地图上，被表示成线状地物，而在大比例尺的地图上，则被表示成面状地物。3) 面状要素面状分布的地理事物很多，其分布状况并不一样，有连续分布的，如气温、土壤等，有不连续分布的，如森林、油田、农作物等；它们所具有的特征也不尽相同，有的是性质上的差别，如不同类型的土壤，有的是数量上的差异，如气温的高低等。因此，表示它们的方法也不相同。对于不连续分布或连续分布的面状事物的分布范围和质量特征，一般可以用面状符号表示。但对于连续分布的面状事物的数量特征及变化趋势，常常可以用一组线状符号等值线表示，如等温线、等降水量线、等深线、等高线等，其中等高线是以后 GIS 建库用到的一种数据表示方式。2、空间对象的描述1) 编码：区别不同的实体，包括分类码和识别码。分类码表识空间对象的类别，而识别码对每个空间对象进行表识，是唯一的。 2) 位置：坐标形式给出空间对象的空间位置 3) 类型：空间对象所属的实体类型，或有那些实体组成 4) 行为：空间对象所具备的行为和功能 5) 属性：空间对象所对应的非几何信息 6) 说明：实体数据来源、精度等 7) 关系：与其他实体之间的关系3、空间对象编码编码过程：分类、分级、编码 1) 分类 定义：具有共同属性或特征的事物或现象归并在一起 方法：线分类、面分类2) 分级 定义：对事物或现象的数量或特征进行等级划分，包括确定分级数和分级线 。 方法：数列分级、最优分割分级、统一标准分级等。3) 编码： 指定属性数据的代码的方法和过程。 类型：数字、字母、数字字母混合型4、空间对象关系表达描述空间对象之间的空间相互作用关系： 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。空间对象的拓扑空间关系：基于点集拓扑理论 拓扑元素：点、线、面 基本拓扑关系： 关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系 层次：相同拓扑元素之间的层次关系 点、线、面基本数据之间的关系，代表了空间实体之间的位置关系。 5、地理数据特征一般认为空间数据具有三个基本特征：1) 空间特征 表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。2) 属性特征 表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等等。3) 时间特征 指现象或物体随时间的变化。重点、难点：空间对象描述方法；地理编码概念；拓扑关系的含义。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把地理信息空间对象类型，及地理空间对象描述方法和地理编码作为一个小单元，空间对象关系表达讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解地理信息系统常用地理编码方法和空间对象关系表达方法。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：p70 思考题第 1、2、3 题第 4 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统中进行空间数据组织与管理的基础数据模型与数据结构，掌握地理信息系统矢量数据结构描述实质及其方法。二、内容纲要1、GIS 数据模型GIS 的核心问题，计算机中的现实世界模型，数据模型多种多样，没有最好的通用数据模型。类型：1) CAD 、遥感影像模型 2) 栅格数据模型(Raster Data Model) 3) 矢量数据模型(Vector Data Model) 4) 对象数据模型（Object Data Model)2、矢量数据结构：概念数据结构：将数据模型的概念性描述进行具体的存储与表现矢量数据结构概念：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。 几何对象的矢量数据结构 ：1) 点：空间的一个坐标点；点实体包括由单独一对 x，y 坐标定位的一切地理或制图实体。点是空间上不可再分的地理实体，可以是具体的也可以是抽象的，如地物点、文本位置点或线段网络的结点等。 2) 线：多个点组成的弧段；线实体可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的 x，y 坐标定义。弧、链是 n 个坐标对的集合，这些坐标可以描述任何连续而又复杂的曲线。组成曲线的线元素越短，x，y 坐标数量越多，就越逼近于一条复杂曲线，既要节省存储空间，又要求较为精确地描绘曲线，唯一的办法是增加数据处理工作量。亦即在线实体的纪录中加入一个指示字，当起动显示程序时，这个指示字告诉程序：需要数学内插函数(例如样条函数)加密数据点且与原来的点匹配。于是能在输出设备上得到较精确的曲线。不过，数据内插工作却增加了。弧和链的存储记录中也要加入线的符号类型等信息。 3) 面：多个弧段组成的封闭多边形； 多边形(有时称为区域)数据是描述地理空间信息的最重要的一类数据。在区域实体中，具有名称属性和分类属性的，多用多边形表示。多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。3、矢量数据表达矢量数据表达 简单数据结构： 只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称面条结构） 。 存储： 独立存储：空间对象位置直接跟随空间对象； 点位字典：点坐标独立存储，线、面由点号组成 适用范围： 制图及一般查询，不适合复杂的空间分析这种数据结构具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等优点。但这种方法也有以下明显缺点：)相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系。