地理信息系统原理与算法.pdf

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1、地理信息系统理论与应用丛书 地 理 信 息 系 统 原 理 与 算 法 吴立新 史文中 编著 教育部第三届 “ 高校青年教师奖 ” 支持计划 香 港 政 府 研 究 资 助 局 项 目 （ZB） 中 国 矿 业 大 学 研 究 生 教 材 出 版 基 金 香 港 理 工 大 学 基 金 （畅畅） 联合资助 北 京 内 容 简 介 本书系统总结、 详细整理了国内外GIS 理论与核心算法的成果， 并进 行归纳分类、 比较分析和提炼演绎。全书以 GIS 原理和GIS 算法为纲， 形 成“ GIS 原理 ” 和“ GIS 算法 ” 上 、 下两篇 。上篇基于学科融合与交叉提出了 广义地理系统和广义地理

2、目标的概念， 进而系统讲解了 D GIS 空间数据模 型 、 数据结构 、 空间关系 、 地学信息分类与空间编码、 地图投影与图形变换等 基本原理 ， 并介绍了近年GIS 理论的最新进展， 如 D GIS 空间数据模型、 时 态 GIS 及时态关系和地理元数据。 下篇基于空间数据处理、 空间图形处理、 空间度量与分析、 可视化与数据挖掘共大方面 ， 系统阐述和演绎了空间数 据压缩 、 空间数据内插、 空间数据转换、 空间数据误差分析算法， 多边形自动 生成与裁剪、 TIN 的构建 、 Voronoi 图的构建和空间变换算法， 空间度量、 数 字地形分析、 空间统计和空间分析算法， 以及 GIS

3、 可视化操作和空间数据 挖掘与知识发现等核心算法。 本书可作为GIS 相关专业的硕士生、 博士生教材， 也可作为GIS 高级 研究人员 、 GIS 系统研发人员和GIS 高级程序员的参考用书和技术指南。 图书在版编目 （ CIP） 数据 地理信息系统原理与算法 吴立新， 史文中编著 北京 ： 科学出版社， （ 地理信息系统理论与应用丛书） ISBN 唱唱唱 畅地 畅 吴 史 畅地理信息系统 畅P 中国版本图书馆CIP 数据核字 （）第 号 责任编辑 ： 彭胜潮 姚岁寒 韩 鹏 责任校对 ： 宋玲玲 责任印制 ： 钱玉芬 封面设计 ： 王 浩 出版 北 京 东 黄 城 根 北 街 号 邮 政 编

4、 码 ： http ： www sciencep com 印刷 科 学 出 版 社 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销 倡 年 月 第 一 版 年 月 第 二 次 印 刷 印 数 ： 开 本 ： 印 张 ： 字 数 ： 定价 ： 60畅 00 元 （ 如有印装质量问题， 我社负责调换 枙 路通 枛） 序 言 一部有关 GIS 算法的著作的出版， 是我期盼已久的事情。 自 世纪 年代以来 ，我国 GIS 理论 、 方法 、技术与应用研究蓬勃发 展 ，GIS 教育更是蒸蒸日上，尤其是 GIS 方向的硕士 、博士研究生的培养规 模日益扩大 。GIS 原理与算法已成为GIS 高级研究的焦点和GIS

5、 基础软件开 发的关键 。长期以来 ，国内一直缺乏一部系统阐述GIS 核心算法的著作或研 究生教材 ； 国外也只是在年才由荷兰学者出版了一部名为枟 GIS 算法 基础枠（ Algorithmic Foundationsof GIS）的书 （开 ，页）。 该书重点阐 述了 GIS 中的 Voronoi方法 、DEM 和 TIN 算法 、空间数据综合算法、内存 扩展算法等有限内容。 吴立新 、史文中两位教授系统总结、详细整理了国内外GIS 理论与核心 算法的成果 ，并进行归纳分类、 分析比较和提炼演绎，同时结合中国内地和 香港地区 GIS 研究生教育的经验和实际，并融合双方近年在GIS 理论与算

6、法方面的研究成果，完成了这部著作。纵观全书 ，以 GIS 原理和 GIS 算法 为纲形成上 、下两篇 ，结构清晰 ， 体系完整 。 上篇 “ GIS 原理”部分不仅系统讲解了 D GIS 空间数据模型、数据结 构 、空间关系 、地学分类与空间编码、地图投影与图形变换等GIS 原理的基 本问题 ，而且纳入了近年GIS 理论的最新发展，如 D GIS 空间数据模型、 时态 GIS 及时态关系和地理元数据。 尤其 ， 从地理认知理论出发，扩充了地 理系统的概念和 GIS 的学科范畴 ，基于学科融合与交叉把涉及地球内部、表 面及外部的地理系统称为广义地理系统，进而提出了广义地理目标的新概 念 ，并以此

