地理信息系统(Geographic Information System)

仙仙

        课程名：地理信息系统(Geographic Information System)  学分：2  学时：32  
课程类别：专业教育选修课  
开课学院：海洋科学学院  所属基层教学组织：海洋信息工程系
曾任课教师：沈蔚(讲师（高校）)  
        课程大纲：
一、课程性质与目的
    “地理信息系统”课程，为农业资源与环境和环境工程专业相关选修课。课程主要讲授地理信息系统的基本概念、理论体系、功能和应用等内容。注意理论与实践结合，使学生深刻理解并牢固掌握地理信息系统的基本概念与技能，并为其后续学习和研究指引正确方向、打好坚实基础。
二、课程简介
    主要讲述地理信息系统的基本概念、原理；地理空间数据概念；空间地理数据获取及空间参考；空间数据库建立；空间分析；数字地形模型与地形分析；空间插值；空间建模与空间决策支持；空间数据的表现和可视化等内容。
三、教学内容
第1章 地理信息系统概论（2学时）
教学内容：
介绍了地理信息系统的一些最基本的、但又非常重要的概念，包括信息、数据、信息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念，如空间信息和空间数据，还将得到进一步的阐述，实际上，空间数据也是本书中描述GIS功能的核心。GIS既是一项技术，也是一门学科，本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学科，如地理学、地图学、遥感等的关系。同时介绍了GIS的组成、分类、功能、发展历史和展望。
教学目标：
了解GIS的基本概念，GIS主要研究内容和其他学科的关系，以及GIS的组成、分类、功能、发展历史和展望。
第2章 空间数据模型（3学时）
教学内容：
本章描述的是整个GIS理论中最为核心的内容。为了能够利用信息系统工具来描述现实世界，并解决其中的问题，必须对现实世界进行建模。对于地理信息系统而言，其结果就是空间数据模型。空间数据模型分类。
在各种模型中，又介绍了相关的概念，如空间划分，空间关系，以及拓扑关系的形式化描述等。最后讲述了普通的二维数据模型在空间上和时间上的扩展，时间数据模型和三维数据模型。值得注意的是，本章谈到的场模型和要素模型类同于后面提及的栅格数据和矢量数据，但是前者是概念模型；后者是指其在信息系统中的实现。
教学目标：
理解空间数据模型的场模型、要素模型和网络模型。掌握各种模型的空间关系和拓扑关系表现。
第3章 空间参照系统和地图投影（3学时，上机1学时）
教学内容：
本章讲述了地球椭球体参数、常见的投影类型。考虑到目前使用的1：100万以上地形图都是采用高斯——克吕格投影，本章最后又对该种投影类型和相关的地形图分幅标准做了简单介绍。
教学目标：
了解空间参照系，理解和掌握地图投影。
实验作业：
1、地图投影转换练习。
第4章 空间数据获取与处理（4学时，上机2学时）
教学内容：
空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方式包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等，其中已有地图的数字化录入，是目前被广泛采用的手段，也是最耗费人力资源的工作。在GIS中，录入的内容包括空间信息和非空间信息，前者是录入的主体。目前，空间信息的录入主要有两种方式，即手扶跟踪数字化和扫描矢量化，本章具体介绍了这两种方式，以及相关的算法，如曲线近似拟合，栅格图形细化跟踪等。
在图形数据录入完毕后，需要进行各种处理，包括坐标变换、拼接等等，其中最重要的是建立拓扑关系。在拓扑建立过程中，需要先对各种错误修改，本章描述了各种具体的错误情形，最后则介绍了多边形自动拓扑生成算法。
教学目标：
理解空间数据的地理参考的意义和作用，了解空间数据的获取方法，掌握矢量和栅格数据基本采集方法。
实验作业：
1、矢量数据和栅格数据的采集及处理
第5章 空间查询与空间量算（2学时，上机1学时）
教学内容：根据空间数据库，对矢量数据库，进行空间查询（图形查询，属性查询，两者结合）；空间量算（距离，面积，重心，形状等），要求注意地理坐标和投影坐标的转换和作用。
教学目标：
理解空间数据库数据结构，地理坐标和投影坐标的联系和区别。了解矢量空间检索和查询。
实验作业：
面积和距离量算
第6章 空间分析（共10学时，上机4学时）
教学内容：
本章介绍GIS中实现空间分析的基本功能，包括缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等，并描述了相关的算法，以及其中的计算公式。
教学目标：
掌握矢量数据分析方法，栅格数据分析方法。理解地图代数的含义。理解缓冲区分析、叠加分析、路径分析、空间插值、统计分类分析等空姐分析方法。了解相关算法和计算公式。
实验作业：
1、矢量数据分析方法
2、栅格数据分析方法
3、网络数据分析方法
4、空间数据插值
5、空间统计分析
第7章 数字地形模型与地形分析（4学时，上机2学时）
教学内容：
DEM和DTM主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地形参数，如坡度、坡向、粗糙度等，并进行通视分析、流域结构生成等应用分析。
本章同时介绍了这些表达方法之间的相互转换算法，如由三角网生成等高线，网格DEM生成三角网等等。
教学目标：
理解DEM和DTM的含义和区别，掌握各种地形参数提取方法，了解流域分析和通视分析的功能。掌握三角网生成等高线，网格DEM生成三角网方法。
实验作业：
1、DEM数据采集和应用
2、DEM数据建模
3、流域分析
第8章 空间建模与空间决策支持（2学时，上机1学时）
教学内容：
介绍了GIS分析功能，讲述了如何利用基本的分析，如缓冲区、叠加分析，进行组合，以完成特定的功能。后面分别介绍了空间决策支持系统、专家系统、数据仓库、元胞自动机和空间定位和配置方面的知识，这些内容，或者在其它的领域已经成熟，或者属于新兴的领域。在GIS的支持下，实现相关功能，并将其应用于空间分析，可以解决更为复杂的空间问题。
教学目标：
了解空间决策支持系统、专家系统、数据仓库、元胞自动机内容和含义，理解空间的基本分析的原理。
实验作业：
1、滑坡分析模型建模
2、购房选址模型建模
第9章 空间数据表现与地图制图（2学时，上机1学时）
教学内容：
本章最后介绍了可视化的内容，可视化与信息的感知和传输有着密切的关系，地学可视化的研究、以及在GIS中应用可视化技术，对于空间数据的广泛应用有着重要的意义。
教学目标：
了解专题制图含义，掌握地图制图方法。
实验作业：
1、一幅专题地图的制作。
上机实验安排（每次2个学时）