矢量数据表达 拓扑数据结构： 不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系 表达对象：关联关系 采用拓扑关系的原则：应用目的 制图或一般查询，可不要拓扑结构； 空间分析，则应建立拓扑关系。 矢量数据结构：属性数据表达与组织： 类别特征：类型编码 ，说明信息：属性数据结构和表格 矢量数据结构：特点1) 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含 2) 用拓扑关系描述空间对象之间的关系 3) 面向目标操作，精度高，数据冗余度小 4) 与遥感等图象数据难以结合 5) 输出图形质量好，精度高重点、难点：地理信息系统中进行空间数据组织与管理的基础数据结构，地理信息系统矢量数据结构描述实质及其方法。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把基础数据模型与数据结构，及矢量数据结构描述实质作为一个小单元，矢量数据结构描述方法讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：p70 思考题第 6 题第 5 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统中进行空间数据组织与管理的基础数据结构栅格数据结构，掌握地理信息系统栅格数据结构描述实质及其压缩方法，了解矢量与栅格数据结构各自的优缺点。二、内容纲要1、栅格数据结构定义： 以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。 栅格数据结构：单元值确定：中心点法：用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码。中心点法常用于具有连续分布特性的地理要素，如降雨量分布，人口密度图等。面积占优法：以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码。面积占优法常用于分类较细，地物类别斑块较小的情况。重要性法：根据栅格内不同地物的重要性，选取最重要的地物类型决定相应的栅格单元代码、重要性法常用于具有特殊意义而面积较小的地理要素，特别是点、线状地理要素，如城镇、交通枢钮、交通线、河流水系等，在棚格中代码应尽量表示这些重要地物。百分比法：根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码参与，如可记面积最大的两类 BA，也可根据 B 类和 A 类所占面积百分比数在代码中加入数字。2、栅格数据的压缩编码方式1) 游程长度编码（run-length code） 游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法。基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行(或列) 方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。其编码方案是，只在各行(或列) 数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。 2) 四叉树编码(quad-tree code) 四又树结构的基本思想是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其格网属性值(或灰度)。如果某个子区的所有格网值都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。从上而下的分割需要大量的运算，因为大量数据需要重复检查才能确定划分。另一种是采用从下而上的方法建立。对栅格数据按如下的顺序进行检测。如果每相邻四个网格值相同则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。这种方法运算速度较快。3、栅格结构的特点1) 离散的量化栅格值表示空间对象 2) 位置隐含,属性明显 3) 数据结构简单,易于遥感数据结合,但数据量大 4) 几何和属性偏差 5) 面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系4、矢量栅格数据比较矢量数据：优点：表示地理数据的精度较高，严密的数据结构，数据量小，完整的描述空间关系，图形输出精确美观，图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现，面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息 缺点：数据结构复杂；矢量叠置较为复杂；数学模拟比较困难；技术复杂，特别是软硬件。栅格数据：优点：数据结构简单；空间数据的叠置和组合方便 ；类空间分析很易于进行；数学模拟方便 缺点：图形数据量大 ；用大像元减少数据量时，精度和信息量受损 ；地图输出不美观 ；难以建立网络连接关系；投影变换比较费时重点、难点：栅格数据结构描述实质及其压缩方法。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把栅格数据结构描述实质和压缩方法前部分作为一个小单元，压缩方法后部分和矢量与栅格数据结构各自的优缺点讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解地理信息系统常用数据结构各自的优缺点，栅格数据结构描述实质及其压缩方法。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：p70 思考题第 7 题第 6 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统中进行空间数据组织与管理的机制，掌握地理信息系统空间数据库的理论与方法。二、内容纲要1、空间数据管理：空间数据库数据库的定义：数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储和应用的相关联的数据集合。 