GIS原理學習目錄
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內容提要
本網絡教程是教育部“新世紀網絡課程建設工程”的實施課程。系統扼要地闡述地理信息系統的技術體系，重點突出地理信息系統的基本技術及方法。
本網絡教程共分八章：第一章緒論，重點介紹地理信息系統的組成、功能、由來與發展；第二章闡述空間數據結構、模型和空間數據庫設計；第三章較詳細地介紹了空間數據的采集標準和質量控制；第四章為空間數據處理，闡述拓撲關系的建立、圖形編輯、數據變換、數據壓縮和插值、圖像處理和更新等內容；第五章闡述了空間查詢和空間分析，包括度量分析、疊置分析、三維分析、緩沖區分析及網絡分析等基本基礎空間分析以及統計分析和空間分析模型；第六章闡述了空間信息可視化，包括符號、符號化、色彩、註記等內容，還包括了電子地圖(集)、動態地圖及虛擬現實介紹；第七章闡述了地理信息系統的應用，重點介紹了資源、環境調查與管理、規劃和決策上的應用，與遙感的結合，與全球定位系統、遙感的結合，與人工智能的結合，以及簡單介紹了WEBGIS的原理和應用特點；第八章闡述了地理信息系統的開發方法、開發過程和系統評價。
本網絡課程具有不同物理層面，也即對應不同綜合層面的內容，使用時可方便地按需選擇不同的簡繁內容以適合較廣泛層次的需要。
本網絡教程適合地理信息系統專業的高年級本科生學習所用，也適合相應或相關專業的本科生、研究生教學和自學，並可供從事地學工作的教師、科技人員和管理人員參考。
前 言
新的世紀人類社會面臨人口增長,環境變異,資源匱乏等全球性問題,人們把解決這些問題的希望寄托於現代管理和科技。地理信息系統作為傳統地學學科和現代科學相結合的產物，目前已發展成為集遙感、全球定位系統、互聯網技術於一身的綜合集成化技術系統，其概念層出不窮，技術日新月異，它的理論、方法和技術作為地學學科的技術基礎課程不僅吸引了廣大地學、信息技術工作者及學生的研究和關註，而且受到更廣泛的經濟、文化、社會工作者及學生的青睞。因此利用強大的互聯網和局域計算機網絡和資源，形象生動、繁簡適中地闡述地理信息系統的基礎理論和方法，為對它的深入學習和發展奠定良好基礎是本教程的基本出發點。
本網絡教程是“新世紀網絡課程建設工程”的一個實施課程、是由胡鵬、吳艷蘭、李聖權和代琪編著並制作，承蒙高等教育出版社靳劍輝同誌詳細審閱並提供修改意見，沈中山參與協助修改編輯，才得以完成。
本教程主要是以國家測繪九五重點教材“地理信息系統教程”為基礎的，並以之為本網絡教程的輔助文字教材，該教材由原武漢測繪科技大學、南京大學、原鄭州測繪學院三校合作，並由胡鵬、黃杏元、華一新編著，徐慶榮教授審閱。此外，本教程精選了近年來網上及其它多媒體素材(均標有出處)加工而成，是學習更加方便、並可進行全文檢索。由於網絡課程是個新事物，如何編著尚屬初步嘗試，並且地理信息系統正處在迅猛發展之中，由於作者水平所限，不成熟不完善之處在所難免，希望讀者提出寶貴意見。
本網絡教程可作為普通高等學校測繪、地理、地質、城市規劃、市政管理、土地、資源與環境等專業本科生和研究生教材，也可供從事地理信息系統、資源和環境信息系統、土地和各種專業信息系統等相應工作的科技人員和管理人員參考。
編著者
2003年3月
第一章 緒論
本章概述：本章主要為深入學習地理信息系統的具體技術和方法打基礎，介紹地理信息系統所涉及的一些基本概念，回答什麽是地理信息系統，地理信息系統有哪些組成部分，地理信息系統能做什麽，地理信息系統的過去和今後怎樣發展等問題。
§1.1 地理信息系統的概念
首先介紹一個地理信息系統應用實例,之後給出信息與數據，地理信息與地學信息，信息系統與地理信息系統等基本概念，最後闡述地理信息系統與其它信息系統的關系和區別。
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§1.2 地理信息系統的組成
介紹地理信息系統的五個主要組成部分：系統硬件，系統軟件，空間數據，應用人員和應用模型。
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§1.3 地理信息系統的功能和應用
介紹地理信息系統的具備的基本功能和主要的一些應用領域。
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§1.4 地理信息系統的發展
介紹地理信息系統在國際、國內的發展狀況和今後的發展趨勢。
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{練習題}{基本概念}{典型問題}{本章說明}
第二章 空間數據結構和空間數據庫
本章概述：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麽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系即空間數據庫模型問題。本章重點介紹主要的空間數據結構和空間數據庫模型。
§2.1 地理實體及其描述
介紹地理實體的概念，地理實體需要描述的內容，實體的空間特征和實體間的空間關系。
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§2.2 矢量數據結構
講述矢量數據的圖形表示、獲取方式和表示(即矢量編碼方法)。
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§2.3 柵格數據結構
講述柵格數據的圖形表示、柵格數據的組織、柵格結構的建立和柵格數據的表示。
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§2.4 矢量柵格一體化數據結構
