地理信息系复习资料.docx

绪论1、 什么是地理信息系统（GIS）？它与一般的计算机应用系统有哪些异同点？是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表面（包括大气层）与空间和地理分布有关的数据进行采集、储存、管理、分析和描述的技术系统。相同点:都是在计算机硬件和软件等设备的支持下对数据的操作处理和应用；都需要有关人员辅助下才可以完成它们的功能；都是有若干个子系统相互协助、相互联系而发挥作用的系统。不同点：GIS最核心的部分在于地理信息数据，也就是空间数据，而一般的应用系统的数据是非空间的数据；GIS中的空间数据的查询和分析是独有的，也是核心的，其它应用系统所不具有的；GIS管理的是空间数据和非空间数据、属性数据。2、 阐述GIS的相关学科及关联技术，并就GIS基础理论的建立和发展问题，发表你的意见 和观点。GIS与DBMS（数据库管理系统），GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，因此，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。 GIS与MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。 GIS与地图数据库，地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。 GIS与CAD系统，二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。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。GIS 是地图学理论、方法与功能的延伸， GIS与地图学一脉相承，它们都是空间信息处理的学科，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，地图学与GIS之间的联系是通过地图可视化工具与他们的潜力来增强GIS 的数据综合和分析能力。3、 GIS可应用于哪些领域？试论述GIS的应用和发展前景。领域：资源管理、资源配置、城市规划和管理、土地信息系统和地籍管理、生态和环境管理、应急响应、地学研究与应用、商业与市场、基础设施管理、选址分析、网络分析、可视化应用、建设中决策等等。发展前景：GIS的智能化和微机化、数据自动输入技术的发展、GIS与RS的进一步结合、GIS应用模型的开发、建立统一标准的分布式系统、矢量和栅格数据格式并行存储数据的发展，从技术角度看，GIS的发展表现在：系统互操作、系统模块化、系统智能化、数据多元化、平台网络化和应用社会化。4、 你对GIS社会化的发展趋势是怎么理解的？GIS的社会化有一些的同义语，如“全球化”、“大众化”等等，他们实际上描述了GIS社会化的不同侧面。“大众化”是社会化的主要方面， 它是指GIS 技术已经融入到人们的日常生活中，迁移默化的改变着生活的方式：将地图存储在计算机中，使以往利用地图提供的定位、定向、导航功能可以通过GIS实现，而3S集成技术，可以使定位导航功能更加自动化和准确。利用GIS 可以将信息按照其空间坐标组织起来，进行查询检索，进而可以分析其空间分布特点，进行决策支持。汽车导航、野外探险和旅游、银行信用卡管理、商家经营分析、保险赔偿分析等等，人们生活的各个方面，GIS 都可以在其发挥作用。“数字地球“是GIS 应用的极致，也是GIS社会化的顶点。公众在日常生活中使用着地理信息系统，可是他不需要了解任何GIS 的知识。GIS 应用和其他应用紧密结合在一起，已经成为人们日常生产和生活中不可分离的一部分，正如一些学者所预测的“GIS 发展的将来就是没有GIS。”从应用角度来看，GIS 的社会化意味着每一个人都可以方便的使用GIS功能，而从应用开发角度来看 ，GIS 社会化的标志是GIS产业的形成与分化，形成专门的数据生产厂商，GIS平台/构件开发商，GIS集成商，GIS 服务提供商以及GIS 工程监理等等；相关GIS 技术标准的确立，对于GIS产业的发展提供了基础。信息系统的四大功能：数据的采集、管理、分析和表达；信息的特征：客观性、适用性、可传输性、共享性；地理信息：是与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示物体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律；地理信息的特征： 地域性、多层次性、动态变化性；GIS的构成与功能1、GIS由哪几个主要部分组成？它的基本功能有哪些？硬件主要包括计算机和网络设备，存储设备，数据输入，显示和输出的外围设备等等。 软件主要包括以下几类：操作系统软件 、数据库管理软件 、系统开发软件 、GIS 软件数据是GIS的重要内容，也是GIS系统的灵魂和生命。人是GIS系统的能动部分。