地理信息系统的数据库(以下称为空间数据库 )是某区域内关于一定地理要素特征的数据集合。空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： (1) 数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往大得惊人。即使是一个很小区域的数据库也是如此。(2) 不仅有地理要素的属性数据(与一般数据库中的数据性质相似 )，还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。（3) 数据应用的面相当广，如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等等。2、数据库的基本知识系统结构：数据库是一个复杂的系统。数据库的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和用户级。数据库中的数据组织一般可以分为四种形式：数据项、记录、文件和数据库。数据项：是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。几个数据项可以组合，构成组合数据项。如“日期”可以由日、月、年三个数据项组合而成。记录：由若干相关联的数据项组成。记录是应用程序输入输出的逻辑单位。文件：文件是一给定类型的(逻辑) 记录的全部具体值的集合。文件用文件名称标识。数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合。 数据间的逻辑联系：数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。记录是表示现实世界中的实体的。实体之间存在着一种或多种联系，这样的联系必然要反映到记录之间的联系上来。数据模型：是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示。每一个具体的数据库都是由一个相应的数据模型来定义。目前，数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。3、现行空间数据库管理方案1) 基于文件与关系式数据库的空间数据混合管理方案 2) 基于关系式数据库的空间数据管理方案 3) 基于对象关系式数据库的空间数据管理方案4、空间数据索引空间索引概念： 根据空间对象位置和形状或空间对象的某种空间关系，按一定顺序排列的数据结构，包含空间对象的概要信息，以提高空间操作的效率。 常见空间索引方法：对象范围索引、格网索引 、四叉树索引 重点、难点：空间数据组织与管理的机制，地理信息系统空间数据库的现行管理方案及其索引方法。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把空间数据库的基本知识及其现行管理方案作为一个小单元，空间数据库的索引方法讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解空间数据组织与管理的机制，地理信息系统空间数据库的现行管理方案及其索引方法。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：p70 思考题第 5 题 第 7 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统中进行空间数据采集的原理，掌握地理信息系统 GIS 的数据内容、GIS 的数据来源及现行主要数据采集方法。二、内容纲要1、空间数据采集的原理数据采集任务： 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上的一致性。3) 不同的数据来源要用到不同的设备和方法。 4) 数据的转换装载 5) 数据处理：几何纠正、图幅拼接、拓扑生成等。GIS 数据精度和尺度： 空间对象描述表示：定性和定量 1) 定性：空间对象的鉴别、分类和命名 2) 定量：图形几何坐标、属性量化指标 原则：计算机输出的地图满足同等比例尺地图精度要求GIS 的数据来源：地理信息系统的数据源是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源。1) 地图各种类型的地图是 GIS 最主要的数据源，因为地图是地理数据的传统描述形式，是具有共同参考坐标系统的点、线、面的二维平面形式的表示。2） 遥感影象数据 通过遥感影象可以快速、准确地获得大面积的、综合的各种专题信息3）统计数据、文字报告和立法文件国民经济的各种统计数据常常也是 GIS 的数据源。如人口数量、人口构成、国民生产总值等等。4）实测数据2、数据采集方法： 野外测量、数字化、数据交换。数据格式的转换一般分为两大类：1) 不同数据介质之间的转换，即将各种不同的源材料信息如地图、照片、各种文字及表格转为计算机可以兼容的格式，主要采用数字化、扫描、键盘输入等方式；2) 第二类转换是数据结构之间的转换，而数据结构之间的转化又包括同一数据结构不同组织形式间的转换和不同数据结构间的转换。3、数据质量信息主要包括：数据采集日期(现势性)、位置精度(几何精度)、分类精度(属性精度)、完整性、数据采集与编码方法重点、难点：地理信息系统 GIS 的数据内容、GIS 的数据来源及现行主要数据采集方法。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把空间数据采集的原理作为一个小单元，现行主要数据采集方法讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解空间数据采集的原理。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：p106 思考题第 1 题 第 8 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统中进行空间数据编辑的内容与方法，掌握地理信息系统数据预处理基本内容，数据格式转换原理与方法。