地理信息系统概论讲义.doc

第一章 绪论1.GIS：是一门学科，用以描述一切与地理（广义的地理概念）相关的内容，GIS集空间数据采集、存储、管理和分析于一体，是由计算机科学、测绘科学、遥感技术、信息科学、管理科学和应用学科组成的新兴交叉边缘学科。l GIS is a System of computer software, hardware and data, and personnel to help manipulate, analyze and present information that is tied to a spatial location2.信息：是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。3.信息的特点：信息的客观性 信息的适用性 信息的传输性 信息的共享性4.地理空间实体与现象的三大基本要素： 空间位置数据 属性数据 时域数据5.地理数据：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。 6地理信息：是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。 从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。7.地理信息的特点：空间分布性； 具有多维结构的特征； 时序特征十分明显；具有丰富的信息。8.信息系统的基本功能：数据采集、管理、分析与表达9.地理信息系统的特点：a.具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；b.由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；c.计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。10. 地理信息系统按其内容分为三大类：专题地理信息系统 区域地理信息系统 地理信息系统工具11.地理信息系统的主要功能，是回答下面的问题：a.位置：某个特定的位置有什么，几何查属性b.条件：满足给定条件的地理对象分布，属性查位置c.趋势：在某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程 d.模式：空间对象的分布模式问题，揭示空间对象的空间关系e.模型（Model）与模拟（simulation：解决问题方案，基于模型主要功能的具体描述：(1) 数据采集与输入 空间数据与属性数据(2) 空间数据分析与处理 空间数据管理、拓扑关系与制图综合 、地图提取、图幅管理及空间数据处理、缓冲区生成，多边形重叠和消除 、数字地形分析 、格网分析与量测计算 、自动制图 (3) 数据输出12.地理信息系统的应用： 所谓地理信息系统的应用就是人们应用GIS对地球表层人文经济和自然资源及环境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系 和空间过程的演变规律，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展 服务。 地理信息系统的具体应用： 资源管理 区域和城乡规划 灾害监测 环境评估 作战指挥 交通运输 宏观决策 13.地理信息系统的应用领域:测绘与地图制图 资源调查与管理 城乡规划 灾害监测 环境保护 国防 宏观决策支持 第二章 地球空间与空间数据基础1.数字地球：指以地球为对象，以地理坐标为依据、具有多分辨率、海量数据和多种数据的融合，并可用多媒体和虚拟技术进行多维的（立体的和动态的）表达、具有空间化、数字化、网络化、智能化、和可视化特征的技术系统。形象地说，数字地球是指整个地球经数字化之后用计算机网络系统来管理的技术系统。 核心思想是用数字化的手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源。2.数字地球的另一个概念：数字地球是以遥感技术、遥测技术、数据库、地理信息系统技术、高速计算机网络技术以及虚拟技术为核心的信息技术系统。核心技术 ：u 计算科学（Computational Science） u 海量存储（Mass Storage） u 卫星图象（Satellite Image） u 宽带网络（Broadband Networks） u 互操作（Interoperability） u 元数据（ Metadata ） 3.数字地球的技术体系：（了解） （1）标准规范：主要包括开放地理数据互操作标准；空间数据交换标准；Metadata标准等。（2）数据快速获取：主要包括多分辨率遥感技术、遥测技术、全球定位系统和其他技术。（3）海量存储：包括先进的存储介质、分布式数据库等。（4）空间数据交换网络：主要包括数据交换中心、数据仓库和数字图书馆等。（5）应用模型：包括各种专业模型、数学物理模型、仿真及虚拟现实模型等。（6）用户：包括国家、地方政府、企业、公用事业、学术研究、教育和社会大众。