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GIS复习资料
第一章 概论
一、GIS基本概念
1.信息和地理信息
2.信息系统和GIS
3.GIS与相关学科
4.GIS的类型
二、GIS的组成和功能
1.GIS的基本组成
2.GIS的硬件组成
3.GIS软件系统
4.GIS软件的主要功能
三、GIS的发展和展望
1.GIS的发展史
2.GIS发展动态
考点：
1.掌握基本概念
信息是经过加工后的数据，是现实世界在人们头脑中的反映。
信息的特性：
客观性、适用性、传输性、共享性
信息与数据的关系：
数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。
只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。
地理信息：
指与研究对象的空间地理分布有关的信息。
它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。
特点：
地域性、多维结构、时序特征
信息系统：
能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。
具有采集、管理、分析和表达数据的能力。
地理信息系统
由计算机硬件、软件和不同方法组成的，具有支持空间数据的获取、管理、分析、建模和显示功能，并可解决复杂的规划和管理功能的信息系统。
（书P3）
区别与联系
2.GIS的基本构成（硬件、软件）
从计算机的角度看，GIS是由软件、硬件、空间数据和用户（系统的使用和维护人员或应用模型）组成。
用户（GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户）
软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统）
硬件（各种设备-物质基础）
数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础）
3.GIS的主要功能（P14）
空间数据输入输出管理、空间数据库管理、空间数据处理和分析、专业应用模型
4.GIS的发展前景
1）从GIS含义看其发展：
随着网络时代的到来，GIS正在像地理信息服务方向走进千家万户。
GIS=GeographicInformationService
2）理论、技术和方法角度：
1、三维GIS理论与技术
2、时态GIS理论与技术
3、地理信息系统建模
4、面向对象理论和技术
3）从应用角度：
1、数据标准化：
2、平台网络化：
意味着将逐步从单机转入网络工作环境。
3、开发组件化：
4、系统集成化：
5、应用社会化：
第二章 空间数据模型和空间数据结构
1、地理空间概述
2、空间数据的特点
3、空间数据模型
4、矢量数据结构
5、栅格数据结构
6、矢量栅格一体化数据结构
考点：
1.空间数据的特点
空间性：
空间实体的位置或所处的地理位置、空间实体的几何特征以及空间实体间的拓扑关系，从而形成了空间实体的位置、形态以及由此产生的一系列特性。
专题性（属性）：
一个坐标位置上地理信息具有的专题属性信息。
时间性：
空间数据的空间特征和属性特征随时间变化的动态变化特征，即时序特性
2.空间数据模型：
包括哪几部分，如何实现？
在GIS领域，由现实世界到GIS的抽象过程分为三个层次：
（1）空间概念数据模型
根据不同的应用目标，空间概念数据模型可以归纳为如下三种类型：
域（场）模型、实体模型也称要素模型、要素模型的派生模型
（2）空间逻辑数据模型
主要是对真实世界进行抽象提取，构建一个代表该真实世界的模型。
主要体现在空间数据库的设计上，其中关系数据模型及其扩展成为当今主要的空间逻辑数据模型。
（3）空间物理数据模型：
数据抽象的最低层，它描述空间数据在计算机物理存储介质上的组织结构，空间存取方法和数据库总体存储结构等。
建模过程：
选择空间数据模型、选择空间数据结构、选择合理的空间数据存储方式（P25）
3.矢量数据结构及其表达方式
矢量数据结构：
基于矢量模型的数据结构
矢量数据的位置、形状表达
（1）0维矢量－－点状实体（实体点、注记点、内点、角点）
（2）一维矢量－－线状实体（特性：
实体长度、弯曲度、方向性；线状实体包括：
线段，边界、链、弧段、网络等）
（3）二维矢量－－面状实体（特征：
