GIS基础知识.docx
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GIS基础知识
名词解释
1、GIS
是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。
2、拓扑关系
拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含等三种关系。
3、RS
是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。
4、缓冲区分析
就是在点、线、面实体（缓冲目标）周围建立一定宽度范围的多边形。
5、高斯—克吕格投影
是一种等角横切椭圆柱投影。
这种投影的特点是：
中央经线和赤道投影成垂直相交的直线；投影后没有角度变形；中央经线上没有长度变形。
6、数字高程模型（DEM）
是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分别的模型，也是地形形状、大小和起伏的数字描述。
7、矢量数据
是代表地图图形的各离散点平面坐标（x,y）的有序集合，这种数据结构主要用于表示地图图形元素几何数据之间及其与属性数据之间的相互关系。
8、TIN（不规则三角网）
由不规则分布的数据点连成的三角网组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。
它能随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样的位置，因而能克服地形起伏不大的地区产生数据冗余的问题。
9、四叉树编码
又称四分树编码，是一种有效压编数据的方法。
它将2n×2n像元阵列的区域，逐步分解为包含单一类型的方形区域，最小的方形区域为一栅格像元。
10、元数据（Metadata）
是用于描述数据内容、定义、来源、精度、空间参照、质量及地理数据集管理的数据，即“说明数据的数据”。
11、空间索引
空间索引是指根据空间要素的地理位置、形状或空间对象之间的某种空间关系，按一定的顺序排列的一种数据结构，一般包括空间要素标识，外包络矩形以及指向空间要素的指针。
12、地理信息系统（GIS）工程
应用系统原理和方法，针对特定的实用目的和要求，统筹设计、优化、建设、评价、维护使用GIS的全部过程和步骤的统称。
13、空间数据引擎
是用户和异种空间数据库之间一个开放的接口，它是一种处于应用程序和数据库管理系统之间的中间件技术。
14、数据压缩
在空间数据输入计算机后，有时为了减少数据的存贮量节省存贮空间，加快后继处理速度，把大量的原始数据转换为有用的、有条理的、精炼而简单的信息的过程，这就称为数据压缩。
15、空间数据挖掘
是指从空间数据库中提取用户感兴趣的空间模式与特征、空间与非空间数据的普遍关系及其它一些隐含在数据库中的普遍的数据特征。
16、空间决策支持系统
空间决策支持系统是由空间决策支持、空间数据库等相互依存、相互作用的若干元素构成，并进行空间数据处理、分析和决策的有机整体，即具有地理数据管理、空间分析与模拟以及决策分析能力的交互式计算机系统。
17、网络GIS
是在网络环境下的一种处理、分析和显示地理信息的计算机信息系统。
18、数据仓库
是支持管理决策过程的、面向主题的、集成的、不可更新的、随时间不断变化的数据集合。
19、网格GIS
将地理上分布、系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等，通过高速互连网络连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境，即网格GIS。
20、组件式GIS
是指采用了面向对象技术和组件式软件的GIS系统（包括基础平台和应用系统）。
问答题
1、试述地理信息系统的发展阶段及我国地理信息系统的发展过程。
地理信息系统发展阶段：
以时间发展为序列，可分为60年代起始发展阶段、70年代发展巩固阶段、80年代推广应用阶段和90年代蓬勃发展阶段。
我国地理信息系统的发展过程：
GIS在中国的发展可分为三个阶段。
第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡仪，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。
第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进，研究数据规范和标准，空间数据库建立，数据处理和分析算法及应用软件的开发等，对GIS进行理论探索和区域性实验研究。
第三个阶段从1986年到现在，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室，中国科学院于1985年开始筹建国家资源与环境系统实验室，是一个新型的开放性研究实验室，1994年中国GIS协会在北京成立。
2、试述地理信息系统的组成及各部分的主要功能。