4.数字中国：数字中国是指数字化的中国，或信息化的中国，即以整个中国作为对象的数字地球技术系统实践，或虚拟中国。 5.数字城市：在城市规划、建设与运营管理以及城市生产和生活中，充分利用数字化信息处理技术和网络通讯技术，将城市的各种资料和环境信息加以整合和充分利用，为调控、监管、预测城市提供现代化手段，为城市规划、建设、管理及生活娱乐服务。 6.地理系统：地理系统主要涉及地球表层空间，简称地理空间。地理空间是行星地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。7.地理空间：地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。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值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体集合，它由不同实体之间的空间关系构成。地理空间实体除了空间位置特征之外，另外三个基本特征是属性特征、时间特征和空间关系。 8.大地水准面：是由静止海水面并向大陆延伸与平均海水面吻合的面。9.地理空间的认知模型：a、基于对象的模型整个地理空间看成一个空域，地理实体和现象作为独立的对象分布在该空域中。按空间特征分为点、线、面三种基本对象 及拓扑关系。每个对象都有自己的属性。b、基于网络的模型 在地理空间中，通过无数“通道”互相连接的一组地理空间位置 ，也可以看成基于对象的模型，它是由点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的。c、基于域（场）的模型 把地理空间中的事物作为连续的变量或体来看待。10.大地坐标系：大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标系。11.投影：指建立两个点集之间一一对应的映射关系。 地图投影：指建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应的关系。12.地图投影的原因（为什么要进行地图投影）l 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影l 地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算l 地球椭球体为不可展曲面l 地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析我国GIS中常用的地图投影配置与计算l 1：100万：兰勃投影（正轴等积割圆锥投影）l 大部分分省图、大多数同级比例尺也采用兰勃投影l 1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1:1万、1：5000采用高斯克吕格投影。13.地图投影的变形长度变形面积变形角度变形14.地图投影分类（了解）a.按变形性质：等角投影 等积投影 任意投影b.根据投影面与球面的相关位置正轴切圆锥投影 正轴割圆锥投影横轴切圆锥投影 横轴割圆锥投影横轴切圆柱投影 横方位投影正轴割圆柱投影 斜轴切圆柱投影斜轴切圆锥投影 正轴切圆柱投影正方位投影 斜方位投影c. 根据投影所依据的方法透视-几何投影 几何-解析投影 解析投影 15.地图投影选择因素：l 制图区域的地理位置、形状和范围l 制图比例尺l 地图内容l 出版方式16.高斯-克吕格投影：是一种横轴等角切椭圆柱投影。（P34）特点：投影的中央经线和地球赤道投影相互垂直且为投影的对称轴线；为等角投影，即角度没有变形；中央经线上没有长度变形，其余经线长度比均大于1，距中央经线愈远长度变形和面积变形愈大。 （按经差分带）高斯克吕格投影的变形特征是：在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快。在6度带范围内，长度最大变形不超过0.14% 1：50万、1：20万、1：10万地形图的编号 l 一幅1：100万地图划分四幅1：50万地图，分别用甲、乙、丙、丁表示，其编号是在1：100万地形图的编号后加上它本身的序号，如J-50-乙。l 一幅1：100万地图划36幅1：20万地图，分别用带括号的数字（1）（36）表示，其编号是在1：100万地形图的编号后加上它本身的序号，如J-50-（28）。l 一幅1：100万地图划分144幅1：10万地图，分别用数字1144表示，其编号是在1：100万地形图的编号后加上它本身的序号，如J-50-32。1：5万、1：2.5万、1：1万地形图的编号 l 以1：10万地形图的编号为基础，将一幅1：10万地图划分四幅1：5万地图，分别用甲、乙、丙、丁表示，其编号是在1：10万地形图的编号后加上它本身的序号，如J-50-32-甲。再将一幅1：5万地图划分四幅1：2.5万地形图，分别用1、2、3、4表示，其编号是在1：5万地形图的编号后加上它本身的序号，如J-50-32-甲-1。