北大地理信息系統(tǒng)概論教學(xué)大綱

1、地理信息系統(tǒng)概論教學(xué)大綱目的要求：使學(xué)生掌握正確的專業(yè)基本概念和基礎(chǔ)認(rèn)識，掌握地理信息系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)，了解地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r，從而為其后續(xù)專業(yè)及相關(guān)的學(xué)習(xí)和研究指引正確方向、打好堅實基礎(chǔ)。學(xué)時分配 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top授課內(nèi)容授課學(xué)時第一章 地理信息系統(tǒng)概論2第二章 從現(xiàn)實世界到比特世界1第三章 空間數(shù)據(jù)模型3第四章 空間參照系統(tǒng)和地圖投影自學(xué)第五章 GIS中的數(shù)據(jù)3第六章 空間數(shù)據(jù)獲取與處理3第七章 空間數(shù)據(jù)管理3第八章 空間分析3第九章 數(shù)字地形模型與地形分析2第十章 空間建模與空間決策支持3第十一章 空間

2、數(shù)據(jù)表現(xiàn)與地圖制圖2第十二章 3S集成技術(shù)2第十三章 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)3第十四章 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用實例2第十五章 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用項目組織和管理2第十六章 地理信息系統(tǒng)軟件工程技術(shù)2第十七章 地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)2第十八章 地理信息系統(tǒng)和社會2第十九章 地球信息科學(xué)和數(shù)字地球1現(xiàn)場參觀2專題講座2共計45學(xué)時教學(xué)內(nèi)容 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top本課程教學(xué)的主要內(nèi)容包括四個主要模塊：基本概念和理論；地理信息系統(tǒng)的框架與功能；地理信息系統(tǒng)應(yīng)用；地理信息系統(tǒng)的前沿問題與發(fā)展趨勢。基本概念和理論第一章 地理信息系統(tǒng)概論 介紹了地理信息系統(tǒng)的一

3、些最基本的、但又非常重要的概念，包括信息、數(shù)據(jù)、信息系統(tǒng)、空間數(shù)據(jù)、空間信息和地理信息系統(tǒng)。有些概念，如空間信息和空間數(shù)據(jù)，還將得到進(jìn)一步的闡述，實際上，空間數(shù)據(jù)也是本書中描述GIS功能的核心。 GIS既是一項技術(shù)，也是一門學(xué)科，本章也介紹了它的主要研究內(nèi)容以及與其它學(xué)科，如地理學(xué)、地圖學(xué)、遙感等的關(guān)系。 同時介紹了GIS的組成、分類、功能、發(fā)展歷史和展望，這些將在后面的章節(jié)中更為詳盡地被描述。 第二章 從現(xiàn)實世界到比特世界 從空間認(rèn)知的角度講述了對現(xiàn)實世界進(jìn)行抽象的過程。空間認(rèn)知屬于行為地理學(xué)的范疇，它研究個體如何對現(xiàn)實世界進(jìn)行認(rèn)知，并在意識中編碼的過程。在認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行逐步抽象，最后得到

4、數(shù)字化的空間數(shù)據(jù)，這正是OpenGIS九層抽象模型前五層所描述的內(nèi)容。最后是空間數(shù)據(jù)庫模型，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了該抽象過程。 第三章 空間數(shù)據(jù)模型 本章描述的是整個GIS理論中最為核心的內(nèi)容。為了能夠利用信息系統(tǒng)工具來描述現(xiàn)實世界，并解決其中的問題，必須對現(xiàn)實世界進(jìn)行建模。對于地理信息系統(tǒng)而言，其結(jié)果就是空間數(shù)據(jù)模型?？臻g數(shù)據(jù)模型可以分為三種： 1、場模型：用于描述空間中連續(xù)分布的現(xiàn)象； 2、要素模型：用于描述各種空間地物； 3、網(wǎng)絡(luò)模型：可以模擬現(xiàn)實世界中的各種網(wǎng)絡(luò)。 在各種模型中，又介紹了相關(guān)的概念，如空間劃分，空間關(guān)系，以及拓?fù)潢P(guān)系的形式化描述9交模型等。 最后講述了普通的二維數(shù)據(jù)模型在空間上和

