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“地理信息系统教程地理信息系统教程”习题及参考答案习题及参考答案 第一章第一章 绪论绪论 1. 1.什么是数据和信息？它们有何联系和区别？什么是数据和信息？它们有何联系和区别？ 定义：数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图 像以及它们能够转换成的数据等形式。信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的 知识，是数据、消息中所包含的意义。 联系和区别： 信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是 信息。信息是对数据解释、运用与解算，数据即使是经过处理以后的数据，只有经过解释 才有意义，才成为信息；就本质而言，数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意 义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。 数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中 包含的信息内容不会改变。即不随载体的物理设备形式的改变而改变。 信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在； 而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。 数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。 不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。 2.2.什么是地理信息系统（什么是地理信息系统（G I SG I S ）? ?与地图数据库有什么异同与地图数据库有什么异同? ?与地理信息的关系是什么与地理信息的关系是什么? ? G I S 定义： G I S 是一个发展的概念。不同领域、不同专业对G I S 的理解不同，目前没有完全统一的被普 遍接受的定义。 定义：是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素， 包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之 间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。 定义：是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的 定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。 定义：是为了获取、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。 定义：地理信息系统是一种决策支持系统。它的定义由两方面组成，一方面，地理信息 系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴交叉学科 ；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以空间数据库为基础，采用地理模型分析 方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系 统。 定义：目前有人认为“G I S ”从原来强调空间信息技术系统(S Y E S T E M )，发展到地球信息科 学体系形成(S C I E N C E )，现在已强调空间信息服务(S E R V I C E )。 G I S 与地图数据库的异同： 地图数据库有比例尺概念，G I S 是为某一特定比例尺建立的一个地图成品仓库，它可由G I S 管理，其中的地图具有图形表现属性,一般数据库不需具备这些属性；它是G I S 的下游产品 ，它的更新依赖于G I S ，它提供的信息是G I S 向人们提供服务的中间产品；G I S 是在地理信息 的基础上对真实世界进行数量化处理分析，但地图数据库存在的地理要素经人为修改，不 完全是真实地理的反映； G I S 与地理信息的关系： G I S 操作对象是空间数据，表达内容是与时空有关的地理信息。地理信息是指与研究对象的 空间地理分布有关的信息。它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和 变化规律的图、文、声、像等的总称。地理信息具有地域性、多维结构性、时序性等特征 。 2.2.地理信息系统由哪些部分组成地理信息系统由哪些部分组成? ?与其它信息系统的主要区别有哪些与其它信息系统的主要区别有哪些? ? 从计算机系统的角度来看，G I S 是由软件、硬件、数据和用户组成。 用户用户（G I S 服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户） 软件软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统，是系统的核心，按 其功能分为G I S 专业软件，数据库软件和系统管理软件等） 硬件硬件（各种设备- 物质基础，用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据，主要包括：G I S 主机，G I S 外部设备，G I S 网络设备等）。 数据数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础，它具体描述实体的空间特征、属性 特征和时间特征） 也有人认为G I S 是由硬件、软件、数据、应用模型、开发者和一般用户组成。 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织 的决策过程提供有用信息。 G I SG I S 与其它信息系统的主要区别：与其它信息系统的主要区别： G I SG I S 与一般与一般M I SM I S 比较比较 G I S 离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都 是G I S 广泛使用的核心技术。但G I S 是对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一 般M I S （数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形 ，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图 形显示功能也很有限。 G I SG I S 与与C A DC A D 和和C A MC A M 比较比较 管理图形数据和非空间属性数据的系统不一定是G I S ，如C A D 或A u t o C A D ，C A M （C o m p u t e r A i d e d M a p 计算机地图系统计算机辅助制图）等。 