本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，詳細介紹了地理信息系統（GIS）的原理與方法。本書共分13章，重點介紹了GIS相關概念、空間數據結構、GIS的地理數學基礎、GIS數據輸入、空間數據、空間數據管理、空間分析、GIS數據可視化與制圖、數字高程模型、網絡GIS、三維GIS、GIS工程與標準、GIS發展趨勢等內容。本書免費提供電子課件，可以登錄司馬云（www.smaryun.com）或華信教育資源網（www.hxedu.com.cn）注冊后下載。
吳信才，男，中國地質大學教授、博士生導師、首屆長江學者特聘教授，第十、十一屆全國政協委員，第八、九、十屆民盟中央委員，國家GIS產業技術創新戰略聯盟理事長，國家GIS工程中心首席科學家，教育部GIS工程中心主任，湖北省GIS工程中心主任。曾獲得“湖北省青年科技精英”、“地礦部跨世紀人才”、“國家有突出貢獻的中青年專家”、“全國優秀教師”、“全國優秀科技工作者”、“湖北省勞動模范”、“測繪科技工作先進個人”、“中國軟件十年功勛獎”、“十一五測繪地理信息科技杰出貢獻獎”等榮譽。
第1章 緒論 1
1.1 GIS基本概念 1
1.1.1 信息與數據 1
1.1.2 空間數據與地圖 2
1.1.3 地理信息與地學信息 2
1.1.4 信息系統和GIS 3
1.2 GIS的發展過程 3
1.2.1 GIS在國外的發展 3
1.2.2 GIS在我國的發展 5
1.3 地球信息科學與GIS軟件及類型 6
1.3.1 地球信息科學 6
1.3.2 GIS軟件 7
1.3.3 GIS類型 8
1.4 GIS與其他相關學科的關系 9
1.4.1 GIS與測繪學 9
1.4.2 GIS與地理學 10
1.4.3 GIS與地圖學 10
1.4.4 GIS與一般事務數據庫 11
1.4.5 GIS與計算機地圖制圖 11
1.4.6 GIS與CAD 11
1.5 GIS組成 12
1.5.1 計算機硬件系統 12
1.5.2 計算機軟件系統 14
1.5.3 地理空間數據 16
1.5.4 應用分析模型 17
1.5.5 系統開發管理和使用人員 17
1.6 GIS功能和應用 17
1.6.1 GIS功能 17
1.6.2 GIS應用 19
習題1 23
第2章 空間數據結構 24
2.1 空間認知模型 24
2.1.1 空間認知過程概述 24
2.1.2 空間認知三層模型 24
2.2 空間數據概念模型 26
2.2.1 離散實體模型 26
2.2.2 連續場模型 27
2.3 矢量數據模型 27
2.3.1 矢量數據的基本概念 27
2.3.2 實體數據結構 27
2.3.3 拓撲數據結構 30
2.4 柵格數據模型 33
2.4.1 柵格數據的基本概念 33
2.4.2 柵格數據層的概念 34
2.4.3 柵格數據模型的表示 34
2.4.4 柵格數據的組織方法 36
2.4.5 柵格數據取值方法 36
2.4.6 柵格數據存儲的壓縮編碼 37
2.5 矢量數據模型與柵格數據模型 42
2.5.1 矢量數據與柵格數據結構的比較 42
2.5.2 矢量、柵格一體化 43
2.5.3 矢量和柵格數據結構的選擇 43
2.6 MapGIS空間數據模型概述 44
習題2 49
第3章 GIS的地理數學基礎 51
3.1 幾何空間 51
3.1.1 距離空間 51
3.1.2 歐氏空間 52
3.1.3 基于集合的幾何空間 55
3.1.4 拓撲空間 59
3.2 地球橢球體與大地控制 61
3.2.1 地球橢球體 61
3.2.2 大地控制 62
3.3 地圖投影 66
3.3.1 地圖投影的概念 66
3.3.2 地圖投影的變形 66
3.3.3 地圖投影的分類 67
3.3.4 GIS中的地圖投影 70
3.4 空間坐標轉換 75
3.4.1 坐標系轉換 75
3.4.2 投影轉換 80
習題3 83
第4章 GIS數據輸入 84
4.1 GIS數據來源 84
4.1.1 矢量數據來源 84
4.1.2 柵格數據來源 84
4.1.3 屬性數據來源 85
4.2 數據輸入 85
4.2.1 野外數據采集 85
4.2.2 地圖數字化 86
4.2.3 數字攝影測量 89
4.2.4 遙感影像處理 90
4.2.5 現有數據轉換 90
4.3 數據輸入質量控制 91
4.3.1 數據質量問題 91
4.3.2 誤差來源 93
4.3.3 數據質量控制主要方法 94
習題4 95
第5章 空間數據處理 96
5.1 空間數據的顯示基礎 96
5.1.1 二維觀察變換 96
5.1.2 投影變換 97
5.1.3 幾何變換 99
5.1.4 窗口裁剪技術 102
5.2 空間數據的編輯方法 103
5.2.1 圖形數據編輯 103
5.2.2 屬性數據編輯 106
5.2.3 拓撲關系的構建與編輯 107
5.2.4 圖幅拼接處理 109
