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1、地理信息系统概论课程教学大纲课程编号：507605课程名称：地理信息系统概论 英文名称：Geography Information System课程类型: 专业核心课总 学 时：64 讲课学时：56 实验学时：8学分：4适用对象: 地理科学、资源环境与城乡规划管理、地理信息系统、环境科学先修课程：地图学、自然地理学、计算机基础执 笔 人：肖燕、段艺芳、侯战方 审定人：张金萍一、课程性质、目的和任务地理信息系统课程是地理信息系统专业本科生的专业必修课，是地理科学专业和资源环境与城乡规划管理专业的专业基础课，教师应具有GIS专业的学习和应用背景，学生应具有计算机高级语言、地图概论、数据库原理等课程
2、基础，其课程目的是介绍地理信息系统的一些最基本的理论、方法和应用实例，讨论地理信息如何被存贮在计算机中，并可进行更新、查询检索、分析处理和综合应用。通过本课程的学习学生应能够掌握地理信息系统基本概念、基本原理和基本方法，了解若干重要GIS工具软件的特点及基本使用方法，并能付诸应用解决实际问题。二、课程教学和教改基本要求本课程不仅为学生利用现代技术手段进行科技研究提供了必要的知识准备，而且更重要的是进一步提高了学生学习和研究地理学的档次。因此要求学生具备一定的计算机知识和地图遥感知识，这将是学好本课程的基础。该课程在教学观念和教学方法上注重能力培养，采用课堂讲授与具体实践相结合的方法完成教学任务
3、。地理信息系统的实习要求在计算机软硬件支持下，在数字环境下进行。根据本课程实践性强、图形内容多的特点，课堂讲授全部采用多媒体授课方式。本课程实践性强，教学中除注意突出重点，讲清基本原理外，应把重点放在提高学生操作、应用地理信息系统软件的能力上，加强上机练习，理论联系实际，学以致用。三、课程各章重点与难点第一章 导论一、本章重点：GIS的概念和基本构成以及GIS的功能二、本章难点：数据和信息的相关关系，GIS与其他信息系统的区别三、教学要求：掌握地理信息系统的概念及其软硬件构成以及功能；理解数据和信息的相关关系；了解地理信息系统的历史、发展趋势和常用的地理信息系统软件。四、教学内容：第一节 地理
4、信息系统基本概念1 数据与信息数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。2 地理信息与地理信息系统地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的。地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统。第二节 GIS的基本构成1 系统硬件用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据，包括GIS主机、GIS外部设备和GIS网络设备。计算机是GIS的主机，它是硬件系统的核心，包括从主机服务器到桌面工作站，用作数据的处理、管理与计算。GIS外部设备包括输入设备的数字化仪、扫描仪和全站型测量仪器等，输出设备的绘图仪、打印机和高分辨率显示装置等，以及
5、数据存储与传送设备的磁带机、光盘机、活动硬盘和硬盘阵列等。GIS的网络设备包括布线系统、网桥、路由器和交换机等，具体的网络设备根据网络计算的体系结构来确定。2 系统软件GIS软件是系统的核心，用执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面等。按照其功能分为：GIS专业软件、数据库软件和系统管理软件等。1）GIS专业软件2）数据库软件3）系统管理软件3 空间数据地理信息系统的操作对象是空间数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征：地理实体的空间位置及其相互关系 。属性特征：地理实体的名称、类型和数量等。实践特征：实体随时间而发生相关变化
6、。4 应用人员包括系统开发人员和GIS技术的最终用户。5 应用模型应用模型是客观世界中相应系统经由观念世界到信息世界的映射，反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证，因此在GIS技术中占有十分重要的地位。第三节 GIS的功能简介1 基本功能1.1数据采集与编辑 地理信息系统的数据通常抽象为不同的专题或层。数据采集与编辑功能是保证各层实体的地物要素按顺序转化为x、y坐标及对应的代码输入到计算机中。 1.2数据存储与管理GIS数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。 1.3数据处理和变换1.4数
