GIS 复习资料汇总.docx
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GIS复习资料汇总
第一章
信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。
信息的特点：
●信息的客观性,与客观事物紧密相联系的；
●信息的适用性，信息对决策是十分重要；
●信息的传输性。
信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备（包括远程终端），和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。
●信息的共享性。
信息与实物不同，它可以传输给多个户，为多个用户共享，而其本身并无损失。
信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。
数据：
（Data）
通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。
数据的特点：
●数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。
例如：
“1”和“0”，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有（1表示）无（0表示）的信息。
●地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。
对同一数据每个人的解释可能不同，因而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。
●信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，而数据是信息的表达。
也就是说数据是信息的载体。
地理信息
地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。
或者定义为：
表征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数字、文字、图像和图形等的总称。
从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。
它脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能。
地理信息的特点:
●空间分布性
属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。
●具有多维结构的特征
即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。
●时序特征十分明显
可以按照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）等。
这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据很重要。
●具有丰富的信息
GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。
纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。
地理信息系统（GIS,GeographicInformationSystem）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展起来。
GIS重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。
地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。
地理信息系统的特点
●具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
●以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能产生高层次的地理信息。
●具有公共的地理定位基础，所有的地理要素，要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位，才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策。
●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，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。
●地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。
信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。
地理信息系统按其内容分为三大类：
专题地理信息系统
区域地理信息系统
地理信息系统工具
本课程的教学目的和要求
●掌握GIS的概念，了解GIS组成和基本功能；
概念框架、理解，GIS组成、基本功能
●掌握GIS的数据处理流程
采集、编辑、组织、管理、分析、输出；
●熟悉GIS空间分析基本技术和方法，具有用GIS解决本专业相关问题的能力；
●了解GIS的发展与趋势
GIS课程特点
1学科与技术的统一体
2发展与内容更新的快速性
3多学科集成、渗透性较强
4空间抽象性
地理信息系统的发展的四个阶段
60年代起源于北美
70年代是GIS发展的巩固阶段
80年代为地理信息系统的大发展阶段
90年代至今为地理信息系统的应用普及时代
GIS在我国的发展
●准备阶段：
