地理信息系统考研复习资料(必备).doc
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华南师范大学地理信息系统考研复习资料
1地理信息的概念
定义：
是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。
特性：
1）地域性：
地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。
这是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志；
2）多维结构：
在二维空间编码基础上，实现多专题的第三维信息结构的组合，为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供方便。
3）时序特征：
时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。
可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、
短期的（如江河洪水、秋季低温）中期的（如土地利用、作物估产）长期的（如城市化、水土流失）超长期的（如地壳变动、气候变化）
实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。
2地理信息系统的概念
GIS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、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。
3GIS的构成
应用人员，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
软系统件，支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统
硬件系统，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
应用模型，解决某一专门应用的应用模型，是GIS技术产生社会经济效益的关键所在
4地理信息的基本功能和应用领域
a.数据采集与输入b.数据编辑与更新c.数据存储与管理d.数据显示与输出
e空间查询与分析e1空间查询e2叠加分析e3缓冲区分析e4网络分析e5地形分析
第二章
1地理实体的三个基本特征
a属性特征——用以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等
b空间特征——用以描述事物或现象的地理位置以及空间相互关系，故又称几何特征和拓扑
特征，如中国与印度之间边界界桩的经纬度，中国与印度之间的邻接关系
c时间特征——用以描述事物或现象随时间的变化，如学生人数的逐年变化。
2地理实体的数据类型
属性数据——描述空间对象的属性特征的数据，也称非几何数据。
即说明“是什么”，如类型、等级、名称、状态等描述时间特征的数据也可以归为这一类。
几何数据——描述空间对象的空间特征的数据，也称位置数据、定位数据。
即说明“在哪里”，一般用经纬度或X、Y坐标来表示。
关系数据——描述空间对象之间的空间关系的数据，一般通过拓扑关系表达。
如空间数据的相邻、包含等，主要是指拓扑关系。
拓扑关系是一种对空间关系进行明确定义的数学方法
3空间数据结构的概念
是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构，也就是指空间数据以什么形式在计算机中存储和处理。
空间数据结构分为基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构两种基本类型。
3.1矢量、栅格数据结构的概念
矢量数据结构——通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构。
A.点实体：
记录点坐标和属性代码；
B.线实体：
记录两个或一系列采样点的坐标，并加属性代码；
C.面实体：
记录边界上一系列采样点的坐标，由于多边形封闭，边界为闭合环，加面域属性代码。
栅格数据结构——是指将地表区域划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值。
A.点实体：
由单个像元来表达
B.线实体：
由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达。
C.面实体：
由聚集在一起的相邻像元的集合来表达。
4拓扑关系的概念，类型
拓扑关系：
指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。
类型：
最基本拓扑关系拓扑关联：
指存在于空间图形中的不同拓扑元素之间的关系
结点与弧段：
如结b与弧3,2,5，多边形与弧段：
面C与弧4,5,3。
拓扑邻接：
