《地理信息系统》复习要点.docx
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《地理信息系统》复习要点
《地理信息系统》是一门综合性较强的课程，知识点多，具有学科与技术的统一性、发展与内容更新的快速性、多学科集成（地理学、地图学、测绘学、遥感科学、计算机科学、数据库、信息科学等）、渗透性较强、空间抽象性强、研究对象的空间尺度变化大，应用范围广等特点。
课程讲述的主要内容包括空间信息基础、空间数据结构、空间数据库、空间数据采集与处理、GIS空间分析原理与方法、地理信息系统产品输出、地理信息系统设计与标准化、GIS新技术等。
其中，空间数据结构、空间数据处理、GIS空间分析原理与方法和地理信息系统产品输出等为课程的中心内容。
第一节GIS基本概念
一、数据与信息
数据：
指某一目标定性、定量描述的原始资料。
数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据都是数据。
特点：
数据格式依赖计算机系统，可以进行转换，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。
一、数据与信息
信息：
用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
二、地理信息与GIS
三、地理信息系统
GIS概念框架:
四、地理信息系统分类
第二节GIS基本构成
3.时态数据
地理现象随时间而发生的变化数据
四GIS研究内容
（一）地理学
地理学是一门研究人类生存空间的学科，为GIS提供了一些空间分析的方法和观点，成为GIS的理论依托。
（1）研究基础和手段
地理学研究中的空间分析理论为GIS提供了有关空间分析的基本方法，成为地理信息系统的基础理论依托；地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段。
（2）数据处理
用地学处理方法得到的数据是GIS的数据源；GIS内部数据处理（分析）功能是地理学研究的主要技术方法。
（二）地图学
地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。
计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出提供技术支持。
✓地图也是GIS的重要数据源。
✓地图是GIS发展的根源之一。
✓地图强调数据载体、符号化；GIS则注重于信息分析。
（三）计算机科学
为地理空间信息的表达、存储、处理、分析和应用提供了有利的工具。
✓数据库技术提供数据的管理、更新、查询和维护功能；
✓计算机图形学提供算法基础；
✓CAD对于辅助设计提供支持；
✓软件工程对于GIS的系统设计提供科学的方法;
✓网络技术为GIS发展成为社会信息设施的重要组成部分奠定了基础。
（四）遥感、摄影测量
✓遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源和更新途径。
✓大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，特别是GPS技术可快速、廉价地获取地表特征的数字位置信息，更具发展潜力。
✓航空航天数字立体摄影测量技术是GIS主要的地形数据来源。
六GIS的发展透视
（一）、GIS发展的科学背景
✓从古代文明到现代社会，地理工作者、测绘工作者、航海家都致力于空间数据的收集整理，制图工作者则以地图形式表示这些数据。
地图作为空间数据的载体长期为航海、军事以及现代经济建设服务。
✓20世纪60年代初，麻省理工学院首次提出计算机图形学，在此基础上出现了计算机数字地图；计算机技术开始用于地图量算、分析和制作。
✓20世纪60年代中期，由于计算机技术在自然资源、环境数据处理中的应用迅速发展，致使计算机辅助制图和空间分析等领域得到极大的发展。
最终导致地理信息系统技术的产生。
（二）、GIS的发展阶段
60年代开拓期
✓1963年，加拿大测量学家P．F．Tomlinson首先提出了“地理信息系统”这一术语，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统—加拿大地理信息系统（CGIS）；
✓美国的DuaneF．Marble，在美国西北大学研究大规模城市交通，并提出建立GIS软件系统的思想；
