地理信息复习资料.doc

第一章：绪论1、 地理信息系统是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统特征：v 数据的空间定位特征 v 空间关系处理的复杂性v 海量数据管理能力2、 信息系统由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成，具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统。 信息系统的分类：v 数据处理对象 空间信息系统、非空间信息系统v 应用层次 事务处理系统、管理信息系统、决策支持系统 3、 数据（Data）是人类在认识世界和改造世界过程中，定性或定量对事物和环境描述的直接或间接原始记录，是一种未加工的原始资料，是客观对象的表示。4、 信息（Information）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。5、 数据和信息都具有客观性、适用性、可传输性和共享性6、 地理数据是各种地理特征和现象以他们之间关系的数字化表示。7、 地理数据和信息都具有空间上的分布性、数量上的海量性、载体的多样性和位置与属性的对应性等特征。8、 地理信息具有空间特征、时间特征、属性特征三大特征9、 GIS功能数据采集功能数据编辑与处理数据存储、组织与管理功能空间查询与空间分析功能数据输出功能第二章：地理空间数学基础1、地理空间的数学基础是GIS空间位置定位、量算、转换和参与空间分析的基准。地理空间的数学基础主要包括地球空间参考、空间数据投影及坐标转换、空间尺度及地理格网。2、地球表面的4 类几何模型：v 地球的自然表面v 大地水准面 v 地球椭球面v 数学模型 3、坐标系统的基本参数：v 球面坐标系 地球椭球 一个大地基准面v 平面坐标系 地球椭球 一个大地基准面 投影规则4、高程 表示地球上一点至参考基准面的距离，就一点位置而言，它和水平量值一样是不可缺少的。 5、不同高程体系的参考面： 正 高 大地水准面 正常高 似大地水准面 大地高 地球椭球面6、投影 建立两个点集之间一一对应的映射关系地图投影 按照一定的数学法则，将地球椭球面上的经纬网转换到平面上，建立地面点位的地理坐标（B，L） 与地图上相应的平面直角坐标（X，Y）之间的一一对应关系。 7、地图投影方法：几何透视法、数学解析法 8、 高斯克吕格投影属于横轴等角切圆柱投影。这种投影是将椭圆柱面套在地球椭球的外面，并与某一子午线相切（此子午线叫中央子午线或中央经线），椭圆柱的中心轴通过地球椭球的中心，然后用等角条件将中央子午线东西两侧各一定经差范围内的地区投影到柱面上，并将此柱面展成平面，即获得高斯投影。 高斯克吕格投影变形特征在同一条经线上，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 带范围内，长度最大变形不超过0.149、空间坐标转换 把空间数据从一种空间参考系映射到另一种空间参考系中。也 称投影变换。 主要用来解决换带计算、地图转绘、图层叠加、数据集成等问题。对于空间坐标变换两个层面的解释： 1、投影的转换 2、单纯坐标值的变换不同地理坐标基准下的坐标转换 ：地理坐标基准的变换、坐标值的变换10、数值解析变换是先采用多项式逼近的方法确定原投影的地理坐标，然后将所确定的地理坐标代入新投影与地理坐标之间的解析式中，求得新投影的坐标，从而实现两种投影之间的变换。11、空间尺度v 观测尺度v 比例尺 v 分辨率v 操作尺度12、尺度 在概念上是指研究者选择观察（测）世界的窗口。 观测尺度 研究的区域大小或空间范围13、地图比例尺的表示数字式：即用阿拉伯数字表示。 文字式：即用文字注解的方法表示。 图解式：用图形加注记的形式表示。直线比例尺、斜分比例尺和复式比例尺 无极比例尺 （数字制图中） 14、图像分辨率 是成像细节分辨能力的一种度量，也是图像中目标细微程度的指标，它表示景物信息的详细程度。v 光谱分辨率：对图像光谱细节的分辨能力v 时间分辨率：同一目标的序列图像成像的时间间隔v 空间分辨率：图像目标的空间细节在图像中可分辨的最小尺寸地面像元分辨率 是遥感仪器所能分辨的最小地面物体大小。操作尺度 是指对空间实体、现象的数据进行处理操作时应采用的最佳尺度。15、地理格网 是指按一定的数学规则对地球表面进行划分而形成的格网。v 地理坐标格网 优点：不随投影系统的选择而改变格网位置 缺点：格网对应的实地大小不均匀v 直角坐标格网 优点：实地格网大小均匀的优点 缺点：随选用的地图投影的不同而改变16、格网系统：1010格网系统：适用于表示海洋、气象、地球物理等领域的信息46格网系统：适用于表示陆地与近海地区全国或省（区）范围内各种地理信息直角坐标格网系统：适用于表示陆地与近海地区进行规划、设计、施工等应用需要的地理信息17、格网设计原则v 科学性v 系统性v 实用性v 可扩展性18、区域多边形系统：由点、线、面等图形元素为基础所形成的空间数据的组织系统。