中国地质大学北京GIS期末考试复习资料.docx
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中国地质大学北京GIS期末考试复习资料
第一章导论
第一节地理信息系统基本概念
♦数据与信息
▪两者在词义上的差别：
数据是信息的表达，信息则是数据的内容；
▪数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；
▪信息是存在事物的形状、相互关系、相互作用、发展变化的的表征。
♦地理信息
▪地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称；
▪地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。
♦地理信息系统（简称GIS）
▪GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科，它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等；
▪GIS的操作对象是空间数据,空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等；
▪GIS是管理和分析空间数据的应用工程技术，该工程技术系统由六个子系统组成；
▪GIS为地理学解决复杂的规划与管理问题提供了有效的手段，而地理学则为GIS提供了重要的基础理论依托；
▪GIS的科学定义：
地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。
其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。
第二节GIS的基本构成
♦系统硬件：
由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。
♦系统软件：
由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。
♦空间数据库：
由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。
♦应用模型：
由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。
♦用户界面：
由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。
♦GIS基本构成的结构图
GIS
第三节GIS的功能简介
♦基本功能：
▪数据采集与编辑：
1、图形数字化：
驱动数字化仪、扫描仪等数字化设备。
对影像、图形、数字等多种形式、多方来源的信息实现自动、半自动或人工的数字化，建立空间数据库。
2.数据的编辑：
数据查询、修改、更新、图形分割与拼接、图形缩放、比例尺转换
3.拓扑关系生成：
4.基本量算：
质心量算（对地理分布变化的跟踪；计算目标物对周围地区的经济辐射范围）几何量算（自动快速的计算三维目标的表面积、体积，各类多边形的的周长、面积，各类线段的曲率、方向，以及点状物体的坐标等。
）
5.数据结构转换
6.地理数据库建立：
地理数据库四种方式（全部采用文件管理；文件结合关系数据库管理；全部采用关系数据库管理；重新设计具有空间数据和属性数据管理和分析功能的数据库系统）
▪数据存储与管理：
▪数据处理和变换：
▪空间分析和统计；
▪产品制作与显示；
▪二次开发和编程。
♦应用功能：
资源管理；区域规划；国土监测；辅助决策；定位服务。
第四节GIS的发展透视
♦发展概况
▪发展简史；
▪发展态势：
GIS已成为一门综合性技术；GIS产业化的发展势头强劲；GIS网络化已构成当今社会的热点；地理信息科学。
♦基础理论
▪地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显的体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系；
▪各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会（NSF）支持成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理和地理信息不确定性等；
▪李德仁院士在《空间信息系统的集成与实现》一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题：
地球空间信息学的基准；地球空间信息标准；地球空间信息的时空变化理论；地球空间信息的认知；地球空间信息的不确定性；地球空间信息的解译与反馈；地球空间信息的表达与可视化。
第二章地理信息系统的数据结构
第一节地理空间及其表达
♦地理空间的概念
▪GIS中的概念常用“地理空间”（geo-spatial）来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；
▪地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成；
▪GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；
▪目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。
♦空间实体的表达
▪在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的；
▪对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,如下图。
第二节地理空间数据及其特征
♦GIS的空间数据
▪空间数据可以按数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型；
▪空间、属性和时间特征——空间对象的三大基本特征：
♦空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；
▪属性特征是指空间对象的专题属性；
▪时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。
▪空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。
▪空间数据的计算机表示：
