地理信息系统原理复习整理.docx
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地理信息系统原理复习整理
地理信息系统是一种特定的、十分重要的空间型信息系统，是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、处理、存储、管理、分析（计算）、显示和描述的技术系统。
（李建松,2006）
地理信息系统处理的对象是多种类型的地理空间实体数据及其关系
地理信息系统的四个特征：
1）GIS的外壳是计算机化的技术系统，它由若干相互关联的子系统构成；
（2）地理信息系统操作的对象是空间数据；（3）地理信息系统的技术优势在于它的数据综合、模拟和空间分析评价能力；4）地理信息系统的成功应用强调组织体系和人的因素的作用。
地理信息系统主要由五个部分组成：
1）硬件系统；2）软件系统；3）地理空间数据库；4）空间分析模型；5）人员（系统管理人员、系统开发人员和数据处理及分析人员）。
理信息系统五大功能：
1、位置问题：
解决在特定的位置有什么或是什么的问题。
2、条件问题：
解决符合某些条件的地理实体在哪里的问题。
3、变化趋势问题：
利用综合数据分析，识别已发生或正在发生的地理事件或现象，或某个地方发生的某个事件随时间变化的过程。
4、模式问题：
分析已发生或正在发生事件的相关原因。
5、模拟问题：
某个地区如果具备某种条件，会发生什么的问题。
元数据：
关于数据的数据，提供关于空间数据、空间数据库等的内容、格式、质量指标、说明信息等引导使用的信息。
元数据的主要作用：
帮助数据生产者有效管理和维护空间数据，建立数据文档；
提供数据生产者对数据产品的说明信息，便于用户查询利用空间数据；
提供通过计算机网络查询数据的方法和途径，便于数据交换和传输；
帮助用户了解数据的质量信息，对数据的使用作出正确判断；
提供空间数据互操作的基础。
元数据的内容：
对数据库的描述；对数据质量的描述；对数据处理信息的说明；对数据转换方法的说明；对数据库的更新、集成方法等的说明。
工作区：
在GIS的数据组织中，通常将若干幅地图形成的区域当成一个工作单元，称之为工作区（workspace）。
空间数据互操作：
空间数据互操作是在不同计算机系统、网络、操作系统和应用程序一起共同作用并共享空间数据的能力。
分布式地理信息系统：
在计算机网络环境下，以分布式计算的理论技术和计算机网络技术为应用指导，用来设计地理信息系统中的时空数据采集、存储、管理、分析、表现等运算的理论计算模型
云计算：
是基于互联网的超级计算模式——即把存储于个人电脑、移动电话和其他设备上的大量信息和处理器资源集中在一起，协同工作。
在极大规模上可扩展的信息技术能力向外部客户作为服务来提供的一种计算方式。
空间数据基础设施（SpatialDataInfrastructures,SDI）是指为描述地球上地理要素或现象的分布及其属性的所有地理信息组合，以及对这些地理信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及互操作等目的，建立一个共享的空间信息框架的建设计划，包括所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源等。
数字地球是一个多分辨率、多空间尺度的、虚拟表达的三维星球，具有海量的地理空间编码数据，可以使用无级放大率进行放大，在空间内的活动是不受限制的，而且在时间空间也是如此
“数字城市”是通过宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源，建立电子政务、电子商务、劳动社会保障等信息系统和信息化社区，实现全市国民经济和社会信息化，是综合运用GIS、RS、GPS、宽带多媒体网络及虚拟仿真技术，对城市基础设施功能机制进行动态监测管理以及辅助决策的技术体系。
智慧地球、城市：
形成所谓“物联网”，然后