5、時間上的擴(kuò)展，時間數(shù)據(jù)模型和三維數(shù)據(jù)模型。值得注意的是，本章談到的場模型和要素模型類同于后面提及的柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系統(tǒng)中的實現(xiàn)。 第四章 空間參照系統(tǒng)和地圖投影 一個要素要進(jìn)行定位，必須嵌入到一個空間參照系中，因為GIS所描述的是位于地球表面的信息，所以根據(jù)地球橢球體建立的地理坐標(biāo)（經(jīng)緯網(wǎng)）可以作為所有要素的參照系統(tǒng)。因為地球是一個不規(guī)則的球體，為了能夠?qū)⑵浔砻娴膬?nèi)容顯示在平面的顯示器或紙面上，必須進(jìn)行坐標(biāo)變換。 本章講述了地球橢球體參數(shù)、常見的投影類型?？紤]到目前使用的1：100萬以上地形圖都是采用高斯克呂格投影，本章最后又對該種投影類型和相關(guān)的地形圖

6、分幅標(biāo)準(zhǔn)做了簡單介紹。 第五章 GIS中的數(shù)據(jù) 對空間數(shù)據(jù)的處理是GIS的核心功能，GIS中的數(shù)據(jù)通常描述三部分信息：空間信息（位置，空間關(guān)系等等），非空間的屬性信息，時間信息。數(shù)據(jù)按照其測量尺度，可以分為定名、定比、間隔、比率量四種類型。由于各方面的原因，GIS數(shù)據(jù)存在著質(zhì)量問題，了解數(shù)據(jù)質(zhì)量有利于數(shù)據(jù)的正確使用，避免出現(xiàn)“Garbage In, Garbage Out”的情形。數(shù)據(jù)質(zhì)量可以通過元數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，簡單的說，元數(shù)據(jù)是對數(shù)據(jù)的描述，在GIS應(yīng)用不斷發(fā)展、空間數(shù)據(jù)不斷增長的情況下，元數(shù)據(jù)有助于數(shù)據(jù)的共享和有效使用。地理信息系統(tǒng)的框架與功能 第六章 空間數(shù)據(jù)獲取與處理 空間數(shù)據(jù)獲取是地

7、理信息系統(tǒng)建設(shè)首先要進(jìn)行的任務(wù)，它可以有多種實現(xiàn)方式包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、遙感數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字測量等等，其中已有地圖的數(shù)字化錄入，是目前被廣泛采用的手段，也是最耗費人力資源的工作。在GIS中，錄入的內(nèi)容包括空間信息和非空間信息，前者是錄入的主體。目前，空間信息的錄入主要有兩種方式，即手扶跟蹤數(shù)字化和掃描矢量化，本章具體介紹了這兩種方式，以及相關(guān)的算法，如曲線近似擬合，柵格圖形細(xì)化跟蹤等。 在圖形數(shù)據(jù)錄入完畢后，需要進(jìn)行各種處理，包括坐標(biāo)變換、拼接等等，其中最重要的是建立拓?fù)潢P(guān)系。在拓?fù)浣⑦^程中，需要先對各種錯誤修改，本章描述了各種具體的錯誤情形，最后則介紹了多邊形自動拓?fù)渖伤惴ā?第七章 空間數(shù)據(jù)