指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。
▪方向关系：
地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。
▪度量空间关系主要是指空间对象之间的距离关系。
第三节空间数据结构的类型
♦矢量数据结构
▪矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；
▪矢量数据结构分为简单数据结构（也称面条数据结构）、拓扑数据结构和曲面数据结构；
▪拓扑数据结构最重要的技术特征和贡献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。
♦栅格数据结构
▪栅格数据结构指将空间分割成各个规则的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式；
▪栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。
♦地理数据编码，是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。
地理内容的编码要反映出地理实体的几何特征，以及地理实体的属性特征，空间数据的编码是地理信息系统设计中最重要的技术步骤，它表现由现实世界到数据世界之间的界面，是联结从现实世界到数据世界的纽带。
♦栅格数据编码：
▪直接栅格编码：
直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。
▪链码：
由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。
8个基本方向自0°开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。
单位矢量的长度默认为一个栅格单元。
▪四叉树编码：
是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n×2n，且n>1），直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。
▪游程长度编码：
只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。
▪块码：
采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。
♦矢量与栅格数据结构
▪矢量与栅格一体化的基本概念；
▪矢量与栅格一体化数据结构的设计。
♦矢量与栅格数据结构的比较
优 点
缺 点
矢量数据结构
1.便于面向现象（土壤类、土地利用单元等）；
2.数据结构紧凑、冗余度低；
3.有利于网络分析；
4.图形显示质量好、精度高。
1.数据结构复杂；
2.软件与硬件的技术要求比较高；
3.多边形叠合等分析比较困难；
4.显示与绘图成本比较高。
栅格数据结构
1.数据结构简单；
2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；
3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；
4.输出方法快速，成本比较低廉。
1.图形数据量大；
2.投影转换比较困难；
3.栅格地图的图形质量相对较低；
4.现象识别的效果不如矢量方法。
第四节空间数据结构的建立
♦系统统功能与数据间的关系
▪现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；
▪对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。
♦空间数据的分类和编码
▪空间数据的分类，是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息；
▪空间数据的编码：
是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。
代码由数字或字符组成。
例如，我国基础地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示：
▪××××××
▪大类码小类码一级代码二级代码识别位
▪大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。
识别位由用户自行定义，以便于扩充。
♦矢量数据的输入与编辑
▪矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去；
▪空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。
♦栅格数据的输入与编辑
▪栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；
▪栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等。
第五节空间数据质量和元数据
♦空间数据质量：
是指空间数据在表达实体空间位置、特征和时间所能达到的准确性、一致性、完整性和三者统一性的程度，以及数据适用于不同应用的能力。
♦空间数据质量标准要素：
▪数据情况说明：
要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等做出准确、全面和详尽的说明。
▪位置精度：
指空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，通常表现为空间三维坐标数据精度。
它包括数学基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度、像元定位精度。
平面精度又分为相对精度和绝对精度。
▪属性精度：
指空间实体的属性与其真值相符的程度。
通常取决于地理数据的类型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与标准的正确性、要素属性值的准确性、名称的正确性等。
▪时间精度：
指数据的现势性。
可以通过数据更新的时间和频度来表现。
▪逻辑一致性：
指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容，以及拓扑性质上的内在一致性。
