gis原理应用考试重点.docx

1. 地理信息系统：用于采集、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机系统（一种特定而又十分重要的空间信息系统，为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统，GIS中“地理”并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统，即按地理坐标来组织空间数据）2. 地理信息系统的发展概况：国际上地理信息系统的发展阶段：（1）地理信息系统开拓期（1960s） （2）地理信息系统的巩固发展期（1970s），注重于空间地理信息的管理。 （3）地理信息系统大发展时期（1980s），注重于空间决策支持分析，最显著的特点：商业化实用系统进入市场。 （4）地理信息系统的用户时代（1990s以后），国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题。我国地理信息系统的发展：（1）准备阶段，舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。 为GIS在我国的发展奠定了理论准备基础并做了一些可行性实验。（2）试验起步阶段，1980s之后，我国GIS在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、人才培养等方面都积累了经验，取得了突破和进展。（3）发展阶段，1986年到1995年前后，我国GIS走上全面迅速发展的阶段，并发展了各有特色的GIS系统（矿山GIS等），在理论和应用研究、人才培养等方面取得了一定的成果，这一时期强调GIS的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。（4）产业化阶段，1996年以来，GIS理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WebGIS走向应用，GIS市场开始形成存在不足：GIS基础理论研究方面具有较大国际影响的原创性成果较少；国产GIS市场份额较小（尤其是国际市场）；GIS应用水平比较简单；空间数据基础设施建设不能满足需求；GIS人才培养的规范性不够；GIS产业化的软硬件环境有待完善。3. 地理空间认知模型：现实世界：存在于人们头脑之外的客观世界；概念世界：现实世界在人们头脑中的反映；数字世界：概念世界中信息的数字化. 空间认知三层模型： 概念数据模型是人们对客观事实或现象的一种认识，有时也称为语义数据模型；逻辑数据模型是根据前述的概念数据模型确定的空间数据库信息内容,具体地表达数据项、记录等之间的关系 ；物理数据模型：概念模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，是系统抽象的最底层。4. GIS中的地图投影：我国基本比例尺地形图:1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000 我国1：100万地形图采用了Lambert投影(同一投影系统的Albers) 除1：100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础。5. 空间数据的特征：空间特征，属性特征，时间特征。6. 空间概念模型的分类：1.依不同分布特征应用目标：域（场）模型，实体模型（对象模型，要素模型），要素模型的派生模型，网络模型， TIN模型； 2.依对空间数据的表达方式： 矢量数据模型，栅格数据模型。7. 元数据 来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，提供关于空间数据的信息。“关于数据的数据”，是关于数据和信息资源的描述信息，它描述数据的内容、质量、条件和其它特征，使数据充分发挥作用，在实现数据共享方面十分重要。 8. 元数据主要作用： 帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员退休或调离时，也不会失去对数据情况的了解； 提供数据生产单位数据存贮、数据分类、数据内容、数据质量等方面的信息，帮助使用者查询检索所需地理空间数据； 提供通过网络对数据进行查询检索的方法途径，以及数据交换和传输有关的辅助信息； 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断； 提供数据转换方面的信息。