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中国地质大学地理信息系统原理吴信才讲义第一章 绪论 当今信息技术突飞猛进，信息产业获得空前发展，信息资源得到爆炸式扩张。多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题时所必需的重要信息资源，是信息高速公路上的重要列车。信息时代人类对信息资源采集、管理、分析提出了很高的要求。系统论、信息论、控制论的形成，计算机技术、人造卫星遥感等空间技术，自动化技术的应用，为信息资源的科学管理展示出更加广阔的前景。地理信息系统(Geographic Information System)，简称GIS，是在上述学科不断发展的历史背景下产生的，它是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。 1.1 地理信息系统的基本概念1.1.1 信息与数据 信息 信息是现实世界在人们头脑中的反映，是向人们提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理形式的各种改变而改变。信息具有客观性、适用性、传输性、共享性等特点。 客观性 信息是客观存在的，任何信息都是与客观事物紧密联系的，但同一信息对不同的部门来说会有完全不同的重要性。 适用性 信息对决策是十分重要的，它可作为生产、管理、经营、分析和决策的依据，因而它具有广泛实用性 传输性 信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备(包括远程终端)和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统同各子系统之间的转输和交换。信息在传输、使用、交换时其原始意义不改变。 共享性 现代信息社会中，信息共享是一最基本的特点，共享使信息被多用户使用。 数据 对于计算机而言，数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象(数字、文字、符号、声音、图像等)，在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。 1.1.2 空间数据与地图 空间数据 空间数据是指单个地或群体地以空间位置为参照的数据，空间信息可以从位置信息、属性信息、时间信息三个方面来描述. 位置信息 位置信息用定位数据(亦称几何数据)来记录，它是反映自然现象的地理分布，具有定位的性质 属性信息 非位置信息用属性数据来记录，它是描述自然现象、物体的质量和数量特征 时间信息 时间信息反映空间物体的时序变化及发展过程与规律，无论是几何数据还是属性数据，都是在某一时刻采集的空间信息，时间信息也可隐含在属性数据中 一个井泉，可以从地形图上确定它的地理坐标(几何数据)，而井泉的涌水量等参数则是该井泉的属性信息。 不同的时间消水量不同，时间信息隐含在属于性数据中， 地图 地图是根据一定数学法则，使用形象符号，使用形象符号 ，通过选择 和概括将地球表面缩放到平面上， 用以表示各种自然和社会性现象分布、联系、变化和发展的图件。 1.1.3 地理信息与地学信息 地理信息 地理信息是表征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数字、文字、图像和图形等的总称。 地学信息 地学信息所表示的信息范围更广，它不仅来自地表，还包括地下、大气层，甚至宇宙空间。凡是与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。 1.1.4 信息系统和地理信息系统 信息系统 能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。信息系统的四大功能为数据采集、管理、分析和表达。信息系统是基于数据库的问答。 地理信息系统 地理信息系统(GIS)是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。 1.2 地理信息系统的发展过程 GIS发展阶段起始发展阶段（60年代）我国GIS发展阶段准备阶段（70-80年代）巩固发展阶段（70年代）推广应用阶段（80年代）起步阶段（81-85年）蓬勃发展阶段（90年代以后）发展阶段（86年） 1.2.1 地理信息系统的发展阶段 1963年由加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出并建立的世界上第一个地理信息系统是称为加拿大地理信息系统(CGIS)。 1963年美国哈佛大学城市建筑和规划师Howard T.Fisher设计和建立了SYMAP系统软件。 1966年美国成立了城市和区域信息系统协会(URISA)，1968年国际地理联合会(IGU)设立了地理数据收集委员会(CGDSP)。 1969年，又建立起州信息系统 国协会(NASIS)。 70年代，GIS朝实用方向发展。各国对GIS的研究均投入了大量人力、物力、财力。不同规模、不同专题的信息系统得到很大发展。从1970年到1976年美国地质调查局发展了50多个地理信息系统。