針對矢量柵格數據結構互為優缺點狀況，介紹集兩者優點為一體的矢量柵格一體化數據結構的概念和具體數據結構設計方法。
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§2.5 三維數據結構
主要闡述基於柵格的八叉樹三維數據結構的基本原理和存儲結構。在矢量結構方面，介紹常用的三維邊界表示法的方法原理、特點和應用。
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§2.6 空間數據模型
首先介紹數據庫有關基礎知識，傳統數據模型如何存儲圖形數據及其局限性，重點闡述面向對象技術、面向對象模型和用於地理信息系統的空間數據庫管理系統的類型。
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§2.7 空間數據庫的設計、建立和維護
介紹空間數據庫的設計的內容、建立過程和維護方法。
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{練習題}{基本概念}{典型問題}{本章說明}
第三章 空間數據的采集和質量控制
本章概述：通過前一章的學習，我們對於GIS的數據結構有了一定的認識，在這一章我們將學習以下知識點：空間數據的參照系和控制基礎，它們是地理數據的空間數學基礎；采集數據之前如何根據所要采集的數據設定數據的編碼體系；GIS數據的采集方式；如何控制數據采集的質量與如何評價GIS數據的質量；作為補充，我們將學習一些常用的空間數據規範和標準。
§3.1 概述
首先介紹了GIS的數據源定義及分類，然後分析了空間數據采集的任務，最後闡述了研究GIS數據質量的目的和意義。
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§3.2 空間數據的地理參照系和控制基礎
首先介紹了地球的形狀及特點，然後闡述了坐標系、地理坐標系、平面坐標系和高程系的概念和我國使用的大地坐標系高程系。接著著重闡述了地圖投影的概念、特性、分類和GIS中的投影。
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§3.3 地理實體數據的編碼與GIS數據庫
首先介紹了地理實體與地理目標的概念、分類，然後介紹了幾何數據的分類，地理目標的分層，最後闡述了地理實體屬性編碼的原則並舉出實例。
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§3.4 空間數據的采集
首先介紹了幾何數據的采集的幾種方法，然後介紹了屬性數據的采集方法，最後闡述了空間數據的檢核需要註意的地方和檢核方法。
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§3.5 GIS的數據質量
首先闡述了GIS數據質量的內容和類型，然後介紹了GIS數據質量的研究方法，詳細介紹了數據采集中，數據處理中的數據質量評價。
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§3.6 空間數據標準
首先闡述了空間數據標準的定義、原則和交換標準，然後介紹了我國的數據交換格式，接著詳細闡述了GIS空間元數據，最後闡述了空間數據的互操作和OpenGIS 規範。
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{練習題}{基本概念}{典型問題}{本章說明}
第四章 空間數據的處理
本章概述：通過前面的課程，我們學習了GIS的數據源、數據結構、數據模型、數據編碼、數據質量控制等等有關GIS數據的基本知識。由於數據獲取方法的不同和對數據用途的不同要求，我們所采集的GIS數據往往存在問題、錯誤或者不符合用途要求的情況，這些數據必須通過數據處理才能達到應用的要求。本章將介紹空間數據處理的基本內容、途徑和算法。
§4.1 矢量數據拓撲關系的自動建立
矢量數據拓撲關系在空間數據的查詢與分析中非常重要，矢量數據拓撲關系自動建立的算法是GIS中的關鍵算法之一，這裏介紹其實現的基本步驟和要點。
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§4.2 矢量數據的圖形編輯
圖形編輯是糾正數據采集錯誤的重要手段，其基本的功能要求是：具有友好的人機界面；具有對幾何數據和屬性編碼的修改功能；具有分層顯示和窗口功能。圖形編輯的關鍵是點、線、面的捕捉。
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§4.3 空間數據的坐標變換
圖形編輯只能消除數字化產生的明顯誤差，而圖紙變形產生的誤差難以改正，因此要進行幾何糾正。幾何糾正常用的有高次變換、二次變換和仿射變換。
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§4.4 空間數據的壓縮處理
矢量數據壓縮的目的是刪除冗余數據，減少數據的存貯量，節省存貯空間，加快後繼處理的速度。矢量方法有道格拉斯——普克法(Douglas—Peucker)、垂距法、光欄法、並對幾種方法進行比較。柵格數據的壓縮包括直接柵格編碼、遊程長度（行程）編碼、四叉樹編碼。
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§4.5 空間數據的結構變換
介紹矢量——柵格轉換和柵格——矢量轉換。矢量─柵格轉換有線的柵格化方法、和面(多邊形)的柵格化方法。 線的柵格化方法包括DDA法(數字微分分析法)、Bresenham算法。面(多邊形)的柵格化方法包括內部點擴散法、掃描法、和邊填充算法。柵格數據到矢量數據轉換的一般過程可描述為：二值化、二值圖像的預處理、細化、追蹤、拓撲化。