8、管理 本章首先介紹空間數(shù)據(jù)庫、與一般數(shù)據(jù)庫的比較，以及空間數(shù)據(jù)庫的存儲方式。 然后介紹了GIS中兩種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)，以及其具體的存儲方式，然后比較了兩種結(jié)構(gòu)的特點，并給出了其相互轉(zhuǎn)換算法。 最后介紹了空間檢索中常用的技術(shù)空間索引，介紹了一些常用的空間索引方式，如BSP樹、R樹、CELL樹等；以及空間數(shù)據(jù)的查詢功能。 第八章 空間分析 空間分析源于60年代地理和區(qū)域科學(xué)的計量革命，在開始階段，主要是應(yīng)用定量（主要是統(tǒng)計）分析手段用于分析點、線、面的空間分布模式。后來更多的是強(qiáng)調(diào)地理空間本身的特征、空間決策過程和復(fù)雜空間系統(tǒng)的時空演化過程分析。實際上自有地圖以來，人們就始終在自

9、覺或不自覺地進(jìn)行著各種類型的空間分析。如在地圖上量測地理要素之間的距離、方位、面積，乃至利用地圖進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)研究和戰(zhàn)略決策等，都是人們利用地圖進(jìn)行空間分析的實例，而后者實質(zhì)上已屬較高層次上的空間分析。 地理信息系統(tǒng)集成了多學(xué)科的最新技術(shù)，如關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理，高效圖形算法，插值，區(qū)劃和網(wǎng)絡(luò)分析，為空間分析提供了強(qiáng)大的工具，使得過去復(fù)雜困難的高級空間分析任務(wù)變得簡單易行。目前絕大多數(shù)地理信息系統(tǒng)軟件都有空間分析功能?？臻g分析早已成為地理信息系統(tǒng)的核心功能之一，它特有的對地理信息（特別是隱含信息）的提取、表現(xiàn)和傳輸功能，是地理信息系統(tǒng)區(qū)別于一般信息系統(tǒng)的主要功能特征。 空間分析是對分析空間數(shù)據(jù)有關(guān)技術(shù)的統(tǒng)

10、稱。根據(jù)作用的數(shù)據(jù)性質(zhì)不同，可以分為：（1）基于空間圖形數(shù)據(jù)的分析運算；（2）基于非空間屬性的數(shù)據(jù)運算；（3）空間和非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運算?？臻g分析賴以進(jìn)行的基礎(chǔ)是地理空間數(shù)據(jù)庫，其運用的手段包括各種幾何的邏輯運算、數(shù)理統(tǒng)計分析，代數(shù)運算等數(shù)學(xué)手段，最終的目的是解決人們所涉及到地理空間的實際問題，提取和傳輸?shù)乩砜臻g信息，特別是隱含信息，以輔助決策。 本章介紹GIS中實現(xiàn)空間分析的基本功能，包括空間查詢與量算，緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值、統(tǒng)計分類分析等，并描述了相關(guān)的算法，以及其中的計算公式。 第九章 數(shù)字地形模型與地形分析 DEM和DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地

11、形參數(shù)，如坡度、坡向、粗糙度等，并進(jìn)行通視分析、流域結(jié)構(gòu)生成等應(yīng)用分析。因此，DEM在各個領(lǐng)域中被廣泛使用。 DEM可以有多種表達(dá)方法，包括網(wǎng)格、等高線、三角網(wǎng)等，本章同時介紹了這些表達(dá)方法之間的相互轉(zhuǎn)換算法，如由三角網(wǎng)生成等高線，網(wǎng)格DEM生成三角網(wǎng)等等。 第十章 空間建模與空間決策支持 本章介紹了“更高層次”的GIS分析功能，第一節(jié)講述了如何利用基本的分析，如緩沖區(qū)、疊加分析，進(jìn)行組合，以完成特定的功能。 后面幾節(jié)分別介紹了空間決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫、元胞自動機(jī)和空間定位和配置方面的知識，這些內(nèi)容，或者在其它的領(lǐng)域已經(jīng)成熟，或者屬于新興的領(lǐng)域。在GIS的支持下，實現(xiàn)相關(guān)功能，并將

