地理信息系统总结.docx
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地理信息系统总结
第一章绪论
1、数据与信息
数据：
是事实的反映，是人们用来反映客观世界而记录下来的可以被鉴别的符号。
除数值数据外，文字、声音、语言、图形、图像等也是数据。
信息：
是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。
它不随载体的物理形式的改变而改变。
（1）信息与数据的关系:
信息与数据是不可分离的，数据是信息的表达，信息是数据的内涵。
数据本身并没有意义,数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。
2、地理信息：
是指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。
地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性。
3、信息系统：
是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。
信息系统具有的功能：
⑴数据收集和输入；⑵数据传输⑶；数据存储；⑷数据加工处理；⑸数据输出
4、地理信息系统:
是以地理空间数据为基础，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、模拟、分析和显示，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。
简单地说：
地理信息系统是空间数据的管理系统。
5、地理信息系统的特点
Ø具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
Ø系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息；
Ø以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。
6、地理信息系统的分类
按功能分类：
专题地理信息系统（ThematicGIS）；区域地理信息系统（RegionalGIS）；地理信息系统工具（GISTools）
7、地理信息系统的组成
地理信息系统其基本构成一般包括五个主要部分：
系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。
8、地理信息系统的功能
基本功能是空间数据的采集、管理、处理、分析和输出。
（1）数据采集与编辑
（2）数据存储与管理（3）数据处理与变换（4）空间查询与分析（5）数据显示与输出
GIS的应用功能：
资源管理；区域规划；国土监测；辅助决策；定位服务
GIS能解决的问题可归纳为五类：
位置、条件、趋势、模式、模型。
9、地理信息系统的发展及其发展趋势。
（一）地理信息系统的发展概况
（1）起步阶段（60年代），注重空间数据的地学处理。
（2）发展阶段（70年代），注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。
（3）推广应用阶段（80年代），注重空间决策支持分析
（4）用户时代（90年代后）,注重GIS社会应用与服务
（5）国外主流GIS软件：
ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）、GENAMAP、MGE（ModularGISEnvironment）（GeoMedia）、MapInfo（MapinfoProserver、MapX、MapXtreme）、ERDAS等
（二）我国地理信息系统的发展
（1）准备阶段（70年代）
（2）试验阶段（80年代）（3）全面发展阶段（90年代）
（4）国产主流GIS软件：
GeoStar；MapGIS；SuperMap；CityStar
（三）地理信息系统的发展趋势
（1）GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学日趋完善的技术体系；
（2） 空间数据结构与数据管理的研究更加深入；
（3） GIS应用模型开发日趋加强；
（4） GIS智能化；（5） GIS网络化；
（6） 三维GIS的研究不断深入；
（7） 宏观与微观应用进一步加强，并形成新的产业。
第二章空间数据结构
1、空间实体有两种形式：
显式描述和隐式描述。
✶计算机对地理实体的显式描述也称栅格数据结构，计算机对地理实体的隐式描述也称矢量数据结构。
✶栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。
栅格表达法同样可以表达0维、一维、二维等地理实体。
此时、0维矢量就是表现为具有一定数值的栅格单元，一维矢量就表现为按线性特征相连接的一组相邻单元，二维矢量则表现为按二维形状特征连续分布的一组单元。
2、空间数据的基本特征
（1）空间特征：
表示实体的空间位置或现在所处的地理位置以及拓扑关系等。
空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示。
