作者：骆东奇
出版社：西南财经大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
“3S”与区域经济综合实训教程试读：
前言
3S是“3S”技术，即遥感技术（Remote Sensing：RS）、全球定位系统（Global Positioning System：GPS）和地理信息系统（Geographical Information System：GIS）的统称。“3S”技术是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术，是现代地球科学，以及数字地球最重要、最基本的组成部分和技术支撑；同时，也是产业布局、区域经济空间分析、产业集聚、现代社会持续发展、资源合理规划配置与利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段，也是空间研究、区域分析走向定量化的科学方法之一。社会经济与管理是一个复杂的大系统，涉及社会系统、经济系统、人口系统、资源系统等综合性问题，如何在复杂的系统中梳理出有价值的信息，找出解决问题的办法和路径，对经济管理类本科生来说是需要一种重要的综合能力、新技术运用能力。“3S”集聚了最新的信息技术，能够实现社会经济和自然要素的采集，特别是保证表征属性与其空间、区位一一对应，同时能进行大量的统计分析。“‘3S’与区域经济综合实训”是重庆工商大学新开设的一门面向经济管理各专业、跨学科跨专业综合实训课程，其中部分实训项目也是国家级精品课程“区域经济学”的实验实训内容，是重庆市教改项目“基于‘3S’技术的区域经济分析综合实训课程建设与实践”、“经济学研究生科学研究方法体系研究”部分研究成果。开设此课程，不仅可以实现经济管理类专业与地理科学技术、理论的融合，实现传统社会经济的计量分析定位化、管理空间化，真正实现各项指标、各项数据与空间对应，而且培养了学生地理信息技术运用能力，社会经济与管理定位、落地、宏观的思维。此外，“3S”信息技术应用在经济与管理实际工作中，有比较成熟的路径和技术，有不少的案例，有不同层次的重点研究内容。这些研究成果、研究方法和技术可以运用在实训教学中，能让学生在较短的时间里掌握一些基本理论知识和技术，通过案例演练，可以让学生结合不同专业和自身的兴趣，进行综合分析，解决本专业实际问题和理论问题。经过近三年建设，“3S”与区域经济综合实训已面向我校经济管理类专业的三届学生约20个班次开出。本教程正是通过在授课过程中不断积累经验，逐步修改完善而成。
本教程学校专门立项建设，学校经济管理实验教学指导委员会全程指导，课程组组织了经济贸易、旅游管理、物流、企业管理、土地管理等多专业教师进行论证，形成本书的基本框架。全书由骆东奇教授统稿，旅游与国土资源学院周启刚博士、莫申国博士、周心琴博士、罗光莲博士和经济管理实验教学中心赵伟博士、石永明实验师参与校内指导书的编撰，经过教学实践，骆东奇、赵伟、石永明对书稿又进行修改和补充，谢莹、陈月燕、黄文林、王丽轩等参与了前期的数据收集和整理工作。全书包括三个方面，入门、提高和应用篇，包含有11个实训项目。本书编写过程中，参考了众多文献、资料，在此谨向所有参考资料的作者表示衷心的感谢！本书由编委会委员邹璇教授主审并给予了许多宝贵的意见，在此表示诚挚的感谢！
限于编者的学识和经验，书中有遗漏、不当甚至错误之处，敬请专家和读者指正！编者2011年9月重庆入门篇实训项目一 认识“3S”技术和ArcView一、背景知识（一）地理信息系统（GIS）
地理信息系统（Geographical Information System，GIS），一般认为是指在计算机软、硬件系统支持下，对空间数据进行采集、操作、储存与管理、分析、输出的技术系统。简而言之，地理信息系统是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。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”或“资源与环境信息系统”，它是一种特定的十分重要的空间信息系统。
不同的部门从不同的应用目的出发，对GIS的认识略有不同。国外的许多学者对于GIS有着类似的理解，例如：DoE（1987）认为GIS是：“a system for capturing storing checking，manipulating analyzing and displaying data which are spatially referenced the Earth”。Aronoff（1989）认为GIS是“any manual or computer based set of procedures used to store and manipulate geographically referenced data”。Carter（1989）认为GIS是“an institutional entry，reflecting an organizational structure that integrates technology with a database，expertise and continuing，financial support over time”。国内也有许多类似的定义，如陈述彭等（1999）：地理信息系统是由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。
1. 地理信息系统的组成
完整的GIS由四个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。（1）计算机硬件系统
计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳。构成计算机硬件系统的基本组件包括：计算机主机、数据输入设备、数据储存设备、数据输出设备。（2）计算机软件系统
计算机软件系统是指计算机运行所必须的各种程序，主要由系统软件、基础软件和GIS软件组成，用于执行GIS功能的各项操作。表1-1 GIS软件系统的层次结构
在GIS软件系统的层次结构中（如表1-1），最下面两层软件与系统的硬件设备密切相关，故称为系统软件。GIS基本功能软件是由GIS软件商开发的，提供GIS基本功能和开发环境的商业软件。多数GIS工程应用首先是基于这个商业平台，经过二次开发来完成。目前，世界上主要的GIS软件生产者及产品有：①美国环境系统研究所（ESRI）——ArcInfo、ArcView、ArcGIS，早期的ArcGIS称为ArcInfo，主要运行在UNXI系统下，后来陆续移植到基于Windows NT（ArcInfo，ArcView 3.X）的平台上和基于DOS的平台上（PC ArcInfo，ArcView 3.X）。ArcGIS是ESRI在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他方面的计算机主流技术之后，成功推出的代表GIS最高技术水平的全系列产品。通过Arc GIS，用户可以实现许多从简单到复杂的GIS任务，包括制图、地理分析、数据编辑、数据管理、可视化和空间处理等。②Autodesk公司（AutoCAD Map），AutoCAD Map是一个灵活的开发平台，面向专业地图绘制、土地规划和技术设施管理应用。可以通过AutoCAD Map 3D平台，充分利用行业标准开发工具和技术来开发应用。它支持直接访问来自各类资源的CAD、GIS和光栅数据格式，无需数据拷贝和转换。③MapInfo公司（MapInfo），MapInfo是美国MapInfo公司的桌面地理信息系统软件，第一版本于1986年面市，是一种数据可视化、信息地图化的桌面解决方案。它依据地图及其应用的概念、采用办公自动化的操作、集成多种数据库数据、融合计算机地图方法、使用地理数据库技术、加入了地理信息系统分析功能，形成了极具实用价值的、可以为各行各业所用的大众化小型软件系统。MapInfo含义是“Mapping+Information（地图+信息）”即：地图对象+属性数据。④北京超图软件股份有限公司（SuperMap GIS），SuperMap GIS是北京超图软件股份有限公司开发的具有完全自主知识产权的大型地理信息系统软件平台，包括组件式GIS开发平台、服务式GIS开发平台、嵌入式GIS开发平台、桌面GIS平台、导航应用开发平台以及相关的空间数据生产、加工管理工具。⑤中地数码科技集团公司（MapGIS），系统采用面向服务的设计思想、多层体系结构，实现了面向空间实体及其关系的数据组织、高效海量空间数据的存储与索引、大尺度多维动态空间信息数据库、三维实体建模和分析，具有TB级空间数据处理能力、可以支持局域和广域网络环境下空间数据的分布式计算，支持分布式空间信息分发与共享、网络化空间信息服务，支持海量、分布式的国家空间基础设施建设。（3）地理空间数据
地理数据也称空间数据，是GIS的操作对象和管理内容。地理数据以地球表面空间位置为参照，描述各种自然和社会经济现象。它可以采用点、线、面等抽象方式，利用编码技术对空间对象进行特征描述，也可以采用栅格阵列来描述空间对象的位置及属性信息。地理数据可以是数字、文字、表格等，也可以是图形、图像等。（4）系统管理操作人员
GIS是一个动态的地理模型，是一个复杂的人机系统，所以需要专门的人员进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等工作。GIS人员既包括从事GIS开发的专业人员，也包括采用GIS完成日常工作的终端用户。
2. 地理信息系统的相关学科
地理信息系统是一门介于信息科学、空间科学、管理科学之间的一门新兴交叉学科，是传统科学与现代技术相结合的产物。GIS是现代科学技术发展和社会需求的产物。人口、资源、环境、灾害是影响人类生存与发展的四大基本问题。为了解决这些问题必须要自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合。于是，许多不同的学科，包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科，都在寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理和显示输出从自然界和人类社会获取的各式各样数据、信息的强有力工具，其归宿就是地理信息系统，或称空间信息系统、资源与环境信息系统。因此，GIS明显地具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的发展。
