地理信息系统复习资料整理.docx
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地理信息系统复习资料整理
地理信息系统复习资料整理
信息系统：
是一种采集、输入数据或低级信息，按照人们的指令进行加工处理，提取、输出有用信息乃至知识的系统。
数据：
指人类在认识世界过程中，定性或定量描述认识目标的直接记录或原始资料。
信息：
狭义的信息论认为，信息是人们获得信息前后对事物认识的差别；广义信息论认为，信息是指主体（人、生物或机器）与外部客体（环境或其他的人、生物或机器）之间的一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普遍形式。
以一定规则组织在一起的事实的集合。
信息的本质特征：
就是从数据中提取和发掘有用的信息。
信息系统的构成要素：
数据及信息、硬件、软件和人员（用户）四大要素。
地理信息系统：
地理信息系统是在计算机硬件支持下，对地理空间数据进行采集、存储、显示、管理和分析的技术系统。
地理空间数据和信息的三个基本特征：
第一，空间位置特征。
第二，属性特征。
第三，时态特征。
地理信息系统区别于一般信息系统的主要特点：
1、地理空间数据和信息的特殊复杂性。
2、必须具备科学可视化功能。
3、区域性和多层次。
4、数据量较大。
5、注重空间分析。
3S：
地理信息系统技术（）、遥感技术（简称）——采集、接收遥感，特别是卫星遥感数据，并从中分析、提取地球资源环境各种信息的技术。
全球定位系统技术（,简称）——利用系统卫星实时高精度确定地面目标精确位置的技术。
、、集成，形成一体化的3S技术。
地理信息系统的主要功能：
1、地理信息系统的基本功能：
数据采集和输入；数据处理；数据存储、组织和管理；显示与输出；空间查询与分析；
2、空间分析与模型分析功能：
空间查询检索；定式化的空间分析功能；其他空间模型分析。
地理信息系统的主要组成成分：
1、地理空间数据和信息。
是地理信息系统的动作对象。
2、硬件系统。
的物理外壳。
可分为计算机主机、各种输入输出外部设备、网络传输设备等主要成分。
3、软件系统。
系统软件和专业软件。
4、系统开发、管理和使用人员。
空间关系：
度量空间关系、顺序空间关系、拓扑空间关系。
拓扑空间关系：
连接性（曲线或弧段在结点处的相互联接关系）、包含、邻接性（指共有公共边的两个区域的邻接关系）。
属性数据：
基本属性数据、说明数据。
栅格空间数据模型：
规整格网、二维空间坐标系、属性数据和分辨率、矩阵数组。
数据组织和管理的主要层次：
数据项、记录、文件、数据库。
数据库管理系统的功能：
数据库定义功能、数据库管理功能、数据库维护功能、数据库通讯功能。
（定义、管理、维护、通讯）
矢量和栅格数据结构的总体比较：
矢量结构和栅格结构是利用计算机形象表现客观世界的两种基本方式，二者互相补充，相辅相成。
矢量数据结构具有天然的精练性，以及为了保证准确、精练而带来的结构复杂性；栅格结构的基点是从某种（属性）角度，用简单规整的格网来模拟空间景观的整体形象，“属性明显，位置隐含”。
两种数据的表现手法和总体效果也正好相反：
矢量数据的空间位置坐标取值可以是任意的、连续的，但表达的空间形象是分立空间对象组成的画面，即总体效果是不连续的；而栅格结构的数据取值方式是不连续的、分立的，但总体表达效果却可以是连续的，表现为照片般的空间图像。
由于与地图的渊源，矢量结构至今在领域占主导地位；但栅格结构由于遥感及互联网、多媒体的迅速发展，重要性正在不断增加。
矢量和栅格数据结构优缺点比较
传统数据库系统技术：
关系数据库与文件系统的混合管理模式要点：
第一，点、线和多边形的空间位置（图形）数据与属性数据两者分别组织、管理与检索。
第二，两种数据间落实于每个地物的挂联关系通过唯一标识符或者内部连接码进行链接。
第三，用关系数据库的直接管理属性数据或属性数据库。
第四，借用关系模型的理念，利用文件系统，并通过高级语言编程来管理空间位置（图形）数据。
系统采用高级语言编程，主要任务一是开发图形处理功能，二是利用文件系统组织图形数据和管理图形库。
第五，由于地理空间数据的海量、区域性和多层次特点，地理空间数据通常在水平方向分图幅或区域，在垂直方向上分图层来组织管理。
元数据：
关于数据的数据，说明数据的数据，关于数据的描述性数据。
空间数据元数据的应用及其意义：
首先，元数据可以帮助用户获取数据。
其次，可利用元数据进行空间数据质量控制。
第三，元数据在数据集成中的应用。
第四，元数据在数据管理中的应用。
特色的数据处理：
1、属性与图形交互编辑：
基于空间对象唯一标识符；图形编辑中进行相应属性数据的编辑；或属性数据的编辑涉及到相应图形编辑。
2、图幅接边：