7、据处理的任务和操作内容有：1）数据变换。指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放和误差改正和处理等。2）数据重构。指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取、数据压缩、数据结构等。3）数据抽取。指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取、空间内插等。 4）空间分析和统计空间分析和统计功能是GIS的一个独立研究领域。它的主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系，它已经不仅成为区别其他类型系统的一个重要标志，而且为用户提供了灵活地解决各类问题的有效工具。5）产品制作与显示GIS产品是指由系统处理和分析，产生具有
8、新的概念和内容，可以直接输入专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明，其中地图图形输出是GIS产品的主要形式。 6）二次开发和编程为使GIS技术广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用要求，它必须具备的另一个重要基本功能使二次开发环境。2 应用功能1）资源管理 2）区域规划 3）国土监测 4）辅助决策第四节 GIS的发展透视1 发展概况GIS是20世纪60年代中期发展起来的一门新的技术。20世纪70年代，计算机发展到第三代，地理信息系统这一技术受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为一个引人注目的领域。20世纪80年代是地理信息系统普遍发展和推广应用的阶段。20世纪90年代是
9、GIS应用的大发展，GIS成为一种通用的地理信息技术工具被广泛应用，称为GIS的用户时代。当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展的方向迈进。2 基础理论地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显地体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系。第二章 地理信息系统的数据结构一、本章重点：空间数据结构的类型及其编码方法二、本章难点：地理空间及其表达方法，数据精度和误差来源三、教学要求：掌握空间数据结构的类型及其编码方法；理解地理空间及其表达方法，数据精度和误差来源；了解各种输入设备的性能和使用方法。四、教学内容：第一节 地理空间及其
10、表达1地理空间的概念地理信息系统中的空间概念常用“地理空间”来表达，一般包括地理空间定位框架及其所联结的特征实体。2 空间实体的表达地理空间的特征实体包括点、线、面、曲面和体等多种类型，有矢量表示法和栅格表示法两种。第二节 地理空间数据及其特征1 GIS的空间数据空间数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液。GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型：1）地图数据2）影响数据3）地形数据4）属性数据5.）元数据。空间数据根据表示对象的不同，又具体分为七种类型：1）类型数据2）面域数据3）网络数据4）样本数据5）曲面数据6）文本数据7）符号数据。2 空间数据的基本特征空间数
11、据的特征可以概括为空间特征和属性特征。一般地，空间特征数据包括地理实体或现象的定位数据和拓扑数据，属性特征数据包括地理实体或现象的专题属性数据和实践数据，而空间特征数据和属性特征数据统称为空间数据或地理数据。在地理信息系统中，拓扑结构不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中具有非常重要意义。空间数据拓扑关系包括：1）拓扑邻接。2）拓扑关联。3）拓扑包含。3 空间数据的计算机表示数据结构是GIS的核心技术，一直是GIS领域的重要研究课题。第三节 空间数据结构的类型1 矢量数据结构基于矢量模型的数据结构，可分为简单数据结构、拓扑数据结构和曲面数据结构。这种数据组织形式能更好地逼近地理实
12、体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。2 栅格数据结构基于栅格模型的数据结构，可分为栅格矩阵结构、游程编码结构四叉树数据结构等。栅格数据结构表达地理要素比较直观，容易实现多元数据的叠合操作，便于与遥感图像及扫描数据相匹配建库和使用等。3 矢量与栅格一体化数据结构3.1矢量与栅格一体化的基本概念既保持了矢量特征，又具有栅格的性质，就能将矢量与栅格统一起来，这就是矢量与栅格一体化数据结构。3.2矢量与栅格一体化数据结构设计1）点状目标和结点的数据结构。基本约定：点状目标和结点只有位置，没有形状和面积，不必将点状地物作为一
