地理信息系统教程 习题及参考答案 三文档资料.docx
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地理信息系统教程习题及参考答案三文档资料
地理信息系统教程习题及参考答案三
第六章空间查询与空间分析
1.什么是空间数据的查询?
空间数据的查询一般定义为从空间数据库中找出所有满足属性条件和空间约束条件的地理对象。
属性约束条件一般用带比较运算符的逻辑表达式描述，这与传统的结构查询语言SQL的where语句中条件表达式相似。
空间约束条件用带空间谓词的逻辑表达式描述，空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、分离、重叠、距离同、方向等。
因此空间查询是作用在库体上的函数，返回用户请求的内容，也属于咨询式分析。
2.查询种类有哪些?
实现方式如何?
查询种类及实现方式：
几何参数查询，包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一个面目标的周长或面积等。
实现方式：
查询属性库或空间计算
（1）空间定位查询，给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。
按点查询：
给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性（点的捕捉）。
开窗查询：
按矩形、圆、多边形查询。
分为该窗口包含和穿过的区别。
根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。
空间运算方法
（2）空间关系查询，包括相邻分析检索---通过检索拓扑关系；相关分析检索（不同要素类型之间的关系）--通过检索拓扑关系；包含关系查询；穿越查询等等。
A相邻分析检索---通过检索拓扑关系
面―面（如查询与面状地物相邻的多边形的实现方法）：
①从多边形与弧段关联表中，检索该多边形关联的所有弧段；
②从弧段关联的左右多边形表中，检索出这些弧段关联的多边形。
线―线（如与某干流A相连的所有支流）：
①从线状地物表中，查找组成A的所有弧段及关联的结点；
②从结点表中，查询与这些结点关联的弧段；
点―点（如：
A与B是否相通等）。
B相关分析检索（不同要素类型之间的关系）--通过检索拓扑关系
线―面（例如：
我国边境线总长度）
点―线（例如：
自来水GIS中，与某阀门相关的水管）
点―面（例如：
中国大于10万人口的城市个数）
C包含关系查询
查询某个面状地物所包含的空间对象。
同层包含，如，某省的下属地区，若建立有空间拓扑关系，可直接查询拓扑关系表来实现。
不同层包含，如某省的湖泊分布，没有建立拓扑，实质是叠置分析检索，通过多边形叠置分析技术，只检索出在窗口界限范围内的地理实体，窗口外的实体作裁剪处理。
D穿越查询
某公路穿越了某些县，采用空间运算的方法执行，根据一个线目标的空间坐标，计算哪些面或线与之相交。
E落入查询：
一个空间对象落入哪个空间对象之内。
?
D?
D空间运算
F缓冲区查询
根据用户给定的一个点、线、面缓冲的距离，从而形成一个缓冲区的多边形，再根据多边形检索原理，检索该缓冲区内的空间实体。
G边沿匹配检索
空间查询在多幅地图的数据文件之间进行，这时需应用边沿匹配处理技术。
（3）属性查询
l查找
仅选择一个属性表，给定一个属性值，找出对应的属性记录或图形。
在屏幕上已有一个属性表，用户任意点取记录，对应的图形以高亮显示。
实现：
执行数据库查询语言，找到满足要求的记录，得到它的目标标识，再通过目标标识在图形数据文件中找到对应的空间对象，并显示出来。
lSQL查询
Select属性项From属性表Where条件or条件and条件
实现：
交互式选择各项，输入后，系统再转换为标准的SQL，由数据库系统执行或ODBCC语言执行，得到结果，提取目标标识，在图形文件中找到空间对象，并显示。
l扩展SQL
空间数据查询语言是通过对标准SQL的扩展来形成的，即在数据库查询语言上加入空间关系查询。
为此需要增加空间数据类型（如点、线、面等）和空间操作算子（如求长度、面积、叠加等）。
在给定查询条件时也需含有空间概念，如距离、邻近、叠加等。
例如，"查询闽江流域人口大于5万的县或市"，可表示为：
SELECT*
FROM县或市
WHERE县或市.人口5万ANDCROSS（河流.名称="闽江"）
主要优点是：
保留了SQL的风格，便于熟悉SQL的用户的掌握，通用性较好，易于与关系数据库连接。
执行扩展SQL，如果要将属性和空间关系整体统一起来，从底层进行查询优化，有一定困难。
目前一般将两层分开进行查询。
（4）其它查询方法
l可视化空间查询
可视化查询是指将查询语言的元素，特别是空间关系，用直观的图形或符号表示。
查询主要使用图形、图像、图标、符号来表达概念。