将“物联网”与现有的互联网整合起来，感知变换，云计算中心处理，智能服务
空间信息网格（SpatialInformationGrid,SIG）：
空间数据基础设施提出的交换站点在SIG中被看作网络结点，由这些分布在全球各地的各类结点形成的网络称之为网格。
它是以空间信息传输、服务和计算为内容的特点的，因此也称为空间信息网格。
掌握概念：
DEM、三维GIS
空间分析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。
缓冲区分析、工作区、聚合分析
叠置分析：
同一地区的不同组地理要素进行叠置，产生新的特征分析方法
空间关系是指地理实体之间存在的与空间特性有关的关系，是刻画数据组织、查询、分析和推理的基础。
空间关系的描述和表达，是GIS区别于CAD等计算机图形处理系统的主要标志。
空间关系的研究，直接影响GIS的设计、开发与应用。
要点：
矢量数据和栅格数据的特点（区别）（优缺点）
地理信息系统的构成和五大基本功能
最短路径搜索算法（Dijkstra算法）的基本思想、方法流程
空间数据质量问题的来源、解决方法
GIS的发展趋势
空间数据的基本特征（空间特征、属性特征、时间特征）
空间分析的基本流程：
分析目的和标准、准备空间操作的数据、进行空间分析操作、准备表格分析的数据、进行表格分析、结果的评价和解释、如需要则改进分析、产生分析结果的最终地图和报告
缓冲区分析和缓冲区查询的区别
第二部分
地理空间参照系是表示地理实体的空间参照系统，在GIS中，所有的空间数据都必须纳入统一的地理空间参照系。
否则，不同图层的地图要素无法在空间上相互配准。
主要的地理参照系类型：
地理坐标系、投影坐标系。
用平面坐标系表示地面上的任何一点的位置，首先要把曲面展开为平面，但地球表面是不可展开的曲面，因此必须应用投影的方法，建立地球表面与平面上点的函数关系。
投影坐标系统（平面坐标系），将椭球面上的点，通过投影的方法投影到平面上时，通常使用平面坐标系统。
GIS的地理空间：
通常是指经过投影变换后在笛卡儿坐标系中的地球表层特征空间。
地理坐标系转换地理坐标之间的直接转换经由大地坐标之间的间接转换
坐标转换的方法可分为三参数和七参数两种方法
表达地理信息的地理数据的几何空间数据主要有三种数据类型：
矢量数据用坐标对、坐标串和封闭的坐标串表示实体点、线、面的位置及其空间关系的一种数据格式
一维矢量表示空间中的线状要素，或者空间实体对象的边界，包括线段、弦列、拓扑连线、弧段、链、环等。
拓扑连线是两个结点或节点的连线，其方向可由结点或节点的顺序确定。
二维矢量表示地理空间的面状要素，又称为多边形
三维矢量定义三维空间的体元素，是一组或多组闭合曲面包围的空间对象。
栅格数据
数字高程模型数据
数字高程模型是GIS表示2.5维地形数据的重要格式平面坐标和高程数据
包括规则网格和不规则三角网（TIN）两种类型。
三种数据的比较参加书本76
地理数据模型是人们在对地理空间的充分认识与完整的地理空间认知模型（或概念模型）的基础上，并用计算机能够识别和处理的形式化语言来定义和描述现实世界地理实体、地理现象及其相互关系的逻辑模型。
空间数据的三个基本特征：
空间位置特征、空间属性特征、空间时间特征
空间数据描述的内容：
编码、位置、行为、属性、说明、关系
空间数据的分类、分层和空间索引是GIS空间数据组织的重要方式和内容。
分类编码数据分层
物理无缝图层是直接将图幅先进行接边处理，然后将分幅的地图文件进行合并，得到一个在空间上连续的图层。
逻辑无缝图层不改变分幅图层的物理存储位置，而是建立跨图幅地物的索引，实现对地物的跨图幅操作。
三种传统数据模型：
层次数据模型、网络数据模型和关系数据模型
层次模型是一种树结构模型，它把数据按自然的层次关系组织起来，以反映数据之间的隶属关系。
网络模型将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的联系。