✓许多有关的组织和机构纷纷建立。
70年代为GIS巩固发展期
20世纪70年代，美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。
1972年出版了地理信息系统方面的第一本专著《地理数据处理》；许多大学培养GIS人才，创建了地理信息系统实验室。
这一时期，世界上发展了许多具有一定功能的地理信息系统，大约有80多种，著名的ARC/INFO即是该时期的产品；出现了大量的数据库，但这些系统的分析功能和60年代相比，并没有得到很大的扩充，而且数据库的容量一般都比较小，因此说70年代为GIS巩固阶段。
80年代为GIS技术大发展时期
20世纪80年代，计算机的迅速发展和普及，地理信息系统也逐步走向成熟。
这一时期GIS注重于空间决策支持分析，并在资源管理、环境规划、商业服务等领域得到的广泛应用。
许多国家制定了本国GIS发展规划，启动了若干科研项目。
建立了一些政府性、学术性机构。
我国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室。
软件制造商开始出现，商业化的实用地理信息系统软件陆续进入市场。
90年代为GIS的用户时代
20世纪90年代，由于计算机的软硬件均得到飞速发展，网络已进入千家万户，导致地理信息系统应用的扩大与深化。
✓GIS已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上受GIS影响而改变现有机构的运行方式、设置等；
✓社会对GIS的认识普遍提高，需求大副度增加。
如美国将GIS列入“信息高速公路”计划中，美国副总统科尔提出的“数字地球”战略也包括地理信息系统；
✓我国的“三金工程”（金卡、金桥、金网）中也包含GIS。
我国GIS的发展状况
第一阶段：
从1978年到1980年为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。
第二阶段：
从1980年到1985年为起步阶段。
这一阶段主要是对地理信息系统进行理论探索和区域性实验研究，并在此基础上制定国家地理信息系统规范。
✓从1984年开始，国家测绘局测绘科学研究所着手组建中国国土基础信息系统；
✓1985国家资源与环境信息系统实验室成立；
第三阶段：
从1985年到1995年为发展阶段。
GIS研究作为政府行为被列入国家攻关计划，并开始了有计划、有组织、有目标的科学研究。
如“七五”国家攻关项目“三北防护林遥感调查”、“黄土高原遥感调查”等都开展了地理信息系统在资源管理方面的研究。
“八五”期间国家攻关项目包括“重大自然灾害监测与评估系统”、“重点产粮区主要农作物估产”、“国家基础地理信息系统建设”。
第四阶段：
1995年至今为我国GIS产业化阶段。
强调GIS的实用化、集成化和工程化，力图使GIS从发展阶段走向实用化和生产化。
三地理信息系统发展趋势
1、3S集成技术
GIS、RS、GPS无缝集成技术，使其具有更广阔的应用前景。
2、网络GIS更加流行
万维网的发展给GIS数据在更大范围内的发布、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。
3、三维GIS更富有吸引力
vDEM地形数据和地面正射影像纹理叠加在一起，形成三维的虚拟地形景观模型。
v在虚拟地形景观模型之上将地面建筑物竖起来，形成城市三维GIS
v真三维GIS。
他不仅表达三维物体，也表达物体的内部
4.组件GIS进一步发展
GIS软件大多数都已经过渡到基于组件的体系结构，一般都采用COD/DCOM技术。
组件体系结构为GIS软件工程化开发提供了强有力的保障，也为用户的二次开发提供了良好的接口。
组件接口是二进制接口，它可以跨语言平台调用，即用C++开发的COM组件可以用VB，VC或Delphi语言调用。
5.移动GIS将会更加推广
移动GIS系统主要由移动通信、地理信息系统、定位系统和移动终端4个部分组成。
其特点包括：
移动性、动态（实时）性。
四、GIS主要商品化软件
第二章GIS数据结构
第一节地理空间及其表达
介绍地理空间概念和空间实体的表达
第二节地理空间数据及其特征
包括GIS的空间数据，空间数据的基本特征，空间数据的拓扑关系
第三节空间数据结构的类型
矢量数据结构，栅格数据结构，矢量与栅格一体化数据结构，矢量与栅格数据结构的比较
