地理信息系统概论知识点总复习.docx
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地理信息系统概论知识点总复习
第一章地理信息系统概论
数据与信息
信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。
信息的特点：
客观性（信息与客观事实紧密相关）、
实用性（经过信息系统处理可以变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息）、
传输性（可以在发送者和接收者之间传播）、
共享性（可为多个用户共享而本身无损失）。
数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。
数据的特点：
格式依赖计算机系统，可以转换形式，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。
数据与信息的关系：
信息与数据是不可分离的。
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。
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。
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而改变。
数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。
不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。
信息系统:
信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用信息。
信息系统的类型：
事务处理系统（支持操作层人员的日常活动，处理日常事务）；
管理信息系统（为战术层管理者提供信息，包含事务处理系统）；
决策支持系统（交互式信息系统，能支持管理者制定决策）;
人工智能和专家系统（能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统）。
地理信息系统
地理信息系统是一种决策支持系统。
它的定义由两方面组成，一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
地理信息系统的特点：
第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；
第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，完成人类难以完成的任务；
第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。
地理信息系统的特殊性：
其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置（位置信息）以及与该位置有关的地物属性特征（非位置信息）成为信息检索的重要部分。
地理信息系统的构成：
计算机硬件系统（计算机系统中的实际物理装置的总称）、
计算机软件系统（必须的各种程序，包括系统软件、地理信息系统软件和应用分析程序）；
系统开发、管理和使用人员和
空间数据（指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据）。
地理信息系统功能概述：
数据采集、监测与编辑（手扶跟踪数字化）；数据处理（矢栅转换、制图综合）；数据存储与组织（矢量栅格模型）；空间查询与分析（空间检索、空间拓扑叠加分析、空间模型分析）；图形交互与显示（各种成果表现方式）。
第二章从现实世界到比特世界
从现实世界到比特世界
现实世界、概念世界、地理空间世界、维度世界、项目世界、比特世界。
第三章空间数据模型
三个基本模型
空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念。
空间数据模型的类型：
基于对象（要素）的模型；网络模型；场模型。
要素模型：
点对象，由特定位置、维数为零的物体；线对象，维度为一的空间组成部分；多边形对象，即面状实体，通常用封闭曲线加内点来表示。
矢量模型即是基于要素的，将现象看成原型实体的集合，矢量模型的表达源于空间实体的本身，通常以坐标来定义。
网络模型：
地物被抽象为链、节点等对象，同时要注意其连通关系。
场模型：
用于模拟一定空间内连续分布的现象，常用栅格数据模型描述。
栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。
三种模型的对比：
基于对象的模型强调了离散对象，网络模型表示了特殊对象之间的交互，场模型表示了二维或三维空间中连续变化的数据。
要素模型和场模型的不同在于一个是先选择要素，再回答"它在哪里"的问题；场模型实现选择一个位置，在回答"哪里怎么样"的问题，最后都得到数据。
网络模型的基本特征是：
节点数据之间没有明确的从属关系，一个节点可以与其他多个节点建立联系，将数据组织成有向图结构，它反映了现实世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构。
空间关系分析
三种基本类型：
拓扑关系（确定拓扑属性）、方向关系（地物对象之间的方位）、度量关系。
度量关系分析包括空间指标量算（几何、自然、人文）、地理空间的距离量算（4种距离）。
第四章空间参照系统和地图投影（不考）
第五章GIS中的数据
空间数据的类型
三种类型：
空间特征数据（定位数据）是指空间实体的位置、拓扑关系和几何特征；
时间属性数据（尺度数据）是指地理实体的时间变化或数据采集的时间；
专题属性数据（非定位数据）是指地理实体所具有的各种性质。
测量尺度
四个层次：
命名量命名量是定性而非定量，不能进行任何算术运算；
次序量次序量只按顺序排列，可以比较比例量大小，也不能运算；
间隔量间隔量按相等间隔表示相对位置，但无真实零值，可以进行运算；
比例量比例量间隔相等，而且有真实零值，测量尺度与单位无关。
数据质量
概念：
准确性，即一个记录值与它的真实值之间的接近程度；
精度，即对现象描述的详细程度；
空间分辨率，即两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；
比例尺，即地图上一个记录的距离和它所表现的真实距离之间的一个比例；
误差，即一个所记录的测量和它的事实之间的差异；
不确定性，包括空间位置的不确定性、属性不确定性和数据不完整性等。
元数据
元数据是关于数据的描述性数据信息，说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。
其目的是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程服务。
元数据的内容：
对数据集的描述，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、集成等的说明。
元数据的作用和意义：
帮助数据生产单位有效的维护和管理数据；
提供有关数据生产单位的各种有关信息供用户查询；
帮助用户了解数据；
提供有关信息，以便用户处理和转换有用数据。
采用元数据可以便于数据共享。
第六章空间数据获取与处理
地图数字化