（结点数据之间没有明确的从属关系，可表示多对多的关系。
）
面向对象的地理数据库模型面向对象的地理数据模型的核心是对复杂对象的模拟和操纵。
面向对象地理数据模型的特点:
可充分利用现有数据模型的优点、具有可扩充性、可以模拟和操纵复杂对象
4.3GIS空间数据结构
空间数据结构是空间数据模型在特定的空间数据库中，经空间数据库的定义语言和数据描述语言精确描述的存储模型。
1、无拓扑关系的矢量数据结构仅记录空间对象的位置坐标和属性数据，不记录空间关系。
2、拓扑数据结构只有点是相互独立存储的，点成线，线成面
拓扑关系可以有两种表达方式，全显式和半隐含表达。
3、栅格数据结构
分层的栅格数据的存储结构有三种基本方式：
基于像元、基于层、基于多边形
4、数字高程模型数据结构两种存储形式规则格网TIN
两种数据结构的比较
格网点数据结构简单，但表达地形的精度较差，与影像的叠加吻合不好，对地形变化较大的地区精度更差。
另外，关于地性线等线性不容易添加，湖泊等水平区域的不容易表达。
不规则三角网则可避免上述情况，表达地形的质量总体好于格网点，但数据结构较复杂，表达地形的面积较大时，效率不高。
4.4GIS空间数据库
GIS空间数据具有以下特点：
数据量特别大、
具有地理空间数据和属性数据、
数据结构复杂、
数据应用面相当广、
数据应用层次多等。
GIS时空数据表达方法：
基于位置、基于实体、基于时间
GIS互操作
第三部分
由于数据在获取过程都不同程度的存在错误或误差，以及空间数据库对数据组织管理的需要，都需要对数据进行编辑和处理。
GIS数据源
遥感图像大面积的、动态的、近实时、有利GIS数据更新）
地图手扶跟踪数字化扫描数字化获取可微观可宏观注意变形投影变换
文本资料有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等
统计资料
实测数据野外试验、实地测量、GPS
多媒体数据城市视频数据
已有系统的数据拓展了数据的可用性，增加了数据的潜在价值
可归纳为原始采集数据、再生数据和交换数据三种来源。
数据数字化的四种形式
数字线划图，DLG,DigitalLineGraph
数字栅格地图，DRG,DigitalRasterGraph
数字正射影像，DOM,DigitalOrthophotoMap
数字高程模型，DEM,DigitalElevationModel
数据集是一个结构化的相关数据的集合体，包括数据本身和数据间的关系。
GIS的主要数据集包括：
DLG,DRG,DOM,DEM和属性数据（包括社会经济数据）、专业领数据等。
GIS数据采集方法
对于矢量地图数据，可用平板数字化仪，采用手扶跟踪的方法输入，也可用扫描仪扫描成图像后，用栅格数据矢量化的方法自动追踪输入。
GIS数据获取的高级技术
电子平面测量系统、移动测图系统、激光扫描系统（直接获取高程点，可以生成DEM）、干涉雷达系统、机载光学航空相机系统、机载雷达系统、机载数字传感器系统、LiDAR（LightDetectionAndRanging,LiDAR）
LiDAR的特点：
（1）高密度，充分获取目标表面特征，能够提供密集的点阵（或点云）数据（点间距可以小于1米）；
（2）能够穿透植被的叶冠；
（3）实时、动态系统，主动发射测量信号，不需要外部光源；
（4）不需要或很少需要进入测量现场；
（5）可同时测量地面和非地面层；
（6）数据的绝对精度在0.30米以内；
（7）24小时全天候工作；
（8）具有迅速获取数据的能力。
空间数据编辑（完成GIS的空间数据在装入GIS的地理数据库前的各种工作）
图形数据的编辑结点、线、多边形
图形数据的几何纠正
仿射变形（仿射变换解决六个参数）、相似变形（相似变换解决四个参数）、透视变形（透视变换九个参数）
图幅的拼接几何裂缝（必须消除）或逻辑裂缝为建立无缝图层合并
网络特征元素的编辑由几何网络和逻辑网络两部分组成
逻辑网络没有坐标，没有几何特征，但有元素。
1.简单边界的连接