（2）属性特征：
这里主要指的是专题属性，也是非定位数据。
专题属性是指实体所具有的各种性质，如名称、分类、质量特征和数量特征等。
专题属性通常以数字、符号、文本和图象等方式表达。
（3）时间特征：
描述实体随时间的变化，其变化的周期有超短周期的、短期的、中期的和长期的。
✶空间特征数据和属性特征数据常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但属性数据可能发生变化，或者相反。
✶对于现有的大量GIS系统，由于它们并非是时态（temporal）GIS系统，所以，把专题属性和时间特征数据统称为属性数据。
3、空间数据的来源：
地图数据、遥感数据、统计数据、实测数据及各种文字报告。
5、空间关系是指地理空间实体对象之间的空间相互作用关系。
通常将空间关系分为三大类：
拓扑空间关系；顺序空间关系；度量空间关系。
拓扑空间关系：
描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系。
欧氏平面上空间对象所具有的拓扑和非拓扑属性
6、空间数据的拓扑关系
空间数据拓扑关系的表示
拓扑空间关系：
描述空间实体之间的相邻、包含和相交等空间关系。
空间数据的拓扑关系包括：
拓扑邻接；拓扑关联；拓扑包含。
（1）拓扑邻接：
同类元素之间的拓扑关系，如结点间的邻接关系和多边形间的邻接关系。
（2）拓扑关联：
不同类元素之间的拓扑关系，如弧段在结点处的联结关系和多边形与弧段的关联关系。
（3）拓扑包含：
同类不同级元素之间的拓扑关系。
7、空间数据拓扑关系的意义
（1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。
拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何数据有更大的稳定性，不随地图投影而变化。
（2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询，例如某条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接,又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源等。
（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等。
8、地理信息空间数据结构
数据结构：
描述空间实体的数据本身的组织方法，称为数据结构。
常用的空间数据结构
1）、矢量数据结构
矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。
特点：
定位明显，属性隐含。
获取方法：
（1）手工数字化法
（2）手扶跟踪数字化法（3）数据结构转化法
2）、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理要素的非几何属性特征。
特点：
属性明显，定位隐含。
获取方法
（1）手工网格法
（2）扫描数字化法（3）分类影像输入法（4）数据结构转换法
栅格数据组织方法
●以像元为记录的序列，可节省存贮空间；
●以层为基础，每层以像元为记录序列，形式简单；
●以层为主，每层以多边形为序列，可节省用于存贮属性的空间。
10、矢量数据与栅格数据的比较
栅格结构
优点:
数据结构简单；叠加操作易实现，更有效；便于做图象的增强处理；
缺点:
数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决；难以表达拓扑关系；图形输出不美观，线条有锯齿；
矢量结构
优点:
提供更严密的数据结构；提供更有效的拓扑编码，拓扑与网格分析容易实现；图形输出美观，接近于手绘；数据量小
缺点:
比栅格数据结构复杂；叠加操作没有栅格有效；
11、不能像数字图象那样做增强处理扩展：
TIN数据结构
利用Delauney三角剖分准则就可完成对TIN的自动生成。
单个三角形的顶点就是原始数据点或其它空间信息的控制点
TIN的空间几何特征为：
三角形顶点（Vertex）、三角形边（Edge）、三角面（Triangularfacet）
TIN的表达方法主要有以下特点：
1.能够表达不连续的空间变量。
栅格方法很难处理逆断层、悬崖峭壁等特殊空间对象，而TIN的处理则相当容易。
2.由于三角形顶点（Vertex）就是实际的控制点，所以，它对空间对象的表达精度较高。
3.能够精确表达河流、山脊、山谷等线性地形特征。
12、地理数据编码：
是根据GIS的目的和任务，把地图、图像等资料按一定数据结构转换为适于计算机存贮和处理的数据过程。
栅格结构编码方法
（1）直接栅格编码
直接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，可以每行从左到右逐像元记录，也可奇数行从左到右而偶数行由右向左记录，为了特定的目的还可采用其他特殊的顺序。
（2）链码
链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。
它把线状地物和面状地物的边界表示为：
由某一起始点开始并按某些基本方向确的单位矢量链定的单位矢量链。