a面积范围b周长c独立性或与其它地物相邻d内岛屿或锯齿状外形e重叠性与非重叠性）
（4）三维矢量－－体状实体
矢量数据空间关系表达
（1）拓扑空间关系
（2）顺序空间关系
（3）度量空间关系
矢量数据编码方式
（1）实体式
（spaghetti）--面条模型:
以实体为单位记录其坐标
（2）索引式（树状）
对所有点的坐标按顺序建坐标文件，再建点与边（线）、线与多边形的索引文件。
（3）双重独立式编码
简称DIME（DualIndependentMapEncoding），是美国人口统计系统采用的一种编码方式，是一种拓扑编码结构。
（4）链状双重独立式编码--拓扑数据结构
4.栅格数据结构及其表达方式（P45）
栅格数据结构：
基于栅格模型的数据结构
栅格数据位置形状的表达
0维－－点：
由单个栅格表达。
一维－－线：
由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达。
二维－－面：
由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。
栅格单元的位置坐标的确定
栅格数据的空间关系表达
栅格数据的属性表达
5.矢量数据结构和栅格数据结构的比较
优点
缺点
矢量
1、数据结构紧凑，精度高
2、便于表示空间实体及拓扑关系
3、便于表示网络关系，进行网络分析
4、图形显示质量好，精度高
5、便于面向对象实现空间查询和分析
1、数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准化和规范化，数据交换困难。
2、多边形叠置分析困难，没有栅格有效，表达空间变化性能力差。
3、不易同RS结合
4、表达空间变化性能的能力差
5、不易实现数学模型
栅格
1、结构简单，定位存取性能好
2、易实现数据共享
3、便于地形分析和数学模拟
4、易于RS结合
5、能有效表达空间可变性
1、数据量大
2、投影转换复杂
3、图形质量差
4、难于表达空间实体及拓扑关系
5、难于表达网络关系
二、矢量、栅格数据结构的选择
在GIS建立过程中，应根据应用目的和应用特点、可能获得的数据精度以及地理信息系统软件和硬件配置情况，选择合适的数据结构。
栅格结构:
大范围小比例尺的自然资源、环境、农林业等区域问题的研究。
矢量结构：
城市分区或详细规划、土地管理、公用事业管理等方面的应用。
第三章 空间数据的获取和质量控制
1、GIS的数据源
2、空间数据的地理参照系
3、地图投影
4．空间数据的获取
5、空间数据的质量
6、空间数据的元数据
考点：
1.GIS的数据源
图形图像数据、文字符号数据、多媒体数据
2.我国常用的地图投影方式
一、高斯——克吕格投影
1.概念：
等角横切椭圆柱投影是以椭圆柱作为投影面，使地球椭球体的某条经线与椭圆柱相切，然后按照等角条件，将中央经线东西两侧各一定范围内的地区投影到圆柱面上，再将其展开平面而成。
该投影由德国高斯于19世纪20年代拟定，经克吕格1912年对投影公式加以补充，称为高斯－克吕格投影。
变形性质：
等角投影
几何概念：
横切椭圆柱投影
为了保证地图的精度，采用分带投影方法，将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，把许多带结合起来，可以为整个区域的投影。
✓6°分带
✓3°分带
我国规定1：
1万－1：
50万比例尺地形图均采用高斯－克吕格投影。
1：
1万及大于1：
1万采用3°分带,小于1：
2.5万采用经差6°分带。
二、Lambert投影
正轴等角割园锥投影，又叫兰勃特投影（LambertConformalConic）。
我国的全国地图及分省地图和小于1比50万的地图一般使用lambert投影,全国地图的标准纬线现在是使用25度和47度（之前使用过25，45）。
3.地形图分幅和编号的方法
一、地图的分幅
1.为什么要分幅？
区域表达，编图、印刷、保管和使用的方便。
2.地图分幅的方法
（1）矩形分幅：
拼接分幅：
适用：
挂图和大于1：
2000的地形图
不拼接分幅：
适用：
地图集、专题地图等
优点：
①图幅间拼接方便；
②各图幅面积相对平衡，充分利用
图纸和印刷版面；
③图廓线可避开分割重要地物。
缺点：
制图区域只能一次投影，变形较大；
地理位置不易精确描绘。
（2）经纬线分幅：
地图的图廓由经纬线构成。
适用：
世界各国地形图、小比例尺地图
优点：
①图幅有明确的地理范围；
②可分开多次投影，变形较小。
缺点：
①图廓为曲线时拼接不便；