手扶跟踪数字化是目前最为广泛使用的将已有地图数字化的手段，利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标，通常采用两种方式，即点方式和流方式，流方式又分距离流方式和时间流方式。
曲线离散化算法
曲线离散化即在数字化过程中对原有曲线进行采样简化，在曲线上取有限个点将其变为折线，并能在一定程度上保持原有形状。
算法：
1.在首尾两点之间连接一条直线段，称为曲线的弦；
2.得到曲线上离该直线段距离最大的点，并计算其与弦的距离；
3.比较该距离与给定阈值的大小，若小于阈值则将弦作为曲线的近似；若大于阈值则用最远点将曲线分为两段，分别进行上述处理；当所有的曲线都处理完毕后依次连接各个分割点形成折线，即可作为曲线的近似。
图像细化
线细化就是不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程。
一般要求：
保证细化后曲线的连通性；细化结果是原曲线的中心线；保留细线端点。
坐标变换
包括：
基本坐标变换：
平移（将图形的一部分或全部移动到迪卡尔坐标系中另外的位置）、缩放（用于输出大小不同的图形）、旋转（投影变换中常用）；仿射变换（综合考虑图形的平移、旋转和缩放的变换）。
拓扑生成
拓扑关系需定义的内容：
区域、邻接性和连通性。
数字化后地图错误的表现形式：
伪节点、悬挂节点、碎屑多边形和不正规多边形。
建立拓扑关系：
多边形拓扑关系的建立需要描述多边形的组成弧段，弧段两侧的多边形、两段的节点，节点相连的弧段。
网络拓扑关系的建立，需要确定线实体之间的连通关系。
第七章空间数据管理
栅格数据结构
栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。
栅格结构的显著特点：
属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。
栅格数据的编码方法：
直接栅格编码，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；压缩编码，包括
链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据；
游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现；
块码是有成长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域为记录单元；
四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。
矢量数据结构
矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。
矢量结构的显著特点：
定位明显，属性隐含。
矢量数据的编码方法：
对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息；
对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法。
坐标序列法是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；树状索引编码法是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；拓扑结构编码法是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。
矢量栅格数据的比较
矢量数据的优缺点：
优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高；
缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。
栅格数据的优缺点：
优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强；
缺点为数据量大，投影转换比较复杂。
两者比较：
栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂；
栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。
对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。
矢量栅格相互转换算法
矢量转栅格：
内部点扩散法，即由多边形内部种子点向周围邻点扩散，直至到达各边界为止；复数积分算法，即由待判别点对多边形的封闭边界计算复数积分，来判断两者关系；射线算法和扫描算法，即由图外某点向待判点引射线，通过射线与多边形边界交点数来判断内外关系；边界代数算法，是一种基于积分思想的矢量转栅格算法，适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换，方法是由多边形边界上某点开始，顺时针搜索边界线，上行时边界左侧具有相同行坐标的栅格减去某值，下行时边界左侧所有栅格点加上该值，边界搜索完毕之后即完成多边形的转换。
栅格转矢量：
即是提取具有相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成矢量格式边界线的过程。
步骤包括：
多边形边界提取，即使用高通滤波将栅格图像二值化；边界线追踪，即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索；拓扑关系生成和去处多余点及曲线圆滑。
第八章空间分析
空间量算
包括几何量算（对点线面地物有不同含义）、形状量算（空间一致性、多边形边界特征描述）、质心量算和距离量算。
缓冲区
地理空间目标的一种影响范围或服务范围。
是解决临近度问题的空间分析工具之一。
缓冲区解决的基本问题是双线问题：
角分线法、凸角圆弧法。
例子：
交通沿线和河流沿线的地物特征，公共设施的服务半径，水库建设引起的搬迁，铁路公路以及河道对所经区域经济发展的重要性。
叠加分析：
将地理景观分层提取，每个主题层（数据层面）既可以用矢量结构的数据表达，也可以用栅格结构的数据表达。
地理信息系统的叠加分析是将有关主题层组成的数据层面进行叠加，产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层面要素所具有的属性。
它不仅包括空间关系的比较，也包含属性关系的比较。
提取空间隐含信息的手段之一。
可以分为以下几类（应用）：
视觉信息叠加（遥感影象与专题地图的叠加）点与多边形的叠加（多边形对点的包含关系，进行属性查询），线与多边形叠加（比较线上坐标与多边形的关系，计算河流和路网密度），多边形叠加（土地利用分析），栅格图层叠加（用于空间模拟如：
土壤侵蚀强度模拟）。
空间插值
将离散点的测量数据转化为连续的数据曲面，以便于其他空间现象的分布模式进行比较，包括空间内插和外推两种算法
用处：
不同分辨率和方向的影象之间的转换、改变数据模型、现有数据的不能完全覆盖所要求的区域范围。
数据源：
航片和卫星影象、扫描影象、野外测量采样数据、数字化地图。
空间插值方法
整体（边界内插、趋势面分析），局部插值（泰森多边形方法、距离倒数插值法、样条函数插值法、克里金插值法）
第九章数字地形模型和地形分析
DEM
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。
当地形属性为高程时就是数字高程模型（DEM）。
屏幕矢量化
数字化对于地理信息系统的应用来说是一切数据处理和分析的开始.
