地理信息系统完整版.docx
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地理信息系统完整版
第1章
1、GIS定义P4
由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统。
该系统设计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的问题。
2、GIS中“S”含义的演变P6
20世纪90年代以前，“S”的含义多以系统来解释。
当时多从技术和方法的角度来论述地理信息系统，强调的是面向资源、环境、区域等领域对空间数据进行采集、处理、管理、分析的计算机技术系统。
20世纪90年代，通过对地理信息系统理论的研究，认为地理信息系统并不仅仅是技术，还有许多理论需要不断的探索与研究，运用“科学”（Science）来解释GIS显得更为贴切。
21世纪，随着信息化、网络化、数字化向纵深发展，互联网与空间地理信息系统相互交织，数字地球、智慧地球逐步从理念转为应用，地理信息服务逐渐融入到百姓的日常生活中，“S”的含义演变为“Service”
3、GIS的基本构成P8
一个实用的GIS需要一定的环境支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其运行环境主要由5个部分组成，即系统硬件、系统软件、地理空间数据、系统应用人员及应用模型，其核心是软、硬件系统。
系统软件包括GIS专业软件（GIS基础软件：
ArcGIS、MapInfo，MapGIS、SuperMap、GeoStar等）、数据库软件（Oracle、SQLServer）、系统管理软件（主要指计算机操作系统）、系统开发工具软件（VisualC++、VisualBasic、Delphi、Java）地图组件（ESRI的ArcObjects、MapObjects、ArcEngine,MapInfo的MapX）
4、GIS的基本功能P14
1、数据采集与输入2、数据处理与更新3、数据存储与管理
4、空间查询与分析5、产品制作与输出6、二次开发与编程
5、GIS类型划分P16
按应用功能
工具型GIS、应用型、大众型
按数据维数
2DGIS、2.5D、3D、时态
按研究范围
全球GIS、区域、国家
按软件功能
专业、桌面、服务、手持、组件
按研究内容
专题GIS、综合
按软件开发模式
GIS模块、集成式GIS、模块化、
按数据模型
矢量GIS、栅格、矢栅混合
核心式、组件式、互操作、WebGIS
6、GIS与CAD的异同P24
同：
两者都有坐标系统，都能描述和处理图形数据及其空间关系，也能管理非空间数据。
异：
CAD表达图形关系偏弱，CAD属性功能偏弱，CAD数据量不是很大；GIS通常管理一个区域，且数据类型为多尺度、多源数据。
7、GIS与MIS的异同P24
同：
都能管理数据。
异：
GIS比一般的MIS系统在计算机软硬件的配置上要复杂得多，功能也更多。
8、GIS与电子地图的异同P25
同：
都是空间信息的载体，同样具有存储、分析和显示的功能。
异：
电子地图偏重于地图的表达效果，对可视化要求高，而GIS则强调空间数据处理与分析。
9、GIS与遥感影像处理系统的异同P25
遥感影像处理系统是专门用于对遥感影像进行分析和处理的软件，主要强调对遥感图像的图像处理与专题信息提取，并以此作为GIS的重要信息源，但缺少空间关系的描述以及信息查询与空间分析功能。
10、GIS的发展史P26
1、1996年，世界上第一个地理信息系统—加拿大地理信息系统。
Tomlinson为“GIS之父”
2、GIS技术发展趋势：
1）3S集成：
“3S”是地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和卫星定位系统（GPS）的英文缩写的简称。
“3S”集成的意义在于“3S”的结合应用。
2）数字地球：
即一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维显示的地球。
3）网格GIS。
4）虚拟现实GIS5）移动GIS：
是建立在移动计算环境、有限处理能力的移动终端条件下，提供移动中的、分布式的移动地理信息服务的GIS，是一个集GIS、GPS、移动通信三大技术于一体的系统。
第2章
1、空间参照系统P37
1）2008年7月1日启用我国的地心坐标系——2000年国家大地坐标系，英文名称为ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，英文缩写为CGCS2000。
2）WGS—84坐标系，是目前GPS所采用的地心坐标系。
2、地图投影P41
1）地图投影的内涵：
