GIS基础知识

1.地理信息系统：

GIS：地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。地理信息系统是一个可以建立、浏览、查询、分析地理空间数据的软件系统，其功能小至地图的展示，大至空间决策分析与支持。

功能：1.空间数据输入；2.属性数据管理；3.资料展示；4.数据查询；5.资料分析；6.地理模型建立

2.常用的GIS软件：

    •ArcGIS     

         ESRI公司的ArcGIS系列软件已成为中国用户群体最大，应用领域最广的GIS技术平台

         功能强大的专业的GIS数据处理工具

    •QGIS

        Quantum GIS，是一个开源的桌面GIS软件

        市面上难得一见一款免费且好用的GIS数据处理工具

3.GIS数据格式——矢量数据与栅格数据

矢量数据：矢量式资料以点、线、面构成，来表示真实世界的地理现象。点（point）由一组坐标组成，用符号表示，是最简单的空间地理单元，属于零维空间；线（Line）由一线段或连续线段组成，属一维空间之图征，具有长度、起点和终点。面（Polygon）由线所组成的闭合空间，是一个封闭的多边形，具有面积及周长，属二维空间之图征。矢量模式中的点、线、面都是带有属性的不连续性同质单元，其最大的特点就是在显示时不会失真。

        矢量数据（VectorData）是在坐标系中，用各个维度的坐标值（X、Y等）表示位置或描述形状的数据

        平常我们称呼的矢量数据，其实是一种包含了空间数据的集合，其中也包含了大量字段属性

矢量数据存储结构：

数据集（dataset）     以特定的文件存储格式，将数据存放在一起

层(layer/table)            一个数据库中包含多个层

字段定义(field)           一个层中可包含多个字段，字段定义用于一次性对数据属性进行描述

数据(Feature)            一个层中可包含多条数据，每条数据都具有字段描述的详细属性

空间对象                    一条数据中通常包含一个空间对象

矢量数据存储形式

    文件形式：

      Shp文件： .shp

      Csv文件：  .csv

      Mapinfo文件：.mif

      Sqlite文件： .db

    数据库形式：（多层数据）

      Oracle

      MySql

      PostgreSql

栅格数据：栅格数据则是以规律栅格单元（grid of cell）所组成，每一个栅格单元中都记录着一个数值，以不同的数值代表不同类别。其记录方式多以行、列的方式表示。栅格的的大小决定了栅格式数据的分辨率，格子愈小，图形愈清晰，数据愈精准，相对的资料量愈大。此种数据适合用于连续性数据储存，像是数字高程模型、土壤、土地利用等覆盖全地表类的数据。常见的栅格式数据如数值地图、卫星影像、航空照片、数值高程模型等。

矢量数据由于符合真实世界之形貌，比较容易被接受，故建立数据的时间及成本提高，也符合事实之需求。栅格式数据易于分析，比矢量式数据更容易表现地形地貌，所以被广泛应用于自然资源方面的研究计划与管理中。

4.文件格式

gdf文件：地理数据文件（Geographical Data File, GDF） 是一种保存地理数据的文件格式，用于描述和传输道路网络和道路相关数据。与传统的GIS数据格式相比, GDF为获取数据及标准特征、属性和关系的扩展分类提供更多详细的规则。