l 1：1万地形图的编号，是以一幅1：10万地形图划分为64幅1：1万地形图，分别以带括号的（1）（64）表示，其编号是在1：10万图号后加上1：1万地图的序号，如J-50-32-（10）。l 一幅1：1万地形图划分为4幅1：5000地形图，分别用小写拉丁字母a、b、c、d表示，其编号是在1：1万图号后加上它本身的序号，如J-50-32-（10）-a。17.实体：地理信息系统中以“空间实体”作为描述、反映空间对象的单体。所谓“实体”（又称为空间对象）是指自然界、自然现象和社会经济事件中不能再分割的单元。“实体”是一个概括性的、复杂的、具有相对意义的概念或术语。 实体的特征：可分为空间特征、也称几何特性、非空间特征也称属性特征，以及时间（态）特征。18.空间对象（实体）分类：空间对象一般按地形维数进行归类划分0 点或节点：零维（有位置，无宽度和长度，抽象的点）0 线或折线：一维（有长度，但无宽度和高度，度量实体距离）0 面或多边形：二维（具有长和宽的目标，一般分为连续面和不连续面）0 体：三维（有长，宽，高的目标，通常用来表示人工或自然地三维目标）0 时间：通常以第四维表达，但目前GIS还很难处理时间属性。19.空间实体的三大特征：空间特征 时间特征 属性特征20.GIS实体数据的特点：l 以统一的坐标系统进行空间定位。l 空间数据与非空间数据是相互结合的整体。l 图形数据与图象数据形式，或者说矢量数据方式与栅格数据方式是并存或叠合的。l 实体数据间存在着复杂的关系。l 实体数据具有时效性，即周期性和时间性。21.空间数据的拓扑关系： 邻接相交重合相离包含点点点线点面线面面面线线22.空间对象的基本拓扑关系：（拓扑元素：点 线 面）关联：不同拓扑元素之间的关系 邻接：相同拓扑元素之间的关系 包含：面与其他元素之间的关系(结合实际图形)结点与弧段的拓扑关系结点弧段N1L1，L3，L5N2L1，L4，L2N3L4，L5，L6N4L2，L6，L3N5L7弧段结点L1N1，N2L2N2，N4L3N4，N1L4N2，N3L5N3，N1L6N3，N4L7N5，N5弧段与结点的拓扑关系面域与弧段的拓扑关系面域弧段P1L1，L2，L3，-L7P2L2，L4，L6P3L3，L6，L5P4L7N1N2N3N4N5L1L2L3L4L5L6L7P1P2P3P4弧段与面域的拓扑关系弧段左邻面右邻面L1P0P1L2P2P1L3P3P1L4P0P2L5P0P3L6P3P2L7P1P423.拓扑关系的定义：指图形在保持连续状态下的变形，但图形关系不变的性质。空间对象的空间关系表达0 描述空间对象之间的空间相互作用关系0 方法q 绝对关系: 坐标、角度、方位、距离等；q 相对关系：相邻、包含、关联等0 相对关系类型q 拓扑空间关系：描述空间对象的相邻、包含等q 顺序空间关系：描述空间对象在空间上的排列次序，如前后、左右、东、西、南、北等。q 度量空间关系：描述空间对象之间的距离等。空间对象的拓扑空间关系0 基于点集拓扑理论0 拓扑元素：q 点：孤立点、线的端点、面的首尾点、链的连接点q 线：两结点之间的有序弧段，包括链、弧段和线段q 面：若干弧段组成的多边形0 基本拓扑关系q 关联：不同拓扑元素之间的关系q 邻接：相同拓扑元素之间的关系q 包含：面与其他元素之间的关系24.拓扑关系对数据处理和空间分析具有重要的意义 l 清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随地图投影而变化。l 有利于空间要素的查询，例如，某条铁路通过哪些地区，某县与哪些县邻接。又如分析某河流能为哪些地区的居民提供水源，某湖泊周围的土地类型及对生物、栖息环境作出评价等。l 可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。25.空间尺度：是指研究者选择观察世界的窗口（地理或观测尺度：是指研究的区域大小或空间范围。）空间尺度的概念和表达方式：地理或观测尺度，空间分辨率，空间分辨率，比例尺 26.元数据：目前，元数据没有一个确切公认的定义，一般都认为元数据是“关于数据的数据”，是对空间数据的说明和描述。27使用元数据的目的：促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程（CASE）服务。 28.元数据的作用：l 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；l 提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；l 提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息；l 帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作为正确的判断；l 提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。 29.