开源地理信息系统QGIS空间分析教程

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第1章 GIS的基本概念与QGIS软件简介
　　1.1 地理信息系统的概念和组成
　　地理空间（geographical space）是指地球表面及近地表空间，即地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。地理空间中的空间事物（简称地物，如山川、海洋等）或地理现象（如城市群、土地类型等）代表了现实世界。正如人们使用文字处理器在计算机上编写文档和处理文字一样，人们也可以使用地理信息系统（geographic information system，GIS）应用程序在计算机上处理地理事物的空间信息。GIS即人们通过对各种各样的地理现象的观察抽象、综合取舍、编码和简化，将其以数据形式存入计算机内进行操作处理，从而达到对现实世界规律进行再认识和分析决策目的的计算机系统（汤国安等，2019）。
　　如图1-1所示，GIS是由计算机系统、地理空间信息和数据处理功能组成的，可以实现地理空间信息的存储、检索、分析和可视化。
　　图1-1 GIS的组成
　　图1-2使用具体事例说明了GIS的概念。地物的地理空间信息可划分为空间信息与属性信息两部分，分别通过空间数据和属性数据来进行描述，其数据一般以文件形式或数据库的形式存储。通常而言，空间信息以点状、线状和面状三种空间实体类型进行描述。点状地物例子：便利店可以用点来表示，坐标值（纬度和经度）描述其所处的地理空间位置，属性数据描述店铺名称和所有者等非空间信息，空间数据和属性数据间使用唯一的标识码（在本例子中是店铺编号）相关联。线状地物例子：公共汽车路线可以用线来表示，其空间数据描述线路的形状和位置，属性数据则描述每条线路的相关说明信息，如线路名、运营公司、公交车站等。面状地物例子：城市的区划可用多边形表示，描述其形状和位置，属性数据可以是区划名称、面积、土地利用类别、人口数量等。
　　图1-2 GIS的概念
　　将地理空间信息数据储存在计算机内的目的是利用GIS对地物进行检索与分析，并通过地图展现，实现信息的空间可视化，例如，可以把店铺和人口分布的“两张”空间数据图层进行“叠加”（即GIS中的空间叠置分析），将商店的信息与周边人口的信息融为一体，再通过检索与分析，就可以得到一个关于商圈的范围、规模及人口结构等全新信息的结果。
　　用户在使用GIS软件时，可以首先启动GIS的数字背景地图（又称为底图），然后将研究对象的地理空间数据添加到GIS中，通过创建专题地图及进行空间分析等方式得到期望的结果。近年来，在区域研究，特别是区域政策研究领域中，GIS的重要性更加突出。GIS所具备的数据可视化和空间分析功能对区域研究的再度兴起起到了很大的作用。在地理科学和计算机科学的带动下，GIS的功能逐渐完善，成为自然和人文社会科学领域最为重要的分析工具之一。
　　1.2 地理空间信息及其空间数据模型
　　地理空间信息是由地物的空间位置及其属性信息来定义的。地理空间信息定量地描述现实世界的地物。然而这并不是忠实地表现现实世界，而是对现实世界的抽象表现。图1-3是地理空间信息中抽象化概念的示意。
　　这里所说的抽象化意味着理想化和简单化。首先，定量描述地球的真实形状，需要复杂的测量和计算。在这种情况下，如果将地球形状理想化为“椭球体”，测量和计算就可以在不破坏研究对象本质的情况下容易很多。其次，无视现实世界中如建筑物等地物的细节，只取其粗略的轮廓，即地物的简单化。经过理想化和简单化的处理，以简洁的地理空间信息结构，在普通计算机上快速地计算、分析与显示复杂的现实世界的空间信息。
　　在实际应用中，地理空间信息是通过地理空间数据模型实现的。具体地说，地理空间数据模型由空间数据结构和属性数据结构构成。例如，图1-4中所示的静安寺的数据模型中，空间数据结构表示建筑物的位置和形状，而属性数据结构可以连接寺院的历史、建筑物的构造和名称，以及对外营业时间等。
　　图1-3 地理空间信息的抽象化