方法：
链式编码的前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以0—7的整数代表。
●链式编码特点
链式编码对线状和多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，类似矢量数据结构，比较适于存储图形数据。
缺点是对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。
（3）游程长度编码
把具有相同属性值的邻近栅格单元合并在一起，合并一次称为一个游程。
游程用一对数字表达，其中，一个值表示游程属性值（即代码），另一个值表示游程长度。
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；
●游程长度编码特点
①可见游程长度编码压缩数据是十分有效又简便的。
事实上，压缩比的大小是与图的复杂程度成反比的，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高。
②游程长度编码在栅格加密时，数据量没有明显增加，压缩效率较高，且易于检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存贮容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。
（4）块码
块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单元的代码组成。
●块状编码特点
一个多边形所包含的正方形越大，多边形的边界越简单，块状编码的效率就越好。
块状编码对大而简单的多边形更为有效，而对那些碎部较多的复杂多边形效果并不好。
块状编码在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。
（5）四叉树编码
四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。
美国马里兰大学四叉树编码方法：
二进制（共32位），属性编码22位+路径2n位6位+深度4位
区域分割原则：
将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值是否单一决定要不要再分。
如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。
为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2n×2n的栅格阵列。
n为极限分割次数，也是四叉树最大层数或最大高度。
四叉树编码特点：
①容易有效计算多边形的数量特征
②阵列各部分的分辨率是可变的
③与其它压缩方法比，与栅格数据简单结构转换容易
④多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。
各种编码的优缺点
直接栅格编码：
简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；
链码：
压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；
游程长度编码：
在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；
块码和四叉树编码：
具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。
13、矢量结构编码方法
（1）点实体矢量编码方法
（2）矢量编码方法
（3）多边形矢量编码方法（包括：
多边形环路法、树状索引编码法、拓扑结构编码法）
14、矢量数据结构向栅格数据结构的转换
矢量向删格的转换的根本任务就是把点、线或面的矢量数据转化成对应的栅格数据
（1）栅格尺寸确定;
（2）点的栅格化;（3）直线栅格化;
（4）面域的栅格化:
1）内部点扩散算法;2）射线算法
15、栅格数据结构向矢量数据结构的转换
多边形栅格格式向矢量格式转换就是提取以相同的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，并表示由多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。
主要步骤
（1）多边形边界提取：
二值化，细化;
（2）边界线追踪;（3）拓扑关系生成;
（4）去除多余点及曲线圆滑
第三章空间数据输入与处理
1、空间数据源
可以大致分为原始数据（第一手数据）或处理加工后的数据（第二手数据）。
大多数GIS中的数据是第二手数据。
根据采集方式，可以把数据来源分为非电子类数据和电子数据。
2、GIS的数据来源
地图;感影象数据;统计数据;实测数据;已有系统的数据;各种文字报告和法律文档
3、空间数据采集方式
（1）手工方式;
（2）手扶跟踪化数字方式;（3）扫描方式；（4）影像处理和信息提取方式；
（5）数据通讯方式
4、数据处理的概念：
对采集的各种数据，按照不同的方式方法对数据进行编辑运算，清除数据冗余，弥补数据缺失，形成符合用户要求的数据文件格式