第一节地理空间及其表达
地理空间指的是地球表层，其基准是陆地表面和大洋表面，它是人类活动频繁发生的区域，是人地关系最为复杂、紧密的区域。
地理空间（Geo-spatial）一般分为：
绝对空间：
是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标组成；
相对空间：
是具有空间属性特征的实体集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。
1、地球空间模型
为了研究地理现象，有必要建立地球表面的几何模型。
根据大地测量学的研究成果，地球表面几何模型可以分为四类：
（1）地球的自然表面
（2）大地水准面
（3）椭球体模型
（4）数学模型
椭球体模型
就是以大地水准面为基准建立起来的椭球体模型。
该模型用三个轴来描述椭球体。
c：
椭球体短轴半径
a（b）：
椭球体长轴上的半径
2、地理空间（大地）坐标系
地理（大地）坐标系
地球上任意一点通常用经度和纬度来决定。
经线和纬线是地球表面上两组正交（相交为90度）的曲线，这两组正交的曲线构成的坐标，称为地理坐标系。
优点：
对空间位置的确定比较有利。
缺点：
它是一种球面坐标，难以进行距离、方向、面积等参数的计算。
笛卡儿平面直角坐标系
运用地图投影的方法建立地球表面和平面点的函数关系，使地球表面上任意一个由地理坐标确定的点，在平面上必有一个与其相对应的点。
F:
（，）→（x，y）；这里的函数关系F，即为地图投影
我国现有的三种大地坐标系
（1）1954北京坐标系：
克拉索夫斯基椭球体
参数：
a=6378388m，b=6356912m
缺点：
椭球体面与我国大地水准面不能很好的符合，产生的误差较大。
（2）1980国家大地坐标系：
国际大地测量联合于1975年提出的椭球体
参数：
a=6378160m，b=6356775m
优点：
椭球体参数精度高；参数是一个完整的系统；定位所决定的椭球体面与我国大地水准面符合的好；误差小。
（3）1985国家高程基准
二、空间实体及表达
1、空间实体及类型
空间实体：
指具有形状、属性和时序特征的空间对象，它是对存在于自然世界中地理实体的抽象。
空间实体类型
任何地理实体都可以抽象为点、线、面、体等基本类型，以表示它的位置、形状、大小、高低等特征。
以地图为例，来了解空间实体的抽象及表达
点实体
v有位置，无宽度和长度；
v抽象的点
线实体
v有长度，但无宽度和高度；
v用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多
面实体
v具有长和宽的目标，有连续面和不连续面；
v通常用来表示自然或人工的封闭多边形
体
v有长、宽、高的目标；
v通常用来表示人工或自然的三维目标，如建筑、矿体等三维目标
2、空间实体的表达（计算机）
◆矢量表达
在矢量数据结构中，地理实体的形状和位置是由一组坐标对所确定。
矢量数据结构对地理实体的描述类似于地图对地理信息的描述，一般也把地理实体分为点、线、面、体等四种，每种实体有不同的编码方法。
◆栅格表达
在栅格数据结构中，整个地理空间被规则地分为一个个小块（通常为正方形），地理实体的位置是由占据小块的横排与竖列的位置决定，小块的位置则由其横排竖列的数码决定，每个地理实体的形态是由栅格或网格中的一组点来构成。
这种数据结构和遥感图象的数据相同，因而数字遥感图象就是栅格数据结构。
矢量表达法示意（体：
TIN）
Ø把一表面表示成一系列相连接的三角形，这些三角形在一组结点（Nodes）之中，按照一定规则连接相邻结点形成的边（Edges）组成的。
Ø结点可以位于任何地方,但是结点布置得好坏,直接影响到连续面模型的精度，好的结点应位于表面形状发生显著变化的地方。
（2）栅格表达法
Ø点：
具有一定数值的删格单元
Ø线：
表现为按线特征相连接的一组单元
Ø面：
表现为按二维形状特征相连接的一组单元
第二节地理空间数据及特征
一、GIS中的空间数据分类
（一）按数据来源分类
地图数据、影像数据、文本数据
（二）按数据结构分类
矢量数据、栅格数据
（三）按数据特征分类
空间数据、属性数据
（四）按几何特征分类
点、线、面、曲面、体
（五）按数据发布形式分类
数字线画图、数字栅格图、数字高程模型、数字正射影像图
二、空间数据基本特征
下面以一幅交通图为例，来了解空间数据都有哪些特征?