G I S 和C A D 的比较： GIS与CAD共同点GIS与CAD不同点 CAD研究对象为人造对象规则几 何图形及组合； GIS处理的数据大多来自于现实世 界，较之人造对象更复杂，数据量 更大；数据采集的方式多样化； l 都有空间坐标系统； l 都能将目标和参考系联系起来； l 图形功能特别是三维图形功能强， 属性库功能相对较弱； GIS的属性库结构复杂，功能强大 ； CAD中的拓扑关系较为简单； GIS强调对空间数据的分析，图形 属性交互使用频繁； 一般采用几何坐标GIS采用地理坐标系 都能描述图形数据的拓扑关系； l 都能处理属性和空间数据 G I S 与C A M 比较： GIS与CAM共同点GIS与CAM不同点 CAM侧重于数据查询、分类及自动 符号化，具有地图辅助设计和产生 高质量矢量地图的输出机制； CAM是GIS的重要组成部分 CAM强调数据显示而不是数据分析 ，地理数据往往缺乏拓扑关系； GIS综合图形和属性数据进行深层 次的空间分析，提供辅助决策信息 。 都有地图输出、空间查询、分析和 检索功能 CAM与数据库的联系通常是一些简 单的查询。 3.3.地理信息系统中的数据都包含哪些地理信息系统中的数据都包含哪些? ? G I S 数据包括电子数据和非电子数据。或：G I S 数据源自地图数据、遥感数据、G P S 数据、文 本数据、统计数据、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据。 4.4.地理信息系统的基本功能有哪些地理信息系统的基本功能有哪些? ?基本功能与应用功能是根据什么来区分的基本功能与应用功能是根据什么来区分的? ? 地理信息系统基本功能概述：数据采集、监测与编辑；数据处理与变换（矢栅转换、制图 综合）；数据存储与组织（矢量和栅格模型）；空间查询与分析（空间检索、空间拓扑、 叠加分析、缓冲分析、网络分析等）；图形交互与显示（各种成果表现方式）。 根据社会和用户的需求，G I S 是依托基本功能利用空间分析技术模型分析技术，网络技术， 数据库和数据集成技术二次开发环境等，演绎出众多的G I S 应用系统。 5.5.与其它信息系统相比，地理信息系统的哪些功能是比较独特的与其它信息系统相比，地理信息系统的哪些功能是比较独特的? ? 与其它信息系统相比，G I S 空间分析作为核心功能是比较独特的。 6.6.地理信息系统的科学理论基础有哪些地理信息系统的科学理论基础有哪些? ?是否可以称地理信息系统为一门科学是否可以称地理信息系统为一门科学? ? 地理信息系统的科学理论基础是地球信息科学理论，包括地理学、地图学、测量学、数学 、统计学、计算机科学等交叉学科以及一切与获取、处理和分析空间数据有关的科学技术 的支撑。 地理信息的研究和方法应该是科学，因它已经具备成为科学的条件，有明确的研究对象和 研究手段，有自己的理论体系，有一定数量的研究队伍，有明确的研究领域和广泛的服务 对象，已由技术发展为科学。即：G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e m 向G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S c i e n c e 7.7.试举例说明地理信息系统的应用前景。试举例说明地理信息系统的应用前景。 当前，G I S 正向着集成化、产业化和社会化发展规律方向迈进，呈现以下主要发展态势： G I S 已成为一门综合性技术；即G I S 集成技术，3S 技术等名词的出现。 G I S 产业化的发展势头强劲； G I S 网络化已构成当今社会的热点； 地理信息科学的产生和发展。 目前G I S 在各行各业都得到应用，如资源规划管理、全球变化、灾害预测等，具有广泛的应 用前景。 8.G I S8.G I S 近代发展有什么特点近代发展有什么特点? ? G I S 起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R .F .T o m l i n s o n 提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出G I S 这一术语，并建立了第一个G I S 加拿大G I S ，随后G I S 在全世界迅速发展起来。 国际国际G I SG I S 的发展状况的发展状况 l 60年代，探索时期（G I S 思想和技术方法的探索）。当时，人们关注的主题“什么是G I S ？ ，G I S 能干什么？”； l 70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进 G I S 迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理 等方面； l 80年代，实验阶段（也是G I S 普遍发展和推广应用阶段）。此时，人们把G I S 与R S 结合，解 决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等； l 90年代，全面应用（产业化阶段）。对G I S 进一步研究，研究的内容集中在“空间信息分析 的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等方面； l 现代，普及发展阶段。随着信息网络化发展和深入，G I S 与世界接轨,尤其在发展中国家得 到重视和发展。 我国我国G I SG I S 的发展的发展 我国G I S 起步虽较晚，但发展较快，可分为以下几个阶段： l 70年代，准备阶段：一些知名人士G I S 先驱看到G I S 的广阔前景和G I S 的重要性，进行极积 呼吁，为G I S 在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。 l 80年代，试验起步阶段: 这期间，我国在G I S 理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展， 进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。 l 90年代，我国G I S 发展阶段：我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有 偿使用和外资的引进，急需G I S 为之服务，这也推动G I S 在我国的全面发展。 l 96年以来，是我国G I S 产业化阶段： l 近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地 方级的G I S 相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综 合运用“3S ”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批 高等院校开设了与G I S 相关的新专业，培养了一大批从事G I S 研究与开发的高层次人才，具 有我国自主版权的G I S 基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国G I S 产 业已进入新的发展阶段。 