GIS受到政府、商业和学校的普遍重视。 80年代，GIS在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大，开始用于全球性的问题。开展GIS工作的国家更为广泛，国际合作日益加强。GIS软件开发具有突破性的进展，仅1989年市场上有报价的软件达70多个。 90年代，随着地理信息产生的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIA已成为确定性的产业，投入使用的GIS系统，每23年就翻一番，GIS市场的年增长率为35%以上，从事GIS的厂家已超过300家。GIS已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。 1.2.2 地理信息系统在我国的发展 地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。GIS在中国的发展可分为三个阶段。第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡仪，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进，研究数据规范和标准，空间数据库建立，数据处理和分析算法及应用软件的开发等，对GIS进行理论探索和区域性实验研究。第三个阶段从1986年到现在，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室，目前国内较流行的GIS软件有MAPGIS、CITYSTAR、GEOSTAR、VIEWGIS等。 1.3 地理信息系统与其他相关科学系统间的关系1.3.1 GIS与地图学 GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础，其最终产品之一也是地图，因此它与地图有着极密切的关系，两者都是地理学的信息载体，同样具有存储分析和显示（表示）的功能。由地图学到地图学与GIS结合，这是科学发展的规律，GIS是地图学在信息时代的发展。关于GIS与地图学的关系问题，存在不少专门的论述，其作者有地图专家，也有以遥感、摄影测量或其它专业为背景的GIS专家。一种观点认为：“GIS脱胎于地图”，“GIS 是地图学的继续”，“GIS是地图学的一部分”，“GIS是数字的或基于可视化地图的地理信息系统”等；另一种观点认为：“地图学是GIS的回归母体”，“地图是模拟的GIS”，“地图是GIS的一部分”等。英国S.Caeettari认为“GIS是一种把各系统发展中的一些学科原理综合起来的独特技术，作为其中一部分的地图学，不仅提供一体化的框架和数据，而且提供了目标、知识、原理和方法”。把地图学和GIS加以比较可以看出，GIS是地图学理论、方法与功能的延伸，地图学与GIS是一脉相承的，它们都是空间信息处理的科学，只不过地图学强调图形信息传输，而GIS则强调空间数据处理与分析，在地图学与GIS之间一个最有力的连接是通过地图可视化工具与它们的潜力来增加GIS的数据综合和分析能力。 1.3.2 GIS与一般事务数据 GIS离不开数据库技术。数据库技术主要是通过属性来管理和检索，其优点是存储和管理有效，查询和检索方便，但数据表示不直观，不能描述图形拓扑关系，一般没有空间概念，即使存贮了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询。GIS能处理空间数据，其工作过程主要是处理空间实体的位置、空间关系及空间实体的属性。例如电话查号台可看作一个事务数据库系统，它只能回答用户所询问的电话号码，而通讯信息系统除了可查询电话号码外，还可提供电话用户的地理分布、空间密度、最近的邮电局等信息 1.3.3 GIS与计算机地图制图 早在18世纪，欧州一些国家就开始系统地绘制本国地形图。六七十年代期间，空间数据应用的主要领域是资源调查、土地评价和规划等领域，各学科领域的科学家们认识到地表各特征之间的相互联系、相互影响这一事实后，开始寻找一种综合的多学科、多目标的调查分析方法来评价地表特征，因而产生了面向特殊目的的专题图件。60年代，计算机的出现，传统的制图方式被打破，对地球资源的量化分析和评价产生了实质性的发展，地图要素被量化成简单的数字，可以用计算机很方便地给予定性、定量及定位分析，进而用颜色、符号和文字说明完整地表达实体，因此产生了计算机地图制图技术。70年代后期，由于计算机硬件持续发展，计算机地图制图的历程向前迈进了一大步。80年代，美国地质调查研究所制定了旨在实现地图制图现代化的计划，它的任务是大规模地扩充和改进地图数字化设备，制定数据库信息交换标准，提高地图修编能力，改革传统的制图工艺，形成现代化数字制图流程，计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段,它必将引起地图制图过程深刻变化,成为现代地图制图主要手段，GIS应用于地图制图，可实现地图图形数字化，建立图形和属性两类数据相结合的数据库。但GIS系统不同于计算机地图制图，计算机地图制图主要考虑可视材料的显示和处理,考虑地形、地物和各种专题要素在图上的表示，并且以数字形式对它们进行存贮、管理，最后通过绘图仪输出地图。