标题：地理信息系统原理
原理性描述
地理信息系统的基本概念，系统的构成，功能及其运行环境，系统所具有的空间特征，数据的采集、组织与管理，数据结构和数学模型，系统的设计方法、原则、模式以及步骤。开发的系统具有采集、管理、分析和以多种方式输出地理空间信息的能力，为管理和决策服务，使系统具有快速、准确并能综合的对复杂的地理系统进行空间分析和过程的动态分析。
表达
一、如何用计算机来描述和表达地理现象？
凭借计算机来研究地理，首先需要解决的问题是：如何用计算机来描述和表达地理现象？在这之前，古人用各种形式的纸张地图和各种文字数据等资料来描述地理现象，这些资料大都通过测量和调查等方式获取的。现在有了计算机，那用计算机该如何展现地图和各种文字数据等资料呢？古人借助坐标，通过测量把地理上的现象描绘到纸张上，那自然我们也会想到用同样的思路，用坐标来描述，用图形来展现地图。经过抽象，分别用点（X,Y),线（X0,Y0,X1,Y1……Xn,Yn)，面（X0,Y0,X1,Y1……Xn-1,Yn-1,X0,Y0）这三种坐标形式来表达各种地理现象.各种相关的文字数据等资料，将以属性字段的形式来描述.这种就是我们通常所说的矢量数据.而另一种描述方式——栅格数据，就是我们通常看到的图象，是由栅格所组成，每个栅格所在的位置和地理的相应区域是对应的，象素值就是对应的属性值。
二、如何用计算机来存储地理数据?
在计算机中，数据的存储表达形式无非就两种形式：1，二进制；2，字符（其实字符最终也是二进制）.在GIS中，用二进制或者字符来存储坐标（属性值同理），坐标浮点型，可以用二进制4或者8个字节来存储，或者也可以用字符串的形式（不过麻烦的是，解析字符串不是很高效），把这一系列的坐标二进制数据以一定的结构保存起来，我们常见的shp格式，就是二进制的.在数据库中，可以用二进制BLOB字段类型来存储坐标序列，也可以用字符串字段类型.栅格数据通常是存储每个象素的值，也是基本数据类型，比如int,double,char等. 整个图象以矩阵或者矩阵的压缩形式来存储的.
三、如何用计算机对这些数据进行处理分析?
空间数据的处理，就是根据应用分析的需求，采用一种算法，对空间数据进行运算.对矢量而言，就是对地理坐标点进行运算，比如空间关系的判断，就是根据地物的坐标位置，用一种算法来判断地物之间的拓扑关系；数据编辑，也是对地物的坐标进行操作；.对栅格数据，就是对栅格象素进行运算，比如二值化，两个栅格图象的叠置运算.
四、如何用计算机来展现地理信息?
地理信息的展示，通常以图形图象或者表格的方式来展现，也是用户操作的UI接口.这里涉及到如何把地理坐标用图形的方式展现出来，如何把图象栅格展现出来?这里涉及到一个共同的问题就是把地理坐标转换成屏幕显示坐标，因为我们最终是要通过屏幕来显示的，如何在屏幕上定位一个地物的坐标，必然涉及到两者的转换.同时地理信息的展现也涉及到如何渲染的问题，主要表现在地图符号化上，采用不同的形状，不同的颜色，不同大小粗细来表达不同数量，不同质量的信息.
系统内涵
当然，地理信息系统内涵是很丰富的，涉及到的学科也是非常多的，并不仅仅局限于这里所介绍的几个方面，一些前沿的研究课题已经引起了很多学者的关注和研究，比如时态GIS，三维虚拟现实，模式识别，空间数据挖掘，知识发现…
模型
地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。
栅格数据模型（Raster Data Model) 
矢量数据模型（Vector Data Model) 
对象数据模型（Object Data Model)
矢量数据结构数据结构：将数据模型的概念性描述进行具体的存储与表现
矢量数据结构概念：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。
数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。
矢量数据表达
矢量数据表达—简单数据结构：
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称面条结构）。
适用范围：
制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
这种数据结构具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等优点。但这种方法也有以下明显缺点：）相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系。
矢量数据表达—拓扑数据结构：
不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系 
表达对象：关联关系 
采用拓扑关系的原则：应用目的 
制图或一般查询，可不要拓扑结构； 
空间分析，则应建立拓扑关系。
栅格数据结构定义：
以规则像元阵列表示空间对象的数据结构，阵列中每个数据表示空间对象的属性特征。
栅格结构的特点
1） 离散的量化栅格值表示空间对象 
2） 位置隐含,属性明显 
3） 数据结构简单，易于遥感数据结合，但数据量大 
4） 几何和属性偏差 
5） 面向位置的数据结构，难以建立空间对象之间的关系
书籍基本信息
作者 ：李建松 
ISBN ：7307051044 
页数 ：319 
开本 ：16开 
封面形式 ：简装本 
出版社：武汉大学出版社 
出版日期 ：2006-8-1 