屏幕矢量化的基本原理:
将原始图纸通过扫描保存为影像图片,将该图片作为底图显示,利用各种矢量数据描述图片上的地理地物.
屏幕矢量化基本过程
纸质图的扫描
根据原始图创建相应的坐标系数据源
将影像文件导入SuperMapDeskpro
配准
裁剪
创建数据集
数据结构的修改
手工跟踪
属性数据的录入
数据的编辑和检查
1,纸质图的扫描
扫描之前应进行图面的整理;
扫描的分辨率一般设为300-500dpi;
扫描后,得到*.bmp,*.jpg,*.gif,*.tif等格式的原始栅格数据.
2,坐标系的设置
新建数据源->新建坐标系
3,导入影像文件
【数据集】->【导入数据集】
4,配准
配准的目的:
将待配准的数据由平面坐标系映射或转换到地理坐标系.
配准的数学原理:
进行坐标仿射变换.
配准的意义:
为了赋予地物实际的空间位置,使地物具有地理含义.同时也可以对原始数据进行几何校正.
配准是屏幕矢量化的关键环节.
具体步骤
步骤一:
调出配准对话框
【工具】->【配准】->【新建配准窗口】
步骤二:
在配准界面中进行配准
1,选择配准方法
2,选取控制点输入坐标值（刺点）
3,计算配准误差（矩形配准不用计算）
4,配准
5,裁剪
为什么要裁剪
多幅影像图拼接
栅格裁剪特点
区域内裁剪
【地图】->【地图裁剪】->【矩形裁剪】
6,创建数据集
新建各种类型的数据集,用来表达地图上各种特征的地物.
新建点数据集采集点状地物;
线数据集采集线状地物;
面数据集采集面状地物;
文本数据集采集注记等等.
【数据集】->【新建数据集】
批量创建数据集
按各种类型创建数据集
混合创建数据集
模板方式创建数据集
7,修改数据结构
右键点击数据集—>【属性】->【属性表结构】
8,屏幕跟踪
手动跟踪
半自动跟踪
跟踪线
跟踪面
手动跟踪
设置当前图层为可编辑
选择绘制工具
描绘地图
半自动跟踪
自动跟踪线数据集
打开线数据集
设置可编辑
跟踪设置
开始跟踪
鼠标左键单击一次
鼠标右键单击一次
鼠标左键双击
鼠标右键单击结束
跟踪回退
自动跟踪面数据集
打开面数据集
设置可编辑
跟踪设置
开始跟踪
鼠标左键单击一次
对象->栅格矢量化
9,属性数据录入
10,如何使用符号面板
制作专题地图
不能对系统字段SmID制作专题图
打开符号面板
【视图】->【工具栏】->【符号面板】
选择符号面板中某一种风格
在地图窗口上绘制对象
11,数据的编辑和检查
检查图形数据与属性数据,以及图形数据和属性数据的对应关系.
数据编辑和检查是控制数据质量的重要环节.
