石家庄铁道大学地理信息系统复习资料.docx

石家庄铁道大学地理信息系统复习资料.docx

《石家庄铁道大学地理信息系统复习资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《石家庄铁道大学地理信息系统复习资料.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

石家庄铁道大学地理信息系统复习资料

第一章绪论

一、地理信息系统的概念

GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，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。

二、地理信息系统（GeographicInformationSystem）

不同领域、不同专业对GIS的理解不同，有三种基本观点：

1.数据库观点

2.地图观点

3.分析工具观点

三、GIS与IS的区别

1、GIS的对象是空间数据和属性数据

2、GIS具有统一的编码系统

3、具有统一的地理坐标（根本区别）

4、GIS中的数据是不同类型的海量空间数据的统一管理

5、GIS中的数据拓扑关系明确，具有强大的空间分析功能。

四、GIS与CAD共同点：

都有空间坐标系统；都能将目标和参考系联系起来；

都能描述图形数据的拓扑关系；

都能处理属性和空间数据

GIS与CAD不同点:

CAD：

一般采用几何坐标系；ＣＡＤ研究对象为人造对象—规则几何图形及组合；

CAD中的拓扑关系较为简单；

图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；

GIS:

GIS采用地理坐标系;

GIS处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据更大；数据采集的方式多样化；

强调对空间数据的分析，

图形属性交互使用频繁；

GIS的属性库结构复杂，功能强大

第二章

空间数据结构概念

即空间数据的组织形式，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

•空间数据结构狭义上指空间图形数据格式，即适用于计算机存贮、管理和处理的地理图形数据的逻辑结构。

•地理信息系统中，主要有矢量和栅格两种结构

栅格数据结构

1、图形表示

点：

单个栅格。

线：

沿线走向有相同属性值的一组相邻栅格。

面：

沿线走向有相同属性值的一片栅格。

2、栅格结构建立

（1）栅格数据获取途径

栅格数据结构

•手工获取

•扫描仪扫描

•遥感影像数据

•格网DEM数据

•矢量数据转换

（2）栅格系统确定a、栅格坐标系b、栅格单元的尺寸c、栅格代码（属性值）的确定当一个栅格单元内有多个可选属性值时，按一定方法来确定栅格属性值。

•中心点法

•面积占优法

•重要性法

•长度占优法

3、栅格数据组织方法

——针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件。

4、栅格数据编码

空间数据编码，是空间数据结构的组织与实现。

它是在数据结构的指导下，将地理数据按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。

由于地理信息系统的数据量极大，一般采用压缩数据的编码方式以减少数据冗余。

数据压缩：

将数据表示成更紧凑的格式以减少存储空间的一项技术。

无损压缩

有损压缩

矢量数据结构

2.空间关系特征

（1）空间实体组合

现实世界的许多地理现象比较复杂，往往需要由不同空间实体组合形成的空间关系来描述。

空间关系是GIS数据要表达的重要内容，是空间查询、空间分析、空间辅助决策的基本关系。

为了便于对GIS空间数据进行提取，存储，查询，更新等，应建立统一的标准SQL空间查询语言。

线—面关系

1、区域包含线：

某省的水系分布情况，水网密度。

2、线通过区域：

某公路是否通过某县。

3、线环绕区域：

中国与哪些国家接壤。

