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本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材，详细介绍了地理信息系统（GIS）的原理与方法。本书共分13章，重点介绍了GIS相关概念、空间数据结构、GIS的地理数学基础、GIS数据输入、空间数据、空间数据管理、空间分析、GIS数据可视化与制图、数字高程模型、网络GIS、三维GIS、GIS工程与标准、GIS发展趋势等内容。本书免费提供电子课件，可以登录司马云（www.smaryun.com）或华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后下载。

第1章  绪论	1
1.1  GIS基本概念	1
1.1.1  信息与数据	1
1.1.2  空间数据与地图	2
1.1.3  地理信息与地学信息	2
1.1.4  信息系统和GIS	3
1.2  GIS的发展过程	3
1.2.1  GIS在国外的发展	3
1.2.2  GIS在我国的发展	5
1.3  地球信息科学与GIS软件及类型	6
1.3.1  地球信息科学	6
1.3.2  GIS软件	7
1.3.3  GIS类型	8
1.4  GIS与其他相关学科的关系	9
1.4.1  GIS与测绘学	9
1.4.2  GIS与地理学	10
1.4.3  GIS与地图学	10
1.4.4  GIS与一般事务数据库	11
1.4.5  GIS与计算机地图制图	11
1.4.6  GIS与CAD	11
1.5  GIS组成	12
1.5.1  计算机硬件系统	12
1.5.2  计算机软件系统	14
1.5.3  地理空间数据	16
1.5.4  应用分析模型	17
1.5.5  系统开发管理和使用人员	17
1.6  GIS功能和应用	17
1.6.1  GIS功能	17
1.6.2  GIS应用	19
习题1	23
第2章  空间数据结构	24
2.1  空间认知模型	24
2.1.1  空间认知过程概述	24
2.1.2  空间认知三层模型	24
2.2  空间数据概念模型	26
2.2.1  离散实体模型	26
2.2.2  连续场模型	27
2.3  矢量数据模型	27
2.3.1  矢量数据的基本概念	27
2.3.2  实体数据结构	27
2.3.3  拓扑数据结构	30
2.4  栅格数据模型	33
2.4.1  栅格数据的基本概念	33
2.4.2  栅格数据层的概念	34
2.4.3  栅格数据模型的表示	34
2.4.4  栅格数据的组织方法	36
2.4.5  栅格数据取值方法	36
2.4.6  栅格数据存储的压缩编码	37
2.5  矢量数据模型与栅格数据模型	42
2.5.1  矢量数据与栅格数据结构的比较	42
2.5.2  矢量、栅格一体化	43
2.5.3  矢量和栅格数据结构的选择	43
2.6  MapGIS空间数据模型概述	44
习题2	49
第3章  GIS的地理数学基础	51
3.1  几何空间	51
3.1.1  距离空间	51
3.1.2  欧氏空间	52
3.1.3  基于集合的几何空间	55
3.1.4  拓扑空间	59
3.2  地球椭球体与大地控制	61
3.2.1  地球椭球体	61
3.2.2  大地控制	62
3.3  地图投影	66
3.3.1  地图投影的概念	66
3.3.2  地图投影的变形	66
3.3.3  地图投影的分类	67
3.3.4  GIS中的地图投影	70
3.4  空间坐标转换	75
3.4.1  坐标系转换	75
3.4.2  投影转换	80
习题3	83
第4章  GIS数据输入	84
4.1  GIS数据来源	84
4.1.1  矢量数据来源	84
4.1.2  栅格数据来源	84
4.1.3  属性数据来源	85
4.2  数据输入	85
4.2.1  野外数据采集	85
4.2.2  地图数字化	86
4.2.3  数字摄影测量	89
4.2.4  遥感影像处理	90
4.2.5  现有数据转换	90
4.3  数据输入质量控制	91
4.3.1  数据质量问题	91
4.3.2  误差来源	93
4.3.3  数据质量控制主要方法	94
习题4	95
第5章  空间数据处理	96
5.1  空间数据的显示基础	96
5.1.1  二维观察变换	96
5.1.2  投影变换	97
5.1.3  几何变换	99