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§4.6 空間數據的插值方法
在已觀測點的區域內估算未觀測點的數據的過程稱為內插；在已觀測點的區域外估算未觀測點的數據的過程稱為外推。常用的內插方法有：邊界內插、趨勢面分析、局部內插、移動平均法。
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§4.7 圖像數據的處理方法
一幅圖像經過生成、復制、掃描、傳輸、變換後，由於多種因素的影響，圖像的質量不能滿足要求，這時就需要進行圖像增強處理。圖像增強的目的是改善圖像的效果，以更適應人眼的觀察或計算機的處理。基本的圖像增強方法有：灰度級的修整、空域處理、頻域處理。
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§4.8 空間數據的更新處理
GIS的生命力將最終取決於其空間數據庫的現勢性，遙感數據是GIS的重要信息源和數據更新的手段。全球衛星定位系統(GPS)作為一種新型的定位數據的采集和更新手段，具有高精度、高效益、全天候、低成本、高靈活性、實時性等特有的優勢，因而在GIS中具有重要的應用價值。
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{練習題}{基本概念}{典型問題}{本章說明}
第五章 空間查詢與空間分析
本章概述：GIS不僅僅是一個地理數據的存貯系統，它還提供了豐富的數據查詢功能。更重要的，GIS有自己的復雜而科學的空間分析模型和工具，使得我們可以通過GIS的空間分析功能，獲取隱藏在GIS數據之中的信息和關系。地理信息系統集成了多學科的最新技術，如關系數據庫管理、高效圖形算法、插值、區劃和網絡分析，為空間分析提供了強大的工具，使得過去復雜困難的高級空間分析任務變得簡單易行。本章將介紹GIS數據查詢的基本知識和常用的GIS空間分析模型及其算法。
§5.1 空間數據的查詢
本節將介紹空間數據查詢的含義及圖形查詢、屬性查詢、混合查詢、模糊查詢等幾種主要的查詢方式，以及如何根據需求來控制查詢結果的顯示方式。
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§5.2 空間數據的統計分析
講述空間數據統計分析中基本統計量的計算和常用統計數據的分類分級算法。
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§5.3 數字高程模型分析
講述基於數字高程模型的信息提取、坡度分析、坡面分析、剖面分析和通視性分析、並介紹具體的算法。
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§5.4 空間數據的疊置分析
空間疊置分析是GIS提取空間隱含信息的重要手段之一，本課介紹基於柵格和基於矢量數據結構的疊置分析方法，包括矢量數據的點、線、面兩兩疊置和柵格數據的單層和多層疊置分析。
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§5.5 空間數據的緩沖區分析
緩沖區分析是解決空間實體鄰接度問題的有效方法，本課介紹基於柵格和基於矢量數據結構的緩沖區生成算法。
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§5.6 泰森多邊形分析
泰森多邊形對於GIS的空間劃分、插值等具有重要意義，本節介紹泰森多邊形、Delaulay三角形的定義、特性及生成算法。
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§5.7 空間數據的網絡分析
網絡是以圖論為工具模擬現實信息流通的通道，並解決路徑優化、資源配給等運籌問題，網絡分析具有重要的實際意義。本課講述網絡圖論基礎、路徑分析及網絡定位及分配模型。
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§5.8 空間距離的量算。
空間距離量算是許多空間分析的基礎，在此介紹點、線、面實體之間的距離量算。
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§5.9 空間分析模型
講述空間分析模型的概念、GIS常用的空間統計分析模型、對應的詳細算法及模型庫。
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{練習題}{基本概念}{典型問題}{本章說明}
第六章 空間信息的可視化
本章概述：地理空間中的信息具有廣闊的範疇，豐富的內容和復雜的結構。為了系統而又本質地表述、傳輸和使用地理空間信息，必須把握住它們的基本特征，可視化能夠全面且本質地把握住地理空間信息的基本特征，便於最迅速、形象地傳遞和接收它們，因此空間信息從來離不開可視化；而可視化技術成為空間信息閱讀、理解進而交互作用最重要的工具手段。
§6.1 空間信息與可視化
講述空間信息的所具有的空間、時間、屬性和多媒體等基本特征；信息可視化的意義及應用領域；空間信息可視化的形式。
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§6.2 地圖語言與符號庫
講述地圖語言的特征；地圖符號的功能與分類、分級；地圖符號的設計以及矢量柵格地圖符號庫的建立。