7、形成本书的基础与前提。 下篇 “ GIS 算法”部分从空间数据处理、 空间图形处理、 空间度量与分 析 、 可视化与数据挖掘共个板块出发 ，系统阐述和演绎了空间数据压缩、 空间数据内插 、空间数据转换 、 空间数据误差分析算法，多边形自动生成与 裁剪 、TIN 的构建 、Voronoi 图的构建和空间变换算法，空间度量 、数字地 形分析 、空间统计和空间分析算法， 以及 GIS 可视化操纵和空间数据挖掘与 知识发现算法 。 可以说 ，该书的成果是国内外GIS 理论与算法研究成果的集大成，是对 我国 GIS 学术界和教育界的一大贡献。该书不仅可作为我国GIS 研究生教 育的公共教材 ，也可作为我

8、国 GIS 高级开发人员的技术指南。相信 ，该书的 出版 ，必将促进我国 GIS 研究 、教育与技术的发展。 同时 ，希望作者继续关 i 注本领域国内外研究动态和最新成果，随时对新理论 、新算法进行总结、归 纳和提炼 ，以便在本书后续再版中不断纳入进去，使本书的体系和内容不断 丰富和完善 。 中国科学院院士 中国工程院院士 年 月 日于武汉 ii 前 言 英国 Edinburgh 大学地理学教授Terry Coppock 自 世纪 年代后期开始，就使 用早期的计算机进行与土地利用变化及国土资源相关信息的收集、 管理和操作工作，并 于 世纪 年代中叶创刊了InternationalJournal

9、 of Geographical In for mation Systems （ 简称 IJGIS ， 现改名为InternationalJournal of Geographical In for mation Science ）这一 最具国际影响的GIS 刊物 ， 并担任首任编辑。前加拿大地理师协会主席、皇家地理学 会 Murchison 奖获得者、测量学家Roger Tomlinson ，则在 世纪 年代认识到数字计 算机可以用于加拿大土地调查署的海量地图信息的分析工作， 并通过应用实践证明计算 机是地 理 信 息 处 理 与 分 析 的 最 佳 选 择 ，率 先 提 出 了 Geogr

10、aphical InformationSystem （ GIS）的术语 ，进而成为 GIS 之父 。美国加州大学地理系Michael F Goodchild 教授自 年代以来为推动国际GIS 理论与技术发展作出了积极贡献；我国的陈述彭院士、李 德仁院士等老一代科学家均为推动和发展中国的GIS 理论 、技术与产业做出了卓越贡 献 。地理信息技术经过 年的发展， 已经形成国际GIS 理论研究、技术开发、社会应 用与产业化四项并举的欣欣向荣局面。 我国自 世纪 年代开始大力赶超以来，目前已基本达到与国际先进水平齐平， 在某些方面甚至还有所超越。 在理论研究方面，国内许多高校的大地测量学与测量工程 （

11、）、摄影测量与遥感（）、地图制图学与地理信息工程专业（）、矿 山空间信息学与沉陷工程（）、自然地理学（）、人文地理学（）、 地图学与地理信息系统（）、地球探测与信息技术（）、城市规划与设计 （）、土地资源管理（）等二级学科均已经有了相应的博士点或硕士点，并 进行与 GIS 相关的研究生培养和理论探索； 中国科学院系统的地理科学与资源研究所、 遥感应用研究所以及中国测绘科学研究院、国家基础地理信息中心等单位也在GIS 理 论研究方面取得显著成绩。 技术开发方面，除中国高校和科学院系统之外，许多公司 （ 包括外资公司、合资公司和独资公司等），均在 GIS 的基础开发与应用开发方面取得 突出成绩 。

12、社会应用方面，GIS 的应用领域已经深入社会经济的各个层面、各个领域， 如城市 、 乡村 、气象 、农业 、 林业 、矿山 、地质 、水文 、人口 、保险 、公安 、 交通 、海 关等 ；从地理专业应用， 到行业应用、综合应用和公众应用， 几乎“ 无所不包，无所不 在 ， 无所不能 ”。产 业 化 方 面 ，从 年 代 初 期 开 始 ，我 国 GIS 的 产 业 化 初 见 端 倪 ； 年中国 GIS 协会（ CAGIS ）的成立和年中国科学技术协会第 次青年科学 论坛（ 以 “ 地理信息科学与产业化”为主题 ）的召开 ，有效地规范、引导和促进了我国 GIS 产业化发展。目前中国内地GIS