2.复杂边界连接（子、主）
3.复杂的连接点
4.流向定义
5.网络其它属性定义
文本数据的编辑
主要是对属性表数据和注记数据。
GIS空间数据处理
3.3.1空间数据的拓扑关系生成
欧拉定理的用途是用于拓扑检验。
点、线拓扑关系的建立实质是建立结点—弧段、弧段—结点的关系表格
3.3.2空间数据的压缩编码
分为矢量数据压缩（有损）和栅格数据压缩方法。
矢量数据压缩（有损）
1）道格拉斯——普克法（Douglas—Peucker）算法思想：
对每一条曲线的首末点虚连一条直线，求所有点与直线的距离，并找出最大距离值d-max，用d-max与限差D相比：
若d-max＜D，这条曲线上的中间点全部舍去；
若d-max≥D，保留d-max对应的坐标点，并以该点为界，把曲线分为两部分，对这两部分重复使用该方法。
2）垂距法：
算法思想：
每次顺序取曲线上的三个点，计算中间点与其它两点连线的垂线距离d，并与限差D比较。
若d＜D，则中间点去掉；若d≥D，则中间点保留。
然后顺序取下三个点继续处理，直到这条线结束。
3）光栏法:
定义一个扇形区域，通过判断曲线上的点在扇形外还是在扇形内，确定保留还是舍去。
栅格数据压缩
1、直接栅格编码
2、游程长度（行程）编码利用相邻像元的值的相关性基本思想：
按行扫描，将相邻等值的像元合并，并记录代码的重复个数。
特点：
压缩效率较高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快。
3、四叉树编码最有效的栅格数据压缩编码方法之一基本思路：
将2n×2n像元组成的图像（不足的用背景补上）所构成的二维平面，按四个象限进行递归分割，直到子象限的数值单调为止，最后得到一颗四分叉的倒向树，该树最高为n级。
又分为常规四叉树（多记录中间结点）、线性四叉树（仅记录叶结点、使用地址码）
线性四叉树编码的优点：
压缩效率高，压缩和解压缩比较方便，阵列各部分的分辩率可不同，既可精确地表示图形结构，又可减少存贮量，易于进行大部分图形操作和运算。
缺点：
不利于形状分析和模式识别，即具有图形编码的不定性，如同一形状和大小的多边形可得出完全不同的四叉树结构。
3.3.3空间数据的格式转换
三个方面的内容：
空间定位信息、空间关系信息、属性信息
数据格式转换的方式
1、通过外部数据交换文件进行三次转换数据分类、定义的不一致易造成信息丢失
2、通过标准空间数据文件转换需要定义定义标准的空间数据交换文件标准两次转换
3、通过标准的API函数进行转换OpenGIS协会要求每个GIS软件应该提供一套标准的API函数
3.3.4矢量栅格数据的转换
（1）矢量—栅格转换
1）点的栅格化简单的坐标变换
2）线的栅格化
线是由多个直线段组成的，因此，线的栅格化的核心就是直线段如何由矢量数据转换为栅格数据。
DDA法（数字微分分析法）和Bresenham法。
3）面（多边形）的栅格化
内部点扩散法种子点可能造成阻塞而造成扩散不能完成，或可能扩散出去。
扫描法计算量较大
边填充算法算法简单增加了运算量。
为减少访问象素的次数，可引入栅栏。
（2）栅格─矢量转换
栅格数据到矢量数据转换的一般过程可描述为：
1）二值化选取一个阈值
2）二值图像的预处理飞白、污点、线划边缘凹凸不平人机交互处理外，算法自动处理
3）细化剥除轮廓边缘的点，使之成为线划宽度只有一个象元的骨架图形。
既保留了原图形的绝大部分特征，又便于下一步的跟踪处理。
4）追踪把骨架图转换为矢量图形的坐标序列朝该点的8个方向追踪点
5）拓扑化找出线的端点和结点，以及孤立点形成结点和孤段再自动拓扑化
GIS空间数据的质量
GIS的数据质量是指GIS中空间数据（几何数据和属性数据）在表达空间位置、属性和时间特征时所能达到的准确性、一致性、完整性以及三者统一性的程度。
GIS数据质量研究的目的是建立一套空间数据的分析和处理的体系，包括误差源的确定、误差的鉴别和度量方法、误差传播的模型、控制和削弱误差的方法等，使未来的GIS在提供产品的同时，附带提供产品的质量指标，即建立GIS产品的合格证制度。
