地理信息系统导论

本书简要介绍与GIS相关的基本原理，主要内容包括GIS简介、参照系、GIS数据、数据质量、空间数据模型和数据库、矢量和栅格数据的空间分析、网络分析、统计和空间数据测量、三维数据的空间分析、使用GIS制图、GIS硬件/软件和编程、未来展望等。 

地理信息系统是指输入、显示和分析空间数据，进而求解空间问题的系统，广泛用于网络分析、环境调查、土地利用、交通规划、地形可视化、海平面上升预测、商务定位等领域。本书是GIS科学专业学生的教材，内容涉及GIS简介、地理坐标参考、GIS数据获取、数据质量、空间数据模型与数据库、矢量和栅格数据的空间分析、网络分析、统计与空间数据测度、三维数据的空间分析、GIS制图、GIS硬/软件和程序设计、未来展望等。

John R. Jensen加州大学富勒顿分校地理学学士，杨百翰大学硕士，加州大学洛杉机分校博士；南卡罗来纳大学地理学教学名师，GIS与遥感实验室副主任，《GIS科学与遥感》杂志主编；摄影测量专家，曾任美国摄影和遥感学会地理空间信息分会主席；获SAIC John E. Estes Memorial教学奖、美国地质调查局/美国航空航天局William T. Pecora奖、美国地理学家协会终生成就奖。主持完成NASA、DOE和NOAA的项目50余项，著有《数字图像处理导论：遥感视角（第3版）》、《环境遥感：地球资源视角（第2版）》等教材，发表文章130多篇。Ryan R. Jensen杨百翰大学制图与GIS学士、地理学硕士，佛罗里达大学地理学和GIS博士。杨百翰大学地理学副教授，地理信息系统认证专家，《应用地理学》主编。

目录第1章 GIS简介 11.1 什么是空间数据 11.2 空间问题 31.3 GIS空间数据的组织方式 41.3.1 离散型地理要素 41.3.2 连续型地理要素 41.3.3 面域型地理要素 51.4 矢量与栅格数据结构 61.4.1 矢量数据结构 61.4.2 栅格数据结构 61.4.3 空间数据基础设施 61.5 GIS标准定义与非标准定义 81.6 对GIS的误解 91.6.1 GIS仅是一个图形处理软件或计算机辅助设计（CAD）程序 101.6.2 GIS仅是一个地图制图程序 101.6.3 GIS仅是无理论基础的软件包 101.6.4 传统纸质地图与GIS一样用途广泛 101.6.5 GIS与其他系统相比并无区别 121.7 GIS组成 121.7.1 GIS硬件 121.7.2 GIS软件 131.7.3 人件（活件） 141.7.4 GIS数据 141.8 GIS发展趋势 151.9 GIS产业 151.9.1 GIS软件开发行业 151.9.2 GIS数据采集行业 151.9.3 GIS增值服务行业 161.10 GIS行业就业情况 161.11 GIS行业投资情况 171.12 本书的组织结构 171.13 小结 18复习题 18关键术语 18参考文献 19第2章 空间参照系 212.1 概述 212.2 基准面 212.3 椭球 212.4 大地水准面 222.4.1 水平基准面 232.4.2 高程基准面 232.5 坐标系 242.5.1 笛卡儿坐标系 242.5.2 经度和纬度 252.6 地球仪 262.7 地图投影 272.7.1 地图投影中使用的可展曲面 292.7.2 圆柱地图投影 292.7.3 方位（平面）地图投影 322.7.4 圆锥投影 342.7.5 其他投影和坐标系 362.7.6 自定义地图投影 382.8 天梭指标 392.9 小结 41复习题 41关键术语 42参考文献 42第3章 GIS数据 443.1 概述 443.2 地面数据采集 443.2.1 全球定位系统（GPS） 443.2.2 地面数据测量 503.2.3 地面数据采样或人口调查 553.2.4 传统空间信息的数字化 573.3 遥感数据采集 623.3.1 遥感信息处理 633.3.2 分辨率要求 