地理信息系统主要由四部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统开发、管理和使用人员。
计算机硬件系统是地理信息系统的建立的保证。
计算机软件系统是指地理信息系统运行所必须的各种程序及有关资料。
主要包括计算机系统软件、地理信息系统软件和应用分析软件三部分。
地理空间数据是GIS的操作对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，地理空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据。
人是地理信息系统中重要构成因素，GIS不同于一幅地图，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并采用地理分析模型提取多种信息。
3、简述地理信息系统（GIS）的基本功能。
基本功能包括5个方面：
①数据采集与输入
在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式。
②数据编辑与更新
数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。
图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。
属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。
数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中对应的数据项或记录，它是通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。
③数据存储与管理
空间数据存储是GIS中最低层和最基本的技术，它直接影响到其他高层功能的实现效率，从而影响整个GIS的性能。
属性数据管理一般既可利用GIS软件进行管理，也可直接利用商用数据库软件进行管理。
空间数据管理是GIS数据管理的核心，各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。
④空间查询与分析
空间查询与分析是GIS的核心，主要包括数据操作运算、数据查询检索和数据综合分析三方面。
通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的空间数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。
⑤数据显示与输出
将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是GIS问题求解过程的最后一道工序。
输出形式通常有两种：
在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。
这方面的技术主要包括：
编辑、图形整饰、符号制作、图景图例生成、出版印刷等。
4、简述空间元数据在GIS中的作用。
空间元数据主要有下列几个方面的作用：
（1）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源。
（2）帮助数据所有者查询所需空间信息。
（3）维护和延续一个机构对数据的投资。
（4）用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。
（5）提供数据转换方面的信息。
5、简述GIS理论及技术方法的优越性。
1）地理信息系统是管理空间信息的最佳选择
就传统意义上的数据库而言，无论是FoxPRO,还是Sybase,它们管理的信息类型主要是文字和数字，对图形的管理功能则十分薄弱。
众所周知，地理信息系统的数据库包括图形和属性两部分，图形数据库主要负责点（point）、线（line,arc）、面（surface）、体（body）等图形实体的管理，而各类图形实体的属性管理则由FoxPRO,Oracle等数据库来承担。
事实上，人类对地球三维空间中任意实体的表达，应该是图形和属性的并集，这样，才能对物体进行较为精确的描述。
所以，只有地理信息系统才能对空间目标进行有效的描述。
2）地理信息系统不仅是一个管理系统，而且还是一个分析系统
对地理信息系统而言，不仅图形实体具有属性信息、拓扑关系，而且还有大量的分析模型。
所以，人们不仅能够得到图形信息，而且还可图文并茂地对地学现象进行分析研究，为决策提供依据。
3）为地图的快速绘制和更新提供了强有力的手段
数字地图的生产是地理信息系统发展的原始动力之一。
建立在地理信息系统基础上的地图生产系统将具有如下优点：
（1）数字地图的生产是要从地图上提取所有包含的数据，即点、线、多边形以及相关的属性，进而建立一个相互连接的空间和非空间数据库，从这些数据库中可以派生出大量的数字和图形。
（2）实现不同比例尺间图形的自动转换。