优点：
具有简单、直观、易于使用。
缺点：
当空间约束条件复杂时，很难用图符描述；用二维图符表示图形之间的关系时，可能会出现歧义；难以表示"非"关系；不易进行范围（圆、矩形、多边形等）约束；无法进行屏幕定位查询等。
l超文本查询
图形、图像、字符等皆当作文本，并设置一些"热点"（HotSpot），"热点"可以是文本、键等。
用鼠标点击"热点"后，可以弹出说明信息、播放声音、完成某项工作等。
但超文本查询只能预先设置好，用户不能实时构建自己要求的各种查询。
l自然语言空间查询
在SQL查询中引入一些自然语言，如温度高的城市
SELECTnameFROMCitiesWHEREtemperatureishighSELECTnameFROMCitiesWHEREtemperature=33.75
这种查询方式只能适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系统中的通用数据库查询语言。
3.SQL对GIS有什么作用?
目前GIS的地物属性数据库大多是以传统的关系数据库为基础的，因此基于属性的GIS查询可以通过关系数据库的SQL语言进行查询。
一般来说，地物的图形数据和属性数据是分开存贮的，图形和属性之间通过目标的ID码进行关联，通过SQL语言操作可进行数据库查询。
4.如何表达查询得到的结果?
l使要素、对应的记录同步进入选择集，同时改变显示颜色。
l进入选择集的记录可以用统计图表达。
如果选择集是空的，统计图就包括该表的全体记录。
l进入选择集的记录可以分类汇总统计。
5.对空间数据进行统计分析的意义是什么?
GIS中空间数据的统计分析是指对GIS地理数据库中的专题数据进行统计分析，针对不同领域的运用提取相关的地理信息，去除一些冗余信息使其便于分析利用。
6.通过什么方法可以对空间数据进行类别划分?
分类和分级的方法很多，常用的有：
系统聚类法和最优分割分级法。
7.矢量数据的叠加有什么作用?
叠置分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一，它将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。
8.栅格数据的叠加与矢量数据的叠加有什么不同?
栅格数据叠置的直观概念就是将两幅或多幅地图重迭在一起，产生新多边形和新多边形范围内的属性。
其结果虽然数据存储量小，但是运算过程复杂。
矢量数据在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法。
其结果虽然数据存储量大，但是运算过程较简单。
9.什么是缓冲区分析?
请举例说明它有什么用途。
缓冲区分析是GIS的基本空间操作功能之一，是指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。
例如，某地区有危险品仓库，要分析一旦仓库爆炸所涉及的范围，这就需要进行点缓冲区分析；而在对野生动物栖息地的评价中，动物的活动区域往往是在距它们生存所需的水源或栖息地一定距离的范围内，为此可用面缓冲区进行分析，等等。
10.泰森多边形有什么特点?
如何建立?
泰森多边形可用于定性分析、统计分析、邻近分析等，其特性有：
l每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；
l泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；
l位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。
泰森多边形的建立步骤
建立泰森多边形算法的关键是对离散数据点合理地连成三角网，即构建Delaunay三角网。
建立泰森多边形的步骤为：
l离散点自动构建三角网，即构建Delaunay三角网。
对离散点和形成的三角形编号，记录每个三角形是由哪三个离散点构成的。
l找出与每个离散点相邻的所有三角形的编号，并记录下来。
这只要在已构建的三角网中找出具有一个相同顶点的所有三角形即可。
（见图5）
l对与每个离散点相邻的三角形按顺时针或逆时针方向排序，以便下一步连接生成泰森多边形。
排序的方法可如图5所示。
设离散点为o。
找出以o为顶点的一个三角形，设为A；取三角形A除o以外的另一顶点，设为a，则另一个顶点也可找出，即为f；则下一个三角形必然是以of为边的，即为三角形F；三角形F的另一顶点为e，则下一三角形是以oe为边的；如此重复进行，直到回到oa边。
l计算每个三角形的外接圆圆心，并记录之。
l根据每个离散点的相邻三角形，连接这些相邻三角形的外接圆圆心，即得到泰森多边形。
对于三角网边缘的泰森多边形，可作垂直平分线与图廓相交，与图廓一起构成泰森多边形。
11.图论与GIS有什么关系?