2、 与其它地理信息系统相比，地理信息系统的哪些功能是比较独特的？3、地理信息系统的基本功能？第一：数据采集与编辑功能（图形数据采集及编辑、属性数据编辑与分析）。第二：地理数据的管理功能。第三：空间查询与空间分析功能（分析包括缓冲区分析、空间叠置分析和泰森多边形分析）。第四：制图功能。第五：地形分析功能（DEM的建立和等高线分析 透视图分析坡度、坡向分断面图分析 计算地形表面面积和填挖方体积）。空间数据获取1、 空间数据的基本内容有哪些？各种数据有哪些基本特征？数字线划数据（地形测图思想：点线面）、数字高程数据（DEM）、影像数据（数据源丰富、生产效率高、直观详细记录地表自然现象）、属性数据（是什么，判读和考察、详细描述信息）；（1）空间特征：是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地物的空间关系。 （2）专题特征：指空间现象或空间目标的属性特征，它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征。 （3）时间特征：空间目标随时间变化的特征。 2、 空间数据共享的方法有哪几种？阐述空间数据共享问题：除技术因素外，主要存在哪些方面的问题？第一：主要是通过外部数据交换文件进行数据的共享。第二：通过标准空间数据交换文件进行数据的共享。第三：通过Open GIS的空间数据交换进行数据共享。问题：(1)体制和法律法规方面的问题。(2)组织管理和产权方面的问题。(3)观念和认识方面的问题。(4)现有技术方面的问题。3、 空间数据的获取方式有哪些？野外数据采集（平板测量、全站仪测量、GPS测量）、地图数字化（手扶跟踪数字化、扫描数字化）、摄影测量、遥感图像处理、手工输入数据、通过数据库、数据的转换和共享。空间数据：是指用来表示空间实体的位置、形状、大小、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等诸多方面信息数据的总称。尺度：尺度是过程、观测和模型的一个时间或长度特征，这种定义参考了它的自然特征、精度以及过程和形式间的关系，最普通的尺度定义是指空间扩展和精度。空间数据的转换内容：空间定位信息、空间关系、属性数据。空间数据的表达1、 什么是空间实体？空间实体的类型？试述空间实体之间的空间关系。A：在地理信息系统中不可再分的最小单元现象称为空间实体（图层上的图元）。或者说，空间实体是对地理现象的抽象观察和描述。B：点线面体。C：空间关系包含三种基本类型： （1）拓扑关系：“拓扑”一词来自于希腊文，意思是“形状的研究”。拓扑学是几何学的一个分支，它研究图形在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性或拓扑关系。（）方向关系（方位关系）：它定义了地物对象之间的方位。（）度量关系：基本空间对象度量关系包含点与点、点与线、点与面、线与线、线与面、面与面之间的距离。空间关系指拓扑关系，所谓拓扑关系是图形在拓扑变换下，能够保持不变的几何属性拓扑属性(拓扑关系)。具体包括：相离、相交、相邻、包含、重合等方面。关系的确定可通过空间运算和数据结构两种途径。2、 什么是矢量数据结构？什么是栅格数据结构？试比较两种数据结构的优缺点。矢量数据结构是最常见的图形数据结构，过记录坐标的方式精确地表示点、线、面实体的位置。坐标可以是地理坐标经纬度，也可以是平面直角坐标（x, y），此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。栅格数据结构也称为网络结构或称为像元结构。它是将地表表面化分为均匀紧密相邻的网格阵列。每个网格的位置由行列号定义，它包含一个代码，以表示该网格的属性。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、能完整地描述空间关系、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，能方便的记录每个目标的具体属性信息 。矢量数据缺点：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，特别是软硬件更加复杂。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 栅格数据缺点：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3、 举例说明矢量数据结构中的拓扑关系。4、 试述栅格数据结构的编码方法。5、在GIS的数据结构中，表示空间关系的方法有5种： （1） 区域定义：多边形可用一组封闭的线来定义。用线定义区域优于用线上的坐标点定义区域，这样线上的坐标点只存储一次，大大节省了内存空间。 （2） 邻接性：确定多边形之间的邻接关系。相邻多边形可用它们公共的一组弧定义。 （3）连通性：指的是对结点之间弧段连接的判断。 （4）方向性：弧段的起点到终点确定了一个方向。