5.1.4  窗口裁剪技术	102
5.2  空间数据的编辑方法	103
5.2.1  图形数据编辑	103
5.2.2  属性数据编辑	106
5.2.3  拓扑关系的构建与编辑	107
5.2.4  图幅拼接处理	109
5.3  空间数据的误差分析和校正	110
5.3.1  空间数据的误差分析	110
5.3.2  空间数据的误差校正	113
5.4  空间数据的压缩与光滑	114
5.4.1  数据压缩	114
5.4.2  曲线光滑	115
5.5  栅格数据与矢量数据的互相转换	115
5.5.1  矢量数据转换成栅格数据	115
5.5.2  栅格数据转换成矢量数据	118
习题5	118
第6章  空间数据管理	120
6.1  概述	120
6.1.1  空间数据管理方式	120
6.1.2  数据库管理系统	121
6.1.3  空间数据库系统	121
6.2  空间数据模型	122
6.2.1  传统数据模型	122
6.2.2  面向对象模型	124
6.3  空间数据组织	128
6.3.1  地图数据的基本组成	128
6.3.2  图形数据模型	129
6.3.3  专题属性数据模型	130
6.3.4  图形数据与专题属性数据的连接	130
6.3.5  地理实体信息框架	131
6.4  空间索引和空间查询	132
6.4.1  空间索引	132
6.4.2  空间查询	137
6.4.3  空间查询处理	140
6.4.4  查询优化	142
6.5  空间数据引擎	143
6.5.1  空间数据引擎的概念	143
6.5.2  空间数据引擎的工作原理	144
6.5.3  空间数据引擎实例	146
6.6  空间元数据	147
6.6.1  空间元数据的定义及其作用	147
6.6.2  空间元数据的分类	148
6.6.3  空间元数据的内容	149
6.7  空间数据库设计	151
6.7.1  空间数据库概念结构设计	151
6.7.2  空间数据库逻辑结构设计	155
6.7.3  空间数据库物理结构设计	162
习题6	163
第7章  空间分析	164
7.1  空间分析的内容与步骤	164
7.2  空间度量基础算法	166
7.2.1  长度量算	166
7.2.2  角度量算	170
7.2.3  任意多边形面积量算	170
7.2.4  分布中心的计算	171
7.3  数据检索分析	172
7.3.1  属性统计分析	172
7.3.2  布尔逻辑查询分析	173
7.4  叠置分析	173
7.4.1  栅格叠加分析	173
7.4.2  矢量叠加分析	177
7.5  缓冲区分析	181
7.5.1  缓冲区分析的概念	181
7.5.2  建立缓冲区的算法	182
7.6  网络分析	182
7.6.1  网络数据模型——几个基本概念	182
7.6.2  常规的网络分析功能	183
7.7  空间统计分析	188
7.7.1  空间自相关	188
7.7.2  空间聚类分析	190
7.7.3  空间关联分析	192
习题7	196
第8章  GIS数据可视化与制图	197
8.1  地图符号与符号库	197
8.1.1  地图符号的定义与分类	197
8.1.2  地图符号的基本结构	198
8.1.3  点状符号的构造	199
8.1.4  线状符号的构造	200
8.1.5  面状符号的构造	201
8.1.6  地图符号的设计要求	202
8.1.7  地图符号库	203
8.2  GIS符号化	204
8.2.1  符号化的两种方式	204
8.2.2  符号化的基本元素	205
8.2.3  符号化信息的内容	206
8.2.4  符号化信息编辑	207
8.2.5  要素、符号化信息的关联方式	208
8.3  GIS地图制图	208
8.3.1  GIS制图的关键技术	208
8.3.2  GIS制图工艺流程	210
8.3.3  GIS制图的特征	210
8.3.4  GIS制图的三个层次	211
8.4  GIS制图表达	212
8.4.1  地图符号间的关系	212
8.4.2  地图符号冲突	213
8.4.3  符号冲突的处理原则	215
8.4.4  常见的符号冲突处理方法	216
8.5  GIS地图输出	219
习题8	220
第9章  数字高程模型	221
9.1  基本概念	221
9.1.1  DEM的概念	221
9.1.2  DEM的类型	221
9.1.3  DEM的特点	223