13、的产业收入（ 包括软件销售、数据服务、 技术开 发 、技术服务 ） 已超过 亿元 。 国际上 自 GIS 经 典之 作Principles of GIS for Land ResourcesAssessment（ PA Burrouch ，）出版以来，GIS 方面的教材、著作 、论文集等层出不穷。代表作有： Three Dimensional Applicationsin GISs （ J Raper ， ），GIS and CartographicMo唱 iii delling （ C D Tomlin ， ），GIS ：Principles and Applications （ D J M

14、aguire ， M F Goodchild and D W Rhind ，），Time in GIS （ G Langran ，），GISs ：Spa唱 tial Modelling and Policy Evaluation（ M M Fischer and P Nijkamp ， ），GIS ：A Computing Perspective（ M F Worboys ，），Fundamentals of GISs （ M N DeMers ， ），Integrated Modellingfor 3D GIS （ M Pilouk ，），Geographic Objects with In

15、唱 determinate Boundaries （ P A Burrough and A U Frank ，），AlgorithmicFounda唱 tions of GIS （ M V Kreveld et al ，），Getting Started With GISs （ K C Clarke ， ），Principles of GISs （ P A Burrough and R A McDonnell ， ），A Introduc 唱 tion to The Theory of SpatialObject Modelling （ M Molenaar ， ），Geographical

16、In唱 formation Systems（ P A Longley ， M F Goodchild ， D J Maguire and D W Rhind ， ），Fundamentals of GISs （ M N DeMers ， ），SpatialData Quality（ W Z Shi ， P F Fisher and M F Goodchild ，），Temporal GIS ：Advanced Functions for Field唱 Based Applications （ G Christakos et al ，）等 。国内在第一本GIS 教材枟 地 理信息系统导论枠 （

17、黄杏元等，）出版使用以来，迄今已有数十本GIS 教材或著作 出版 ，其中不乏优秀之作，已经而且继续在教学、研究 、开发与应用方面发挥积极作 用 。 多年来 ， 作者在从事GIS 方向研究生培养与GIS 核心教学过程中，在 MGIS 、Geo 唱 Mo D 和 Cyber Hong Kong 等技术系统的研究开发过程中，以及在与有关公司、 企业的 GIS 研发人员的合作交流过程中，深深感受到一个问题，即研究生不同于本科生，GIS 高级研发人员不同于一般程序员，他们在 GIS 、 数学 、计算机技术、软件开发等方面已 经具备了一定的知识和经验。他们在研究生学习或产品研发（ 尤其是GIS 底层开发

18、） 阶段所缺的主要是GIS 的基本原理和核心算法方面的知识。而事实上，国内一直缺乏 一本适合GIS 研究生和 GIS 研发人员这一特定群体的教材或著作，国际上也没有特别 针对这一高层次需求的专门书籍。往往为了解某一个算法、编制某一个程序， 而不得不 查找大量的有关资料，结果还可能一无所获。 因此 ，作者深感撰写出版一部关于GIS 基本原理和核心算法的书籍的必要性和紧 迫性 。但由于时间关系，以及知识积累与资料准备等原因，多年来一直未能如愿。终 于 ，最近我们在教育部“ 高校青年教师奖”专项基金和香港特别行政区政府有关课题的 支持下 ， 能专心在香港理工大学和中国矿业大学（ 北京校区 ）之间开展

19、合作， 将国内外 有关 GIS 基本原理和算法两方面的成果进行了系统的整理、梳理 、分类和总结，进而 进行剖析 、比较 、提炼 、扩展 、举例和评述，并结合作者的两个研究小组近年在三维 GIS 、矿山 GIS 、空间数据质量与不确定性、空间数据挖掘、数字矿山关键理论与技术 等方面的研究成果进行总结分析和重点介绍， 完成了这部书。 书中 ，不乏作者多年从事 “ GIS 原理 ” 、“ GIS 原理与算法 ”、“ 三维地学模拟理论与方法”、“ 三维地学模拟技术”、 “ 土地与地理信息系统设计与开发”、“ 高级地理信息系统” 等研究生课程教学的心得和 素材积累 。 GIS 的用户层结构与所需GIS