地图投影的实质就是按照一定的数学法则，将地球椭球面上的经纬网转换到平面上，建立地面点位的地理坐标（B，L）与地图上相对应的平面直角坐标（X，Y）之间一一对应的函数关系，并研究其变形的问题。
2）地图投影的变形：
用地图投影的方法将球面展为平面，虽然可以保持图形的完整和连续，但它们与球面上的经纬线网形状并不完全相似，如某个方向的一段距离、一个角度或某块区域投影到平面上，必然与原来的距离、角度/形状、面积产生差异，这一差异称为投影变形。
可以分为长度、面积和角度变形三种。
3、空间坐标变换P55
几何纠正：
1）高次变换2）二次变换3）仿射变换：
公式
仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式，只考虑x和y方向上的变形，其特征为：
直线变换后仍为直线；平行线变换后仍为平行线；不同方向上的长度比发生变化。
实际使用中，往往利用4个以上的点进行纠正，利用最小二乘法处理，以提高变换的精度。
投影变换：
解析变换法、数值变换法、数值解析变换法
4、空间尺度P58
所谓尺度，在概念上是指研究者选择观察（测）世界的窗口。
选择尺度时必须考虑观察现象或研究问题的具体情况。
在进行空间分析时，从获取信息到数据处理、分析往往会涉及到4种尺度问题，即观测尺度、比例尺、分辨率、操作尺度，并且这些尺度之间是紧密相关的。
5、地形图的分幅与编号P63
根据国家标准GB/F1398~92《国家基本比例尺地形图分幅和编号》规定，我国基本比例尺地形图均以1:
100万地形图为基础，按规定的经差和纬差划分图幅》（详见书本62-63页）
第3章
1、空间实体特征P67
1）空间特征：
空间特征表达了地理事物和现象的客观存在性、几何形态的多样性和空间相关性，相应的空间特征又包括空间位置特征、空间几何特征、空间关系特征等。
2）属性特征：
属性特征也称为专题特征或功能特征，通过属性数据表达空间内在的性质和相关关系》属性数据从性质上分为定性和定量两种类型。
3）时间特征：
时间特征是指空间实体随着时间变化而动态变化的过程。
2、离散对象和连续场P68
1）离散对象：
人们认为在地理空间中，只有明确边界的各类地物所占据的地方才是需要表达的，并称之为离散对象，如道路、河流、房屋、农田等。
离散对象的特点就是具有可数性。
离散对象除边界明确外，还需要用维数来区分。
由于点（Point）没有方向与大小，称之为零维；线（Line）只有长度，没有宽度，称之为一维；区域（Area）或多边形具有面的概念及面积、周长等属性，称之为二维。
2）连续场：
在地表连续分布的地理现象称为连续场，如空气中污染度的变化、地表中的温度变化、土壤中的湿度变化、河流中的水流变化以及地表的高度变化等。
3、空间拓扑关系P71
1）定义：
空间拓扑关系是指图形发生连续状态下的变形，但图形之间的邻接关系、关联关系和包含关系保持不变的性质。
2）意义：
空间数据的拓扑关系对地理信息系统的数据处理和空间分析具有重要的意义。
3）分类：
拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含（详见书71-72页）
4、空间数据模型P73
1）定义：
空间数据模型就是对现实世界进行认知、简化和抽象表达的方式，是把抽象结果组织成有用的且能反应地理空间某些特征的数据集的过程，是地理信息系统的理论与方法的基础。
2）分类：
空间概念数据模型：
空间概念数据模型是地理空间中事物与现象的抽象描述，是地理数据的语义解释，是面向用户的数据模型。
“实体联系模型”（Entity—RelationshipModel）是最著名的概念数据模型之一。
空间逻辑数据模型
空间物理数据模型
3）常用空间数据模型：
1、对象模型：
也称作要素模型，是将连续地理空间中的地理现象和事件抽象成不连续的、可被观测的、具有地理参考的空间要素（Feature）或空间实体（Entity）。
2、场模型：
也称作域模型，是把地理空间中的现象作为连续分布的空间信息的集合，如土地植被覆盖、土壤组分、大气污染程度、地形高度以及温度场、应力场等这些具有连续变化性质的空间现象适用于场模型表达。
根据不同的应用，场模型可以表现为二维或三维。
在不考虑时间变化时，二维空间场一般采用6种具体的场模型来描述，即规则分布的点、不规则分布的点、规则矩形区、不规则多边形区、不规则三角形区、等值线
3、网络模型：
网络模型把地理现象抽象为链、结点等空间对象，同时表达对象间的连通关系。
5、矢量数据结构P78
1）定义：
矢量数据结构是通过记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表现点、线、多边形等地理实体的数据组织结构。
2）分类：
按照其功能和方法可分为实体数据结构（Spaghetti数据结构或称为面条数据结构）和拓扑数据结构。
实体数据结构：
指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。
