地理信息系统期末复习本科.docx
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地理信息系统期末复习本科
第一章导论
1、地理信息系统：
是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并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而建立起来的计算机技术系统。
2、地理空间数据：
是地理信息系统的操作对象与管理内容，也是地理信息系统的核心。
它是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，这些数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。
3、地理信息系统具有的特征：
（1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统
（2）GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体等这类有三维要素的地理实体。
（3）GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以产生常规方法或普遍信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。
4、GIS的基本功能：
对空间信息及其相关的属性信息的处理
基本功能：
（1）数据采集与编辑；
（2）数据存储与管理；
（3）数据处理和变换；（数据变换；数据重构；数据抽取）
（4）空间分析和统计；（叠合分析；缓冲区分析；数字地形模型）
（5）产品制作与显示；（6）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
5、地理信息系统的类型:
（1）按内容分：
①专题地理信息系统②区域地理信息系统③地理信息系统工具
（2）按数据结构分：
①基于多边形的，即矢量型地理信息系统，如Mapinfo；
②基于格网的，即栅格型地理信息系统，如Idrisi等；
③基于混合型的，如ArcGis
6、GIS的基本构成：
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
7、地理信息系统中的数据：
（1）空间数据：
用来确定图形或制图特征的位置，
①几何坐标（即位置信息）：
主要用于标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图的空间位置。
如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。
②实体间的空间相关性：
即拓扑关系，表示点、线、网、面等实体之间的空间联系。
如面实体遇岛或内部点的包容关系，再如是否相交关系。
（2）非空间的属性数据：
用来反映与几何位置无关的属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。
8、地理信息系统的发展态势：
（1）GIS已成为一门综合性技术；
（2）GIS产业化的发展势头强劲；
（3）GIS网络化已构成当今社会的热点；（4）地理信息科学的产生和发展。
第二章地理信息系统的数据结构
1、地理空间实体特征：
指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体。
2、GIS的空间数据：
（1）按数据源：
影像数据；地图数据；地形数据；属性数据；元数据
（2）按对象：
类型数据；面域数据；网络数据；样本数据；曲面数据；文本数据；符号数据
（3）数据结构：
矢量数据；栅格数据
（4）数据特征:
a.空间定位数据b.非空间属性
（5）数据几何特征：
点，线，面，曲面
（6）数据发布形式：
a.数字线划图数据（DLG）b.数字栅格图数据（DRG）
c.数字高程模型数据（DEM）d.数字正摄影像数据（DOM）
3、数据压缩要求：
不失真，变换简单，压缩、解压迅速可靠
4、空间数据的基本特征：
（1）几种特征：
①空间特征数据：
表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。
②属性特征数据：
表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等等。
③拓扑特征数据：
指现象或物体空间的相互关系。
④时间特征数据
（2）拓扑结构和拓扑关系←在GIS中，为了真实地反映地理实体，不仅要包括实体的位置、形状、大小和属性、还必须反映实体之间的相互关系。
↓
△拓扑关系：
在地图上是通过图形来识别和解释的，而在计算机中，则必须按照拓扑结构加以定义。
拓扑结构：
用于准确表示空间实体之间空间结构关系的一种数学方法。
①拓扑邻接：
空间图形中同类元素之间的拓扑关系
②拓扑关联：
空间图形中不同类元素之间的拓扑关系
③拓扑包含：
空间图形中同类但不同级别元素之间的拓扑关系
④拓扑层次：
空间图形中相同拓扑元素之间的层次关系
（3）拓扑关系的表达①面域与弧段的拓扑关系②结点与弧段的拓扑关系
③弧段与结点的拓扑关系④弧段与面域的拓扑关系
↓
5、空间数据结构：
表示地理实体的空间数据的空间特征、属性特征和时态特征的组织和建立，以便计算机存储和操作。
计算机表示的基本方法：
空间分幅、属性分层、时间分段
（1）栅格数据结构：
又称为网格结构或象元结构，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、列号定义，并包含一个代码，表示该象素的属性类型或量值。
