地理信息科学GIS复习.docx
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地理信息科学GIS复习
《地理信息科学导论》
知识梳理与总结
姓名：
学号：
第一章绪论
第二章地理信息科学形成的基础
学科地位：
GIS学科定位：
第三章GIS相关学科知识
一、概述
二、系统论与系统科学
（一）系统的基本概念
1、定义：
系统是又相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体。
2、与环境的关系：
1）系统不能脱离环境存在。
2）环境对系统由塑造作用。
3）系统对环境有反作用。
（二）系统的分类
1、按系统与环境的关系：
孤立系统、开放系统、封闭系统
2、按系统规模及复杂程度：
1）渺观系统、微观系统、宏观系统、宇宙观系统、胀观系统
2）小系统、大系统、巨系统
3）简单系统、复杂系统
3、按系统运动状态：
1）静态系统和动态系统
2）稳态系统和非稳态系统
3）线形系统和非线性系统
4）连续系统和离散系统
5）确定系统和非确定系统
4、其他（略）
（三）系统科学概述
1、概念
系统科学是一系统思想为中心的一类新型科学群，包括系统论、信息论、控制论（老三论）耗散结构论、系统论、突变论（新三论）以及运筹学、系统工程、信息传播技术、管理控制技术等许多学科在内的一大类综合性科学。
二、信息论与信息科学
（一）信息
1、定义
两次不确定性之差。
2、传递模型
信源→编码器→信道→译码器→信宿
（二）信息论概述
1、概念
信息论也称通信数学理论，是一门应用数理统计方法研究信息的传输、存储与处理的科学。
2、研究方面
1）狭义信息论。
主要研究信息的测度、信道容量、信源和信道编码理论等问题。
2）一般信息论。
主要研究通信的一般理论，即主要研究信息传输和处理问题，包括信号与噪音理论、信号过滤等。
3）广义信息论。
研究内容不仅包括一般信息论和狭义信息论，而且还包括与信息有关的心理学、遗传学、神经生理学等的信息问题。
三、地理认知与地理思维
（一）知觉概述
1、错觉的理论
2、知觉特性
3、社会知觉
4、地理信息认知过程
感知过程→表象过程→记忆过程→思维过程
（二）记忆
（三）面向地图认知的地图表达与分析
1、空间认知
2、心象地图
*定义：
是关于驻留在记忆中实体世界与空间的特征的表达。
（关于认知环境的空间概念）
*从认知角度，对心想空间现象的表达要考虑：
（1）数据本身的特性——本体论。
（2）认识主体的特性——认识论。
3、空间认知结果的可视化表达
1）SchematicMap（路网构架图）
适宜于空间网络的认知表达，贴切地体现了心象地图。
2）面域拓扑图
基于面积大小的属性信息表达，将语义数值通过面积大小表达。
（note：
认知的可视化、语义地理信息）
*三种面域拓扑：
（1）非连续的
（2）连续的
（3）Dorling（基于简单几何形状）
3）CyberMap（赛伯地图）
对虚拟空间的认知表达，对赛博空间里存在的事物、发生的现象与过程进行可视化表达，服务于虚拟空间的导航与分析，强调虚拟空间的拓扑信息的认知与导航。
关注链接、在线／离线、节点关联等拓扑信息、拓扑表达图。
4、面向空间认知的地图分析
1）地图分析、空间分析与地理分析
地图分析
空间分析
地理分析
基于图形的符号化思维分析。
强调感性思维，关注“形状”、“横式”、“结构”。
人的主观因素有一定的影响，收认知心理学原则控制。
面向空间认知。
基于空间位置的分析，与几何学结合紧密，依赖于几何操作（多边形拓扑关系、缓冲区、多边形布尔运算）。
是地理分析的基础构件。
不关注图形符号化的感性思维。
与地理学原理、规则结合紧密，面向地学机理、现象、特征、分布规律的解释、挖掘。
经“空间分析”构件组合定量化处理后，要引入定型化分析。
缺乏感性思维
2）面向空间认知的地图分析过程
5、总结
1）、空间认知是定型的、非确定性的过程、关注拓扑结构、需要特殊的图形形式来表达或模拟。
2）、三种可视化技术、具有高度抽象化、定性表达、不确定性的特征，是一空间认知心象地图的模拟。
3）、面向空间认知的地图分析需要考虑认知主体在感知、辨析、识别、推理不同思维过程中的认知心理原则。
是一股具有挑战性的课题。
四、拓展知识
语义GIS：
为了实现真正意义上的GIS数据共享，需要从语义学的角度深刻理解地理信息的传输机机理。
从本质上讲GIS共享的数据不是数据本身，而是其所传达的空间地理信息。
新三论与老三论：
老三论：
系统论、信息论、控制论
新三论：
耗散结构论、系统论、突变论
五、总结感悟