5.3 空間數據的誤差分析和校正 110
5.3.1 空間數據的誤差分析 110
5.3.2 空間數據的誤差校正 113
5.4 空間數據的壓縮與光滑 114
5.4.1 數據壓縮 114
5.4.2 曲線光滑 115
5.5 柵格數據與矢量數據的互相轉換 115
5.5.1 矢量數據轉換成柵格數據 115
5.5.2 柵格數據轉換成矢量數據 118
習題5 118
第6章 空間數據管理 120
6.1 概述 120
6.1.1 空間數據管理方式 120
6.1.2 數據庫管理系統 121
6.1.3 空間數據庫系統 121
6.2 空間數據模型 122
6.2.1 傳統數據模型 122
6.2.2 面向對象模型 124
6.3 空間數據組織 128
6.3.1 地圖數據的基本組成 128
6.3.2 圖形數據模型 129
6.3.3 專題屬性數據模型 130
6.3.4 圖形數據與專題屬性數據的連接 130
6.3.5 地理實體信息框架 131
6.4 空間索引和空間查詢 132
6.4.1 空間索引 132
6.4.2 空間查詢 137
6.4.3 空間查詢處理 140
6.4.4 查詢優化 142
6.5 空間數據引擎 143
6.5.1 空間數據引擎的概念 143
6.5.2 空間數據引擎的工作原理 144
6.5.3 空間數據引擎實例 146
6.6 空間元數據 147
6.6.1 空間元數據的定義及其作用 147
6.6.2 空間元數據的分類 148
6.6.3 空間元數據的內容 149
6.7 空間數據庫設計 151
6.7.1 空間數據庫概念結構設計 151
6.7.2 空間數據庫邏輯結構設計 155
6.7.3 空間數據庫物理結構設計 162
習題6 163
第7章 空間分析 164
7.1 空間分析的內容與步驟 164
7.2 空間度量基礎算法 166
7.2.1 長度量算 166
7.2.2 角度量算 170
7.2.3 任意多邊形面積量算 170
7.2.4 分布中心的計算 171
7.3 數據檢索分析 172
7.3.1 屬性統計分析 172
7.3.2 布爾邏輯查詢分析 173
7.4 疊置分析 173
7.4.1 柵格疊加分析 173
7.4.2 矢量疊加分析 177
7.5 緩沖區分析 181
7.5.1 緩沖區分析的概念 181
7.5.2 建立緩沖區的算法 182
7.6 網絡分析 182
7.6.1 網絡數據模型——幾個基本概念 182
7.6.2 常規的網絡分析功能 183
7.7 空間統計分析 188
7.7.1 空間自相關 188
7.7.2 空間聚類分析 190
7.7.3 空間關聯分析 192
習題7 196
第8章 GIS數據可視化與制圖 197
8.1 地圖符號與符號庫 197
8.1.1 地圖符號的定義與分類 197
8.1.2 地圖符號的基本結構 198
8.1.3 點狀符號的構造 199
8.1.4 線狀符號的構造 200
8.1.5 面狀符號的構造 201
8.1.6 地圖符號的設計要求 202
8.1.7 地圖符號庫 203
8.2 GIS符號化 204
8.2.1 符號化的兩種方式 204
8.2.2 符號化的基本元素 205
8.2.3 符號化信息的內容 206
8.2.4 符號化信息編輯 207
8.2.5 要素、符號化信息的關聯方式 208
8.3 GIS地圖制圖 208
8.3.1 GIS制圖的關鍵技術 208
8.3.2 GIS制圖工藝流程 210
8.3.3 GIS制圖的特征 210
8.3.4 GIS制圖的三個層次 211
8.4 GIS制圖表達 212
8.4.1 地圖符號間的關系 212
8.4.2 地圖符號沖突 213
8.4.3 符號沖突的處理原則 215
8.4.4 常見的符號沖突處理方法 216
8.5 GIS地圖輸出 219
習題8 220
第9章 數字高程模型 221
9.1 基本概念 221
9.1.1 DEM的概念 221
9.1.2 DEM的類型 221
9.1.3 DEM的特點 223
9.1.4 DEM的用途 223
9.2 DEM數據源 224
9.2.1 DEM數據特征 224
9.2.2 DEM數據獲取 224
9.3 DEM的構建 225
9.3.1 數學方法 225
9.3.2 TIN的生成方法 230
9.3.3 Grid的生成 234
9.4 DEM的應用 240
9.4.1 三維方塊圖 240
9.4.2 視線圖 241
9.4.3 等高線圖 241
9.4.4 地形特征的數字表示 242
9.4.5 地貌暈渲圖 244
9.4.6 DEM數據自動形成地形輪廓線 245
9.4.7 剖面分析 246
9.5 DEM分析的誤差與精度 246
9.5.1 DEM的誤差研究概況 246
9.5.2 DEM的誤差來源 246
9.5.3 DEM的誤差分析 247
9.5.4 DEM的精度評價模型 248