指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的关系。
多边形之间,结点之间邻接矩阵,1——邻结；0——不邻结
其它拓扑关系拓扑包含：
指存在于空间图形中的面与其它元素之间的关系,如面状实体包含哪些点、线状实体
层次关系：
指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的等级关系，如连云港市各个区
拓扑连通：
拓扑元素之间的通达关系，如点连通度，面连通度
5拓扑关系的意义
A.拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系。
不需要利用坐标或距离就可以确定一个地理实体相对于另一个地理实体的空间位置关系，并且这种拓扑数据较之几何数据具有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化
B.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
C.根据拓扑关系可重建地理实体。
6栅格坐标系统的确定
栅格坐标系统的确定
由于栅格编码一般用于区域性GIS，原点的选择常具有局部性质。
但为了便于区域的拼接，栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致，并分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴。
6.1栅格单元尺寸的原则方法
栅格单元的尺寸
1）原则：
应能有效地逼近空间对象的分布特征，又减少数据的冗余度。
栅格太大，忽略较小图斑，信息被丢失；栅格太小，会增加存储数据量
2）方法：
用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式：
H=½（min|Ai|）1/2
H为栅格单元边长,Ai为区域所有多边形的面积
7栅格单元代码的确定
栅格代码（属性值）的确定
1、中心点法：
取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值。
2、面积占优法：
栅格单元属性值为面积最大者。
3、重要性法：
取重要的属性值为栅格属性值。
4、长度占优法：
每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定。
8栅格数据结构的特点
l用离散的量化栅格值表示空间对象（通常是规则格网）
l位置隐含，属性明显
l数据结构简单，易于遥感数据结合，但数据量大
l存在几何和属性偏差
l面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系
l比例尺大小为栅格（像元）的大小与地表相应单元的大小之比。
9矢量与栅格数据结构的比较
第三章
1GIS数据源有哪些
a地图数据存储介质、现势性、投影转换
b遥感、航空影象和数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征
c实测数据
d数字数据格式、精度
e统计数据、文本数据
f多媒体，辅助GIS空间分析和查询
2GIS数据质量的概念
GIS的数据质量，是指GIS中空间数据（几何数据和属性数据）的可靠性，通常用空间数据的误差来度量。
误差是指数据与真值的偏离。
3地理控制基础的内容
地理控制基础是地理信息数据表示格式与规范的重要组成部分
内容：
1统一的地图投影系统2统一的地理格网坐标系统（地理参照系）3统一的地理编码系统
4GIS中地图投影的设计与配置一般原则
a与相应比例尺的国家基本图投影系统一致。
B系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种应用于大比例尺的数据处理与输出、输入，另一种服务于小比例尺。
C所用投影以等角投影为宜。
d所用投影应能与网格坐标系统相适应，即所采用的网格系统在投影带中应保持完整。
5连接地理实体与计算机中表现形式为编码；标识码是联系实体的几何信息和属性信息的关键字；实体几何数据与属性数据的连接纽带——公共标识符（关键字）
6代码的功能
a鉴别代码代表对象的名称，是鉴别对象的惟一标识。
b分类当按对象的属性分类并分别赋予不同的类别代码时，代码又可作为区分分类对象类别的标识。
c排序当按对象产生的时间、所占的空间或其他方面的顺序关系排列并分别赋予不同的代码时，代码又可作为区别对象排序的标识。
7地理目标数据分层的目的
是为了便于空间数据的
管理——对所有地理目标的管理就简化为对各数据层的管理。
查询——对地理目标数据进行查询，只需要对某一层地理目标数据进行查询即可，因而可加快查询速度。
显示——不需要分层后的地理目标数据由于任意选择需要显示的图层，因而增加了图形显示的灵活性
分析——对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析
8GIS数据质量的基本内容
a位置精度：