（最简单最直观的空间数据结构）
特点：
数据结构简单、采点转换容易、拓扑关系明了
主要类型：
①栅格矩阵结构：
一种完全由栅格阵列的空间数据组织形式；栅格数据占有比较大的存储空间
②游程编码结构：
游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法
→基本思路：
对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。
其编码方案是，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，从而实现数据的压缩。
③四叉树数据结构
→基本方法：
将空间区域按照四个象限进行递归分割，直到子象元的数值单调为止。
（为保证四叉树能不断的分解下去，要求图象必须为2n*2n的栅格阵列）
→建立方法：
A自上而下法：
当n*n的矩阵比较大，且区域内容要素又比较复杂时，建立这种四叉树的速度比较慢。
B自下而上法：
如果每相邻四个网格值相同则进行合并，逐次往上递归合并，直到符合四叉树的原则为止。
运算速度较快
→在计算机中的表达：
A常规四叉树B线性四叉树
④八叉树和十六叉树结构
↓
（2）矢量数据结构：
基于矢量数据模型的数据结构，是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体的一种数据组织方法。
三种数据结构：
①简单数据结构（实体数据结构）；
②拓扑数据结构（DIME—对偶独立地图编码法、PLOYVRT—多边形转换器、TIGER—地理编码和参照系统的拓扑集成）；
③曲面数据结构——原理：
根据曲面要素的实测点分布，将它们连成三角网，三角网中的每一个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。
6、矢量与栅格数据结构的比较
（1）栅格数据结构类型具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于实现，且操作简单；
（2）有利于建模，进行空间信息的分析；
（3）因为栅格数据格式的简单性（不经过压缩编码），其数据格式容易为大多数程序设计人员和用户所理解，基于栅格数据基础之上的信息共享也较矢量数据容易；
（4）与遥感影像的数据结构一致；
（5）栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率较低。
（6）矢量数据结构类型具有“位置明显、属性隐含”的特点，它操作起来比较复杂，许多分析操作（如叠置分析等）用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度较高，数据存储量小，输出图形美观且工作效率较高。
7、空间数据的编码：
空间数据的编码是指将数据分类的结果表示成一种易于被计算机和识别的符号系统。
编码的结果是代码，由数字或字符或它们的组合组成
8、GIS中引入拓扑关系的优缺点
优点：
（1）描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐标位置。
（2）空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。
（3）方便多边形和多边形的叠合。
（4）便于检查数据输入过程中的错误。
缺点：
（1）拓扑关系建立过程比较复杂
（2）数据结构本身复杂
第三章空间数据处理
1、空间数据处理：
（1）数据变换：
指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换。
几何纠正、投影转换和辐射纠正等,以解决空间数据的几何配准。
（2）数据重构：
指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括数据结构、格式和类型等的改变，以实现多源和异构数据的联结和融合。
（3）数据提取：
指对数据进行某种条件的提取，包括类型提取、窗口提取和空间内插等，以满足不同用户对数据的特定需求。
↓
2、空间数据的坐标变换：
（1）坐标平移
（2）图形缩放变换（3）缩放中心不在原点的缩放变换P70
必要性：
（1）设备坐标系与用户定义的坐标系不一致
（2）设备坐标系如计算机显示器、打印机等的坐标系
（3）数字化原图图纸的变形（4）地图投影与地图比例尺的差异
基本类型：
（1）仿射变换
（2）相似变换（3）二次变换
投影转换：
（1）正解变换
（2）反解变换；
（1）解析变换
（2）数值变换（3）解析-数值变换
3、由矢量向栅格的转换：
基本原理：
矢量数据结构的数据存储方式：
只记录数据点的坐标
栅格数据结构的数据存储方式：
以陈列的方式存储，记录行和列的数据
主要两种：
①.弧段数据栅格化：
数据管理；转换计算②多边形数据栅格化
4、由栅格向矢量的转换：
是扫描矢量化由人工方法向自动或半自动方法转化的重要基础。
两种方法：
①基于图像数据的矢量化方法：
二值化、细化（剥皮法；骨架法）、跟踪、去除多余点及曲线光滑、拓扑关系生产
②基于再生栅格数据的矢量化方法
5、空间数据融合：
是一个多级、多层面的空间数据处理过程，主要完成对来自多个信息源的空间数据（包括不同的空间数据结构，或相同空间数据结构不同的数据格式和文件组织形式）进行。
6、遥感与GIS数据数据融合类型：
（1）遥感影像与数字地图的融合
（2）遥感影像与DEM的融合
（3）遥感影像与扫描图象的融合
7、不同数据格式之间的融合方法：
（1）基于转换器的数据融合
（2）基于数据标准的数据融合
（3）基于公共接口的数据融合（4）基于直接访问的数据融合