研究GIS数据质量的意义：
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，如果不考虑GIS的数据质量，那么当用户发现GIS的结论与实际的地理状况相差较大时，GIS会失去信誉。
GIS数据质量的基本内容：
（1）准确度：
用来定义地理实体位置、时间和属性的量测值与真值之间的接近程度。
（2）精度：
定义为空间数据表达的精确程度或精细程度。
位置精度：
又称空间精度，是指在空间特征的精度，如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的质量。
属性精度：
如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。
时间精度：
事件能被识别的最小持续时间。
（3）逻辑一致性：
如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等。
（4）完备性：
如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性等。
（5）现势性：
如数据的采集时间、数据的更新时间等。
空间数据的误差类型
分为源误差和处理误差
（1）源误差
源误差是指数据采集和录入中产生的误差，包括：
1°遥感数据：
摄影平台、传感器的结构及稳定性、分辩率等。
2°测量数据：
人差（对中误差、读数误差等）、仪差（仪器不完善、缺乏校验、未作改正等）、环境（气候、信号干扰等）。
3°属性数据：
数据的录入、数据库的操作等。
4°GPS数据：
信号的精度、接收机精度、定位方法、处理算法等。
5°地图：
控制点精度，编绘、清绘、制图综合等的精度。
6°地图数字化精度：
纸张变形、数字化仪精度、操作员的技能等。
（2）处理误差
处理误差是指GIS对空间数据进行处理时产生的误差
1°几何纠正：
几何纠正所用控制点的精度、纠正的数学模型精度是产生这类误差的主要原因。
2°坐标变换：
控制点的布局、精度、转换的数学模型是产生这类误差的主要原因。
3°几何数据的编辑：
在编辑过程中，结点、线的移动，交点的增加、删除、移动等都会产生编辑误差。
4°属性数据的编辑：
属性取值的合理性是主要误差产生原因。
5°空间分析（如多边形叠置等）：
叠加算法的自动取舍、误差容限的给定是主要原因。
6°图形化简（如数据压缩）：
压缩算法是主要原因。
7°数据格式转换：
数据格式转换会丢失数据信息，如拓扑关系信息、属性信息等。
8°计算机截断误差：
与算法规则有关。
9°空间内插：
与内插的算法有关，与数据点的分布有关。
10°矢量栅格数据的相互转换：
与算法有关，与二值化和细线化有关。
二值化和细线化会影响线的中心位置的确定。
栅格分辨率也是影响因素。
（3）GIS中的误差传播（代数关系、逻辑关系、推理关系）
GIS中对数据质量检查的方法：
直接评价计算机自动检测随机抽样
间接评价（通过外部知识或信息进行推理来确定）
非定量描述对数据质量的各组成部分的评价结果进行的综合分析来确定数据的总体质量
3.4.3空间数据的不确定性
空间数据不确定性的概念：
GIS中处理自然和人为环境数据时，会产生空间数据多种形式的不确定性。
不确定性（Uncertainty）是指在空间、时间和属性方面，所表现的某种特性不能被数据收集者或使用者准确确定的特性。
如图形的边界位置、时间发生的准确时刻、空间数据的分类以及属性值的准确度量等问题。
不确定性最本质的问题在于如何定义被检验的对象类和单个对象
能完整定义为概率问题
未能完整定义模糊集合理论处理
多义性情况解决不一致的分类系统
第四部分
空间分析模型的作用
1、空间分析模型是联系GIS应用系统与专业领域的纽带，必须以广泛、深入的专业研究为基础；
2、空间分析模型是综合利用GIS中大量数据的工具，数据的综合分析和应用主要通过模型来实现；