如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的质量。
b属性精度：
如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。
c逻辑一致性：
如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等。
d完备性：
如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性等
e现势性：
如数据的采集时间、数据的更新时间等
9GIS数据质量误差产生的原因
a空间现象自身存在的不稳定性
b空间现象的表达（如由椭球体到平面必然产生误差）
c空间数据处理中的误差
d空间数据使用中的误差
10空间数据误差的类型
GIS空间数据的误差可分为源误差和处理误差
（1）源误差，是指数据采集和录入中产生的误差，包括：
A遥感数据：
摄影平台、传感器的结构及稳定性、分辩率等
b测量数据：
人差（读数误差等）、仪差（仪器不完善等）、环境（干扰等）
c属性数据：
数据的录入、数据库的操作等
dGPS数据：
信号的精度、接收机精度、定位方法、处理算法等
e地图：
控制点精度，编绘、清绘、制图综合等的精度
f地图数字化精度：
纸张变形、数字化仪精度、操作员的技能等
（2）处理误差，是指GIS对空间数据进行处理时产生的误差，如：
1几何纠正；2坐标变换；3几何数据的编辑；4属性数据的编辑；5空间分析（如多边形叠置等）；6图形化简（如数据压缩）；7数据格式转换；8计算机截断误差；9空间内插；10矢量栅格数据的相互转换。
11空间数据标准的概念
是指空间数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式等的标准形式。
每个地理信息系统都必须具有相应的空间数据标准
12空间数据交换标准的方式
由于空间数据模型的不同，空间数据的定义、表达和存储方式也不同，因而数据交换也需要统一的标准。
1外部数据交换标准
这类标准通常是ASCII码文件，用户可以通过阅读说明书来直接读写这种外部数据格式。
GIS的外部数据交换格式通常包括：
矢量数据交换格式；栅格数据交换格式；数字高程模型交换格式。
特点：
自动化程度不高，速度较慢等，但它可解决不同GIS之间的数据转换问题。
它仍然是实现数据共享的主流方式。
2空间数据互操作协议
制定一套各方都能接受的标准空间数据操纵函数，通过调用这些函数以互相操作对方的数据。
特点：
比外部数据交换标准方便，但由于各种软件存储和处理空间数据的方式不同，空间数据的互操作函数又不可能很庞大，因此往往不能解决所有问题。
3空间数据共享平台
服务器存放空间数据，采用客户机/服务器体系结构，各种GIS通过一个公共的平台在服务器存取所有数据，以避免数据的不一致性。
特点：
思路较好，但现有的GIS软件各有自己的底层，要统一平台目前难以实现
4统一数据库接口
在对空间数据模型有共同理解的基础上，各系统开发专门的双向转换程序，将本系统的内部数据结构转换成统一数据库的接口。
特点：
这种方式的前提，首先要求对现实世界进行统一的面向对象的数据理解，这不易实现的。
目前：
外部数据交换标准仍是实现数据共享的主流方式
13空间元数据的定义，主要作用
空间元数据（GeospatialMetadata）：
地理的数据和信息资源的描述性信息。
是通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关数据的数据。
作用：
（1）确定一套地理空间数据的存在性及其位置和其对于某种应用的适宜性，确定空间数据的存储方法、表达方法和使用方法。
2）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源
3）帮助数据使用者查询所需空间信息
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
14GIS空间数据互操作的含义和其对于GIS的必要性
指异构环境下两个或两个以上的实体可以互相通信和协作，以完成某一特定任务，这些实体包括程序、对象、系统运行环境等。
必要性：
1）解决基础数据的共享问题的需要2）GIS应用趋向多学科综合和集成化3）GIS走向社会化的需要4）是InternetGIS发展的需要
15OPENGIS的概念
OGIS，也叫开放式地理数据交换规程，它是由开放地理信息系统协会（OpenGISConsortium）制定的一系列开放标准和接口。
OpenGIS规范是OGC规范的最高层次，是利用软件统一地表示地理数据和地理处理的规范系统。
第四章
1矢量图形数据的编辑（重要）
2空间索引的概念
空间索引——是指依据空间对象的位置和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。
它包含空间对象的概要信息，通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。
3仿射变换
仿射变换的特性：
