中国海洋大学地理信息系统复习.docx
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中国海洋大学地理信息系统复习
第一章概论
1.GIS
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。
2.GIS基本特征。
1数据的空间定位特征；
2空间关系处理的复杂性；
3海量数据的处理能力。
3.GIS与管理信息系统的区别。
GIS有别于MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。
管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS（数据库管理系统）。
表格见PPT
4.国内外GIS发展。
（1）国际GIS的发展状况
①60年代，探索时期：
（GIS思想和技术方法的探索）人们关注什么是GIS，GIS能干什么。
②70年代，巩固时期：
（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进GIS迅速发展）。
这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。
③80年代，实破阶段：
也是GIS普遍发展和推广应用阶段，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。
④90年代，全面应用：
产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：
空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。
（2）国内GIS的发展状况
①70年代，准备阶段：
GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了理论基础并做了一些可行性实验。
②80年代，试验起步阶段:
这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。
490年代，我国GIS发展阶段：
我国改革开放以来，沿海、沿江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。
596年以来，是我国GIS产业化阶段。
应用得到极大发展，国产专业GIS软件由研发走向应用
5.GIS技术发展趋势。
数据标准化、数据多维化、结构组件化、应用社会化、平台网络化、系统集成化、实时GIS。
6.GIS的构成有哪些？
计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据、网络（包括局域网模式和广域网模式）、系统开发、管理和使用人员。
7.常用的GIS软件有哪些？
Autodesk公司的Autocad、ESRI公司的ArcGIS系列、Intergraph公司的GeoMedia系列、MapInfo公司的MapInfo、Supermap公司的SupermapdeskPro系列。
8.GIS与地理学、测绘学、计算机科学的关系？
①地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的特点，这些交叉的学科包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科。
②目前数据库技术（DBMS）、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制图（CAM）和计算机图形学（ComputerGraphics）软件包已被许多GIS研究者所采用，但这些系统不是为地理意义而设计的，无法取代GIS的作用.
9.GIS的行业应用。
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。
行业：
测绘与地图制图（制图流程、周期、精度、品种）、资源调查与管理、城乡规划、灾害监测、环境保护、国防、宏观决策支持、电子政务、公众服务等。
第二章地理空间数学基础
1.地球表面模型类型：
地球自然表面、大地水准面、地球椭球面、数学模型。
地球自然表面：
地球自然表面是一个起伏不平、十分不规则的表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。
地球自然表面极不规则，无法用数学表面进行描述。
大地水准面：
地球表面的72%被流体状态的海水所覆盖，可以假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面。
大地水准面所包围的球体具有不规则性、相对唯一性。
地球椭球面：
总体上讲，大地体非常接近旋转椭球，而后者的表面是一个规则的数学曲面。
所以在大地测量以及GIS应用中，一般都选择一个旋转椭球作为地球理想的模型，成为地球椭球。
数学模型：
数学模型是在解决其他一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。
2.大地地理坐标概念
大地地理坐标系是依托地球椭球用定义原点和轴系以及相应基本参考面标示较大地域地理空间位置的参照系。
3.我国采用的2种高程基准
11956年黄海高程系：
以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海平面作为中国的水准基面，即零高程面。
我国的水准原点位于青岛观象山。
21985国家高程基准：
基准面为青岛大港验潮站1952－1979年的验潮资料确定的黄海平均海面。
4.深度基准概念
深度基准是指海图图载水深及其相关要素的起算面。
通常取当地平均海面向下一定深度为起算面，即深度基准面。
5.地图投影的概念，地图投影按照变形规律分几种？
按投影面分为几种投影？
地图投影：
将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影。
按照变形规律分为：
等面积投影、等角投影、任意投影。
按投影面分为：
横圆柱投影：
投影面为横圆柱、圆锥投影：
投影面为圆锥、方位投影：
投影面为平面。
6.我国主要应用的2种投影方式？
①1：
100万兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）：
大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影；