元数据的内容：l 对数据库的描述；l 对数据库中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明；l 对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等；l 对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；l 对数据转换方法的描述；l 对数据库的更新、集成方法等的说明。 空间数据：是用于确定具有自然特征或者人工建筑特征的地理实体的地理位置、属性及其边界的信息；空间数据元数据： 指对于这些空间数据的描述或说明 类型、对象、点、线、线段30.GIS中使用元数据的原因：l 完整性（completeness）l 可扩展性（extensibility）l 特殊化（specialization）l 安全性（safety）l 查错功能（debugging）l 浏览功能（browsing）l 程序生成（program generation） 31.空间元数据的应用： 帮助用户获取数据 空间数据质量控制 在数据集成中的应用 数据存储和功能实现第三章 空间数据模型与数据结构1.数据模型：是对客观实体及其关系的认识和数学描述。目的：揭示客观实体的本质特征，并对它进行抽象化表达，使之转化为计算机能够接收、处理的数据2.空间数据结构：是数据本身的组织形式，指适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构形式。3.数据建模：把现实世界的客观事物组织成为有用且能反映真实信息的数据集的过程。 4.计算机对数据的管理经历了三个阶段：人工管理阶段 文件管理阶段 数据库管理阶段 5地理信息系统数据库：（或称为空间数据库）是某区域内关于一定地理空间要素特征的数据集合，与一般数据库相比，空间数据库具有以下特点：n 数据量特别大。GIS是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置及其关系，其数据量往往很大。n 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，并且这两类数据之间具有不可分割的联系。n 数据的应用广泛。，如资源开发和保护、地理研究、环境保护、土地利用与规划、城市规划、建设和管理、道路建设、海洋开发等。 关系模型（relational model）满足一定条件的二维表格层次模型（hierarchical model）以记录类型为节点的有向树（tree），其主要特征是： （1）除根节点外，任何节点都有且只有一个“父亲”；（2）“父”节点表示的实体与“子”节点表示的实体是一对多的联系。网状模型（network model）特点：1）可以有一个以上的结点没有“父”结点； 2）至少有一个结点有多于一个“父”结点 3）结点之间可以有多种联系； 4）可以存在回路6.三种空间数据库模型：（P52-P55）v a.层次数据库模型：（以记录类型为节点的有向树（tree），其主要特征是： （1）除根节点外，任何节点都有且只有一个“父亲”；（2）“父”节点表示的实体与“子”节点表示的实体是一对多的联系。）优点：0 存取方便且速度快；0 结构清晰，容易理解；0 数据修改和数据库扩展容易实现；0 检索关键属性十分方便；缺陷：0 结构呆板，缺乏灵活性；0 难以进行反向查询，数据的更新涉及许多指针，插入和删除操作也比较复杂； 0 同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）；0 不适合于拓扑空间数据的组织,数据独立性较差 。b.网络数据库模型：（网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式 ）优点： 能明确而方便地表示数据间的复杂关系 数据冗余小缺陷： 网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。 需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大 数据的修改不方便（指针必须修改）c.关系数据库模型（关系数据库模型是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。）优点：l 能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相互间的关系，使用与维护也很方便。l 关系模型具有严密的数学基础和操作代数基础 l 结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求l 数据间的关系具有对称性缺陷：l 实现效率不够高。 l 描述对象语义的能力较弱。 l 不适合于管理复杂对象的要求，它不允许嵌套元组和嵌套关系存在。模拟和操纵复杂对象的能力较弱。 l 模型的可扩充性较差。 7. 传统数据库系统管理地理空间数据局限性：（了解）l 传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和符号；而地理信息数据往往是连续的，并且具有很强的空间相关性。