不仅进行几何接边，还要进行逻辑接边，即同一地物在边界两侧的属性必须一致。
3、拓扑关系生成和编辑净化（）：
找交点形成结点和线，装配多边形、清除假结点、点在多边形内的判别等。
4、制图概括（或制图综合）及有关编辑：
根据地图比例尺、用途、地理特征等条件，进行地图内容取舍、符号化、地物移位和制图对象概括归推理等，以及专为制图概括所进行的编辑，如曲线化简等。
5、空间数据质量与精度方面的处理：
进行空间数据质量的控制、总结和评价等，以保证空间数据较好的准确性、一致性和完整性，以及它们三者之间统一性。
6、地理坐标转换和地理投影：
其他坐标向地理坐标的转换、不同地理坐标之间的转换、地表曲面上的地理坐标向平面上投影、精校正、坐标配准等。
7、空间数据内插：
通过已知点或分区数据推求其他地点的可能取值。
8、三维立体处理：
面向不规则地表的特色的三维模型和显示等处理
9、地图输出前预处理：
地图符号、注记、图例等特色制图处理
10、矢量、栅格数据转换：
涉及地理属性数据挂联的矢量、栅格数据的相互转换。
大地水准面：
平均海平面（物理上相当于静止海平面）及其在陆地下的延伸所构成的一个闭合的环球水准面曲面。
三种地理坐标：
1、地心坐标。
2、依据参考椭球建立的大地坐标。
3、单纯的球面坐标，即只有经度、纬度二维坐标，称为天文经纬度。
地图投影：
在球面与平面间建立点与点之间对应数学关系的方法。
地图投影的分类：
按投影变形性质的不同：
等角投影、等积投影、任意投影。
按投影几何面的不同：
方位投影、圆柱投影、圆锥投影。
高斯－克吕格投影简称高斯投影，采用等角横轴切椭圆柱投影。
高斯－克吕格直角坐标网格称为方里网。
空间数据插值：
通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的处理及其方法，它是地球科学和相关领域中，具有基础意义并广泛应用的一种空间数据处理类别。
空间数据插值的必要性：
第一，由于自然环境较恶劣地区难以采集数据，或观测仪器（如遥感器）故障导致部分数据缺失等原因，导致数据分布不完整，部分区域数据缺失，需要进行空间数据插值。
第二，数据可能分布不均，需要进行插值以加密数据。
第三，对空间变量分布规律不够了解，人为的数据采样方式不适合该分布规律。
第四，当需要转换数据格式，进行坐标校正，或在应用对象变化等情况下，也可能需要进行数据插值。
实践中常见的数据源的空间分布类型：
第一，栅格数据。
第二，较均匀的采样数据。
第三，不均匀或不规则数据。
空间数据插值主要的四种类型：
第一，基于专业知识基础进行空间插值。
第二，用一个数学关系（方程或某种数学函数的级数）来模拟已知样点上空间变量分布。
第三，邻近样点数值决定法。
第四，边界插值法。
:
数字高程模型（）是以（x，y）为自变量的高程z数据的有序集合。
常用的有两种形式：
一种称为高程矩阵，高程数据布满覆盖整个区域的方格网的网格，相当于高程栅格数据；另一种高程数据布满覆盖整个区域的三角网网点，实际上就是数据。
现代三维地形表达的5个层次：
第1层：
数字高层模型第2层：
数字地形模型第3层：
数字地面模型第4层：
虚拟现实的数字地面模型第5层：
－的数字地面模型
数字高程模型的地形派生数据：
1、坡度：
地面单元与水平面之间的夹角，或地面单元的法矢量与铅垂线之间的夹角。
2、坡向：
地面单元的法矢量在水平面内投影所指方位角，通常从北点方向顺时针度量。
3、等值线
4、视线图：
亦称为可视域分析。
描述通视情况，即从指定观察地点视线能及的区域范围。
5、地形轮廓线及其他。
集水线是山坡上高程等于给定数值的点的连线。
空间分析
空间查询包括基本空间查询和较复杂的空间查询：
基本空间查询包括：
从地物空间位置（或图形）特征查属性、从属性查空间位置（或图形）的特征、用户给定范围查询。
较复杂空间查询包括：
空间关系查询、三维环境下的查询、与统计分析交互的空间查询。
程式化空间分析功能：
空间操作：
传统的空间操作（空间剪裁、空间筛选、多边形合并、叠置操作、缓冲区操作）、空间操作
网络分析
三维地形或环境的空间分析
其他空间分析：
空间统计分析、分析地图学、空间分析模型。
多边形合并包括两种情形：
一种是合并处理中形成的细碎多边形。
另一种多边形合并是相同属性的相邻多边形之合并。
叠置操作：
点与多边形叠置、线与多边形叠置、多边形叠置。
多边形叠置：
将两个或多个多边形图层进行叠加，产生一个新的多边形图层。
缓冲区：
指与点、线或多边形边界的距离为给定值的区域。
网络：
现实世界中，由链和结点组成的、带有环路，并伴随着一系列支配网络中流动之约束条件的线网图形。
网络分析：
通过模拟、分析网络的状态以及资源在网络上的流动和分配等，研究网络结构、流动效率及网络资源等的优化问题的领域。
网络数据结构的最基本组成部分：