633.3.3 遥感术语 683.3.4 航空摄影测量 693.3.5 多光谱遥感 723.3.6 高光谱遥感 753.3.7 热红外遥感 763.3.8 LiDAR遥感 783.3.9 RADAR遥感 813.4 遥感数据分析 843.4.1 模拟（可视）图像处理 843.4.2 数字图像处理 843.5 小结 85复习题 85关键术语 85参考文献 86第4章 数据质量 884.1 概述 884.2 元数据 884.2.1 元数据的要素 884.2.2 FGDC的元数据标准 894.2.3 元数据和GIS软件 894.2.4 其他元数据问题 894.3 准确度和精度 904.4 地理空间数据的误差类型 904.4.1 属性错误 914.4.2 定位误差 944.4.3 拓扑错误 954.4.4 时间准确度 964.4.5 误差可视化 974.4.6 误差传播 974.4.7 区群谬误 984.4.8 可塑性面积单元问题 994.5 小结 100复习题 100关键术语 100参考文献 101第5章 空间数据模型和数据库 1025.1 概述 1025.2 GIS数据模型 1025.3 矢量数据 1035.3.1 点要素 1035.3.2 线要素 1035.3.3 面（多边形）要素 1035.3.4 比例尺要素 1035.3.5 拓扑属性 1055.3.6 地理关系矢量模型 1065.3.7 基于对象的矢量模型 1085.4 栅格数据 1095.4.1 栅格单元值 1095.4.2 单元格大小 1095.4.3 栅格地理参照系 1105.4.4 栅格文件格式 1115.5 矢量与栅格数据模型的转换 1115.5.1 矢量-栅格转换 1115.5.2 栅格-矢量转换 1115.6 数据库 1135.6.1 平面文件 1145.6.2 关系数据库 1145.6.3 不同的数据库关系 1145.6.4 关联与连接 1155.6.5 栅格数据库 1165.6.6 属性数据类型 1165.6.7 添加和删除属性字段 1165.6.8 数据输入 1175.6.9 外部数据库集成 1175.7 数据查询 1175.7.1 属性查询 1175.7.2 位置查询 1185.7.3 数据查询的融合 1185.7.4 新数据层 1185.8 小结 119复习题 119关键术语 120参考文献 121第6章 矢量数据和栅格数据的空间分析 1226.1 概述 1226.2 矢量数据分析 1226.2.1 矢量数据的缓冲区分析 1226.2.2 缓冲区分析的类型 1256.2.3 矢量数据的叠加 1276.3 栅格数据分析 1366.3.1 栅格距离量测运算 1366.3.2 局部运算 1396.3.3 邻域运算 1486.3.4 区域运算 1556.4 小结 157复习题 157关键术语 158参考文献 159第7章 网络分析 1607.1 概述 1607.2 地理编码 1617.2.1 地理编码的组成 1627.2.2 预处理 1637.2.3 地址匹配 1637.2.4 地理编码质量 1647.3 网络类型 1657.3.1 （无向）交通网络 1657.3.2 （有向）几何设施网络 1657.4 （无向）交通网络分析 1657.4.1 建立拓扑正确的交通（无向）网络地理数据库 1657.4.2 网络分析问题：最优路线（最短路径） 1677.4.3 网络分析问题：推销员的最优路线 1727.4.4 网络分析问题：最近的设施在哪 1737.4.5 网络分析问题：如何确定特殊设施的服务区域 1747.4.6 网络分析问题：设施位置的区位配置模型 1787.4.7 网络分析问题：最大市场占有率 1817.4.8 网络分析问题：目标市场占有率 1837.5 几何设施（有向）网络分析 1847.5.1 建立拓扑正确的几何设施（有向）数据集 1857.5.2 网络分析问题：设施网络中的流向 1877.5.3 