l 传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系（如拓扑关系）。l 传统数据库系统存储的数据通常为等长记录的数据；而地理空间数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定，具有变长记录并且数据项也可能很大，很复杂。l 传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠加等。8. 空间数据库：是一种应用于地理空间数据处理与信息分析领域的具有工程性质的数据库，它所管理的对象主要是地理空间数据（包括空间数据和非空间数据）。9.空间数据库的结构模型：a.混合数据模型 （文件管理）b.扩展结构模型（全关系数据库）c.综合数据模型（扩展关系数据库）d.面向对象数据模型10.空间数据模型：（表征现实世界中空间实体及其相互联系的一种概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本思想和方法）了解a.三维空间数据模型：关键思想和方法之一是三维空间的数据模型和数据结构。（趋势：采用三维矢量模型和体元模型）b.时空数据模型：核心思想是如何有效地记录、表达和管理客观实体及其关系随时间不断发生的变化，即动态过程。c.分布式空间数据模型：分布式空间数据库管理系统和联邦空间数据库11.基本的空间数据模型： a.栅格模型：定义：栅格数据结构就是像元（Pixel）阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只能存在一个值。 优点与不足：栅格数据模型的一个优点是不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要经过复杂的几何计算，但对于一些变换、运算，如比例尺变换、投影变换等则操作不太方便。 补充解释：点：为一个像元线：在一定方向上连接成串的相邻像元集合。面：聚集在一起的相邻像元集合。 栅格的空间分辨率是指一个像元在地面所代表的实际面积大小。 b.矢量模型： 在矢量模型中，空间实体是由点、线和面等原型实体及其集合来表示 。 优点与不足：优点：适于表达图形对象特征，精度高。缺点：存储与图形叠加运算复杂 补充解释：点 可以被表示成一组坐标(x，y)线 则被表示为多组坐标组合(xl，y1);(x2，y2);(xn，yn)多边形 也可表示为多组坐标组合，由于多边形由首尾相连的线所组成，所以其起、止点的坐标相同(xl，y1);(x2，y2);(xn，yn); (xl，y1) c.不规则三角网模型：12.空间数据结构：指空间数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。13.数据编码：是为实现空间数据的计算机存贮、处理和管理，将空间实体按一定的数据结构转换为适合于计算机操作的过程。 14.矢量数据结构及其编码： a.基本内容：（矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置） 点实体：包括由单独一对（x,y）坐标定位的一切地理或制图实体。 线实体：可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对以上的（x,y）坐标定义，最简单的线实体只存储它的起始点坐标，属性，显示符等相关数据。 面实体：多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。 b.方式：（P67-70，要知道具体操作，得自己看书） 实体式：是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。 只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系。 优点：编码容易，数字化操作简单，数据编排直观 缺点：相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出地公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。 索引式：索引式数据结构采用树状索引，以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。 优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余与不一致，拓扑关系可以从索引文件获得。 缺点：空间分析困难，编码表需人工建立。 双重独立式：（DIME）以城市街道为编码的主体。其特点是采用了拓 扑编码结构，这种结构最适合于城市信息系统。其中街道与河流为线状要素，弯曲线段则由一系列直线段表示。 链状双重独立式：是DIME数据结构的一种改进。