计算机地图制图系统强调的是图形表示，通常只有图形数据，不太注重可视实体具有或不具有的非图形属性，而这种属性却是地理分析中非常有用的数据。GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法和显示质量，强调的是信息及其操作，不仅有图形数据库，还有非图形数据库，并且可综合两者的数据进行深层次的空间分析，提供对规划、管理和决策有用的信息。数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式，计算机地图制图是GIS重要组成部分。 1.3.4 GIS与计算机辅助设备（CAD） CAD主要用来代替或辅助工程师们进行各种设计工作，它可绘制各种技术图形，大至飞机，小至微芯片等，也可与计算机辅助制造（CAM）系统共同用于产品加工中的实时控制。GIS与CAD系统的共同特点是两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形数据的拓扑关系，也都能处理非图形属性数据。它们的主要区别是：CAD处理的多为规则几何图形及其组合，它的图形功能尤其是三维图形功能极强，属性库功能相对要弱，采用的一般是几何坐标系。而GIS处理的多为自然目标，有分维特征（海岸线、地形等高线等），因而图形处理的难度大，GIS的属性库内容结构复杂，功能强大，图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征，GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能，GIS的数据量大，数据输入方式多样化，所用的数据分析方法具有专业化特征。因此一个功能较全的CAD，并不完全适合于完成GIS任务。GIS基本概念集锦GIS基本概念集锦1、地理信息系统（Geographic Information System ，即GIS ）一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。GIS有以下子系统：数据输入子系统，数据存储和检索子系统，数据操作和分析子系统，报告子系统.信息系统非空间的 空间的管理信息系统 非地理学的 GISCAD/CAM 其他GIS LIS社会经济,人口普查 基于非地块,基于地块的2、比较GIS与CAD、CAC间的异同。CAD计算机辅助设计，规则图形的生成、编辑与显示系统，与外部描述数据无关。CAC计算机辅助制图，适合地图制图的专用软件，缺乏空间分析能力。GIS地理信息系统，集规则图形与地图制图于一身，且有较强的空间分析能力。3、图层：将空间信息按其几何特征及属性划分成的专题。4、地理数据采集实地调查、采样；传统的测量方法，如三角测量法、三边测量法；全球定位系统（GPS）；现代遥感技术；生物遥测学；数字摄影技术；人口普查。5、信息范例传统的制图方法，称为信息范例，即假定地图本身是一个最终产品，通过使用符号、分类限制的选择等方式交换空间信息的模式。这个范例是传统的透视图方法，由于原始而受到很多限制，地图用户不能轻易获得预分类数据。也就是说，用户只限于处理最终产品，而无法将数据重组为更有效的形式以适应环境或需求的变化。6、分析范例（整体范例）存储保存原始数据的属性数据，可根据用户的需求进行数据的显示、重组和分类。整体范例是一种真正的用于制图学和地理学的整体方法。7、栅格栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。因此，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。特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性本身，而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标，即定位是根据数据在数据集中的位置得到的，在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。8、矢量它假定地理空间是连续，通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、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。对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；对于线实体，用一系列坐标对的连线表示；多边形是指边界完全闭合的空间区域，用一系列坐标对的连线表示。9、“拓扑”（Topology）一词来源于希腊文，它的原意是“形状的研究”。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（拓扑属性：一个点在一个弧段的端点，一个点在一个区域的边界上；非拓扑属性：两点之间的距离，弧段的长度，区域的周长、面积）。这种结构应包括：唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值）。