地理信息系统原理与方法核心考点.pdf

中国地质大学 武汉 自制讲义中国地质大学 武汉 自制讲义 地理 地理信息系统信息系统原理与方法 核心考点原理与方法 核心考点 1 地理信息系统原理与方法核心考点地理信息系统原理与方法核心考点 第一章第一章 绪论绪论 1 地理信息系统地理信息系统 名词解释 填空题 名词解释 填空题 地理信息系统是在在计算机硬 软件的支持下 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 并回答用户问题等为主要任务 的计算机系统 2 地理信息地理信息 名词解释 名词解释 填空题 填空题 定义 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 是指与研究对象的空间地理分布有关的信息 特性 1 地域性 地理信息属于空间信息 位置的识别与数据相联系 它的这种定位特征是 通过公共的地理基础来体现的 这是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志 2 多维结构 在二维空间编码基础上 实现多专题的第三维信息结构的组合 为地理 系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供方便 3 时序特征 时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化 可以按时 间尺度将地理信息划分为超短期的 如台风 地震 短期的 如江河洪水 秋季低温 中期的 如土地利用 作物估产 长期的 如城市化 水土流失 超长期的 如地壳 变动 气候变化 实时的 GIS 系统要求能及时采集和更新地理信息 使得地理信息具有现势性 3 信息与数据信息与数据 名词解释 填空题 名词解释 填空题 信息 信息 是现实世界在人们头脑的反应 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 是客观事物的存在及演变情况的反应 注 特征 客观性 适用性 可传输性和共享性 数据 数据 是指输入计算机中并能被计算机处理的一切现象 数字 文字 符号 图像 注 信息是数据的内涵 是数据的内容和解释 数据是信息的表达 载体 4 地理信息系统地理信息系统的组成的组成 填空题填空题 硬件系统 单机模式 局域网模式 广域网模式 软系统件 支持数据采集 存储 加工 回答用户问题的计算机程序系统 主要包括计算机系统软件 地理信息系统软件和数据库软件三部分 地理空间数据 GIS 的操作对象 实质是以地球表面空间位置为参照 描述自然 社会和人文经济景观的数据 应用分析模型 系统开发 管理和使用人员 应用人员 注 地理信息系统软件包括五类基本模块 数数据输入和检验 数据存储和管理 数 据变换 数据输出和显示 用户接口 其中数据变换的目的 从数据中消除错误 更新数据 与其他数据库匹配 为回答GIS提出的问题而采用大量数据分析的方法 5 地理信息地理信息系统系统的基本功能 填空题 简答题 的基本功能 填空题 简答题 1 数据采集与输入 2 数据编辑与更新 3 数据存储与管理 4 空间查询与分析 5 空间决策支持 6 数据显示与输出 2 注 空间查询与分析是 GIS 的核心 是 GIS 区别其他信息系统的本质特征 其方法 主要包含 空间查询 叠加分析 缓冲区分析 网络分析 地形分析 6 地理信息系统的发展 填空题 地理信息系统的发展 填空题 国际发展概况国际发展概况 起步阶段 20 世纪 60 年代 地理信息系统起源于北美 世界第一个地理信息系 统 加拿大地理信息加拿大地理信息系统 系统 CGIS 是 1963 年由加拿大测量学家提出并建立的 发展阶段 20 世纪 70 年代 美国 加拿大 英国 西德 瑞典和日本等国对 GIS 的研究均投入了大量人力 物力 财力 技术应用阶段 20 世纪 80 年代 计算机的迅速发展和普及 地理信息系统也 逐 步走向成熟 并在全世界范围内全面地推向应用阶段 普及阶段 20 世纪 90 年代 美国的 国家信息基础设施 National Information Infrastructure 简称 NII 行动计划 数字地球 数字中国 数字省区 数字城 市 数字小区 直到 企业信息化 电 子商务 数字通讯 虚拟现实 注 