网络分析问题：在设施网络中追踪边、接口的上游或下游 1877.5.4 国家水文数据集犹他州瓦萨奇山脉钻石叉河部分 1897.5.5 网络分析问题：在设施网络中使用障碍 1897.5.6 网络分析问题：网络示意图 1907.6 小结 190复习题 190关键术语 191参考文献 192第8章 统计和空间数据量算 1938.1 概述 1938.2 长度（距离）量算 1938.2.1 基于勾股定理的直线距离量算 1938.2.2 曼哈顿距离量算 1948.2.3 其他因素 1958.3 多边形周长和面积的量算 1968.3.1 周长量算 1968.3.2 多边形面积量算 1978.4 描述性统计 1988.5 描述性空间统计 2008.5.1 均值中心 2018.5.2 标准距离 2018.6 空间自相关 2018.7 点模式分析 2048.7.1 样方分析 2048.7.2 最近邻点分析 2068.8 小结 209复习题 209关键术语 210参考文献 210第9章 三维数据空间分析 2129.1 概述 2129.2 三维数据的矢量表示和处理 2139.2.1 不规则三角网（TIN）数据结构 2139.2.2．TIN表面处理 2149.3 三维数据的栅格表示和处理 2169.3.1 空间插值 2169.3.2 栅格三维数据的表面处理 2269.4 小结 228复习题 228关键术语 229参考文献 229第10章 GIS制图 23110.1 概述 23110.2 地理学家/制图师 23110.3 制图学的历史 23110.3.1 最古老的地图 23210.3.2 中世纪的TO地图 23210.3.3 公元150年托勒密的《地理》 23210.3.4 探索、打印和地图集的时代 23310.3.5 现代地图制作 23510.4 制图过程 23610.5 要素类型和测量尺度 23710.5.1 要素类型 23710.5.2 地理测量尺度 23810.6 地图设计基础 23910.6.1 地图组成（布局） 24010.6.2 标题 24010.6.3 排版 24010.6.4 专题内容和图形背景关系 24110.6.5 指北针与罗盘 24210.6.6 比例尺 24210.6.7 图例 24310.6.8 格网或参考网格 24310.6.9

译 者 序地理信息系统（GIS）是一门潜力无限的新兴边缘交叉学科，它通过输入、处理、分析和显示空间数据来解决空间位置的相关问题。随着计算机、空间和互联网等支撑技术的发展，地理信息系统已从一种工具、方法或技术，飞速发展为一门科学，并得到了广泛应用。在全世界的中学、学院和大学中，都在讲授GIS的相关课程。如今，GIS已成为全球拥有数百万从业人员和数百亿美元的产业。国家测绘地理信息局在“十三五”期间我国测绘地理信息工作的重点任务目标中明确提出，我国地理信息产业将保持年均20%以上的增长速度，2020年总产值将超过8000亿元人民币。在“十三五”的开局之年，我们很荣幸将这本“科普版”的地理信息系统书籍介绍给广大读者。本书涵盖了与地理信息系统相关的基本原理、概念及其在各领域的应用实例，内容深入浅出，相对复杂的地理信息科学原理都用简单明晰的概念和丰富的应用实例加以讲解，适用于对地理信息系统和空间分析没有任何概念的读者。希望能有更多的人通过阅读本书，对地理信息系统有更深入的了解，并建立正确的概念。全书共12章，其中王淑晴、高方红翻译第1章和第2章，王淑晴、辛鑫翻译第3章和第4章，王淑晴、张学文翻译第5章和第6章，孙翠羽、林慧翻译第7章和第8章，孙翠羽、胡科林翻译第9章和第10章，孙翠羽、崔媛媛翻译第11章和第12章。王淑晴和孙翠羽分别负责全书的前后期审校工作，郑新奇负责全书的统筹工作。本书能够顺利出版，得到了电子工业出版社的大力支持，在此表示衷心的感谢。GIS本身的内容纷繁庞杂，涉及的学科和应用领域跨度巨大，这无疑增大了翻译工作的难度。由于时间仓促，译者水平有限，难免存在疏漏和不当之处，恳请广大读者批评指正。