一是结点（）,它体现网络中的连接、连通关系；
二是,链。
它是网络中每两个结点之间的线形单元。
网络分析主要有：
最佳路径、资源分配、服务中心选址、地址匹配。
综合分析评价的四个过程：
第一，评价因子的选择与筛选。
第二，多因子重要性指标（权重）的确定。
第三，因子内各类别对评价目标的隶属度确定。
第四，选用某种方法进行多因子综合。
地理信息系统输出产品：
地图、图像、统计图表、文字和表格、多媒体。
地图绘制：
空间对象的符号化过程。
地图符号：
点位符号、线状符号、面状符号。
专题地图：
以普通地图为基础，着重表示制图区域内某一种或几种自然或社会经济现象的地图。
专题地图按内容可以划分为自然和社会经济两大类别。
自然地图主要表示自然要素的分布特征。
社会经济地图反映人类社会经济现象的地理规律。
专题地图内容表示方法：
符号法、等值线法、质底法、范围法、基于统计资料的方法。
地图符号制作方法：
编程法、直接信息法、间接信息法。
地图注记：
一是地图上的内容注记，主要是地名注记。
另一种注记是制图说明注记，这种注记仅与地图输出有关。
注记的数据结构：
点阵字库、矢量字库、（点阵与矢量结合的字体）。
注记方式分四种：
单点注记、双点注记、布点注记和参考线注记。
地图排版：
颜色配置、图幅整饰、地图排版布局。
万维网地理信息系统（）：
也称互联网地理信息系统。
指基于平台、客户端应用软件采用协议、运行在万维网上的地理信息系统。
其核心是在地理信息系统中嵌入和标准的应用体系。
是由多主机、多数据库与多台终端，并通过连接而成的。
组成：
浏览器、信息代理、服务器、编辑器。
主要特点：
1、基于标准
2、分布式服务体系结构
3、高效利用空间数据资源
4、发布速度快，范围广，维护方便
5、友好的用户界面，建设投资少
6、对数据访问的安全控制。
系统的五种模式：
1、利用技术方法构建系统
（基于的）（运行环境：
服务器）
2、利用服务器端应用程序接口建立系统
（基于服务器的）（运行环境：
服务器）
3、利用插件技术方法建立系统
（基于的）（运行环境：
客户机）
4、利用控件和组件对象模型技术建立系统
（基于的）（运行环境：
客户机）
5、利用编程语言建立系统
（基于的）（运行环境：
服务器客户机）
虚拟现实技术的主要特征（3I特征）：
交互性、沉浸感、想像。
虚拟环境概念的四层含义：
模拟环境、感知、自然技能、传感设备。
空间数据库引擎（）：
指系统借以实现基于大型关系数据库的客户/服务器模式的软件，在一些文献中亦称为中间伯软件。
数据模型实现的主要技术条件：
数据模型组织。
数据空间完整性操作。
数据库中实现数据保护。
优化数据库查询。
建立供开发必需的客户库和商业服务库。
组件式的特点：
集成灵活、价格便宜。
采用通用开发语言集成。
强大的功能。
开发简捷，使用方便。
无缝集成。
可视化界面设计。
更加大众化。
组件式体系结构：
基础组件、高级通用组件、行业性组件。
的主要特点：
简单的基于向导的界面
强大的智能化的客户端
地图编辑和地图注释功能
方便的定制功能
高质量的制图显示功能
开放的可伸缩结构
、名词解释（每题5分，共20分）
1.地理信息系统
2.模型
3.元数据
4.信息
二、简答题（每题10分，共40分）
1.地理信息系统的组成。
2.简述栅格数据及其主要编码方式。
3.格网分析的主要应用。
4.根据下面示意图，给出其的矢量数据结构编码
三、分析题（每题20分，共40分）
1.论述点、线、多边形数据之间的叠加分析的内容和方法。
2.结合自己的实际工作，论述一个地理信息系统的应用实例
一、名词解释（每题5分，共20分）
1. 地理数据
2. 空间索引
3. 与
4. 互操作
二、简答题（每题10分，共40分）
1. 矢量数据结构与栅格数据结构的转换算法。
2. 简述空间数据误差来源与数据质量控制方法。
3. 3S集成的作用和意义
4. 下面两个多边形图层A和B，图中标注的是多边形的属性，请画出A与B两个图层的结果图层C的示意图，并标注属性，其中C的属性为。
、分析题（每题20分，共40分）
1.为了完成城市道路拓宽改建分析，论述需要那些空间数据，并描述在支持下的分析流程。
2.结合某具体领域（如区域规划、环境监测、土地利用、公共卫生等）进行应用总体设计与项目实施。
一、名词解释（每题5分，共20分）
1.地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。
2.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。
它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。
3.为数字地形模型（），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。