12、其應(yīng)用于空間分析，可以解決更為復(fù)雜的空間問題。 第十一章 空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)與地圖制圖 空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)功能貫穿于GIS空間數(shù)據(jù)處理的始終，功能的許多方面，包括符號、專題信息表達(dá)、圖幅配置、制圖綜合等，都來源于地圖制圖，這也表明了地理信息系統(tǒng)和制圖學(xué)的淵源關(guān)系。從某種角度上來講，地理信息系統(tǒng)可以稱為“動態(tài)的地圖”，它提供了比普通地圖更為豐富和靈活的空間數(shù)據(jù)表現(xiàn)方式，如動態(tài)信息表達(dá)、虛擬現(xiàn)實等等。但是，從另外的角度來看，制圖學(xué)又是一門藝術(shù)，單純依靠計算機(jī)系統(tǒng)是難以制作完美的地圖的，它需要人工的交互干預(yù)，如制圖綜合，目前還沒有任何GIS軟件能夠很好地解決這些問題。 本章最后介紹了可視化的內(nèi)容，可視化與信息

13、的感知和傳輸有著密切的關(guān)系，地學(xué)可視化的研究、以及在GIS中應(yīng)用可視化技術(shù)，對于空間數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用有著重要的意義。地理信息系統(tǒng)應(yīng)用 第十二章 3S集成技術(shù) 本章簡介了遙感和全球定位系統(tǒng)技術(shù)的基本概念以及它們與GIS的集成應(yīng)用。作為實時、客觀獲取空間信息的新興技術(shù)手段，遙感和全球定位系統(tǒng)成為地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源，而通過GIS對其獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以提取各種有用信息，以進(jìn)行決策支持。 本章主要介紹了一些3S集成的具體應(yīng)用，并簡要描述了其技術(shù)實現(xiàn)方案。 第十三章 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng) 本章首先介紹了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基本知識，包括定義、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分類、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，然后介紹了因特網(wǎng)以及目前流行的

14、WWW和HTML語言。 第二節(jié)講述了基于網(wǎng)絡(luò)的分布計算以及地理信息系統(tǒng)在分布計算環(huán)境下的具體實現(xiàn)方案。 第三節(jié)主要介紹了在Web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)，即實現(xiàn)WebGIS的幾種技術(shù)方案，并進(jìn)行了比較。 第十四章 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用實例 本章介紹了地理信息系統(tǒng)在一些具體領(lǐng)域的應(yīng)用。 由于GIS是用來管理、分析空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，所以幾乎所有的使用空間數(shù)據(jù)和空間信息的部門都可以應(yīng)用GIS。由于各個部門的不同，GIS在具體業(yè)務(wù)系統(tǒng)中所占的比重、應(yīng)用方式也各異，結(jié)合比較緊密的如城市規(guī)劃、環(huán)境領(lǐng)域等，相對松散的有商業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。 本章簡單介紹了一些GIS應(yīng)用實例，針對不同實例，介紹方法也不同，有的概述一個具體

15、區(qū)域的應(yīng)用，有的敘述工作流程，有的介紹了工作原理和分析方法，可以對相關(guān)領(lǐng)域的GIS建設(shè)提供借鑒，也可以作為其它領(lǐng)域建設(shè)GIS的參考。 本章也引入了一些新的概念，如AM/FM、GIS/T以及一些具體的分析方法，如動態(tài)分段模型，它們處于GIS與具體領(lǐng)域的交叉部分，同時也是GIS理論和技術(shù)的有益補(bǔ)充。 第十五章 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用項目組織和管理 本章首先簡單概括了GIS應(yīng)用項目，提出了GIS應(yīng)用的三元劃分，然后介紹了幾種GIS應(yīng)用的建立途徑以及項目周期。在項目開始之前，需要進(jìn)行策略性規(guī)劃和實施規(guī)劃，如果要進(jìn)行項目承包，則要簽訂合同;在GIS項目進(jìn)行過程中，要進(jìn)行人員管理，數(shù)據(jù)管理以及質(zhì)量控制，本章根據(jù)