当前地理信息系统正向集成化 产业化和社会化方向发展 主要呈现以下形态 1 地理信息系统已成为一门综合性技术 2 地理信息系统集成化的发展势头强劲 3 地理信息系统网络化已构成当今社会的热点 4 地理信息科学的产生和发展 国内的发展情况 国内的发展情况 准备阶段 1978 年 1980 年 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 起步阶段 1981 年 1985 年 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 发展阶段 1986 年 90 年代 制定了国家地理信息系统规范 解决信息共 享和系统兼容问题 为全国地理信息系统的建立作准备 应用型 GIS 发展迅速 在引进的基础上扩充和研制了一批软件 开始出版有关地理信息系统理论技术和应 用等方面的著作 并积极开展国际合作 参与全球性地理信息系统的讨论和实验 推广阶段 90 年代末 现在 我国 GIS 技术在技术研究 成果应用 人才培养 软件开发等方面进展迅速 并力图将 GIS 从初步发展时期的研究实验 局部应用推向 实用化 集成化 工程化 为国民经济发展提供辅助分析和决策依据 7 地理信息系统软件地理信息系统软件 简答题 简答题 国外 国外 美国 ERSI 公司的 ArcGIS Intergraph 公司的 MGE MapInfo 公司的 MapInfo 加拿大阿波罗科技集团的 Titan GIS 等 国内 国内 中国地质大学的 MapGIS 北京超图公司的 SuperMap 北京大学的 Citystar 武汉大学的 Geostar 北京灵图公司的 VRMap 中国林业科学研究院的 VIEWGIS 等 注 以 ArcGIS MapGIS 为例简述其特点 ArcGIS ArcGIS 具有强大的矢量化数据处理平台 操作简便 适合批量处理 属性查询 空间分析等操作 自 1982 年 6 月 ARC INFO 1 0 推出以来 目前已更新到 ArcGIS10 3 除了常用的二维操作之外 在三维数据创建 管理与显示等方面也具有大幅度提升 3 此外 ArcGIS 在支持云 GIS 时间 GIS 的同时 还追求 GIS RS 一体化 MapGIS MapGIS 是我国具有自主知识产权的国土 GIS 软件 可以实现数据输入 数据编 辑 数据转换 空间分析等功能 现已推出 MapGIS 10 提高了对海量数据的浏览和 查询速度 可以满足用户长时间并发访问的要求 除此之外 MapGIS 10 可对三维模 型进行快速建立和一体化管理 并可对三维数据进行综合可视化和融合分析 在二次 开发方面 MapGIS 实现了云管理平台 采用模块集成化 可以快速实现组件式 嵌入 式以及网络应用型 GIS 大幅度提升了开发效率 8 地理信息系统与其他学科的联系与区别 简答题 论述题 地理信息系统与其他学科的联系与区别 简答题 论述题 GIS 与地图学与地图学 GIS 是以地图数据库 主要来自地图 为基础 最终产品之一也是地图 GIS 是地 图学理论 方法与功能的延伸 地图学强调图形信息传输 GIS 则强调空间数据处理与分析 GIS 与一般事务数据库与一般事务数据库 数据库技术具有很好的管理 分析和处理数据的功能 数据库技术是 GIS 的主要支撑技术之一 GIS 属性数据库部分相当于一般数据库 GIS 数据库比一般数据库结构要复杂得多 GIS 与计算机地图制图与计算机地图制图 计算机地图制图系统强调的是图形表示 GIS 既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法 可综合图形和属性的数据进行 深层次的空间分析 数字地图是 GIS 的数据源 也是 GIS 表达形式 GIS 与计算机辅助设计与计算机辅助设计 CAD 共同点共同点 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 都能处理非图形属性数据 区别区别 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 GIS 处理的多为自然目标 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 目前 GIS 与 CAD 