GIS基础知识快速掌握

一、GIS概念

什么是GIS

• Geographic Information System简称GIS，地理信息系统有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。
• GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
• 地理信息系统是一种计算机软硬件、人员、资金和组织架构的有机结合体，它能获取和存储地理及其相关属性数据为促进理解和辅助决策来检索、分析、综合和显示数据。
• 由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。

二、GIS组成

三、GIS应用中主要术语概念

四、空间参照

空间参照与投影

空间参照三大要素

1. 椭球体(Ellipsoid)
2. 大地基准（Datum）
3. 地图投影(Projection)

椭球体

1. 地球是个椭球体

高程

1. 高程基准

空间参考坐标系

主要分为两种类型：

1. 地理坐标系
2. 投影坐标系

地理坐标系

1. 地理坐标系是以地理极(北极、南极)为极点。
2. 通过A点作椭球面的垂线，称之为过A点的法线。
3. 过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度L。
4. A点至椭球面间的铅垂距离为大地高，又称椭球高H。

投影坐标系

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（λ，φ）与平面上对应点的平面坐标（x，y）之间的函数关系：

当给定不同的具体条件时，将得到不同类型的投影方式。

地图投影的变形:

1. 把球面展开为平面，必然发生裂缝或重叠(图a)。
2. 为了消除裂缝或重叠，需要在裂缝的地方予以伸展，在重叠的地方予以压缩(图b)，这样，便使图形产生了变形(误差)。

我国常用地图投影

• 1：100万：兰勃特投影（正轴等积割圆锥投影）大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃特投影。
• 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯—克吕格投影。

高斯－克吕格投影

横轴等角切椭圆柱投影，其原理是：

1. 假设用一空心椭圆柱横套在地球椭球体上，使椭圆柱轴通过地心，椭圆柱面与椭圆体面某一经线相切；
2. 用解析法使地球椭球体面上经纬网保持角度相等的关系，并投影到椭圆柱面上； 将椭圆柱面切开展成平面，就得到投影后的图形。

此投影因系德国数学家高斯(Gauss)首创，后经克吕格(Kruger)补充，故名高斯-克吕格投影(Gauss- Kruger Projection)或简称高斯投影。

高斯投影分带

• 为了控制变形，采用分带投影的办法，规定1∶2.5万－1∶50万地形图采用6°分带；1∶1万及更大比例尺地形图采用3°分带，以保证必要的精度。
• 6°分带法：从格林威治0°经线起，自西向东按经差每6°为一投影带，全球共分为60个投影带，我国位于东经72°～136°之间，共包括11个投影带，即13～23带，各带的中央经线分别为75°，81°，……，135°。
• 3°分带法：从东经1°30¢算起，自西向东按经差每3°为一投影带，全球共分为120个投影带，我国位于24～46带，各带的中央经线分别为72°，75°，78°，……，135°。

常用坐标系及转换

参考	WGS84	北京54	西安80
参考椭球	1979年IUGG推荐的参数	克拉索夫斯基	1975年国际大地测量协会推荐的参数
大地原点	地球质心	苏联普尔科沃	陕西省泾阳县永乐镇

不同大地坐标系转换参数，即通过这7个参数进行转换：

• 两坐标系原点不重合，平移参数△X, △Y, △Z;
• 坐标轴不平行，对应的坐标轴之间存在3个微小的旋转角；
• 尺度不一致，对应尺度参数

北京54坐标系

建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，我国将原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。因此，P54可归结为：

1. 属参心大地坐标系；
2. 采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；
3. 大地原点在原苏联的普尔科沃；
4. 采用多点定位法进行椭球定位；
5. 高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；
6. 高程异常以原苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得。

经计算表明，54坐标系统普遍低于我国的大地水准面，平均误差为29米左右。

西安80坐标系

1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。

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：图上长度与相应地面长度的比例

我国地图比例尺分级系统：

• 大比例尺：1：500—1：10万
• 中比例尺：1：10万—1：100万
• 小比例尺：小于1：100万

五、符号渲染

符号

地图符号（Symbol）是地图的语言，它是表达地图内容的基本手段。地图符号是由形状不同、大小不一和色彩有别的图形和文字组成。地图符号可以指出目标种类（如公路）及其数量特征和质量特征（如公路行车部分的铺面种类和宽度），并且可以确定对象的空间位置和现象的分布（如人口密度等）。