实质是两坐标系间的旋转变换。
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
4投影变换的方法
1解析变换法：
找出两投影间坐标变换的解析计算公式的两种方法：
A.反解变换法先解出原地图投影点的地理φ，λ，对于x，y的解析关系式，将其代入新图的投影公式中求得其坐标。
B.正解变换法直接求出两种投影点的直角坐标关系式。
2数值变换法原投影点的坐标解析式不知道，或不易求出两投影之间坐标的直接关系，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。
5数据压缩的概念
是指从所取得的数据集合中抽出一个子集，使得该子集在规定的精度范围内较好地逼近原集合，且尽可能降低其数据量的数据处理过程。
5.1矢量数据压缩的方法
5.2栅格数据的压缩概念、方法（重要）
概念：
是指为了删除冗余数据，减少数据存储量，节省存储空间，加快后继处理速度，对栅格数据所做得处理方法。
1游程编码压缩方法
是指将原始栅格阵列的行或列中属性值相同的连续若干个栅格单元进行合并，并映射成一个游程，以减少数据存储冗余度的编码压缩方法。
每个游程的数据结构为（A，P）整数对。
其中A代表属性值或属性值的指针，P代表连续相同属性值的栅格个数
（游程编码压缩方法是一种无损失的压缩编码结构）
2链式编码压缩
用从某一起点开始沿8个方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界，从而达到压缩数据量的方法。
建立步骤：
1）首先定义一个3×3窗口，对中间栅格的走向的8种可能进行编码。
2）记下地物属性码和起点行、列后，进行追踪，得到矢量链。
如下图所示：
3块状编码压缩
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。
数据对格式（初始行、列，半径，属性值）
4四叉树编码压缩方法
是指将栅格或图像沿中央位置等分成四部分，如果某一子区的所有网格都具有同样的属性值，则这个子区就不再继续分割；否则，就要把这个子区再等分成四个区域，直到每个子区都含有相同的属性值为止，据此再进行编码的方法。
一种可变分率的非均匀网格系统，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。
5空间数据结构的转换
5.1点对象的栅格化
5.2面对象的栅格化
6空间数据插值的概念
空间数据插值，是指通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法
7泰森多边形
泰森多边形法的基本原理是，未知点的最佳值由最邻近的观测值产生。
（1）每个泰森多边形内仅含有一个控制点数据
（2）泰森多边形内的点到相应控制点的距离最近
（3）位于泰森多边形边上的点到其两边控制点的距离相等
（4）在判断一个控制点与其它哪些控制点相邻时，可直接根据泰森多边形得出结论，即若泰森多边形是n多边形，则n个离散点相邻。
8趋势面分析的基本特点？
？
？
？
1插值结果是一个平滑表面（线），这个表面（线）是由采样点值拟合的多项式数学方程生成的。
2其起伏变化平缓，代表研究区域范围内表面逐渐变化的总体趋势，很少能与实际的已知样点完全重合，属非精确插值方法。
3该插值方法受生成的预测表面容易受那些离群点（极高或低样点）的影响，而且多项式越复杂，其物理意义就越难描述。
第五章
1空间数据库的概念
以特定的信息结构和数据模型表达、存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。
2空间数据库的特征
A空间数据库具有一般数据库所共有的特征
1数据集中控制在文件管理方法中，文件是分散的，文件之间一般是没有联系的，不能按照统一的方法来控制、维护和管理。
而数据库则很好地克服了这一缺点，可以集中控制、维护和管理有关数据。
2数据独立数据库中的数据独立于应用程序，包括数据的物理独立性和逻辑独立性。
这给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充提供了方便，提高了数据库应用系统的稳定性。
3数据共享数据库中的数据可以供多个用户使用，每个用户只与数据库中的一部分数据发生联系。
用户数据可以重叠，用户可以同时存取数据而互不影响，大大提高了数据库的使用效率。
4较小的数据冗余数据库中的数据不是面向应用，而是面向系统，数据是按照一定的数据模型组织、描述和存储，并进行集中管理，具有较小的冗余度，也提高了数据的一致性。
5统一的数据保护功能多用户共享数据资源时，严格检查用户使用数据，规定用户的访问和存取权限，确保数据的安全性、一致性和并发控制。
B空间数据库有别于一般数据库的特征
（1）空间特征：
空间特征是空间数据库的最主要特征，它描述的是空间物体的位置、形态和空间关系
（2）抽象特征：
空间数据描述的是真实世界所具有的综合特征，非常复杂，必须经过抽象处理。
在不同的抽象中，同一地物可能会有不同的语义特征。
（3）空间关系特征：