仍有不同的侧重和特长 但它们主流技术之间的融合仍在不断 扩展之中 注 注 地理信息系统与其他系统的区别地理信息系统与其他系统的区别 1 地理信息系统 地理信息系统 GIS 与计算机辅助绘图系统 与计算机辅助绘图系统 CAD 的主要区别 的主要区别 GIS 具有空间数据的利用和分析功能 4 通过开发和应用适当的数据模型 用户可以使用 GIS 的空间分析功能来研究现实世 界 用户可以将各种空间分析组合成一个操作序列 从已有模型来求得一个新模型 而 这个新模型就可能展现出数据集内部或数据集之间新的或未曾明确的关系 从而深化 我们对现实世界的理解 2 地理信息系统与一般管理信息系统地理信息系统与一般管理信息系统 共同点 共同点 都是以计算机为核心的信息处理系统 都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点 都随着数据库技术的发展在不断的改进和完善 区别 区别 在硬件上 为了处理图形和图像数据 系统需要配置专门的输入和输出设备 如 数字化仪 绘图机 图形图像的显示设备等 许多野外实地采集和台站的观测所得到 的资源信息是模拟量形式 系统还需要配置模 数转换设备 这些设备往往超过中 央处理机的价格 在软件上 则要求研制专门的图形和图像数据的分析算法和处理软件 这些算法 和软件又直接和数据的结构及数据库的管理方法有关 在信息处理的内容和采用目的方面 一般的管理信息系统一般的管理信息系统主要是查询检索和统计 分析处理的结果 最终形成规定格式的表格数据 而地理信息系统地理信息系统除了基本的信息检 索和统计分析外 主要用于分析研究资源的合理开发利用 制定区域发展规划 地区 的综合治理方案 对环境进行动态的监视和预测预报等 为国民经济建设中的决策提 供科学依据 为生产实践提供信息和指导 第二章第二章 空间数据结构空间数据结构 1 空间认知三层模型空间认知三层模型 填空题 填空题 2013 年 一般而言 GIS 空间数据模型由概念数据模型概念数据模型 逻辑数据模型逻辑数据模型和物理数据模型物理数据模型三个不 同的层次组成 概念数据模型是关于实体和实体间联系的抽象概念集 主要有矢量数据模型 栅 格数据模型 矢量 栅格一体化数据模型 注 所谓概念模型 是对用户信息需求的综合分析 归纳 形成一个不依赖于空间 数据库管理系统的信息结构理论模型 常用的建模工具有 E R 模型 实体 关系模型 UML 模型 其中 E R 模型中有三个要素 实体 属性 联系 逻辑数据模型表达概念模型中数据实体 或记录 及其间关系 常用模型包括层 次模型 网络模型和关系模型 物理数据模型则描述数据在计算机中的物理组织 存储路径和数据库结构 2 空间数据与地图空间数据与地图 填空题 填空题 空间数据空间数据的的概念 概念 空间数据是以点 线 面等方式采用编码技术对空间物体进行特 征描述及在物体之间建立相互联系的数据集 地图的概念 地图的概念 地图是表达客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型 是反应地 理实体的图形 是对地理实体的简化和再现 空间信息的描述 空间信息的描述 空间信息可以从三个方面描述 位置信息 非位置信息 属性信 息 时间信息 5 3 空间实体模型空间实体模型 填空题 填空题 2014 年 含义 含义 空间实体是存在于自然世界中地理实体 与地理空间位置或特征相关联 在 空间数据中不可再分的最小单元现象称为空间实体 类型 类型 基本的空间实体有点 线 面和体四种类型 描述方法 描述方法 对空间实体描述的有两种方法 一种是基于对象的描述 另一种是基于 场的描述 注 对象模型对象模型在计算机中常用矢量数据结构表示 矢量数据结构用空间离散点坐标 来描述地理空间实体 场模型场模型在计算机中常用栅格数据结构表示 4 地理实体地理实体的基本特征及的基本特征及数据类型数据类型 填空题 填空题 属性数据 描述空间对象的属性特征的数据 也称非几何数据 定位数据 描述空间对象的空间特征的数据 也称几何数据 一般用经纬度或 X Y 坐标来表示 关系数据 描述空间对象之间的空间关系的数据 关系特征 一般通过拓扑关系表达 注 地理实体在模型中表示为要素 要素是由几何实体和属性组成 几何实体是地 理对象的外观特征或可视化形状 5 矢量矢量数据结构数据结构 填空题 名词解释 填空题 