多边形大致有两大类型：v 按地理要素分布自身的质量特征划分v 按综合的自然和社会要素，并考虑管理、规划和决策需要划分19、区域多边形划分的原则：v 须与我国历史上长期形成的信息收集、统计和分析单元相一致v 须与国家现行管理制度相一致v 要充分考虑到国家今后在资源开发、环境保护方面的发展需要v 要与格网系统的设计相适应v 须充分考虑到它们的相对稳定性，使其具有修改、合并和上下延伸的可能性v 须充分考虑到用户查询检索信息和进行分析决策的基本单元、途径和使用频率等第三章：空间数据结构1、地理空间是指地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域，地球上最复杂的物理过程、化学过程、生物过程和生物地球化学过程就发生在该区域。2、空间实体 对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的结果。空间实体具有4个基本特征：空间位置特征、属性特征、时间特征、空间关系特征3、地理信息中的数据类型，概括起来主要有5种： 几何图形数据、影像数据、属性数据、地形数据、元数据v 在具有智能化的GIS中还应有规则和知识数据。4、空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。空间关系主要有：v 拓扑空间关系：用来描述实体间的相邻、连通、包含和相关等关系。v 顺序空间关系：用于描述实体在地理空间上的排列顺序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系。v 度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离远近等关系。5、空间拓扑关系地图上的拓扑关系是指图形在保持连续状态下的变形（缩放、旋转和拉伸等）但图形关系不变的性质。v 邻接关系：同类元素之间的拓扑关系。如点与点、线与线、面与面；v 关联关系：不同类元素之间的拓扑关系。如点与线、线与点、线与面、面与点等；v 包含关系：不同类或同类不同级。如面与点、不同大小的面；v 连通关系：空间图形中弧段之间的拓扑关系。6、空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义：v 拓扑关系能够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，不随投影变换而变化。v 利用拓扑关系有利于空间要素的查询。v 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，进修最佳路径选择等。7、空间逻辑数据模型：矢量数据模型、栅格数据模型、矢栅一体化数据模型、镶嵌数据模型8、矢量数据结构是对矢量数据模型进行数据的组织。它直接以几何空间坐标为基础，记录实体坐标及其关系，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。 矢量数据结构中，传统的方法是几何图形及其关系用文件方式组织，而属性数据通常采用关系型表文件记录，两者通过实体标识符连接。矢量数据结构包括：v 实体数据结构v 拓扑数据结构9、拓扑数据结构没有固定的格式，还没有形成标准，但基本原理是相同的。拓扑数据结构的共同特点是：点是互相独立的，点连成线，线构成面。每条线始于起始节点，止于终止节点，并与左右多边形相邻接。拓扑数据结构主要有：索引式、双重独立编码、链状双重独立编码10、以规则格网阵列表示空间对象的数据结构称为栅格数据结构。v 栅格阵列中每个栅格单元的行列号确定位置，数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。v 栅格数据结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。v 栅格数据结构的显著特点是：属性明显，定位隐含；数据结构简单、数学模拟方便；缺点是：数据量大，难以建立实体间的拓扑关系，通过改变分辨率而减少数据量时精度和信息量同时受损。11、一个完整的栅格模型需要有几个参数：v 栅格形状v 栅格单元尺寸大小v （分辨率）v 栅格原点v 栅格倾角12、四叉树结构按其编码方式的不同又分为常规四叉树和线性四叉树13、链码数据结构首先采用弗里曼（Freeman）码对栅格中的线或多边形边界进行编码，然后再组织为链码结构。14、优 点缺 点矢量数据结构1.数据结构严密，冗余度小，数据量小；2.空间拓扑关系清晰，易于网络分析；3.面向对象目标的，不仅能表达属性编码，而且能方便地记录每个目标的具体的属性描述信息；4.能实现图形数据的恢复、更新和综合；5.图形显示质量好、精度高。1.数据结构处理算法复杂；2.叠置分析与栅格图组合比较难；3.