②1：
50万、1：
25万、1：
10万、1：
5万、1：
2.5万、1:
1万、1：
5000采用高斯—克吕格投影。
7.比例尺的含义？
我国基本地图比例尺地形图系列有哪些？
比例尺：
制图区域较小，采用各方面变形都较小的地图投影，图上各处的比例是一致的，故此时比例尺的含义是图上长度与相应地面长度的比例；
制图区域较大时，地图投影比较复杂，地图上长度因地点和方向的不同而有所变化，这种地图比例尺一般是指在地图投影时，对地球半径缩小的比率，称为主比例尺。
地图经过投影后，体现在图上只有个别点线没有长度变形，也就是说，只有在这些长度没有变形的点或线上，才可用地图上注明的比例尺。
我国基本地图比例尺地形图系列：
大比例尺：
1：
500—1：
10万、中比例尺：
1：
10万—1：
100万、小比例尺：
〈1：
100万。
8.描述空间概念尺度有哪些？
观测尺度、比例尺、分辨率、操作尺度。
第三章空间数据模型
1.地理空间
地理空间（GeographicSpace）是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生在该区域。
2.空间实体的概念，基本特征
空间实体：
对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的不可再分割的同类对象，就是地理空间实体，简称空间实体。
基本特征：
空间位置特征（几何特征）、属性特征、时间特征、空间关系
3.概念数据模型、逻辑数据模型、物理数据模型的概念
概念数据模型：
地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释；考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图。
逻辑数据模型：
GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构，是系统抽象的中间层。
物理数据模型：
概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，即在物理磁盘上如何存放和存取，是系统抽象的最底层。
4.地理信息中的数据类型，概括起来主要有哪5种。
几何图形数据、影像数据、属性数据、地形数据、元数据
5.空间数据的表示类型
在二维空间中，不同类型的空间数据都可抽象表示为点、线、面三种基本的图形要素。
6.空间关系包括哪些类型
空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。
1拓扑空间关系：
用来描述实体间的相邻、连通、包含和相交等关系；
2顺序空间关系：
用于描述实体在地理空间上的排列顺序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系；
3度量空间关系：
用于描述空间实体之间的距离远近等关系。
7.空间拓扑关系概念及类型
空间拓扑关系：
地图上的拓扑关系是指图形在保持连续状态下的变形（缩放、旋转和拉伸等），但图形关系不变的性质。
1邻接关系：
同类图形要素之间的拓扑关系，如点与点，线与线，面与面。
2关联关系：
不同类别图形要素之间的拓扑关系，如点与线，线与点，线与面，面与点。
3包含关系：
同类但不同级图形要素之间的拓扑关系（只有面类要素才有包含关系）。
4连通关系：
空间图形中弧段之间的拓扑关系。
8.空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义。
①拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变换而变化。
②利用拓扑关系有利于空间要素的查询。
③可以根据拓扑关系重建地理实体。
例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。
9.空间数据逻辑模型
空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换的桥梁，根据概念模型确定的空间信息内容，以计算机能理解和处理的形式具体地表达空间实体及其关系。
10.矢量数据模型概念
矢量数据模型是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。
其坐标空间假定为连续空间，矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。
11.栅格数据模型概念、描述栅格的参数、栅格值的确定方法
栅格数据模型实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。
由于栅格模型是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在网格文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。
在网格文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性
的编码。
一个完整的栅格模型需要以下几个参数：
栅格形状；栅格单元尺寸大小/分辨率；栅格原点；栅格的倾角。
栅格单元大小：
单元值确定:
12.面向对象数据模型概念
面向对象数据模型应用面向对象方法描述空间实体及其相互关系，特别适合于采用对象模型抽象和建模的空间实体的表达。
地理空间的实体或现象可看作对象或其实例；一个对象是由描述该对象状态的一组数据和表达它的行为的一组操作（方法）组成的：
面向对象技术将对象的属性和方法进行封装（encapsulation），另外还有分类（classification）、概括（generalization）、聚集（aggregation）、联合（association）等对象抽象技术以及继承（inheritance）和传播（propagation）等强有力的抽象工具。
第四章空间数据结构
1.空间数据结构
空间数据结构是指对空间数据逻辑模型描述的数据组织关系和编排方式，对地理信息系统中数据存储、查询检索和应用分析等操作处理的效率有着至关重要的影响。
2.矢量数据编码的几种方式及其优缺点
（1）实体数据结构/spaghetti数据结构
优点：
结构简单、直观、易实现；以实体为单位的运算和显示。
缺点：