4）与RS、GPS的结合，实现了地球空间信息的动态管理
RS、GPS与GIS的结合，为GIS的实际应用提供了强大的数据源，而且这些数据具有时间维的特性，这就为实现人类对地球空间数据的动态管理奠定了坚实的基础并使之成为可能。
由于通过RS、GPS得到的数据不仅信息量大，而且速度快，这也为GIS技术适应现代通讯和管理技术的飞速发展提供了保证。
5）为实现“数字地球”提供了理论和技术上的支持
实现地球的数字化为人类社会的发展提供了美好的前景。
显然，通过传统的数据采集和处理方法是不可能实现上述目标的。
由于GIS系统不仅能够处理各种空间信息，而且还可以方便地建立它们之间的联系，并可以接收RS、GPS数据，这就可能实现信息流的动态传递，把传统方法所处理的孤立事件关联起来，最终实现人类社会的可持续发展。
6）满足不同层次用户的需要
实现GIS作为一种信息系统，它能够保存的信息并不仅仅限于图形，文字和数字信息，还可以包括照片、幻灯片、动画、录象信息，使得GIS说明问题更加直观，更加形象也更加生动。
能够可以满足不同层次用户的要求，在大众眼里，它五彩缤纷；在专家眼里，GIS表达问题准确；在领导眼里，它说明问题。
6、简述矢量、栅格数据结构的优缺点。
矢量结构是通过记录坐标的方式，用点、线、面等基本要素尽可能精确的来表示各种地理实体。
具有定位明显、属性隐含的特点。
栅格结构是将地面划分为均匀的网格，每个网格作为一个像元，像元的位置由所在行、列号确定，像元所含有的代码表示其属性类型或仅是与其属性记录相联系的指针。
矢量结构的优点是：
显示图形的质量高，可视性好；
存储数据量较小；
应用网络分析可建立完整的拓扑关系；
显示数据精度高；
可对图形及其属性进行检索、更新和概括。
其不足之处在于：
数据结构较为复杂；
多图叠加操作较困难；
由于拓扑关系的不同，使得模拟操作较困难；
数据输出的费用较高；
难于进行某些空间分析运算。
栅格结构的优点是：
数据结构简单；
易于与遥感影象和数字测量影象等数据结合；
易于进行各种空间操作和空间分析；
易于进行模拟操作；
有发展潜力。
其缺点为：
图形数据量大；
减少数据量要以牺牲精度为前提；
图形显示的可视性不如矢量结构；
网络分析较难；
投影变换较为耗时。
7、简述GIS空间数据的误差来源。
空间信息的产生和使用每一步都有误差产生。
除了GIS原始数据本身带有误差外，在空间数据库中进行各种操作、转换和处理也将引入误差。
GIS数据误差来源可按数据所处的不同阶段划分：
①测量阶段：
人差、仪器差、环境影响、GPS数据误差等
②遥感阶段：
仪器差、解译误差
③制图阶段：
展绘控制点、编绘、清绘、综合、复制、套色等
④输入阶段：
原稿质量、操作员人为误差、纸张变形、数字化仪精度、数字化方式等
⑤处理阶段：
几何改正、坐标变换、投影变换、数据编辑、数据格式转换、拓扑匹配、地图叠置等
⑥输出阶段：
比例尺误差、输出设备误差、媒质不稳定等
⑦使用阶段：
使用用户理解信息造成的误差、不正确地使用信息造成的误差等。
8、地图数据模型中，图形数据和专题属性数据有哪几种连接方法？
各有何优缺点？
图形数据与专题属性数据的连接基本上有4种方式：
1）专题属性作为图形数据悬挂体
属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的。
这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。
大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。
当然，主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。
2）属性数据与图形数据完全独立（完全分开）
可以利用现有的CAD技术和DBS技术，维护难度大，相互操作难度大，CAD中删除一个，必须去找DBS，DBS也必须删除。
3）属性数据与图形数据自成体系（混合处理）
图形数据和属性数据自成体系，属性数据有其专用的数据库系统，很多情况下是用于事务管理的商业数据库，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能，图形和属性间连接是通过关键字和标识码来连接。
相互操作难度较大。
例如ARC/INFO中ARC实现用拓扑关系定义了空间数据，INFO实现了用关系数据模型定义属性数据，两者通过内部代码和用户标识码（USER—ID）作为公共数据项。
4）属性数据与图形数据结构统一（完全结合）
此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高。
这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求。
CAD中删除一个图元，DBS自动删除。
MAPGIS属于这种类型。
9、试述空间分析的一般步骤，并举例说明。
空间分析大致有以下步骤：
（1）建立分析的目的和标准：