地理空间研究中三个重要的拓扑概念（1）连接性：弧段在结点处的相互联接关系；（2）多边形区域定义：多个弧段首尾相连构成了多边形的内部区域；（3）邻接性：通过定义弧段的左右边及其方向性来判断弧段左右多边形的邻接性。10、矢量的实体错误伪节点：即需要假节点进行识别的节点，发生在线和自身相连接的地方（如岛状伪结点显示存在一个岛状多边形，这个多边形处于另一个更大的多边形内部），或发生在两条线沿着平行路径而不是交叉路径相交的地方（节点表示线与线间连接的特殊点）。摇摆结点：有时称为摇摆，来源于3种可能的错误类型：闭合失败的多边形；欠头线，即结点延伸程度不够，未与应当连接的目标相连；过头线，结点的线超出想与之连接的实体。碎多边形：起因于沿共同边界线进行的不良数字化过程，在边界线位置，线一定是不只一次地被数字化。高度不规则的国家边境线，例如中美洲，特别容易出现这样的数字变形。标注错误：丢失标注和重复标注。异常多边形：具有丢失节点的多边形。丢失的弧。11、空间分析方法1、空间信息的测量：线与多边形的测量、距离测量、形状测量；2、空间信息分类：范围分级分类、邻域功能、漫游窗口、缓冲区；3、叠加分析：多边形叠加、点与多边形、线与多边形；4、网络分析：路径分析、地址匹配、资源匹配； 5、空间统计分析：插值、趋势分析、结构分析；6、表面分析：坡度分析、坡向分析、可见度和相互可见度分析。12、欧拉数最通常的空间完整性，即空洞区域内空洞数量的度量，测量法称为欧拉函数，它只用一个单一的数描述这些函数，称为欧拉数。数量上，欧拉数=（空洞数）-（碎片数-1），这里空洞数是外部多边形自身包含的多边形空洞数量，碎片数是碎片区域内多边形的数量。有时欧拉数是不确定的。13、函数距离描述两点间距离的一种函数关系，如时间、摩擦、消耗等，将这些用于距离测量的方法集中起来，称为函数距离。14、曼哈顿距离两点在南北方向上的距离加上在东西方向上的距离，即D（I，J）=|XI-XJ|+|YI-YJ|。对于一个具有正南正北、正东正西方向规则布局的城镇街道，从一点到达另一点的距离正是在南北方向上旅行的距离加上在东西方向上旅行的距离因此曼哈顿距离又称为出租车距离，曼哈顿距离不是距离不变量，当坐标轴变动时，点间的距离就会不同。15、邻域功能所谓邻域是指具有统一属性的实体区域或者焦点集中在整个地区的较小部分实体空间。邻域功能就是在特定的实体空间中发现其属性的一致性。它包括直接邻域和扩展邻域。16、缓冲区分析是指根据数据库的点、线、面实体基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的空间分析方法。缓冲区在某种程度上受控于目前存在的摩擦表面、地形、障碍物等，也就是说，尽管缓冲区建立在位置的基础上，但是还有其他实质性的成分。确定缓冲区距离的四种基本方法：随机缓冲区、成因缓冲区、可测量缓冲区、合法授权缓冲区。17、统计表面表面是含有Z值的形貌，Z值又称为高度值，它的位置被一系列X和Y坐标对定义且在区域范围内分布。Z值也常被认为是高程值，但是不必局限于这一种度量。实际上，在可定义的区域内出现的任意可测量的数值（例如，序数、间隔和比率数据）都可以认为组成了表面。一般使用的术语是统计表面，因为在考虑的范围内Z值构成了许多要素的统计学的表述（Robinson et al., 1995）。18、DEM数字高程模型（Digital Elevation Model）。地形模型不仅包含高程属性，还包含其它的地表形态属性，如坡度、坡向等。DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。在地理信息系统中，DEM是建立数字地形模型（Digital Terrain Model）的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向。19、空间插值空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。空间内插算法：通过已知点的数据推求同一区域未知点数据。空间外推算法：通过已知区域的数据，推求其它区域数据。20、泰森多边形通过数学方法定义、平分点间的空间并以直线相连结，在点状物体间生成多边形的方法。21、线密度用所有区域内的线的总长度除以区域的面积。22、连通性连通性是衡量网络复杂性的量度，常用指数和指数计算它。其中，指数等于给定空间网络体节点连线数与可能存在的所有连线数之比；指数用于衡量环路，节点被交替路径连接的程度称为指数,等于当前存在的环路数与可能存在的最大环路数之比。23、图形叠加将一个被选主题的图形所表示的专题信息放在另一个被选主题的图形所表示的专题信息之上。24、栅格自动叠加基于网格单元的多边形叠加是一个简单的过程，因为区域是由网格单元组成的不规则的块，它共享相同的一套数值和相关的标注。毫无疑问，网格单元为基础的多边形叠加缺乏空间准确性，因为网格单元很大，但是类似于简单的点与多边形和线与多边形叠加的相同部分，由于它的简单性，因此可以获得较高的灵活程度和处理速度。25、拓扑矢量叠加如何决定实体间功能上的关系，如定义由特殊线相连的左右多边形，定义线段间的关系去检查交通流量，或依据个别实体或相关属性搜索已选择实体。