9. 元数据的内容：1、对数据库的描述：描述数据库中数据项、数据来源、数据所有者、数据生产历史等；2、对数据质量的描述：描述数据的精度、逻辑一致性、完整性、数据分辨率、比例尺等； 3、 对数据转换方法和处理信息的描述：描述数据的转换方法、量纲的转换等； 4、对数据更新和集成方法等的说明：如数据更新的时间、原因等。10. 元数据的获取：1）三阶段：数据收集前；数据收集中；数据收集后2） 获取方法：键盘输入，关联法；测量法；计算法，推理法11. 空间数据的坐标变换：坐标数据的变换是空间数据处理的基本内容，它是将地理实体从一个坐标系转换为另一个坐标系，以建立其间的对应关系。包括坐标系转换、投影变换、几何变换。12. 几何变换（纠正）是利用一系列控制点来建立数学模型，使一个地图坐标系统与另一个坐标系统建立联系，或者使影像坐标与地图坐标建立联系，实现数字化数据的坐标转换和图纸变形的误差纠正。 实质：建立纠正图像与参考图像之间的一一对应关系； 变换步骤：控制点函数建立逐点或网格纠正。13. 空间数据质量是空间数据在表达空间位置、专题特征以及时间这三个基本要素时，所能够达到的准确性、一致性、完整性，以及三者之间统一性的程度。14. 空间数据质量的控制方法： 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； 元数据方法 ； 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；15. 数据压缩方法：（1）间隔取点法 （2）垂距法和偏角法 （3） Douglas-Peucker方法 (P115)16. 属性数据编码：原则：系统性和科学性；一致性；标准化和通用性；简捷性；可扩展性。编码方法： 层次分类编码法：是按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，如土地利用现状分类编码。 优点：能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。 多源分类编码法：对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间没有隶属关系 。 优点：具有较大的信息载负量，有利于对空间信息的综合分析。编码内容：等级部分，分类部分， 控制部分1地理空间数据的基本特征空间特征：表示实体的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称定位特征或几何特征，一般用坐标数据表示属性特征：示实体的特征。如名称、分类、质量和数量特征等时间特征：描述实体随时间的动态变化GIS中的地理空间数据=空间特征数据+属性特征数空间特征数据=定位数据+空间关系数据属性特征数据=专题属性数据+时间数据2空间关系三种基本类型：拓扑关系、方向关系、度量关系拓扑关系：是不考虑度量和方向的空间物体之间的空间关系。邻接关系：指空间图形中同类元素之间呈邻接的关系关联关系：指空间图形中不同元素之间呈关联的关系包含关系：指空间图形中同类但不同级元素之间的包含关系拓扑（Topology）研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍然保持不变的性质。 拓扑关系的检验欧拉定理是拓扑学的一个定理，描述了一幅数字图中多边形，弧段和结点之间数目的关系。如a(arc)表示弧段数目；n(node)表示结点数目；p(polygon)表示多边形数(还包含外边界区域的图斑)。欧拉定理认为 a , n , p之间存在如下关系： c = n - a + p （c为常数2）例1：右图实线部分 n=2, a=3, p=3 c= n - a + p =2 3 + 3 = 2例2：加虚线上部分 n=3, a=5, p=4 c= 3 - 5+ 4= 2欧拉定理可用于检查点、线、面中是否存在多余或漏掉的图素空间数据拓扑关系的意义：确定地理实体间的相对空间位置，无需坐标和距离，比几何关系具有更大稳定性，不随地图投影而变化；确保数据质量和完整性；有利于空间要素的查询，多边形和多边形的叠合，强化GIS分析；可根据拓扑关系重建地理实体方向关系：地理事物在空间中的相互方位和排列顺序。基准方向通常有真子午线方向、磁子午线方向和坐标纵线方向三种度量空间关系：指空间对象之间的距离关系。表达：用数学表达式计算点、线、面等元素之间的距离。