　　换言之，通常的GIS数据是空间数据和属性数据的综合体，包括空间特征、属性特征。其中，空间特征用来说明“在哪里”“邻近哪个目标”，它描述事物或现象的地理位置及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑特征。例如，静安寺院内的建筑物的位置及形状，院内建筑物与参观者通道的位置关系，寺院与地铁车站的邻近关系等。而属性特征用来说明“是什么”“叫什么”，如寺院建筑物的名称、历史及各类设施的介绍等。
　　图1-4 地理空间信息模型示意图
　　空间数据结构一般是指支持上述地理空间信息模型的计算机数据结构。空间数据结构可以分为基于矢量的数据结构（vector data structure）和基于栅格的数据结构（raster data structure）两种基本类型。
　　基于矢量的数据结构通过记录实体坐标及其关系，通过点、线、面来表示地理实体的位置、长度、形状和面积等空间属性。如图1-5所示，学校和医院用点（point）、道路用线（line）、行政区域用面（polygon）三种类型的矢量数据来表示。基于矢量的数据结构是一种高效的图形数据结构，可对复杂数据以最小的数据冗余进行存储，具有数据精度高、存储空间小等特点（汤国安等，2019）。
　　图1-5 栅格数据和矢量数据示意图
　　基于栅格的数据结构以规则栅格阵列及栅格单元上的数值来表示连续的空间场数据，如地面高程、降水、气温和人口分布等。如图1-5所示，将人口分布的计算值储存在栅格阵列中，这样人口分布就以连续性的地理分布形式显示其空间格局特征。栅格数据的优点是数据结构简单、数学模拟方便。其缺点是数据量大；难以建立实体间的拓扑关系；通过改变分辨率减少数据量时，精度和信息量同时受损等（汤国安等，2019）。
　　不同数据图层的叠加（overlay）是GIS实现数据可视化与空间分析的重要手段。通常将具有同一属性的空间数据归纳为一个空间数据，如图1-5中的点（学校、医院）、线（道路）、面（行政区域）及栅格（人口分布）分别以4种空间数据来表示。如图1-6所示，将这些栅格数据文件和矢量数据文件在GIS的数据图层面板（layer panel）中叠加显示，从而使得具有不同性质的地理现象直观地融汇于一张地图中，实现了数据可视化的效果。
　　由于不同数据的叠加是在相同的坐标系中的相同位置进行的。这样的叠加又为实现不同地物的空间邻近性分析提供了必要的条件。如图1-6所示，将学校、医院的点分别与道路数据及人口密度数据进行叠加，可以分析出学校周边、医院周边的人口密度，这对确定学校和医院的设施规模十分重要。同时，可以利用道路信息计算抵达学校及医院的最短路径和时间。上述便是人们常说的GIS空间分析。
　　图1-6 矢量数据与栅格数据的叠加
　　1.3 大地测量系统和坐标系
　　在将地理空间信息纳入GIS时，用户首先要面对的是大地测量系统和坐标系的选择。也就是说，地球上地物的位置是以怎样的基准来确定的，实物之间的距离是怎样测量的，三维地表又是如何表现在二维地图上的。这些问题的回答需要关于地球大地测量系统和坐标系的基础知识。
　　众所周知，地球上地物的位置是由纬度和经度决定的。另外，纬度和经度虽然是以大地测量系统为基准测量的，但实际上迄今为止各国都采用了各种各样的独立（不同）的大地测量系统。图1-7说明了大地测量系统的变更产生的位置偏差现象。基于上海地方坐标系统的全球定位系统（global positioning system，GPS）测量的实际点位均在图1-8附近的主要道路上，而按坐标叠置到基于西安坐标系统的地图上却出现了明显的偏差，有些点甚至落入了黄浦江。
　　图1-7 GPS实测点与国家标准地形图匹配状况
　　之所以会出现上述偏差，是因为不同的地图采用了不同的坐标系。一个完整的地理坐标系包含两个要素：一是采用的基准地球椭球的参数；二是基于基准地球椭球坐标系。坐标系是用数值决定地球表面地物位置的系统，分为地理坐标系和平面投影坐标系。地理坐标系可以利用纬度和经度来唯一地标记世界上所有地物的位置。但是，仅纬度和经度不能满足日常生活需要。例如，通过纬度和经度的概念很难把握“距离”的印象。另外，如果将圆形地球表面的距离表现在平面地图上，必然会产生“扭曲”。为了将失真降到最低限度，使用投影坐标系。投影坐标系的图像如图1-8所示，在地表局部垂直平面上投影地形可以抑制投影中心部分的图形失真。在多个垂直平面上连续投影，产生投影坐标系的地图。在投影坐标系地图中，物体的位置用（x，y）坐标表示，物体间的距离也可以用坐标求出。中国常用的地图投影方法和适用范围见表1-1。