最新武大GIS考研复习整理.docx
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第一章、绪论
1.信息的特征
①客观性：
任何信息都是与客观事实紧密联系的，这是信息正确性和精确度的保证。
②适用性：
信息是为特定的对象服务的，同时也是为服务对象提供管理、分析、决策的有用信息。
③可传输性：
信息可以在信息发送者和信息接受者之间传输。
④共享性：
同一信息可传输给多个用户，为多个用户共享，而本身并无损失，这是与实物不同的。
2.数据和信息的关系？
数据——是指对某一目标进行定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、语言、图形、图像以及它们能够转换成的形式。
信息——是用数字、文字、符号、语言、图形、图像等介质或载体，表示事件、事物或现象的内容、数量或特征，向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识。
联系：
信息与数据是不可分离的。
就本质而言，数据是客观对象的表示，信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。
信息是对数据解释、运用与解算，数据（即使是经过处理以后的数据）只有经过解释才有意义，才成为信息。
区别：
①数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变，即信息不随载体的物理设备形式的改变而改变。
②信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式的改变而改变。
③数据是原始事实，而信息是对数据处理、解释的结果。
④信息是观念上的。
不同的人对于同一数据的理解可得到不同的信息。
3.地理信息的概念和特性
地理数据（GeographicData）是各种地理特征和现象之间关系的符号化表示，包括空间位置特征、属性特征和时态特征三个基本特征部分。
地理信息（GeographicInformation）是指与所研究对象的空间分布有关的信息，它表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律，是对地理数据的解释。
地理信息除了具备信息的一般特性外，还具备以下特性：
①空间性——即区域性。
地理信息属于空间信息，具有空间定位的特点，这是地理信息系统区别其他类型信息最显著的标志。
②多维性——是指在一个坐标位置上具有多个专题和属性的信息结构。
③动态性——即时序特征，主要是指地理信息随时间的动态变化特征。
4.GIS的含义，GIS与其他IS之间的联系和区别。
地理信息系统（GeographicalInformationSystem）是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、存储、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的空间规划、决策和管理问题。
信息系统（InformationSystem）是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。
具有数据采集、存储管理、分析和表达能力。
主要可分为事务处理系统、决策支持系统、管理信息系统、人工智能和专家系统。
GIS与其他类型信息系统的关系：
联系：
GIS与其他类型的信息系统都属于信息系统，主要都是由系统硬件、软件、数据和用户等要素组成，以信息作为操作和处理的主要对象，通过对信息的采集、输入、存储、处理、分析和输出，以解决一些复杂的实际问题。
都与计算机科学、信息科学和系统工程等有密切的关系。
区别：
①GIS以空间数据作为处理和操作的主要对象，这是它区别于其他信息系统的根本标志。
②GIS的技术优势在于它的空间分析能力。
GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得的重要信息，这是GIS的重要贡献。
③学科基础不尽相同。
GIS与地理学、地图学、测绘学联系紧密。
补充：
GIS的分类
①按研究范围分：
全球性信息系统和区域性信息系统
②按研究内容分：
专题信息系统和综合信息系统
③按其所用的数据模型分：
矢量信息系统、栅格信息系统和混合型信息系统。
5.GIS与CAD的关系
CAD（ComputerAidedDesign计算机辅助设计）即利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。
在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等工作。
相同：
都有坐标参考系统，都能描述和处理图形数据及其空间关系，也都能处理非图形的属性数据。
不同：
①CAD处理的多为规则的几何图形及其组合，图形功能特别是三维图形功能极强，属性功能相对较弱，CAD中拓扑关系比较简单，一般采用几何坐标系。
另外，CAD一般在单幅图上操作，海量数据的图库管理能力比GIS弱。