分析的目的定义了你打算利用地理数据库回答什么问题，而标准则具体规定了你将如何利用GIS回答你所提出的问题。
（2）准备空间操作的数据：
数据准备在信息系统的建立过程中是一个非常重要的阶段，在这个阶段，GIS用户需要做大量耐心细致的工作，需要投入大量的资金和人力来建立地理数据库。
在做空间分析之前，地理数据库还可能要作一些修改，如转换单位、略去数据库中的某些部分等。
这个阶段往往要生成新的属性数据库或在原有数据库中增加新的属性项。
对于数据准备的要求随研究对象而异。
在进行分析之前，对数据准备进行全面的考虑，将有助于更有效地完成工作。
（3）进行空间分析操作：
为了得到所需数据，可能需要进行许多操作（检索提取、缓冲、叠置等），每一步的空间操作都用来满足步骤一中所提出的一项标准。
（4）准备表格分析的数据：
大多数分析都要求利用空间操作得到一个（或一组）最终的数据层，然后就必须准备用于分析的数据，包括空间和属性数据。
所生成的层的属性表包括了利用逻辑表达式和算术表达式进行表格分析的信息。
通常必须将进行分析时所需要的数据项加到属性表中。
（5）进行表格分析：
利用逻辑表达式和算术表达式，可以对在步骤三中进行的空间操作所获得的新的属性关系进行分析。
在本步骤中，将利用步骤一中所确定的标准，定义一系列逻辑运算和算术运算，来对所得到的地理数据库进行操作。
（6）结果的评价和解释：
当你通过表格分析获得了一个答案，你就必须对结果进行评价，以确定其有效性，该结果是否提供了可靠而又有意义的答案？
这是一个重要的验证步骤，必要时可能还需要请一些有关专家来帮助你解译和验证结果。
（7）如有必要，改进分析：
如果感到你的分析还有局限性和缺点，你可以进一步改善，返回适当的步骤重新分析。
（8）产生最终的结果图和表格报告：
空间分析的成果往往表现为图件或报表。
图件对于凸显地理关系是最好不过的，而报表则用于概括表格数据并记录计算结果。
10、公园选址的标准为：
（1）公园的位置既要交通便利又要环境安静，也就是说距主要公路的距离要适当。
（2）公园应设计成环绕一个天然的小河流。
（3）使公园的可利用面积最大，公园中应很少或没有沿河流分布的沼泽地。
假设已经准备好了下面几层数据：
穿过研究区的公路（线要素层）、位于研究区内的河段（线要素层，用分类级别CLASS标识，CLASS为2的河段，其特性适合于建立公园）、位于研究区内的沼泽地（区要素层）。
我们的目的是确定一些具体的河段，作为建立公共郊游公园的可能位置。
为了达到上述三条选址标准，应进行哪些空间操作？
参考答案：
（1）需要对公园进行缓冲区分析，以求得与公路适当距离的区域；
（2）将这些区域与CLASS=2的河流段进行叠加分析；
（3）对所得区域进行面积计算，并找到最大的区域为所得结果。
11、常规的网络分析功能包括哪些？
试举例说明。
①路径分析
其核心是最佳路径和最短路径的求解
A最佳路径
在指定网络中两结点间找一条阻碍强度最小的路径，最佳路径的产生基于网线和结点转角的阻碍强度。
B最短路径
当网线在顺逆两个方向上的阻碍强度都是该网线的长度，而结点无转角数据（阻碍强度）或转角数据为零，最佳路径就成为最短路径。
②资源分配
就是为网络中的网线和结点寻找最近（远近按阻碍强度的大小来确定）的中心（资源发散或汇集地）。
例如：
资源分配能为城市中的每一条街道上的学生确定最近的学校；为水库提供其供水区等等。
③连通分析
欲知道从某一结点或网线出发能够到达的全部结点或网线，这一类问题称为连通分量求解。
例如：
当地震发生时，救灾指挥部需要知道，把所有被破坏的公路和桥梁考虑在内，救灾物质能否从集散地出发送到每个居民点，如果有若干居民点与物质集散地不在一个连通分量之内，指挥部就不得不采用特殊的救援方式（如派遣直升机）。
④流分析
所谓流，就是将资源由一个地点运送到另一个地点。
流分析的问题主要是按照某种最现化标准（如时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大等）设计运送方案。
⑤选址
该功能涉及在某一指定区域内选择服务性设施的位置。
12、简述DEM的主要用途。
数字高程模型有许多用途，其中最重要的一些用途是：
①在国家数据库中存储数字地形图的高程数据；
②计算道路设计、其他民用和军事工程中挖填土石方量；
③为军事目的的地表景观设计与规划等显示地形的三维图形；
④越野通视情况分析；
⑤规划道路线路、坝址选择等；
⑥不同地面的比较和统计分析；
⑦计算坡度、坡向图；
⑧显示专题信息或将地形起伏数据与专题数据进行组合分析；
⑨提供土地景观和景观处理模型的影像模拟所需要的数据；
⑩用其他连续变化的特征代替高程后，DEM还可以表示如下一些方面：
通行时间和费用、人口、污染状况及地下水位等。
13、简述GIS的输出产品主要有哪些形式？
主要有三种输出形式：
1）图形
按数据格式分类：
矢量地图、栅格地图。
按内容和形式分类：
全要素地图、专题地图、等高线图、透视图、立体图、坡度图、坡向图、剖面图等。
2）数据报表或文字报告
对地图数据库中的图形、属性数据进行分析处理得到的各种表格、清单及查询报告。
