地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

地理信息系統(tǒng)信息來(lái)源

如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片聯(lián)系起來(lái)，就可以判斷出哪塊濕地在一年的某些時(shí)候會(huì)干涸。一個(gè)GIS系統(tǒng)就能夠進(jìn)行這樣的分析，它能夠?qū)⒉煌瑏?lái)源的信息以不同的形式應(yīng)用。對(duì)于源數(shù)據(jù)的基本要求是確定變量的位置。位置可能由經(jīng)度、緯度和海拔的x，y，z坐標(biāo)來(lái)標(biāo)注，或是由其他地理編碼系統(tǒng)比如ZIP碼，又或是高速公路英里標(biāo)志來(lái)表示。任何可以定位存放的變量都能被反饋到GIS。一些政府機(jī)構(gòu)和非政府組織正在生產(chǎn)制作能夠直接訪問(wèn)GIS的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)?？梢詫⒌貓D中不同類型的數(shù)據(jù)格式輸入GIS。GIS系統(tǒng)同時(shí)能將不是地圖形式的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換可識(shí)別利用的形式。例如，通過(guò)分析由遙感生成的數(shù)字衛(wèi)星圖像，可以生成一個(gè)與地圖類似的有關(guān)植被覆蓋的數(shù)字信息層。

同樣，人口調(diào)查或水文表格數(shù)據(jù)也可在GIS系統(tǒng)中被轉(zhuǎn)換成作為主題信息層的地圖形式。

地理信息系統(tǒng)資料展現(xiàn)

GIS數(shù)據(jù)以數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的形式表現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界客觀對(duì)象(公路、土地利用、海拔)。 現(xiàn)實(shí)世界客觀對(duì)象可被劃分為二個(gè)抽象概念: 離散對(duì)象(如房屋) 和連續(xù)的對(duì)象領(lǐng)域(如降雨量或海拔)。這二種抽象體在GIS系統(tǒng)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)主要的二種方法為：柵格（網(wǎng)格）和矢量。

柵格（網(wǎng)格）數(shù)據(jù)由存放唯一值存儲(chǔ)單元的行和列組成。它與柵格（網(wǎng)格）圖像是類似的，除了使用合適的顏色之外，各個(gè)單元記錄的數(shù)值也可能是一個(gè)分類組（例如土地使用狀況）、一個(gè)連續(xù)的值（例如降雨量）或是當(dāng)數(shù)據(jù)不是可用時(shí)記錄的一個(gè)空值。柵格數(shù)據(jù)集的分辨率取決于地面單位的網(wǎng)格寬度。通常存儲(chǔ)單元代表地面的方形區(qū)域，但也可以用來(lái)代表其它形狀。柵格數(shù)據(jù)既可以用來(lái)代表一塊區(qū)域，也可以用來(lái)表示一個(gè)實(shí)物。

矢量數(shù)據(jù)利用了幾何圖形例如點(diǎn)、線（一系列點(diǎn)坐標(biāo)），或是面（形狀決定于線）來(lái)表現(xiàn)客觀對(duì)象。例如，在住房細(xì)分中以多邊形來(lái)代表物產(chǎn)邊界，以點(diǎn)來(lái)精確表示位置。矢量同樣可以用來(lái)表示具有連續(xù)變化性的領(lǐng)域。利用等高線和不規(guī)則三角形格網(wǎng)（TIN）來(lái)表示海拔或其他連續(xù)變化的值。TIN的記錄對(duì)于這些連接成一個(gè)由三角形構(gòu)成的不規(guī)則網(wǎng)格的點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。三角形所在的面代表地形表面。

利用柵格或矢量數(shù)據(jù)模型來(lái)表達(dá)現(xiàn)實(shí)既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。柵格數(shù)據(jù)設(shè)置在面內(nèi)所有的點(diǎn)上都記錄同一個(gè)值，而矢量格式只在需要的地方存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這就使得前者所需的存儲(chǔ)的空間大于后者。對(duì)于柵格數(shù)據(jù)可以很輕易地實(shí)現(xiàn)覆蓋的操作，而對(duì)于矢量數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)要困難得多。矢量數(shù)據(jù)可以像在傳統(tǒng)地圖上的矢量圖形一樣被顯示出來(lái)，而柵格數(shù)據(jù)在以圖象顯示時(shí)顯示對(duì)象的邊界將呈現(xiàn)模糊狀。