②GIS处理的数据大多来自现实世界，数据结构、数据类型更为复杂，数据量要比CAD的数据量大得多，数据采集方式多样化。
空间数据与属性数据的相互操作频繁，空间分析能力较强。
属性库结构复杂，功能强大。
GIS采用的是地理坐标系。
6.GIS的组成一个实用的GIS系统一般由以下五个部分组成：
系统硬件——包括①GIS主机，它是硬件系统的核心，用作数据的处理、管理和计算，包括各种大、中、小型机、微机、工作站/服务器等。
②GIS外部设备，包括输入/输出设备、数据存储和传送设备。
③GIS网络设备，包括布线系统、网桥、路由器和交换机等
系统软件——GIS软件是整个GIS系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作。
按其功能分为GIS专业软件、数据库软件和系统管理软件。
空间数据——它是GIS操作和处理的主要对象，用于描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。
应用人员——包括系统开发人员和最终用户。
应用模型——GIS为解决某些具体的应用问题而专门构建的模型。
7.GIS的基本功能：
①数据采集与编辑②数据存储与管理③数据处理和变换
④空间分析和统计⑤产品制作与显示⑥二次开发与编程。
8.GIS的应用领域有哪些？
①资源管理资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划以及水资源的时空分布特征研究等。
②区域规划城市和区域规划具有高度的综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等诸多因素，而GIS可以为规划人员提供一个强大的工具。
例如规划人员可以利用GIS对交通流量、土地利用的人口数据进行分析，预测将来的道路等级；工程技术人员可以利用GIS将地质、水文和人文数据结合起来，进行路线和构造设计；GIS软件帮助政府部门完成总统规划、分区、土地利用等一系列的分析工作，是实现区域规划科学化和满足城市发展的重要保证。
③国土监测GIS方法与多时相的遥感数据结合，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情估测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。
④辅助决策GIS利用现有的数据库和互联网传输技术，已经实现了电子商贸的革命，满足企业多维性的需求，GIS和互联网正成为最佳的决策支持系统和威力强大的商战武器。
9.GIS的发展过程
国际：
①20世纪60年代是GIS思想和技术方法的探索时期，注重空间数据的地学处理；
②70年代是GIS的巩固发展时期，注重空间地理信息的管理；
③80年代是GIS的大发展时期，注重空间决策支持分析；
④20世纪90年代GIS进入到用户时代，注重GIS的社会应用与服务；
⑤21世纪初为GIS的空间信息网格时代。
国内：
①准备阶段1978-1980②起步阶段1981-1985
③初步发展阶段1986-1995④产业化阶段1996年以来。
10.当代GIS的发展动态（即应用前景、发展趋势）（见教程P17）
①面向对象技术与GIS结合②真三维GIS和时空GIS
③GIS应用模型的发展④Internet与GIS的结合
⑤GIS和专家系统、神经网络的结合⑥GIS与虚拟现实技术的结合
⑦3S技术集成⑧GIS与CAD的集成
⑨并行处理技术在GIS中的应用⑩OpenGIS的发展
11.空间数据概念、特征及分类
空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，以坐标和拓扑关系的形式存储。
空间数据的特征：
①空间特征②非结构化特征③空间关系特征④分类编码特征⑤海量数据特征。
空间数据可分为下列类别：
属性数据——用以描述空间实体属性特征的数据，也称非几何数据。
即说明“是什么”，如事物或现象的名称、数量、等级、类别等。
描述时间特征的数据也可归入这一类。
几何数据——又称位置数据、定位数据，描述空间实体的空间关系的数据。
及说明“在哪里”，用X、Y坐标来表示。
关系数据——又称拓扑数据，描述空间实体之间的空间关系的数据，如空间实体的邻接、关联、包含等关系。
时间数据——描述地理实体随时间变化的数据。
有时也可将其归入属性数据。
12.GIS的科学理论基础有哪些？
能否称GIS为一门科学？
地理信息系统的相关学科有：
地理学、地图学、测绘学、遥感、应用数学、系统工程、现代通信技术、计算机图形学、数据库原理、软件工程、人工智能、计算机语言、管理学、信息学等。
其中：
地理学为GIS提供了一些空间分析的方法和观点，成为GIS德理论依托；应用数学为GIS的计算提供了数学基础；系统工程为GIS的设计和系统集成提供了方法论；计算机科学：
软件工程为地理空间信息的表达、存储、处理、分析和应用提供了有利的工具。
数据库技术提供对数据的管理、更新、查询和维护功能；计算机图形学为GIS提供图形算法基础；CAD对于辅助设计提供支持；专家系统对于GIS的系统设计提供科学的方法；遥感技术：
遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源和数据更新途径。
过去GIS往往被认为是一项专门技术，其应用主要限于测绘、制图、资源和环境管理等领域。
随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS的社会需求量日益增大，应用日趋广泛，甚至进入千家万户，GIS已经从一门技术发展成为一门独立的新兴学科。
13.试举例说明GIS的应用现状
①用于全球环境变化动态监测
1）1987年联合国开始实施一项环境计划（UNEP），其中包括建立一个庞大的全球环境变化监测系统（GEMS）；
2）全球森林监测和森林生态变化有关项目（1990年对亚马逊地区原始森林的砍伐状况进行了调绘、1991年编制了全球热带雨林分布图）；
3）海岸线及海岸带资源与环境动态变化的监测；
4）全球性大气环流形势和海况预报等。
②用于自然资源调查与管理
1）在资源调查中，提供区域多条件下的资源统计和数据快速再现，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据；
2）可应用于不同层次和不同领域的资源调查与管理（例农业资源、林业资源、渔业资源）
③用于监测、预测
1）借助于遥感和航测等数据，利用GIS对森林火灾、洪水灾情、环境污染等进行监视，例如，1998年长江流域发生特大洪水灾害期间，制作洪水淹没动态变化趋势影像图，为管理部门提供了有效的决策依据。
2）利用数字统计方法，通过定量分析进行预测。
如加拿大金矿带的调查，分析不宜再行开采的存在储量危机的矿山，优选出新的开采矿区，并作出了综合预测图。
④用于城市、区域规划和地籍管理
1）GIS技术能进行多要素的分析和管理，可以实施城市和区域的多目标开发和规划，包括总体规划、建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置等；
2）城市和区域规划研究（研究城市地理信息系统的标准化、城市与区域动态扩展过程中的数据实时获取、城市空间结构的真三维显示、数字城市等）；
3）地籍管理（土地调查、登记、统计、评价和使用）。
⑤军事应用
1）反映战场地理环境的空间结构；完成态势图标绘、选择进攻路线、合理配置兵力、选择最佳瞄准点和打击核心、分析爆炸等级、范围、破坏程度、射击距离等。
2）如海湾战争中，美国利用GIS模拟部队和车辆机动性、估算了化学武器扩散范围、模拟烟雾遮蔽战场的效果、提供水源探测所需点位、评定地形对武器性能的影响，为军事行动提供决策依据。
3）美国陆军测绘工程中心还在工作站上建立了GIS和RS的集成系统，及时地将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上，数据直接送到前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时服务。
4）科索沃战争中，利用3S高度集成技术，使打击目标更精准有效。
⑥用于宏观决策
地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。
例如系统支持下的土地承载力研究，可以解决土地资源和人口容量的规划。
⑦其他：
GIS还在金融业、保险业、公共事业、社会治安、运输导航、考古、医疗救护、农林水利等领域也得到了广泛的应用。
14.GIS近代发展有什么特点？
①综合性②开放式③产业化④组件式⑤分布式
第二章、地理信息系统的空间数据结构和数据库
1.空间实体（SpatialEntity）：
GIS将空间数据中不可再分的最小单元被称为空间实体（空间对象、空间目标）。
空间实体对存在于自然界中的地理实体进行抽象,可分为点、线、面、体等基本实体类型，复杂的实体可由这些基本实体构成。
地理实体：
指现实世界中相对永久存在的地表物体，如山地、道路、城市等。
地理现象：
指一些偶然发生的地理事件，如火山喷发、洪涝、干旱以及一些天气现象等。
2.空间实体的特征
①空间特征——是指空间实体的地理位置及空间相互关系。
前者称几何特征，如某地物的经纬度；后者称拓扑特征，如区域是否接壤等。
②时间特征——指空间实体随时间变化的特征，如人口数量的逐年变化。
③属性特征——指空间实体的名称、数量、等级、类别等属性。
3.空间关系类型有哪些？
空间关系是指地理实体之间存在的与空间特性有关的关系。
通常可分为三大类：
拓扑关系、顺序关系、度量关系。
（1）拓扑关系：
常用的拓扑关系有关联、邻接和包含等空间关系。
（2）顺序关系：
描述空间实体之间在空间上的排列次序，如实体之间的前后、左右和东南西北等方位关系，所以也称为方向关系。
（3）度量关系：
描述空间实体的距离或远近等关系。
距离是定量描述，而远近则是定性描述。
4.空间拓扑关系有哪些？
如何表达？
拓扑关系——拓扑元素之间具有的拓扑属性关系。
图形在拓扑变换下能够保持不变的几何属性称为拓扑属性。
拓扑变换可以这样理解：