“交叉才能出成果”，学科交叉在学习的过程中至关重要，要不断拓宽自己的知识面，不要“闭门造车”。
要培养自己的空间思维、地理思维、学会从地理空间的角度思考问题。
“不要把自己的发现不当发现”抓住灵感，争取做到基础知识的学习和创新点的思考同时进行。
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第四章地理信息技术体系
一、全球定位系统
（一）概述
1、概念：
具有“海陆空”进行全方位，实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。
2、基本原理：
用户同时向已知其位置的三个导航卫星分别进行距离测量。
（三个卫星数据就可以定位，实时观测至少四颗卫星）
3、组成：
1）空间部分：
GPS星座、GPS星座参数、GPS卫星信号
2）监控部分：
主控站、注入站、监控站
3）用户部分：
即GPS接收机
4、现有的GPS系统：
中国的“北斗”、俄罗斯的“格洛纳斯”、欧洲的“伽利略”、美国的GPS。
（二）作用、功能及特点
1、作用：
快速定位。
2、功能：
定位、导航、跟踪、绘图、定时。
3、特点：
1）全天候、不受天气影响。
2）全球覆盖。
3）二维测速达厘米，精度高。
4）快速省时高效。
5）应用广泛多功能。
6）可移动定位。
（三）应用领域
军事、旅游考察、精准农业、交通、监控等。
二、遥感技术
（一）概述
1、概念
利用各种运载装备，通过传感器收集目标物电磁波信息，经过处理以识别目标物的技术。
2、基本原理
地物在不断1感影像ganyingxiang﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽﷽吸收、发射和反射电磁波，不同的电磁波不同，遥感就是利用一定的设备和装置，探测地标物体对电磁波的发射、提取信息、识别物体。
3、组成
遥感平台、传感器、遥感信息接收和处理系统、遥感应用系统等。
遥感平台→传感器→传输与接受→图像处理运用
4、遥感类型
1）按遥感平台分：
航天遥感、航空遥感、近地遥感
2）按探测的电磁波段分：
可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感
3）其它分类
（二）作用及特点
1、作用
利用一定的技术设备和系统，远距离获取目标物的电磁波信息，并根据电磁波的特征进行分析和应用的技术。
2、特点
1）获取信息的范围大。
2）获取信息的速度快。
3）获取信息内容丰富。
4）获取信息是不受自然和政治因素影响。
（三）遥感影像
1、遥感影像分类
2、遥感影像的像元
遥感影像上能够详细区分的最小单元。
一个像元所表示的地面实际尺寸，就是空间分辨率。
像元越小，遥感影像分辨率越高。
（四）遥感应用
资源普查、精准农业、环境与灾害监测等。
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三、地理信息技术
（一）地理信息（GeographicInformation，GI）：
1、概念
关于空间地理位置和分布有关的所有信息。
2、基本特征
1）空间特征：
通过地理坐标系统识别，是地理信息区别于其他类型信息的最显著标志。
2）多维结构：
通过属性码，在二维空间基础上建立空间位置与地理专题之间的联系，实现多维结构反映多专题信息。
3）时序特征：
通过实践参照限时间序列划分地理信息，反映地理事物或现象的发展和变化。
（二）地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）
1、概念：
地理信息系统是指具有一定结构和功能，能够处理地理信息的计算机软件系统。
物理外壳：
计算机硬件
操作对象：
空间数据
技术优势：
空间分析能力
2、组成：
1）GIS组成概述：
2）GIS组成：
*GIS软件组成：
3、GIS工作流程：
4、GIS功能实现：
5、GIS应用领域：
区域和城乡规划、资源管理、灾害监测、环境评估、作战指挥、交通运输、宏观决策、商业金融、通讯邮电、日常生活等各领域。
6、GIS发展趋势：
1）应用层面：
由高端到低端。
2）信息传输层面：
由有线（单机、网络）到无线。
3）技术层面：
“3S”技术融合、时空GIS、智能GIS。
4）综合层面：
数字地球（GoogleEarth、E都市）。
7、GIS发展的新需求：
1）LBS（LocationBasedService）基于位置的服务。
LBS+GIS
2）影像→图形→影像→场景
3）视角：
俯视→侧视，室内→室外，地表→地下，外部形态→内部结构