3. 地理信息系统的发展简史（1）地理信息系统的起步阶段（20世纪60年代）
起步阶段的地理信息系统仅注重空间数据的地学处理。1963年，加拿大测量学家R. T. Tomlinson首先提出GIS这一术语，建立加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划；1969年，环境系统研究所（ESRI）建立；1969年，Intergraph公司建立。（2）地理信息系统的发展阶段（20世纪70年代）
20世纪70年代空间地理信息的管理，受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视。计算机硬件和软件技术飞速发展，尤其是大容量存取设备——硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着使用方向迅速发展。1978年，ERDAS公司成立。（3）地理信息系统的推广应用阶段（20世纪80年代）
20世纪80年代是地理信息系统发展的重要时期，注重空间决策的支持分析，并将地理信息系统技术全面推向应用，国际合作日益加强。地理信息系统从比较简单的、单一功能的、分散的系统发展到多功能的、共享的综合性信息系统，并向智能化发展。
1981年，ESRI ARC/INFO GIS发布。
1985年，GPS成为可运行系统。
1986年，MapInfo建立。
1986年，SPOT卫星首次发射。
1987年，地理信息系统的国际杂志出版。
1988年，美国人口调查局第一次公开发布TIGER。
1988年，GIS World首次发行。
1989年，Intergraph发布MGE。（4）地理信息系统的用户时代
进入20世纪90年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，地理信息系统深入各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。而且，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题。
自20世纪90年代起，中国地理信息系统步入快速发展阶段，从初步发展时期的实训、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。同时地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。表1-2 3S的研究和应用
4. 地理信息系统的应用（1）用于全球环境变化动态监测①1987年联合国开始实施一项环境计划（UNEP），其中包括建立一个庞大的全球环境变化监测系统（GEMS）；②全球森林监测和森林生态变化有关项目（1990年对亚马逊地区原始森林的砍伐状况进行了调绘、1991年编制了全球热带雨林分布图）；③海岸线及海岸带资源与环境动态变化的监测；④全球性大气环流形势和海况预报等。（2）用于自然资源调查与管理①在资源调查中，提供区域多条件下的资源统计和数据快速再现，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据；②可应用于不同层次和不同领域的资源调查与管理（如农业资源、林业资源、渔业资源）。（3）用于监测、预测①借助于遥感（RS）和航测等数据，利用GIS对森林火灾、洪水灾情、环境污染等进行监视，例如，1998年长江流域发生特大洪水灾害期间，制作洪水淹没动态变化趋势影像图，为管理部门提供了有效的决策依据；②利用数字统计方法，通过定量分析进行预测。如加拿大金矿带的调查，分析不宜再开采的存在储量危机的矿山，优选出新的开采矿区，并作出了综合预测图。（4）用于城市、区域规划和地籍管理①GIS技术能进行多要素的分析和管理，可以实施城市和区域的多目标开发和规划，包括总体规划、建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置等；②城市和区域规划研究（研究城市地理信息系统的标准化、城市与区域动态扩展过程中的数据实时获取、城市空间结构的真三维显示、数字城市等）；③地籍管理（土地调查、登记、统计、评价和使用）。（5）军事应用
反映战场地理环境的空间结构，完成态势图标绘、选择进攻路线、合理配置兵力，选择最佳瞄准点和打击核心，分析爆炸等级、范围、破坏程度、射击诸元等。如海湾战争中，美国利用GIS模拟部队和车辆机动性、估算了化学武器扩散范围、模拟烟雾遮蔽战场的效果、提供水源探测所需点位、评定地形对武器性能的影响，为军事行动提供决策依据；美国陆军测绘工程中心还在工作站上建立了GIS和RS的集成系统，及时地（不超过4小时）将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上，数据直接送到前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时服务；科索沃战争中，利用“3S”高度集成技术，使打击目标更精准有效。（6）其他领域
随着信息化的加剧，GIS在信息革命的大浪潮中，日益彰显其巨大优势，应用范围日益扩大，渗透到各行各业。例如GIS在金融业、保险业、公共事业、社会治安、运输导航、考古、医疗救护等领域都得到了广泛的应用。所有的商业与经济活动都与空间信息密切相关，例如，在商务圈分析、投资环境评价、市场分析、物流模拟等方面，都要求对空间与属性信息进行综合分析。GIS在辅助决策、医疗公共卫生、交通领域、烟草领域、石油领域、警用、政府综合应急管理、人文历史研究等诸多方面都发挥着巨大作用。总之，地理信息系统愈来愈成为国民经济各有关领域不可缺少的应用工具。
5. 地理信息系统的发展趋势（1）多维化发展
地理信息系统（GIS）是一种空间信息系统，它的主要功能是对自然界和人类社会的各种空间和非空间的复杂现象进行处理、表示和分析。当前的GIS一般只能处理地球表面的信息，或者通过建立数字地面（高程）模型的方法来处理和表示地形的起伏，即所谓的2D和2.5DGIS技术。而在许多地学应用中，因为很多仿真三维的自然和人工现象需要处理、分析和表达，因此地学工作者们迫切希望把更加真实和交互的可视化技术引入自身领域，所以，3DGIS成为当今的研究热点。
可视化技术是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象、自然景观以及十分抽象的概念图形化，以便理解现象、发现规律和传播知识。它自十多年前产生以来，以其惊人的速度发展。可视化理论和技术应用于GIS开始于20世纪90年代初。对于GIS来说，空间信息可视化更重要的是一种空间认知行为，在提高空间数据的复杂过程分析的洞察能力、多维多时相数据和过程的显示等方面，将有效地改善和增强空间地理环境信息的传输能力，有助于理解、发现自然界存在的现象相关关系和启发形象思维的能力。当前的可视化技术已经远远超出了传统的符号化及视觉变量表示法的水平，进入了在动态、时空变化、多维的可交互的GIS条件下探索视觉效果和提高视觉功能的阶段。其重点是将那些难于设想和接近的环境与事物，以动态直观的方式表示出来。（2）网络化发展
地理信息系统的网络化也成为当今社会的一大发展趋势，如建库、数据传输、应用服务等均在网上进行。加之空间信息应用技术的开发，如智能化系统、空间决策支持系统、虚拟现实技术的开发与应用，使基础地理数据的应用深入到各行各业乃至家庭、社会的各个角落。（3）趋于综合性发展
GIS、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）集成技术的发展在世界各国引起了普遍重视。RS主要侧重于信息获取和动态监测，GIS主要是空间信息的管理、分析，GPS是空间定位、导航。GIS的综合性发展趋势还体现在与OA、Internet、多媒体、虚拟现实等技术的集成。（4）开放式GIS
GIS数据共享和交互式操作促进GIS社会化发展。开放式GIS协会（OGC）打破了当前GIS业各地区、各单位、各企业各自为营的局面，促进了GIS社会化发展。（5）产业化发展
GIS产业对象主要包括：硬件、软件、数据采集与数据转换、电子数据、遥感信息获取与处理、系统开发与集成、咨询与技术服务。（6）组件式发展
面向对象的技术开发组件式GIS是GIS软件发展的必然趋势，GIS软件的可配置性、可扩展性和开放性将更强，进行二次开发将更方便。（二）全球定位系统（GPS）
1. 概述
GPS是英文global positioning system（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过二十余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星已布设完成。
GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），于1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位导航方面显示出在的巨大优越性及子午仪系统在潜艇和舰船导航方面存在的巨大缺陷，美国海陆空三军及民用部门都迫切感到需要一种新的卫星导航系统。
2. GPS导航系统的基本原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到由于大气电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用二进制码元1和0组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率1.023兆赫，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300米；P码频率10.23兆赫，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30米。而Y码是在P码的基础上形成，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息，它是从卫星信号中解调制出来的，以50波特/秒调制在载频上发射。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6秒。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15 000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。
GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
GPS接收机可接收到纳秒级的时间信息，用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化），以及GPS系统信息，如卫星状况等。
GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于得到的距离含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。
GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其他技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机时钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。
按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。
在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。
3. GPS定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。
4. 设备组成（1）空间部分
GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它们位于距地表20 200千米的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。卫星的分布使得全球任何地方、在任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。（2）地面控制系统
地面控制系统由监测站（Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。（3）用户设备部分
用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换机外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。（三）遥感系统（RS）
1. 遥感概述
遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线对目标进行探测和识别的技术，例如航空摄影就是一种遥感技术。人造地球卫星发射成功，大大推动了遥感技术的发展。现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节，完成上述功能的全套系统称为遥感系统，其核心组成部分是获取信息的遥感器。遥感器的种类很多，主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成像光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。传输设备用于将遥感信息从远距离平台（如卫星）传回地面站。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。
遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。它是20世纪60年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐形成的综合性感测技术。任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特征。航空航天遥感就是利用安装在飞行器上的遥感器感测地物目标的电磁辐射特征，并将特征记录下来，供识别和判断。把遥感器放在高空气球、飞机等航空器上进行遥感，称为航空遥感。把遥感器装在航天器上进行遥感，称为航天遥感。完成遥感任务的整套仪器设备称为遥感系统。航空和航天遥感能从不同高度、大范围、快速和多谱段地进行感测，获取大量信息。航天遥感还能周期性地得到实时地物信息。因此航空和航天遥感技术在国民经济和军事的很多方面获得了广泛的应用，例如应用于气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等。
2. 基本原理
任何物体都具有光谱特性，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理，对物体作出判断。遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性；红光段探测植物生长、变化及水污染等；红外光段探测土地、矿产及资源。此外，还有微波段，用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。
3. 遥感系统组成
由遥感器、遥感平台、信息传输设备、接收装置以及图像处理设备等组成。遥感器装在遥感平台上，它是遥感系统的重要设备，它可以是照相机、多光谱扫描仪、微波辐射计或合成孔径雷达等。信息传输设备是飞行器和地面间传递信息的工具。图像处理设备对地面接收到的遥感图像信息进行处理（几何校正、滤波等）以获取反映地物性质和状态的信息。图像处理设备可分为模拟图像处理设备和数字图像处理设备两类，现代常用的是后一类。判读和成图设备是把经过处理的图像信息提供给判释人员直接判释，或进一步用光学仪器或计算机进行分析，找出特征，与典型地物特征进行比较，以识别目标。地面目标特征测试设备测试典型地物的波谱特征，为判释目标提供依据。
4. 遥感系统应用
遥感技术广泛用于军事侦察、导弹预警、军事测绘、海洋监视和气象观测等。在民用方面，遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研制、地震监测等方面。遥感技术总的发展趋势是：提高遥感器的分辨率和综合利用信息的能力，研制先进遥感器、信息传输和处理设备以实现遥感系统全天候工作和实时获取信息，增强遥感系统的抗干扰能力。遥感按常用的电磁谱段不同分为可见光遥感、红外遥感、多谱段遥感、紫外遥感和微波遥感。二、实训目的和任务
通过本实训，熟悉GIS软件ArcView的基本功能，了解矢量数据和栅格数据，懂得ArcView的简单操作。三、实训内容
熟悉操作界面的ArcView、空间要素和属性要素的简单查询。四、实训要求
实训分组；在教师带领下学习实训前准备知识；根据实训指导书和教师的讲解，了解3S技术的内涵，通过实训丰富对GIS基础知识的了解。五、实训步骤
ArcView是世界上使用最为广泛的GIS桌面软件，因为它给用户提供了一个容易使用地理数据的方法。利用其大量的符号和强大的地图功能，用户能够方便地创建高质量地图。ArcView使得数据的管理和编辑更简单，任何人都可胜任。实际上，任何地理数据都可以在ArcView兼容格式下使用。由于可以从任何地方整合数据，为了让数据在本地或网络上可以使用，数据投影应及时设定。
ArcView通过在逻辑工作流中设置可视化的任务模型来简化复杂的分析和数据管理任务。非技术性用户也可容易地操作ArcView，经验丰富的用户可利用复杂的工具进行高级的地图设计、数据整合及空间分析。程序开发者可利用行业编程语言定制ArcView。ArcView是一款独特的、独立的GIS桌面软件，也是ArcGIS桌面软件核心产品之一。（一）ArcView GIS产品简介
ArcView GIS是美国环境系统研究所公司（Environment System Research Institute Inc.，ESRI）开发的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）系列软件中的一种。该软件的主要功能有：（1）地图显示。以点、线、面、栅格为地理要素，用不同的符号显示地图，根据要素的属性，分类表达。不同的专题信息可以一层层地组合在一起，地图可以任意放大、缩小、平移，还可用圆饼图、直方图表达多重属性在空间上的分布，可将属性以文字方式注记到地图上。（2）属性表查询。对表状数据的属性进行选择、查找、排序、统计汇总等操作，建立表与表的连接，以趋势线、直方图、圆饼图等形式表达属性数据的查询结果。（3）空间查询。在地图上选择地理要素，同时显示其对应的属性，也可在表中选择记录，在图上显示对应的地理要素。除上述最基本的图文互访功能外，还可做一些比较复杂的空间查询，如：
邻近查询。在某些点状、线状、面状设施的一定服务半径内，有哪些地理要素。
包含查询。在指定的多边形边界内，有哪些地理要素。
相交查询。某些线状、面状的地理要素在空间上和哪些其他要素相交。
最近距离查询。为某些地理要素找出离它（们）最近的另一类地理要素。（4）打印输出。将上述空间查询、属性查询而得到的地图、表格、统计图组合起来，打印输出。（5）数据输入与编辑。可按ArcView专用的空间数据格式（Shapefile）输入、编辑地图，也可对标准的表状数据（DBF文件）进行编辑，可将ARC/INFO、MapInfo、AutoCAD的空间或图形数据转换成Shape文件。（6）空间分析。ArcView有若干扩展模块：如栅格分析用的Spatial Analyst，网络分析用的Network Analyst，三维地形生成、显示用的3D Analyst等等。（7）进行二次开发。ArcView 3.x内含面向对象的编程语言Avenue供用户进行二次开发。8.x版本的内部编程语言改为VBA（Visual Basic for Application），还可以用符合Microsoft开放式标准的其他语言。
目前，ArcView GIS的主要版本是3.x，8.x，9.x，三者的功能相似，8.x和3.x在操作界面上有明显差异，前者的功能比后者详细、复杂，9.x在8.x基础上又有改进（目前尚无网络分析扩展模块），本教程的所有练习均针对3.x版本，书中出现的显示窗口为Microsoft Windows 2000（简体中文）。（二）ArcView的操作界面
1. 打开Project
在Windows中，用鼠标选择（因软件安装的差异，具体路径会有一定差异）：开始/程序/Esri/ArcView GIS Version 3.x/ArcView GIS 3.x首先出现的可能是ArcView的欢迎对话框“Welcome to ArcView GIS”。用户可有三种选择：（1）with a new view（建立一个新的地图显示窗口）；（2）as a blank project（进入一个空的项目）；（3）Open an existing project（打开并进入一个已有的项目）。