它也为叠加多个多边形图层建立了一种方法，从而确保连结着每个实体的属性能够被考虑，并且因此使多个属性相结合的合成多边形能够被支持。这种拓扑结果称作最小公共地理单元(LCGU)。26、矢量多边形叠加点与多边形和线与多边形叠加使用的主要问题是，线并不总是出现在整个区域内。解决该问题的最强有力的办法是让软件测定每组线的交叉点，这就是所谓的结点。进行矢量多边形的叠加，其任务是基本相同的，除了必须计算重叠交叉点外，还要定义与之相联系的多边形线的属性。27、布尔叠加一种以布尔代数为基础的叠加操作。28、制图建模用以指明应用命令组合来回答有关空间现象问题的处理。制图模型是针对原始数据也包括导出数据和中间地图数据进行一系列交互有序的地图操作来模拟空间决策的处理。29、地理模型的类型类似统计同类的描述性模型和与推理统计技术相关的规则性模型。30、常见模型1、注重样式与处理的问题长时间以来用于解释类似农业活动与运输成本间的关系独立状态模型。2、最初为预测工业位置点的空间分布的样式而设计的WEBER模型，进行改进后可使参与者寻找最佳商业和服务位置位置-分配模型。3、建立在吸引力与到潜在市场的距离呈反比这一基础上的经济地理模型重力模型。4、通过空间验证思想如今广泛用于生态群落，通过地理空间跟踪动植物运动改进扩散模型。31、专题地图以表现某单一属性的位置或若干选定属性之间关系为主要目的的地图。专题图形设计的一般程序包括合适的符号和图形对象的选择、生成和放置，以明确突出研究主题的重要属性和空间关系，同时还要考虑参考系统。GIS专题地图输出的规则：不但要有精美的图形，最重要的是去读图、分析地图和理解地图。32、元数据关于数据的数据，对数据库内容的全面描述,其目的是促进数据集的高效利用和充分共享。使用元数据的理由：性能上，完整性、可扩展性、特殊性、安全性；功能上，差错功能、浏览功能、程序生成。33、聚合将单个数据元素进行分类的大量数字处理过程。34、克立金法依靠地球自然表面随距离的变化概率而确定高程的一种精确内插方法。35、四叉树一种压缩数据结构，它把地理空间定量划分为可变大小的网格，每个网格具有相同性质的属性。36、比较工具型地理信息系统和应用型地理信息系统的异同。工具型地理信息系统：是一种通用型GIS，具有一般的功能和特点，向用户提供一个统一的操作平台。一般没有地理空间实体，而是由用户自己定义。具有很好的二次开发功能。如：ArcInfo、Genamap、MapInfo、MapGIS、GeoStar。应用型地理信息系统：在较成熟的工具型GIS软件基础上，根据用户的需求和应用目的而设计的用于解决一类或多类实际问题的地理信息系统，它具有地理空间实体和解决特殊地理空间分布的模型。如LIS、CGIS、UGIS。37、详细描述应用型地理信息系统的开发过程1、 系统总体设计：需求和可行性分析、数据模型设计、数据库设计、方法设计2、 系统软件设计：开发语言、用户界面、流程、交互3、 程序代码编写：投影、数据库、输入、编辑4、 系统的调试与运行：调试、调试5、 系统的评价与维护：功能评价、费用评价、效益评价38、空间信息系统：以多媒体技术为依托，以空间数据为基础，以虚拟现实为手段的集空间数据的输入、编辑、存储、分析和显示于一体的巨系统，体由若干个子系统组成。39、地理数据测量标准命名（对数据命名，允许我们对把对象叫什么做出声明，但不允许对两个命名的对象进行直接比较）、序数（提供对空间对象进行逻辑对比的结果，但这种对比仅限于所谈论问题的范围内）、间隔（可以对待测项逐个赋值，能够更为精确地估计对比物的不同点）、比率（用途最广的测量数据标准，它是允许直接比较空间变量的惟一标准）。40、根据样本进行推理的取样原则未取样位置的数据可以从已取样位置的数据中推测出来；区域边界内的数据可以合并计算；一组空间单元中的数据能够转换成具有不同空间配置的另外一组空间单元数据。常用的方法：内插法：当有数值边界或知道缺失部分两端数值；外推法：当缺失的数据一侧有数值，而另一侧每一数值。GIS考试圣经 第一章 地理信息系统概论数据与信息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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。信息的特点：客观性（信息与客观事实紧密相关）、实用性 (经过信息系统处理可以变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息)、传输性（可以在发送者和接收者之间传播）、共享性（可为多个用户共享而本身无损失）。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。数据的特点：格式依赖计算机系统，可以转换形式，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。数据与信息的关系：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。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。