如欧几里得距离，曼哈顿距离等3矢量和栅格结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式矢量数据结构：使用点及其x、y坐标来表示具有清晰空间位置和边界的具体要素特点：定位明显，属性隐含一、简单矢量数据结构在简单数据结构中，空间数据按照以基本的空间对象(点、线或多边形)为单元进行单独组织，只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。最典型的是面条(Spaghetti)（实体式）结构二、拓扑型的矢量数据结构 包括双重独立式、链式双重独立式等；其共同特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面三、地理关系数据模型地理关系数据模型：用两个独立的系统分别存储空间和属性数据，用图形文件存储空间数据（“地理”），用关系数据库存储属性数据（“关系”）一般采用要素标识码（ID）对二者进行链接，空间和属性两部分必须同步才能进行查询、分析和数据显示四、曲面数据结构曲面是指连续分布现象的覆盖表面，具有这种覆盖表面的要素有地形、降水量、温度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(Triangulated Irregular Network)数据结构TIN的基本组成要素包括点、线和面。TIN数据结构包括三角形编号、每个毗邻三角形的编号和数据文件，数据文件列表显示点、边界以及每个高程点的x、y和z值4栅格数据模型使用规则的网格（grid）覆盖整个空间，格网中的各个像元值与其位置上的空间现象特征相对应，而且像元值的变化反映了现象的空间变异。栅格数据模型适合描述地理空间中的连续变化的空间现象，如：降水、地形高程、土壤侵蚀等。像元大小：决定了栅格数据的分辨率栅格数据结构特点：离散的量化栅格值表示空间对象，用栅格单元填满空间；位置隐含，属性明显；数据结构简单，存储方便，易与遥感数据结合；分辨率的提高和数据量之间呈平方指数关系；为了减少数据量，产生了多种压缩存储量的数据结构栅格数据结构是指栅格数据的存储方式或格式：逐个像元编码（直接栅格编码）；游程（行程）编码；块码；链码；四叉树编码游程编码分为：游程长度编码、游程终止编码游程长度编码：只在各行（或列）数据的属性发生变化时依次记录该属性以及相同属性重复的个数（sk，lk），sk栅格的属性值，lk 游程的连续长度游程终止编码：按游程终点的列数编码 （sk，lk），sk栅格的属性值，lk 游程的终止列号对于游程编码，数据的相关性越强，属性的变化越小，游程越长，压缩的比例越大，即压缩比与图像的复杂程度成反比这种编码方式适用于类型区域面积较大的专题图、遥感影像分区集中的分类图，而不适合于类型连续变化或类别区域分散的分类图。5 两种数据结构的相互转换（一）矢量向栅格的转换：实质上是将矢量图上点、线、面实体的坐标数据转为规则 确定栅格单元的大小栅格单元的大小应根据变换后的用途及存储空间等因素确定。如果变换后要与遥感影像匹配，尽量采用与影像相同的分辨率为了提高精度，栅格需要细化，但栅格细化，数据量将以平方指数递增，因此，精度和数据量是确定栅格大小的最重要的影响因素 行列数的确定矢量数据向栅格数据转换前，首先要根据研究区域的分辨率要求，确定栅格行列数（二）栅格向矢量的转换从栅格单元转换到几何图形数据的过程称为矢量化，矢量化过程要保证两点：转换物体正确的外形，保持栅格表示出的连通性与邻接性栅格转换成矢量数据比矢量数据转换成栅格数据复杂原因：矢量化过程涉及到大量栅格影像数据的预处理；矢量化的结果常需要表示出拓扑关系。三、栅矢一体化数据结构 将矢量面向目标的描述方法和栅格单元充填的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充满面状目标空间的方法作为一体化数据结构的基础一矢量数据分析缓冲区：GIS中在基本空间要素点、线、面实体周围建立的具有一定宽度的邻近区域从数据的角度看，缓冲区是给定空间对象的邻域，邻域的大小由邻域区的半径或缓冲区建立条件来决定缓冲区分析（Buffer Analysis）：是根据分析对象的点、线、面实体的缓冲区，识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某些分析或决策提供依据缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一，也是GIS中基本的空间分析工具如确定公共设施（医院、商场、学校）的服务半径，确定交通线或河流周围的特殊区域，确定街道拓宽的范围，确定放射源影响的范围等，都需要进行缓冲区分析缓冲区主要有点缓冲区、线缓冲区和面缓冲区三种类型污染对周围环境的影响呈现梯度变化，这样的缓冲区为动态缓冲区在进行空间缓冲区分析时，通常要将研究的问题抽象为以下三类因素来进行分析：（1）主体对象：主体对象主要包括点、线、面对象（2）邻近对象：指受主体对象影响的客体（3）对象的作用条件：表示主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度案例3、道路通达度 道路通达度随离道路中心线距离迅速衰减，故选指数模型来表示。