对用户还有一项提示：
√ Show this window when ArcView GIS starts
如果取消前面的打钩号，表示取消欢迎对话框，以后就不会再出现。对上述菜单，初学者可以选（2）：as a blank project（进入一个空的项目），这时就进入项目窗口（Project Window，见图1-1），系统默认的项目名称为Untitled。图1-1 Project Window（项目窗口）
在File菜单中选择Open Project（打开一个Project），根据对话框的提示，在\gis_ex\student\子目录下（本书假定练习数据的实际安装路径为d:\gis_ex）选择ex01.apr，点击OK按钮，如果默认的项目Untitled未关闭，系统会提示是否要保存项目（Project）Untitled，应回答No，以ex01命名的Project文件就会被打开，用鼠标单击Views，则在Project Window（项目窗口）中出现名为View1，View2两个视图的名字，用鼠标选择View1，再点击Open按钮则进入视图View1，即Views Document（地图显示、空间查询子系统，见图1-2）。
2. Views子系统的操作界面
ArcView 5种Document的窗口界面风格一致，都由菜单条（Menu Bar）、按钮条（Button Bar）、工具条（Tool Bar）组成，用鼠标（Mouse）来驱动。以图1-2为例，第一行为菜单条，用鼠标点一下菜单条中的任一选项，就会出现一个下拉式的子菜单，供用户进一步选择。第二行为按钮条，用鼠标点一下任何一个按钮图标（Icon），ArcView就立刻执行一个动作。第三行为工具条，用鼠标点工具条中的任何一个工具图标（Icon），ArcView就进入某种特定的等待状态，或出现一个对话框，等待用户进一步操作。用户将鼠标移到按钮条或工具条的图标上，屏幕会出现该图标的名称和简要提示。图1-2 进入View1
Views Document（视图子系统）的窗口就是View Window，右侧是地图窗口，左侧是目录窗口（Table of Contents），在目录窗口中有每个Theme（专题）的名称，要素的表达符号及其说明，名称、符号、说明这三项加起来称为图例（Legend）。本视图有三个专题图例：①点状专题“中学”，②线状专题“道路”，③面状专题“土地使用”。
3. 专题显示控制
每个专题名称的左边有一个小方格（Check Box），用鼠标点一下Check Box，可使一个打钩号“√”出现或消失，这表示该专题处于打开显示状态、还是关闭隐藏状态。目录表中专题名称的上下排列代表了图形显示的先后顺序。各专题的显示次序按它们在目录表中的上下次序决定，排在下面的专题先显示，排在上面的专题后显示，如果用鼠标将专题“土地使用”拖动到“道路”的上方，松开鼠标，用户会发现，线状的道路设施大部分看不见了，这是因为面状人口多边形的填充色盖住了线状的道路线条。因此，在多数情况下，应将点状专题放在最上，线状专题其次，面状专题放在最下。
4. 地图缩放、平移
选择图形放大工具——Zoom In（样子像一个放大镜），在地图上点击一下，地图按默认的系数放大。选择Zoom In工具后，将鼠标放在地图上的某个位置按住左键不放，拖动后出现一个矩形，再松开左键（见图1-3），则刚才所定义的矩形将充满地图窗口。缩小工具Zoom Out和放大工具的使用方法一样，得到的效果相反。选择平移工具（Pan），用鼠标左键按住地图窗口中的某一点，可以向任意方向拖动地图，松开左键后，地图将重新显示平移后的效果。图1-3 Zoom In的拖动窗口
比较常用的图形缩放按钮有：Zoom to All Extent。专题中所有的要素充满地图窗口。Zoom to Active Theme。将当前激活的专题按要素充满地图窗口。Zoom to Selected Features。将被选中的要素充满地图窗口。
什么是要素，什么是被激活的专题，将在下文介绍。选用菜单File/Close View，当前的视图被关闭，返回到项目窗口（Project Window）。（三）简单查询
1. 单个要素、记录查询
在项目窗口中打开视图View2，该视图有两个专题：线状专题“道路”和面状专题“乡镇（人口密度）”。用鼠标在目录表中单击专题名称“道路”，该图例看上去呈突出状，表示该专题被激活（Active Theme），选择属性查询工具（Identify）到某条A类道路（深色）上点击鼠标，即出现该段道路的属性记录（见图1-4）。激活专题“乡镇（人口密度）”，再用属性查询工具点击任一多边形，即出现该乡镇的属性记录（见图1-5）。图1-4 View2窗口中显示的道路属性图1-5 View2窗口中显示的乡镇属性
2. 点击记录查询
激活专题“乡镇（人口密度）”，点击按钮（Open Theme Table），被激活专题的属性表“Attribute of乡镇（人口密度）”被打开，用户界面变成Table窗口（即进入了Tables子系统）。如果Table窗口充满屏幕，可用Windows的工具，使其缩小（见图1-6）。图1-6 Table窗口和View同时显示
在Tables窗口中选择工具（Select），在表中点击记录，被选中的记录，颜色改变，同时观察专题地图窗口，记录所对应的多边形也改变了颜色（见图1-7），如果被选择的多边形在地图窗口之外，可在View窗口中点击按钮（Zoom to Selected Features），被选中的多边形（要素）就会充满地图窗口。记录、要素被选择，同时改变颜色，表示他们在逻辑上存在对应关系。图1-7 Table中有一条记录被选中
3. 选择要素、查询记录
从表的记录查多边形（要素）的方法也可以在View窗口中使用，其效果就是反过来，在专题图上选择要素同时也查到了记录。在View窗口中选用要素选择工具（Select Feature），在地图窗口中单击被激活专题的要素，多边形和属性表中的记录也会同时改变颜色。如果View窗口太大挡住了Table窗口，可选用菜单Window/Attribute of乡镇（人口密度），专题属性表的窗口弹出，也可在Table窗口中选用菜单Window/View2，则View2窗口弹出。缩小View窗口、Table窗口，使两个窗口同时显示在屏幕上，可以更灵活地来回切换。（四）若干专用术语（1）Feature。Feature可解释成“要素”，是空间数据最基本的、不可分割的单位，有点、线、面三种，可以根据应用的需要，用点状符号、线型、面状填充图案表达。每一个Feature可有自己的属性，属性数据存放在表（Table）的记录（Record）里。（2）Theme。Theme可解释成“专题”，是空间数据的图形表示。每一个Theme（专题）都是由同一类型的Feature（要素）组成的，如点状专题中都是点要素，线状专题中都是线要素，面状专题中都是面要素。一个专题一般和一个表（Table）相对应，可称专题要素属性表，Theme中的每个要素（Feature）则和要素属性表中的某条记录在逻辑上对应。（3）View。View可解释成“视图”，它将多种空间数据汇集起来，用专题地图的形式表达，用户感觉到的View往往是由许多“层”叠起来的，这种层就是Theme（专题）。View中的左侧是专题目录表，其中有每个Theme的名称、图例、说明和当前显示状态。（4）Table。Table可解释成“表”、“属性表”。表由若干列和若干行组成，每列代表一种属性，称字段（Field，属性项），字段有自己的名称，每一行代表一条记录（Record），在行和列的交叉处是属性单元（Cell，也可称元素）。一般情况下，表中的每一条记录和Theme中的一个空间要素（Feature）相对应。但也可存在和专题的要素不直接对应、相对独立的表，在需要的时候和要素的属性表建立起连接，实现对专题属性表的扩展。（5）Data Source。Data Source可解释成“数据源”，不经转换而直接被ArcView使用的数据均可称数据源。数据源中的空间数据决定了每一个Feature的空间位置以及它和表中记录的对应关系。Table和Theme是从数据源中取得数据后，用表格、专题地图的形式表达（可以是子集也可以是全集）。栅格图像、CAD图形产生的要素属性表是特殊的。（6）Project。Project可解释成“项目”，是ArcView的应用单元，将一个应用单元的有关信息存放在一个以“.apr”为后缀的文件里（Project文件），每个Project都有5种Document（文档），这5种Document可理解成ArcView的5个子系统：Views：地图显示、空间查询子系统。Tables：属性查询，表状数据管理子系统。Charts：属性查询结果的统计图表达子系统。Layouts：制图布局，打印输出子系统。Scripts：编程语言（Avenue）运行、维护、开发子系统。（五）ArcView的退出、进入
1. 退出ArcView
按Windows操作系统常规，在不同窗口的菜单File中依次关闭View，Table，Project。选File/Exit，返回到Windows操作系统，在关闭Project时，ArcView会提示是否要保存对Project做过的改动，为了本次练习完成后，不影响他人的练习，应选No回答。
2. ArcView的再次启动
按Windows的常规，有三种启动途径：（1）从Windows的“开始/程序/…”菜单中启动。（2）直接进入项目文件。根据项目文件的存储路径，在Windows的资源管理窗口中，用鼠标双击项目文件名，如进入本章练习的项目窗口可直接启动\gis_ex\student\ex01.apr。（3）在Windows的桌面窗口中设置ArcView的图标或项目文件的图标，在桌面上直接启动ArcView或项目文件。（六）ArcView使用的数据