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。信息系统: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。信息系统的类型：事务处理系统（支持操作层人员的日常活动，处理日常事务）；管理信息系统（为战术层管理者提供信息，包含事务处理系统）；决策支持系统（交互式信息系统，能支持管理者制定决策）;人工智能和专家系统（能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统）。地理信息系统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。地理信息系统的特点：第一， 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；第二， 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，完成人类难以完成的任务；第三， 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而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。地理信息系统的特殊性：其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置（位置信息）以及与该位置有关的地物属性特征（非位置信息）成为信息检索的重要部分。地理信息系统的构成：计算机硬件系统（计算机系统中的实际物理装置的总称）、计算机软件系统（必须的各种程序，包括系统软件、地理信息系统软件和应用分析程序）；系统开发、管理和使用人员和空间数据（指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据）。地理信息系统功能概述：数据采集、监测与编辑（手扶跟踪数字化）；数据处理（矢栅转换、制图综合）；数据存储与组织（矢量栅格模型）；空间查询与分析（空间检索、空间拓扑叠加分析、空间模型分析）；图形交互与显示（各种成果表现方式）。第二章 从现实世界到比特世界从现实世界到比特世界现实世界、概念世界、地理空间世界、维度世界、项目世界、比特世界。第三章 空间数据模型三个基本模型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概念。空间数据模型的类型：基于对象（要素）的模型；网络模型；场模型。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：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：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。三种模型的对比：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。空间关系分析三种基本类型：拓扑关系（确定拓扑属性）、方向关系（地物对象之间的方位）、度量关系。度量关系分析包括空间指标量算（几何、自然、人文）、地理空间的距离量算（4种距离）。第四章 空间参照系统和地图投影(不考)第五章 GIS中的数据空间数据的类型三种类型：空间特征数据（定位数据）是指空间实体的位置、拓扑关系和几何特征；时间属性数据（尺度数据）是指地理实体的时间变化或数据采集的时间；专题属性数据（非定位数据）是指地理实体所具有的各种性质。测量尺度四个层次：命名量 命名量是定性而非定量，不能进行任何算术运算；次序量 次序量只按顺序排列，可以比较比例量大小，也不能运算；间隔量 间隔量按相等间隔表示相对位置，但无真实零值，可以进行运算；比例量 比例量间隔相等，而且有真实零值，测量尺度与单位无关。数据质量概念：准确性，即一个记录值与它的真实值之间的接近程度；精度，即对现象描述的详细程度；空间分辨率，即两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；比例尺，即地图上一个记录的距离和它所表现的真实距离之间的一个比例；误差，即一个所记录的测量和它的事实之间的差异；不确定性，包括空间位置的不确定性、属性不确定性和数据不完整性等。元数据元数据是关于数据的描述性数据信息，说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。其目的是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程服务。元数据的内容：对数据集的描述，对数据质量的描述，对数据处理信息的说明，对数据转换方法的描述，对数据库的更新、集成等的说明。元数据的作用和意义：帮助数据生产单位有效的维护和管理数据；提供有关数据生产单位的各种有关信息供用户查询；帮助用户了解数据；提供有关信息，以便用户处理和转换有用数据。采用元数据可以便于数据共享。第六章 空间数据获取与处理地图数字化手扶跟踪数字化是目前最为广泛使用的将已有地图数字化的手段，利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标，通常采用两种方式，即点方式和流方式，流方式又分距离流方式和时间流方式。