除了以幾何向量坐標(biāo)或是柵格單元位置來(lái)表達(dá)的空間數(shù)據(jù)外，另外的非空間數(shù)據(jù)也可以被存儲(chǔ)。在矢量數(shù)據(jù)中，這些附加數(shù)據(jù)為客觀對(duì)象的屬性。例如，一個(gè)森林資源的多邊形可能包含一個(gè)標(biāo)識(shí)符值及有關(guān)樹(shù)木種類的信息。在柵格數(shù)據(jù)中單元值可存儲(chǔ)屬性信息，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關(guān)的標(biāo)識(shí)符。

地理信息系統(tǒng)資料采集

數(shù)據(jù)采集——向系統(tǒng)內(nèi)輸入數(shù)據(jù)——它占據(jù)了GIS從業(yè)者的大部分時(shí)間。有多種方法向GIS中輸入數(shù)據(jù)，在其中它以數(shù)字格式存儲(chǔ)。

印在紙或聚酯薄膜地圖上的現(xiàn)有數(shù)據(jù)可以被數(shù)字化或掃描來(lái)產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字化儀從地圖中產(chǎn)生向量數(shù)據(jù)作為操作符軌跡點(diǎn)、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產(chǎn)生能被進(jìn)一步處理生成向量數(shù)據(jù)的光柵數(shù)據(jù)。

測(cè)量數(shù)據(jù)可以從測(cè)量器械上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)收集系統(tǒng)中被直接輸入到GIS中。從全球定位系統(tǒng)（GPS）——另一種測(cè)量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到GIS中。遙感數(shù)據(jù)同樣在數(shù)據(jù)收集中發(fā)揮著重要作用，并由附在平臺(tái)上的多個(gè)傳感器組成。傳感器包括攝像機(jī)、數(shù)字掃描儀和激光雷達(dá)，而平臺(tái)則通常由航空器和衛(wèi)星構(gòu)成。 大部分?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于圖片判讀和航空照片。軟拷貝工作站用來(lái)數(shù)字化直接從數(shù)字圖像的立體象對(duì)中得到的特征。這些系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)以二維或三維捕捉，它們的海拔直接從用照相測(cè)量法原理的立體象對(duì)中測(cè)量得到?，F(xiàn)今，模擬航空照片先被掃描然后再輸入到軟拷貝系統(tǒng)，但隨著高質(zhì)量的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)越來(lái)越便宜，這一步也就可被省略了。 衛(wèi)星遙感提供了空間數(shù)據(jù)的另一個(gè)重要來(lái)源。這里衛(wèi)星使用不同的傳感器包來(lái)被動(dòng)地測(cè)量從主動(dòng)傳感器如雷達(dá)發(fā)射出去的電磁波頻譜或無(wú)線電波的部分的反射系數(shù)。遙感收集可以進(jìn)一步處理來(lái)標(biāo)識(shí)感興趣的對(duì)象和類例如土地覆蓋的光柵數(shù)據(jù)。

除了收集和輸入空間數(shù)據(jù)之外，屬性數(shù)據(jù)也要輸入到GIS中。對(duì)于向量數(shù)據(jù)，這包括關(guān)于在系統(tǒng)中的對(duì)象的附加信息。

輸入數(shù)據(jù)到GIS中后，通常還要編輯，來(lái)消除錯(cuò)誤，或進(jìn)一步處理。對(duì)于向量數(shù)據(jù)必須要“拓?fù)湔_”才能進(jìn)行一些高級(jí)分析。比如說(shuō)，在公路網(wǎng)中，線必須與交叉點(diǎn)處的結(jié)點(diǎn)相連。像反沖或過(guò)沖的錯(cuò)誤也必須消除。對(duì)于掃描的地圖，源地圖上的污點(diǎn)可能需要從生成的光柵中消除。例如，污物的斑點(diǎn)可能會(huì)把兩條本不該相連的線連在一起。

地理信息系統(tǒng)資料操作

GIS可以執(zhí)行數(shù)據(jù)重構(gòu)來(lái)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成不同的格式。例如，GIS可以通過(guò)在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時(shí)決定單元的空間關(guān)系，如鄰接和包含，來(lái)將衛(wèi)星圖像轉(zhuǎn)換成向量結(jié)構(gòu)。