ArcView的主要处理数据有矢量型空间数据、关系型（表状）属性数据、栅格型空间数据、不规则三角网数据，本章定义为Data Source。ArcView可直接使用的Data Source主要有：（1）Shape File。Shape文件是矢量图形，除了查询，还可用ArcView编辑，也可和很多数据格式相互转换。Shape文件没有拓扑关系，内部结构简单，显示速度较快。（2）ARC/INFO，PC ARC/INFO的Coverage。其点、线、面、组合面（Region）结点、注记等要素及其属性均可直接使用，但不能用ArcView编辑。加载Coverage时，所显示的图标符号是立体状的，需进一步打开选择，和Shape File不同。（3）表状属性数据。ArcView默认的表状数据是DBF文件和INFO数据库的Table（表）。也可通过要素属性表（DBF文件，INFO表）和典型的关系型数据库连接（如Access，Oracle，SQL Server等）。（4）ARC/INFO的栅格（格网）数据Grid可用扩展模块Spatial Analyst进行分析。（5）ARC/INFO的不规则三角网（TIN）。上述五种数据是ArcView用得最多、最频繁，也是本书练习主要使用的数据类型。（6）ESRI的GeoDatabase数据（服务器端有ArcSDE）可用ArcView 3.x通过计算机网络查询、显示。（7）AutoCAD的图形数据（DWG、DXF文件）Intergraph/Microstation的图形数据（DGN文件）均可直接显示。（8）常用的扫描、图像数据，可作为背景图、示意图显示。（9）AutoCAD的图形交换DXF文件，MapInfo的数据交换文件（MIF/MID）可以转换成Shape文件使用。（七）小结
实训项目一主要介绍了ArcView GIS的基本操作、基础概念，该产品的专用术语，使用的主要数据，初学者第一次接触时会感到内容较多，经过后续的练习，再阅读本项目知识，就会很快熟悉。通过本项目的练习，读者应掌握的内容如下：（1）点、线、面（多边形）是最常用的空间要素，点状要素没有大小（虽然显示时符号有大小），线状要素没有宽度（虽然显示时线型有宽度），面状要素由线围合而成（虽然显示时用颜色填充）。（2）专题地图是表达空间事物的基本途径。专题地图的一般控制方法有：打开、关闭、放大、缩小、平移、相互调整先后次序、使被选择的要素充满窗口。（3）要素和属性的简单查询：单击要素查询属性、选择记录查询要素、选择要素查询记录。（4）要素和记录之间在逻辑上有对应关系（见图1-8），要素或记录一旦被选择，显示颜色的变化是同步的。图1-8 点、线、面三种空间要素和属性记录之间的逻辑关系示意（5）ArcView的操作主要靠菜单、按钮、工具三种方式。（6）专题地图的显示、操作窗口称Views Document或View窗口，属性表的显示、操作窗口称Tables Document或Table窗口。（7）进入、退出ArcView，不同子系统之间切换，通过项目窗口（Project Window）实现。（8）栅格（Grid）和不规则三角网（TIN）的使用将在后面练习。本书假定练习数据和程序的安装路径为C:\gis_ex，在实际练习时应按真实的安装路径进行操作。六、注意事项
注意APR类型文件和THEME文件（.shp文件、.cov文件等）的打开方式的区别。七、实训预习与准备要求
请同学们课前参考3S相关书籍或网站，初步了解3S技术和ArcView软件。八、思考题
什么是地理信息系统，它与一般的计算机应用系统有哪些异同点？实训项目二 理解地图投影和坐标一、背景知识（一）地球空间基准
1. 地球的形状
地球是一个两极略扁的不规则椭球体。地球自西向东自转，同时又围绕太阳公转。地球自转与公转运动的结合使其产生了地球上的昼夜交替和四季变化（地球自转和公转的速度是不均匀的）。同时，由于受到太阳、月球、附近行星的引力作用以及地球大气、海洋和地球内部物质等各种因素的影响，地球自转轴在空间和地球本体内的方向都要产生变化。地球自转产生的惯性离心力使得球形的地球由两极向赤道逐渐膨胀，成为目前略扁的旋转椭球体，极半径比赤道半径短约21千米。地球表面的总面积达510 083 024平方千米，其中大部分是海洋，海洋面积约占地球表面积的71%，而陆地面积约占表面积的29%。
2. 地球的大小24
卡文迪许认为地球的质量约为5.96x10千克，地球的赤道半径r=6 378 137米≈6378千米，极半径r=6 356 752米≈6357千米，扁率abf=1/298.257，忽略地球非球形对称，平均半径r=6371千米。在赤道某海平面处重力加速度的值g=9.780m/s，在北极某海平面处的重力a加速度的值g=9.832m/s，全球通用的重力加速度标准值g=9.807m/s，b地球自转周期为23小时56分4秒（恒星日），即T=8.616x10s。
中国在1952年以前采用海福特（Hayford）椭球体，1953—1980年采用克拉索夫斯基椭球体。随着人造地球卫星的发射，测算地球形体有了更精密的条件。1975年第十六届国际大地测量及地球物理联合会上通过国际大地测量协会第一号决议中公布的地球椭球体，称为GRS（1975），中国自1980年开始采用GRS（1975）新参考椭球体系。由于地球椭球长半径与短半径的差值很小，所以当制作小比例尺地图时，往往把它当做球体看待，这个球体的半径为6371千米。国务院批准自2008年7月1日启用我国的地心坐标系——2000国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数的数值为：
长半轴a=6 378 137米
扁率f=1/298.257 222 1013-2
地心引力常数：GM=3.986 004 418x1014m·s-1
自转角速度ω=7.292 115x10-5rad·s表2-1 地球物理特征表2-2 世界各国常用的地球椭球体的数据（二）地球坐标系
1. 地理坐标系
地理坐标系，也可称为真实世界的坐标系，是用于确定地物在地球上位置的坐标系。一个特定的地理坐标系是由一个特定的椭球体和一种特定的地图投影构成，最常用的地理坐标系是经纬度坐标系。按坐标系基本线和基本面的不同地理坐标可分为天文地理坐标和大地地理坐标。
2. 高斯平面直角坐标系
高斯平面直角坐标系是通过高斯投影，将中央子午线的投影作为纵坐标轴，用x表示，将赤道的投影作横坐标轴，用y表示，两轴的交点作为坐标原点，由此构成的平面直角坐标系称为高斯平面直角坐标系，每一个投影带都有一个独立的高斯平面直角坐标系，区分各带坐标系则利用相应投影带的带号。在每一个投影带内，y坐标值都有正有负，这对于计算和使用都不方便，为了使y坐标都为正值，故将纵坐标轴向西平移500㎞，并在y坐标前加上投影带的带号。
3. 平面直角坐标系
画两条互相垂直，并且有公共原点的数轴，简称直角坐标系。平面直角坐标系有两个坐标轴，其中横轴为X轴（x-axis），取向右方向为正方向；纵轴为Y（y-axis）轴，取向上为正方向。坐标系所在平面叫做坐标平面，两坐标轴的公共原点叫做平面直角坐标系的原点。X轴和Y轴把坐标平面分成四个象限，右上面的叫做第一象限，其他三个部分按逆时针方向依次叫做第二象限、第三象限和第四象限。象限以数轴为界，横轴、纵轴上的点及原点不属于任何象限。一般情况下，X轴和Y轴取相同的单位长度。
4. 地心空间直角坐标系
地心空间直角坐标系定义为原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。（三）我国常用的坐标系
1. 北京54坐标系
北京54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。
新中国成立以后，我国采用了苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可以认为是苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在苏联的普尔科沃。它是将我国一等锁与苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。
因此，北京54坐标系可归结为：（1）属参心大地坐标系；（2）采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；（3）大地原点在苏联的普尔科沃；（4）采用多点定位法进行椭球定位；（5）高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面；（6）高程异常以苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而得。
2. 1980西安坐标系
1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用的地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60千米，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952—1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。
西安80坐标系是为了进行全国天文大地网整体平差而建立。根据椭球定位的基本原理，在建立西安80坐标系时有以下先决条件：
①原点在我国中部，具体地点是陕西省径阳县永乐镇；
②西安80坐标系是参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度0方向；Y轴与Z、X轴成右手坐标系；
③参数采用IUG 1975年大会推荐的参数，因而可得西安80坐标系椭球两个最常用的几何参数为：长半轴a=6 378 140±5米短半轴b=6 356 755.2882米扁率f=1/298.257第一偏心率平方=0.006 694 384 999 59第二偏心率平方=0.006 739 501 819 47
④椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小为原则求解参数；
⑤高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。
3. WGS-84坐标系
WGS-84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向，X轴指向（BIH）1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。公式参数：长半径：a=6 378 137±2米；3-23-2地球引力和地球质量的乘积：GM=3 986 005x108ms±0.6x108m·s；-6-9正常化二阶带谐系数：C20=-484.166 85x10±1.3x10；-8地球重力场二阶带球谐系数：J2=108 263x10；-11-1-11-1地球自转角速度：ω=7 292 115x10rads±0.150x10rad·s（四）地图投影