4）表达：
模型表达→虚拟表达
5）认知：
抽象→现实
6）发展语义GIS（物联网时代实时动态监控要求）
8、地理信息的再认识：
（1）大数据时代的“4V”特征：
数量（Volume）：
数据量规模大。
种类（Variety）：
多维异构。
速度（Velocity）：
静、动、流数据。
创建和移动速度快。
价值（Value）：
价值密度低，在特定时间和空间才有意义。
（2）现行界定地理信息的内涵：
语义描述、空间定位、几何形态、演化过程、要素关系、属性特征（物理、化学、生物、人文、社会、经济、心里等属性特征）
（3）关于“GIS”的几个概念阐述：
1）地理信息科学：
研究地理信息采集、加工、处理、存储、分析、表达、传输、分发的各类技术。
2）地理信息技术：
用于地理信息采集、加工、处理、存储、分析、表达、传输、分发的各类技术。
3）地理信息产业：
采用地理信息技术对地理信息资源进行生产、加工、开发、应用、服务、经营的全部活动以及设计这些活动的各种设备、技术、服务产品的实体的集合体（它是以地理信息技术为基础发展起来的综合性高技术产业，是生产性服务业，是战略性新兴产业）。
（4）GIS技术的新发展
1）地理时空的几何代数统一表达
传统时空表达→将时间嵌入四维时空，将运动表达成Versor方法→离散时空表达，连续时空表达→连续与离散的整合
2）几何代数空间可视化，基本几何空间表达
CAV数据
（5）时空分异数据结构
（6）全球矢量、影像、地形实时绘制与网络地图绘制
*问题：
1）矢量CIS运行效率低下。
2）现有空间关系算法的完备性和可实现性上明显不足。
3）不同维度算法统一性差，结构发杂，运行效率低。
4）总体上对分布式并行计算和云计算的支撑能力不够。
*要求：
需要直接支撑并行，多为统一和高效数据处理、传输与显示的新方法。
*瓦片方法：
瓦片方法提升了地理信息共享的效率和范围，也称为目前共享应用的主流支撑技术。
*瓦片方法存在的问题：
1）由瓦片带来的GIS专业分析的局限。
2）由瓦片带来的专题制图的局限。
3）功能共享和开发高端GIS应用的局限。
*GIS加速器：
1）客户端和屏幕参数的获取。
↓
2）屏幕信息量计算（屏幕容量，对象遮挡）。
↓
3）视觉无损的要素化简（空间关系保持）。
↓
4）增量计算（无控制信息）。
↓
5）增量传输。
↓
6）增量插入。
*缺乏有效的时空表达与人机交互方法：
1）实时动态目标与三位静态地理场景缺少有效的融合技术。
2）现有的GIS还很少有像虚拟现实技术那样的真三维显示和人机交换。
3）现有的GIS还很少采用虚拟现实融合技术进行场景展示和实时交互。
需要虚拟现实、增强现实、人机交互技术的引入构建虚拟现实化的GIS。
未来媒体的新载体
（7）GIS与新媒体
GIS与新媒体空间场景
多维度、多尺度、属性化、
虚拟化传统GIS
可交互、可感知、网络化、虚拟化未来GIS
四、数字地球技术
1、基本定义
把地球上每一个确定点（点的范围因需求可大可小）的相关信息和数据组织起来，然后进一步组合地球上所有这样的点，构造一个能包容自然和人类大多数数据和信息的虚拟地球。
2、核心思想
一是用数字化手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题；二是最大限度地利用资源。
3、技术基础
*数字地球的基础——全球网络与分布式存储
*数字地球最大的特征与依据——虚拟现实技术
*数字地球重要信息源——高分辨率卫星影像
五、拓展知识
分辨率与比例尺对应的关系：
成图比例尺愈大，所需的影像分辨率愈高，但两者并不是成线性正比关系，而是非线性的。
六、总结感悟
GIS自出现以来发展极快，但存在体系不完整、定义不明确等问题。
进入大数据云计算时代以后，GIS的发展面领着新的挑战。
如何实现人机交互，如何实现虚拟现实，如何实现GIS网络化等都是GIS亟待研究的问题。
作为GIS专业的学生，我们应该关注学科热点问题，关注学术领军人物，从而对专业的前景及研究热点有一定的了解。
第五章地理数据输入与处理
七、数字采集方式
1、手工方式
通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入。
主要用于属性数据的输入。
2、手扶跟踪数字化（矢量数据）
手扶跟踪数字化仪是一种图形数字化设备，是目前常用的地图数字化方式，生成矢量数据。
3、扫描方式（栅格数据）
扫描仪是一种图形、图象输入设备，可以快速地将图形、图象输入计算机系统，是目前发展最快的数字化设备。
4、影像处理和信息提取方式
从遥感影像上直接提取专题信息。
5、数据通讯方式