習題9 249
第10章 網絡GIS 250
10.1 概述 250
10.1.1 網絡GIS的基本概念 250
10.1.2 網絡GIS的功能特征 252
10.1.3 網絡GIS的應用 253
10.2 網絡GIS體系結構 256
10.2.1 傳統WebGIS體系結構階段 256
10.2.2 面向服務的WebGIS體系結構 257
10.2.3 GIS服務器獨立的WebGIS體系結構 258
10.2.4 集群環境下的WebGIS體系結構 259
10.3 網絡GIS數據組織與管理 260
10.3.1 網絡GIS數據組織概述 260
10.3.2 基礎數據組織 261
10.3.3 專題數據組織 267
10.3.4 共享服務數據 268
10.3.5 元數據管理 268
10.3.6 網絡GIS數據管理 269
10.4 網絡GIS關鍵技術 270
10.4.1 海量空間數據網絡服務 270
10.4.2 任務并行處理與負載均衡 272
10.4.3 功能與服務動態自定義擴展 273
10.4.4 服務不間斷運行 277
習題10 277
第11章 三維GIS 278
11.1 三維GIS概述 278
11.1.1 三維GIS的定義、特點及功能 279
11.1.2 三維GIS發展面臨的機遇與挑戰 281
11.1.3 三維GIS研發的問題分析 282
11.2 三維空間數據模型及其索引方法 283
11.2.1 三維空間數據模型 283
11.2.2 三維空間數據索引 291
11.3 三維城市模型數據獲取方法 294
11.4 常用三維建模軟件與建模方法 295
11.4.1 基于二維GIS數據的三維建模 295
11.4.2 基于遙感影像的三維建模 295
11.4.3 基于激光掃描系統的三維
建模 296
11.4.4 基于CAD模型的三維建模 296
11.5 三維GIS可視化 297
11.5.1 三維空間數據可視化的基本流程 298
11.5.2 三維場景管理與可視化策略 298
11.5.3 基于體素地理數據的可視化 299
11.5.4 虛擬現實展示技術 301
11.6 三維GIS空間分析方法 302
11.6.1 空間量算 302
11.6.2 地形分析 303
11.6.3 交互分析 304
習題11 304
第12章 GIS工程與標準 305
12.1 GIS工程的概念 305
12.2 GIS工程建設過程 306
12.2.1 GIS工程建設模式 306
12.2.2 應用型GIS設計步驟和方法 307
12.2.3 需求分析 308
12.2.4 系統設計 310
12.2.5 系統開發與實施 313
12.2.6 系統的評價和維護 315
12.3 GIS工程開發模式 316
12.3.1 搭建式開發模式 316
12.3.2 縱生式開發模式 318
12.4 GIS工程建設標準 321
12.4.1 GIS工程標準概述 322
12.4.2 GIS工程標準作用 324
12.4.3 國際GIS標準化組織 324
12.4.4 常用國際GIS標準 326
12.4.5 國內GIS標準及其組織 327
習題12 329
第13章 GIS發展趨勢 330
13.1 互操作GIS 330
13.1.1 傳統GIS在數據標準化上的缺陷和面臨的新課題 330
13.1.2 GIS互操作的概念 331
13.1.3 OGIS及其特點 332
13.1.4 OGIS的組成部分 333
13.1.5 OGIS的實現技術 335
13.2 集成化GIS 336
13.2.1 GPS、RS與GIS的集成 336
13.2.2 GIS多源空間數據集成 339
13.2.3 GIS與多媒體技術集成 341
13.2.4 GIS與VR技術集成 342
13.3 移動GIS 345
13.3.1 移動GIS概述 345
13.3.2 移動GIS的關鍵技術 346
13.3.3 移動GIS的應用 346
13.4 網格GIS 347
13.4.1 網格GIS概念 347
13.4.2 網格GIS體系結構 348
13.4.3 網格GIS實現技術 349
13.5 云GIS 351
13.5.1 云GIS概述 351
13.5.2 云GIS的應用模式 352
13.6 智能GIS 353
13.6.1 智能GIS的概念 353
13.6.2 智能GIS的結合方式 354
13.6.3 智能GIS的應用場景 354
13.7 三維GIS 355
13.8 物聯網GIS 356
13.9 地理空間信息服務生態環境建設 357
13.9.1 地理空間信息服務生態環境發展背景 357
13.9.2 地理空間信息服務生態環境模型 358
13.9.3 地理空間信息服務生態環境實現 359
習題13 360
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