数学模型比较困难；4.空间分析技术上比较复杂，需要更复杂的软、硬件条件；5.显示与绘图成本比较高。栅格数据结构1.数据结构简单，易于算法实现；2.空间数据的叠置和组合容易，有利于与遥感数据的匹配应用和分析；3.各类空间分析、地理现象模拟均较为容易；4.输出方法快捷简便，成本低廉。1.图形数据量大，用大像元减小数据量时，精度和信息量受损失；2.难以建立空间网络连接关系；3.投影变化实现困难；4.图形数据质量低，地图输出不精美。15、三个基本约定：v 点状地物仅有空间位置而无形状和面积，在计算机中仅有一个坐标数据；v 线状地物有形状和面积，在计算机中需要组织一组元子填满的路径表达；v 面状地物有形状和面积，在计算机中有一组元子表达的填满路径的边界线和内部（空洞外均填满）的区域组成16、 将地理区域划分为多级格网：粗格网、基本格网、细分格网第四章：空间数据组织与管理1、数据库是长期储存在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。 目前，数据库领域中最常用的数据模型有4种：v 层次模型v 网状模型v 关系模型v 面向对象模型2、地理信息系统的数据库（简称空间数据库或地理数据库）是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合，是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。 空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：v 数据量特别大v 数据包括空间数据、属性数据以及二者之间的关系v 数据应用广泛3、矢量数据的管理：文件-关系数据库混合管理、全关系数据库管理、对象-关系数据库管理4、图幅一般对应一块区域，常见的分幅方式有： 1）标准分幅 2）区域分幅5、空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。v 对象范围索引v 格网索引v 四叉树空间索引v R树和R+树空间索引第五章：空间数据采集与处理1、空间数据采集：野外数据采集、现有地图数字化、摄影测量方法、遥感图像处理方法v 野外数据采集：平板测量、全野外数字测图、空间定位测量v 地图数字化：手扶跟踪数字化、扫描矢量化2、属性数据的来源v 社会环境数据v 自然环境v 资源与能源3、图形数据编辑：常规错误： 伪节点 悬挂节点 碎屑多边形 不正规的多边形检查错误的方法： 建立拓扑 叠合比较法 目视检查法 逻辑检查法4、属性数据编码（1）属性数据编码方案的制定（2）层次分类编码（3）多源分类编码5、仿射变换是在不同的方向上进行不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球，将正方形变为平行四边形。相似变换是由一种图形变换为另一个图形，在改变过程中保持形状不变（大小可以改变）v 平移v 旋转v 缩放 橡皮拉伸通过坐标几何纠正来修正缺陷，主要针对几何变形，通常发生在原图上。6、矢量数据向栅格数据的转换点的栅格化线的栅格化多边形的栅格化7、矢量化过程：1）从图幅西北角开始，按顺时针或逆时针方向，从起始点开始，根据8个邻域进行搜索，依次跟踪相邻点，找出线段经过的栅格2）将栅格（i，j）坐标变成直角坐标（X，Y）3）生成拓扑关系4）去除多余点及曲线圆滑8、数据转换的内容包括空间数据、属性数据、拓扑信息以及相应的元数据和数据描述信息。实现途径：1）外部数据交换方式2）标准空间数据交换标准方式3）空间数据的互操作方式9、图形拼接具体步骤如下：1. 逻辑一致性的处理2. 识别和检索相邻图幅3. 相邻图幅边界点坐标数据的匹配4. 相同属性多边形公共边界的删除10、栅格数据的压缩：游程长度码、块状编码、四叉树法等矢量数据的压缩：间隔取点法、垂距法和偏角法、分裂法11、评价指标： 完备性 逻辑一致性 位置准确性 时间准确度 专题准确度12、评价方法 直接评价：对数据集通过全面检测或抽样检测方式进行评价的方法，又称验收度量。 间接评价：对数据的来源和质量、生产方法等间接信息进行数据集质量评价的方法，又称预估度量。空间数据的误差包括：随机误差、系统误差、粗差空间数据质量控制常见的方法有： 传统的手工方法 元数据方法 地理相关法13、元数据：关于数据的数据。用于描述地理数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征，它是实现地理空间信息共享的核心标准之一。其主要作用是： 帮组用户了解和分析数据 空间数据质量控制 在数据集成中的应用 数据存贮和功能实现第六章 空间数据查询与空间度量1、空间数据查询一般定义为从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。