第二章第二章 空间数据结构和数据模型空间数据结构和数据模型 1 1G I SG I S 的研究对象是什么的研究对象是什么? ? 地理实体有什么特点地理实体有什么特点? ? G I S 的研究对象是地理实体，即指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元。 地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很 小，福州就是一个点，这个点不能再分割，可以把福州定为一个空间实体，而在大比例尺 的福州市地图上，福州的许多房屋，街道都要表达出来，所以福州必须再分割，不能作为 一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，G I S 中的地理实体是一 个概括，复杂，相对的概念。 地理实体以什么形式存储和处理反映了实体的三个特征。 l 属性特征：对空间实体的属性定义和说明信息。 l 空间特征：对空间实体的分布位置、几何特征和空间关系的定义。 l 时间特征：空间实体的时间尺度。 2 2地理实体数据的特征是什么？请列举出某些类型的空间数据地理实体数据的特征是什么？请列举出某些类型的空间数据 地理实体以什么形式存储和处理反映了实体的不同的特征和和不同的数据类型。 同物理、化学等学科使用的数据类型相比，地理数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空 间特征、属性特征及它们之间关系的描述，人们常把地理数据称为空间数据。 地理实体数据的特征： l 空间特征：表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。包括定位数据和拓扑数据； l 属性特征：表示专题属性（名称、分类、数量等）； l 时间特征：指现象或物体随时间的变化。其变化的周期有超短期的，短期的，中期的，长 期的。 依据空间数据来源的不同分为：地图数据、地形数据、属性数据、元数据、影象数据等； 依据表示对象的不同分为：点，线，面、体数据。 3 3空间数据的结构与其它非空间数据的结构有什么特殊之处？常见的数据的结构有哪些空间数据的结构与其它非空间数据的结构有什么特殊之处？常见的数据的结构有哪些 ？ 数据结构是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据是 一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述。空间数据的 结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构。非空间数据主要涉及属性数据。 矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标 空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量结构的显著特点：定位明显 ，属性隐含。 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。栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接 记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。 常见的数据结构有层状数据、网络数据、关系数据、语义数据、面向对象的数据结构。 4 4矢量数据与栅格数据的区别是什么？它们有什么共同点吗？矢量数据与栅格数据的区别是什么？它们有什么共同点吗？ 优点缺点 矢量 1、便于面向现象（土壤类，土地利用单 元等） 2、结构紧凑，冗余度低，便于描述线或 边界。 3、利于网络、检索分析，提供有效的拓 扑编码，对需要拓扑信息的操作更有效。 4、图形显示质量好，精度高。 1、数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准 化和规范化，数据交换困难。 2、多边形叠置分析困难，没有栅格有效，表达 空间变化性能力差。 3、不能像数字图像那样做增强处理 4、软硬件技术要求高，显示与绘图成本较高。 栅 格 1、 结构简单，易于数据交换。 2、叠置分析和地理（能有效表达空间可 变性）现象模拟较易。 3、利于与遥感数据的匹配应用和分析， 便于图像处理。 4、 输出快速，成本低廉。 1、现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑 。 2、图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需 用压缩技术解决该问题。 3、投影转换困难。 4、图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯 齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据 文件。 5 5空间数据模型概念和主要类型及比较空间数据模型概念和主要类型及比较 空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的描述。空间数据模型的主要类 型：基于对象（要素）的模型；网络模型；场模型。 要素模型要素模型： 点对象，由特定位置、维数为零的物体；线对象，维度为一的空间组成部分；多边形对象 ，即面状实体，通常用封闭曲线加内点来表示。矢量模型即是基于要素的，将现象看成原 型实体的集合，矢量模型的表达源于空间实体的本身，通常以坐标来定义。 网络模型网络模型： 地物被抽象为链、节点等对象，同时要注意其连通关系。 场模型场模型： 用于模拟一定空间内连续分布的现象，常用栅格数据模型描述。栅格数据模型是基于连续 铺盖的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。 基于对象的模型强调了离散对象，网络模型表示了特殊对象之间的交互，场模型表示了二 维或三维空间中连续变化的数据。 要素模型和场模型的不同在于一个是先选择要素，再回答它在哪里的问题；场模型实现 选择一个位置，在回答哪里怎么样的问题，最后都得到数据。网络模型的基本特征是： 节点数据之间没有明确的从属关系，一个节点可以与其他多个节点建立联系，将数据组织 成有向图结构，它反映了现实世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构。 6.6.栅格数据结构的编码方法如何？栅格数据结构的编码方法如何？ 栅格数据的编码方法： 直接栅格编码，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码； 压缩编码，包括链码、游程长度编码、块码、四叉树编码、八叉树编码、十六叉树编码等 。 链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据； 游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现；