1. 地图投影分类（1）按变形性质分类。地图投影按变形性质可以分为三类：等角投影、等积投影和任意投影。①等角投影。定义为任何点上二微分线段组成的角度投影前后保持不变，亦即投影前后对应的微分面积保持图形相似，故可称为正形投影。投影面上某点的任意两方向线夹角与椭球面上相应两线段夹角相等，即角度变形为零。等角投影在一点上任意方向的长度比都相等，但在不同地点长度比不同，即不同地点上的变形椭圆大小不同。②等积投影。定义为某一微分面积投影前后保持相等，亦即其面积比为1，即在投影平面上任意一块面积与椭球面上相应的面积相等，即面积变形等于零。③任意投影。在任意投影上，长度、面积和角度都有变形，它既不等角又不等积。但是在任意投影中，有一种比较常见的等距投影，定义为沿某一特定方向的距离，投影前后保持不变，即沿着该特定方向长度比为1。在这种投影图上并不是不存在长度变形，它只是在特定方向上没有长度变形。等距投影的面积变形小于等角投影，角度变形小于等积投影。任意投影多用于要求面积变形不大、角度变形也不大的地图，如一般参考用图和教学地图。经过投影后地图上所产生的长度变形、面积变形和角度变形，是相互联系相互影响的。它们之间的关系是：在等积投影上不能保持等角特性，在等角投影上不能保持等积特性；在任意投影上不能保持等角和等积的特性；等积投影的形状变形比较大，等角投影的面积变形比较大。（2）按构成方法分类。地图投影最初建立在透视的几何原理上，它是把椭球面直接透视到平面上，或透视到可展开的曲面上，如圆柱面和圆锥面。圆柱面和圆锥面虽然不是平面，但可以展为平面。这样就得到具有几何意义的方位、圆柱和圆锥投影。随着科学的发展，为了使地图上变形尽量减小，或者为了使地图满足某些特定要求，地图投影就逐渐跳出了原来借助于几何面构成投影的框子，而产生了一系列按照数学条件构成的投影。因此，按照构成方法，可以把地图投影分为两大类：几何投影和非几何投影。
①几何投影。几何投影是把椭球面上的经纬线网投影到几何面上，然后将几何面展为平面而得到。根据几何面的形状，可以进一步分为下述几类（如表2-3）：
方位投影。以平面作为投影面，使平面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到平面上而成。
圆柱投影。以圆柱面作为投影面，使圆柱面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到圆柱面上，然后将圆柱面展为平面而成。
圆锥投影。以圆锥面作为投影面，使圆锥面与球面相切或相割，将球面上的经纬线投影到圆锥面上，然后将圆锥面展为平面而成。这里，我们可将方位投影看作圆锥投影的一种特殊情况，假设当圆锥顶角扩大到180°时，这圆锥面就成为一个平面，再将地球椭球体上的经纬线投影到此平面上。圆柱投影，从几何定义上讲，也是圆锥投影的一个特殊情况，设想圆锥顶点延伸到无穷远时，即成为一个圆柱。表2-3 不同角度的地球投影
②非几何投影。不借助几何面，根据某些条件用数学解析方法确定球面与平面之间点与点的函数关系，在这类投影中，一般按经伟形状又分为伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影和多圆锥投影。（3）按照投影面积与地球相割或相切分类。①割投影。以平面、圆柱面或圆锥面作为投影面，使投影面与球面相割，将球面上的经纬线投影到平面上、圆柱面上或圆锥面上，然后将该投影面展为平面而成。②切投影。以平面、圆柱面或圆锥面作为投影面，使投影面与球面相切，将球面上的经纬线投影到平面上、圆柱面上或圆锥面上，然后将该投影面展为平面而成。
2. 地图投影变形（1）变形的种类。地图投影的方法很多，用不同的投影方法得到的经纬线网形式不同。用地图投影的方法将球面展为平面，虽然可以保持图形的完整和连续，但它们与球面上的经纬线网形状并不完全相似。这表明投影之后，地图上的经纬线网发生了变形，因而根据地理坐标展绘在地图上的各种地面事物，也必然随之发生变形。这种变形使地面事物的几何特性（长度、方向、面积）受到破坏。把地图上的经纬线网与地球仪上的经纬线网进行比较，可以发现变形表现在长度、面积和角度三个方面，分别用长度比、面积比的变化显示投影中长度变形和面积变形。如果长度变形或面积变形为零，则没有长度变形或没有面积变形。角度变形即某一角度投影后角值与它在地球表面上固有角值之差。①长度变形。地图上的经纬线长度与地球仪上的经纬线长度特点并不完全相同，地图上的经纬线长度并非都是按照同一比例缩小，这表明地图上具有长度变形。在地球仪上经纬线的长度具有下列特点：第一，纬线长度不等，其中赤道最长，纬度越高，纬线越短，极地的纬线长度为零；第二，在同一条纬线上，经差相同的纬线弧长相等；第三，所有的经线长度都相等。长度变形的情况因投影而异。在同一投影上，长度变形不仅随地点而改变，在同一点上还因方向不同而不同。②面积变形。由于地图上经纬线网格面积与地球仪经纬线网格面积的特点不同，在地图上经纬线网格面积不是按照同一比例缩小，这表明地图上具有面积变形。在地球仪上经纬线网格的面积具有下列特点：第一，在同一纬度带内，经差相同的网络面积相等。第二，在同一经度带内，纬线越高，网络面积越小。然而地图上却并非完全如此。同一纬度带内，纬差相等的网格面积相等，这些面积不是按照同一比例缩小。纬度越高，面积比例越大。同一纬度带内，经差相同的网格面积不等，这表明面积比例随经度的变化而变化。由于地图上经纬线网格面积与地球仪上经纬线网格面积的特点不同，在地图上经纬线网格面积不是按照同一比例缩小，这表明地图上具有面积变形。面积变形的情况因投影而异。在同一投影上，面积变形因地点的不同而不同。③角度变形。角度变形是指地图上两条所夹的角度不等于球面上相应的角度，只有中央经线和各纬线相交成直角，其余的经线和纬线均不呈直角相交，而在地球仪上经线和纬线处处都呈直角相交，这表明地图上有了角度变形。角度变形的情况因投影而异。在同一投影图上，角度变形因地点而变。
地图投影的变形随地点的改变而改变，因此在一幅地图上，就很难笼统地说它有什么变形，变形有多大。（2）变形椭圆。变形椭圆是显示变形的几何图形，实地上同样大小的经纬线在投影面上变成形状和大小都不相同的图形。实际中每种投影的变形各不相同，通过考察地球表面上一个微小的圆形（称为微分圆）在投影中的表象——变形椭圆的形状和大小，就可以反映出投影中变形的差异如图2-1。图2-1 变形椭圆
3. 地图投影的选择
地图投影选择得是否恰当，直接影响地图的精度和使用价值。这里所讲的地图投影选择，主要指中、小比例尺地图，不包括国家基本比例尺地形图。因为国家基本比例尺地形图的投影、分幅等是由国家测绘主管部门研究制订，不容许任意改变，另外编制小区域大比例尺地图，无论采用什么投影，变形都是很小。
选择制图投影时，主要要考虑以下因素：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等，其中制图区域的范围、形状和地理位置是主要因素。
对于世界地图，常用的投影主要是正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影。在世界地图中常用墨卡托投影绘制世界航线图、世界交通图与世界时区图；我国出版的世界地图多采用等差分纬线多圆锥投影，选用这个投影，对于表现中国形状以及与四邻的对比关系较好，但投影的边缘地区变形较大。
对于半球地图，东、西半球图常选用横轴方位投影；南、北半球图常选用正轴方位投影；水、陆半球图一般选用斜轴方位投影。对于其他的中、小范围的投影选择，需考虑到它的轮廓形状和地理位置，最好是使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致，以便减少图上变形。因此，圆形地区一般适于采用方位投影，在两极附近则采用正轴方位投影，以赤道为中心的地区采用横轴方位投影，在中纬度地区采用斜轴方位投影。在东西延伸的中纬度地区，一般多采用正轴圆锥投影，如中国与美国。在赤道两侧东西延伸的地区，则宜采用正轴圆柱投影，如印度尼西亚。在南北方向延伸的地区，一般采用横轴圆柱投影和多圆锥投影，如智利与阿根廷。
4. 常用地图投影（1）高斯—克吕格投影。由于这个投影是由德国数学家、物理学家、天文学家高斯于19世纪20年代拟定，后经德国大地测量学家克吕格于1912年对投影公式加以补充，故称为高斯—克吕格投影（图2-2）。
高斯—克吕格投影的中央经线和赤道为互相垂直的直线，其他经线均为凹向并对称于中央经线的曲线，其他纬线均为以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交。在这个投影上，角度没有变形。中央经线长度比等于1，没有长度变形，其余经线长度比均大于1，长度变形为正，距中央经线愈远变形愈大，最大变形在边缘经线与赤道的交点上；面积变形也是距中央经线愈远，变形愈大。为了保证地图的精度，采用分带投影方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，这样把许多带结合起来，可成为整个区域的投影。高斯—克吕格投影的变形特征是：在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快。在6°带范围内，长度最大变形不超过0.14%。图2-2 高斯—克吕格投影示意
我国规定1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万比例尺地形图，均采用高斯—克吕格投影。1:2.5万至1:50万比例尺地形图采用经差6°分带，1:1万比例尺地形图采用经差3°分带。
6°带是从0°子午线起，自西向东每隔经差6为一投影带，全球分为60带，各带的带号用自然序数1，2，3，…60表示。即以东经0~6为第1带，其中央经线为3E，东经6~12为第2带，其中央经线为9E。3°带是从东经1°30义的经线开始，每隔3°为一带，全球划分为120个投影带。图2-3表示6°带与3°带的中央经线与带号的关系。6°带中央经线经度的计算：
当地中央经线经度=6°x当地带号-3°
当地带号=当地中央经线经度/6°+1
例如：地形图上的横坐标为20 345，其所处的六度带的中央经线经度为：6°x20-3°=117°（适用于1:2.5万和1:5万地形图）。
3°带中央经线经度的计算：
中央经线经度=3°x当地带号
当地带号=（360°-当地中央经线经度/6°）+1（适用于1:1万地形图）。
在高斯—克吕格投影上，规定以中央经线为X轴，赤道为Y轴，两轴的交点为坐标原点。
X坐标值在赤道以北为正，以南为负；Y坐标值在中央经线以东为正，以西为负。我国在北半球，X坐标皆为正值。Y坐标在中央经线以西为负值，运用起来很不方便。为了避免Y坐标出现负值，将各带的坐标纵轴西移500千米，即将所有Y值都加500千米。图2-3 高斯—克吕格投影的分带