v定位信息：
C1、C2、C3三条道路在不同的空间位置。
v关联关系：
主干道与次干道在结点N2处相联接，主干道的结点N1和N2相邻接，结点N2分别与三条路段C1、C2和C3相关联等，这些统称为拓扑关系；C3在C6的左边，称为方位关系；道路有一定的长度，称为度量关系。
v属性信息：
道路分别具有不同的等级
v时间特征：
随着时间的推移，道路还将发生变化。
四、空间实体的拓扑关系
、拓扑概念
拓扑学是几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性—拓扑属性。
拓扑学为空间关系的研究提供了数学方法，它研究的不是几何体的面积、周长、边长，而是将几何体抽象成点、线、面等元素，再研究其间的关系。
拓扑变换示意
拓扑属性：
在右图中，点、线和多边形之间的连接、相邻、包含等关系，无论图形如何变化，都不会改变，即不受投影关系、比例尺而变化。
非拓扑属性：
随着图形的变化，线的长度、面积等将发生变化。
2、拓扑学中的基本元素
结点（Node）：
弧段的交点，N1…N4
弧段（Arc）：
相邻两结点之间的坐标链，C1…C7
多边形（Polygon）：
由弧段组成的封闭区。
P1…P4
3、基本元素之间可能的6种关系：
点–点线–线
点–线线–面
点–面面–面
关系的性质为:
关联、相邻、包含、相交、相离、相重等关系。
4、空间实体的三种拓扑关系
拓扑关系是研究空间实体关系的数学方法，它主要包括拓扑邻接、拓扑关联及拓扑包含。
（1）拓扑邻接性
指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系，如结点与结点之间
的邻接关系，多边形与多边形的邻接关系。
（2）拓扑关联性
指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系，如结点与弧段，多边形与弧段等。
（3）拓扑包含性
指存在于空间图形的同类，但不同级的元素之间的拓扑关系，如多边形的岛。
3、拓扑空间关系研究意义
（1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。
因为拓扑数据已经清楚地反映出地理实体之间的逻辑结构关系，而且这种拓扑数据较之几何数据有更大的稳定性，即它不随地图投影而变化。
（2）利用拓扑数据有利于空间要素的查询。
例如应答像某区域与哪些区域邻接；某条河流能为哪些政区的居民提供水源；与某一湖泊邻接的土地利用类型有哪些；特别是野生生物学家可能想确定一块与湖泊相邻的土地覆盖区，用于对生物栖息环境作出评价等等，都需要利用拓扑数据。
（3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。
例如建立封闭多边形、实现道路的选取、进行最佳路径的计算等。
第三节空间数据结构的类型
一、空间数据模型与空间数据结构
有关模型的概念
（1）模型：
是对现实世界的简化表达。
（2）数据建模：
是指把现实世界的数据组织为有用且能反映真实信息的数据集的过程。
（3）数据模型：
根据一定的方案建立的数据逻辑组织方式。
数据建模过程
（1）选择一种数据模型来对现实世界的数据进行组织；
（2）选择一种数据结构来表达该数据模型；
（3）选择一种适合于记录该数据结构的文件格式。
空间数据模型与空间数据结构
空间数据模型：
是对现实世界的简化表达。
空间数据结构：
是指对空间数据进行合理的组织，以便于进行计算机处理。
数据结构是数据模型和计算机文件格式之间的中间媒介。
空间数据模型和空间数据结构之间的区别与联系：
两者之间的区别很模糊，事实上，空间数据模型是空间数据表达的概念模型，数据结构是数据表达的物理实现，后者是前者的具体实现。
研究数据模型与数据结构的意义
Ø在计算机世界中，现实世界是以各种符号形式来表达和记录的；
Ø计算机在对数字和字符及这些符号进行操作时，又将它们表示为二进制形式；
Ø基于计算机的地理信息系统不能直接作用于现实世界，必须经过对现实世界的数据描述这一步骤。
1、矢量数据结构
矢量数据结构的含义：
矢量数据结构是一种常见的图形数据结构，它用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置。
矢量数据结构的特点：
属性隐含，定位明显
矢量数据结构的类型：
按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为无简单数据结构和拓扑数据结构两大类。
1、实体数据结构
实体数据结构实质上是面向实体的一种数据组装和编码方法。
在简单数据结构中，空间数据以基本的空间对象（点、线或多边形）为单元进行单独组织，不含有拓扑关系数据，最典型的是面条（spaghetti）数据结构。
实体数据结构的主要特点
（1）数据按点、线或多边行为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。
（2）每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余和不一致。
（3）点、线和多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。
（4）岛只作为一个单个图形，没有与外界多边形的联系。
拓扑数据结构描述
在拓扑数据结构中，点是相互独立的，点连成线，线构成面。
v每条线开始于起始结点，止于终止结点，并与左右多边形相邻接；
v多边形是由弧段连接而成的。
由一条弧段组成的多边形称为岛。