如自来水、煤气、电力、河流、单向路线等，实体均有方向性。 （5）包含性：指面状实体对线状实体、点状实体及更小的面状实体的包含关系。例如：城区内分布的中小学校，一个居住小区的配套设施，如邮电局、幼儿园、医院等的分布。空间数据处理1、 谈谈空间数据处理的主要内容有哪些？在GIS中所有的过程、操作都是对空间数据的处理，其包含两方面的意义: 一是将原始采集的数据或者说不符合GIS质量要求的数据进行处理; 二是对于已存储于GIS中的数据经过处理以派生出其它信息。基本算法、图形编辑、拓扑关系的自动建立、图形的裁剪与合并、坐标变换2、 比较点在多边形内的判别方法：射线法和弧长法的优缺点。射线法：从需判别的点开始划一任一方向的直线，然后计算它所通过多边形的交点，当交点个数是奇数时，该点在多边形内；若是偶数，表明它在多边形外。弧长法：规定沿多边形各边的走向其左侧（右侧）为多边形的内部。方法：以被测点为圆心作单位圆，将全部有向边向单位圆做径向投影，并计算其在单位圆上弧长的代数和。相当于计算被测点到多边形上所有顶点的夹角和，若代数和为360,则被测点在多边形内；否则若夹角的代数和为或小于360,则被测点在多边形外。3、 试述欧拉定理及其作用。是否欧拉定理满足，图形的空间关系就是正确的？对于一个多边形地图，结点，弧段和面块存在下述关系： (其中，为多边形图形特征，一般取1)。作用是：检查拓扑关系的一致性图形空间关系正确，则满足欧拉公式；欧拉公式成立，图形的空间关系不一定正确。4、 在什么情况下需要用矢量到栅格的转换，什么情况下需要用栅格到矢量的转换？遥感数据是栅格数据、地图数据时栅格数据、计算需要矢量数据。空间数据管理1、 文件管理系统与数据库管理系统有哪些异同点？2、 什么是数据模型？常用的数据库模型有哪些？试比较其优缺点。数据模型是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形式表示，每一个具体的数据库都是由一个相应的数据模型来定义。传统的数据模型有三种：层次模型、网络模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。层次模型：优点：层次清楚、结构简单、数据存取查询方便。 缺点：结构缺乏灵活性，公共点线不能数据共享，不能顾及拓扑关系，冗余数据多。网络模型：优点：可以表达数据间较复杂的关系、 减少了数据的冗余。缺点： 数据间的联系通过指针表示，指针数据项要占用存储空间，当数据间关系复杂时，指针会消耗大量的存储空间。 修改数据库数据时，指针也随着变化，因此指针的建立与维护成了数据库相当大的额外负担。关系模型：优点：结构简单灵活，数据操作方便。 缺点：数据的检索是顺序查找，当数据库涉及目标很多、很复杂时，将花费很多时间，影响效率。3、 试述空间数据的管理模式，并比较其优缺点。第一：文件与关系数据库混合管理模型。用文件系统管理几何图形数据，用关系数据库管理系统管理属性数据，它们之间通过目标标识或者内部连接码进行连接。其优点是关系数据库数据量小，缺点是文件路径常常会因为文件的删除、移动操作而变得不可靠，数据的安全性、一致性、完整性、并发控制以及数据损坏后的恢复方面缺少基本功能。第二：全关系数据库管理模式 属性数据、几何数据同时采用关系数据库进行管理 空间数据和属性数据不必进行烦琐的连接，数据存取较快 间接存取，效率比DBMS的直接存取慢，特别是涉及空间查询、对象嵌套等复杂的空间操作第三：对象关系数据库管理模式（扩展关系数据库管理模式） 在标准的关系数据库上增加空间数据管理层，即利用该层将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。 解决了空间数据变长记录的存储问题，由数据库软件商开发，效率较高。 用户不能根据GIS要求进行空间对象的再定义，因而不能将设计的拓扑结构进行存储。第四：面向对象空间数据管理模式 面向对象的数据模型最适用于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长纪录，而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集。 面向对象的空间数据库管理系统允许用户定义对象和对象的数据结构以及它的操作。 是空间数据管理的发展方向。空间数据的特征：空间特征、非结构化特征、空间关系特征、分类编码特征、海量数据特征。数据库中的数据组织分为四级（逻辑数据单位的层次）：数据项、记录、文件和数据库。数据库：为了一定的目的而服务的，按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库，是比文件更大的数据组合。地理数据库：地理数据库就是为一定目的服务，以特定的结构存储的相关联的地理数据集合。 地理数据库与一般数据库相比具有以下特点：数据量特别大、不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间数据、数据应用的面相当广。