由于采用了分带方法，各带的投影完全相同，某一坐标值（x，y），在每一投影带中均有一个，在全球则有60个同样的坐标值，不能确切表示该点的位置。因此，在Y值前，需冠以带号，这样的坐标称为通用坐标。
高斯—克吕格投影各带是按相同经差划分的，只要计算出一带各点的坐标，其余各带都是适用的。这个投影的坐标值由国家测绘部门根据地形图比例尺系列，事先计算制成坐标表，供作业单位使用。（2）墨卡托投影。墨卡托（Mercator）投影，是一种“等角正切圆柱投影”，德国制图学家墨卡托（Gerhardus Mercator 1512—1594）在1569年拟定。假设地球被围在一个中空的圆柱里，其标准纬线与圆柱相切接触，然后再假想地球中心有一盏灯，把球面上的图形投影到圆柱体上，再把圆柱体展开，这就是一幅选定标准纬线上的“墨卡托投影”绘制出的地图。墨卡托投影没有角度变形，由每一点向各方向的长度都相等，它的经纬线都是平行直线，且相交成直角，经线间隔相等，纬线间隔从标准纬线向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显，但标准纬线无变形，从标准纬线向两极变形逐渐增大，但因为它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相互位置关系的正确。在地图上保持方向和角度的正确是墨卡托投影的优点，墨卡托投影地图常用作航海图和航空图，如果循着墨卡托投影图上两点间的直线航行，方向不变可以一直到达目的地，因此它对船舰在航行中定位、确定航向都具有有利条件，给航海者带来很大方便。“海底地形图编绘规范”（GB/T 17834-1999，美国海军航保部起草）中规定1:25万及更小比例尺的海图采用墨卡托投影，其中基本比例尺海底地形图（1:5万，1:25万，1:100万）采用统一基准纬线30°，非基本比例尺图以制图区域中纬为基准纬线。基准纬线取至整度或整分。墨卡托投影坐标系取零子午线或自定义原点经线（L0）与赤道交点的投影为原点，零子午线或自定义原点经线的投影为纵坐标X轴，赤道的投影为横坐标Y轴，构成墨卡托平面直角坐标系。（3）横轴墨卡托投影（UTM）
UTM投影全称为“通用横轴墨卡托投影”，是等角横轴割圆柱投影（高斯—克吕格为等角横轴切圆柱投影），圆柱割地球于南纬80°、北纬84°两条等高圈，该投影将地球划分为60个投影带，每带经差为6°，已被许多国家作为地形图的数学基础。UTM投影与高斯投影的主要区别在南北格网线的比例系数上，高斯—克吕格投影的中央经线投影后保持长度不变，即比例系数为1，而UTM投影的比例系数为0.9996。UTM投影沿每一条南北格网线比例系数为常数，在东西方向则为变数，中心格网线的比例系数为0.9996，在南北纵行最宽部分的边缘上距离中心点大约363千米，比例系数为1.001 58。高斯—克吕格投影与UTM投影可近似采用Xutm=0.9996xX，Yutm=0.9996xY高斯进行坐标转换。UTM投影自西经180°起每隔经差6°自西向东分高斯带，第1带的中央经度为-177°，因此高斯—克吕格投影的第1带是UTM的第31带。投影的东伪偏移是500千米，UTM北半球投影北伪偏移为零，南半球为10 000千米。（4）兰伯特等角投影
一种等角圆锥投影，我国的基本比例尺地形图（1:5000，1:1万，1:2.5万，1:5万，1:10万，1:25万，1:50万，1:100万）中，大于等于50万的均采用高斯—克吕格投影（Gauss-Kruger），又叫横轴墨卡托投影（Transverse Mercator）；小于50万的地形图采用正轴等角割圆锥投影，又叫兰伯特投影（Lambert Conformal Conic），我国的GIS系统中应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。
我国的全国地图及分省地图和小于1:50万的地图一般使用lambert投影，全国地图的标准纬线现在是使用25°和47°（之前使用过25°，45°）。而我国1:100万地图的投影是按百万分之一地图的纬度划分原则分带投影的。即从0°开始，每隔纬差4°为一个投影带，每个投影带单独计算坐标，建立数学基础。同一投影带内再按经差6°分幅，各图幅的大小完全相同，故只需计算经差6°、纬差4°的一幅图的投影坐标即可。每幅图的直角坐标，是以图幅的中央经线作为X轴，中央经线与图幅南纬线的交点为原点，过原点的切线为Y轴，组成直角坐标系。
该投影的变形分布规律：没有角度变形；两条标准纬线上没有任何变形；由于采用了分带投影，每带纬差较小，因此我国范围内的变形几乎相等，最大长度变形不超过±0.03%（南北图廓和中间纬线），最大面积变形不超过±0.06%。二、实训目的和任务
掌握地图投影变换的基本原理与方法。三、实训内容
利用ArcView对地图投影进行变换。四、实训要求
1. 熟悉ArcView、Arc Info中投影的应用及投影变换的方法、技术。
2. 了解地图投影及其变换在实际中的应用。五、实训步骤
对于地面上的任何事物，其空间位置是非常重要的信息。地理信息数据中一个重要部分就是地物的空间位置，包括空间相对位置和绝对位置。空间的相对位置用空间拓扑关系来描述，而空间绝对位置则用空间某一坐标系中的坐标来表示，即（x，y，z）或是（λ，φ，r）。我们知道，地球是一个近似于椭球的星体。在地理信息系统中，我们通常把地球看作一个旋转椭球体，而研究球面或椭球面上的空间位置往往比较复杂，于是我们采用一定的数学法则将地球表面的事物的空间位置表示到平面上，这就是所谓的投影。
实际上，投影这门学科原本是地图学的一个重要的分支。对地理信息系统来讲，它也是地理信息系统的数学基础之一。常用的投影有方位、圆锥、圆柱、高斯—克吕格投影等。下面以ArcView为例，讲述投影在实际工作中的应用（以下内容适用于ArcView3.0及以上版本）。（1）运行ArcView，打开一个视图（view），并向视图中添加数据。（数据可以从ArcView的安装目录如d:\Esri\esridata中找到，比如我们打开一幅美国地图见图2-4）。图2-4 运行ArcView界面图（2）从View菜单选择Properties菜单项（见图2-5）。图2-5 Properties菜单项（3）在出现的对话框中看是否已经为视图指定了投影（图2-6中方框标记的地方，如果有投影，则会出现投影名称，图2-6还没有设置投影）。如没有设置投影，注意要将MapUnits设置为decimal degrees（十进制度小数）。如已设置投影，就不要将MapUnits设置为decimal degrees。图2-6 View属性菜单
单击图2-6中的Projection按钮，将出现如图2-7的对话框。图2-7 投影编辑菜单①
图2-7中上部有两个单选按钮，默认选择是Standard。这是ArcView预设的一些标准投影。可以在Categeory下拉框中选择投影区域或投影面，在Type下拉框中选择相应的投影类型。例如：在Categeoy中选择Projections of the Unites States（美国区域的投影），而在Type中选择Lambert Conformal Conic（North America），（适于北美地区的兰伯特等角圆锥投影）如图2-8，就可以得到图2-9的结果。图2-8 投影编辑菜单②图2-9 投影添加完毕
我们也可以选择自定义投影参数，这时我们要选择Custom单选按钮，对话框就变成图2-10所示。此时我们就可以在Projection下拉框中指定投影类型，在Spheroid下拉框中指定椭球，并根据所选的投影修改投影参数。需要指出的是，这样的自定义投影只是在ArcView提供的投影类型中修改相应的参数，而不是定义新的投影方式。尽管ArcView提供了许多投影方式和椭球，但并不是所有的投影类型和椭球都有，像我国常用的高斯—克吕格投影及西安80坐标系所使用的IAG-75椭球就没有。图2-10 常用的投影选项（4）上述做法只是为视图（View）指定了投影，而数据并没有发生改变。也就是说数据是在被添加到视图时才被投影，显示在屏幕上，当你关掉当前视图，重新建立一个新视图，并将原来的数据添加进来时，你会发现它们并没有被投影，也就是说刚才的操作对数据并没有影响。如果你要将数据真正进行投影变换，就必须将数据重新存储，使新数据保留投影变换后的投影信息。这时可以这样做：①选中要存储的数据层（单击窗口左边数据目录中的该层，使其处于激活状态）；②单击Theme菜单，选取Convert to ShapeFile（图2-11，图2-12）菜单项，将数据重新保存。
以上就是在ArcView中投影的简单应用。对于各种不同的地理信息系统软件，上述的过程略有差异，但基本上相同。对于投影而言，最重要的并不是对各种软件的熟练掌握，而是如何在实际应用中将投影的原理加以灵活应用。图2-11 数据存储图2-12 数据命名六、注意事项
不同地图投影的选择，会直接影响空间分析结果。七、实训预习与准备要求
请同学们课前参考地图学、影像等相关书籍，初步了解3S技术和ArcView软件。八、思考题
地图投影与平常的投影有什么差异，举例说明。实训项目三 空间要素的输入和编辑一、背景知识
空间数据是GIS的核心，也有人称它是GIS的血液。因为GIS的操作对象是空间数据，因此设计和使用GIS的第一步工作就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据，并创建空间数据库。（一）空间数据的基本概念
空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征等诸多方面信息的数据，它可以用来描述来自现实世界的目标，它具有定位、定性、时间和空间关系等特性。空间数据是一种用点、线、面以及实体等基本空间数据结构来表示人们赖以生存的自然世界的数据。（二）空间数据的基本特征
要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。如果要描述空间、实体或现象的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态如图3-1。所以，一般认为空间数据具有三个基本特征：（1）空间特征（定位数据）。表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。（2）属性特征（非定位数据）。指地理现象和过程所具有的专属性质，通常包括名称、数量、质量、性质等，成为属性数据。（3）时间特征（时间尺度）。指一定区域内的地理现象和过程随着时间的变化情况，成为时态数据。（三）空间数据的分类