数据处理的内容：
数据编辑；坐标变换；数据压缩；格式转换；图象纠正；拓扑生成等等
数据处理的意义:
空间数据有序化；检验数据质量；实现数据共享；提高资源利用效果。
5、空间数据处理的方法
（1）平面坐标变换
（2）空间数据的压缩处理
途径：
压缩软件、数据消冗处理、用数据子集代替数据全集
常见空间数据的压缩方法：
曲线数据的压缩——特征点筛选法、面域栅格数据的压缩、面域邻接线段的删除
（3）空间数据的格式转换；（4）图象纠正；（5）空间数据编辑处理
6、空间数据质量的概念
空间数据质量是指空间数据在表达实体空间位置、特征和时间所能达到的准确性、一致性、完整性和三者统一性的程度，以及数据适用于不同应用的能力。
空间数据质量评价：
就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时间特征进行评价。
空间数据误差的来源是多方面的：
1.源误差；2.操作误差；3.空间数据使用中的误差。
7、元数据：
数据的数据，是关于数据和信息资源的描述性信息
8、空间数据元数据：
地理空间数据的描述性信息。
它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。
空间数据元数据是一个由若干复杂或简单的元数据项组成的集合。
9、元数据的内容包括：
1）对数据集的描述；对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据序代（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、元数据的比例尺等；
3）对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；
4）对数据转换方法的描述；
5）对数据库的更新、集成等的说明。
10、元数据的主要作用:
1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据、建立数据文档，并保证即使其主要工作人员离退时，也不会失去对数据情况的了解；
2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；
3）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求做出正确的判断；
4）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。
第四章数据显示与地图制图
1、构成地图学与地理信息系统的数学法则
（1）比例尺；
（2）地图投影
2、地图符号是表示地图内容的基本手段，它由形状不同、大小不一、色彩有别的图形和文字组成。
地图符号是地图的语言，它是表达地图内容的基本手段。
可以把符号分为面状符号、点状符号和线状符号。
地图符号的感受效果地图符号使用了不同的视觉变量，如尺寸、形状、灰度、纹理、方向和颜色等，实现了不同的感受效果。
地图上的注记：
注记的字体、字级和颜色、注记的排列和配置
3、制图综合是对制图区域客观事物的取舍和简化。
经过概括后的地图可以显示出主要的事物和本质的特征。
4、专题地图是突出地表示一种或几种自然现象和社会经济现象的地图。
面状专题内容的表示方法最常用的有：
等值线法、质底法、范围法、点值法、统计图法等。
专题地图内容的表现手段:
（1）色彩：
RGB、CMYK、HLS
（2）符号（3）注记
5、图面设计
（1）图名;
（2）比例尺;（3）图例;（4）附图;（5）文字说明
专题地图的总体设计，一定要视制图区域形状、图面尺寸、图例和文字说明、附图及图名等多方面内容和因素具体灵活运用，使整个图面生动，可获得更多的信息。
6、地理信息系统产品是指由系统处理、分析，可以直接供研究、规划和决策人员使用的产品，其形式有地图、图像、统计图表以及各种格式的数字产品等。
（1）地图
地图是空间实体的符号化模型，是地理信息系统产品的主要表现形式，根据地理实体的空间形态，常用的地图种类有点位符号图、线状符号图、面状符号图、等值线图、三维立体图、晕渲图等。
（2）图象
图像也是空间实体的一种模型，它不采用符号化的方法，而是采用人的直观视觉变量（如灰度、颜色、模式）表示各空间位置实体的质量特征。
（3）统计图表
非空间信息可采用统计图表表示。
统计图将实体的属性特征和实体间与空间无关的相互关系采用图形表示，它将与空间无关的信息传递给使用者，使得使用者对这些信息有全面、直观的了解。
统计图常用的形式有柱状图、扇形图、直方图、折线图和散点图等。
（4）数字产品
主要用于GIS系统间的数据交流或传输，以用于数据的进一步分析或带往其它地方产生硬拷贝输出。
7、电子地图的概念：
是以地图数据库为基础，以数字形式存贮于计算机外存贮器上，并能在电子屏幕上实时显示的可视地图，又称“屏幕地图”或“瞬时地图”。
◆电子地图的主要优点
（1）电子地图数据库可包括图形、图像、文档、统计数据等多种形式，也可与视频、音频信号相连，数据类型与数据量的可扩展性比较强；
（2）电子地图的检索十分方便；
（3）信息的存贮、更新以及通讯方式较为简便，便于携带与交流；
（4）可以进行动态模拟，便于定性与定量分析；