名词解释 概念概念 通过记录空间对象的坐标及其空间关系来表达地理实体的一种数据结构 点实体 记录点坐标和属性代码 线实体 记录两个或一系列采样点的坐标 并加属性代码 面实体 记录边界上一系列采样点的坐标 由于多边形封闭 边界为闭合环 加面域属性代码 6 栅格数据结构栅格数据结构 填空题 名词解释 填空题 名词解释 概念概念 指将地表区域划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列 每个网格作为一个像元 或像素 其坐标位置可以用行号和列号确定 并包含一个代码表示该像元的属性类型 或量值 点实体 由单个像元来表达 线实体 由在一定方向上连接成串的相邻像元的集合来表达 面实体 由聚集在一起的相邻像元的集合来表达 栅格数据的组织方式 栅格数据的组织方式 以像元为记录的序列 不同层上同一像元位置上的各属性值表示为一个列数组 以层为基础 每一层又以像元为序记录它的坐标和属性值 一层记录完后再记 录第二层 这种方法较为简单 但需要的存储空间最大 以层为基础 每一层内则以多边形 也称制图单元 为序记录多边形的属性值 和充满多边形的各像元的坐标 7 栅格数据层 栅格数据层 简答题 名词解释简答题 名词解释 在栅格数据结构中 物体的空间位置就用其在笛卡尔平面网格中的行号和列号坐 标表示 物体的属性用像元的取值表示 每个像元在一个网格中只能取值一次 同一 像元要表示多重属性的事物就要用多个笛卡尔平面网格 每个笛卡尔平面网格表示一 种属性或同一属性的不同特征 这种平面称为层 地理数据在栅格数据结构中必须分 层组织存储 每一层构成单一的属性数据层或专题信息层 8 拓扑关系其类型拓扑关系其类型 简答题 填空题 简答题 填空题 2013 年 6 概念 概念 拓扑关系是指网结构元素结点 弧段 面域之间的空间关系 在拓扑变换 平移 缩放等操作下保持不变的空间关系 主要表现为下列三种关系 拓扑邻接拓扑邻接 指存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系 拓扑关联 拓扑关联 指存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系 最基本拓扑关系最基本拓扑关系 拓扑包含 拓扑包含 指存在于空间图形中的面与其它元素之间的关系 注 其他拓扑关系 层次关系 指存在于空间图形中的相同拓扑元素之间的等级关系 拓扑连通 拓扑元素之间的通达关系 如点连通度 面连通度 9 拓扑拓扑数据结构数据结构 简答题 简答题 面 弧段关系 弧段 结点关系 结点 弧段关系 弧段 面关系 10 拓扑关系的意义 简答题 拓扑关系的意义 简答题 拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系 不需要利用坐标或距离就可 以确定一个地理实体相对于另一个地理实体的空间位置关系 并且这种拓扑数据较之 几何数据具有更大的稳定性 即它不随地图投影而变化 有助于空间要素的查询 利用拓扑关系可以解决许多实际问题 根据拓扑关系可重建地理实体 11 栅格坐标系统的确定栅格坐标系统的确定 由于栅格编码一般用于区域性 GIS 原点的选择常具有局部性质 但为了便于区 域的拼接 栅格系统的起始坐标应与国家基本比例尺地形图公里网的交点相一致 并 分别采用公里网的纵横坐标轴作为栅格系统的坐标轴 12 栅格单元尺寸的原则方法栅格单元尺寸的原则方法 简答题简答题 1 原则 原则 应能有效地逼近空间对象的分布特征 又减少数据的冗余度 栅格太大 忽 略较小图斑 信息被丢失 栅格太小 会增加存储数据量 2 方法 方法 用保证最小多边形的精度标准来确定尺寸经验公式 H min Ai 1 2 H 为栅格单元边长 Ai 为区域所有多边形的面积 13 栅格单元代码 属性值 的确定栅格单元代码 属性值 的确定 填空题填空题 中心归属法 取位于栅格中心的属性值为该栅格的属性值 长度占优法 每个栅格单元的值由该栅格中线段最长的实体的属性来确定 面积占优法 栅格单元属性值为面积最大者 重要性法 取重要的属性值为栅格属性值 14 栅格栅格数据压缩编码数据压缩编码 链式编码链式编码 又称为弗里曼链码或边界链码 右图多边形边界 可以表示为 由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢 量链 若基本方向可定义为 东 0 南 3 西 2 北 1 如果再 确定原点为像元 10 1 则该多边形界按顺时方向的链式编 面 构成面的弧段 弧段 弧段两端的结点 结点 结点关联的弧段 弧段 左面 右面 图 1 图 2 7 码为 0 1 02 3 02 1 0 3 0 1 03 32 2 33 02 1 05 32 22 3 23 3 23 1 22 1 22 1 22 1 22 13 行程编码行程编码 只在各行 或列 数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数 即按 属性值 重复个数 编码 图 3 可沿行方向进行行程编码 1 行 3 3 4 5 2 行 3 4 4 4 3 行 1 1 3 3 4 3 2 1 4 行 1 2 3 3 2 3 5 行 1 4 3 1 2 3 6 行 1 4 2 4 7 行 1 5 2 3 8 行 1 5 2 3 逐个记录各行 或列 代码发生变化的位置和相应的代码 即按 位置 属性值 编码 图 3 可沿列方向进行行程编码 1 列 1 3 3 1 2 列 1 3 4 1 3 列 1 3 5 1 4 列 1 4 2 3 5 1 5 列 1 4 4 3 6 2 7 1 6 列 1 4 4 2 7 列 1 4 4 2 8 列 1 4 3 2 按行 或列 记录相同代码的始末像元的列号 或行号 和相应的代码 即按 起 位 止位 属性值 编码 图 3 可沿行方向进行程编码 1 行 1 3 3 4 8 4 2 行 3 4 3 5 8 4 3 行 1 1 1 2 4 3 5 7 4 8 8 2 4 行 1 2 1 3 5 3 6 8 2 5 行 1 4 1 5 5 3 6 8 2 6 行 1 4 1 5 8 2 7 行 1 5 1 6 8 2 8 行 1 5 1 6 8 2 块式编码 块式编码 将行程编码扩大到二维的情况 把多边形范围划分成由像元组成的正方 形 然后对各个正方形进行编码 块式编码数据结构中包括 3 个数字 块的原点坐标 可以是块的中心或块的左下 角像元的行 列号 和块的大小 块包括的像元数 再加上记录单元的代码 属性值 组成 图 4 说明如何对图 3 所示栅格地图进行分块 其块式编码如下 1 1 2 3 1 3 1 3 1 5 3 4 1 8 1 4 2 3 1 3 2 4 1 3 2 8 1 4 3 1 1 1 图 4 图 3 8 3 2 1 3 3 3 2 3 3 8 1 2 4 1 1 1 4 2 1 1 4 5 1 3 4 6 1 2 4 7 2 2 5 1 4 1 5 5 1 3 5 6 1 2 6 5 1 2 6 6 3 2 7 5 1 1 8 5 1 1 四叉树编码四叉树编码 将图像区域按四个大小相同的象限四等分 每个象限又可根据一定规 则判断是否继续等分为次一层的四个象限 无论分割到哪一层象限 只要子象限上仅 含一种属性代码或符合既定要求的少数几种属性时 则停止继续分割 否则就一直分 割到单个像元为止 这种分块过程如图 5 a 所示 而块状结构则用四叉树来描述 如 图 5 b 所示 按照象限递归分割的原则所分图像区域的栅格阵列应为 2n 2n n 为分割 的层数 的形式 注 所谓四叉树结构 即把整个 2n 2n 像元组成的阵列当作树的根结点 树的高度 为 级 最多为 级 每个结点有分别代表南西 SW 南东 SE 北西 NW 北东 NE 四个象限的四个分支 四个分支中要么是树叶 要么是树叉 树叶不能继 续划分 说明该四分之一范围或全属多边形范围或全不属多边形范围 该结点代表子 象限具有单一的代码 树叉不只包含一种代码 说明该四分之一范围内 部分在多边 形内 另一部分在多边形外 因而必须继续划分 直到变成树叶为止 四叉树编码有 指针四叉树编码和线性四叉树编码两种方法 15 矢量与栅格数据结构的比较矢量与栅格数据结构的比较 矢量数据矢量数据 栅格数据栅格数据 数据存储量小 数据存储量大 空间位置精度高 空间位置精度低 用网络连接法能完整描述拓扑关系 难于建立网络连接关系 输出简单容易 绘图细腻 精确 美观 输出速度快 但绘图粗糙 不美观 可对图形及其属性进行检索 更新和综合 便于面状数据处理 数据结构复杂 数据结构简单 获取数据慢 快速获取大量数据 数学模拟困难 数学模拟方便 多种地图叠合分析困难 