②高纬度地区图幅面积缩小，不利于纸张的使用和印刷。
③破坏重要地物的完整性。
二、地图的编号
（一）地图编号的方法
1.自然序数编号法
2.行列式编号法
将区域分为行和列，分别用字母或数字表示行号和列号，一个行号和一个列号标定一个唯一的图幅。
3.行列-自然序数编号法
、1：
100万地图的分幅和编号
1：
100万采用国际统一的行列式编号
1891年第五届国际地理学会上提出，逐渐统一规定后制定。
分幅：
单幅：
经差6°，纬差4°；纬度60°以下
双幅：
经差12°，纬差4°；纬度60°至76°
四幅：
经差24°，纬差4°；纬度76°至88°
纬度88°以上合为一幅
我国处于纬度60度以下，没有合幅。
横列：
纬度每4°为一列，至南北纬88°各有22列，用字母A,B,C,…V表示。
纵行：
从180°经线起算，自西向东每6°为一行，全球分为60行，用阿拉伯数字1，2，3，…,60表示。
如北京在1：
100万图幅位于东经114°～120°北纬36°～40°，编号：
J50
、1：
50万、1：
25万、1：
10万地形图的分幅和编号
1：
100万地图基础上的延伸
v1：
50万：
经差3°、纬差2°；
v1：
25万：
经差1°30′、纬差1°；
v1：
10万：
经差30′、纬差20′；
、1：
5万、1：
2.5万、1：
1万地形图的分幅和编号
1：
10万地图基础上的延伸
v1：
5万：
经差15′、纬差10′
v1：
2.5万:
经差7.5′、纬差5′
v1：
1万：
经差3′45〃、纬差2.5′
v1：
5千：
经差1′52.5〃、纬差1′15〃
.1:
5千～1：
50万比例尺地图编号
（1）以1：
100万为基础
（2）编号由10个代码组成
比例尺
1:
50万
1:
25万
1:
10万
1:
5万
1:
2.5万
1:
1万
1:
5000
代码
B
C
D
E
F
G
H
4.空间数据的获取方法
（1）.地图数据的获取
（2）.遥感数据的获取
（3）.摄影测量数据
（4）.属性数据的获取
一、输入前准
1、 资料准备，区域标定
1）基础原始数据的确定
2）数据分类项目的确定
3）数据标准的准确性的确定
2、进行三个统一：
（地理基础统一，即确定投影、比例尺、分类分级编码）
3、所用软件的检查、试用菜单准备及其它辅助工作。
4、硬件检查。
5、精度试验。
6、试验，样区、单项试验。
二、几何图形数据的采集
（一）手工数字化
（二）数字化仪数字
（三）扫描矢量化
（四）解析测图法
（五）已有数据转入
其中
（一）
（二）（三）属于地图数字化（获取地图数据最基本的方法，将传统的纸质及其他材料上的地图（模拟信号）转换为计算机可以识别的图形数据，并将数字化数据在计算机中进行存储，以便分析和输出）
三、属性数据获取
1、键盘，人机对话方式
2、程序批量输入。
5.空间数据的质量（误差及其控制方法）
空间数据质量是空间数据在表达空间性、专题性和时间性这三个基本要素时，所能表达到的准确性、一致性和完整性。
误差：
反应了数据真实值或公认的真值之间的差异。
控制方法：
1）数字化预处理工作
包括对原始地图、表格等的整理、清绘。
2）数字化设备的选用
根据手扶数字化仪、扫描仪等设备的分辨率和精度等有关参数的进行挑选，这些参数不应低于设计的数据精度要求。
3）数字化对点精度（准确性）
数字化时数据采集点与原始点的重合程度，一般要求对点误差小于0.1mm。
4）数字化限差
包括：
采点密度（0.2mm）、接边误差（0.02mm）、接合距离（0.02mm）、悬挂距离（0.007mm）等。
5）数据的精度检查
输出图与原始图之间的点位误差，一般要求对直线地物和独立地物，误差小于0.2mm，对曲线地物和水系，误差小于0.3mm，对边界模糊的要素应小于0.5mm。
空间数据的误差分析
遥感数据、测量数据的质量也会不同程度影响空间数据的质量
第四章 空间数据处理
1、空间数据的坐标变换
2、图形编辑
3、拓扑关系的建立
4、图形的剪裁与合并
5、空间数据的插值
6、空间数据格式的转换
7、空间数据的共享
考点：
1.拓扑关系的含义，种类（第二章）
定义：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
种类
1）关联性：
（不同类要素之间）结点与弧段：
如V9与L5,L6,L3多边形与弧段：
P2与L3,L5,L2
2）邻接性：
（同类元素之间）
多边形之间、结点之间。
3）连通性：