联网方式下，信息系统内部各子系统之间以及与其它信息系统之间实现信息交流和信息共享的主要方式。
八、数据采集系统功能
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、拓扑关系的生成
大多数GIS系统都采用基于拓扑结构模型的GIS数据库，一些系统具有拓扑关系的自动生成功能，由矢量数据自动生成多边形，并根据相应的多边形内部点文件，生成多边形边界的左右多边形信息并识别岛状多边形，大大减少了编辑工作量。
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。
例如，应用质心量测分析人口变迁、经济增长级等。
*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。
如公路、铁路线的长度，各种土地类型的面积量算，道路设计中的土石方量算等。
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（OO-DBMS）
九、地图数字化
1、手扶跟踪数字化
*工作方式：
点方式、开关流方式、连续流方式、增量方式等。
*输出格式：
ASCⅡ码、二进制等。
2、扫描仪数字化方法
*工作原理：
自然界的每一种物体都会吸收特定的光波，而没被吸收的光波就会反射出去。
*流程：
二值化→细化→矢量化→冗余去除→断线去除→断线修复→要素提取→符号识别→属性赋值
一十、地图数据处理
1、概念：
对采集的各种数据按不同方法对数据进行编辑运算、清除数据冗余、弥补数据缺失、形成符合用户要求的数据文件格式。
2、内容：
数据编辑、数据压缩、数据格式转换、空间数据内插、边沿匹配、数据提取。
3、意义：
空间数据有序化、检验数据质量、实现数据共享、提高资源利用效果
一十一、数据处理方法
1、数据编辑：
图形数据编辑、属性数据编辑
2、拓扑关系建立：
点与线、多边形
3、平面坐标变换：
平移变换、旋转变换、比例变换、投影变换
4、压缩处理：
压缩软件、数据消冗处理、用数据子集代替数据全集（常见方法：
曲线数据压缩、面域栅格数据压缩、面域邻接线段删除等）
5、空间数据类型的转换：
栅格与矢量数据之间的互相转换
6、误差分析与校正
一十二、总结感悟
数据的输入和处理是研究地理信息的重要环节。
准确实时的数据输入时间里地理信息系统的前提条件，除了特殊情况，输入数据应力求准确，否则将会影响最终成果的分析和正确评价。
在数据处理阶段，一方面可以进行数据质量的检查与纠正，另一方面可以对输入的数据进行处理以使其满足应用要求。
总之，地理数据的输入和处理是必不可缺的环节，将直接影响到最终的结果分析，应该认真对待。
第六章空间数据
一、概述
1、定义
空间数据（SpatialData）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。
2、来源
地图数据、遥感数据、统计数据和各种文字报告等。
3、类型
1）类型数据:
居民点、交通线、土地类型分布等。
2）面域数据:
多边形中心点、行政区域界限和行政单元
3）网络数据:
道路交叉点、街道和街区等。
4）样本数据:
气象站、航线和野外样方的分布区等。
5）曲面数据:
高程点、等高线和等值区域。
6）文本数据:
如地名、河流名和区域名称。
7）符号数据:
点状符号、线状符号和面状符号等。
二、空间数据规范化和标准化
1、内容
1）统一的地理基础
2）同意的分类编码原则
3）数据交换格式标准
4）标准的数据采集技术规程
2、意义
现代信息社会，数据共享是一个最基本的特点。
GIS数据规范化和标准化直接影响到地理信息的共享，而地理信息共享又直接影响GIS的经济效益和社会效益。
然而目前空间数据标准化还存在很多问题，缺乏统一的规范和标准，信息得不到有效的共享和利用。
数据规范化和标准化建设是一项十分紧迫的任务。
三、空间数据质量
1、定义
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、完整性和三者统一的程度，以及数据适用于不同应用的能力。
2、评价
1）误差：
数据与真实值与大家公认的真值之间的差异。
2）准确度：
记过、计算值、估计值与真实值之间的差异。
3）精度：
数据表示的精密程度，以及数据表示的有效位数。
4）不确定性：
关于空间过程和特征不能被准确确定的程度。
3、标准要素
*数据情况说明：
来源、内容、过程
*空间数据的完整性:
指数据是否覆盖到应该覆盖的范围。
如:
全国的数据就应该覆盖到全国范围，一个省的居民地就应该包括全省的居民地数据。