9.1.4  DEM的用途	223
9.2  DEM数据源	224
9.2.1  DEM数据特征	224
9.2.2  DEM数据获取	224
9.3  DEM的构建	225
9.3.1  数学方法	225
9.3.2  TIN的生成方法	230
9.3.3  Grid的生成	234
9.4  DEM的应用	240
9.4.1  三维方块图	240
9.4.2  视线图	241
9.4.3  等高线图	241
9.4.4  地形特征的数字表示	242
9.4.5  地貌晕渲图	244
9.4.6  DEM数据自动形成地形轮廓线	245
9.4.7  剖面分析	246
9.5  DEM分析的误差与精度	246
9.5.1  DEM的误差研究概况	246
9.5.2  DEM的误差来源	246
9.5.3  DEM的误差分析	247
9.5.4  DEM的精度评价模型	248
习题9	249
第10章  网络GIS	250
10.1  概述	250
10.1.1  网络GIS的基本概念	250
10.1.2  网络GIS的功能特征	252
10.1.3  网络GIS的应用	253
10.2  网络GIS体系结构	256
10.2.1  传统WebGIS体系结构阶段	256
10.2.2  面向服务的WebGIS体系结构	257
10.2.3  GIS服务器独立的WebGIS体系结构	258
10.2.4  集群环境下的WebGIS体系结构	259
10.3　网络GIS数据组织与管理	260
10.3.1  网络GIS数据组织概述	260
10.3.2  基础数据组织	261
10.3.3  专题数据组织	267
10.3.4  共享服务数据	268
10.3.5  元数据管理	268
10.3.6　网络GIS数据管理	269
10.4  网络GIS关键技术	270
10.4.1  海量空间数据网络服务	270
10.4.2  任务并行处理与负载均衡	272
10.4.3  功能与服务动态自定义扩展	273
10.4.4  服务不间断运行	277
习题10	277
第11章  三维GIS	278
11.1  三维GIS概述	278
11.1.1　三维GIS的定义、特点及功能	279
11.1.2　三维GIS发展面临的机遇与挑战	281
11.1.3　三维GIS研发的问题分析	282
11.2  三维空间数据模型及其索引方法	283
11.2.1  三维空间数据模型	283
11.2.2  三维空间数据索引	291
11.3　三维城市模型数据获取方法	294
11.4  常用三维建模软件与建模方法	295
11.4.1  基于二维GIS数据的三维建模	295
11.4.2  基于遥感影像的三维建模	295
11.4.3  基于激光扫描系统的三维
建模	296
11.4.4  基于CAD模型的三维建模	296
11.5  三维GIS可视化	297
11.5.1  三维空间数据可视化的基本流程	298
11.5.2  三维场景管理与可视化策略	298
11.5.3  基于体素地理数据的可视化	299
11.5.4  虚拟现实展示技术	301
11.6  三维GIS空间分析方法	302
11.6.1  空间量算	302
11.6.2  地形分析	303
11.6.3  交互分析	304
习题11	304
第12章  GIS工程与标准	305
12.1　GIS工程的概念	305
12.2　GIS工程建设过程	306
12.2.1　GIS工程建设模式	306
12.2.2　应用型GIS设计步骤和方法	307
12.2.3　需求分析	308
12.2.4　系统设计	310
12.2.5　系统开发与实施	313
12.2.6　系统的评价和维护	315
12.3　GIS工程开发模式	316
12.3.1  搭建式开发模式	316
12.3.2  纵生式开发模式	318
12.4　GIS工程建设标准	321
12.4.1　GIS工程标准概述	322
12.4.2　GIS工程标准作用	324
12.4.3　国际GIS标准化组织	324
12.4.4　常用国际GIS标准	326
12.4.5　国内GIS标准及其组织	327
习题12	329
第13章  GIS发展趋势	330
13.1  互操作GIS	330
13.1.1  传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题	330
13.1.2  GIS互操作的概念	331