16、GIS具體技術(shù)特點，提出了相應(yīng)的建議。在最后，介紹了軟件研制和開發(fā)的質(zhì)量控制的兩個標(biāo)準(zhǔn)，ISO9000系列標(biāo)準(zhǔn)和CMM模型，作為項目開發(fā)機(jī)構(gòu)的指導(dǎo)。 本章和地理信息系統(tǒng)軟件工程技術(shù)一章講述的內(nèi)容是互相依賴的，后者重點在于技術(shù)，而本章則側(cè)重于組織和管理，往往組織管理對項目成敗的影響比所采用的技術(shù)更大。 第十六章 地理信息系統(tǒng)軟件工程技術(shù) 本章介紹了軟件工程的基本概念，軟件開發(fā)活動，過程模型以及兩種重要的開發(fā)方法：結(jié)構(gòu)化方法和面向?qū)ο蟮姆椒āＴ贕IS開發(fā)過程中應(yīng)用軟件工程技術(shù)，可以提高軟件開發(fā)效率和質(zhì)量。本章講述了軟件工程技術(shù)在GIS系統(tǒng)開發(fā)中的幾個應(yīng)用方面： 1、GIS軟件構(gòu)件和構(gòu)架 2、需求分

17、析 3、數(shù)據(jù)管理設(shè)計 4、用戶界面設(shè)計 5、設(shè)計模式在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用 6、應(yīng)用配置管理來實現(xiàn)空間過程支持 這些方面涉及了GIS開發(fā)過程中不同的階段以及不同的層次，有些方法之間是互斥的，如UML和Code方法，但是軟件工程技術(shù)最重要的是實用，開發(fā)者可以根據(jù)具體的情況選用不同的技術(shù)。 第十七章 地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 信息技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)對于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，GIS也不例外，目前GIS標(biāo)準(zhǔn)主要集中于空間數(shù)據(jù)模型和空間服務(wù)模型以及相關(guān)領(lǐng)域，此外還包括流程、認(rèn)證等等。本章介紹了兩個主要的GIS標(biāo)準(zhǔn)：ISO/TC 211和OpenGIS。地理信息系統(tǒng)的前沿問題與發(fā)展趨勢 第十八章 地理信息系統(tǒng)和社會

18、 地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的社會化是其發(fā)展的必然趨勢，在社會化的GIS應(yīng)用階段，GIS技術(shù)在公眾生活中被廣泛使用，形成了GIS產(chǎn)業(yè)，這需要有相應(yīng)的政策法規(guī)來規(guī)范產(chǎn)業(yè)運行，并且需要教育為GIS應(yīng)用提供專業(yè)人才。在GIS技術(shù)影響社會的同時，一些社會因素也影響著GIS的發(fā)展。 第十九章 地球信息科學(xué)和數(shù)字地球 本章介紹了GIS發(fā)展的一些最新的概念，包括地球信息科學(xué)，數(shù)字地球等等，這些概念的具體含義至今仍在變化。 數(shù)字地球與其說是一門技術(shù)，不如說是一個政策，它是GIS應(yīng)用發(fā)展的頂點。最后介紹了國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，它是一個國家推廣GIS應(yīng)用重要的第一步。教學(xué)參考書 HYPERLINK /course/dlxxxt/outline.htm l 05 Top 本課程主要以自編教材地理信息系統(tǒng)-原理、方法與應(yīng)用作為教學(xué)使用教材，同時還參考國內(nèi)外其它優(yōu)秀教材,使用的教材及教學(xué)參考書包括：鄔倫等，地理信息系統(tǒng)-原理、方法與應(yīng)用，科學(xué)出版社，2001鄔倫等，地理信息系統(tǒng)教程，北京大學(xué)出版社，1994張超、陳丙咸、鄔倫編著，地理信息系統(tǒng)，高等教育出版社，2000鄔倫等，地理信息系統(tǒng)，電子工業(yè)出版社，2002Paul A.Longley, M.F.Goodchild，David J.Maguire&D.W.Rhind, Geographical Information Systems: Pri