A道路的最大影响距离d0为500m，在不同距离位置的di的影响由Fi=f0(1- ri)求得 这里取di为100m、200m、300m、400m、500m分别求得Fi值，从而可根据di划出缓冲区，并赋予属性值Fi 最后输出道路通达度图2空间叠置分析（Spatial Overlay Analysis）：又称叠加分析，在统一空间参照系统的条件下，将两层或多层地图要素进行叠合产生一个新要素层的操作，其结果将原来要素分割成新的要素，新要素综合了原来两层或多层要素所具有的属性叠置分析不仅生成了新的空间关系，还将输入数据层的属性联系起来产生了新的属性关系用于叠置分析的图层必须经过空间配准，即具有相同的坐标系统如已知一湖泊，要求在它周围5000m内必需禁止任何污染性工业企业存在，在它周围500m内必需禁止建筑任何永久性建筑物实现方法（1）先建立缓冲区（2）同现有污染性工业企业图叠置，显示在范围内应禁止的污染性工业企业（3）同现有永久性建筑物图叠置，显示在范围内应禁止的永久性建筑物二空间网络分析空间网络分析（Spitial network analysis）是GIS空间分析的重要组成部分网络：一个由点、线的二元关系构成的系统，用来描述某种资源或物质在空间上的运动网络分析的基本方法：（一）路径分析（path analysis)最著名的最短路径搜索算法是1959年提出的Dijkstra（迪杰斯特拉）算法Dijkstra算法：为了求出最短路径，首先需要计算网络任意两点间的距离，并形成nn阶距离矩阵或权矩阵WWij DijKstra算法是一种对结点不断进行标号的算法。每次标号一个结点，标号的值即为从给定起点到该点的最短路径长度设定K表示待确定最短路径的起点，L表示终点，则最短路径搜索的步骤如下1. 令起点K标号为零，其他结点标号为2. 对未被定标的结点全部给出暂时标号，其值为minj的旧标号，(i的旧标号+wij)，这里i是前一步刚被标定的结点，wij是边eij的权，如果结点i和j不相邻接，wij=3. 找出所有暂时标号的最小值，作为相应结点的固定标号。如果存在几个有同一最小标号值的结点，则可任取一个加以定标 4. 重复进行(2)与(3)，直至指定的终点L被定标时为止（二）选址选址功能涉及在某一指定区域内选择服务性设施的位置。选址问题一般限定设施必须位于某个结点或位于某条网线上，或者限定在若干候选地点中选择位置三数字地面模型分析 DTM (Digital Terrain Model)数字地面模型描述地球表面多种信息空间分布的有序数值阵列，是定义在某一区域D上的m维向量有限序列V。向量V的分量为地形上的资源、环境、人口分布等地面特征信息的定量或定性描述。这些非地形特征信息与地形信息结合在一起，构成DTM DEM(Digital Elevation Model)数字高程模型当DTM模型中数字属性为高程时称DEM模型，即数字高程模型 DEM模型是DTM模型的一种特例DEM数据源的种类：1）数字化采集；2）以数字线划图为数据源；3）野外实地采集；4）以航空或航天遥感图像为数据源影响DEM精度的主要因素是原始数据的获取，其中主要包括：数据采集的密度；数据采集位置（选点）3. DEM数据采集的原则 采集前根据建立DEM模型的精度要求确立合理的取样密度，如对单调地形可均匀采集，密度不必过大 地形变化处采用密集采样，确保地形转折处的数据如山谷线，山脊线，谷缘线，崖线，山坡转折线等 不应出现大的空白区，即使大片平坦地区也应有最低的采集密度1. 可视化：指利用计算机图形图象技术，将复杂的科学现象，自然景观及一些抽象的概念图形化的过程。 可视化目的：便于人们理解现象，发现规律和传播知识。2. 空间信息可视化是指利用地图学、计算机图形图象技术，将地学信息输入、处理、查询、分析数据，采用图形、图像，结合图表、文字、报表，以可视化形式，实现交互处理和显示的理论、技术和方法。空间信息可视化是科学计