点符号

线符号

面符号

注记

图例

六、数据采集

测绘

• 大地测量
• 工程测量
• GPS或北斗

• 摄影测量与遥感
• 扫描矢量化

GIS与3S

七、空间数据

什么是空间数据

• 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。
• 包括空间信息、空间关系信息和属性信息 。

空间信息

信息工程意义上的GIS

GIS多源数据

现实世界的多重表达方式

• 矢量数据
• 栅格数据
• TIN数据

4D数据库

• 数字高程模型（Digital Elevation Model 简称DEM）是在高斯投影平面上规则格网点平面坐标（x,y）及其高程（z）的数据集。
• 数字正射影像图（Digital Orthophoto Map简称DOM）是利用数字高程模型对扫描处理的数字化的航空相片 / 遥感相片（单色 / 彩色），经逐象元进行纠正，再按影像镶嵌，根据图幅范围剪裁生成的影像数据。一般带有公里格网、图廓内 / 外整饰和注记的平面图。
• 数字线划地图（Digital Line Graphic简称DLG）
• 数字栅格地图（Digital Raster Graphic简称DRG）是纸质地形图的数字化产品。每幅图经扫描、纠正、图幅处理及数据压缩处理后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格文件。

DLG数据

DRG数据

DEM数据

DOM数据

DOM与DEM的叠加

矢量数据与栅格数据

矢量数据

用于模拟自然界中不连续的现象

• 点数据。
• 线数据。
• 面数据 。

栅格数据

用于模拟自然界中连续的现象

栅格结构是简单的空间数据结构，是将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素。并包含一个代码表示其属性类型或量值。

栅格数据的编码形式

1、直接栅格编码

• 将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐个象元记录，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，还可采用其他顺序。

2、游程编码方案：

• 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的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。
  
  按行编码(46<64):
  (0,1) (4,2) (7,5) (4,5) (4,5) (7,3) (4,4) (8,2) (7,2) (0,2) (4,1) (8,3) (7,2) (0,2) (8,4) (7,1) (8,1) (0,3) (8,5) (0,4) (8,4) (0,5) (8,3)
  按列编码(44<64)
  (0,1) (4,2) (0,5) (4,3) (0,5) (4,4) (8,1) (0,3) (7,1) (4,2) (8,3) (0,3) (7,1) (4,1) (8,5) (0,1) (7,2) (8,6) (7,5) (8,3) (7,4) (8,4)

不规则三角网DEM

八、空间数据拓扑关系

拓扑关系

• 瑞士数学家(Leonhard Euler)提出(1736)的一个数学的分支。
• 1960年代末期，美国人口普查局(US Census)首先将拓扑的观念应用在大量人口资料的错误检核上。
• 时至今日，在GIS上所谈的拓扑已成为描述资料彼此间的空间关系。

空间数据的组成-空间关系

拓扑关系（点线面之间的关系）

1. 点——点关系
2. 点——线关系
3. 点——面关系
4. 线——线关系
5. 线——面关系
6. 面——面关系

空间关系

九、空间分析

• 空间分析是GIS系统的重要功能之一，是GIS系统与计算机辅助绘图系统的主要区别。
• 空间分析的对象是一系列跟空间位置有关的数据，这些数据包括空间坐标和专业属性两部分。
• 其中空间坐标用于实体的空间位置和几何形态，专业属性则是实体某一方面的性质。
• 对于GIS而言，区别它与其它IT系统或信息系统的最本质区别应该是它的空间分析功能！

空间查询

单纯空间查询

1. 某个点落在哪个多边形内
2. 与某条河流相连的支流有哪些

空间和属性查询

1. 某城市人口总数
2. 某一土地所有权人、地价、面积

缓冲区分析

地理空间目标的一种影响范围或服务范围，例如:

• 点缓冲
  公共设施（商场，邮局，银行，医院学校等）的服务半径
• 线缓冲
  在河流两旁划定某个范围的保护区
• 面缓冲
  大型水库建设的搬迁界定野生

叠加分析

现实世界的各项地理特征在GIS中是分层显示的，将他们进行叠加分析可以再现地理景观。

1. 点、线、面状图的叠加
2. 矢量与栅格图层的叠加
3. 专题地图与数字高程模型（DEM）叠加显示立体图

网络分析

目的是研究、筹划一项网络（交通网络、电线、地下管线等）工程如何安排，并使其运行效果最好 。

最佳路径分析

1. 最短路径
2. 最低耗费路径
3. 动态最佳路径分析

下图是城市两点间最佳路径的选择示意图 ：

资源分配

1. 消防站点分布
2. 求援区划分

地址匹配

1. 根据地址查询地理位置

适应性分析

将不同专题的空间资料予以组合、运算，以分析特定的空间议题，如位置选址、适宜性分析。

1. 城市规划与开发
2. 城市发展程度评估

GIS衍生技术

• LBS
• WebGIS
• 移动GIS
• AM/FM GIS
• PGIS

十、OGC行业标准

OGC技术标准

• OGC全称Open Geospatial Consortium，自称是一个非盈利的、国际化的、自愿协商的标准化组织，它的主要目的就是制定与空间信息、基于位置服务相关的标准。这些标准就是OGC的“产品”，而这些标准的用处就在于使不同厂商、不同产品之间可以通过统一的接口进行互操作。
• 在GIS领域，OGC已经是一个比较“官方”的标准化机构了，它不但包括了ESRI、Google、Oracle等业界强势企业作为其成员，同时还和W3C、ISO、IEEE等协会或组织结成合作伙伴关系。因此，OGC的标准虽然并不带有强制性，但是因为其背景和历史的原因，它所制定的标准天然地具有一定的权威性。

OGC的标准基本上就是OGC所有的成果，而所谓的标准就是一些接口或编码的技术文档。不同的厂商、各种GIS产品都可以对照这些文档来定义开放服务的接口、空间数据存储的编码、空间操作的方法等。

OGC 标准	常用简称	说明
Web Map Tile Service	WMTS	切片地图Web服务
Web Map Service	WMS	地图Web服务
Web Feature Service	WFS	要素Web服务
Web Coverage Service	WCS	栅格Web服务

十一、GIS常用软件

国外GIS软件

开发公司	软件名称
ESRI	ArcGIS
Intergraph	GeoMedia
MapInfo	MapInfo
Autodesk	MapGuide
GE	SmallWorld
Siemens	SiCAD

国内GIS软件

开发公司	软件名称
北京超图公司	SuperMap
武汉中地数码	MapGIS
武大吉奥	GeoStar
北京大学	CityStar
北京吉威数源	GeoWay

十二、互联网地图

GIS互联网地图

• 图行天下(搜狗地图)
• Google Earth
• Google Maps
• Mapbar
• 百度地图
• 高德地图
• 51ditu
• HERE

十三、GIS发展历史

GIS诞生

1. 世界上第一个GIS系统——CGIS
2. GIS之父Roger Tomlinson博士

GIS发展历程

• 60年代，哈佛大学图形实验室(ERSI和ERDAS)
• 1969年，ESRI和Intergraph
• 80年代初，基于拓扑关系的成功商业化GIS软件—ArcInfo
• Intergraph的MGE（基于Bentley Microstation平台）
• 1989年，MapInfo公司
• 1991年，Windows平台上的桌面GIS系统——MapInfo及二次开发语言MapBasic
• 1996年，ESRI推出第一个基于ActiveX技术的控件MapObjects
• 1997年，Intergraph公司推出第一个全组件式GIS平台GeoMedia
• 1998年，MapInfo公司推出MapX
• 2000年，ESRI推出ArcGIS

技术变迁

存储方式：文件->文件＋数据库->空间数据库

操作系统平台：UNIX -> Windows/Linux

使用方式：工作站系统à桌面软件->组件式GIS->GIS服务->手机地图

二次开发：专有二次开发语言->COM组件->js/Android/IOS

十四、GIS发展趋势

• LBS
• OpenGIS
• 空间信息存储和空间数据挖掘
• 组件式GIS开发
• WebGIS与GIS云
• 三维GIS
• 虚拟现实（VR）