1978年到1980年，进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。
●起步阶段：
1981年到1985年，理论探索和区域性实验研究。
并在此基础上制定国家地理信息系统规范。
●初步发展阶段：
1986年到90年代。
地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。
●快速发展阶段：
90年代末到现在。
理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS走向应用，GIS市场开始形成。
GIS的基本功能
●输入
●查询
●编辑
●分析
●输出
所谓地理信息系统的应用就是人们应用GIS对地球表层人文经济和自然资源及环境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系和空间过程的演变规律，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展服务
作业与思考
●什么是GIS？
它具有什么特点？
●GIS与其它信息系统有什么区别？
●简述GIS的构成。
●简述GIS的发展。
●举例说明GIS可应用的行业。
第三章
一、GIS的数据源：
地图数据，遥感数据，文本数据，统计数据
实测数据，多媒体数据，已有系统的数据
二、空间数据采集的任务
将现有的上述类型数据转换成GIS可以处理与接收的数字形式，通
常要经过验证、修改、编辑等处理。
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。
研究GIS数据质量对于评定GIS的算法、减少GIS设计与开发的盲目性都具
有重要意义。
GIS数据质量对保证GIS产品的可靠性有重要意义
一、地理空间（GeographicSpace）的定义
指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分
布方式和格局及其在时间上的延续，包括地球上大气圈、水圈、生物
圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。
地理空间具体被描述为：
1）绝对空间，具有属性描述的空间位置的集合，一系列坐标值组成。
2）相对空间，是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的
空间关系组成。
二、地理空间的数学建构---如何建立地球表面的几何模型
1、最自然的面：
2、相对抽象的面，即大地水准面
3、椭球体模型
三、地理参照系
1、经纬度坐标系（地理坐标）
2、笛卡儿平面坐标系
3、高程系统，“1956年黄海高程系”，“1985年国家高程基准”
四、GIS的地理基础--控制基础
各种GIS的数据源、服务目的和各自特征可以不同，但均有自身统一的地
理基础。
1、地理基础的内容
地理基础是地理信息数据表示格式与规范的重要组成部分
2、投影与坐标系：
每一种投影都与一个坐标系统相联系。
投影关系着如何将图形物体显示于平面上，
坐标系统显示出地形地物所在的相对位置。
3、统一的地图投影系统的意义：
1）为地理信息的输入、输出及匹配处理提供一个统一的定位框架
2）使各种来源的地理信息和数据能够具有共同的地理基础
五、地图投影
2、GIS中地图投影设计与配置的一般原则
1）与相应比例尺的国家基本图投影系统一致。
2）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。
3）所用投影以等角投影为宜。
4）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。
3、我国GIS常用的地图投影配置
1）、我国基本比例尺地形图（1：
100万到1：
5000）,除1：
100万外均采用高斯—克
吕格投影为地理基础；
2）、我国1：
100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的
全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致。
3）、我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于
同一投影系统的Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）；
4）、Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离（即大圆航线）表现为近于直线。
§3-3空间数据的分类和编码
一、空间数据的组织
二、地理数据的分层
空间数据可按某种属性特征形成一个数据层，称为图层（Coverage）。
1、空间数据分层方法：
1）专题分层
每个图层对应一个专题，包含某一种或某一类数据。
2）时间序列分层
即把不同时间或不同时期的数据作为一个数据层。
3）地面垂直高度分层
把不同高度的数据作为一个数据层。
2、空间数据分层的目的
便于空间数据的管理、查询、显示、分析等。
1）管理简单
2）可加快查询速度
3）增加了图形显示的灵活性
4）对不同数据层进行叠加，可进行各种目的的空间分析。
三、空间数据的分类与编码
1、属性数据编码
2、分类编码的原则
分类的基本原则是：
科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性、
稳定性、不受比例尺限制、灵活性
3、分类码和标识码
§3-4空间数据的采集
一、输入前准备
1、 资料准备，区域标定
1）基础原始数据的确定
2）数据分类项目的确定
3）数据标准的准确性的确定
2、进行三个统一：
（地理基础统一，即确定投影、比例尺、分类分级编码）
3、所用软件的检查、试用菜单准备及其它辅助工作。