13、个覆盖层分解成四叉树，只要将点坐标化为两个地址码M1和M2，而不管整个构型是否为四叉树。2）线状目标和弧段数据结构。基本约定：线状目标只要将其通过的栅格地址全部记录下来即可，由于一个线状地物可能由几个弧段组成，所以应先建立弧段的数据文件。3）面状目标的数据结构。基本约定：面状目标应包括边界和边界所包围的整个区域。4 矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构各有优缺点，如表2-7所示。第四节 空间数据结构的建立空间数据结构的建立是指根据确定的数据结构类型，形成与该数据结构相适应的GIS空间数据，为空间数据库的建立提供物质基础。1 系统功能与数据间的关系现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数
14、据与功能之间具有密切的联系。2 空间数据的分类和编码2.1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，以便于从逻辑上将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。2.2空间数据的编码空间数据的编码，是指将数据分类的结果，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。3 矢量数据的输入与编辑矢量数据的输入过程实际上是产生和矢量数据结构相适应的GIS空间数据的过程，即将经分类和编码的地理要素的图形转换为一系列x、y坐标，然后将这些坐标记录按照确定的数据结构格式，加入到线段或标识点的计算机文件中去。手扶跟
15、踪数字化仪输入、扫描矢量化输入、解析测图仪数据输入及其他数据传输和转换输入等。4 栅格数据的输入与编辑栅格数据的输入过程：产生和栅格数据结构相适应的GIS空间数据的过程。透明格网采集输入、扫描数字化输入及其他数据传输和转换输入。第三章 空间数据的处理一、本章重点：空间数据坐标转换的基本方法和空间数据结构的转换方法二、本章难点：多源空间数据的融合方法和空间数据的内插方法三、教学要求：掌握空间数据坐标转换的基本方法和空间数据结构的转换方法；理解多源空间数据的融合方法和空间数据的内插方法；了解图幅数据边沿匹配处理过程。四、教学内容：第一节 空间数据的坐标变换1 几何纠正为了实现对数字化数据的坐标系转
16、换和图纸变形误差的改正。2 投影转换正解变换、反解变换和数值变换法第二节 空间数据结构的转换1 由矢量向栅格的转换1.1基于弧段数据的栅格化方法弧段数据栅格化的算法可以分解为两步：数据管理和转换计算。数据管理的任务：按照可用的工作存储区，将要建立的栅格数据划分成数据段，对每个数据段或栅格带建立相应的矢量数据文件。转换计算的任务：将任意的x、y坐标转换为有行号和列号表示的栅格数据。1.2基于多边形数据的栅格化方法2 由栅格向矢量的转换2.1基于图像数据的矢量化方法具体步骤：1）二值化。2）细化。3）跟踪。2.2基于再生栅格数据的矢量化方法具体步骤：1）对栅格数据按行扫描，找出位于各类型边界的栅格
17、单元，并将边界内部具有相同值或同质的栅格单元以一种显著不同的符号进行填充，产生只记录类型边界栅格值的文件；2）建立对类型边界栅格单元的追踪算法，寻找同质区的闭合界线，同时计算其坐标，并整理成有序的坐标数组；3）处理相邻类型的公共边界，将按区域单元建立的数据结构转换为按线段链建立的数据结构，以便实现任意区域或类型数据的提取、综合、分析和制图输出。第三节 多源空间数据的融合1 遥感与GIS数据的融合1.1遥感图像与图形的融合1.2遥感数据与DEM的融合1.3遥感图像与地图扫描图像的融合2 不同格式数据的融合2.1基于转换器的数据融合2.2基于数据标准的数据融合2.3基于公共接口的数据融合2.4基于
18、直接访问的数据融合第四节 空间数据的压缩与综合1 空间数据的压缩1.1数据压缩的意义原因：现代的数据采集系统坐标数据量庞大；处理空间数据的比例尺的发生变化的需要。所谓数据压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。压缩比表示曲线信息载量减少的程度。1.2曲线上点的压缩1.3曲域栅格数据的压缩2 空间数据的综合第五节 空间数据的内插方法1 点的内插点的内插是研究具有连续变化特征现象的数值内插方法。1）数据取样 2）数据内插 3）数据记录2 区域的内插区域的内插是研究根据一组分区的已知数据来推求同一地区另一
19、组分区未知数据的内插方法。1）叠置法 2）比重法第六节 图幅数据边沿匹配处理1 识别和检索相邻图幅的数据通过图幅编号与分幅数字化的数据联系起来的方法来识别2 相邻图幅边界点坐标数据的匹配追踪拼接法3 相邻属性多边形公共界线的删除第四章 地理信息系统空间数据库一、本章重点：空间数据库的概念和空间数据库的实现过程二、本章难点：层次结构、网络结构和关系结构的异同、空间数据库概念模型设计三、教学要求：掌握空间数据库的概念和空间数据库的实现过程；理解层次结构、网络结构和关系结构的异同，理解空间数据库概念模型设计；了解GIS空间时态数据的基本特征与实现过程。四、教学内容：第一节 空间数据库概述1 空间数据