4、线与区域分离：

某高速公路距离某小区多远。

面—面关系

1.包含2.相邻3.相切4.重叠5.相交6.相离

（2）空间关系类型

•方向空间关系•度量空间关系•拓扑空间关系

（3）拓扑关系

定义：

指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变

的性质。

将橡皮任意拉伸，压缩，但不能扭转或折叠。

主要的拓扑关系：

拓扑关联、拓扑邻接、拓扑包含。

拓扑关系的表达

拓扑关系具体可由4个关系表来表示：

（1）面--链关系：

面构成面的弧段

（2）链--结点关系：

链链两端的结点

（3）结点--链关系：

结点通过该结点的链

（4）链—面关系：

链左面右面

拓扑关系的意义

对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：

1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。

2）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。

如某县的邻接县，--面面相邻问题。

又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。

3）根据拓扑关系可重建地理实体（拓扑重建）。

3.矢量数据获取

•外业测量•栅格数据转换•跟踪数字化

4.矢量数据组织

矢量数据表示时应考虑以下问题：

矢量数据自身的存贮和处理。

与属性数据的联系。

矢量数据之间的空间关系（拓扑关系）。

5.矢量数据编码方式

（1）实体式（面条模型）

（2）索引式（树状）

（3）双重独立式编码

（4）链状双重独立式编码—是常用的拓扑数据结构

3.常用数据模型

数据库领域常采用的数据模型（逻辑数据模型）有

层次模型

网状模型

关系模型

其中应用最广泛的是关系模型。

层次数据库模型

存储方法

网络数据库模型

存储方法

关系数据库模型

关系是一个二维表，表的每行对应一个记录，每列对应一个域。

第三章空间数据的地理参照系

1，如何在地理参照系中表示地面点的空间位置

经纬度坐标系（地理坐标），平面直角坐标系，高程系统

2，地图投影：

将地球椭球上的点映射到平面上的方法

投影变形分类：

长度变形，角度变形，面积变形

长度变形：

长度比和1的差值，和点位，方向有关

角度变形：

实际地面角度和投影后的角度之差

面积变形：

面积比和1的差值，和点位有关

3，投影的分类：

4，GIS数据质量的内容

位置精度：

描述几何数据的质量，如平面精度，位置精度

属性精度：

反映属性数据的质量，如要素分类的正确性，属性编码的正索性

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

现势性：

如数据的采集时间和更新时间

5，GIS空间数据的误差分类：

6，空间数据的交换方式：

外部数据交换标准，空间数据互操作协议，空间数据共享平台，统一的数据库接口

第四章空间数据的处理

一、投影变换：

当系统所使用的数据是来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的几何数据转换成所需要投影的几何数据，这就需要进行地图投影变换。

二、实质：

建立两平面场之间的一一对应关系，建立关系方程式。

三、方法：

解析变换法，数值变换法，数值解析变换法。

四、解析变换法：

反解变换法，（x,y）~（fai,naimuda）~（X,Y）

五、正解变换法：

（x,y）~（X,Y）

六、&另外两种办法公式不好打，自己参考书P105

七、空间数据的压缩处理：

矢量数据压缩的目的是删除冗余数据，减少数据的存储量，节省存储空间，加快后继处理的速度。

八、1.道格拉斯~普克法基本思路是对每条曲线的首末点连一条直线，求所有点到直线距离，找出最大者d_max，与给定的限差D比较，若小于限差，这条曲线上的中间点全部舍去，否则保留d_max对应点，并以此为界把曲线划分为两部分，对这两部分重复使用上述方法。