《地理信息系统原理》课是地理信息系统专业方向及专业特色课，本教学大纲适用于地理信息系统专业本科生教学。通过本课程的学习，使学生了解地理信息系统的产生背景、功能、应用领域及发展方向；掌握GIS的基本概念、GIS的数据结构、GIS数据输入存储编辑方法、GIS空间分析方法、GIS产品等知识点；懂得如何利用GIS去解决实际问题的思路。在学完本课程后，学生应对GIS有一个较全面的了解，提高利用GIS解决实际问题的能力。
书籍内容简介
本书为读者提供了地理信息系统的基本概念、基本理论和基该方法。共分七个部分，分别介绍了GIS的基本知识、空间数据的处理方法、空间分析的原理与方法、GIS的输出和地学可视化、GIS应用工程设计、GIS的高级应用技术。图文并茂，内容丰富、新颖，贴近科学前沿，是一本优秀的教材。
书籍目录
第一部分 地理信息系统的科学和技术基础
第一章 地理信息系统的科学基础
第一节 地球系统科学
第二节 地球信息科学
第三节 地理信息科学
第四节 地球空间信息科学
第五节 地理信息系统
练习与思考题
第二章 地理信息系统的基础理论
第一节 地理系统理论
第二节 地理信息理论
第三节 地理（地球）空间认知理论
练习与思考题
第三章 地理信息系统概述
第一节 地理信息系统的基本概念
第二节 地理信息系统的构成
第三节 地理信息系统的功能
第四节 地理信息系统与相关学科的关系
第五节 地理信息系统发展简史
练习与思考题
第四章 地理信息系统的技术基础
第一节 数据采集技术
第二节 计算机网络工程技术
第三节 现代通信技术
第四节 软件工程技术
第五节 信息安全技术
第六节 网络空间信息传输技术
第七节 虚拟现实与仿真技术
练习与思考题
第一部分综合实习
第二部分 地理空间数据组织与管理
第五章 地理空间信息基础
第一节 地理空间信息的描述方法
第二节 矢量数据的属性描述
第三节 矢量数据的类型和空间关系
第四节 元数据
练习与思考题
第六章 地理空间数据模型
第一节 地理空间数据模型的概念
第二节 地理空间数据的基本特征和描述内容
第三节 空间数据的分类编码和数据分层
第四节 空间数据的空间索引
第五节 空间数据模型
练习与思考题
第七章 地理空间数据结构
第一节 无拓扑矢量数据结构
第二节 拓扑数据结构
第三节 栅格数据结构
第四节 数字高程模型数据结构
第五节 四叉树和八叉树数据结构
第六节 其它数据结构
练习与思考题
第八章 地理空间数据库
第一节 数据库的概念
第二节 数据库的系统结构
第三节 数据库管理系统的功能与组成
第四节 空间数据库管理系统的管理模式
第五节 地理数据库中的时间维
练习与思考题
第二部分综合实习
第三部分 地理空间数据的获取与处理
第九章 地理空间数据获取
第一节 数据源的种类
第二节 数据采集的方法
练习与思考题
第十章 空间数据的编辑
第一节 图形数据的编辑
第二节 图形数据的几何纠正
第三节 图幅的拼接
第四节 网络特征元素的编辑
第五节 文本数据的编辑
练习与思考题
第十一章 空间数据的处理方法
第一节 图形屏幕编辑的基本操作算法
第二节 空间数据的拓扑关系自动生成
第三节 空间数据的压缩编码方法
第四节 空间数据的格式转换
第五节 矢量数据和栅格数据的转换
练习与思考题
第十二章 地理空间数据的质量
第一节 GIS数据质量的概念
第二节 GIS数据质量的研究方法
第三节 空间数据的不确定性
练习与思考题
第三部分综合实习
第四部分 空间分析基本原理和方法
第十三章 空间数据分析的计算模型
第一节 关于分析计算模型的一般知识
第二节 GIS的空间计算模型
练习与思考题
第十四章 空间查询与统计方法
第一节 GIS常用的空间统计分析模型
第二节 空间数据的查询
第三节 属性数据的查询统计
练习与思考题
第十五章 空间分析方法
第一节 栅格数据分析的基本模式
第二节 矢量数据分析的基该方法
第三节 网络分析应用
第四节 基于地形的空间分析
练习与思考题
第四部分综合实习
第五部分 地理信息系统产品输出及可视化
第十六章 地理信息系统产品输出
第一节 地理信息系统产品的输出系统
第二节 地理信息系统产品的类型
练习与思考题
第十七章 空间信息可视化技术方法
第一节 可视化的概念
第二节 可视化的技术方法
第三节 三维虚拟GIS（VR-GIS）的应用
练习与思考题
第五部分综合实习
第六部分 地理信息系统工程设计与标准化
第十八章 地理信息系统工程设计
第一节 地理信息系统工程的设计模式与程序评价模式
第二节 地理信息系统工程设计的内容与过程
第三节 地理信息系统工程的系统分析
第四节 地理信息工程的系统设计
第五节 地理信息系统工程的实施设计
第六节 地理信息系统工程的运行维护设计
练习与思考题
第十九章 地理信息系统的标准化
第一节 地理信息系统标准化的作用
第二节 地理信息系统标准化的内容
练习与思考题
第七部分 地理信息系统的高级技术
第二十章 分布式地理信息系统
第一节 GIS计算环境发展回顾
第二节 分布式地理信息系统的概念
第三节 分布式地理信息系统的体系结构
第四节 分布式地理信息系统的计算模式
第五节 分布式地理信息系统的计算技术
练习与思考题
第二十一章 空间信息基础设施与数字工程
第一节 空间数据基础设施
第二节 “数字地球”的概念与框架
第三节 “数字城市”的概念、框架和建设技术
第四节 “数字流域”的概念和框架
练习与思考题
第二十二章 空间信息网格
第一节 空间信息网格的概念
第二节 空间信息网格的计算
第三节 空间信息网格技术与GIS
第四节 网格GIS的体系结构
练习与思考题
第二十三章 空间数据的互操作
第一节 空间数据互操作的概念
第二节 互操作的实现技术
练习与思考题
第二十四章 地理信息系统的集成
第一节 地理信息系统集成的概念
第二节 “3S”技术集成
第三节 多源数据的集成
第四节 GIS与专家系统的集成
第五节 GIS与应用分析模型的集成
练习与思考题