4、硬件检查。
5、精度试验。
6、试验，样区、单项试验。
二、几何图形数据的采集
确定数字化路线
1）选择底图
2）地图分层与分幅
地图预处理
1）减少图纸变形的影响
2）线划要素的分段
3）选取控制点
地图数字化
（一）手工数字化
1、手工矢量数字化
1）对地理实体编码（图2）
2）量取地理实体坐标（图3）
3）录入坐标数据（图4
2、手工栅格数字化
1）确定栅格单元大小
2）准备栅格网
3）对栅格单元进行编码
4）读取栅格单元值
5）数据录入
（二）数字化仪数字化
1）、设置好数字化仪
2）、确定投影方式和坐标系
3）、用数字化软件进行数字化
（三）扫描矢量化
1、扫描矢量化处理流程：
2、屏幕跟踪矢量化流程：
三、属性数据采集
1、键盘，人机对话方式
2、程序批量输入。
四、属性和几何数据的连接
五、空间数据的编辑和检核
1、空间数据输入的误差：
1）几何数据的不完整或重复。
2）几何数据的位置不正确。
3）比例尺不正确。
4）变形。
5）几何数据与属性数据的连接有误。
6）属性数据错误、不完整。
2、空间数据的检查
1）通过图形实体与其属性的联合显示，发现数字化中的遗漏、重复、不
匹配等错误；
2）在屏幕上用地图要素对应的符号显示数字化的结果，对照原图检查错
误；
3）把数字化的结果绘图输出在透明材料上，然后与原图叠加以发现错
漏；
4）对等高线，通过确定最低和最高等高线的高程及等高距，编制软件来
检查高程的赋值是否正确；
5）对于面状要素，可在建立拓扑关系时，根据多边形是否闭合来检查，
或根据多边形与多边形内点的匹配来检查等；
6）对于属性数据，通常是在屏幕上逐表、逐行检查，也可打印出来检
查；
7）对于属性数据还可编写检核程序
8）使用几何纠正来进行处理图纸变形引起的误差
§3-5GIS的数据质量
一、GIS的数据质量的内容（类型）
1、GIS数据质量的基本内容
1）位置（几何）精度
2）属性精度
3）逻辑一致性
4）完备性
5）现势性
2、误差产生的主要原因
1）空间现象自身存在的不稳定性
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
3、误差的具体来源
1）数据采集中的误差
2）数据输入中的误差
3）数据存储的误差
4）数据操作中的误差
5）数据输出的误差
6）成果使用中的误差
4、误差传播
1）代数（算术）关系
2）逻辑关系
a、布尔逻辑关系
b、不精确推理关系
二、GIS数据质量的评价方法
1、直接评价法
1）用计算机程序自动检测
2）随机抽样检测
2、间接评价法-----（地理相关法和元数据法）
3、非定量描述法
三、数字化的误差评价和质量控制
1、评价数字化误差的方法
1）自动回归法
2）ε－Band法
该方法适用于任何类型的GIS数据，
关键是如何给出合理的ε值。
3）对比法
2、数字化过程中的质量控制
1）数字化预处理工作
2）数字化设备的选用
3）数字化对点精度（准确性）
4）数字化限差
5）数据的精度检查
四、数据处理中数据质量的评价
1、数字高程模型（DEM）的精度
影响因素：
原始资料的精内插的精度
DEM精度的评价方法：
原始等高线与再生等高线叠
合评价的方法。
2、矢量数据栅格化的误差
属性误差：
象元越大，属性误差越大。
几何误差：
几何误差的大小与象元的大小成正比。
其中矢量数据表示的多边形网用象元逼近时会产生较严重的拓扑匹配问题。
误差分析的一种方法：
在理想的矢量地图上不同属性的制图
单元由很细的线分开；对理想地图进行观测采样得到一幅具
有规则格网的栅格地图，把这两幅图进行叠置比较。
3、多边形叠置产生的误差
包括拓扑匹配误差、几何误差和属性误差。
1）拓扑匹配误差
叠置的多边形的边界越精确，越容易产生无意义的多边形。
多边形叠置所形成的多边形的数量与原多边形边界的复杂程度有关。
-----需要合并无意义的多边形
合并无意义的多边形的方法：
A、用人机交互的方法把无意义的多边形合并到大多边形中；
B、根据无意义多边形的临界值，自动合并到大多边形中；
C、用拟合后的新边界进行合并。
2）几何误差：
3）属性误差：
§3-6空间数据标准--数据共享
一、概述
1、目前影响数据共享的因素
体制上：
行业数据保密政策。
技术上：
不同系统对空间数据采用的数据结构和数据格式不同。
网络化程度：
用户可共享网络分散在不同地点的各种软硬件。
2、空间数据标准：
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。
3、空间数据标准的状况：
1）只针对某一地理信息系统设计空间数据标准并不困难；
2）所建立的空间数据标准能为大家所承认，为大多数系统所接受和使用，这
就比较复杂和困难。
二、空间数据分类标准
1、原则：
1）遵循已有的国家标准，以利于全国范围内的数据共享。
2）遵循国务院有关部委以及军队正在使用的数据标准。
3）遵循各领域中普遍使用和认同的数据标准。
4）当各种数据标准相互矛盾时，应遵循由上而下的原则进行处理。
5）制定新的数据标准时，应尽可能参考同类标准。
三、空间数据交换标准
1、外部数据交换标准
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
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
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。
我国已发布了GIS的外部数据交换格式，包括:
1）矢量数据交换格式
2）栅格数据交换格式
3）数字高程模型交换格式标准
五、GIS空间元数据（GeospatialMetadata）
1、空间元数据的定义和作用
1）定义：
地理的数据和信息资源的描述性信息。
对地理空间数据的内容、质量、条件
和其他特征进行的描述与说明。
2）作用：