二、内容纲要1、空间数据编辑的内容与方法空间数据编辑内容： 数据不完整、重复 空间数据位置不正确 空间数据比例尺不准确 空间数据变形 几何和属性连接有误 属性数据不完整 检查方法：1 叠合比较法：是空间数据数字化正确与否的最佳检核方法，按与原图相同的比例尺用把数字化的内容绘在透明材料上，然后与原图叠合在一起，在透光桌上仔细的观察和比较。2 目视检查法：指在屏幕上用目视检查的方法，检查一些明显的数字化误差与错误，如图所示，包括线段过长或过短、多边形的重叠和裂口、线段的断裂等；3 逻辑检查法：如根据数据拓扑一致性进行检验，将弧段连成多边形，进行数字化误差的检查。有许多软件已能自动进行多边形结点的自动平差。对于空间数据的不完整或位置的误差，主要是利用 GIS 的图形编辑功能。对空间数据比例尺的不准确和变形，可以通过比例变换和纠正来处理。2、空间数据预处理地理数据结构化工作：建立拓扑编码、空间索引空间数据预处理的常用方法：数据格式转换 数据压缩 误差探测 ：空间数据误差的来源是多方面的。边界匹配 ：在相邻图幅的边缘部分，由于原图本身的数字化误差，使得同一实体的线段或弧段的坐标数据不能相互衔接，或是由于坐标系统、编码方式等不统一，需进行图幅数据边缘匹配处理。数据纠正：扫描得到的地形图数据和遥感数据存在变形，必须加以纠正。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。3、数据格式转换数据格式的转换一般分为两大类：3) 不同数据介质之间的转换，即将各种不同的源材料信息如地图、照片、各种文字及表格转为计算机可以兼容的格式，主要采用数字化、扫描、键盘输入等方式；4) 第二类转换是数据结构之间的转换，而数据结构之间的转化又包括同一数据结构不同组织形式间的转换和不同数据结构间的转换。同一数据结构不同组织形式间的转换包括不同栅格记录形式之间的转换（如四叉树和游程编码之间的转换）和不同矢量结构之间的转换（如索引式和 DIME 之间的转换） 。这两种转换方法要视具体的转换内容根据矢量和栅格数据编码的原理和方法来进行。不同数据结构间的转换主要包括矢量到栅格数据的转换和栅格到矢量数据的转换两种。重点、难点：掌握地理信息系统中进行空间数据编辑的内容与方法，掌握地理信息系统数据预处理基本内容，数据格式转换原理与方法。三、教学设计1、教学步骤：1) 回顾上次课内容，课后习题疑难解答2）概述本次课的主要内容提纲3）逐个教学要点讲解4）综合本次内容，提出课后学习要求按照重点突出，详略得当，难点详细讲解的原则进行课堂时间分配，把空间数据编辑的内容与方法作为一个小单元，数据格式转换原理与方法讲解作为一个小单元。教学方法以讲解、示例和问答为主，联系实际应用，启发学生掌握基本概念，了解地理信息系统中进行空间数据编辑的内容与方法。教学手段采用板书与多媒体（计算机、投影仪）相结合的方式，板书详细说明理论概念，多媒体用于示例图表展示。2、作业：思考题：现有商业软件中有哪些数据格式转换方法第 9 次 课日期 周次 星期 学时 一、本次教学目标掌握地理信息系统中不同数据结构转换原理与方法，掌握地理信息系统矢量到栅格与栅格到矢量数据格式转换。二、内容纲要1、两种数据结构的比较栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。在地理信息系统中栅格数据与矢量数据各具特点与适用性，为了在一个系统中可以兼容这两种数据，以便有利于进一步的分析处理，常常需要实现两种结构的转换。1) 栅格数据结构类型：具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于实现，且操作简单，有利于基于栅格的空间信息模型的分析，如在给定区域内计算多边形面积、线密度，栅格结构可以很快算得结果，而采用矢量数据结构则麻烦的多；但栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率较低。如要提高一倍的表达精度（栅格单元减小一半） ，数据量就需增加三倍，同时也增加了数据的冗余。因此，对于基于栅格数据结构的应用来说，需要根据应用项目的自身特点及其精度要求来恰当地平衡栅格数据的表达精度和工作效率两者之间的关系。另外，栅格数据结构比较容易和遥感相结合。2) 矢量数据结构类型具有“位置明显、属性隐含”的特点，它操作起来比较复杂，许多分析操作( 如叠置分析等)用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度较高，数据存储量小，输出图形美观且工作效率较高。2、矢量数据结构向栅格数据结构的转换许多数据如行政边界、交通干线、土地利用类型、土壤类型等都是用矢量数字化的方法输人计算机或以矢量的方式存在计算机中，表现为点、线、多边形数据。然而，矢量数据直接用于多种数据的复合分析等处理将比较复杂，特别是不同数据要在位置上一一配准，寻找交点并进行分析。相比之下利用栅格数据模式进行处理则容易得多。加之土地覆盖和土地利用等数据常常从遥感图象中获得，这些数据都是栅格数据，因此矢量数据与它们的叠置复合分析更需要把其从矢量数据的形式转变为栅格数据的形式。矢量数据的基本坐标是直角坐标 X、Y ，其坐标原点一般取图的左下角。网格数据的基本坐标是行和列(i,j),其坐标原点一般取图的左上角。两种数据变换时,令直角坐标 X 和 Y 分别与行与列平行。由于矢量数据的基本要素是点、线、面，因而只要实现点、线、面的转换，各种线划图形的变换问题基本上都可以得到解决。（1）点的变换点的变换十分简单，只要这个点落在那个网格中就是属于那个网格元素。（2）矢量线段的变换曲线在数字化时输入多个点，形成折线，由于点多而密集，折线在视觉上就形成曲线。（3）多边形数据的转换要完成面域的栅格化，其首要前提是实现以多边形线段反映其周围面域的属性待征。目前一般采用的是左码记录法。3、栅格数据结构向矢量数据结构的转换1）基于图象数据的矢量化方法转换步骤（1）二值化： 线划图形扫描后产生栅格数据，设以 G(i，j)表示，为了