数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型（），简称。
4.互操作是指不同的间与平台无关的透明数据访问、共享空间数据库和其它服务。
是当代技术发展的重要方向。
二、简答题（每题10分，共40分）
1.矢量数据结构与栅格数据结构的转换算法。
对于点状实体，每个实体仅由一个坐标对表示，其矢量结构和栅格结构的相互转换基本上只是坐标精度变换问题。
线实体的矢量结构由一系列坐标对表示，在变为栅格结构时，除把序列中坐标对变为栅格行列坐标外，还需根据栅格精度要求，在坐标点之间插满一系列栅格点，这可以由两点式直线方程得到。
线实体由栅格结构变为矢量结构与将多边形边界表示为矢量结构相似，因此以下重点讨论多边形的矢量结构与栅格结构相互转换。
（1）矢量向栅格转换
矢量格式向栅格格式转换又称为多边形填充，就是在矢量表示的多边形边界内部的所有栅格点上赋以相应的多边形编码，从而形成栅格数据阵列。
几种主要的算法描述如下：
a）内部点扩散算法：
由每个多边形一个内部点（种子点）开始，向其八个方向的邻点扩散，判断各个新加入点是否在多边形边界上，如果是边界上，则该新加入点不作为种子点，否则把非边界点的邻点作为新的种子点与原有种子点一起进行新的扩散运算，并将该种子点赋以该多边形的编号。
重复上述过程直到所有种子点填满该多边形并遇到边界停止为止。
r，则该待判点属于此多边形，赋以多边形编号，否则在此多边形外部，不属于该多边形。
πb）复数积分算法：
对全部栅格阵列逐个栅格单元地判断该栅格归属的多边形编码，判别方法是由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分，对某个多边形，如果积分值为2
c）射线算法和扫描算法：
射线算法可逐点判断数据栅格点在某多边形之外或在多边形内，由待判点向图外某点引射线，判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数，如相交偶数次，则待判点在该多边形外部，如为奇数次，则待判点在该多边形内部。
要注意的是：
射线与多边形边界相交时，有一些特殊情况会影响交点的个数，必须予以排除。
d）边界代数算法：
它适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构。
若多边形编号为a，初始化的栅格阵列各栅格值为零，以栅格行列为参考坐标轴，由多边形边界上某点开始顺时针搜索边界线，当边界上行时，位于该边界左侧的具有相同行坐标的所有栅格被减去a；当边界下行时，该边界左边所有栅格点加一个值a，边界搜索完毕则完成了多边形的转换。
（2）栅格格式向矢量格式的转换
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。
栅格格式向矢量格式转换通常包括以下四个基本步骤：
a）多边形边界提取：
采用高通滤波将栅格图像二值化或以特殊值标识边界点；
b）边界线追踪：
对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，通常对每个已知边界点需沿除了进入方向的其他7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段；
c）拓扑关系生成：
对于矢量表示的边界弧段数据，判断其与原图上各多边形的空间关系，以形成完整的拓扑结构并建立与属性数据的联系；
d）去除多余点及曲线圆滑：
由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少数据冗余；搜索结果，曲线由于栅格精度的限制可能不够圆滑，需采用一定的插补算法进行光滑处理，常用的算法有：
线形迭代法；分段三次多项式插值法；正轴抛物线平均加权法；斜轴抛物线平均加权法；样条函数插值法。
2.简述空间数据误差来源与数据质量控制方法。
从空间数据的形式表达到空间数据的生成，从空间数据的处理变换到空间数据的应用，在这两个过程中都会有数据质量问题的发生。
（1）空间现象自身存在的不稳定性：
包括空间特征和过程在空间、专题和时间内容上的不确定性。
（2）空间现象的表达：
数据采集中的测量方法以及量测精度的选择等受到人类自身的认识和表达的影响，这对于数据的生成会出现误差。
（3）空间数据处理中的误差：
在空间数据处理过程中，容易产生的误差有以下几种：
投影变换产生的差异；地图数字化和扫描后的矢量化处理都可能出现误差；数据格式转换中的位置差异性；数据抽象时产生的误差；建立拓扑关系过程中的位置坐标的变化；与主控数据层的匹配位移导致误差；数据叠加操作和更新产生空间位置和属性值的差异；数据集成处理产生的误差；数据的可视化产生表达上的误差；数据处理过程中误差的传递和扩散