空间数据查询在GIS中的位置v GIS最基本的功能之一；v GIS空间分析的起始点；v GIS区别于其它数字制图软件的特征；v 空间查询不改变原有的数据集属性查询v 简单的属性查询v SQL查询v 扩展的SQL查询图形查询v 点查询v 矩形或圆查询v 多边形查询空间关系查询v 邻接关系查询v 包含关系查询v 关联关系查询2、SQL的基本语法为：Select From Where 3、缓冲区：根据点、线、面地理实体，自动建立其周围一定宽度范围的多边形，来表征特定地理实体对邻域的影响范围弯曲度是描述曲线弯曲程度的参数，定义为曲线长度与曲线两端点定义的线段长度之比质心是描述地理对象空间分布的一个重要指标。质心通常定义为一个多边形的几何中心。 在某些情况下，质心可以描述为分布中心，这种中心称为平均中心或重心。应用：跟踪某些地理分布的变化，如人口变迁，土地类型变化等 简化复杂目标的模型建立第七章：GIS基本空间分析1、空间分析是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息的分析技术，是地理信息系统的核心功能之一。空间分析的根本目的：通过对空间数据 的深加工或分析，获取新的信息。2、点与多边形叠置线与多边形的叠置多边形叠置点与多边形叠置，是指一个点图层与一个多边形图层相叠，叠置分析的结果往往是将其中一个图层的属性信息注入另一个图层中，然后更新得到的数据图层。 点与多边形的叠置分析 包含点的图层 包含多边形的图层 判断点包含在哪一个多边形里面，从而为点设置新的多边性属性 结果：将其中一个图层的属性信息注入另一个图层中，然后更新得到的数据图层。3、线与多边形叠置，同点与多边形叠置类似，用线图层叠置在多边形图层上，确定一条线落在哪个多边形内。 不同的是：线具有长度，可能被多边形分割线与多边形的叠置分析 包含线的图层 包含多边形的图层 判断线包含在哪一个多边形里面，从而为线设置新的多边性属性 结果：将多边形图层的属性信息注入另一个图层中，然后更新得到的数据图层。4、多边形的叠置分析：将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生输出层的新多边形要素，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的模型分析、地理特征的动态变化分析，以及图幅要素更新、相邻图幅拼接、区域信息提取等。 5、数学运算复合法：指不同层面的栅格数据逐网格按一定的数学法则进行运算，从而得到新的栅格数据系统的方法。 算术运算指两个以上的图层的对应网格值经加、减运算，而得到新的栅格数据系统的方法。函数运算指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。6、窗口分析（Neighborhood analysis）是对于栅格数据系统的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个有固定分析半径的分析窗口，并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算，或与其他层面的信息进行必要的复合分析，从而实现栅格数据有效水平方向的扩展分析。 窗口分析中的3个要素： 中心点 在单个窗口中的中心点可能是一个栅格点，或者是分析窗口的最中间的栅格点，窗口分析运算后的数值赋予它。 分析窗口大小与类型 依据单个窗口中的栅格分布状况 运算方式 图层根据窗口分析类型运算，依据不同的运算方式获得新的图层按窗口形状分类： 矩形窗口 圆型窗口 环型窗口 扇形窗口7、测度运算 范围统计（range）：是指分析窗口范围内统计值的范围 多数统计（majority）：是指分析窗口范围内绝大多数的统计值，频率最高的单元值 少数统计（Minority）：是指分析窗口范围内较少数的统计值，频率最低的单元值 种类统计（variety）：是指分析窗口范围内统计值的种类，不同单元值的数目8、滤波运算：如图像卷积运算、罗伯特梯度计算、拉普拉斯算法等，多用于遥感图像处理地形参数运算：如坡度坡向的运算，平面曲率、剖面曲率的计算，水域方向矩阵、水流累计举证的获得等9、追踪分析：对于特定的栅格数据系统，由某一个或多个起点，按照一定的追踪线索进行追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。10、网络分析是通过模拟、分析网络的状态以及资源在网络上的流动和分配等，研究网络结构、流动效率及网络资源等的优化问题的一种方法。11、1）线状要素 链2）点状要素:障碍、拐角点、节点、中心、站点12、网络中的属性：阻强：资源在网络流动中的阻力大小资源容量：指网络中心为了满足各链的需求，能够容纳或提供的资源总数量，也指从其他中心流向该中心或从该中心流向其他中心的资源总量。资源需求量：指网络系统中具体的线路、链、节点所能收集的或可以提供给某一中心的资源量。