不包含岛的多边形称为简单多边形，表示单连通区域。
含岛的多边形称为复合多边形，表示复连通区域。
拓扑数据结构的数据文件一般包含四个文件
Ø结点文件：
唯一标识码，关联的弧段码，坐标点（x,y）；
Ø弧段文件：
唯一标识码，起始结点，终止结点，左多边形，右多边形，指向中间点坐标的指针；
Ø多边形文件：
唯一标识码，组成多边形的弧段号
Ø弧段坐标：
唯一弧段标识码，组成弧段的坐标串；
拓扑数据结构特点
优点：
Ø一个多边形与另一个多边形之间没有空间坐标的重复，这样就消除了重复线；
Ø拓扑信息与空间坐标分别存储，有利于包含、连接、相邻等查询操作。
缺点：
Ø拓扑表在一开始时就要创建，需要时间；
Ø一些简单的操作，如图形显示等比较慢，因为图形显示需要的是空间坐标而非拓扑结构。
关于拓扑数据结构的补充
1、目前大部分GIS所存储的拓扑关系仅仅涉及空间对象的拓扑关系，如Arc/Info，DIME，TIGER，其他拓扑关系如拓扑邻接、拓扑包含可以从关联关系中导出，或通过实时空间运算得到。
2、在介绍拓扑关系时，有人将其分为全显式表达和半隐含式表达，其实质就是将以上3个拓扑关联表进行组合。
也就是说不同的GIS系统在描述拓扑关系时，以上几张表的结构可能略有不同。
3、可根据GIS系统的特殊需要，有选择地建立拓扑关系。
如以面域对象为主体的土地资源管理信息系统，可以省略表3结点拓扑文件，但对于一个交通GIS，表3则不可或缺。
3、曲面数据结构
曲面是指连续分布现象的覆盖表面，如地形、降水量、温度、磁场等要素。
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（TriangulatedlrregularNetwork）数据结构。
不规则三角网将各种来源的高程点连接成一系列无重叠的三角形。
这种基于TIN的曲面数据结构，通常用于数字地形的表示，或者按照曲面要素的实测点分布，将它们连接起来。
由于连接的原则不同，可以有多种TIN的生成方法。
最典型的是D-TIN，即Delaunay三角网。
构成不规则三角形网的基本准则
不规则三角网的自动联结（又称三角剖分）算法中，主要遵循以下两条准则：
①在所形成的三角形网格中，每个三角形的最小内角尽量大，即每个三角形尽量接近等边；
②保证最邻近的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。
在满足上述要求、而又可能建立三角网的方法中，狄洛尼D-TIN在地形拟合方面表现最为出色，因此常被用于TIN的生成。
狄洛尼Delaunay三角网的构成
Ø表面三角网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最邻近的点构成的三角形，即三角形的边长之和最小。
Ø每个不规则三角形可被视为一个平面，平面的几何特性完全由三个顶点的空间坐标值（X，Y，Z）决定。
每个三角形分别构成一个记录，每个记录的数据项包括：
Ø三角形标识码；
Ø该三角形的相邻三角形号；
Ø该三角形的顶点号
Ø三个顶点的空间坐标值；
ØZ轴一般用于表示现象的属性，例如地形高程等。
不规则三角形网的特点
这种数据结构的相邻三角形信息可以自动生成，而且利用这种相邻三角形信息，便于连续分布现象的顺序追踪和查询检索，例如对地形结构线的追踪，是非常便捷的。
利用这种数据结构，可以方便地进行地形分析，如坡度和坡向信息提取，填挖方计算，阴影和地形通视分析，等高线自动生成和三维显示等。
因此，TIN数据结构被广泛应用于各种地理信息系统，如ARC／INFO、MGE等。
栅格数据结构含义
栅格数据结构将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体。
栅格结构中空间实体的表示
Ø点：
由一个单元网格表示，其数值与近邻网格值明显不同。
Ø线段：
由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值比较一致，但与邻域的值差异较大。
Ø多边形：
由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部的网格值相同或差异较小，但与邻域网格的值差异较大。
栅格数据的精度
在栅格数据结构中，网格通常是正方形，有时也采用矩形、等边三角形和六边形等，网格边长决定了栅格数据的精度。
合理的格网尺寸：
为研究区最小图班的1/2长。
栅格数据的优点
地理要素表达比较直观，直接记录空间实体的属性值，数据存储结构简单，并容易实现多元数据的叠合操作等。
栅格数据的缺点
Ø数据冗余度大，造成存储空间的浪费
Ø像元大小的变化，对长度、面积等的度量有较大影响。
栅格结构的主要类型
Ø栅格矩阵结构
Ø游程编码结构
Ø四叉树数据结构
Ø八叉树十六叉树结构
1、栅格矩阵结构
Ø最简单的一种栅格结构，栅格数据被看作为一个距阵，逐行或逐列记录属性代码。
常用的方法是限制一个栅格只存储栅格的一种属性，并且把属性限制在0—255的整数范围内（一个字节对应一个像元）。
Ø像元顺序一般以行为序，以左上角为起点，按从左到右从上到下的顺序扫描。
栅格矩阵结构特点
Ø数据存储简单，数据无压缩，无损失。
Ø数据存储量大，如果每个像元用一个字节表示，存储空间为m（行）×n（列）×1（字节）。
2游程编码结构
游程指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将
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