空间数据除了空间坐标隐含了空间分布关系外，空间数据中也记录了拓扑数据结构表达的多种空间关系。
这种拓扑数据结构一方面方便了空间数据的查询和空间分析，另一方面也给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂程度。
（4）多尺度与多态性：
不同观察尺度具有不同的比例尺和精度，同一地物在不同情况下会有形态差异。
（5）非结构化：
在关系数据库管理系统中，数据记录是结构化的，记录是定长的，数据项不容许有嵌套。
空间数据不满足结构化要求，记录数据项是变长的，不满足关系数据模型的范式要求。
（6）分类编码特征：
在GIS数据库系统中，每一个空间对象都有一个标识码和分类码。
（7）海量数据特征：
空间数据量是巨大的，通常称为海量数据，其数据量比一般通用数据库要大得多。
一个城市的数据量要达到TB级。
3GIS空间数据管理模式
（1）基于文件管理的方式
（2）文件与关系数据库混合管理系统
（3）全关系型空间数据库管理系统
（4）对象—关系数据库管理系统
（5）面向对象GIS数据库管理系统
4GIS数据模型的概念，三要素，建立的目的
数据模型是指数据库系统中关于数据内容和数据间联系的逻辑组织形式，它以抽象的形式描述和反映地理实体构成及其相互关系。
三要素：
数据结构、数据操作和数据的约束条件
建立数据模型的目的是：
用最佳的方式表达实体对象及其相互关系，并能以最佳的方式为用户提供访问数据库的逻辑接口
5层次、网状、关系数据模型的优缺点（以下为关系数据模型）
优点：
结构简单灵活；容易维护和理解，数据的修改和更新方便。
一般DBMS管理属性数据方便可靠，管理图形数据有局限：
1无法用递归和嵌套的方式来描述复杂的层次和网状结构，模拟和操作复杂地理对象的能力较弱；
1对复杂结构地理对象的描述，需对实体进行不自然的分解，导致存储模式、查询途径及操作等方面均显得语义不甚合理；
3概念模式和存储模式的相互独立性，导致关系之间的联系需要执行联接操作，系统开销较大，运行效率不够高；
4难于存储和维护变长的空间数据及其拓扑关系；
5不能支持GIS需要的一些复杂图形功能及包含、叠加等操作。
6数据库结构设计
数据库设计，就是把现实世界中一定范围内存在着的应用处理和数据抽象成一个数据库的具体结构的过程。
空间数据库的设计，是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程。
主要包括需求分析、结构设计和数据层设计三部分。
7空间数据库的维护（重组织，重构造的概念）
1、空间数据库的重组织指在不改变空间数据库原来的逻辑结构和物理结构的前提下，改变数据的存储位置，将数据予以重新组织和存放。
2、空间数据库的重构造指局部改变空间数据库的逻辑结构和物理结构。
数据库重构通过改写其概念模式（逻辑模式）的内模式（存储模式）进行。
第六章
1空间分析的定义
是集空问数据分析和空间模拟于一体的技术，通过地理计算和空间表达挖掘潜在空间信息，以解决实际问题的过程。
2空间查询的定义
是指基于给定的属性和空间约束条件从地理数据库中查找指定地理对象及其属性的过程
3数字地面模型（DTM）和高程模型（DEM）。
数字地面模型：
是指地表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。
数字高程模型：
是一定区域范围内地面高度连续变化的数字化表示方法，通常是指按照一定的格网间隔采集地面高程所建立的规则格网高程模型。
4TIN的概念、特点
TIN：
利用区域有限个点集将区域划分为互不交叉、互不重叠且相连的三角面网络来模拟地形表面的数据模型。
特点：
①TIN模型具有可变分辨率；
②因能顾及各种地形特征点、线，故能以较少的采样点高精度的逼近复杂的地形表面
③TIN模型可减少规则格网法带来的数据冗余，同时在计算坡度等效率方面优于纯粹基于等高线的方法；
④TIN数据结构、存储管理与操纵较为复杂，数据共享不便，大规模DEM生产管理较少采用，一般用于大比例尺地形测图
5空间叠置分析、缓冲区分析、网络分析的概念
空间叠置分析又称叠加分析，是指在统一的空间参照系统条件下，将同一地区的两组或两组以上的图层要素进行叠置，产生新的数据层的分析方法。
缓冲区分析是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区域，用以识别这些实体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。
GIS的网络分析是通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，对网络结构及其资源的优化问题进行研究的一种空间分析方法。
（网络分析的基础是图论和运筹学）
6狄克拉斯算法（重要）
7树，最小生成树的概念
（中心选址问题重要）
第七章
1空间信息可视化的概念
是指运用地图学、计算机图形学和图像
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