8、空间数据压缩：
即从空间数据坐标集合中抽取一个子集，使这个子集在规定的精度范围内最好的逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。
目的：
节省计算机存储空间、在地图比例尺改变时需要
影响因子：
曲线的复杂程度、压缩倍数、精度要求、数字化取点密度和压缩技术等。
第四章地理信息系统空间数据
1、数据库：
为一定目的服务的，以特定的数据存储形式相关联的数据集合，它是数据管理的高级阶段，是从文件管理系统发展而来的。
2、空间数据库：
（地理数据库）是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合。
3、空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：
（1）数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往很大。
（2）不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。
（3）数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政道路、道路建设等。
4、空间数据库的设计：
将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中进行表达并模型化的过程。
原则：
（1）最少的数据冗余；
（2）稳定的和可转换的数据结构
（3）满足对数据及时的访问（4）能反映数据元素间的复杂关系
（5）具有满足多种决策目的的适应性
技术：
（1）数据设计技术
（2）技术设计技术：
内容：
静态特性设计（数据结构）；动态特性设计（数据操作）；物理设计（完整性约束）
5、空间数据库设计的过程和步骤：
概念化模型：
认识和抽象复杂的现实世界，即研究和系统分析不同专业研究领域，最后形成空间数据系统和应用系统的地理信息系统概念化模型
逻辑模型：
指把概念模型结构转换成计算机数据库系统结构支持的数据结构,这种数据结构应该与某种概念模型结构吻合
存储模型：
是概念模型反映在计算机物理存储介质中的具体数据组织形式
6、E-R模型（实体-联系）：
（语义模型）
（1）实体:
就是对客观存在起独立作用的客体的抽象，用矩形符号表示
（2）关系:
就是客体间有意义的相互作用或对应关系,用菱形符号表示
（3）属性:
对实体和联系特征的描述,每个属性都有一个域，用椭圆表示
E-R模型概念设计的三个步骤：
①局部E-R模型设计
②全局E-R模型
③E-R模型的优化：
a实体类型的合并b冗余属性的消除c冗余联系的消除
7、关系数据模型：
一个实体由若干个关系组成的关系表的集合。
根据数学概念建立的，把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式。
（逻辑模型）
关系：
即二维表，每一行对应于一个元组（或叫记录），每一列对应一个域（或叫字段）。
每一个域有一个名字，也叫属性。
8、关系数据库：
是一系列关系的集合，有型和值之分。
型定义了若干域及其域定义的关系模式。
值是所有关系模式在某一时刻的关系集合。
每一个关系有一个关系模式，所有关系模式构成了关系数据库模式。
9、元数据：
关于数据的数据，是对数据的标识——我们通常通过一组属性或元素来描述特定的资源，而这些属性或元素就是该资源的元数据。
↓
空间元数据：
指在空间数据库中用于描述空间数据的内容、质量、表示方式、空间参照系和管理方式等特征的数据，是实现地理空间信息共享的核心标准之一。
作用：
帮助空间数据的使用者查询所需的空间信息，进行空间数据的共享，并进一步处理空间数据。
10、传统数据库－关系数据库存储空间数据的缺陷：
（1）不直接提供GIS的空间数据类型的存储功能
（2）提供的数据类型较少，难于支持复杂的空间数据
（3）没有提供对GIS空间数据类型的操作
11、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
（1）时间片快照模型：
是用一系列状态对应的地理数据来反映地理现象的时空演化过程。
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（2）底图叠加模型：
首先确立空间数据的初始状态，即底图数据，然后每次记录一定时间隔底图发生的变化，并用变化图来恢复每一时间的原图。
（3）时空合成模型：
将每一次独立的叠加操作转换为一次性的合成叠加，这样，变化的累计就形成最小变化单元，这些最小变化单元构成的图形文件和记录变化历史的属性文件联系在一起就能表达数据的时空特征。
第五章空间分析原理和方法
1、空间分析：
是在空间数据库支持下，对空间数据进行各种地学分析的一种技术方法，通过空间分析，可以获得有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间构成和空间演变等现象和过程的状态和规律。
2、缓冲区：
是指围绕地理要素的一定宽度的区域。
缓冲区分析：
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，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围，以便为某项分析或决策提供依据。
3、叠加分析：
是将两层或多层地图要素进行叠加产生新的要素，它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、栅格图层叠加。
空间叠加分析：