在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。补充：在链状双重独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。c.矢量数据结构的特点：l 用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含l 用拓扑关系描述空间对象之间的关系l 面向目标操作，精度高，数据冗余度小l 与遥感等图象数据难以结合l 输出图形质量高，精度高15栅格数据结构及其编码： a.栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征b.栅格结构的建立【栅格代码确定的三种方法P72】（P71-73） c.栅格结构的编码方法：（P73-78）直接栅格编码：将栅格看作一个数据矩阵，逐行逐个记录代码数据。 行程编码：又称为游程长度编码，将原图只表示属性的数据阵列变成数据对（si，li），其中si为属性值，li表示行程。 链式编码：它将线状地物或区域边界表示为：由某一起始点和在某些基本方向上的单位矢量链组成。单位矢量的长度为一个栅格单元，每个后续点可能位于其前继点的8个基本方向之一。优点：可以有效地压缩栅格数据，特别是对计算面积、长度、转折方向和凹凸度等运算十分方便。缺点：是对边界做合并和插入等修改，编辑比较困难。这种编码有些类似矢量结构，不具有区域的性质，因此对区域空间分析运算比较困难。块式编码：采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。 四叉树编码：四叉树又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，四叉树将整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。 分割的原则：将一幅栅格地图或图象等分为四部分。逐块检查其格网属性值（或灰度）。如果某个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分割成四个子区。这样递次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。 这四个等分区称为四个子象限，按顺序为左上（NW）、右上（NE）、左下（SW）、右下（SE）。用一个树结构表示 。16.栅格数据结构与矢量数据结构的比较： 矢量数据： 优点：表示地理数据的精度较高严密的数据结构，数据量小完整的描述空间关系图形输出精确美观图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现面向目标，不仅能表达属性，而且能方便的记录每个目标的具体属性信息 缺点：数据结构复杂矢量叠置较为复杂数学模拟比较困难技术复杂，特别是软硬件栅格数据： 优点：数据结构简单空间数据的叠置和组合方便各类空间分析很易于进行数学模拟方便 缺点：图形数据量大用大像元减少数据量时，精度和信息量受损地图输出不美观难以建立网络连接关系投影变换比较费时17.矢量数据与栅格数据的相互转换：第四章 地理信息系统数据采集与处理1.这里讲的数据采集是对已有数据（二手数据）的采集，主要任务为：将现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图片数据、文本资料等转换成GIS可以接受的数字形式。数据组织是对采集后的数据进行检校与编辑，主要任务为：v 数据库入库之前进行验证、修改、编辑等处理，保证数据在内容和逻辑上的一致性。v 不同的数据来源要用到不同的设备和方法。v 数据的转换装载。属性(Attribute)数据：空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。属性数据的输入：属性是描述地理实体的社会、经济或其它专题数据。其表达方式是字符串、各种代码或统计数值等。属性数据是对地理实体的详细描述，在GIS数据中占有很大比重，是GIS处理的主要对象， 它为管理、规划与决策提供充分的参考信息。属性数据的存在方式：直接记录在栅格或矢量数据文件中；单独在数据库中存储；2.GIS数据的检核和编辑的目的：消除数据输入过程中引入的错误和误差 数据的不完整或重复 点位不正确 比例尺不正确 变形 图属连接错误 面域不封闭 区域中心识别码的遗漏 结点代码和区域代码不能符合拓扑一致性 属性的不完整和错误分类 错误编码和误输入3.数据检核的方法： 目视检核 机器检核 图形叠合比较法 属性数据检核4.拓扑关系的建立（了解）a多边形拓扑关系的建立 多边形拓扑关系的表达需要描述以下实体之间的关系： 多边形的组成弧段； 弧段左右两侧的多边形，弧段两端的节点； 节点相连的弧段。 多边形拓扑的建立过程实际上就是确定上述的关系。具体的拓扑建立过程与数据结构有关，但是其基本原理是一致的。 多边形的自动生成关键步骤 搜索每个多边形所需的起始弧段的确立； 形成多边形的搜索方法； 对多边形内岛的处理；b. 网络拓扑关系建立与多边形拓扑关系建立相似，只需建立接点与弧段的拓扑关系，并不需要建立多边形。