*空间数据的逻辑一致性:
指数据定义的统一性，在同一个空间数据库中，数据的定义应该保持一致。
*空间数据的位置精度:
指数据的地理位置精度，空间数据属性精度主要是指数据所载负的地理信息的正确性。
如:
一条河流的名称是否正确、一个居民地的名称是否正确等等。
*空间数据的属性精度：
类型、长于位置精度有关、要素分类与标准的正确性）
*空间数据的时间精度（现势性）:
指数据本身所代表的时间信息的正确性。
如:
50年代的湖泊数据与90年代的湖泊数据就有很大的差别。
*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、专题特征和时间特征表达的合理性等。
4、空间数据质量问题的来源
1）空间现象自身存在的不确定性。
2）空间现象的表达。
3）空间数据处理中的误差。
4）空间数据使用中的误差。
5、质量控制
1）定义
空间数据的质量控制就是通过采用科学的方法，制定出空间数据的生产技术规程，并采取一系列切实有效的方法在空间数据的生产过程中，针对空间数据质量的关键性问题予以精度控制和错误改正，以保证空间数据的质量。
2）方法
传统手工、元数据方法、地理相关法等。
3）数字化过程中的质量控制
*数据预处理工作：
主要包括对原始地图、表格等的整理、誊清或清绘。
对于质量不高的数据源，如散乱的文档和图面不清晰的地图，通过预处理工作不但可减少数字化误差，还可提高数字化工作的效率。
对于扫描数字化的原始图形或图像，还可采用分版扫描的方法，来减少矢量化误差。
*数字化设备的选用：
主要根据手扶数字化仪、扫描仪等设备的分辨率和精度等有关参数进行挑选，这些参数应不低于设计的数据精度要求。
*数字化对点的精度：
是数字化时数据采集点与原始点重合的程度。
*数字化限差：
采点密度、接边误差、接合距离、悬挂距离、细化距离和纹理距离等。
*接边误差控制：
通常当相邻图幅对应要素间距离小于0.3mm时，可移动其中一个要素以使两者接合;当这一距离在0.3mm与0.6mm之间时，两要素各自移动一半距离;若距离大于0.6mm，则按一般制图原则接边，并作记录。
*数据精度检查：
主要检查输出图与原始图之间的点位误差。
四、空间数据拓扑关系的建立
1、定义：
拓扑结构是明确定义空间结构关系的一种数学方法。
在GIS中，它不但用于空间数据的组织，而且在空间分析和应用中都有非常重要的意义。
2、地理空间数据的拓扑关系
拓扑邻接:
同类元素之间的拓扑关系。
拓扑关联:
不同类元素之间的拓扑关系。
拓扑包含:
同类不同级元素之间的拓扑关系。
3、拓扑关系的应用价值
1）确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离。
2）利于空间要素查询。
3）重建地理实体。
五、空间数据的增值
六、元数据
1、定义：
元数据（Metadata），是描述数据的数据。
在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。
2、内容：
1）对数据集的描述;对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（数据生产历史）等的说明;
2）对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、元数据的比例尺等;
3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等;
4）对数据转换方法的描述;
5）对数据库的更新、集成等的说明。
3、目的：
促进数据的高效利用、为计算机辅助软件工程服务。
4、作用：
1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解;
2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据;
3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断;
4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。
5、类型：
七、拓展知识
关于空间数据标准化所面临的问题：
随着地理系统的广泛应用，对于空间数据标准化的呼声越来越高，其目的在于使地理数据得以在更广大的范围内共享。
但是数据标准化问题直接受到地理学研究成果的制约。
由于地理学尊在许多概念
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