详细表达表格见P79。
拓扑数据结构：
主要特点是点相互独立，点连成线，线构成面。
详细拓扑数据结构文件表格见P80。
6、栅格数据结构P81
1）定义：
栅格结构式最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构（Raster或GridCell）或像元结构（Pixel），是指将地球表面划分为大小均匀、紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素，有行、列号定义，并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。
2）栅格单元代码确定方法：
中心点法、面积占优法、重要性法、百分比法
3）栅格数据结构的压缩编码：
1、游程长度编码
2、四叉树编码（Quad—TreeCode）：
其基本思想是将一幅栅格地图或图像等分为四部分，逐块检查其网格属性值（或灰度），如果子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再划分成四个子区。
这样逐渐向下递归分割，查到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。
Morton码生成规则P88
7、矢栅一体化数据结构P89
1）矢量、栅格数据结构的比较
优点
缺点
矢量数据结构
（1）便于面向对象的数据表达，便于表达属性信息
（2）便于表达空间拓扑关系
（3）易于网格分析
（4）数据结构严密，冗余度小，数据量小
（5）能够实现图形数据的恢复、更新和综合
（6）图形输出质量好、精度高
（1）数据结构复杂，处理算法设计困难
（2）叠置分析复杂
（3）与影像数据的结合困难
（4）数学模拟和空间分析对软、硬件技术要求比较高
栅格数据结构
（1）数据结构简单，易于算法实现
（2）空间数据的叠置容易，有利于与遥感系统的结合
（3）便于各类空间分析和地理现象模拟
（4）输出快速，成本低廉
（1）图形数据量大，存在精度与数据量之间的矛盾
（2）不便于面向现象
（3）难以进行网格分析
（4）投影变化实现困难
（5）图形数据质量低，地图输出不精美
2）矢栅一体化的概念P90
8、曲面数据结构P91
1）Voronoi数据结构：
泰森多边形（Voronoi图或Dirichlet图）是由一组连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形。
泰森多边形特性：
1、每个泰森多边形内仅含一个离散点数据2、泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近3、位于泰森多边形上的点到其两边的离散点的距离相等4、N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面，每个点与它的最近邻区域相关联。
2）TIN数据结构：
TIN数据结构常用来描述具有连续分布的覆盖面，如地形、降水量、温度、磁场等。
表示和存储这些要素的基本要求是必须便于连续现象在任一点的内插计算，因此经常采用不规则三角网来拟合连续分布现象的覆盖表面，称为TIN（TriangulatedIrregularNetwok）。
3）Grid数据结构：
Grid模型是考虑到采样密度和分布的非均匀性，经内插处理后形成规则的平面分割格网。
第四章
1、空间数据源分类：
P105
定义：
地理信息系统的数据源是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源。
分类：
传统地图数据、遥感影像数据、DEM数据、测量数据、文本统计数据、其他电子数据
2、CAD数据转换成ArcGIS数据的方法P126
利用ArcGIS的ArcToolbox模块的转换工具ArcToolbox-ConversionTools-ToGeodatabase-ImportfromCAD，可将DWG文件转换为FileGeodatabase文件。
转换得到的FileGeodatabase文件中包含Point、Line、Area和CadDoc4个图层以及XtrProp、XData、TxtProp、MSLink、Entity、CadLayer、Attrib7张属性表。
可以再ArcGIS中直接浏览空间图形以及转换后的属性表。
这些属性表和空间图形要素通过EntID字段关联。
经过转换后数据中每个要素通过EntID字段可以在对应的属性表中找到对应的属性，其中，在CAD数据中的地类符号、高程点注记等转换后在ArcGIS中以点的形式存在，字段Txt值即为注记的文本值。
3、矢量线的栅格化P128
1）行差小于列差
2）列差小于行差
4、面（多边形）的栅格化P129
