GIS相关基础知识

一、GIS概论及体系

1.1.什么是GIS？

• GIS即地理信息系统(Geographic Information System)，是一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科。
• 地图是GIS的表现形式，但GIS深层是空间信息的处理。
• GIS可以让你所见即所得，获取地图上的大量信息。

• 1.2.GIS与各学科关系

  

  1.3.GIS的应用领域

  • 交通
  • 广播电视
  • 电力
  • 气象
  • 公共设施
  • 城市管理
  • 农业

  1.4.GIS应用价值(1)

  • 呈现
  • 还原
  • 规划

  1.4.GIS应用价值(2)

  • 数据挖掘
  • 统计分析

  1.5.GIS标准：OGC标准

  • 开放地理空间信息联盟

  1.6.常见GIS平台

  • ESRI ArcGIS平台
  • 超图SuperMap平台
  • Skyline平台
  • 开源GIS平台

  1.7.GIS的体系结构

  • 客户端(Client)
  • 服务(Server)
  • 数据(Data)

  二、GIS坐标系

  2.1.地球空间模型：大地椭球体

  • 长半轴
  • 短半轴
  • 扁率

  2.2.GIS的坐标系概览

  

  2.3.地心坐标系和参心坐标系

  • 地心坐标系：原点与地球质心重合，以地球质心为原点建立的空间直角坐标系，或参考椭球中心与地球质心重合的地球椭球面为基准面所建立的大地坐标系
  • 参心坐标系(被淘汰)：原点与某一地区或国家所采用的参考椭球中心重合，通常与地球质心不重合。区域大地坐标系，只适合地球局部区域使用。

  2.4.大地坐标系(1)

  • GIS坐标系中的椭球，如果加上高程系，在其内涵上就是GCS(地理坐标系统)
  • 参考椭球上的点、线、面
  • 椭球中心
  • 短轴
  • 大地子午面(线)
  • 大地赤道面

  2.4大地坐标系(2)

  • 大地经度(L)
  • 过地面点的子午面与起始子午面之间的夹角，0~±180°
  • 大地维度(B)
  • 过地面点的法线与赤道面之间的夹角，0~±90°
  • 大地高(H)
  • 地面点沿法线至参考椭球面的距离，可正可负

  2.5.空间直角大地坐标系(地心坐标系)

  • 原点位于参考椭球的中心
  • Z轴与椭球的旋转轴一致，指向参考椭球的北极
  • X轴指向起始子午面与赤道的焦点
  • Y轴位于赤道面上，按右手系与X轴正交成90°夹角

  2.6.投影坐标系PCS

  • 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影，即曲面变平面
  • 为什么要进行投影？
  • 投影地图为平面，符合视觉心理
  • 地球椭球体为不可展平面
  • 球面坐标不方便进行距离，方位，面积等参数的量算和各种空间分析
  • 投影方式：
  • 等角：保持角度和形状不变，面积变形
  • 等积：面积不变，角度和形状变形
  • 任意投影：面积，角度和形状变形
  • 选择地图投影，主要考虑因素：
  • 制图区域的范围，形状和地理位置
  • 地图的用途，出版方式及其他特殊要求
  • 目前常用投影：
  • 中国地图投影：Lambert(兰伯特)投影
  • 各省市投影：Albers(阿伯斯)投影
  • 城市级或小范围区域投影：局部高斯投影
  • 互联网公众地图网站：Web墨卡托
  • 卫星影像数据：UTM投影

  2.7.兰伯特Lambert投影

  • 正轴等角割圆锥投影
  • 适用于小于(含)1:100万的地图
  • 最适用于中纬度的一种投影，其描绘形状比描绘面积更准确

  2.8.高斯-克吕格投影

  • 横轴等角切圆柱投影或横轴墨卡托投影
  • 特点：
  • 投影后中央子午线为直线，长度不变形，其余经线投影对称并且凹向中央子午线，离中央子午线越远，变形越大
  • 赤道的投影也是直线，并与中央子午线正交，其余纬线投影为凸向赤道的对称曲线
  • 投影后经纬线仍然保持相会垂直，角度无变形
  • 长度和面积变形很小

  2.9.通用横轴墨卡托投影(UTM投影)

  • 横轴等角割椭圆柱面投影
  • 投影与椭圆柱割地球于南纬80度，北纬84度两条等高圈，投影后两条相割的经线上没有变形，而中央经线上长度比0.9996，即UTM投影=0.9996高斯投影
  • 特点：
  • UTM投影=0.9996高斯投影
  • 大地测量和地形测量的投影基础
  • 我国各种遥感影像的常用投影

