地理信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

地理信息系統(tǒng)信息來源

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，就可以判斷出哪塊濕地在一年的某些時候會干涸。一個GIS系統(tǒng)就能夠進行這樣的分析，它能夠?qū)⒉煌瑏碓吹男畔⒁圆煌男问綉?。對于源?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坐標來標注，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志來表示。任何可以定位存放的變量都能被反饋到GIS。一些政府機構(gòu)和非政府組織正在生產(chǎn)制作能夠直接訪問GIS的計算機數(shù)據(jù)庫?？梢詫⒌貓D中不同類型的數(shù)據(jù)格式輸入GIS。GIS系統(tǒng)同時能將不是地圖形式的數(shù)字信息轉(zhuǎn)換可識別利用的形式。例如，通過分析由遙感生成的數(shù)字衛(wèi)星圖像，可以生成一個與地圖類似的有關(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)字數(shù)據(jù)的形式表現(xiàn)了現(xiàn)實世界客觀對象(公路、土地利用、海拔)。 現(xiàn)實世界客觀對象可被劃分為二個抽象概念: 離散對象(如房屋) 和連續(xù)的對象領(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，各個單元記錄的數(shù)值也可能是一個分類組（例如土地使用狀況）、一個連續(xù)的值（例如降雨量）或是當數(shù)據(jù)不是可用時記錄的一個空值。柵格數(shù)據(jù)集的分辨率取決于地面單位的網(wǎng)格寬度。通常存儲單元代表地面的方形區(qū)域，但也可以用來代表其它形狀。柵格數(shù)據(jù)既可以用來代表一塊區(qū)域，也可以用來表示一個實物。

矢量數(shù)據(jù)利用了幾何圖形例如點、線（一系列點坐標），或是面（形狀決定于線）來表現(xiàn)客觀對象。例如，在住房細分中以多邊形來代表物產(chǎn)邊界，以點來精確表示位置。矢量同樣可以用來表示具有連續(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）來表示海拔或其他連續(xù)變化的值。TIN的記錄對于這些連接成一個由三角形構(gòu)成的不規(guī)則網(wǎng)格的點進行評估。三角形所在的面代表地形表面。

利用柵格或矢量數(shù)據(jù)模型來表達現(xiàn)實既有優(yōu)點也有缺點。柵格數(shù)據(jù)設(shè)置在面內(nèi)所有的點上都記錄同一個值，而矢量格式只在需要的地方存儲數(shù)據(jù)，這就使得前者所需的存儲的空間大于后者。對于柵格數(shù)據(jù)可以很輕易地實現(xiàn)覆蓋的操作，而對于矢量數(shù)據(jù)來說要困難得多。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，而柵格數(shù)據(jù)在以圖象顯示時顯示對象的邊界將呈現(xiàn)模糊狀。

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

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。

印在紙或聚酯薄膜地圖上的現(xiàn)有數(shù)據(jù)可以被數(shù)字化或掃描來產(chǎn)生數(shù)字數(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、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產(chǎn)生能被進一步處理生成向量數(shù)據(jù)的光柵數(shù)據(jù)。

測量數(shù)據(jù)可以從測量器械上的數(shù)字數(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，并由附在平臺上的多個傳感器組成。傳感器包括攝像機、數(shù)字掃描儀和激光雷達，而平臺則通常由航空器和衛(wèi)星構(gòu)成。 大部分數(shù)字數(shù)據(jù)來源于圖片判讀和航空照片。軟拷貝工作站用來數(shù)字化直接從數(shù)字圖像的立體象對中得到的特征。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量法原理的立體象對中測量得到。現(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)字攝像機越來越便宜，這一步也就可被省略了。 衛(wèi)星遙感提供了空間數(shù)據(jù)的另一個重要來源。這里衛(wèi)星使用不同的傳感器包來被動地測量從主動傳感器如雷達發(fā)射出去的電磁波頻譜或無線電波的部分的反射系數(shù)。遙感收集可以進一步處理來標識感興趣的對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。對于向量數(shù)據(jù)，這包括關(guān)于在系統(tǒng)中的對象的附加信息。

輸入數(shù)據(jù)到GIS中后，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對于向量數(shù)據(jù)必須要“拓撲正確”才能進行一些高級分析。比如說，在公路網(wǎng)中，線必須與交叉點處的結(jié)點相連。像反沖或過沖的錯誤也必須消除。對于掃描的地圖，源地圖上的污點可能需要從生成的光柵中消除。例如，污物的斑點可能會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)來把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成不同的格式。例如，GIS可以通過在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時決定單元的空間關(guān)系，如鄰接和包含，來將衛(wèi)星圖像轉(zhuǎn)換成向量結(jié)構(gòu)。

由于數(shù)字數(shù)據(jù)以不同的方法收集和存儲，兩種數(shù)據(jù)源可能會不完全兼容。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)對齊或相配合。在數(shù)字數(shù)據(jù)被分析前，它們可能得經(jīng)過其它一些將它們整合進GIS的處理，比如，投影與坐標變換。 地球可以用多種模型來表示，對于地球表面上的任一給定點，各個模型都可能給出一套不同的坐標（如緯度，經(jīng)度，海拔）。最簡單的模型是假定地球是一個理想的球體。隨著地球的更多測量逐漸累積，地球的模型也變得越來越復雜，越來越精確。事實上，有些模型應用于地球的不同區(qū)域以提供更高的精確度（如北美坐標系統(tǒng)，1983-NAD83-只適合在美國使用，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)，因為每種投影系統(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歪曲大陸的相對尺寸（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與計算機制圖軟件相區(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？）等問題，但并不（能）回答Why（為什么？）?？臻g分析需要復雜的數(shù)學工具，其中最主要的是空間統(tǒng)計學、圖論、拓撲學、計算幾何等，其主要任務是對空間構(gòu)成進行描述和分析，以達到獲取、描述和認知空間數(shù)據(jù)；理解和解釋地理圖案的背景過程；空間過程的模擬和預測；調(diào)控地理空間上發(fā)生的事件等目的。

空間分析技術(shù)與許多學科有聯(lián)系，地理學、經(jīng)濟學、區(qū)域科學、大氣、 地球物理、水文等專門學科為其提供知識和機理。

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。

全書包括四篇。第一篇對學生進行電路焊接訓練，幫助學生了解、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)計與制作奠定基礎(chǔ)。第二篇基于訓練板對學生進行程序設(shè)計訓練，提高學生面向?qū)嶋H應用的程序設(shè)計能力。第三篇介紹Protel的基本功能和設(shè)計環(huán)境，以及使用Protel設(shè)計電路原理圖、畫元件原理圖符號、畫元件封裝圖、設(shè)計電路板的基本方法。第四篇對學生進行微控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的實際訓練，引導學生自己動手，設(shè)計與實現(xiàn)一些實際的微控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，強化硬件設(shè)計方面的訓練，提高程序設(shè)計能力。

本書可以作為高等院校計算機科學與技術(shù)、自動化、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、物聯(lián)網(wǎng)工程的IT工程技術(shù)人員的參考書。