SHP文件

    一组SHP文件通常包含后缀名为shp、dbf、shx、prj、cpg、qix、sbn、sbx等的多个文件

          •shp文件用于存储矢量数据信息，记录的是每个图形元素的坐标位置信息，在gdal处理时，不可超过4G。文件大小最好控制在2G以内。

          •dbf用于存储字段属性与字段值信息，记录的是每个图形元素的特征信息。dbf字段名长度限制为10，字段值长度限制为255 ，文件大小最好控制在2G以内

          •shx是一个映射文件，关联shp和dbf，用于记录shp和dbf关联关系，很多情况下，缺失shx仍能正常处理，也能反向生成

          •prj记录的是整个文件用到的投影坐标信息。其中prj文件是可选的，其它三个是必需的。

          •cpg用于记录dbf的编码方式，可用文本方式查看

          •qix是一种形式的矢量数据空间索引

          •sbn和sbx是另一种矢量数据的空间索引文件

5.图幅

6.空间对象

    •基本对象：点（POI）、线（道路）、面（AOI）

    •复合对象：多点、多线、多面、空间集合

    •空对象（Empty）：由于各种原因，存在一种空对象，工作中理论上不应存在，但数据处理时经常遇到这类数据引发的异常，不可忽视

空间对象的表达

  基本对象

     •点：点可以用坐标X，Y来确定位置

     •线：线可以认为是由连续的直线段组成的曲线，可以用坐标串的集合（X1，Y1，X2，Y2……Xn，Yn）来记录

     •面：面通常通过记录面状地物的边界来表现

WKT

      WKT(Well-Known Text)是一种文本标记语言，用以表示矢量几何对象，空间参照系统，以及空间参照系统之间的转换

      WKB(Well-Known binary)是wkt的二进制表达方式。它在传输和存储时占用更少的空间

    WKT描述几何对象    

       •POINT(6 10)

       •LINESTRING(3 4,10 50,20 25)

       •POLYGON((1 1,5 1,5 5,1 5,1 1),(2 2,2 3,3 3,3 2,2 2))

       •MULTIPOINT(3.5 5.6, 4.8 10.5)

       •GEOMETRYCOLLECTION(POINT(4 6),LINESTRING(4 6,7 10))

    WKT描述空间参照系

GEOGCS[

  "GCS_WGS_1984",

  DATUM[

  "D_WGS_1984",

  SPHEROID["WGS_1984",6378137.0,298.257223563]],

  PRIMEM["Greenwich",0.0],

  UNIT["Degree",0.0174532925199433],

  AUTHORITY["EPSG",4326]]