①相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形—数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。
②自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。
③岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。
不易检查拓扑错误。
所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。
（2）拓扑空间数据结构
①索引式拓扑空间数据结构：
优点：
用建索引的方法消除多边形数据的冗余和不一致，邻接信息、岛信息可在多边形文件中通过是否公共弧段号的方式查询。
缺点：
表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、消除无用边、处理岛信息、检索拓扑关系等带来困难，以人工方式建立编码表，工作量大，易出错。
②双重独立编码结构/DIME（DualIndependentMapEncoding）码
4链状双重独立式编码：
优点：
拓扑关系明确，也能表达岛信息，而且以弧段为记录单位，满足实际应用需要。
缺点：
当图形数据修改、删除、增加点、线、面要素后，其拓扑关系也发生改变，所以，需重新建拓扑。
3.栅格数据压缩编码的几种方式及其优缺点
（1）游程长度编码结构
优缺点：
对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大，适用于类型区域面积较大的专题图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图（压缩比与图的复杂程度成反比）。
这种编码在栅格加密时，数据量不会明显增加，压缩率高，并最大限度地保留原始栅格结构，编码解码运算简单，且易于检索，叠加，合并等操作，这种编码应用广泛。
（2）四叉树数据结构
优点：
便于有效计算多边形的数量特征；阵列各部分的分辨率是可变的即可精确表示图形结构又可减少数据量；栅格到四叉树及四叉树到栅格结构的转换比其它压缩方法简单；多边形中嵌套异类小多边形表示较方便。
缺点：
转换的不确定性。
（3）二维行程编码结构
二维行程编码采用了线性四叉树的地址码，并按照码的顺序完成编码，但却是没有结构规律的四叉树。
二维行程编码比规则的四叉树更节省存贮空间，而且有利于以后的插入、删除和修改等操作，与线性四叉树之间的相互转换也非常容易和快速。
（4）链式编码
优点：
链码可有效地存贮压缩栅格数据，便于面积、长度、转折方向和边界、线段凹凸度的计算。
缺点：
不易做边界合并，插入操作、编辑较困难（对局部修改将改变整体结构）。
区域空间分析困难，相邻区域边界被重复存储。
（5）影像金字塔数据结构
4.矢量数据和栅格数据的对比分析
第五章空间数据组织与管理
1.数据库常用的4种数据模型
层次模型（HierarchicalModel）、网状模型（NetworkModel）、关系模型（RelationalModel）、面向对象模型（ObjectOrientedModel）
2.标准DBMS储蓄空间数据的局限性
①空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据库都只允许把记录的长度设定为固定；
②在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷；
③一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作；
④不能支持复杂的图形功能；
⑤单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持；
⑥难以保证具有高度内部联系的GIS数据记录需要的复杂的安全维护。
3.空间数据的概念和基本特征
空间数据：
某一区域内关于一定地理要素特征的数据。
基本特征：
空间特征、非结构化特征、空间关系特征、尺度与多态性特征、分类编码特征、海量数据特征
4.空间索引
空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。
第六章空间数据采集与处理
1.空间数据数据源种类
地图、遥感影像数据、统计数据、实测数据、数字数据、各种文字报告和立法文件。
2.数据采集任务
将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式。
数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性。
不同的数据来源要用到不同的设备和方法。
3.空间数据一般性错误
1数据不完整、重复
2空间数据位置不正确
3空间数据比例尺不准确
4空间数据变形
5几何和属性连接有误
6属性数据不完整
4.空间数据质量概念、空间数据质量标准
空间数据质量是空间数据在表达空间位置、专题特征以及时间这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。
空间数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据，数据质量是数据整体性能的综合体现。
空间数据质量标准的建立必须考虑空间过程和现象的认知、表达、处理、再现等全过程。
空间数据质量标准要素及其内容：
完备性、逻辑的一致性、位置准确度（几何精度）、时间准确度（现势性）、专题准确度
评价方法：
直接评价法、间接评价法
5.数据质量的相关概念
空间数据误差源包括随机误差、系统误差及粗差。
空间数据误差类型包括几何误差、属性误差（定量属性数据误差、定性属性数据误差）、时间误差及逻辑误差。
空间数据质量控制的方法:
1）传统的手工方法；
2）元数据方法；
3）地理相关法。
空间数据生产过程的质量控制:
1）数据源的选择；
2）数字化过程的数据质量控制
数据预处理、数字化设备选用、对点精度、数字化限差、数据精度检查等
6.元数据的概念、作用和内容。
元数据：
一般都认为元数据就是“关于数据的数据”。
作用：
①帮助用户了解和分析数据
②空间数据质量控制
③数据集成中的应用
④数据存储和功能实现
内容：
①对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及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、源数据的比例尺等