GIS基本概念集锦
1、地理信息系统（geographicinformationsystem，即gis）——一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。
2、比较gis与cad、cac间的异同。
cad——计算机辅助设计，规则图形的生成、编辑与显示系统，与外部描述数据无关。
cac——计算机辅助制图，适合地图制图的专用软件，缺乏空间分析能力。
gis——地理信息系统，集规则图形与地图制图于一身，且有较强的空间分析能力。
3、图层：
将空间信息按其几何特征及属性划分成的专题。
4、地理数据采集——实地调查、采样；传统的测量方法，如三角测量法、三边测量法；全球定位系统（gps）；现代遥感技术；生物遥测学；数字摄影技术；人口普查。
5、信息范例——传统的制图方法，称为信息范例，即假定地图本身是一个最终产品，通过使用符号、分类限制的选择等方式交换空间信息的模式。
这个范例是传统的透视图方法，由于原始而受到很多限制，地图用户不能轻易获得预分类数据。
也就是说，用户只限于处理最终产品，而无法将数据重组为更有效的形式以适应环境或需求的变化。
6、分析范例（整体范例）——存储保存原始数据的属性数据，可根据用户的需求进行数据的显示、重组和分类。
整体范例是一种真正的用于制图学和地理学的整体方法。
7、栅格——栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面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，或仅仅包括指向其属性记录的指针。
因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。
特点：
属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性本身，而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标，即定位是根据数据在数据集中的位置得到的，在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
8、矢量——它假定地理空间是连续，通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。
对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；对于线实体，用一系列坐标对的连线表示；多边形是指边界完全闭合的空间区域，用一系列坐标对的连线表示。
9、“拓扑”（topology）一词来源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。
拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性（拓扑属性：
一个点在一个弧段的端点，一个点在一个区域的边界上；非拓扑属性：
两点之间的距离，弧段的长度，区域的周长、面积）。
这种结构应包括：
唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值）。
地理空间研究中三个重要的拓扑概念
（1）连接性：
弧段在结点处的相互联接关系；
（2）多边形区域定义：
多个弧段首尾相连构成了多边形的内部区域；（3）邻接性：
通过定义弧段的左右边及其方向性来判断弧段左右多边形的邻接性。
10、矢量的实体错误——伪节点：
即需要假节点进行识别的节点，发生在线和自身相连接的地方（如岛状伪结点——显示存在一个岛状多边形，这个多边形处于另一个更大的多边形内部），或发生在两条线沿着平行路径而不是交叉路径相交的地方（节点——表示线与线间连接的特殊点）。
摇摆结点：
有时称为摇摆，来源于3种可能的错误类型：
闭合失败的多边形；欠头线，即结点延伸程度不够，未与应当连接的目标相连；过头线，结点的线超出想与之连接的实体。
碎多边形：
起因于沿共同边界线进行的不良数字化过程，在边界线位置，线一定是不只一次地被数字化。
高度不规则的国家边境线，例如中美洲，特别容易出现这样的数字变形。
标注错误：
丢失标注和重复标注。
异常多边形：
具有丢失节点的多边形。
丢失的弧。
11、空间分析方法——1、空间信息的测量：
线与多边形的测量、距离测量、形状测量；2、空间信息分类：
范围分级分类、邻域功能、漫游窗口、缓冲区；3、叠加分析：
多边形叠加、点与多边形、线与多边形；4、网络分析：
路径分析、地址匹配、资源匹配；5、空间统计分析：
插值、趋势分析、结构分析；6、表面分析：
坡度分析、坡向分析、可见度和相互可见度分析。
12、欧拉数——最通常的空间完整性，即空洞区域内空洞数量的度量，测量法称为欧拉函数，它只用一个单一的数描述这些函数，称为欧拉数。
数量上，欧拉数=（空洞数）-（碎片数-1），这里空洞数是外部多边形自身包含的多边形空洞数量，碎片数是碎片区域内多边形的数量。
有时欧拉数是不确定的。
13、函数距离——描述两点间距离的一种函数关系，如时间、摩擦、消耗等，将这些用于距离测量的方法集中起来，称为函数距离。
14、曼哈顿距离——两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离，即d（i，j）=|xi-xj|+|yi-yj|。
对于一个具有正南正北、正东正西方向规则布局的城镇街道，从一点到达另一点的距离正是在南北方向上旅行的距离加上在东西方向上旅行的距离因此曼哈顿距离又称为出租车距离，曼哈顿距离不是距离不变量，当坐标轴变动时，点间的距离就会不同。
15、邻域功能——所谓邻域是指具有统一属性的实体区域或者焦点集中在整个地区的较小部分实体空间。
邻域功能就是在特定的实体空间中发现其属性的一致性。
它包括直接邻域和扩展邻域。
16、缓冲区分析——是指根据数据库的点、线、面实体基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的空间分析方法。
缓冲区在某种程度上受控于目前存在的摩擦表面、地形、障碍物等，也就是说，尽管缓冲区建立在位置的基础上，但是还有其他实质性的成分。
确定缓冲区距离的四种基本方法：
随机缓冲区、成因缓冲区、可测量缓冲区、合法授权缓冲区。
17、统计表面——表面是含有z值的形貌，z值又称为高度值，它的位置被一系列x和y坐标对定义且在区域范围内分布。
z值也常被认为是高程值，但是不必局限于这一种度量。
实际上，在可定义的区域内出现的任意可测量的数值（例如，序数、间隔和比率数据）都可以认为组成了表面。
一般使用的术语是统计表面，因为在考虑的范围内z值构成了许多要素的统计学的表述（robinsonetal.,1995）。
18、dem——数字高程模型（digitalelevationmodel）。
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。
dem通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的dem还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。
在地理信息系统中，dem是建立数字地形模型（digitalterrainmodel）的基础数据，其它的地形要素可由dem直接
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