地理信息系统在水文水资源 中的应用李 俊 lijun801014sina.com水利水电学院水文与水资源工程系内 容一. 地理信息系统概论二. 地理信息系统在水文水资源中的应用三. 应用实例01 地理信息系统概论GIS概念 GIS的基本构成 GIS的功能简介 空间数据的分类和特征 空间分析的原理和方法地理信息系统的定义l是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时 提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策 服务的计算机技术系统。 Geographical Information System, GISl其他定义：lGIS是一种获取、存储、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机 系统。英国教育部1987l为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的 数据库管理系统。美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）1988l在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间 物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算 机系统。l基本内容l对象：地理信息、空间数据及其属性数据l功能：获取、存储、检索、操作、分析和显示l形式：计算机系统地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质 量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形等的总 称。地理信息具有以下三个特征： 地理信息属于空间信息，其位置的识别与数据联系在一起，地理信 息的空间位置是通过地理坐标加以表达的。 地理信息具有多维结构的特征。可利用图形实体识码分析和处理多 专题的第三维信息，为多元信息的复合研究和探索地理现象间的内在 规律奠定了基础。 地理信息具有时序和动态变化的特征。根据时间的尺度，可把地理 信息分为超短期（如台风、地震），短期（如江河洪水），中期（如 土地利用，作物估产），长期（如城市化，水土流失），超长期（如 地理环境变化）。地理信息的定义01 地理信息系统概论GIS概念 GIS的基本构成 GIS的功能简介 空间数据的分类和特征 空间分析的原理和方法地理信息系统的组成l计算机硬件系统 l输入/输出设备、中央处理单元、存储器，等l计算机软件系统l计算机系统软件l地理信息系统软件和其他支持软件l通用的GIS软件包，数据库管理系统、计算机图形软件包、 计算机图像处理系统等l用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接 口 l应用分析软件l根据地理专题或区域分析模型编制的用于特定应用任务的 程序 l空间数据及非空间数据l指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据 ，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。 l包括：1）某个已知坐标系中的位置；2）实体间的空间关系；3） 与几何位置无关的属性l系统开发、管理和使用人员01 地理信息系统概论GIS概念 GIS的基本构成 GIS的功能简介 空间数据的分类和特征 空间分析的原理和方法地理信息系统的功能l位置（Locations）l在某个特定的位置有什么l条件（Conditions）l什么地方有满足某些条件的东西l变化趋势（Trends）l综合现有数据，以识别已经发生 了或正在发生变化的地理现象l模式（Patterns）l分析与已经发生或正在发生事件 有关的因素。将现有数据组合在一起 ，能更好地说明正在发生什么，找出 发生事件与哪些数据有关l模型（Models）l该类问题的解决需要建立新的数 据关系以产生解决方案GIS功能：数据采集、监测与编辑l主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上 的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。l一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更 多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。l信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。l目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多l手扶跟踪数字化仪l自动化扫描输入l遥感数据集成l扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信 息系统数据获取研究的主要技术关键GIS功能：数据处理主要包括数据格式化、转换、概括l数据的格式化l不同数据结构的数据间变换l是一种耗时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；l数据转换l数据格式转化l数据比例尺的变换：涉及到数据比例尺缩放、平移、旋转等方面 ，其中最为重要的是投影变换l制图综合（Generalization）l包括数据平滑、特征集结等。l目前地理信息系统所提供的数据综合功能极弱，与地图综合的要 求还有很大差距，需要进一步发展。GIS功能：数据存储与组织是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属 性数据的组织。l栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数 据组织方法。是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属 性数据的组织。l栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数 据组织方法。l空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数 据与分析的功能；是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属 性数据的组织。l栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数 据组织方法。l空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数 据与分析的功能；l在地理数据组织与管理中，最为关键的是:如何将空间数据 与属性数据融合为一体?目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共项来连接。这种组织方 式的缺点是数据的定义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的 变化属性。