（5）可缩短大型系列地图集的生产周期和更新周期，降低生产成本。
第五章空间分析
1、空间分析概述：
空间分析是基于地理对象的位置和形态的空间数据的分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。
空间分析分类：
根据空间分析作用的数据性质的不同，①基于空间图形数据的分析运算；②基于非空间属性的数据运算；③空间和非空间数据的联合运算。
空间分析的主要内容
空间位置：
借助于空间坐标系传递空间对象的定位信息，是空间对象表述的研究基础，即投影与转换理论。
空间分布：
同类空间对象的群体定位信息，包括分布、趋势、对比等内容。
空间形态：
空间对象的几何形态
空间距离：
空间物体的接近程度
空间关系：
空间对象的相关关系，包括拓扑、方位等。
基本空间分析技术：
空间查询与量算；空间变换；再分类；缓冲区分析；叠置分析；
网络分析；空间插值；空间统计分析；数字高程模型与数字地形分析
2、空间查询：
是以空间数据为中心的查询与分析，空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始于空间查询。
空间查询主要包括图形查属性、属性查图形、图形与属性混合查询。
图形查属性是根据图形的空间位置来查询有关属性信息。
属性查图形是根据一定的属性条件来查询满足条件的空间实体的位置。
图形与属性的混合查询是一种更为复杂的查询，查询的条件并不仅仅是某些属性条件或某个空间范围，而常常是两者的综合。
3、空间量算是指对空间信息的自动化量算，是地理信息系统所具有的重要功能，也是进行其它空间分析的定量化基础。
主要量算有：
几何量算、形状量算、距离量算、质心量算
（1）几何量算
含义：
点：
0维坐标；线：
1维，长度、曲率、方向；面：
2维，面积、周长等：
体：
3维，表面积、体积等
线长度计算：
矢量：
两点之间的直线距离，复合线段累加求和；栅格：
网格数目累加
面积计算：
矢量：
几何交叉求积（坐标法）；
栅格：
相同属性值的格网数目与格网面积的乘积
（2）质心量算
定义：
目标的半径位置或保持均匀的平衡点，一般为多边形的几何中心或质心。
计算公式：
i为离散目标，w为权重，x，y为目标坐标
应用：
跟踪某些地理分布的变化，如人口变迁等。
（3）距离量算
含义：
距离描述了空间对象之间的接近程度；②距离的定义与度量空间和空间匀质性是相关的，不同的度量空间和介质空间，距离定义不同。
（4）形状量算
基本考虑：
空间完整性、多边形形状特征
空间完整性：
欧拉数U=a-b+1
a：
被区域包含的多边形（或岛）；b：
由岛组成的区域
U>0时区域比较完整；U<0时区域比较破碎
4、包含分析
铅垂线算法原理如下：
（1）假设研究区域T的一个封闭多边形F=（n1,n2…….nn），顶点ni（x、y）i=123…..m。
T域内的一个点状要素为p（xt,yt），由作一铅垂线R；
（2）计算铅垂线与多边形的所有交点；
（3）如果交点数为偶数，那么，点Pt在多边形外；如果交点数为奇数，那么点Pt在多边形内.
如果铅垂线与多边形的交点等于多边形的结点或中间点，那么，在结点或中间点处将得到两个交点。
此时，在编制算法时就必须处理如下两种情况：
（1）如果与交点相邻的多边形上的两点位于垂线的异侧，那么，需删除两个交点中的一点；
（2）如果与交点相邻的多边形上的两点位于垂线的同侧，那么，不能删除两个交点中的一点。
5、缓冲区分析
邻近度（Proximity）描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，其确定是空间分析的一个重要手段。
缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。
缓冲区（Buffer）分析是研究根据数据库的点、线、面实体，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信息分析方法。
它是地理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一。
1）角分线法
双线问题最简单的方法是角分线法（简单平行线法）。
算法是在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左右边线的起止点；在轴线的转折点上，用与该点所关联的两邻边距轴线的距离为R的两平行线的交点来生成缓冲区对应顶点。
角分线法的缺点是难以最大限度保证双线的等宽性，尤其是在凸侧角点在进一步变锐时，将远离轴线顶点。
2）凸角圆弧法
在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按双线和缓冲区半径截出左右边线起止点；在轴线其它转折点处，首先判断该点的凸凹性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点。
这样外角以圆弧连接，内角直接连接，线段端点以半圆封闭。
该方法最大限度的保证了平行曲线的等宽性，避免了角分线法的众多异常情况。
◆ArcView中的缓冲区分析命令是：
FindDistance、CreatBuffers.
6、地理信息系统叠加分析可以分为以下几类：
视觉信息叠加
升级会员 