工作中的点、线、面

         •点：POI，Point of Interest，兴趣点。

地图中的门址，收派件网点、高速出入口，收费站点都属于POI

         •线：ROAD，道路。

包括各种高速、城市环线及大小干道、桥梁、隧道等

        •面：AOI，Area of Interest，兴趣区域。

包括楼块、小区、公园、绿地、水系等

电子围栏、图幅区域、行政区划

ADCODE

           •各省市的行政区域划分，是一种典型的面数据

•ADCODE即行政区号，由中国国家标准化管理委员会制定，用以标志各区域在国家行政级别上的编号，用9位数字表示。国家统计局补充了三位表示居委会、村委会的代码。

*我国公民身份证号码前6位即是出生时户口登记所在地行政区号的前6位

12位的ADCODE结构采用五层数字表示：

•第一层：1~2位  标志省级码（省、自治区、直辖市）

•第二层：3~4位  标志地级码（地级市、地区）

•第三层：5~6位  标志县级码（县、县级市、市辖区）

•第四层： 7~9位  标志乡级码（乡、镇、街道、类似乡级单位）

•第五层： 10~12位  标志村级码（村民委员会、居民委员会、类似村民委员会、类似居民委员会）

           6位和15位的ADCODE

•常见的6位ADCODE省略了12位中的后6位

•也有15位的ADCODE，它在12位的基础上追加了3位表示城乡分类的代码

•111表示主城区

•112表示城乡结合区

•121表示镇中心区

•122表示镇乡结合区

•123表示特殊区域

•210表示乡中心区

•220表示村庄

城乡分类代码第1位为1，表示城镇；为2，表示乡村

空间对象的周边属性：质心

    •质量的中心，二维平面描述下，空间对象视作质量均匀的对象，此时与重心重合

 •重心：有重力场时，质量被相互吸引产生的力的集中点

 •质心不一定在空间对象内部

空间对象的周边属性：boundary

    •Boundary意为边界，可理解为边缘。

    •不同的对象的boundary类型不同。

•点：无Boundary，或理解自己本身就是

•线：线的两个端点

•面：包围面的线

空间对象的周边属性：Envelope和MBR

•Envelope也称包络线，是一个由最小x,y和最大x,y值组成的矩形区域，它定义了一个要素的空间范围。 Envelope构成的接矩形平行于x轴和y轴。

•MBR严格意义上讲是包围几何体的最小外接矩形，它不一定平行于x轴和y轴。

•MBR有最小面积外接矩形和最小周长外接矩形之分

•在很多场景下，如果没有同时这两个概念，则将两者视作同一个，即平行于x轴和y轴的最小外接矩形

空间对象的周边属性：ConvexHull

•凸包：包含空间对象的最小凸多边形

•凸多边形指如果把一个多边形的所有边中，任意一条边向两方无限延长成为一直线时，其他各边都在此直线的同旁

空间对象的周边属性：Buffer

•缓冲区：围绕空间对象周围一定宽度范围内的多边形

•建立缓冲区通常需要两个参数：宽度、导角细分数。宽度决定缓冲区的大小，导角细分数决定了导角位置过渡的平滑度

•缓冲区能在一定程度上反映空间对象环境，在地图渲染和电子围栏中应用广泛

空间位置关系

•分离（Disjoin）：两个对象包含的点集不存在交集

•相交（Intersect）：两个对象包含的点集存在交集

•相邻（Touch）：交集为两者boundary的子集

•重叠（Overlap）：交集类型与两者类型均相同，并且交集只能是两者子集

•交叉（Cross）：与线类型相关的

•包含（Contain） /嵌入（Within）：一个对象是另一个对象的子集

•相等（Equal）：两者以及交集具有完全相同的对象属性

  •Intersection：两个空间对象的交集

  •Union：两个空间对象的并集

空间索引

•空间索引

•类似于一般数据使用的索引，使用某种算法使数据查询更高效

•牺牲一定空间，极大地提高查询速度

•空间索引原理

•使用MBR特性进行初次筛选，后续需再次求证真实位置关系

•存储形式

•文件索引

•内存索引

•数据库的空间索引（文件索引）

空间索引的存储形式

•Shapefile的文件索引

•QIX后缀

•SBN后缀

•内存索引常见算法基本思想

•四叉树：查询速度极快，但初次过滤会滤出很多无效对象

•右叉树（R树）：查询速度相对四叉树稍慢，但初次过滤更精准

空间数据库

•越来越多的数据库支持空间数据存储，同时也必然支持空间索引，如

•Oracle(OracleSpatial)、

•MySql、

•Sqlite(Spatialite)、

•PostgreSql(PostGIS)

7.坐标与坐标系

•坐标：在一个参考体系内描述一个点的相对位置

•坐标系：描述这种相对位置的参考体系

地理坐标系：为球面坐标。 参考平面地是椭球面，坐标单位：经纬度；

        地心坐标系：地球椭球体中心与重心重合，适应于全球定位，例如WGS84 、 CGCS2000(大地2000)

        参心坐标系：地球椭球体中心通常不与重心重合，适用局部相对精确的定位，例如beijing54、xian80

投影坐标系：为平面坐标。参考平面地是水平面，坐标单位：米、千米等

        •Web墨卡托投影、BD09MC

典型的地理坐标系：WGS84，WGS84 由美国国防部制图局（Defense Mapping Agency）于 1980 年代所建立的地球参考坐标。以全球地心参考框架和一组相应模型（包括地球重力模型EGM 和WGS84 大地水平面）所组成，全球定位系统(GPS)所采用的坐标系统就是WGS84 坐标

常见厂商使用的坐标系

•谷歌（google）：WGS84

•高德：GCJ02

•百度：BD09MC

•四维：GCJ02

•立得：GCJ02（单位为:秒）