与邻接性相类似，指对弧段连接的判别，如用于网络分析中确定路径、街道是否相通。
4）方向性
一条弧段的起点、终点确定了弧段的方向。
用于表达现实中的有向弧段，如城市道路单向，河流的流向等。
5）包含性：
指面状实体包含了哪些线、点或面状实体。
6）区域定义：
多边形由一组封闭的线来定义。
7）层次关系：
相同元素之间的等级关系，武汉市有各个区组成。
主要的拓扑关系：
拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。
2.空间数据的坐标变换（P96）
一、图幅数据的坐标变换
1、比例尺变换：
乘系数
2、变形误差改正：
通过控制点利用高次变换、二次变换和仿射变换加以改正
3、坐标旋转和平移
即数字化坐标变换，利用仿射变换改正。
4、投影变换：
前三种为几何变换
二、几何纠正
1、高次变换
2、二次变换
当不考虑高次变换方程中的A和B时，则变成二次曲线方程，称为二次变换。
二次变换适用于原图有非线性变形的情况，至少需要5对控制点的坐标及其理论值，才能解算待定系数。
3、仿射变换
特性：
1）直线变换后仍为直线；
2）平行线变换后仍为平行线；
3）不同方向上的长度比发生变化。
三、地图投影变换
假定原图点的坐标为x,y（称为旧坐标），新图点的坐标为X，Y（称为新坐标），则由旧坐标变换为新坐标的基本方程式为：
1、解析变换法
1）反解变换法（又称间接变换法）
2）正解变换法（又称直接变换法）
2、数值变换法
利用若干同名数字化点（对同一点在两种投影中均已知其坐标的点），采用插值法、有限差分法或多项式逼近的方法，即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式。
3、数值解析变换法
当已知新投影的公式，但不知原投影的公式时，可先通过数值变换求出原投影点的地理坐标φ，λ，然后代入新投影公式中，求出新投影点的坐标
3.空间数据的结构变换（掌握矢量与栅格互相转换的方式和过程）
一、矢量向栅格转换
点：
简单的坐标变换
线：
线的栅格化
面：
线的栅格化+面填充
（一）线的栅格化
1、DDA法（数字微分分析法）
2、Bresenham算法
（二）面（多边形）的填充方法
1、内部点扩散法（种子扩散法）
种子填充指先将区域的一点赋予指定的颜色，然后将该颜色扩展到整个区域的过程。
种子填充算法要求区域是连通的。
假设多边形区域内至少有一个像素已知
4邻法和8邻法
4邻法的缺点是有时不能通过狭窄区域，因而不能填满多边形。
8邻法的缺点是有时会超出多边形的边界。
由于填不满往往比涂出更易于补救，因此4邻法用得更普遍。
2、扫描法（扫描线填色算法）
基本思想：
多边形以n个顶点的x，y坐标，按顺序排列。
用水平扫描线从上到下扫描，每根扫描线与多边形各边产生一系列交点；这些交点按照x坐标进行分类；将分类后的交点成对取出，作为两个端点，以所需要填的色彩画水平直线；多边形被扫描完毕后，填色也就完成。
扫描交点的奇偶数判断法：
（1）将多边形画在平面上；
（2）用一根水平扫描线自左而右通过多边形而与多边形之边界相交。
扫描线与边界相交奇次数后进入该多边形，相交偶次数后走出该多边形。
3、边填充算法（边界代数法）
边界代数多边形填充算法是一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式转换算法，它适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构
二、栅格向矢量转换
从栅格单元转换为几何图形的过程为矢量化；
（一）要求（矢量化过程应保持）：
1） 栅->矢转换为拓扑转换，即保持实体原有的连通性、邻接性等；
2） 转换实体保持正确的外形。
（二）方法
方法一，实际应用中大多数采用人工矢量化法，如扫描矢量化，该法工作量大，成为GIS数据输入、更新的瓶颈问题之一。
方法二，程序转化转换（全自动或半自动）
1、点的矢量化：
根据中心点坐标进行求解。
2、线的矢量化：
先得到中心点坐标，然后连线。
3多边形（面）的矢量化
栅向矢量格式：
提取以相同的编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示由多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。
过程：
1、边界提取
2、跟踪
3、拓扑化
4、去除多余点及曲线光滑
第六章 空间分析和分析模型
1.空间查询