曲线离散化算法曲线离散化即在数字化过程中对原有曲线进行采样简化，在曲线上取有限个点将其变为折线，并能在一定程度上保持原有形状。算法：1.在首尾两点之间连接一条直线段，称为曲线的弦；2.得到曲线上离该直线段距离最大的点，并计算其与弦的距离；3.比较该距离与给定阈值的大小，若小于阈值则将弦作为曲线的近似；若大于阈值则用最远点将曲线分为两段，分别进行上述处理；当所有的曲线都处理完毕后依次连接各个分割点形成折线，即可作为曲线的近似。图像细化线细化就是不断去除曲线上不影响连通性的轮廓像素的过程。一般要求：保证细化后曲线的连通性；细化结果是原曲线的中心线；保留细线端点。坐标变换包括：基本坐标变换：平移（将图形的一部分或全部移动到迪卡尔坐标系中另外的位置）、缩放（用于输出大小不同的图形）、旋转（投影变换中常用）；仿射变换（综合考虑图形的平移、旋转和缩放的变换）。拓扑生成拓扑关系需定义的内容：区域、邻接性和连通性。数字化后地图错误的表现形式：伪节点、悬挂节点、碎屑多边形和不正规多边形。建立拓扑关系：多边形拓扑关系的建立需要描述多边形的组成弧段，弧段两侧的多边形、两段的节点，节点相连的弧段。网络拓扑关系的建立，需要确定线实体之间的连通关系。第七章 空间数据管理栅格数据结构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。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（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；块码是有成长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域为记录单元；四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。矢量数据结构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。矢量数据的编码方法：对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息；对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法。坐标序列法是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；树状索引编码法是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，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，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；拓扑结构编码法是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。矢量栅格数据的比较矢量数据的优缺点：优点为数据结构紧凑、冗余度低，有利于网络和检索分析，图形显示质量好、精度高；缺点为数据结构复杂，多边形叠加分析比较困难。栅格数据的优缺点：优点为数据结构简单，便于空间分析和地表模拟，现势性较强；缺点为数据量大，投影转换比较复杂。两者比较：栅格数据操作总的来说容易实现，矢量数据操作则比较复杂；栅格结构是矢量结构在某种程度上的一种近似，对于同一地物达到于矢量数据相同的精度需要更大量的数据；在坐标位置搜索、计算多边形形状面积等方面栅格结构更为有效，而且易于遥感相结合，易于信息共享；矢量结构对于拓扑关系的搜索则更为高效，网络信息只有用矢量才能完全描述，而且精度较高。对于地理信息系统软件来说，两者共存，各自发挥优势是十分有效的。矢量栅格相互转换算法矢量转栅格：内部点扩散法，即由多边形内部种子点向周围邻点扩散，直至到达各边界为止；复数积分算法，即由待判别点对多边形的封闭边界计算复数积分，来判断两者关系；射线算法和扫描算法，即由图外某点向待判点引射线，通过射线与多边形边界交点数来判断内外关系；边界代数算法，是一种基于积分思想的矢量转栅格算法，适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换，方法是由多边形边界上某点开始，顺时针搜索边界线，上行时边界左侧具有相同行坐标的栅格减去某值，下行时边界左侧所有栅格点加上该值，边界搜索完毕之后即完成多边形的转换。栅格转矢量：即是提取具有相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成矢量格式边界线的过程。步骤包括：多边形边界提取，即使用高通滤波将栅格图像二值化；边界线追踪，即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索；拓扑关系生成和去处多余点及曲线圆滑。第八章 空间分析空间量算包括几何量算（对点线面地物有不同含义）、形状量算（空间一致性、多边形边界特征描述）、质心量算和距离量算。