▪数据完整性：
指地理数据在范围、内容和结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。
▪表达形式的合理性：
主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征、时间特征表达的合理性。
♦空间数据质量问题的来源：
空间现象自身存在的不稳定性、空间现象的表达、空间数据处理中的误差、空间数据使用中的误差
♦元数据概念：
Metadata，原意是关于数据变化的描述，即关于数据的数据。
目的
1、促进数据集的高效利用
2、为计算机辅助软件工程（CASE）服务。
内容
对数据集的描述；对数据项、数据所有者、数据生产历史等的说明；对数据质量的描述；对数据处理信息的说明；对数据转换方法的描述；对数据库的更新、集成方法等的说明。
性质
元数据应尽可能多地反映数据集自身的特征规律。
作用
通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效的利用计算机资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。
第三章空间数据的处理
空间数据处理：
对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数踞进行编辑运算，清除数据沉余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式
第一节空间数据的坐标转换
♦几何纠正
▪几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系；
▪几何纠正的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高次变换等。
♦投影转换
▪投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；
▪投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。
♦由矢量向栅格的转换
▪当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据；
▪由矢量数据向栅格数据的转换方法，根据原数据文件的不同，可以分别应用：
♦基于弧段数据的栅格化方法；
♦基于多边形数据的栅格化方法。
♦由栅格向矢量的转换
▪当由栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出，或者将栅格数据加入矢量数据库时，都需要将栅格数据转换为矢量数据；
▪由栅格数据向矢量数据的转换，根据图像数据文件和再生栅格数据文件的不同，可以分别采用：
♦基于图像数据的矢量化方法；
♦基于再生栅格数据的矢量化方法。
▪边界线追踪：
边界线跟踪的目的就是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储于特征栅格点中心的坐标
▪拓扑关系生成：
对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形空间关系，形成完整的拓扑结构，并建立与属性数据的联系。
▪去除多余点及曲线圆滑：
由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少冗余。
第三节多源空间数据的融合
♦遥感与GIS数据的融合
▪遥感图像与数字地图数据的融合；
▪遥感图像与DEM数据的融合；
▪遥感图像与地图扫描数据的融合。
♦不同格式数据的融合
▪基于转换器的数据融合；
▪基于数据标准的数据融合；
▪基于公共接口的数据融合；
▪基于直接访问的数据融合。
第四节空间数据的压缩与综合
♦空间数据的压缩
▪空间数据的压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的程度范围内最好地逼近原集合，而且具有最大的压缩比a
式中：
m为曲线的原点数；n为曲线经压缩后的点数。
▪数据压缩的目的：
节省存贮空间；节省处理时间
▪数据压缩途径：
▪压缩软件：
原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间，缺点是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用
▪数据消冗处理：
原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用，缺点是技术要求高，工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小
▪用数据子集代替数据全集：
在规定的精度范围内,从原数据集合中抽取一个子集，缺点以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小
▪曲线上点的压缩方法：
▪道格拉斯-普克法（Douglas-Peucker）；
▪Li-openshaw的自然综合法则法；
▪垂距法。
▪面域栅格数据的压缩方法：
通过压缩编码技术来消除冗余数据,如链码、游程长度编码块码四叉树编码
♦空间数据的综合
▪空间数据的综合是针对存贮在GIS数据库中的数据因属性数据的重新分类而进行的操作；
▪空间数据的综合内容包括相同属性的删除和相同属性公共边界线的删除等。
第五节空间数据的内插方法
♦空间数据的内插：
通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插。
其方法是从存在的观测数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据函数关系式推求出区域范围内其它任意点或任意分区的值。
一般来讲，在已存在观测点的区域范围之内估计未观测点的特征值的过程称内插；在已存在观测点的区域范围之外估计未观测点的特征值的过程称推估。
空间数据的内插有离散空间内插和连续空间内插
♦点的内插
▪点的内插是研究具有连续变化特征现象（如地形、气温、气压等）的数值内插方法；
▪点的内插方法可以采用：
▪移动拟合法；
▪局部函数法；
▪克里格（Kriging）内插法。
♦区域的内插
▪区域的内插是研究根据一组分区的已知数据来推求同一地区另一组分区未知数据的内插方法；
▪区域的内插方法可以采用：
▪叠置法；
▪比重法。
第六节图幅数据边沿匹配处理