2.空间统计分析
3.空间叠置分析
4.空间缓冲区分析
5.空间网络分析
6.数字地面模型分析
考点：
1.空间数据查询的基本方法
空间查询的方式
1、给出图形信息：
如鼠标点取，拉框等方式。
1）检索其相应属性；
2）检索其空间拓扑关系
2、给出属性特征条件
1）检索对应的空间实体
2）查询属性
单纯查询：
单纯地查询属性，或只查询空间拓扑关系
联合查询：
将空间数据与属性数据联合查询。
空间数据查询种类
1、几何参数查询
2、空间定位查询
3、空间关系查询
4、属性查询
5、其它查询方法
2.叠置分析的含义、种类
叠置分析是将两层或多层地图要素进行叠加产生新的要素，它是空间信息系统中最常用的提取隐含信息的手段之一。
种类：
（1）按叠加条件分为：
无条件叠加、条件叠加
（2）按叠加目的分为：
合成叠加、统计叠加
（3）按数据结构分为：
栅格叠加分析、矢量叠加分析
3.缓冲区分析的含义、基本组成，建立算法
缓冲区就是空间地理实体对邻近对象的影响范围或服务范围，通常根据实体的类别来确定这个范围，以便为某项分析或决策提供依据。
组成要素：
主体：
表示分析的主要目标，一般分为点源、线源和面源三种类型。
邻近对象：
表示受主体影响的客体。
作用条件：
表示主体对邻近对象施加作用的条件或强度。
缓冲区分析方法
1点缓冲区分析：
点缓冲区分析一般是围绕点对象建立半径为缓冲距的圆形区域。
2线缓冲区分析：
线缓冲区分析是沿线的两侧建立距离为缓冲距的带状区。
3面缓冲区分析：
面缓冲区分析是沿面的边界线建立距离为缓冲距的多边形区域。
矢量数据缓冲区的建立
角分线法
1）确定缓冲区的起止点
2）确定其它转折点对应的顶点
3）生成缓冲区
缺点：
难以最大限度保证双线的等宽性。
尤其当凸侧角点变锐时，缓冲区端点将远离轴线顶点。
凸角圆弧法
1）确定缓冲区的起止点
2）判断转折点的凸凹性
3）在凹侧用平行线的交点生成对应顶点
4）在凸侧用圆弧弥合
缓冲区边线的自相交问题
当轴线的弯曲空间不允许缓冲区的边线无压的通过时，就会产生若干个自相交多边形。
自相交多边形
Ø重叠多边形：
不是缓冲区边线的有效组成部分，最终不参与缓冲区的构建。
Ø岛屿多边形：
是缓冲区边线的有效组成部分。
重叠多边形与岛屿多边形的自动判别
首先定义轴线坐标点序为其方向。
对于左边线，重叠自相交多边形呈顺时针方向。
岛屿自相交多边形呈逆时针方向。
当存在岛屿多边形与重叠多边形时，最终绘制缓冲区边界线，只要把外围边线和岛屿轮廓绘出即可。
栅格数据缓冲区的建立
缓冲区建立原理：
经过距离变换，计算出背景像元与空间目标的最小距离。
假设给定缓冲区的宽度为Ｒ，则缓冲区就是距离小于等于Ｒ的各个背景像元的集合。
4.网络分析所涉及的关键方法
最短路径算法
算法的基本思想是:
设置并逐步扩充一个集合S，存放已求出其最短路径的顶点，则尚未确定最短路径的顶点集合是V-S，其中V为网中所有顶点集合。
按最短路径长度递增的顺序逐个以V-S中的顶点加到S中，直到S中包含全部顶点，而V-S为空。
5.地形分析（TIN，DEM）
DTM：
数字地面模型
DEM：
数字高程模型
DEM数据结构：
等高线、格网DEM、TIN
6.给出一个情境，分析解决问题。
第七章 空间信息的可视化和制图
1.空间信息可视化
2.专题信息和专题地图
3.地图的符号和符号库
4.电子地图
考点：
1.空间信息可视化的含义
空间信息可视化：
运用地图学、计算机图形图像处理技术，将地学信息输入、查询、分析、处理，采用图形图像，结合图表、文字、报表、视频等可视化形式，实现交互处理和显示的理论、技术和方法。
2.空间信息可视化的常用形式
1）地图：
空间信息可视化的最主要形式，也是最古老的形式，是地理学的第二语言。
地图分为四类：
多媒体地图、动态地图、三维仿真地图、虚拟现实
2）图像：
GIS中图形的输出的另一种形式，它也是空间实体的一种模型，但不用符号化方式，而是采用人的直观视觉变量如颜色、灰度、模式表示各空间位置实体的质量特征。
通常将空间划分为规则的单元，并赋予视觉变量。
3）统计图表：
统计图表用以表示非空间信息，即属性数据。
统计图表与地图综合使用，形成以统计符号表示的专题图。
4）数字数据：
数字产品是广泛采用的一种产品形式。
数字产品的制作是将系统内的数据转换成一定格式存储在磁盘、磁带、光盘上，并可通过网络进行传输。
空间数据可视化的过程
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