（a）用来组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源。
（b）帮助数据使用者查询所需空间信息。
（c）组织和维护一个机构对数据的投资。
（d）用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心。
（e）提供数据转换方面的信息。
2、空间元数据的分类
1）高层元数据
2）中层元数据
3）底层元数据
3、空间元数据的内容
对空间元数据所要描述的一般内容进行层次化和范式化，指定
出可供参考与遵循的空间元数据标准的内容框架。
1）目录层
主要用于对数据集信息进行宏观描述。
2）空间元数据标准的主体
由八个基本内容部分和四个引用部分组成。
4、元数据的获取
1）三阶段：
数据收集前：
根据要建设的数据库的内容而设计的元数据。
数据收集中：
随数据的形成同步产生的元数据。
数据收集后：
根据需要产生的元数据。
2）获取方法
六、空间数据的互操作
1、互操作含义
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。
互操作地理信息处理的能力：
1）自由地交换所有关于地球的信息
2）通过网络协作运行能够操作这些信息的软件
2、GIS互操作类型：
1）软件的互操作，强调软件功能块间的相互调用；
2）数据的互操作，强调数据集之间相互透明的访问；
3）语义湖操作，强调信息的共享，在一定语义约束下（对地理现象共同的理解下）的互操作。
第四章
§4-1坐标变换
一、图幅数据的坐标变换
1、比例尺变换：
乘系数
2、变形误差改正：
通过控制点利用高次变换、二次变换和仿射变换加以改正
3、坐标旋转和平移
即数字化坐标变换，利用仿射变换改正。
4、投影变换：
三种方法。
二、几何纠正
1、高次变换
2、二次变换
3、仿射变换
特性：
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。
三、地图投影变换
1、解析变换法
1）反解变换法（又称间接变换法）
2）正解变换法（又称直接变换法）
2、数值变换法
§4-2图形编辑
图形编辑又叫数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数
据进行编辑加工，其主要的目的是在改正数据差错的同时，相应地改正数
字化资料的图形。
图形编辑是一交互处理过程，GIS具备的图形编辑功能的要求是：
1）具有友好的人机界面
2）具有对几何数据和属性编码的修改功能
3）具有分层显示和窗口操作功能
一、编辑操作
1、结点的编辑
1）结点吻合（Snap）
或称结点匹配、结点咬合，结点附和。
方法：
A、结点移动
B、鼠标拉框
C、求交点
D、自动匹配
2）结点与线的吻合
编辑的方法：
A、结点移动，将结点移动到线目标上。
B、使用线段求交；
C、自动编辑，在给定容差内，自动求交并吻合在一起。
3）需要考虑两种情况
A、要求坐标一致，而不建立拓扑关系（不打断）
B、不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关系（打断）
4）清除假结点（伪结点）
由仅有两个线目标相关联的结点成为假结点。
2、图形编辑
包括用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。
1）删除和增加一个顶点
删除顶点
增加顶点
2）移动一个顶点
3）删除一段弧段
3、数据检查与清理
数据检查指拓扑关系的检查，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形
是否封闭，是否有假结点。
要求系统能将有错误或不正确的拓扑关系的点、线和面用不同的颜色和符
号表示出来，以便于人工检查和修改。
数据清理则是用自动的方法清除空间数据的错误.
4、撤消与恢复编辑
二、关键算法
1、点的捕捉若S和A的距离d小于捕捉半径D则认为捕捉成功，即认为找到的点是A，
否则失败，继续搜索其它点。
2、线的捕捉
加快线捕捉的速度的方法：
1）在实际的捕捉中，可每计算一个距离di就进行一次比较，若di＜D，则捕捉成功。
2）把不可能被光标捕捉到的线，用简单算法去除。
3）对于线段也采用类似的方法处理。
4）简化距离公式：
3、面的捕捉
实际上就是判断光标点S（x,y）是否在多边形内，若在多边形内则说明捕捉到。
判断点是否在多边形内的算法主要有垂线法或转角法。
垂线法的基本思想是从光标点引垂线（实际上可以是任意方向的射线），计算与多边形的交点个数。
若交点个数为奇数则说明该点在多边形内；若交点个数为偶数，则该点在多边形外。
加快速度的方法：
1）找出该多边形的外接矩形，若光标点落在该矩形中，才有可能
捕捉到该面，否则放弃对该多边形的进一步计算和判断。
2）对不可能有交点的线段应通过简单的坐标比较迅速去除。
3）运用计算交点的技巧。
4、图形编辑的数据组织—空间索引
为加速检索，需要分层建索引，主要方法有格网索引和四叉树索引。
1）格网索引
a、每个要素在一个或多个网格中
b、每个网格可含多个要素
c、要素不真正被网格分割，
2）四叉树索引
A、线性四叉树，先采用Morton或Peano码，再根
据空间对象覆盖的范围进行四叉树分割。
B、层次四叉树，需要记录中间结点和父结点与子
结点之间的指针，若某个地物覆盖了哪个中间结
点，还要记录该空间对象的标识。
§4-3拓扑关系的自动建立
一、点线拓扑关系的自动建立
二、多边形拓扑关系自动建立
1、链的组织
1）找出在链的中间相交的情况，自动切成新链；
2）把链按一定顺序存储，并把链按顺序编号。
2、结点匹配
1）把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐
标值取多个端点的平均值。
2）对结点顺序编
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