13、数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM）是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表示），高程数据常常采用绝对高程。v 特点：n 精度恒定性；n 表达多样性；n 更新实时性；n 尺度综合性。14、DEM对GIS的贡献v 数据采集方法的贡献v 空间数据内插技术的贡献v 空间数据组织和管理的贡献v 空间分析理论和方法的贡献15、规则格网DEM的优缺点v 优点： 结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，成为国家DEM的主要形式。 容易派生计算等高线、坡度、坡向、晕渲阴影等数据；v 缺点： 地形简单的地区存在大量冗余数据； 由于栅格过于粗略，不能精确表示地形的关键特征，如山峰、洼坑、山脊等；16、矢量等高线是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。 栅格等高线需要用插值方法来计算落在等高线以外的其他点的高程。 17、不规则三角网的优缺点v 优点： 能够随着地形的复杂程度进行变化，很好的描述起伏不定的地表； 不规则三角网（TIN）表示法克服了高程矩阵中冗余数据的问题； 能更加有效地用于各类以DTM为基础的计算；v 缺点： 结构复杂； 18、数字地形分析：基本因子分析v 斜坡因子 坡度、坡向、坡度变化率、坡向变化率等v 面积因子 表面积、投影面积、剖面积v 体积因子 山体体积、挖填体积v 面元因子 相对高差、粗糙度、凹凸系数、高程变异等19、空间数据的统计分析 着重于空间物体和现象的非空间特性的统计分析，解决的一个中心议题就是如何以数学统计模型来描述和模拟空间现象和过程。数据的空间统计分析 直接从空间物体的空间位置、联系等方面出发，研究既具有随机性又具有结构性，或具有空间相关性和依赖性的自然现象。目的：v 描述事物在空间上的分布特征（随机的、聚集的或规则的）v 分析数据的空间自相关性，空间自相关对空间格局的影响，如何利用这种关系构建模型20、空间统计分析与经典统计学的内容往往是交叉的。空间统计分析使用统计方法解释空间数据，分析数据在统计上是否是“典型”的，或“期望”的。主要内容包括：基本统计量、探索性数据分析、分级统计分析、空间插值、空间回归、空间分类21、探索性数据分析基本分析工具1. 直方图2. QQ图3. 变异函数4. Voronoi图22、直方图：v 对采样数据按照一定的分级方案（等间隔分级、标准分等）进行分级，统计采样点落入各个级别中的个数或占总采样数据的百分比，并通过条带图或柱状图表现出来。v 直方图可直观反映采样数据分布特征、总体规律，可以用来检验数据分布和寻找数据离群值。v 适用于空间对象为点和面的属性数据v 简单易用v 缺乏空间信息23、变异函数：n 半变异函数把方差变异的大小作为一个距离的函数，是地理学相近相似定理的定量化。n 用以定量描述空间变异和空间相关性，为克立金插值提供依据n 分析采样点分布格局n 空间克立金插值的基础24、Voronoi图：n 样点周围形成的一系列多边形n 又叫泰森多边形或Dirichlet图，最早由荷兰气候学家A.H.Thieessen提出，用来计算平均降雨量n GIS基础理论和算法中的重要内容，空间临近关系的建立、空间区域的划分、专题制图中的应用广泛。n Voronoi图基于空间点数据产生，由连接两邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成n N个在平面上有区别的点，按照最邻近原则划分平面，每个点与它最近邻区域相关联Voronoi图特点n 每个Voronoi图内仅含有一个离散点数据n Voronoi图内的点到相应离散点的距离最近n 位于Voronoi图边上的点到其两边的离散点的距离相等Voronoi图中多边形值可以采用多种分配和计算方法：1、简化（Simple）2、平均（mean）3、模式（mode）4、聚类（cluster）5、熵（entropy）6、中值（median）7、标准差（std.Dev）8 、四分位数间间隔（IQR）25、空间自相关的解释n 正自相关 属性值的差异随距离的变小越相似n 负自相关 属性值的差异随距离的变小越不相似n 零 属性值的差异与距离无关26、分级是对数据进行加工处理的一种重要方法，通过分级可以把数据划分成不同的级别，体现数据自身的特征，为应用研究及专题制图提供基础。v 常用的分级方法有等差分级法、等比分级法、逐渐增大分级或任意分级法等。v 应注意各级所包括的区域单位个数大致相等，并特别表示相对指标特别高的区域单元，以较好地反映制图对象的数量分布特征。数据分级的根本目的在于区分数据集中的个体差别，分级统计的过程就是区别个体性质的过程。 分级的应用目的有两点：一是为了分级后，制图效果好，有利于用户理解；二是用不同的分级方法来突出显示区域中的差异。分