♦图幅数据边沿匹配的概念
♦图幅数据边沿匹配的任务
▪识别和检索相邻图幅的数据；
▪相邻图幅边界点坐标数据的匹配；
▪相同属性多边形公共界线的删除；
▪连续图幅数据文件的建立。
第四章GIS空间数据库
第一节空间数据库概述
♦空间数据库的概念
⏹GIS存储空间和属性数据的数据库。
♦空间数据库的设计
⏹设计过程；
⏹数据模型设计；
⏹原则、步骤和技术方法。
♦空间数据库的实现和维护
第二节空间数据库概念模型设计:
传统的数据模型
♦层次数据模型
♦网状数据模型
♦关系数据模型
⏹基本概念：
⏹关系；
⏹关键字；
⏹关系模式；
⏹关系数据库；
⏹关系完整性。
第三节空间数据库概念模型设计：
语义模型与对象模型
♦语义数据模型
⏹E-R模型。
♦面向对象的数据模型
⏹面向对象的基本概念：
⏹对象、类；
⏹继承；
⏹重载；
⏹概括与聚集。
第四节空间数据库逻辑模型设计和物理设计
♦逻辑设计
♦物理设计
第五节GIS空间时态数据库
♦空间时态数据库概述
⏹空间时态数据的表达；
⏹空间时态数据的更新；
⏹空间时态数据的查询；
♦时空一体化数据模型
⏹时间片快照模型；
⏹底图叠加模型；
⏹时空合成模型；
⏹全信息对象模型。
第五章空间分析的原理和方法
♦空间分析的概念
空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成和空间演变等信息。
♦空间分析的一般分类
▪产生式分析（productmode）；咨询式分析（querymode）。
第一节数字地面模型分析
♦DTM（数字地表模型）：
是地形表面形态等多种信息的一个数字表示。
它包含地貌、环境、土地利用等多种信息的定量和定性描述。
♦DEM（数字高程模型）只取DTM的（X、Y）和对应的Z值。
实际上地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。
数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。
高程是地理空间中的第三维坐标。
♦不规则三角网方法（TIN）建立DEM：
对有限个离散点,每三个最临近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部平面，再根据每个平面方程，计算每个网格点的高程，生成DEM，TIN特点为：
*不规则三角网由连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点（或称为节点）的密度和位置。
*不规则三角网能随地形起伏变化的复杂性改变采样点的密度和采样点的位置。
*不规则三角网方法能按照地形特征点,如山脊线、山谷线、地形变化线等获得DEM数据，并达到精度要求。
*在不规则三角网方法中，建立三角形之间的拓扑关系，并与属性数据联结起来。
♦数字线划地图 （DLG，Digital Line Graphic）：
是现有地形图要素的矢量数据集，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地表目标。
♦数字栅格地图（DRG，DigitalRasterGraphic）：
是根据现有纸质、胶片等地形图经扫描和几何纠正及色彩校正后，形成在内容、几何精度和色彩上与地形图保持一致的栅格数据集。
♦数字栅格地图（（DRG，DigitalRasterGraphic）：
在内容、几何精度和色彩上与同等比例尺地形图一致。
本产品是模拟产品向数字产品过渡的产品,可作为背景参照图像与其它空间信息相关参考与分析。
可用于数字线划地图的数据采集、评价和更新,还可与数字正射影像图、数字高程模型等数据集成,派生出新的信息,制作新的地图。
♦数字正射影像图 （DOM，Digital Orthophoto Map）是利用数字高程模型（DEM）对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集。
它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。
♦DMI，Digital Measurable Images）是指一体化集成融合管理的时空序列上的具有像片绝对方位元素的航空/航天/地面立体影像的统称。
♦地形因子的自动提取：
坡度计算；坡向分析；曲面面积计算；地表粗糙度计算；高程及变异分析；谷脊特征分析；日照强度的分析；淹没边界的计算。
♦地表形态的自动分类：
拟定地形分类决策表；建立地形类型分类系统；输出地形类型图。
♦地学剖面的绘制和分析：
建立数字高程模型；确定地形剖面线的位置；剖面线交点的内插计算；地形剖面线及相关地理信息（地质、土壤、土地利用等）的叠加表示和输出。
第二节空间叠合分析
♦空间叠合分析的概念：
指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系；空间叠合分析是空间信息系统中最常用的提取隐含信息的手段之一。
叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较，它可以分为以下五类：
视觉信息的叠加、点与多边形的叠加、线与多边形的叠加、多边形叠加和栅格图层叠加
♦视觉信息的叠加：
将多个图层内容放在一起进行显示
♦点与多边形的叠加：
实际上是计算多边形对点的包含关系。
它通过点是否在多边形内的判别来完成。
在完成点与多边形的几何关系计算之后，还要进行属性信息的处理。
最简单的方式是将多边形属性信息叠加到其中的点上（或将点的属性叠加到多边形上，用于标识该多边形）。
通过叠加可以计算出每个多边形类型里有多少个点，以及这些点的属性信息。
♦线与多边形的叠加：
是比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断线是否落在多边形内。
通常是计算线与多边形的交点，只要相交就产生一个结点，将原线打断成一条条弧段，并将原线和多边形的属性信息一起赋给新弧段。
叠加的结果产生一个新的数据层面每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层，同时，产生一个相应的属性数据表记录原线和多边形的属性信息。
♦多边形与多边形的叠合分析
▪多边形与多边形的叠合分析是指将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生输出层的
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