译者联系方式：010-82321807，电子邮件：[email protected]。译 者前 言地理信息系统（GIS）用于输入、显示和分析空间数据，进而求解空间问题。地理信息系统与测地学、测量学、制图学和遥感共同组成了测绘科学。由于地理空间数据质量、空间分析算法和计算机硬件的提升，使用地理信息系统来求解重要地理空间问题正日益增长。基于上述改进，地理信息系统已广泛应用于各个领域，如网络分析、环境研究、土地利用和交通规划、地形可视化、海平面抬升预测、社会经济和人口分析、业务定位/分配建模等。美国劳工部和其他机构已认识到，地理信息系统的利用将成具有良好发展前景的重要职业。本书主要适用于地理科学的学生和教师。本书简要介绍与GIS相关的基本原理，主要为GIS和空间分析的初学者撰写。相对复杂的GIS科学原理的叙述会尽可能简单，基本不涉及数学公式。需要使用数学公式时，也只给出简单的代数或三角函数形式。每章的章末提供有复习题和术语表。书中的所有插图和表格均可以Microcoft PowerPoint文件格式获取。教师可从www.pearsonhighered.com/irc处下载这些PPT文件，进而将这些插图和表格添加到自己的教学资源中。本书的测验、网络链接、RSS反馈、线条图和其他资源，可从www.mygeoscienceplace.com处下载。第1章：GIS简介本章介绍空间数据的特点和地理信息系统在空间数据分析中的角色与重要性。首先简要介绍矢量和栅格数据结构之间的区别，给出地理信息系统的几种正式和非正式定义；然后澄清关于GIS的几个重要误解；再后介绍地理信息系统的基本组成，包括硬件、软件、人件和数据；最后回顾地理信息系统的发展趋势，包括GIS的商业应用和GIS领域的各种职业。第2章：参照系高品质地理信息系统分析要求空间数据相对某个坐标系是准确的。本章首先介绍大地基准、椭球、大地水准面和通用坐标系的基本知识；然后介绍基于经纬度的世界（球面）坐标系；再后介绍几种投影坐标系，如通用横轴墨卡托、阿尔伯斯等积、兰伯特等角圆锥和州平面坐标系，以及创建自定义地图图影和坐标系的方式；最后介绍与各种地图投影失真相关的天梭指标及其用途。第3章：GIS数据本章回顾获取GIS分析所用地理空间数据的几种基本技术。首先介绍几种现场采集数据的方法，包括使用全球导航卫星系统（GNSS）如美国的NAVSTAR全球定位系统（GPS）、陆地测量、地面取样、人口普查和硬拷贝地图与图像数字化；然后介绍如何使用航空器和航天器上的遥感设备来采集地理空间数据；再后讨论遥感过程、术语和分辨率因素（空间、光谱、时间和辐射）；接着探讨几种遥感数据采集系统，包括航空摄影、多光谱、高光谱、热红外、LiDAR和RADAR；最后简要介绍模拟和数字图像的处理过程。第4章：数据质量数据质量评估是GIS分析的一个重要方面。本章首先介绍元数据的概念以及如何使用它来确定特定项目的数据集的有用性；然后介绍准确度和精度的差别；再后介绍常见的属性误差和定位（空间）误差，以及如何测量误差和校正误差；接着介绍几家机构提供的地图准确度，误差可视化的重要性和误差传播；最后介绍生态学谬论和可更改的面积单元问题。第5章：空间数据模型和数据库本章回顾矢量和栅格数据模型的详细特性。首先介绍矢量数据拓扑和空间相关矢量模型与基于对象的矢量模型；然后介绍栅格文件格式和地理参考；再后介绍一些需要转换为不同数据结构的矢量或栅格数据，包括矢量-栅格数据转换和栅格-矢量数据转换；最后介绍如何使用地理信息系统来存储、关联、连接和查询与矢量及栅格数据模型相关的属性。 第6章：矢量和栅格数据的空间分析本章介绍使用矢量和栅格数据进行空间分析的地理信息系统的基本信息。首先介绍点、线和面矢量数据的缓冲方法；然后讨论矢量的叠加操作，包括点与多边形的叠加、线与多边形的叠加、多边形与多边形的叠；再后介绍数据分析，包括物理距离量测、缓冲、应用到单个栅格数据集的本地操作、应用到多个数据集的本地操作、邻域操作（如空间滤波）和区域操作与统计。