3、空间分析模型是分析型和辅助决策型GIS区别于管理型GIS的一个重要特征，是解决空间分析和辅助决策问题的核心。
空间分析模型的类型
1、空间分布分析模型研究地理对象的空间分布特征
2、空间关系分析模型研究基于地理对象的位置和属性特征的空间物体之间的关系
3、空间相关分析模型研究物体位置和属性集成下的关系，物体群（类）之间的关系
4、预测、评价与决策模型研究地理对象的动态发展，估计地理对象的未来发展趋势，并作出判断与评价，形成决策方案
空间分析的基本流程
空间分析操作：
缓冲区分析、拓扑叠加分析、特征抽取、特征合并等
空间查询可以划分为：
属性查询和图形查询。
具体方式包括：
扩展关系数据库的查询语言SQL、可视化空间查询、超文本查询、自然语言查询
空间统计分析模型：
1、相关分析模型研究各种地理要素数据之间相互关系
2、趋势面分析模型研究某种现象的空间分布特征与变化规律（用一个多项式分析）
3、预测模型根据地理要素的动态发展规律，预测分析地理现象
4、聚类模型聚类分析是根据多种地学要素对地理实体进行划分类别的方法，对不同的要素划分类别往往反映不同目标的等级序列。
聚类分析的步骤一般是根据实体间的相似程度，逐步合并若干类别，其相似程度由距离或相似系数定义。
进行类别合并的准则是使得类间差异最大，而类内差异最小。
5、属性数据的查询统计频数、频率、平均数、数学期望、中数、众数等
栅格数据的基本分析模式聚类分析、聚合分析、复合分析、追踪分析和窗口分析等
聚类分析设定的聚类条件选择建立新的栅格数据系统
聚合分析根据空间分辨率和分类表，进行数据类型的合并或转换，以实现空间地域的兼并。
小到邻近较大的类别具有数据综合的作用
复合分析视觉信息复合、叠加分类；叠置分析指将不同图幅或不同数据层的栅格数据叠置在一起，在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法。
追踪分析一个或多个起点一定的追踪线索追踪目标水系
窗口分析一个固定分析窗口，对数据进行的极值、均值等计算
矢量数据分析的基本模式包含分析、缓冲区分析、多边形叠置分析、网络分析
与栅格数据分析相比，
矢量数据分析一般不存在模式化的分析处理方法，
表现为处理方法的多样性和复杂性。
包含分析
缓冲区分析（建立缓冲区，缓冲区分析两步）
缓冲区是指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。
多边形叠置分析同一地区的不同组地理要素进行叠置，产生新的特征
叠置将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新多边形及其属性。
（点与多边形、线与多边形和多边形与多边形三种）
网络分析许多自然、人工的线状地物相互之间构成网络
路径分析
最短路径分析两点之间的路径距离实际距离、时间、运费、流量等，
可定义为使用这条边所需付出的代价
最短路径搜索算法（狄克斯特拉（Dijkstra）算法、标号法）
基本思想：
图的顶点分为S,T两类,若起始点u到某顶点x的最短通路己求出，则将x归入S，其余归入T，开始时S中只有u，随着程序运行，T的元素逐个转入S，直到目标顶点v转入后结束。
最短路径搜索的基本依据：
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。
步骤：
1、计算距离矩阵；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；对起始点S作标记，且对所有顶点令D（X）＝∞，Y＝S。
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）｝
其中Y是己确定作标记的点。
取具有最小值的D（X），并对X作标记，令Y＝X。
若最小值的D（
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