  2.10.墨卡托投影

  • 等角正切圆柱投影
  • 特点：
  • 经纬线横平竖直
  • 经线之间间距相等
  • 形状和角度不变
  • 赤道处面积不变，纬度越高，面积放大的倍数越大

  2.11.Web墨卡托投影

  • 对应的经纬度范围：
  • 最小(-180, -85)
  • 最大(180, 85)

  2.12.当前通用的一些坐标系标准

  • 国际：
  • WGS84坐标系
  • 国内：
  • 1985国家高程基准
  • 两个已弃用参心坐标系：北京54，西安80
  • 2000国家大地坐标系(CGCS2000)
  • 火星坐标系(GCJ-02)

  2.13.坐标系转换

  • GCS转GCS，GCS转PCS就是投影，PCS转PCS是重投影
  • 仿射转换：平移，旋转，缩放。可以无序进行

  2.14.常见概念

  • 经纬网
  • 在地球仪上或地图上，经线和纬线相互交织，就构成了经纬网，方便参照
  • 方里网(公里网)
  • 在地图上按一定的纵横坐标间划分的直角坐标网格，是以所选定的直角坐标系的坐标轴为基础，并按一定间隔描绘的正方形网格
  • 主要应用于纸质地图和军事领域
  • 比例尺(Scale)
  • 地图上的一厘米代表实际上的多少厘米
  • 分辨率(Resolution)
  • 代表当前地图范围内，1像素代表多少地图单位，地图单位取决于数据本身的空间参考

  三、GIS数据

  3.1.地图数据结构构成

  • 矢量数据
  • 点
  • 线
  • 面
  • 栅格数据
  • 瓦片数据等

  3.2.地图图层

  • GIS展示，是通过不同的图层去描述，然后通过图层叠加显示来进行表达的过程
  • WebGIS的地图结构：
  • 二维WebGIS的地图结构
  • 栅格底图图层
  • 矢量图层
  • 三维WebGIS的地图结构
  • 地形图层
  • 栅格底图图层
  • 三维模型图层
  • 矢量图层

  3.3.基础数据结构

  • 矢量数据
  • 矢量数据结构是如同X，Y（或者X，Y，Z）坐标，利用点，线，面的形式来表达现实世界
  • 定位明显，属性隐含的特点
  • 数据结构紧凑，冗余度低，表达精度高
  • 栅格数据
  • 栅格数据(瓦片模型)是以二维矩阵的形式来表示空间地物或现象分布的数据组织方式，每个矩阵单位称为一个栅格单元(cell)
  • 属性明显，定位隐含的特点
  • 四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率

  3.4.常见栅格数据：切片（瓦片）地图

  • 瓦片地图金字塔模型是一种多分辨率层次模型，从瓦片金字塔的底层到顶层，分辨率越来越低，但表示的地理范围不变
  • 特征：
  • 瓦片分辨率为256 X 256
  • 最小地图等级是0，此时世界地图只由一张瓦片组成
  • 具有唯一的瓦片等级(Z)和瓦片行列坐标编号(X, Y)
  • 瓦片等级越高，组成世界地图的瓦片数越多，可以展示的地图越详细
  • 某一瓦片等级地图的瓦片是由低一级的各瓦片切割成的4个瓦片组成，形成了瓦片金字塔

  3.5.矢量数据构成：要素 Feature

  • 矢量图层内是由多个要素(feature)构成的，要素主要分为点、线、面等类型
  • 要素的数据结构
  • 坐标：地理位置，如经度，维度，高度（三维GIS中）构成
  • 样式：表现形式，如图标图片，线条样式，填充色，文字样式等
  • 属性：除经纬度信息之外的关联信息，如名称，地址，电话，面积，长度，备注等
  • 坐标信息
  • 点：由经度，维度，高度（三维GIS中）属性组成
  • 线：由多个点组成
  • 面：由一条或多条闭合线组成
  • 样式信息
  • 点：符号
  • 线：线型
  • 面：填充
  • 属性信息

  3.6.GIS数据的生产

  • 测绘学
  • 测绘学的历史及发展

  3.7.GIS数据来源

  • 人工手制或建模
  • 利用建模软件，全靠人工去绘制矢量数据或模型
  • 常用软件平台：3DMAX，Maya进行人工建模，Revit进行BIM建模
  • 测绘仪器
  • 航拍