20、库的概念通常数据库是数据库系统的简称。一个完整的数据库系统应该包括数据库、数据库管理系统和数据库应用系统三个组成部分。数据库是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合；数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；而数据库应用系统则是为了满足特定的用户数据处理需求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。2 空间数据库的设计1.1 空间数据库的设计过程 1.2 空间数据库的数据模型设计1.3 空间数据库设计的原则、步骤和技术方法3 空间数据库的实现和维护1）空间数据库的实现 2）相关的其他设计 3）空间数据库的运行与维护第二节 空间
21、数据库概念模型设计传统的数据模型1 层次数据模型1）层次数据结构 2）层次数据结构的数据存取2 网状数据模型1）网状数据结构 2）网状数据模型的实现 3）网状数据模型数据库的记录存取3 关系数据模型1)关系数据模型的基本概念 2）空间数据库关系数据模型的概念设计和逻辑设计4 三种传统数据模型的比较上述三种传统数据模型均可用来描述包括空间数据和属性数据的地理数据，但各有优缺点。在选用时应根据具体的应用要求择优选用，或取长补短。第三节 空间数据库概念模型设计语义数据模型和面向对象数据模型1 语义数据模型最常用的语义模型之一是实体联系模型（即E-R模型）。2 面向对象的数据模型1）面向对象数据模型的
22、基本概念 2）继承及类之间的层次关系 3）功能重载和多态性 4）概括和聚类 5）空间数据库对象模型第四节 空间数据库逻辑模型设计和物理设计1 空间数据库逻辑设计的步骤和内容1）初始模式形成 2）子模式设计 3）模式评价 4）优化模式2. ER模型向关系数据模型的转换E-R模型可以向现有的各种数据库模型转换，对不同的数据库模型有不同的转换规则。3 关系数据库的逻辑设计4 空间数据库的物理设计第五节 GIS空间时态数据库1 空间时态数据库概述一个空间对象，除了空间和属性描述信息外，还要考虑时间信息。2 时空一体化数据模型1）时间片快照模型 2）底图叠加模型 3）时空合成模型 4）全信息对象模型第五
23、章 空间分析的原理与方法一、本章重点：空间数据分析的主要方法二、本章难点：数据的统计模型和数字地型模型的生成方法三、教学要求：掌握空间数据分析的主要方法；理解数据的统计模型和数字地型模型的生成方法；了解空间数据分析的应用方向和空间数据运算种类。四、教学内容：第一节 数字地面模型分析1 地形因子的自动提取2 地表形态的自动分类3 地学剖面的绘制和分析第二节 空间叠合分析1 空间叠合分析的概念1）点与多边形的叠合 2）线与多边形的叠合 3）多边形与多边形的叠合2 基于矢量数据的叠合分析参与分析的两个图层的要素均为矢量数据3 基于栅格数据的叠合分析参与分析的两个图层的要素均为栅格数据第三节 空间缓冲
24、区分析1 空间缓冲区分析的模型空间缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。2 空间缓冲区分析的方法通过某一制图软件进行空间缓冲区分析的方法介绍。第四节 空间网络分析1 网络图论的基本概念图论中的“图”并不是通常意义下的几何图形或物体的形状图，而是一个以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间是否具备某种特定关系的数学系统。2 空间网络的类型和构成平面网络中的道路型和树型网络是空间网络中最主要的类型。3 空间网络分析方法1）路径分析 2）定位-配置分析第五节 空间统计分析1 变
25、量筛选分析常用的变量筛选分析方法有主成分分析法、主因子分析法、关键变量分析法等。2 变量聚类分析所谓变量聚类分析就是将一组数据点或变量，按照其在性质上亲疏远近的程度进行分类。第六节 空间数据的集合分析和查询1 空间集合分析空间集合分析是按照两个逻辑子集给定的条件进行逻辑运算，其基本原理是布尔代数，它的运算符号或算子包括AND、OR、XOR、NOT及其组合等，逻辑运算的结果为“真”或“假”。2 空间数据的查询空间数据的查询属于数据库的范畴，一般定义为从数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。第六章 地理信息系统的应用模型一、本章重点：地理信息系统应用模型的适应范围二、本章难点：