由于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以不同的方法收集和存儲(chǔ)，兩種數(shù)據(jù)源可能會(huì)不完全兼容。因此GIS必須能夠?qū)⒌乩頂?shù)據(jù)從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換到另一種結(jié)構(gòu)。

地理信息系統(tǒng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

財(cái)產(chǎn)所有權(quán)地圖與土壤分布圖可能以不同的比例尺顯示數(shù)據(jù)。GIS中的地圖數(shù)據(jù)必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的數(shù)據(jù)對(duì)齊或相配合。在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被分析前，它們可能得經(jīng)過(guò)其它一些將它們整合進(jìn)GIS的處理，比如，投影與坐標(biāo)變換。 地球可以用多種模型來(lái)表示，對(duì)于地球表面上的任一給定點(diǎn)，各個(gè)模型都可能給出一套不同的坐標(biāo)（如緯度，經(jīng)度，海拔）。最簡(jiǎn)單的模型是假定地球是一個(gè)理想的球體。隨著地球的更多測(cè)量逐漸累積，地球的模型也變得越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越精確。事實(shí)上，有些模型應(yīng)用于地球的不同區(qū)域以提供更高的精確度（如北美坐標(biāo)系統(tǒng)，1983-NAD83-只適合在美國(guó)使用，而在歐洲卻不適用）。

投影是制作地圖的基礎(chǔ)部分，它是從地球的一種模型中轉(zhuǎn)換信息的數(shù)學(xué)方法，它將三維的彎曲表面轉(zhuǎn)換成二維的媒介（比如紙或電腦屏幕）。不同類型的地圖要采用不同的投影系統(tǒng)，因?yàn)槊糠N投影系統(tǒng)有其自身的合適的用途。比如一種可以精確反映大陸形狀的投影會(huì)歪曲大陸的相對(duì)尺寸（翻譯的是英文的維基百科）

地理信息系統(tǒng)空間分析

空間分析能力是GIS的主要功能，也是GIS與計(jì)算機(jī)制圖軟件相區(qū)別的主要特征?？臻g分析是從空間物體的空間位置、聯(lián)系等方面去研究空間事物，以及對(duì)空間事物做出定量的描述。一般地講，它只回答What（是什么？）、Where（在哪里？）、How（怎么樣？）等問(wèn)題，但并不（能）回答Why（為什么？）?？臻g分析需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，其中最主要的是空間統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖論、拓?fù)鋵W(xué)、計(jì)算幾何等，其主要任務(wù)是對(duì)空間構(gòu)成進(jìn)行描述和分析，以達(dá)到獲取、描述和認(rèn)知空間數(shù)據(jù)；理解和解釋地理圖案的背景過(guò)程；空間過(guò)程的模擬和預(yù)測(cè)；調(diào)控地理空間上發(fā)生的事件等目的。

空間分析技術(shù)與許多學(xué)科有聯(lián)系，地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、區(qū)域科學(xué)、大氣、 地球物理、水文等專門學(xué)科為其提供知識(shí)和機(jī)理。

除了GIS軟件捆綁空間分析模塊外，也有一些專用的空間分析軟件，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。

全書(shū)包括四篇。第一篇對(duì)學(xué)生進(jìn)行電路焊接訓(xùn)練，幫助學(xué)生了解、熟悉電子元器件的類型、特征，逐步掌握電子元器件的焊接技術(shù)，為微控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)與制作奠定基礎(chǔ)。第二篇基于訓(xùn)練板對(duì)學(xué)生進(jìn)行程序設(shè)計(jì)訓(xùn)練，提高學(xué)生面向?qū)嶋H應(yīng)用的程序設(shè)計(jì)能力。第三篇介紹Protel的基本功能和設(shè)計(jì)環(huán)境，以及使用Protel設(shè)計(jì)電路原理圖、畫(huà)元件原理圖符號(hào)、畫(huà)元件封裝圖、設(shè)計(jì)電路板的基本方法。第四篇對(duì)學(xué)生進(jìn)行微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的實(shí)際訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生自己動(dòng)手，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一些實(shí)際的微控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，強(qiáng)化硬件設(shè)計(jì)方面的訓(xùn)練，提高程序設(shè)計(jì)能力。

本書(shū)可以作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動(dòng)化、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、電子技術(shù)等專業(yè)的輔助教材，也可以作為有志于從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)工程的IT工程技術(shù)人員的參考書(shū)。