（4）空间数据使用中的误差：
主要包括两个方面：
一是对数据的解释过程，一是缺少文档，这样往往导致数据用户对数据的随意性使用而使误差扩散。
数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差。
空间数据质量控制常见的方法有：
（1）传统的手工方法：
将数字化数据与数据源进行比较，图形部分的检查包括目视方法、绘制到透明图上与原图叠加比较，属性部分的检查采用与原属性逐个对比或其他比较方法。
（2）元数据方法：
数据集的元数据中包含了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量，同时元数据也记录了数据处理过程中质量的变化，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。
（3）地理相关法：
用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。
3.3S集成的作用和意义。
3S技术为科学研究、政府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。
3S的结合应用，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即和向提供或更新区域信息以及空间定位，进行相应的空间分析，以从和提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。
、和三者集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高了的应用效率。
在实际的应用中，较为常见的是3S两两之间的集成，如集成，集成或者集成等，但是同时集成并使用3S技术的应用实例则较少。
、、集成的方式可以在不同的技术水平上实现，最简单的办法是三种系统分开而由用户综合使用，进一步是三者有共同的界面，做到表面上无缝的集成，数据传输则在内部通过特征码相结合，最好的办法是整体的集成，成为统一的系统。
单纯从软件实现的角度来看，开发3S集成的系统在技术上并没有多大的障碍。
目前一般工具软件的实现技术方案是：
通过支持栅格数据类型及相关的处理分析操作以实现与遥感的集成，而通过增加一个动态矢量图层以与集成。
对于3S集成技术而言，最重要的是在应用中综合使用遥感以及全球定位系统，利用其实时、准确获取数据的能力，降低应用成本或者实现一些新的应用。
3S集成技术的发展，形成了综合的、完整的对地观测系统，提高了人类认识地球的能力；相应地，它拓展了传统测绘科学的研究领域。
作为地理学的一个分支学科，*产生并对包括遥感、全球定位系统在内的现代测绘技术的综合应用进行探讨和研究。
同时，它也推动了其它一些相联系的学科的发展，如地球信息科学、地理信息科学等，它们成为“数字地球”这一概念提出的理论基础。
三、分析题（每题20分，共40分）
1. 为了完成城市道路拓宽改建分析，论述需要那些空间数据，并描述在支持下的分析流程。
利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取,计算一条道路拓宽改建过程中的拆迁指标。
（1）明确分析的目的和标准
目的是计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值，道路拓宽改建的标准是：
aλ）道路从原有的20m拓宽至60m；
bλ）拓宽道路应尽量保持直线；
cλ）部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。
（2）准备进行分析的数据
需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。
（3）进行空间操作
首先选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。
然后将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。
（4）进行统计分析
首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。
然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。
（5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出。
三、
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