设想有一个像橡皮一样的欧氏平面，可任意弯曲、拉伸、压缩，但不能扭转或折叠，平面上的点、线、面组成几何图形，在变形中这些几何图形的有些属性会改变甚至消失，有些属性则保持不变，前者称为非拓扑属性，后者称为拓扑属性。
空间实体之间的拓扑关系如下：
①点—点（相离、重合）
②点—线（邻接、相交、相离、包含）
③点—面（邻接、相交、相离、包含）
④线—线（邻接、相交、相离、包含、重合）
⑤线—面（邻接、相交、相离、包含）
⑥面—面（邻接、相交、相离、包含）
实体之间的拓扑关系的具体记录方式：
（1）面--链关系面：
构成面的弧段
（2）链--结点关系链：
链两端的结点
（3）结点--链关系结点：
通过该结点的链
（4）链--面关系链：
左面-右面
5.拓扑关系的意义：
拓扑关系对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：
（1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。
（2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。
如某县的邻接县（面面邻接问题）；又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。
（3）根据拓扑关系可重建地理实体。
6.矢栅数据的优缺点比较
数据结构
优点
缺点
矢量
数据结构
①便于面向对象的数据表示；
②结构紧凑，冗余度低；
③具有空间实体的拓扑信息，便于网络分析；
④矢量数据的显示质量好、输出精度高。
①多边形叠合分析和数学模拟比较困难；
②数据结构和处理算法比较复杂。
③对软件与硬件的技术要求比较高；
④显示与绘图成本比较高。
栅格
数据结构
①数据结构和处理算法简单；
②空间分析和地理现象的模拟均比较容易，叠置和组合操作方便；
③有利于与遥感数据的匹配应用和分析；
④输出方法快速，开发成本较低。
①图形数据量大，图形输出质量较低，精度不高；
②不具有空间实体的拓扑信息，因而难以进行网络分析等操作；
③对实体进行识别和分离操作比较困难；
④投影转换比较困难。
7.矢量数据的编码方式及特点
（1）实体式（Spaghetti）——也称面条模型，以实体为单位记录其位置坐标和属性信息，而不记录其拓扑关系。
优点：
结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。
缺点：
①相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。
②自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。
③岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。
不易检查拓扑错误。
所以，这种结构只用于简单的制图系统中显示图形。
（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。
索引式（树状）与实体式相比：
优点：
用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。
缺点：
表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，容易出错。
而且这种编码方式仅考虑了编码对象之间的层次关系，未考虑邻接关系。
（3）双重独立式简称DIME（DualIndependentMapEncoding）系统或双重独立式的地图编码法，这种数据结构最早是由美国人口统计局研制来进行人口普查分析和制图的，它以城市街道为编码的主体。
特点：
DIME采用了拓扑编码结构，最适合于城市信息系统。
其中街道与河流为线状要素，弯曲线段则由一系列直线段表示。
这种结构的邻接关系和关联关系明确。
通过线文件能自动寻找并形成面文件。
（4）链状双重独立式是DIME数据结构的一种改进。
在DIME中一条边只能用直线两端的序号及相邻的面域来表示，而在链状DIME数据结构中，将若干直线段合成一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。
特点:
①拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。
②已被一些成熟的商业化软件所采用，如ARC/INFOR软件。
8.栅格数据的编码方式及特点
（1）直接栅格编码：
将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行或逐列记录代码数据，可以每行都从左到右记录，也可奇数行从左到右，偶数行从右到左记录。
也可根据需要采用其他的记录方式。
特点：
最直观、最基本的网格存贮结构，处理方便，但没有进行任何压缩处理。
（2）链式编码（ChainCodes）
链式编码又称为弗里曼链码（Freeman,1961）或边界链码，主要是记录线状地物和面状地物的边界。
它把线状地物和面状地物的边界表示为：
由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。