又称多边形填充法或区域填充法，就是在用矢量表示的多边形内部的所有栅格点上赋以相应的多边形代码，形成栅格阵列。
可采用边界代数算法、内部点扩散算法、包含检验法等方法
对于包含检验法——铅垂线法P133
5、栅格数据向矢量数据转换P133
1）二值化：
关键是在灰度级的最大值和最小值之间选取一个阀值，阀值可根据人工设定。
虽然人工设定的值往往不是最佳阀值，但在扫面图比较清晰时，该方法是行之有效的。
2）细化：
可分为剥皮法和骨架法两大类
3）跟踪
4）压缩
6、空间数据压缩方法中的道格拉斯——普克法P139
步骤：
1）连接曲线首、末点为直线，直线所涵盖点序称全程。
2）由全程各点对该直线作垂线
3）求各点到垂足的垂距，取垂距最大且大于给定限差的点
4）连接首点与所取点为直线，连接末点到所取点为直线；对两线分别递归进行
（2）、（3）、（4）步骤，直至再取不到点为止。
在进行操作前需先确定临界值。
7、空间数据内插：
P141
定义：
设已知一组空间数据，它们可以是离散点的形式，也可以是分区数据的形式，现在要从这些数据中找到一个函数关系式，使该关系式能最好地逼近这些空间数据，并能根据该关系式推求出区域范围内其他任意点或任意分区的值，这种通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的内插。
8、整体内插方法P141
整体内插方法是由研究区域内所有采样点的数据建立多项式函数，再用多项式函数对整个研究区域的表面进行拟合的方法。
9、局部分块内插P142
主要方法：
线性内插、双线性多项式内插、双三次多项式、克里金内插等
克里金插值：
根据变异函数模型而发展起来的一系列地统计空间差值方法
适合用在样本数据量较大、分布较均匀的空间的空间分析中。
变异函数：
当空间点x在一维x轴上变化时，区域化变量Z（x）在点x和x+h处的值Z（x）与Z（x+h）差的方差的一半为区域化变量Z（x）在x轴方向上的变异函数，记为
，即：
10、逐点内插：
P146
1）移动拟合法：
是用二次多项式来拟合地面高程，即：
。
通常把坐标原点平移到待定点，用待定点为圆心的圆周内6个数据点求解函数的待定系数，计算
。
2）加权平均法：
采用多个邻近点的加权平均水平面移动拟合法进行内插，其公式：
第五章
1、矢量数据管理P157
1）数据文件管理
2）文件——关系数据库混合管理
3）全关系数据库管理
4）对象——关系数据库管理
2、栅格数据管理P162
1）数据文件管理
2）全关系数据库管理
3、地图切片P164
地图切片是指将大幅影像切分为大量相同分辨率的切片图。
用户每次查看影像时，实际只对少量的切片图进行操作，这样大大提高了计算机的性能，在网络应用中，降低了服务器的压力。
4、影像金字塔结构P164
影像金字塔是指在同一空间参照下，根据用户需要以不同的分辨率进行存储与显示，形成分辨率由粗到细、数据量由小到大的金字塔结构。
这种结构有利于图像在移动和缩放过程中的快速显示。
X-Y-Z的立体坐标系组织结构是将影像金字塔级别定义为Z，把地图切片按照X-Y方向进行排序，这种组织方式更能满足实际的应用，而且结构简单易懂。
5、ArcSDE数据库引擎P168
ArcSDE是一个基于关系型数据库的地理数据库服务器，是对关系型数据库的一个扩展。
它可以运行于Oracle、SQL、Server、DB2、Informix等大型数据库之上，与数据库间形成一种Client/Server三重体系结构。
空间数据库连接的两种方式：
1）应用服务器连接：
一种通用连接方式，可以使用ArcGIS的客户端应用程序ArcCatalog来建立连接
2）直接连接：
跳过ArcSDE，直接使用ArcGIS的客户端软件连接数据库，是借助ArcGIS中已包含的ArcSDE的部分功能。
同样使用ArcGIS的客户端应用程序ArcCatalog来建立连接
ArcSDE五大特点：
1）是ArcGIS的专用的地理数据共享服务器
2）是一个高效的地理数据服务器
3）可以管理海量的无缝地理数据
4）是一个地理数据事务处理系统
5）是一个安全的地理数据库
6、空间数据的组织P170
总原则：
空间分层、平面分块
7、空间数据分类P170
空间数据的分类是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层，为数据采集、存储、管理、查询和共享提供依据。
8、空间数据编码P171
空间数据编码是指将空间数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号表示。
我国空间要素编码采用6位十进制数字码表示。
左起第一位为大类码，采用1~8编码；左起第二位为中类码，在大类基础上细分形成的要素类；左起第三、四位为小类码，在中类基础上细分形成的要素类；左起第五、六位为子类码，在小类基础上细分形成的要素类。