四、教学基本要求
（1）讲解和提问：这门课程教师在讲解过程中对基本理论，基本知识讲解清楚；对主要的生物、物理和化学过程要有适当的讲解和评论，每次上课前会针对前面一节课内容提问，需要学生复习课程。
（2）软件实践练习：这门课程的特点是内容很多，强调软件的应用，主要内容后面都有实践练习，来强化。如果联系中有问题可以通过多种方式和老师沟通，同时配套的操作视频。
（3）练习：理论部分，需要练习来强化。学生根据配套的题库来熟悉。
（4）软件熟悉：这是一门实践性非常强的学科。需要熟悉软件。软件学习能够丰富原理的理解和对科学问题的认识和分解。我们提供非常丰富软件学习材料。
五、教学方法
    本课程采用课堂教学为主，课后作业为辅助方式教学方法；使用多媒体PPT方式教学和视频辅助实践教学，提供ftp下载和上传服务；每节课后有一定实践和理论练习需要完成。实践作业完成好坏和平时成绩相关。
    考试主要采用闭卷方式，考试范围应涵盖所有讲授的内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念的记忆、掌握程度，对有关理论的理解、掌握及综合运用能力。
    总成绩组成：平时实践练习（30分），出勤和学习态度（10分），闭卷考试（60分）。
六、参考教材和阅读书目
参考教材：
地理信息系统导论，Kang-tsung chang编，陈剑飞等译，科学出版社，2003，第一版
阅读数目：
1、ArcGIS 9地理信息系统应用与实践（上、下），清华大学出版社，2007，第一版
2、空间数据库，Shashi Shekhar等著，谢昆青等译，机械工业出版社，2004，第二版
3、模拟我们的世界，ESRI公司出版，电子版，2001年
4、空间分析，郭仁中，武汉大学出版社
5、邬伦等，地理信息系统--原理、方法与应用，科学出版社，2001
GIS论坛和学习网站：
七、本课程与其它课程的联系与分工
    本课程需要空间测量和制图为基础，最好学习了遥感课程。是以后的GIS工程和其它相关学科基础。