26、GIS应用模型的构建方式三、教学要求：掌握地理信息系统应用模型的适应范围；理解GIS应用模型的构建方式；了解专家系统的知识库与推理机制。四、教学内容：第一节 GIS应用模型概述1 GIS应用模型的分类地理信息系统的应用模型，就是根据具体的应用目标和问题，借助于GIS自身的技术优势，使观念世界中形成的概念模型，具体化为信息世界中可操作的机理和过程。1）数学模型 2）经验模型 3）基于原理和经验的混合模型2 GIS应用模型的构建2.1 GIS环境内的模型构建2.2 GIS外部的模型构建2.3 混合型的模型构建第二节 适宜性分析模型1 一般形式2 应用实例第三节 发展预测模型1 一般介绍2 应用实例
27、第四节 位址选择模型1 数据准备阶段2 综合影响评价阶段3 位址选择分析阶段第五节 交通规划模型1 交通发生量预测模型2 出行分布预测模型3 交通量最优分配规划第六节 地学模拟模型1 确定土壤侵蚀的数值分析模型2 设计土壤侵蚀数据处理流程3 土壤侵蚀图的输出第七节 专家系统概述1 NCGW系统结构2 知识库格式3 推理机制4 知识获取第七章 地理信息系统的设计和评价一、本章重点：地理信息系统设计的基本方法与基本过程二、本章难点：地理信息系统设计的模式与主要流程三、教学要求：掌握地理信息系统设计的基本方法与基本过程；理解地理信息系统设计的模式与主要流程；了解地理信息系统标准化的主要内容。四、教学
28、内容：第一节 GIS设计概述1 系统设计的目的地理信息系统，按其功能和内容，可以分为工具型地理信息系统和应用型地理信息系统。这里的系统设计是指应用型地理信息系统的设计。2 系统设计的模式地理信息系统最早的设计模式，是Calkins在1972年，由国际地理学会地理数据收集和处理委员会主持召开的地理数据处理学术会议上提出来的，后来又经过了几次修改和补充。3 系统设计的流程1）系统分析 2）系统设计 3）系统实施 4）系统运行与维护第二节 地理信息系统的设计1 系统分析系统分析一词源自美国的兰德公司，其基本思想是从系统观点出发，通过对事物进行分析和综合，找出各种可行的方案，为系统设计提供依据。2 系
29、统设计1）总体设计 2）详细设计3 系统实施在系统设计的原则指导下，按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成系统开发的过程。4 系统运行和维护第三节 地理信息的标准化1 地理信息标准化的内容在地理信息系统建设过程中，地理信息的标准化是一项十分重要的工作，它关系到地理信息资源的开发、利用和共享。2 地理信息标准化的制定第四节 地理信息系统的评价所谓系统评价，就是指从技术和经济两个大的方面对所设计的地理信息系统进行评价。第八章 地理信息系统产品的输出设计一、本章重点：地理信息系统图形输出系统设计与地图的组织方式二、本章难点：数字城市的实现过程与输出方法三、教学要求：掌握地理信息系
30、统图形输出系统设计与地图的组织方式；理解数字城市的实现过程与输出方法；了解地理信息系统的可视化与虚拟现实技术。四、教学内容：第一节 地理信息系统产品的输出形式1 常规地图常规地图（纸张地图）是地理信息系统产品的重要输出形式。它主要是以线划、颜色、符号和注记等表示地形地物。2 数字地图数字地图的核心是以数字形式来记录和存储地图。第二节 地理信息系统图形输出系统设计1 基本理论1）图形坐标系统 2）颜色模型和颜色空间 3）地理信息系统图形数据结构与数据库2 输出的几何变换1）二维图形变换 2）三维图形变换 3）地图投影变换3 地形图与专题图的输出组织形式1）透明图层与影像图层 2）专题图的符号系统
31、第三节 地理信息系统得可视化与虚拟现实1 三维空间图形模型2 数字地形模型的构造3 虚拟现实的设计与实现四、各教学环节学时分配章（或编）次讲课习题课讨论课实验其他合计第一章44第二章88第三章8210第四章10212第五章12214第六章8210第七章44第八章22合计56864五、课外习题及课程讨论1、运用GIS知识，分析说明城市道路拓宽中拆迁指标计算的操作步骤。（提示：道路向两侧平均拓宽，部分位于拆迁区内的10层以上的建筑物不拆迁。）2、运用GIS知识，分析说明利用栅格数据进行工业厂址适宜性分析的方法步骤。（提示：影响因素只考虑土地利用现状、地形坡度、人口密度和自然保护区）3、数字化地图为什么要对要素进行分层？4、何谓缓冲区？在GIS 中它有何作用？5、在栅格结构数据获取过程中，为保持原始数据精度，减少信息损失，可采用哪些方法？6、什么是拓扑关系？建立拓扑关系有何应用价值？六、作业与考核方式以期末考试方式进行考核七、推荐教材和教学参考书教 材：地理信息系统概论，黄杏元，马劲松编著，高等教育出版社，2008年。参考书：地理信息系统原理、方法和应用，邬伦等编著，科学出版社，2001年。地理信息系统，汤国安，赵牡丹编著，科学出版社，2000年。地理信息系统设计与实现，吴信才等编著，电子工业出版社，2002年。八、说明