图论中的"图"并不是通常意义下的几何图形或物体的开关图，而是一个以抽象的形式来表达确定的事物，以及事物之间是不足具备某种特定关系的数学系统。
图论描述的是空间不连续但时间上连续变化的现象，是对GIS的扩展。
12.常用的网络的分析有什么?
对GIS应用有何价值?
请举几个例子说明。
常用的网络的分析有：
（1）路径分析a.最短路径分析b.最小生成树c.最小费用最大流
（2）网络上的定位与分配模型的启发式算法。
空间网络分析是GIS空间分析的重要组成部分。
其用途很广，如公交运营路线选择和紧急救援行动路线的选择等，与网络最佳路径选择有关；当估计排水系统在暴雨期间是否溢流及河流是否泛滥时，需要进行网流量分析或负荷估计等等。
13.GIS常用的空间分析模型有哪些?
空间分析模型分为以下几种类型：
1、空间分布分析模型
用于研究地理对象的空间分布特征。
主要包括：
空间分布参数的描述，如分布密度和均值、分布中心、离散度等；空间分布检验，以确定分布类型；空间聚类分析，反映分布的多中心特征并确定这些中心；趋势面分析，反映现象的空间分布趋势；空间聚合与分解，反映空间对比与趋势。
2、空间关系分析模型用于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。
包括距离、方向、连通和拓扑等四种空间关系。
其中，拓扑关系是研究得较多的关系；距离是内容最丰富的一种关系；连通用于描述基于视线的空间物体之间的通视性；方向反映物体的方位。
3、空间相关分析模型用于研究物体位置和属性集成下的关系，尤其是物体群（类）之间的关系。
在这方面，目前研究得最多的是空间统计学范畴的问题。
统计上的空间相关、覆盖分析就是考虑物体类之间相关关系的分析。
4、预测、评价与决策模型用于研究地理对象的动态发展，根据过去和现在推断未来，根据已知推测未知，运用科学知识和手段来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，用以指导行动，以获得尽可能好的实践效果。
14.DEM有哪几种常用的生成方法,它的主要优缺点是什么?
规则格网模型（主要形式,如GRID），等高线模型，不规则三角网模型（TIN），层次模型（Pyramids,金字塔）
（1）规则格网模型：
优点：
规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。
它还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为DEM最广泛使用的格式.
缺点：
格网DEM的缺点是不能准确表示地形的结构和细部格网DEM的另一个缺点是数据量过大，给数据管理带来了不方便，通常要进行压缩存储。
（2）等高线模型：
优点：
直观，便于理解；
缺点：
只表示离散的数据，不能表示连续的数值。
不便于坡度计算、地貌晕渲等。
（3）不规则三角网模型（TIN）
优点：
它既减少规则格网方法带来的数据冗余，同时在计算（如坡度）效率方面又优于纯粹基于等高线的方法。
缺点：
1）在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；2）在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；3）在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。
（4）层次模型：
层次模型的存储问题,层次的数据必然导致数据冗余；
自动搜索的效率,例如搜索一个点可能先在最粗的层次上搜索，再在更细的层次上搜索，直到找到该点。
15.地形分析有哪些主要内容及其运算模型?