13.1.3  OGIS及其特点	332
13.1.4  OGIS的组成部分	333
13.1.5  OGIS的实现技术	335
13.2  集成化GIS	336
13.2.1  GPS、RS与GIS的集成	336
13.2.2  GIS多源空间数据集成	339
13.2.3  GIS与多媒体技术集成	341
13.2.4　GIS与VR技术集成	342
13.3  移动GIS	345
13.3.1  移动GIS概述	345
13.3.2  移动GIS的关键技术	346
13.3.3  移动GIS的应用	346
13.4  网格GIS	347
13.4.1  网格GIS概念	347
13.4.2  网格GIS体系结构	348
13.4.3  网格GIS实现技术	349
13.5  云GIS	351
13.5.1  云GIS概述	351
13.5.2  云GIS的应用模式	352
13.6　智能GIS	353
13.6.1　智能GIS的概念	353
13.6.2　智能GIS的结合方式	354
13.6.3　智能GIS的应用场景	354
13.7　三维GIS	355
13.8  物联网GIS	356
13.9　地理空间信息服务生态环境建设	357
13.9.1　地理空间信息服务生态环境发展背景	357
13.9.2　地理空间信息服务生态环境模型	358
13.9.3　地理空间信息服务生态环境实现	359
习题13	360

前    言
随着信息技术的迅猛发展，以GIS为代表的空间信息技术水平迅速提高，应用领域不断扩大，人们对空间信息的要求在广泛性、精确性及综合性等方面越来越高。伴随着计算机技术、信息技术、空间技术的发展，GIS正逐步建立起独立的理论体系和完整的技术系统，在国民经济建设和社会生活的各个方面发挥着越来越重要的作用。
经过近40年的发展，我国的GIS无论是在理论、技术方面还是在应用方面都有了很大的发展，在某些方面已经处于国际先进水平。
中国地质大学（武汉）地理与信息工程学院，从20世纪80年代开始涉足GIS的研究，先后承担了原地质矿产部“八五”科技攻关项目、“九五”国家重中之重科技攻关项目、“十五”国家863项目、“十一五”国家863重点项目，以及“十五”“十一五”“十二五”国家支撑计划、国家自然科学基金项目等。经过20多年的不懈努力，积累了丰富的科研实践经验，创建了一套GIS技术方法及先进的GIS软件开发体系，培养了一支强大的科研技术队伍，建立了一个先进的教学科研基地（教育部GIS工程中心/国家地理信息系统工程技术研究中心），研制了具有国际先进水平的GIS基础平台软件MapGIS。该软件先后荣获地质矿产部科技成果一等奖，国家科技进步二等奖，在国家科学技术部组织的国产GIS软件测评中连续十年名列榜首，成为国家科学技术部向全国推荐的首选GIS软件平台。该软件应用范围涉及地质、地理、石油、煤炭、有色、冶金、测绘、土地、城建、建材、旅游、交通、铁路、水利、林业、农业、矿山、出版、教育、公安、军事等20多个领域的专业与管理部门。
但是，GIS在理论和技术上仍然面临着许多新的课题需要研究和探讨，如三维GIS、网络GIS、移动GIS、云GIS、物联网GIS等；GIS还必须和其他应用技术，如遥感（RS）、全球导航卫星系统（GNSS）、人工智能（AI）及多媒体技术等相结合，才有可能得到更大的发展，才能更好地满足社会对信息的需要。而怎样将这些技术结合在一起，也正成为人们研究的方向。
本书是在2014年第三版的基础上修编而成的。书中对原有的内容进行了增加、调整、删减等，针对近年来GIS的发展，新增了“智能GIS”“物联网GIS”“地理空间信息服务生态环境”等内容，比较充分地反映了当前GIS的最新理论、技术、方法及发展趋势，可以满足广大GIS学习者、从业者和研究者的需要。
本书由吴信才主编，吴亮、万波副主编，参与本书编写的人员还有胡茂胜、陶留锋、陈占龙、何占军、王润、杨林、叶亚琴、李圣文、江宝得、周林、郭明强、左泽均、尹培培等，这些同志长期从事GIS软件的研究和应用开发，具有丰富的实践经验，书中融入了科研集体在近年内取得的科研成果。
由于水平有限，再加上很多内容正处在研究探索之中，书中错误在所难免，欢迎同行专家和读者批评指正。
本书免费提供电子课件，请登录司马云（www.smaryun.com）或华信教育资源网（www.hxedu. com.cn）注册后下载。

吴信才

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地理信息系统原理与方法（第四版）