9、地理编码P173
地理编码又称地理匹配，是指建立地点描述与坐标对应关系的过程。
10、数据入库与更新P175
数据入库与更新是把不同来源、格式、特点的数据在逻辑上或物理上有机地集中，从而为企业提供全面的数据共享支持。
11、空间数据库系统P176
1）临时数据库：
地理空间进行数据处理的临时存储空间。
数据处理人员在临时数据库中可进行数据的入库、检查、编辑等数据处理和维护工作。
由于临时数据库与现势数据库的结构完全一致，经过在临时数据库中检查确认的数据可以最大限度地保证数据结构的正确性，用临时数据库中的数据对现势数据库进行数据更新还可以保证最小的时间开销和最少的操作步骤。
2）现势数据库：
最具现势性的地理空间数据，是向用户提供的成果数据。
现势数据库只进行临时数据库和显示数据库之间的数据提取和复制操作，一般不支持数据处理人员直接进行现势数据的处理和修改。
3）历史数据库：
用来存储现势数据库更新后形成的历史数据。
历史数据库与现势数据库的结构基本相同，只是其所管理的数据是被更新的成果数据。
12、数据入库（增量识别）P179
数据入库前首先要进行增量识别，判断发生变化的数据，把更新的数据添加到数据库中。
13、数据库整合的主要内容P180
空间数据整合是从空间和事件两方面来对多源、多格式、异构的空间数据进行处理，以满足信息更新与共享的需要。
各个不同的行业其空间数据整合的内容不同。
14、空间索引P182
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，瑞对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。
常见的空间索引一半采取自顶而下、逐级划分空间的方式建立，比较有代表性的是：
实体范围索引、格网索引、四叉树索引、BSP树索引、KDB树索引、R树索引、R+树索引、CELL树索引等。
第六章
GIS基本功能
1）数据采集与输入2）数据编辑3）数据存储与管理
4）数据显示与输出5）空间查询与分析（空间查询，叠合分析，缓冲区分析，网络分析，地形分析）
一·空间分析的概念与分类P1941空间分析的概念
空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成和空间演变等信息。
2空间分析的一般分类1）空间几何分析，网络分析，空间统计分析，数字地形分析
2）咨询式分析（querymode）
集合分析、查询分
3）技术方法上
基于矢量数据的空间分析，基于栅格数据的空间分析
4）产生式分析（productmode）
DEM分析、叠合分析、缓冲区分析、网络分析
二·数字高程模型P1951数字高程模型（DigitalElevationModel,DEM）
表示地表区域上地形的三维向量的有限序列，即地表单元上高程的集合，数学表达为：
z=f（x,y）。
2数字地面模型（DigitalTerrainModel,DTM）
当z为其他二维表面上连续变化的地理特征，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，此时的DEM成为DTM，及将数字地形模型的地面特征用于描述地面高程。
3数字地面模型分类DTM在形式上包括：
规则格网（Grid）；不规则三角网（TriangulatedIrregularNetwork,TIN）；等高线、等深线、地形特征线，如山脊线、谷底线、海岸线及坡度变换线等。
（不规则三角网是一系列无重复的三角形来模拟地球表面，它是描述三维表面的常用方法，是从高程点产生的，也可以由等高线，多边形生成。
规则格网DEM储存量最小便于使用容易管理，是目前运用最广的一种三维数据格式。
但其缺点是不能准确地表示地形的结构，在格网大小一定的情况下，无法表示地形的细部，将局部地形平坦化了。
）
4DEM数据采集方法P196
1）直接从地面测量，例如用GPS，全站仪，野外测量等
2）根据航空或航天影像，通过摄影测量途径获取，如立体坐标仪观测及空三加密法，解析测图，数字摄影测量等。
3）从现有地形图上采集，利用数字化仪对已有地图上的信息（如等高线）进行数字化。
5DEM空间内插方法
1）常用的数据处理：
数据格式的转换，坐标系的变换，数据编辑，数据分块，数据内插。
2）概念：
DEM内插就是根据参考点的高程求出其他待定点的高程，在数学上属于插值问题。
3）分类：
内插点的分布范围：
整体内插，分块内插，逐点内插
4）常见的内插方法：
距离加权法，移动拟合法，双线性多项式内插，样条函数内插，最小二乘配置法拟合内插，有限元法6地学分析与应用P197
1）地形因子的自动提取-1坡度：
地表单元的法向与Z轴的夹角，即切平面与水平面的夹角。
在计算出各地表单元的坡度后，可对不同的坡度设定不同的灰度级，可得到坡度图。
2）地形因子的自动
升级会员 