空间查询与空间分析1、 什么是空间数据的查询和空间数据的分析？查询：根据空间特征本身的特性及与其他特征之间的空间关系，用一定方式查询满足条件的特征。分析：利用空间特征之间的空间关系通过空间运算得到新的信息或知识。空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态等信息。2、 对空间数据的查询有哪些形式和手段？空间几何查询：应用GIS本身具有的几何量算的功能，查询空间特征的几何参数、空间定位查询（图形属性）、空间关系查询（空间拓扑关系查询和缓冲区查询）、SQL（结构化查询语言）查询（可以根据图形查询到属性或根据属性条件查询到相应的图形）。3、 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。4、 什么是缓冲区分析？请举例说明它有什么用途。对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲区多边形图，然后将这个图层与需要进行缓冲区分析的图层进行叠置分析，得到所需的结果。例如：1）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；2）要分析因道路拓宽而需拆除的建筑物和需搬迁的居民，则需进行线缓冲区分析；3）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。5、 泰森多边形有什么特点？如何建立？答：泰森多边形的特性是：1）、每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据；2）、泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近；3）、位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。建立步骤：1、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。2、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。3、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。4、计算每个三角形的外接圆圆心，并记录之。5、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。6、 常用的网络分析有哪些？对GIS应用有何价值？请举几个例子说明。（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。（3）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。6、 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。8、 地形分析有哪些主要内容及其运算模型？主要内容：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=arcos2x*y/y (zi,j+1+zi,j-zi+1,j+1-zi+1,j)2+x(zi,j+zi+1,j-zi+1,j+1-zi,j+1)2+4x2*y21/2坡向=tan-1(x*A(j)/ y*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=y2 (zi,j+zi,j+1-zi+1,j-zi+1,j+1)2/4+x2(zi,j+1+zi+1,j+1-zi,j-zi+1,j)2/4+x2y21/2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=*G*sinh(a*cost+b*sint+cos*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；：坡度。淹没边界计算：H1=H-1/2xtgH2=H+1/2xtgzi,j=1当zi,jH2; zi,j=0当zi,jH2叠置分析：同一地区，同一比例尺的两个或两个以上的图层进行叠置（其中至少有一个图层是多边形图层亦称基本图层，其它图层可以是点、线、面图层）。生成具有多重属性的新的图层和属性。1、GIS的输出产品类型有：图形（地图）、图像、统计图表及各种格式的数字产品。1、 叙述基于GIS的地学应用模型的建模步骤和方法。数学建模的一般步骤： 数据采集：通过实地调查或测量，采集必要的数据，输入计算机，建立数据库； 图形显示：利用某些绘图软件或根据实际经验，调用已知数据，作出曲线图； 曲线拟合：采用统计回归分析的方法，用已知曲线拟合实际曲线； 模型建立：简化实际问题，提出恰当的假设，并利用适当的数学工具，刻划变量之间的关系，建立相应的数学结构，并求得相应