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加，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。
多边形与多边形的叠合：
合并、相交、框定、剔除、更新、截取。
4、数字地面模型：
描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列。
5、空间邻近度分析：
描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，邻近度分析是GIS空间分析的一种重要手段。
包括：
空间缓冲区分析、Voronoi多边形分析
第七章地理信息系统的设计与评价
1、地理信息系统设计的方法：
结构化生命周期、原型法和面向对象的开发方法
2、GIS的设计与应用开发的的环节：
系统定义、系统总体设计、系统详细设计、系统实施、GIS测试与评价、GIS维护
3、应用型GIS设计阶段：
系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与维护（参考课本P205）
3、GIS标准的四大作用：
1.可移植性2.互操作性3.可伸缩性4.通用环境
4、地理信息系统的评价：
系统效率、系统可靠性、可扩充性、可移植性、效益。
第八章GIS产品输出设计
1、地理信息系统产品：
经由系统处理和分析，可以直接供专业规划人员或决策人员使用的各种地图、图表、图像、数据报表或文字说明。
2、地理信息系统产品输出的内容：
空间数据、属性数据。
3、地理信息系统产品输出方式：
打印机输出、屏幕显示输出、绘图仪输出
4、地理信息系统的产品形式：
常规的纸质地图、数字地图
补充：
1、空间数据内插：
即通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法。
2、地理信息和空间数据的主要特征。
地理信息：
（1）地域性，是地理信息区别于他类信息的显著标志；
（2）多维性，是指同一地物具有多种不同的专题信息；（3）时序性，即地理信息具有动态性。
空间数据：
（1）空间特征；
（2）非结构化特征；（3）空间关系特征；（4）分类编码特征；（5）海量数据特征。
3、地理信息系统与一般的计算机应用系统有哪些异同点?
GIS脱胎于地图学，是计算机科学、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等众多学科交叉融合而成的新兴学科。
但地理信息系统与这些学科和系统之间既有联系又有区别。
（1）GIS与机助制图系统
机助制图是地理信息系统得主要技术基础，它涉及GIS中的空间数据采集、表示、处理、可视化甚至空间数据的管理。
地理信息系统和数字制图系统的主要区别在于空间分析方面。
一个功能完善的地理信息系统可以包含数字制图系统的所有功能，此外它还应具有丰富的空间分析功能。
（2）GIS与DBMS（数据库管理系统）
GIS除需要功能强大的空间数据的管理功能之外，还需要具有图形数据的采集、空间数据的可视化和空间分析等功能。
因此，GIS在硬件和软件方面均比一般事务数据库更加复杂，在功能上也比后者要多地多。
（3）GIS与CAD系统
二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形、属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。
（4）GIS与遥感图像处理的系统
遥感图像处理的系统是专门用于对遥感图像数据处理进行分析处理的软件。
它主要强调对遥感栅格数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取。
这种系统一般缺少实体的空间关系描述，难以进行某一实体的属性查询和空间关系查询以及网络分析等功能。
4、矢、栅优缺点
5、分析题（每题20分，共40分）
1.为了完成城市道路拓宽改建分析，论述需要那些空间数据，并描述在GIS支持下的分析流程。
利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取,计算一条道路拓宽改建过程中的拆迁指标。
（1）明确分析的目的和标准
目的是计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值，道路拓宽改建的标准是：
a）道路从原有的20m拓宽至60m； b）拓宽道路应尽量保持直线；
c）部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。
（2）准备进行分析的数据
需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。
（3）进行空间操作
首先选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。
然后将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。
（4）进行统计分析
首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。
然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。
（5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出。
注：
看课件上的案例分析。
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