但是在一些特殊情况下，两条相互交叉的弧段在交点处不一定需要结点，如道路交通中的立体交叉道路，在平面上相交，但实际上不连通，这时需要手工修改，删除在交叉点处产生的结点 5空间数据的处理： a.图幅数据几何纠正： x/abxPy/yoo/令， x=A1x+A2y+ay=B1x+B2y+b b.地图投影变换：正解变换：建立由一种投影到另一种投影的严密或近似的解析关系式反解变换：由一种投影坐标反解出地理坐标（经度和纬度），再把地理坐标 代入另一种投影坐标计算公式中进行计算数值变换：根据两种投影在变换区内的若干同名数字化点，建立变换公式投影A（x，y）投影B（X，Y）正解变换：解析函数关系X=f (x , y) ，Y=g( x , y )反解变换：经纬度B=f (x , y) , L=g( x , y )X=F(B, L) , Y=G( B, L)数值变换：数学方法 c.空间数据压缩处理： 栅格数据采用合适的分辨率和不同的编码方法 矢量数据减少弧段矢量坐标串中顶点的个数 间隔取点法 l 段由顶点序列Pl，P2PR构成，给定反映其坐标值的两数组：(xl，x2 xR)和(y1，y2yR)，则任意两点间的距离为l 并给定临界距离D临。首先，保留弧段的始点P1，该点为弧段的起结点，然后计算P2点与P1点之间的距离D21，若D21D临，则保留第P2点，否则舍去P2点。 垂距法 计算中间点到其相邻两点连线的垂直距离。其具体算法见右图。首先，依次取相邻的三个点并给出化简的阈值t；其次，连接第一点P1。和第三点P3形成一条直线，然后计算中间点P2。到直线的垂直距离d。如果dt，那么点P2作为化简线划的特征点予以保留；反之，如果da，则点P2作为特征点保留；如果aa，则舍掉P2，依次取相邻三点，分别验证点P3,P4,是需保留还是需舍去，直至线划上所有点都验证完毕为止。 DouglasPeucker方法具体化简步骤如下： 连接线划的首末端点，此两点确定一条直线。 计算线划上除首末点以外所有中间点到直线的垂直距离，并找出其中最大者。 将中计算出的最大距离与阉值进行比较，若小于阈值，则所有中间点均舍去；反之，保留具有最大距离的线划上的点，并以此点为基准将整条线划一分为二。 将化简线划的两个部分的首末点分别连线，重复 两个步骤，直至再没有多余的点可被舍去为止。 d.图幅的拼接：相邻图幅的空间数据在逻辑和几何上连接成一个连续一致的数据体的处理。具体步骤: 逻辑一致性的处理; 识别和检索相邻图幅; 相邻图幅边界点坐标数据的匹配; 相同属性多边形公共边界的删除。e.区域的分割：用户以给定的空间范围（窗口），进行空间数据的提取，包括提取窗口内的空间实体及其属性。l 点要素层的开窗裁剪点要素层中各实体本身没有大小和面积，只有实际坐标及其属性。因此点要素层的开窗裁剪较简单。设窗口的左下角和右上角坐标分别为（xmin，ymin）和（xmax，ymax），任意点P的坐标为（xP，yP），显然只要下式成立：xminxPxmin，且xminyPymax，则P点在窗口内，该点所有数据予以保留，否则舍去。l 线状要素的开窗裁剪 线状要素是由弧段坐标序列表示的，实际上是有序线段组成的折线 Sutherland-Cohen算法 将空间依据窗口的方位划分为9个子区，并用一个4位码来表示线段端点位于哪个区中。编码顺序从右向左，4位编码中每个位对应线段端点的定义是：u 1位为“1”，表示点在左边框wx左的左边，u 第2位为1，表示点在右边框wx右的右边；u 第3位为“1”，表示点在下底边wy下的下边；u 第4位为“1”，表示点在上顶边wy上的上边；u 否则，相应位置上为“0”。100101000110001010101000000101010000wx左wx右wy上wy下如果线段的两个端点的4位码都是“0”，则两端点都在窗内，线段完全可见，接受此线段；如果两端点码对应位的逻辑“与”不为“0”，则整条线位于窗口的同一侧，线段完全不可见，舍去该线段；当两端点码不都是“0”，但各位的逻辑“与”都为“0”时，则线段可能部分可见，也可能完全不可见，此时，总存在着一个端点(设为P1)在窗口外，并由它的端点码知它处于哪一侧；进行该线段的裁剪，则要进行线段与窗口边界交点的计算。 设线段的两个端点为Pl(x1，y1)和P2(x2，y2)，过此两点建立直线方程:，窗左边 窗右边 窗上边 窗下边 l 面状要素(多边形)的开窗裁剪f.空间数据格式转换：空间定位信息、空间关系、属性数据的转换通过两个系统之间的外部数据交换文件进行通过标准格式进行两个系统间的数据交换通过Open GIS的空间数据交换g.空间数据的更新：空间实体更新的方法：若变化程度不大，则直接使用图形编辑的方法进行；若变化区域面积大，则可采用下列方法和步骤： (1)重新数字化已变化区域的空间实体； (2)显示整个区域的空间实体，对变化区域作多边形裁剪处理； (3)对以上两种空间实体进行叠加处理。不论哪种方法，均需重新建立空间实体的拓扑关系以及空间数据与属性数据的一一对应关系。 属性数据的更新 直接利用属性数据库管理模块提供的功能6.