3对数据处理信息的说明，如量纲的转换等
④数据转换方法的描述
⑤对数据库的更新、集成方法等的说明
第七章空间数据查询与空间度量
1.空间查询
空间查询：
在空间数据库中检索出满足给定条件或位置的空间对象或属性特征的一种操作。
2.空间查询的主要方式
SQL、图形查询、拓扑查询、几何查询
3.空间查询的主要内容
空间位置、空间分布、空间关系、属性特征、几何特征
4.空间查询的应用
搜索马航失联客机。
“查询长江流域人口大于50万的县或市”等。
第八章GIS基本空间分析
1.空间分析
空间分析是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息的分析技术，是地理信息系统的核心功能之一，它特有的对地理信息的提取、表现和传输的功能，是地理信息系统区别于一般管理信息系统的主要功能特征。
2.叠置分析概念、分析的基本条件
叠置分析是将有关主题层组成的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时叠置分析不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生了新的属性关系。
叠置分析是较为复杂的地理空间分析操作，有以下基本条件：
1参加叠置分析的不同数据层面所对应的地面范围必须是一致的。
2参与叠置分析的多层面分析数据必须有效匹配。
3叠置分析的分析模型与分析数据必须有效匹配。
4需了解叠置分析产生的误差与不确定性特征，并有相应的解决方案。
3.缓冲区分析、网络分析、窗口分析等基本空间分析的原理、分析的步骤及其应用。
（见课后及PPT）
（1）缓冲区分析：
缓冲区就是空间实体的一种影响范围或服务范围。
缓冲区分析的基本思想就是给定一个空间实体或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由领域半径R来确定。
对于一个空间实体Oi，其缓冲区定义为：
对于空间实体集合：
，其缓冲区定义为：
缓冲区分析流程：
（见图a）
类型：
图a
建立：
1点缓冲区，以点为圆心，以缓冲距离为半径绘圆。
②线、面缓冲区，以线状地物或面状地物边界为参考线，作它们的平行线，同时考虑端点圆弧，建立缓冲区。
③实际的实现中技术处理是相当复杂的。
④可能出现：
缓冲区重叠、相交等。
5有时可能建立不同距离的缓冲区。
应用：
确定拆迁区范围及区内建筑物状况
确定商业或服务中心的影响范围
预测灾害影响面积与损失评估
特殊保护区域的确定
环境污染源的污染空间确定
环境监测点的控制范围
微波接收站的影响与作用范围
交通线两侧所划定的绿化带
（2）网络分析
网络分析数学定义：
在数学领域内，网络分析的基础是图论和运筹学，通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，对网络结构及其资源等的优化问题进行研究。
如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。
在GIS中，网络分析就是依据网络拓扑关系（结点与弧段拓扑、弧段的连通性），通过考察网络元素的空间与属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的分析计算技术。
步骤：
网络分析的基础是网络的建立，一个完整的网络必须首先加入多层点文件和线文件，由这些文件建立一个空的空间图形网络；
对点和线文件建立起拓扑关系，加入其各个网络属性特征值，如根据网络实际的需要，设置不同阻强值，网络中链的连通性，中心点的资源容量，资源需求量等。
应用：
网络分析在电子导航、交通旅游、城市规划管理、电力通讯等各种管网管线的布局设计中发挥了重要的作用。
如：
从甲地到乙地的最短路径是什么？
如何设定一个服务中心？
特定位置的服务中心的服务范围？
从一个位置到另一个位置的通行程度如何？
从出发地到目的地，有多少条可行路线？
如何在街道图上定位一个发生的事件？
（3）窗口分析
窗口分析是指对于栅格数据系统中的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与其它层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据有效的水平方向扩展分析。
窗口分析中的三个要素：
①中心点，在单个窗口中的中心点可能就是一个栅格点，或者是分析窗口的最中间的栅格点，窗口分析运算后数值赋予给它。
②分析窗口大小与类型，依据的单个窗口中的栅格分布状况，如平滑运算的3×3矩形窗口，扇形窗口等。
③运算方式，图层根据窗口分析类型运算，依据不同的运算方式获得新的图层，如DEM提取坡度、坡向运算。
分析窗口类型：
矩形窗口、圆形窗口、环形窗口、扇形窗口、其它窗口
窗口分析的类型：
1）统计运算：
平均统计值、最大统计值、中值统计……
2）测度运算：
范围统计、多数统计、种类统计…..
3）函数运算：
滤波运算、地形参数运算
4）追踪分析
4.网络分析对空间数据有什么特殊要求？
5.分析栅格数据在GIS空间分析中的优缺点。
优点：
数据结构简单，易于算法实现。
空间数据的叠置和组合容易。
有利于与遥感数据的匹配应用和分析。
各类空间分析、地理现象模拟均较为容易。
输出方法快速简便，成本低廉。
缺点：
图形数据量大，用大像元减小数据量时，精度和信息量受损失，难以建立空间网络连接关系。
投影变化实现困难。
图形数据质量低，地图输出不精美。
第九章DEM与地形分析
1.DEM、DTM的概念
DTM（DigitalTerrainModel,DTM数字地面模型）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。
如地面温度、降雨、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其他地面诸特征。
数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（DEM，DigitalElevationModel）。
高程是地理空间中的第三维坐标。
数学表达为：
z=f（x，y）
DEM是DTM的一个子集，是DTM的基础数据，最核心部分，可以从中提取出各种地形信息，如高度、坡度、坡向、粗糙度，并进行通视分析，流域结构生成
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