第7章：网络分析本章首先简要介绍地理编码和地址匹配，然后讨论两种普通的地理数据库网络（无向网络和有向网络），再后讨论使用GIS中存储的地理信息来创建拓扑正确的网络地理数据库的通用过程。此外，本章还将讨论网络信息的来源，网络元素如边、交点和转弯，给出网络成本（如时间或距离阻抗）、障碍（如临时道路封闭或意外）的概念与层次；介绍用于定位设施的各种位置定位模型；最后探讨如何确定流向、追踪边缘和上下游节点，并使用障碍来求解有向水文网络问题。第8章：统计和空间数据测量本章介绍一些基本的描述性统计和空间统计，以及这些统计如何增进我们对空间关系理解的方式。首先介绍简单的欧氏距离和马氏距离测量；然后介绍常见的多边形测量，如多边形周长测量和面积测量；再后讨论几个有用的描述性统计和空间统计，如空间分析的均值中心和标准距离；接着介绍空间自相关的概念及其莫兰指数I的测量；最后介绍使用样方和最近邻分析来进行点模式分析的技术。第9章：三维数据的空间分析本章介绍如何将控制点观测值(x, y, z)变换为矢量和栅格数据结构，以便进行显示和表面处理。控制点数据可变换为三角不规则网（TIN）。使用空间插值技术如最近邻插值、距离反向加权插值、克里金插值和样条插值，控制点数据也可变换为栅格（矩阵）格式。本章回顾了如何处理TIN和栅格数据集，以便提取坡度、方位和等值线，讨论了常用于增强三维表面解释的分析晕渲法和色彩再现法。第10章：使用GIS制图GIS分析通常会涉及高质量地图产品的创建。本章首先简要介绍几个主要的制图里程碑，然后介绍整个制图过程，以帮助读者了解制图的实际阶段和认知阶段，接着介绍几个基本的地图设计要素（布局、平衡、颜色和符号的使用、图形-地面关系、指北针和罗盘、比例条），然后用几个例子展示点（如渐变圆）、线（如等高线）和面（如等值线图）要素的详细制图信息，最后讨论相片地图和正射影像地图的特点。第11章：GIS硬件/软件和编程本章首先介绍典型的GIS计算机硬件，包括计算机类型、中央处理单元（CPU）、内存、海量存储、显示、输入/输出设备和备档要求；然后介绍GIS软件的几个重要特性，包括常用的GIS软件、操作系统、数据采集和数据格式、数据库、制图性能和成本等；接着讨论GIS软件客户支持的重要性。标准的GIS软件有时并不提供完成某个项目的全部组件。此时，GIS专业人员应能编写新的地理空间代码并在标准的GIS软件中运行；再后回顾执行GIS相关计算机编程的基本特点；最后给出使用Python语言进行面向对象编程的例子。第12章：未来展望本章介绍GIS职业和教育问题，包括薪酬和雇用趋势，公共和私营部门关于雇用、认识与继续教育的详细信息，强调了专业地理空间组织的重要性；然后介绍各种GIS技术要素，包括云计算和GIS、网络GIS、移动GIS和自发地理信息的收集、数据格式和标准的改进、三维可视化等；接着介绍地理空间数据和法律/隐私问题；最后介绍遥感信息与GIS分析的集成。附录A：地理空间信息来源本章首先介绍美国联邦地理空间数据仓库、一个开源数据仓库和一个有代表性的商用地理空间数据仓库；然后列出可自Internet下载的部分地理空间数据集，包括数字高程、水文、土地利用/土地覆盖和生物多样性/栖息地、网络（道路）和人口统计数据，以及几种类型的公众遥感数据；接着给出数据集的地图或影像示例；最后小结美国50个州的GIS数据管理机构。致 谢感谢如下人员的帮助：佐治亚州亚特兰大市ERDAS公司的Paul Beaty，加利福尼亚州加州大学圣巴巴拉分校地理系的Keith Clarke，科罗拉多州斯普林斯市Sanborn地图公司CEO John Copple；南卡罗来纳州哥伦比亚市南卡罗来纳大学地理系的Dave Cowen，印第安纳州立大学研究生院长兼《应用地理学》编辑Jay Gatrell，田纳西州克拉克斯维尔奥斯汀州立大学地理科学系的Chris Gentry，马里兰州哥伦比亚Bellwether出版公司《地理科学与遥