空间数据索引：就是指依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据文件，其中包含空间实体的概要信息。如实体的标识符、外接矩形及指向空间实体的指针。l 常见的空间索引一般采取自顶而下、逐级划分空间的方式来建立，比较有代表性的是实体范围索引、格网索引、四叉树、BSP树、KDB树、R树、R+树和CELL树索引等。参见书本（P121-125）a. 实体范围索引b. 格网索引：c. 四叉树空间索引d. R树与R+树空间索引e. CELL 树空间索引7.3S技术： GPS主要用于实时、快速提供目标、各类传感器和运载平台(车、船、飞机、卫星等)的空间位置；RS用于实时或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面的各种变化，及时地对GIS的空间数据进行更新；GIS则是对多种来源的时空数据综合处理、动态存贮、集成管理、分析加工，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。8.3S集成的概念：指的是一种有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。9. 3S技术集成中的理论和关键技术：（了解）l 3S集成系统的时空定位l 3S集成系统的一体化数据管理l 语义和非语义信息自动提取的理论与方法l 基于GIS的航空、航天遥感影像的全数字化智能系统及对GIS数据库快速更新的理论与方法l 3S集成系统中的数据传输与交换l 3S集成系统中的可视化理论与技术l 3S集成系统的设计方法及CASE工具的研究3S集成系统中基于Client/Server的分布式网络集成环境10.空间数据质量：是指数据对特定用途的分析和操作的适用程度。 补充：误差：表示数据与其真值之间的差异准确值： 一个记录值(测量或观察值)与它的真实值之间的接近程度 比例尺：地图上两个点间图面距离和它所表现的真实世界的距离之间的一个比值。 数据的精确度: 对现象描述的详细程度 ，精度低的数据并不一定准确度低 分辨率：是两个可测量数值之间最小的可辨识的差异 不确定性： 关于空间事物、现象的特征和过程不能被准确地确定的程度 。不能得到误差值时，可以使用不确定性来代替误差这一概念 11.空间数据质量指标与内容：（了解） （1）数据情况说明（Source） 对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等做出准确、全面和详尽的说明 （2）位置精度或定位精度（Metric accuracy） 空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常表现为空间三维坐标数据精度。 （3）属性精度（Attribute accuracy） 属性值与其真值相符的程度。包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名称的正确性等。（4）时间精度（Temporal accuracy） 数据的现势性。可以通过数据更新的时间和频度来表现。（5）逻辑一致性（Logical consistency） 地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容(包括空间特征、专题特征和时间特征)，以及拓扑性质上的内在一致性 （6）数据完整性（Completeness） 地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。（7）数据相容性（Compatibility） 多个来源的数据在同一个应用中使用的吻合和难易程度 （8）数据的可得性（Accessibility） 获取或使用数据的容易程度 （9）表达形式的合理性 数据抽象、数据表达与真实地理世界的吻合性，包括空间特征、专题特征和时间特征表达的合理性等 空间数据质量问题的来源三个阶段u 实地空间数据的测量、采集和制图；u 空间数据库的建库，包括数字化、数据录入和数据转换；u 空间数据的操作、处理、分析、输出和应用。 12.空间数据源误差的类型：（看书了解）l 源误差（地面测量数字数据的误差 ；地图数字化数据的误差 ；遥感数据误差）l 操作误差（由计算机字长引起的误差；由拓扑分析引起的误差；数据分类和内插引 起的误差）l 逻辑误差l 几何误差 13.空间数据质量的控制：（了解）（一）空间数据质量控制的方法l 传统的手工方法 l 元数据方法 l 地理相关法（二）空间数据生产过程中的质量控制 l 数据源的选择 l 数字化过程的数据质量控制 数据预处理 数字化设备的选用 数字化对点精度 数字化限差 数据的精度检查 第五章 空间分析与建模1. 空间分析：基于空间对象的属性、分布、形态及其空间关系特征的空间数据分析技术。 其目的在于提取、传输空间信息，回答用户问题。2. 空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运用的手段包括各种几何的逻