20、知识结构的关系可以用下图描述：用户层越高，其涉 及面越宽 ，所需 GIS 知识越浅；反之 ，用户层越低， 其频及面越窄，所需 GIS 知识越 深 。本书的目标，就是要满足第 层次的人员对GIS 原理与算法的需要， 同时扩充 iv 第 层次人员的GIS 知识结构。 GIS 用户结构与所需GIS 知识结构的层次关系 完稿之日，顿觉一身轻松，总算了却一桩夙愿。希望本书能实现它的目标，同时对 我国 GIS 教育 、理论与技术发展有所促进。 v 目 录 序 言 前 言 上篇 GIS 原理 第一章 地理认知理论与模型（ ） 畅 GIS 与广义地理系统（ ） 畅畅 学科融合与GIS 内涵发展（ ） 畅畅 广

21、义地理系统与广义地理目标（ ） 畅 地理抽象过程（ ） 畅 地理认知模型（ ） 参考文献（ ） 第二章 2D GIS 空间数据模型（ ） 畅 三种传统数据模型（ ） 畅 面向对象数据模型（ ） 畅 空间数据组织与管理（ ） 畅畅 空间数据的特征（ ） 畅畅 空间数据库管理系统（ ） 畅畅 空间数据的组织（ ） 畅 空间索引机制（ ） 参考文献（ ） 第三章 2D GIS 空间数据结构（ ） 畅 矢量数据结构（ ） 畅畅 无拓扑的矢量数据结构（ ） 畅畅 有拓扑的矢量数据结构（ ） 畅 栅格数据结构（ ） 畅畅 栅格像元的取舍法则（ ） 畅畅 栅格尺寸的选择（ ） 畅畅 栅格数据的组织（ ） 畅

22、 矢栅结合的数据结构（ ） 畅 镶嵌数据结构（ ） 畅畅 规则镶嵌数据结构（ ） 畅畅 不规则镶嵌数据结构（ ） 畅 超图数据结构（ ） 畅畅 超图数据结构的概念（ ） vii 畅畅 超图数据组织（ ） 参考文献（ ） 第四章 3D GIS 空间数据模型（ ） 畅 空间维数与空间构模（ ） 畅畅 D GIS 与 D GMS之比较（ ） 畅畅 空间维数讨论（ ） 畅畅 空间构模技术分类（ ） 畅 D 空间构模原理（ ） 畅畅 基于面模型的准 D 空间构模（ ） 畅畅 基于体模型的真 D 空间构模（ ） 畅畅 基于面体混合的 D 空间构模（ ） 畅 基于 GTP 的 D 地学构模（ ） 畅畅 GT

23、P 构模原理（ ） 畅畅 GTP 构模特点（ ） 畅畅 GTP 构模过程（ ） 畅畅 GTP 数据结构（ ） 畅 基于 GTP 的 D 模型更新（ ） 畅畅 加入新钻孔的模型更新（ ） 畅畅 加入新空间点的模型更新（ ） 畅 基于 GTP 的真 D 地学模拟（ ） 畅畅 系统开发与关键技术（ ） 畅畅 真 D 地学模拟实例（ ） 参考文献（ ） 第五章 空间关系（ ） 畅 空间关系表达与描述（ ） 畅畅 空间关系概念与研究进展（ ） 畅畅 空间关系描述方法（ ） 畅畅 空间关系表达方法（ ） 畅 空间方向关系（ ） 畅畅 空间方向与空间方向关系（ ） 畅畅 空间方向关系描述模型（ ） 畅 空间

24、距离关系（ ） 畅 D 空间拓扑关系（ ） 畅畅 点集拓扑学原理（ ） 畅畅 D 空间拓扑关系描述（ ） 畅畅 D 空间拓扑关系维护（ ） 畅畅 I 模型（ ） 畅畅 D 空间拓扑关系研究进展（ ） 畅 D 空间拓扑关系（ ） viii 畅畅 D 空间拓扑描述方法（ ） 畅畅 基于 GTP 的真 D 拓扑（ ） 畅 其他空间关系（） 畅畅 D 空间拓扑关系全集（） 畅畅 空间相似与空间相关关系（） 参考文献（） 第六章 时态 GIS 及时态关系（） 畅 时空过程与时空数据库（） 畅畅 时空过程（） 畅畅 时空数据库（） 畅 时空数据模型（） 畅畅 时间附加型（） 畅畅 时间新维型（） 畅畅 面

25、向对象型（） 畅畅 基于状态和变化的统一模型（） 畅畅 其他时空数据模型（） 畅 时态拓扑关系（） 畅畅 时态拓扑关系的定义（） 畅畅 时态拓扑关系的描述（） 参考文献（） 第七章 地学信息分类与空间编码（） 畅 分类编码原则与标准（） 畅畅 分类编码原则（） 畅畅 分类编码标准（） 畅 分类编码模型（） 畅 无边界 GIS 空间编码（） 畅畅 传统的 ID 编码法分析（） 畅畅 QuaPA 法编码原理（） 畅畅 QuaPA 法的全球推广（） 参考文献（） 第八章 地理元数据（） 畅 信息共享与元数据（） 畅 地理元数据的构成与描述（） 畅畅 地理元数据的构成（） 畅畅 地理元数据的描述（）