坡度计算，坡向分析，曲面面积计算，地表粗糙度计算，高程及变异分析，谷脊特征分析，日照强度分析，淹没边界计算挖方和填方等。
运算模型：
坡度=arcos{2Δx*Δy/{[Δy（zi,j+1+zi,j-zi+1,j+1-zi+1,j）]2+[Δx（zi,j+zi+1,j-zi+1,j+1-zi,j+1）]2+4Δx2*Δy2}1/2}
坡向θ=tan-1（Δx*A（j）/Δy*B（j））
式中：
A（j）=z（1,j+1）+z（2,j+1）-z（1,j）-z（2,j）
B（j）=z（2,j）+z（2,j+1）-z（1,j）-z（1,j+1）
曲面面积si,j=[{Δy2（zi,j+zi,j+1-zi+1,j-zi+1,j+1）2}/4+{Δx2（zi,j+1+zi+1,j+1-zi,j-zi+1,j）2}/4+Δx2Δy2]1/2
地表粗糙度Ri,j=D=1/2?
Ozi+1,j+1+zi,j-zi,j+1-zi+1,j?
O
高程及变异分析
谷脊特征分析：
根据（zi,j-1-zi,j）（zi,j+1-zi,j）>0和（zi-1,j-zi,j）（zi+1,j-zi,j）>0来判断谷脊。
日照强度分析：
E=β*G*sinh（a*cost+b*sint+cosθ*sinh）或E=0E=0表示阴暗。
G：
太阳常数；h：
太阳高度角；t：
时角；a,b：
坡面方程系数；θ：
坡度。
淹没边界计算：
H1=H-1/2Δxtgα
H2=H+1/2Δxtgα
zi,j=1当zi,j≤H2；zi,j=0当zi,j>H216.GIS空间分析的准确度是怎样评价的?
根据数据的来源，数据的精度，所采集的数据是否全面，分析所用的算法，生成方法等来判断准确度。
17.空间分析的模型库有什么作用?
模型库是在计算机中按一定的组织结构形式存储多个模型的集合体，在模型库管理系统下得到有效的管理。
同地理数据库与地理数据库管理系统相结合构成地理数据库系统一样，模型库与模型库管理系统相结合构成模型库系统。
数学模型的一般表示形式是方程式，它反映了模型中变量之间的关系、约束条件及其目标。
在计算机中，模型是以程序形式表示的。
模型库是在计算机中按一定的组织结构形式存储多个模型的集合体，在模型库管理系统下得到有效的管理。
同地理数据库与地理数据库管理系统相结合构成地理数据库系统一样，模型库与模型库管理系统相结合构成模型库系统。
数学模型的一般表示形式是方程式，它反映了模型中变量之间的关系、约束条件及其目标。
在计算机中，模型是以程序形式表示的。
l应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带。
模型的建立虽然是数学或技术性的问题，但它必须以广泛、深入的专业研究为基础。
l应用模型是综合利用GIS应用系统中大量数据的工具。
系统中存储有数量巨大、来源不同、形式不同的数据。
它们的综合分析处理和应用，主要是通过系统中模型的使用而实现的。
l应用模型是GIS应用系统解决各种实际问题的武器。
由于应用模型是客观世界中解决各种实际问题所依赖的规律或过程的抽象或模拟。
因此能有效地帮助人们从各种因素之间找出其因果关系或者联系，促进问题的解决。
l应用模型是GIS应用系统向更高技术水平发展的基础。
模型实际上集中和验证了该应用领域中许多专家的经验和知识，无疑是一般GIS应用系统向专家系统发展的基础。
18.邻近关系属于什么空间关系?
邻近关系属于拓扑空间关系。
19.GIS中应有哪些空间关系?
1、拓扑空间关系
2、顺序空间关系：
（方向空间关系）
3、度量空间关系，主要指实体间的距离关系，远近。
20.空间数据的插值算法有什么用途?
请举例说明有几种方法?
空间数据插值是用已知点的数值来估算其他点的数值的过程。
在GIS应用中，空间插值主要用于栅格数据，估算出网格中每个单元的值。
方法：
全局方法和局部方法
全局方法：
趋势面分析、回归分析
局部方法：
泰森多边形、密度估算、反距离权重插枝、薄板样条函数法、克利金法
21.DEM有什么用途?
如何建立?