3）数字数据
存贮在磁盘、磁带或光盘上的各种图形、图象或测量、统计数据。
（1）某种GIS或制图软件的格式数据，如MAPGIS的点、线、面数据，ARC/INFO格式数据，AOTOCAD的DXF数据。
（2）国际标准格式数据，如计算机较形元文件CGM（ComputerGraphicsMetafile）格式数据等。
（3）用户自定义数据。
14、简述空间数据挖掘的应用。
主要有以下几个方面的应用：
（1）可用于对空间数据的理解，发现显示或隐含的空间目标或现象空间关系，指导科研人员进行更有效的工作；
（2）可用于空间数据库管理系统中对空间数据库的数据集进行重组和空间查询的优化；
（3）可作为辅助决策支持和分析的工具；
（4）可为空间数据仓库提供比SOLAP（SpatialOnlineAnalyticalProcess）更高级的分析工具；
（5）可与GIS和其它IT工具高度集成构成智能化软件包。
15、为什么说GIS建设过程是一项十分复杂的系统工程？
地理信息系统是一个面向实际应用的大型计算机软、硬件系统。
与一般信息系统相比，GIS的特点主要表现在：
①GIS是横跨计算机科学、测绘遥感学、摄影测量学、地理学、地图制图学、人工智能、专家系统、信息学等多学科的边缘学科；
②GIS以空间数据为主，兼有专业属性数据，数据量庞大、数据结构复杂；
③GIS以应用为主要目标，针对不同领域，具有不同的GIS；GIS以空间分析统计处理、提出决策为主要任务。
这些特点决定了GIS工程是一项十分复杂的系统工程，投资大、周期长、风险大、涉及部门繁多。
所以，一个完整的GIS应用不是简单的原理及方法的应用，而是基于系统化思想指导下的工程化建设过程。
16、GIS工程建设按时间序列化分为哪几个阶段？
各阶段的主要任务是什么？
GIS工程建设按开发时间序列化分为4个阶段：
需求分析、系统设计、系统实施、系统维护与评价。
需求分析是在对现行系统调查基础上进行的，是GIS工程开发和建设的第一步，由系统分析员承担完成。
主要任务是通过用户调查发现系统存在的问题，完成可行性研究工作，确定建立GIS是否合理，是否可行。
系统设计阶段：
总体设计（系统结构设计、功能设计、数据库设计、模型设计）和详细设计等子阶段。
系统实施阶段：
设备安装调试、程序编制、数据库工程、测试及试运行等子阶段。
运行维护及评价阶段：
数据库维护、软硬件维护及系统评价等内容。
17、综述GIS与RS、GPS的集成方法。
GIS是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。
RS是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。
GPS是GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的缩写，包括三个基本部分：
太空部分，控制部分和用户部分，它能够实现在全球范围内全天候、高精度地提供从地面到9000公里高空之间的任意位置的三维坐标、三维速度和时钟信息。
①GIS与RS集成技术
遥感数据是GIS的重要信息来源，而GIS则可以作为遥感图像解译的强有力的辅助工具。
②GIS与GPS集成技术
作为实时提供空间定位数据的技术，GPS可以与地理信息系统进行集成，以实现定位、测量、监控导航等不同的具体应用目标。
③3S集成技术
3S的结合应用，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位，GIS进行相应的空间分析，以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。
GIS、RS和GPS三者集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高了GIS的应用效率。
在实际的应用中，较为常见的是3S两两之间的集成，如GIS/RS集成，GIS/GPS集成或者RS/GPS集成等，但是同时集成并使用3S技术的应用实例则较少。
RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技术水平上实现，最简单的办法是三种系统分开而由用户综合使用，进一步是三者有共同的界面，做到表面上无缝的集成，数据传输则在内部通过特征码相结合，最好的办法是整体的集成，成为统一的系统。
18、WebGIS由哪几部分组成？
目前有哪些实现方法？
WebGIS系统主要由四部分组成：
WebGIS浏览器（Browser）、WebGIS信息代理、WebGIS服务器、WebGIS编辑器。
具三层结构：
数据层、应用层和表现层。
目前，WebGIS的解决方案主要有公共网关接口法（CGI包括后来发展的ISAPI、NSAPI等）、服务器应用程序法（ServerAPI）、插件法（Plug-in）、控件法（ActiveXControl）、Java编程法等。
19、论述GIS的热点问题及今后的发展趋势。
目前热点：
①GIS中面向对象
升级会员 