26、畅 地理元数据管理与操作（） 畅畅 地理元数据管理（） 畅畅 地理元数据操作（） 畅 地理元数据标准（） ix 畅畅 国外与国际元数据标准（） 畅畅 中国元数据标准（） 参考文献（） 第九章 地图投影与图形变换（） 畅 地球与地理参数（） 畅畅 地球的形状与大小（） 畅畅 地理参数与坐标（） 畅 地图投影的基本原理（） 畅畅 地图投影的基本分类（） 畅畅 地图投影变形问题（） 畅 GIS 中地图投影选择（） 畅畅 地图投影选择的一般原则（） 畅畅 中国 GIS 的地图投影选择（） 畅畅 面向数字地球的投影问题（） 畅 图形变换（） 畅畅 窗口区和视图区的坐标变换（） 畅畅 规格化坐标到设备坐标

27、的变换（） 畅畅 二维图形的几何变换（） 畅畅 三维图形的几何变换（） 参考文献（） 下篇 GIS 算法 第十章 空间数据压缩算法（） 畅 基于矢量的压缩算法（） 畅畅 曲线的数据压缩算法（） 畅畅 面域的数据压缩算法（） 畅 基于栅格的压缩算法（） 畅畅 游程长度压缩算法（） 畅畅 差分映射算法（） 畅畅 常规四叉树压缩算法（） 畅畅 线性四叉树压缩算法（） 畅畅 二维行程压缩算法（） 参考文献（） 第十一章 空间数据内插算法（） 畅 点的内插算法（） 畅畅 基于整体拟合的算法（） 畅畅 基于局部拟合的算法（） 畅 区域内插算法（） 畅畅 点的区域内插算法（） x 畅畅 面的区域内插算法（）

28、 畅 采样点曲线拟合（） 畅畅 张力样条函数法（） 畅畅 分段三次多项式法（） 畅畅 分段圆弧法（） 畅畅 切线方向法（） 参考文献（） 第十二章 空间数据转换算法（） 畅 矢量数据向栅格数据转换（） 畅畅 内部点扩散算法（） 畅畅 射线算法（） 畅畅 扫描算法（） 畅畅 复数积分算法（） 畅畅 边界代数算法（） 畅 栅格数据向矢量数据转换（） 畅畅 基于图像处理的矢量化算法（） 畅畅 基于窗口匹配的矢量化算法（） 畅 TIN 向规则格网DEM 转换（） 参考文献（） 第十三章 空间数据误差分析算法（） 畅 空间数据误差分类与来源（） 畅 属性误差的分析算法（） 畅畅 误差矩阵（） 畅畅 属性

29、数据精度的缺陷率度量算法（） 畅 位置误差分析算法（） 畅畅 几种误差指标的算法（） 畅畅 置信区域方法（） 畅畅 误差概率分布（） 参考文献（） 第十四章 多边形自动生成与裁剪算法（） 畅 多边形性质及有关处理（） 畅畅 多边形图的基本性质（） 畅畅 异常处理（） 畅畅 岛的判断（） 畅畅 内点计算（） 畅 弧 弧拓扑生成算法（） 畅畅 基于方位角的算法（） 畅畅 基于Qi的算法（） 畅畅 基于矢量外积的算法（） xi 畅 多边形自动生成算法（） 畅畅 基于方位角的左转算法（） 畅畅 结点依次搜索算法（） 畅 多边形图裁剪算法（） 畅畅 无拓扑多边形图裁剪算法（） 畅畅 有拓扑多边形图裁剪算法（） 参考文献（） 第十五章 TIN 的构建算法（） 畅 Delaunay 三角网（） 畅畅 Delaunay TIN 基础（） 畅畅 Delaunay TIN 的构建算法（） 畅 基于离散点的构TIN 算法（） 畅畅 无约束构TIN 算法（） 畅畅 有约束构TIN 算法（） 畅 基于等高线的构TIN 算法（） 畅畅 基于等高线构TIN 的一般算法（） 畅畅 基于矿层底板等高线图的构TIN 算法（） 参考文献（） 第十六章 Voronoi 图构建算法（） 畅 平面点集Voronoi 图构建算法（） 畅畅 基于矢量的Voronoi 图自动构建（） 畅畅 基于栅格的Voronoi 图自动构建（