  3.8.GIS数据来源选择及常见文件格式

  • DEM地形数据，互联网在线资源，航拍，tif，dem
  • DOM影像数据，互联网在线资源，航拍，采购，tif，img
  • 矢量数据，互联网在线资源，采购，shp，kml，geojson，dxf/dwg
  • 三维模型，人工建模(含BIM)、无人机倾斜摄影，倾斜摄影osgb，人工建模obj、dae，BIM数据dvt、dgn，点云las、ply

  3.9.常见文件格式：.tif

  • 标签图像文件格式(Tagged Image File Format，TIFF)
  • tif可以有8位，24位等深度，一般真彩色是24位，地形数据只有一个高度值，采用8位
  • 卫星影像数据、地形数据的存储格式都是tif

  3.9.常见文件格式：.dem

  • *.dem有两种格式
  • NSDTF：中国标准地球空间数据交换格式，属于格网数据交换格式
  • USGS：美国的，公开格式的DEM数据格式标准

  3.9.常见文件格式：.shp

  • Shapefile文件时ESRI公司ArcGIS平台的常用格式文件，是工业标准的矢量数据文件
  • 特性：
  • 1个Shape文件包括三个文件：主文件(.shp)，索引文件(.shx)，dBASE表(.dbf)
  • 一个shp文件只能存储点、线、面中的一种类型，不存在混合存在的状态
  • shp可以设置很多字段属性

  3.9.常见文件格式：.kml/.kmz

  • KML(Keyhold Markup Language，Keyhold标记语言)基于XML的标记语言
  • KMZ文件时压缩过的KML文件，不仅包含KML文件，也能包含与之关联的如图片、模型等其他文件

  3.9.常见文件格式：.dwg/.dxf

  • dwg文件：AutoCAD的图形文件格式，是二维或三维图形档案，可与dxf文件相互转化
  • dxf文件：AutoCAD与其他软件平台之间进行数据交换的一种开放的矢量数据格式

  3.9.常见文件格式：GeoJSON(.json)

  • 地理要素
  • Point
  • MultiPoint
  • LineString
  • MultiLineString
  • Polygon
  • MultiPolygon
  • GeometryCollection
  • 首先将这些要素封装到单个的geometry中，然后作为一个个的Feature(要素)，要素放到一个要素集合里构成

  3.9.常见文件格式：OSGB（倾斜摄影）

  • Open Scene Graph Binary是OSGB的全称，Binary是二进制的意思

  3.9.常见文件格式：.obj(人工建模)

  • 一个obj文件包含：
  • obj
  • mtl
  • 纹理图片

  3.10.数据生产到应用的举例

  • 无人机航拍
  • 采集过程
  • 采集结果
  • 处理软件
  • 成果类型

  3.11.GIS数据存储

  • 业务数据：MYSQL等普通数据库
  • 栅格数据：MongoDB
  • 矢量数据：PostGIS

  四、GIS服务

  4.1.GIS服务

  • 定义
  • 在网络环境下的一组与地理信息相关的软件功能实体，通过接口暴露封装的GIS功能
  • 常用的GIS服务：
  • ArcGIS Server发布的服务
  • OGC标准WMS、WMTS、WFS服务（常用GeoServer发布）
  • 静态资源数据服务（直接Web容器发布）
  • 互联网在线地图服务

  五、GIS应用开发

  5.1.开发框架分类

  • 专业商业GIS平台
  • ArcGIS、SuperMap、Skyline等
  • 在线图商的公众SDK
  • 百度、高德、谷歌、天地图、Mapbox等
  • 开源GIS平台
  • Openlayers、Leaflet、MapboxGL、Cesium等

  5.2.开源框架的选型使用

  • Leaflet（二维）
  • Cesium（三维）

  5.3.Leaflet二维地图开发框架

  • JavaScript语言开发
  • 适用于桌面端和移动端
  • 特点：
  • 轻量简单
  • 相关插件非常丰富

  5.4.Cesium三维地球开发框架

  • 基于WebGL技术，使用JavaScript语言开发
  • WebGL，是一项使用HTML5和JavaScript实现3D绘图的技术，浏览器无需插件支持
  • Web前端，计算机图形学，地理信息系统(GIS)的跨界SDK

  六、GIS的发展和未来

  6.1.GIS近期发展

  • 倾斜摄影测量
  • 定位技术发展（室内、高精度、小型化）
  • 空间信息扩展（地下、深海、深空）
  • 跨行业数据透视
  • 潜力无限的手机APP

  6.2.GIS的未来趋势

  • 云GIS平台
  • BIM+GIS+VR/AR跨界融合
  • 创建真实世界网络的“数字孪生”

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