数字高程模型有许多用途，其中最重要的一些用途是：
（1）在国家数据库中存储数字地形图的高程数据；
（2）计算道理设计、其它民用和军事工程中挖填土石方量；
（3）为军事目的（武器导向系统、驾驶训练）的地表景观设计与规划（土地景观构筑）等显示地形的三维图形；
（4）越野通视情况分析（也是为了军事和土地景观规划等目的）；
（5）规划道路线路、坝址选择等；
（6）不同地面的比较和统计分析；
（7）计算坡度、坡向图，用于地貌晕渲的坡度剖面图。
帮助地貌分析，估计侵蚀和径流等；
（8）显示专题信息或将地形起伏数据与专题数据如土壤、土地利用、植被等进行组合分析；
（9）提供土地景观和景观处理模型的影像模拟所需的数据；
（10）用其它连续变化的特征代替高程后，DEM还可以表示如下方面：
通行时间和费用、人口、直观风景标志、污染状况及地下水水位等。
DEM有多种表示方法，通常所说的DEM指格网DEM和不规则三角网DEM，地形分析也基于此。
建立：
（1）格网DEM及其建立：
格网DEM是DEM的最常用的形式，其数据的组织类似于图像栅格数据，只是每个象元的值是高程值。
即格网DEM是一种高程矩阵。
其高程数据可直接由解析立体测图仪获取，也可由规则或不规则的离散数据内插产生。
离散点构格网DEM是在原始数据呈离散分布，或原有的格网DEM密度不够时需使用的方法。
其基本思路是：
选择一合理的数学模型，利用已知点上的信息求出函数的待定系数，然后求算规则格网点上的高程值。
离散点构格网DEM所采用的是内插算法，插值的方法很多，如按距离加权法、多项式内插法、样条函数内插法、多面函数法等等。
大量的实验证明，由于实际地形的非平稳性，不同的内插方法对DEM的精度并无显著影响，主要取决于原始采样点的密度和分布。
简单而常用的为线性内插法和双线性多项式内插法。
线性内插的数学模型为：
双线性多项式内插的数学模型为：
其中，x,y为平面坐标，Z为高程，a1、a2、a3、a4为待定系数。
只要将与插值点距离最近的三个点（对线性内插）或四个点（对双线性多项式内插）的坐标值和高程值代入方程，即可解出全部系数，然后用插值点的坐标带入方程，即可计算出该点的高程值。
（2）不规则三角网DEM（TIN）及其建立：
规则三角网DEM直接利用原始采样点进行地形表面的重建，由连续的相互联接的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。
所谓建立不规则三角网DEM，就是由离散数据点构建三角网，如图，即确定哪三个数据点构成一个三角形，也称为自动联接三角网。
即对于平面上n个离散点，其平面坐标为（xi，yi），i=1，2，…，n，将其中相近的三点构成最佳三角形，使每个离散点都成为三角形的顶点。
自动联接三角网的结果为所有三角形的三个顶点的标号，如：
1，2，8；2，8，3；3，8，7（见图6）。
为了获得最佳三角形，在构三角网时，应尽可能使三角形的三内角均成锐角。
其基本依据是三角形余弦定理。
22.DEM的误差存在什么不当之处?
应如何改进?
DEM的精度主要受原始数据的采集误差（采样密度、测量误差、地形类别、控制点等）和高程内插误差（内插方法、地形类型、原始数据的密度等）的影响。
数据采集误差来自原始资料误差、采点设备误差、人为误差、坐标转换误差等。
另一误差存在于高程内插过程中，因为不管采用哪种内插算法，内插点的计算高程与实际量测高程之间总存在差值。
高程内插的误差一方面和选用的数学方法（内插算法）有关，另一方面和采点的方式有关。
DEM的高程精度与采点方式密切相关，不同的采点方式对高程内插有不同的作用，一般来说，沿等高线采集稀疏高程点（或沿一定的格网或断面采集高程点）加上采集其它特征点（如山脊点、山谷点等）是一般的内插方法。
改进DEM数据精度，可以使用滤波方法提高DEM数据的质量。
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