GIS功能：空间查询与分析l空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处 理系统应具备的最基本的分析功能l基于位置的查询l基于属性的查询l空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处 理系统应具备的最基本的分析功能l基于位置的查询l基于属性的查询l空间分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界 中与空间相关的问题，是地理信息系统应用深化的重要标 志。l空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统 与其它计算机系统的根本区别。l空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处 理系统应具备的最基本的分析功能l基于位置的查询l基于属性的查询l空间分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界 中与空间相关的问题，是地理信息系统应用深化的重要标 志。l空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统 与其它计算机系统的根本区别。l两类重要的分析方法l叠加复合分析l缓冲区分析GIS功能：图形与交互显示lGIS为用户提供了许多用于地理数据表现的工具l计算机屏幕显示l诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件l尤其重要的是GIS的地图输出功能lGIS制图与输出l一个好的GIS系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境l供GIS的使用者能够设计和制作出高质量的地图l相关概念l3D表现l软拷贝l硬拷贝l电子发布01 地理信息系统概论GIS概念 GIS的基本构成 GIS的功能简介 空间数据的分类和特征 空间分析的原理和方法A、空间数据的分类按数据来源：地图数据、影像数据、文本数据按数据结构：矢量数据、栅格数据按数据特征：空间数据、非空间数据按几何特征：点、线、面（曲面）、体（3维）按数据发布：数字线画图、数字栅格图、数字高程、数 字正射影像B 空间数据的基本特征l空间特征（定位数据）l表示现象的空间位置或现在所处的地理位置l空间特征又称为几何特征或定位特征l一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。l空间特征（定位数据）l表示现象的空间位置或现在所处的地理位置l空间特征又称为几何特征或定位特征l一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。l属性特征（非定位数据）l表示实际现象或特征l例如变量、级别、数量特征和名称等。l空间特征（定位数据）l表示现象的空间位置或现在所处的地理位置l空间特征又称为几何特征或定位特征l一般以坐标数据表示，例如笛卡尔坐标等。l属性特征（非定位数据）l表示实际现象或特征l例如变量、级别、数量特征和名称等。l时间特征l指现象或物体随时间的变化l其变化的周期有超短期的、短期的、中期的、长期的等。三个基本特征（Jack Dangemond，1984）C、空间数据的拓扑关系拓扑关系：是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在 GIS中不仅用于空间数据编辑和组织，还在空间分析和应用 具有非常重要的意义拓扑关系的类型：拓扑邻接：同类型元素之间，点-点、线-线、面-面拓扑关联：不同类型元素之间拓扑包含：数同类型但不同等级的元素之间，岛的问题C、空间数据的拓扑关系拓扑关系的意义：1、不需坐标或距离量算，即可确定相对空间位置关系， 并不随图形变化而改变。2、利用拓扑数据有利于空间要素的查询，如沿河的化工 厂3、可以拓扑关系，重建地理实体，如最佳路径计算等D、空间数据的计算机表示空间分幅：便于空间范围的管理。属性分层：便于对多属性的归类与表达。时间分段：便于关注有点时刻、时段的地表特征。01 地理信息系统概论GIS概念 GIS的基本构成 GIS的功能简介 空间数据的分类和特征 空间分析的原理和方法空间分析的原理和方法l数字地形模型分析l空间叠合分析l空间邻近分析l空间网络分析关于空间分析 GIS的空间分析：是基于空间数据的分析技术分析技术，以地球科 学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取获取有关 地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间构成 、空间演变等信息。GIS区别于其他系统的一个最主要的功能特征分类：矢量空间分析栅格空间分析产生式分析：查询式分析：关于空间分析 空间位置分析：指通过空间坐标系中坐标值来确定空间物体 的地理位置。空间分布分析：空间分布反映了同类空间物体的群体定位信 息。空间形态分析：空间形态反映了空间物体的几何特征，包括 形态表示和形态计算两个方面。前者如走向、连通性等，后 者如面积、周长：坡度等。空间关系分析：空间关系反映了空间物体之间的各种关系， 如方位关系、距离关系、拓扑关系、相似关系等。空间分析的原理和方法l数字地形模型分析l空间叠合分析l空间邻近分析l空间网络分析1DTMl基本概念l数字地形模型 （DTM）：地形表面形态属性信息的数字表达 ，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。 l数字高程模型 （DEM）：高程Z关于平面坐标X，Y两个自变 量的连续函数，数字高程模型（DEM）只是它的一个有限的离散 表示。l用于：各种线路选线（铁路、公路、输电线）的设计以及各种 工程的面积、体积、坡度计算，任意两点间的通视判断及任意断 面图绘制。l规则格网模型l等高线模型l不规则三角网（TIN）模型l层次模型DTM = Zi,j, i = 1,2,m, j = 1,2,n 1DTM规则格网规则格网的优缺点l规则格网的高程矩阵容易存储和处理 ；l容易派生计算等高线、坡度、坡向、晕渲阴影等数据；l国家DEM的主要形式l数据量过大，要进行压缩存储；l哈夫曼编码、离散余弦变换、小波变换压缩等lDTM在内容上包括：l数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)l高程Z关于平面坐标X，Y两个自变量的函数l派生的地形模型l坡度l坡向l不规则三角网（Delaunay三角网）lTIN模型根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角 面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角 形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性 插值的方法得到。l所以TIN是一个三维空间的分段线性模型，在整个区域 内连续但不可微。不规则三角网（Delaunay三角网）lTIN的数据存储方式比格网DEM复杂，它要存储：l每个点的高程l其平面坐标l结点连接的拓扑关系l三角形及邻接三角形等关系等高线线DTMl等高线模型表示高程，高程值的集合是已知的，每一条 等高线对应一个已知的高程值，这样一系列等高线集合 和它们的高程值一起就构成了一种地面高程模型。 等高线线DTM地形特征线l地形因子包括：坡度、坡向、曲面面积、地表粗糙度、 高程变异，谷脊特征线等。l坡度：水平面与