1. 按数据来源分类（1）地图数据：地图数据来源于各种类型的普通地图和专题地图。（2）影像数据：影像数据主要来源于卫星遥感和航空遥感，是GIS最有效数据源之一。（3）文本数据：文本数据主要来源各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。图3-1 空间数据的基本特征
2. 按数据结构分类（1）矢量数据：矢量数据是用欧式空间的点、线、面等几何元素来表达空间实体的几何特征的数据。（2）栅格数据：栅格数据是将空间分割成有规则的网格，在各个网络上给出相应的属性值来表示空间实体的一种数据组织形式。
3. 按数据特征分类（1）空间定位数据：空间定位数据是表达空间实体在地球上位置的坐标数据。（2）非空间定位数据：非空间定位数据是有关空间实体自身的名称、种类、质量、数量等特征的数据。
4. 按数据发布形式分类（1）数字线（DLG）画图数据：DLG数据是现有地形图要素的矢量数据，保存各要素间的空间关系和相关的属性关系，全面的描述地表目标。（2）数字栅格图（DRG）数据：DRG数据是现有纸质地图经计算及处理后得到的栅格数据文件。（3）数字高程模型（DEM）数据：DEM数据是以数字形式表达的地形起伏数据。（4）数字正射影像（DOM）数据：DOM数据是对遥感数字影像，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据。（四）空间数据模型
空间数据模型是对现实世界中的空间实体及其相互联系的一种描述，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供了基本思想和方法。在地理信息系统中，主要有矢量数据模型、栅格数据模型及不规则三角网模型等几种基本的数据模型。
1. 矢量数据模型
矢量数据模型（如图3-2）是一种通过记录空间“坐标对”的方式，以点、线、面等形式来描述空间目标对象位置，以标示符表达对象属性的一种属性模型。例如，用点来表达一个城市、用线来表达一条公路、用面来表达一个湖泊，这些点、线、面的属性通过标识符来记录和连接。矢量数据模型能够直观的表达地理空间，也能精确地表示地理实体的空间位置及其属性，还能够方便地进行比例尺变换、投影变化以及图形的输入和输出。图3-2 空间数据集合
矢量数据模型将现象看作原型实体的集合，且组成空间实体。在二维模型内，原型实体是点、线和面；而在三维中，原型也包括表面和体。观察的尺度或者概括的程度，决定了使用的原型的种类。在一个小比例尺表现中，诸如城镇这一现象可以由个别的点组成，而路和河流由线来表示。当表现的比例尺增大时，必然要考虑到现象的尺度；在一个中等比例尺上，一个城镇可以由特定的原型，如线，来表示用以记录其边界。在较大的比例尺中，城镇将被表现为特定的原型的复杂的集合，包括建筑物的边界、道路、公园以及所包含的其他的自然与管理现象。
矢量模型的表达源于原型空间实体本身，通常以坐标来定义。一个点的位置可以由二维或者三维中的坐标的单一集合来描述。一条线通常由有序的两个或者多个坐标对集合来表示。特定坐标之间线的路径可以是一个线性函数或者一个较高次的数学函数，而线本身可以由中间点的集合来确定。一个面通常由一个边界来定义，而边界是由形成一个封闭的环状的一条或多条线所组成。如果区域有个洞在其中，那么可以采用多个环来描述它。
矢量数据模型定位可根据坐标直接存储，而属性则一般隐含于文件夹或者数据结构中的某些特定的位置上。这种特点使其图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂得多，有时甚至难以执行。在矢量数据模型中，用点、线、面、体来描述控件对象，易于被人理解和接受，因而形象直观。并且矢量数据模型特别适合模拟离散的空间数据。由于矢量数据模型模拟空间对象时通过记录坐标对表达其空间位置，因此其表达数据的精度较高。
2. 栅格数据模型
栅格数据模型是一种用规则排列的像元阵列来描述空间目标对象的数据模型。它是将连续空间离散化，即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间；铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理，如社会经济分区、城市街区；铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性（Aggregation or Subdivisions）的铺盖。在边数从3到N的规则铺盖（Regular Tessellations）中，方格、三角形和六角形在空间数据处理中最常用。三角形是最基本的不可再分的单元，根据角度和边长的不同，可以取不同的形状，方格、三角形和六角形完整地铺满一个平面（如图3-3）。图3-3 三角形、方格和六角形划分
基于栅格的空间模型把空间看作像元（Pixel）的划分（Tessellation），每个像元都与分类或者标识所包含的现象的一个记录有关。像元与“栅格”都是来自图像处理的内容，其中单个的图像可以通过扫描每个栅格产生。GIS中栅格数据经常是来自人工和卫星遥感扫描设备中，以及用于数字化文件的设备中。采用栅格模型的信息系统，通常应用了前面所述的分层的方法。在每个图层中栅格像元记录了特殊的现象的存在。每个像元的值表明了在已知类中现象的分类情况（图3-4）。图3-4 栅格数据模型
由于像元具有固定的尺寸和位置，所以栅格趋向于表现在一个“栅格块”中的自然及人工现象。因此分类的界限被迫采用沿着栅格像元的边界线。一个栅格图层中每个像元通常被分为一个单一的类型。这可能造成对现象分布的误解，其程度则取决于所研究的相关像元的大小。如果像元针对特征而言非常小，栅格可以是一个表现自然现象的边界随机分布的特别有效的方式，该现象趋于逐渐地彼此结合，而不是简单地划分。如果每个像元限定为一个类，栅格模型就不能充分地表现一些自然现象的转换属性。除非抽样被降低到一个微观的水平，否则许多数据类事实上都是混合类。模糊的特征通过混合像元，在一个栅格内可以被有效地表达，其中组成分类通过像元所有组成度量的或者预测的百分比来表示。尽管如此，也应该强调一个栅格的像元仅仅被赋予一个单一的值。
为了GIS数据处理，栅格模型的一个重要的特征就是每个栅格中的像元的位置被预先确定，所以很容易进行重叠运算以比较不同图层中所存储的特征。由于像元位置预先确定，且相同，在一个具体应用的不同图层中，每个属性可以从逻辑上或者从算法上与其他图层中像元的属性相结合，以产生相应重叠中一个的属性值。其不同于基于图层的矢量模型之处，在于图层中的面单元彼此独立，直接地比较图层必须作进一步处理以识别重叠的属性。
体元（Vowels）：GIS中基于的栅格表示可以被扩展到三维以产生一个体元（Vowel）模型，其中像元是由长方形，典型是立方体、立体元素所组成。地理数据的一些类型，并不总是由边界表示，因为数据值可能与一个属性相关，而该属性随着位置的变化而变化，而且并不是清楚地理解边界。这类模型的数据的一个比较合适的模型就是体元模型。该模型被广泛地应用于媒体成像，其中它们源于计算机辅助断层（CT）及核磁反应扫描仪。它们很好地表现渐进的、特殊的位置变化，并适于产生这种变化的剖面图。
栅格数据模型直接记录控件对象的属性本身，而所在位置则根据像元的行列号转换为坐标得到。而且像元的大小直接影响空间数据表达的精度以及数据的处理时间和存储空间。其中像元大小对精度的影响主要表现为位置的移动、形状的畸变以及属性的偏差。
3. 不规则三角网模型
不规则三角网（triangular irregular network，TIN）模型，是由不规则空间取样点和断线要素得到的一个对表面的近似表示，包括点和与其相邻的三角形之间的拓扑关系。TIN采用一系列相连接的三角形拟合地表或其他不规则表面，常用来构造DTM，特别是DEM。
在TIN模型中，采样点的位置控制着三角形的顶点，这些三角形尽可能的接近等边三角形。TIN的一个优点是其三角形大小随点的密度变化而变化，当数据点密集时生成的三角形小，对不规则表面的拟合精度高。
TIN地形模型在表达三维地形时具有以下优点：①当地形包含有大量特征线，如断裂线、构造线等时，TIN模型能很好地顾及这些特征，从而能更精确合理地表达地表形态；②区域为任意形状，适合表达非矩形的区域，也适合表示不同属性的区域，如海陆交界处、湖泊等；③在某一特定分辨率下能用更少的空间更精确地表示各种复杂的表面；因此，常用TIN表达地形模型，Delaunay三角网在地形表达方面表现最为出色。
TIN的数据存储方式比格网（DEM）复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、结点连接的拓扑关系，三角形及邻接三角形等关系。TIN模型在概念上类似于多边形网络的矢量拓扑结构，只是TIN模型不需要定义“岛”和“洞”的拓扑关系。
有许多种表达TIN拓扑结构的存储方式，一个简单的记录方式是：对于每一个三角形、边和结点都对应一个记录，三角形的记录包括三个指向它三个边的记录的指针；边的记录有四个指针字段，包括两个指向相邻三角形记录的指针和它的两个顶点的记录的指针；也可以直接对每个三角形记录其顶点和相邻三角形。每个节点包括三个坐标值的字段，分别存储X，X，Z坐标值。这种拓扑网络结构的特点是对于给定一个三角形查询其三个顶点高程和相邻三角形所用的时间是定长的，在沿直线计算地形剖面线时具有较高的效率。当然可以在此结构的基础上增加其他变化，以提高某些特殊运算的效率，例如在顶点的记录里增加指向其关联的边的指针。（五）栅格数据模型与矢量数据模型的比较
栅格数据用一个规则格网来描述与每一个格网单元位置相对应的空间现象特征的位置和取值。在概念上，空间现象的变化由格网单元值的变化来反映。地理信息系统中许多数据都用栅格格式来表示。栅格数据在许多方面是矢量数据的补充，将两种数据相结合是GIS项目的一个普遍特征。栅格数据模型在GIS中也被称为格网（Grid）、栅格地图、表面覆盖（Surface Cover）或影像。格网由行、列、格网单元组成。行、列由格网左上角起始。在二维坐标系统中，行作为y坐标、列作为x坐标。在这点上与纬度作为y坐标、经度作为x坐标有点类似。栅格数据用单个格网单元代表点、用一系列相邻格网单元代表线、邻接格网的集合代表面。格网中的每一个格网单元有一个值，整型或浮点型。整型格网单元值通常代表类别数据。比如，土地类型
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]