链式编码的前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以0—7的整数代表（东＝0，东南＝l，南＝2，西南＝3，西＝4，西北＝5，北＝6，东北＝7）。
优点：
链式编码对线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据。
缺点：
对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。
（3）游程长度编码（run-lengthcode）
游程长度编码的基本思路是：
对于一幅栅格图像，按行扫描，将相邻等值的像元合并，并记录代码的重复个数。
特点：
对与游程长度编码，区域越大，数据相关性越强，则压缩越大。
压缩效率高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快。
（4）块状编码（blockcode）
块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单元的代码组成。
特点：
多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块状编码的效率就越好。
块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
块状编码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。
然而对某些运算不适应，必须在转换成简单数据形式才能顺利进行。
（5）四叉树编码（quad-treecode）
四又树结构的基本思想是将一幅2n×2n像元（不足的用背景补上）组成的栅格地图或图像按四个象限进行递归分割。
逐块检查其格网属性值（或灰度）。
如果某个子区的所有格网属性值都相同，则这个子区就不再分割，否则将这个子区继续分割成四个子区，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止，最后得到一个四分叉的倒向树。
优点：
①容易有效地计算多边形的数量特征；②阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高（即分级多），分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；③栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易；④多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
缺点：
①具有图形编码的不确定性，不利于形状分析和模式识别。
例如，同一形状和大小的多边形可以得出完全不同的四叉树结构。
②四叉树未能直接表示物体间的拓扑关系。
③一个物体的图像在构成四叉树时可能会被分割到若干个象限中，从而使它失去了内在的相关性。
9.四叉树编码表示方法，四进制和十进制Morton码的计算，线性四叉树或二维行程编码的过程。
四叉树结构按其编码的方法不同又分为常规四叉树和线性四叉树。
常规四叉树除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。
结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达：
四个叶结点指针，一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。
这些指针不仅增加了数据贮存量，而且增加了操作的复杂性。
常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用。
线性四叉树则不记录中间结点和使用指针，只存贮最后叶结点的信息，用地址码表示叶结点的位置，也隐含了叶结点的深度信息。
最常用的地址码是四进制或十进制的Morton码。
AAAA
ABBB
AABB
AABB
（1）将图像压缩为二维行程码的过程。
如有如右边栅格图像：
其编码为：
A4A1B3A2B2A2B2。
若在行与行之间不间断的连续编码，则
可表示：
A5B3A2B2A2B2。
（2）十进制Morton码的计算。
计算方法：
先将二维栅格数据的行列号转化为二进制数，然后交叉放入Morton码中，即为线性四叉树的地址码。
例如，对于第5行、第7列的Morton码为：
这样，在一个2n×2n的图像中，每个像元都给出一个Morton码，当n=3时即为：
列
行
0
1
2
3
4
5
6
7
0
0
1
4
5
16
17
20
21
1
2
3
6
7
18
19
22
23
2
8
9
12
13
24
25
28
29
3
10
11
14
15
26
27
30
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33
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