九、2.垂距法基本思路是每次顺序取曲线上三点，计算中间点与其他两点连线的垂直距离，并与限差比较。

如果小于限差，则去掉中间点，否则保留。

然后顺序取下三点继续处理，直到线结束。

一十、3.光栏法基本思路是定义一个扇形区域，判断曲线上的点在扇形外还是内，确定保留还是舍去。

光栏口径d根据压缩量大小自己定义。

一十一、栅格数据的压缩：

1直接栅格编码2游程长度编码3四叉树编码

一十二、坐标变换类型：

1坐标系不变（集合变换）2坐标系变换（坐标变换，投影变换）

一十三、几何变换：

1仿射变换2二次，高次变化

一十四、2数值变换的公式

一十五、点线拓扑关系的建立

1在图形采集和编辑中实时建立

2在图形采集和编辑之后自动建立（常用）

二、多边形拓扑关系的建立

1、链（线）的组织

自动剪断线清除微短线清除重叠坐标及自相交

2、结点匹配：

自动结点平差

3、拓扑查错：

是否存在悬挂（或重叠）结点和线段，若无，把结点和线段按一定结构存储并编号。

4、拓扑构面：

把线段结点关系转换成弧段结点关系，自动构建多边形并填充。

三、构建多边形的方法

1.顺时针构多边形，多边形在链的右侧。

2.搜索最靠右边的链：

指从链的一个端点出发，在这条链的方向上最右边的第一条链。

3.多边形面积计算顺时针方向构成时，面积为正；反之，面积为负。

详细算法

1.顺序取一个结点为起始结点（取完为止），取过该结点的任一条链为起始链。

2.取这条链的另一结点，找这个结点上靠这条链最右边的链，作为下一条链。

3.判断是否回到起点：

是，已形成一多边形，记录之，并转4；否，转2。

4.取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转2；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转1。

四、投影变换

假定x,y为原图坐标，X，Y为新图坐标，原坐标变换为新坐标的基本方程式为：

1、解析变换法（投影关系已知）

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

用数值多项式逼近两投影间的（投影关系未知）变换关系式。

例如，采用二元三次多项式进行变换:

通过选择10个以上的两种投影之间的共同点，并组成最小二乘法的条件式，进行解算系数

注：

实际中的数值变换，受区域大小、点密度、点精度、变换精度等多方面影响。

不是一个二元三次多项式就可以概括的。

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。

五、矢量数据压缩

•道格拉斯普克法：

基本思路是对每条曲线的首末点连一条直线，求所有点到直线距离，找出最大者d_max，与给定的限差D比较，若小于限差，这条曲线上的中间点全部舍去，否则保留d_max对应点，并以此为界把曲线划分为两部分，对这两部分重复使用上述方法。

此法适合于已经数字化的矢量线的压缩

•垂距法：

基本思路是每次顺序取曲线上三点，计算中间点与其他两点连线的垂直距离，并与限差比较。

如果小于限差，则去掉中间点，否则保留。

然后顺序取下三点继续处理，直到线结束。

第五章

1·DEM表示方法：

等高线法，TIN（不规则三角网），格网DEM.

DEM应用（地形分析）：

1、坡度图、坡向图生成2、地形自动分类3、自动绘制等高线4、地形可视化分析（1、剖面分析2、通视分析3、地形三维图绘制）5、流域水文分析（1、流域追踪或水系生成2、淹没范围计算，库容计算，线路挖填方量计算等。

）

2·TIN生成算法

•递归生长算法

•凸包收缩法

•逐点插入法

3·TIN生成的优化原则：

•网形唯一；

•尽量让每个三角形都是锐角三角形或三边长度近似相等；

•没有多余点落在任意一个三角形内。

4·叠置分析：

将同一地区的两组或两组以上的要素（地图）进行叠置，以产生新的特征（新的图形或属性的分析方法。

5·叠置分析步骤：

a）对原始数据（多边形）形成拓扑关系

b）多层多边形数据的空间叠置，形成新层。

c）对新层中的多边形重建拓扑。

删除无意义多边形。

d）建立新多边形与新属性的连接。

还可进行属性相同的相邻多边形合并。

6·空间叠置的方式：

7·栅格叠置的作用：

•类型叠置，获取新的类型。

•数量统计:

即计算某一区域内的类型和面积。

•动态分析

•成本分析:

单位面积成本、总成本

•几何提取

8·缓冲区：

是地理空间目标的一种影响范围或服务范围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。

9·基于矢量的缓冲区分析：

缓冲区计算的基本问题是双线问题。

10·基于栅格的缓冲区建立

算法比较简单，核心问题是距离变换，即空间实体向外进行一定距离的扩展

11.最短路径分析

为了求出最短路径，首先计算两点的距离，并形成距离矩阵。

若两点间没有通路，则距离为∞。

最短路径搜索的基本依据是，若从点S到点T有一条最短路径，则该路径上的任何点到S的距离都是最短的。

令d（X,Y）表示点X到Y的距离，D（X）表示X到起始点S的最短距离。

步骤如下：

1、对起始点S作标记，且对所有顶点令D（X）=∞。

令Y=S，Y为最后一

个作标记的点；

2、对所有未作标记的点按以下公式计算距离：

D（X）=min{D（X），d（Y,X）+D（Y）}

取具有最小值的D（X），并对X作标记，令Y=X。

若最小值的D（X）为∞，

则说明S到所有未标记的点都没有路，算法终止；否则继续。

3、如果Y=T，则说明已找到S至T的最短路径，算法终止；否则转到2。

以上图为例，计算A到C之间的最短路径。

（1）对A做标记，按公式计算所有标记点的距离。

结果为D（B）=4,D（C）=∞,D（D）=1，D（E）=2。

最小值为D（D）=1。

（2）对D做标记，按公式计算D（B）,D（C）,D（E）

D（B）=min{D（B），d（D,B）+D（D）}

=min{4，∞+1}=4

D（C）=min{D（C），d（D,C）+D（D）}

=min{∞，9+1}=10

D（E）=min{D（E），d（D,E）+D（D）}

=min{2，2+1}=2

（3）对E做标记，计算D（B）,D（C）.

D（B）=min{D（B），d（E,B）+D（E）}

=min{4，1+2}=3

D（C）=min{D（C），d（E,C）+D（E）}

=min{10，6+2}=8

最小值为D（B）=3。

（4）对B做标记，计算D（C）

D（C）=min{D（C），d（B,C）+D（B）}

=min{8，7+3}=10

（5）根据顺序记录的标记点以及最小值的取值情况，可得到最短路径为A-E-C,最短距离为8.

12·连通分析---最小生成树

最小生成树：

设T为图G的一个生成树，若把T中各边的权数相加，则这个和数称为生成树T的权数。

在G的所有生成树中，权数最小的生成树称为G的最小生成树。

例如，在n个城市间建立通信线路。

图的顶点表示城市，边表示两城市间的线路，边上所赋的权值表示代价。

对n个顶点的图可以建立许多生成树，每一棵树可以是一个通信网。

若要使通信网的造价最低，就需要构造图的最小生成树。

克罗斯克尔算法：

1）先把图G中的各边按权数从小到大重新排列，并取权数最小的一条边为T中的边。

2）在剩下的边中，按顺序取下一条边。

若该边与T中已有的边构成回路，则舍去该边，否则选进T中。

3）重复2），直到有m-1条边被选进T中，这m-1条边就是G的。

赋权图最小生成树之一最小生成树之二

13·国家森林公园选址：

•数据源：

公路铁路分布图（线状地物），森林类型分布图（面状），城镇区划图（面状）

•目的：

得到国家森林公园候选地址

14·洪水淹没损失分析：

（1）分析目的和评价准则

•估计住宅用地被洪水淹设而造成的损失；

•洪水水位的相对高程为500米；

•损失的大小和居民的财产、地基的稳定性有关；

（2）可获得的资料

•数字化的地块多边形地图。

每个地块均有土地使用、可遭损失的财产状况（简称估计财产）、不同地基类型等属性。

•地块多边形属性表中有地均财产这一项，地均财产=估计财产/地块面积。

•对每一类地基，可估计其稳定性，并估计房屋倒坍的可能性，称损失系数。

•数字化的等高线地形图。

（3）分析步骤

•将地块多边形和高程多边形叠合，产生地块—高程多边形地图和对应的属性表。

•在地块—高程属性表中选择高程小于等于500，土地使用性为住宅（R1、R2）的记录和地基—损失系数对照表连接，获得损失估计表。

估计损失=面积×地均财产×损失系数。

•对地块—高程图按对应属性进行分类，得到洪水淹没损失分布图。

（4）输出结果