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§6.3 空間數據的可視化
講述從地圖數據庫中獲取數據，經過預處理後的根據需要配置矢量或者柵格符號符號化，並介紹地圖符號配置的詳細算法，最後講述地圖數據可視化後的輸出。
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§6.4 電子地圖
講述電子地圖（集）的基本特征與設計目標，電子地圖系統的結構和開發技術，並以萬像GIS為例，講述了電子地圖開發的若幹技術。
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§6.5 動態地圖
自然界和人類社會的很多現象都具有移動變化的特征，用動態地圖可以很好地表現這些動態度過程。講述動態地圖的特征、作用、表示方法及設計。
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§6.6 虛擬現實技術的空間
信息技術的發展為人們提供了更好的人機交互方式，其中虛擬現實是一種在GIS中有著重要價值的交互方式。講述VR技術的系統結構、意義及在應用，最後介紹了GIS的虛擬現實技術。
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第七章 地理信息系統的應用
本章概述：地理信息系統是以應用為龍頭，市場為導向，軟件為核心的產業，是應用促進了GIS的發展，也是應用校正了GIS蓬勃發展的方向和促進GIS軟件市場的形成。早期GIS主要應用於自動制圖，設施管理和土地信息系統，後來逐步擴展到軍事、資源和環境管理、監測和預估等眾多領域，隨著GPS技術的成熟及與相關學科的結合，GIS已經進入政治分析與決策、經濟規劃、交通運輸等所有涉及空間信息的行業和部門；地理信息系統的應用水平也從提供簡單數據表格，發展到提供分析和解決問題辦法。本章主要介紹地理信息系統與相關技術的結合應用。
§7.1 地理信息系統與遙感的結合
闡述GIS與遙感結合的必要性，結合的技術途徑和一個具體的城市分析實例。
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§7.2 地理信息系統與全球定位系統的結合
講述講述全球定位系統GPS與GIS結合的形式和實例。
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§7.3 地理信息系統與人工智能的結合
講述人工智能的重要概念和GIS與之結合的實例。
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§7.4 地理信息系統的管理應用
講述信息管理系統(MIS)的不足，介紹萬像電子地圖集系統對供水信息的解決方案。
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§7.5 地理信息系統的規劃應用
講述GIS用於規劃工作的優勢、原則、實例。
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§7.6 地理信息系統的決策應用
3S集成是GIS發展的趨勢，講述了GIS應用於決策的實例——常州市發展預測及相應住宅規劃。
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§7.7 Web GIS
介紹Web GIS原理與特點。
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第八章 地理信息系統的開發與評價
本章概述：地理信息系統的開發，與許多其它系統一樣，也是一個大型的系統工程，因此，其開發有其它系統共有的特性，更有其自身的特色，本章將從軟件工程出發，講述地理信息系統的開發方法、開發過程，並介紹GIS系統的評價方法和指標。
§8.1 地理信息系統的開發方法
講述地理信息系統開發的一般性過程和原則，介紹了地理信息系統開發常用的五種方法，並在此基礎上建議了一個通用的方法。
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§8.2 地理信息系統的開發過程
地理信息系統的開發是一個系統工程，其開發周期較長，涉及多個學術領域，包含內容十分廣泛，它分為系統調查分析、系統設計和系統實施、系統運行和維護四個大階段，其中又分為若幹小階段。它們相互銜接而又互相影響，整個過程形成螺旋式上升的循環過程。
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§8.3 地理信息系統的評價
系統評價是指對一個GIS系統從系統性能和經濟效益兩方面進行評價，新系統的全面評價一般應在新系統穩定運行一段時間後才進行，以達公正、客觀，系統評價的結果是寫出評價報告和改進效益措施的實施。
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【轉載說明】
全書轉載網址為：http://web.nuist.edu.cn/courses/dlxxxt/lr.htm
本書共八章五十節，均將轉載的文章發表到博客園社區GIS開發小組論壇中，並被收藏在GIS開發小組的“精華”貼中。以上目錄的超鏈均連接到論壇中的GIS開發小組的帖子中。相關鏈接如下：
GIS開發小組：http://space.cnblogs.com/group/GIS/
博客園社區主頁：http://space.cnblogs.com/
作者對轉載者要求說明（以下簡稱本說明）：
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