缓冲区地理空间目标的一种影响范围或服务范围。是解决临近度问题的空间分析工具之一。缓冲区解决的基本问题是双线问题：角分线法、凸角圆弧法。例子：交通沿线和河流沿线的地物特征，公共设施的服务半径，水库建设引起的搬迁，铁路公路以及河道对所经区域经济发展的重要性。叠加分析：将地理景观分层提取，每个主题层（数据层面）既可以用矢量结构的数据表达，也可以用栅格结构的数据表达。地理信息系统的叠加分析是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面要素所具有的属性。它不仅包括空间关系的比较，也包含属性关系的比较。提取空间隐含信息的手段之一。可以分为以下几类（应用）：视觉信息叠加（遥感影象与专题地图的叠加）点与多边形的叠加（多边形对点的包含关系，进行属性查询），线与多边形叠加（比较线上坐标与多边形的关系，计算河流和路网密度），多边形叠加（土地利用分析），栅格图层叠加（用于空间模拟如：土壤侵蚀强度模拟）。空间插值将离散点的测量数据转化为连续的数据曲面，以便于其他空间现象的分布模式进行比较，包括空间内插和外推两种算法用处：不同分辨率和方向的影象之间的转换、改变数据模型、现有数据的不能完全覆盖所要求的区域范围。数据源：航片和卫星影象、扫描影象、野外测量采样数据、数字化地图。空间插值方法整体（边界内插、趋势面分析），局部插值（泰森多边形方法、距离倒数插值法、样条函数插值法、克里金插值法）第九章 数字地形模型和地形分析DEM数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。当地形属性为高程时就是数字高程模型（DEM）。应用：线路选线设计、工程的面积体积坡度计算、通视判断和断面图绘制。绘制等高线、立体透视图，是地理信息系统的基础数据，可用于土地利用现状的分析规划、军事导航和制导。表示方法：格网DEM：DEM最广泛使用的模式，以数据矩阵形式提供，应用方便，但不能准确地表示地形的结构和细部，且数据量过大，通常要进行压缩存储；TIN：根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，数字高程有连续的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的位置和密度，能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点表示数字高程特征；等高线模型：一系列等高线集合和它们的高程值一起构成等高线模型，一般需要用插值方法确定等高线以外的其他点的高程。缺点：计算坡度的效率不高。优点：数据量比较小。TIN生成算法：由规则点集生成TIN（泰森多边形）、由格网DEM转成TIN；格网DEM转成TIN：保留重要点发（计算平均值并与阈值比较）、启发丢弃法（逐次迭代计算逐渐删除不太重要的点）。TIN转成格网DEM：投影、对格网搜索其附近的TIN数据点，按某种插值计算。等高线转成DEM容易出现阶梯地形，格网DEM提取等高线容易出现二义性（最短距离占优）。DEM的应用格网DEM的应用：地形曲面拟合，立体透视图，通视分析，特征地貌提取，地形属性计算。TIN的应用：三角网内插、等高线追踪。第十章第十一章 空间数据表现与地图制图GIS给制图技术带来的变化：计算机制图的主要内容是将地图设计和绘制通过计算机程序和相应的硬件来实现。地图符号可以完全由计算机绘制，对地图特征的许多处理都可以由计算机来实现，但是制图综合方面还不成熟。DEM表示法可以表现传统方法无能为力的垂直分布特征如：地貌晕渲图和三维曲面。地理信息的可视化和虚拟地理环境技术将给制图技术和人机交互显示带来更大的变化。第十二章 3S集成技术遥感遥感是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。遥感技术的优点：增大了观察范围，能提供大范围的瞬间静态图像，用于监测动态变化的对象；能够进行大面积重复观察；拓宽了人眼所能观察到的光谱范围；空间详细程度高。GPS全球定位系统是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种。全球定位系统的组成：卫星星座、地面监控系统、信号接收机。全球定位系统定位基本原理：利用测距交会确定点位。四颗卫星即能测准接收机的位置。3S集成RS与GIS集成：遥感数据是GIS的重要信息来源，GIS则可作为遥感图像解译的强有力的辅助工具。GIS作为图像处理工具，可以进行几何纠正和辐射纠正，图像分类和感兴趣区域的选取；遥感数据作为GIS的重要信息来源，可以进行线和其他地物要素的提取，DEM数据的生成，以及土地利用变化和地图更新。GIS与GPS集成：定位（旅游、探险）、测量（土地管理、城市规划）、监控导航（车辆船只的动态监控）。GPS+RS：几何校正、训练区选择以及分类验证，提供定位遥感信息查询；GPS+GIS：定点查询专题信息，提供或更新空间点位；GIS+RS：几何配准、辅助分类等，提供和更新区域信息。3S集成的意义：3S结合应用，取长补短是自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了一个大脑，两只眼睛的框