多种地图叠合分析方便 不能直接处理数字图像信息 能直接处理数字图像信息 空间分析不容易实现 空间分析易于进行 边界复杂 模糊的事物难以描述 容易描述边界复杂 模糊的事物 数据输出的费用较高 技术开发费用低 第三章第三章 地理信息系统地理信息系统的的数学基础数学基础 1 大地水准面大地水准面 名词解释 名词解释 海水处于静止状态 把海水面延伸到大陆之下形成包围整个地球的连续表面 图 5 a 图 5 b 9 2 椭球元素椭球元素 填空题 填空题 地球椭球的形状和大小常用长半径 a 赤道半径 短半径 b 极地半径 扁率 第一偏心率 第二偏心率 e 表示 3 常用的椭球面坐标系及我国地形图比例尺常用的椭球面坐标系及我国地形图比例尺 填空题 2014 年 常用的椭球面坐标系 国家大地坐标系 高斯平面直角坐标系统 UTM 坐 标系 WGS 84 世界大地坐标系 独立坐标系 我国基本比例尺地图有 1 100 万 1 50 万 1 25 万 1 10 万 1 5 万 1 2 5 万 1 1 万和 1 5000 4 地理空间地理空间 GIS 中地理空间一般被定义为绝对空间和相对空间两种形式 注 注 绝对空间是具有属性描述的空间几何位置的集合 由一系列不同位置的空间坐 标组成 相对空间是具有空间属性特征的实体集合 由不同实体之间的空间关 系构成 5 大地控制 填空题 名词解释 大地控制 填空题 名词解释 1 地理坐标系 地理坐标系是以地理极 北极和南极 为极点 过 P 点作椭球面的垂线 称之为过 P 点的法线 过旋转轴的平面与椭球面的截线叫经线或子午线 过 P 点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面 所夹的二面角 叫做 P 点的地理经度 简称经度 通常用字母 表示 法线与赤道面的交角 叫做 P 点的地理纬度 简称纬度 通常以字母 表示 概念 概念 地面上任意点 M 的地理位置可由经度 L 和纬度 B 来确定 记成 M L B 经线和纬线是地球表面上两组正交 相交为 90 度 的曲线 这两组正交线构成的坐标 称为地理坐标系 2 中国大地坐标系 1954 年北京坐标系 采用克拉索夫斯基椭球元素 1980 年国家坐标系 采用 1975 年国际大地测量推荐的参考椭球 新 54 年北京坐标系 将全国大地网整体平差的结果整体换算到克拉索夫斯基椭 球体上 形成一个新的坐标系 称为新 54 年北京坐标系 它与 80 年国家大地坐标系 的轴定向基准相同 网的点位精度相同 CGCS2000 坐标系 国务院批准的于 2008 年 7 月 1 日启用的大地坐标系 采用 的是ITRF97框架2000 0历元 其坐标原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心 注 WGS84 坐标系不是我国大地坐标系统 但在 GPS 定位中 定位结果属于 WGS84 坐标系 坐标系原点位于质心 Z 轴指向 BIH1984 0 协议地极 CTP 3 高程系 高程分有绝对高程 又称海拔高程 和相对高程 绝对高程是指由高程基准面起 算的地面点的垂直高度 地面点之间的高程差 称为相对高程 简称高差 高程基准 面是根据验潮站所确定的多年平均海水面而决定的 4 大地控制网 大地控制网由平面控制网和高程控制网组成 6 投影变形投影变形 填空题 简答题 填空题 简答题 图 6 10 原因 原因 地球表面是一个不规则的曲面 要把这样一个曲面表现到平面上 就会发生 裂隙或褶皱 分类 分类 长度变形 面积变形 角度变形 7 地图投影 名词解释 地图投影 名词解释 2014 年 定义定义 是建立地球椭球表面与地图平面之间点与点或线与线之间的一一对应关系 若地球表面上有一点 M 它在地图平面上对应的点 x y 按地图投影的定 义 其数学表达式 分类分类 根据地图投影的变形 内蕴的特征 分类 等角投影 等面积投影 任意投影 根据投影面与地球表面的相关位置分类 根据正轴投影时经纬网的形状分类 圆锥投影 投影中纬线为同心圆圆弧 经线 为圆的半径 且经纬间的夹角与经差成正比例 该投影按变形性质又可分为等角 等面积和任意 主要为等距离 圆锥投影 等角圆锥投影也称为兰勃特 Lambert 正形圆锥投影 正轴等面积割圆锥投影亦叫亚尔 勃斯 Albers 投影 圆柱投影 投影中纬线为一组平行直线 经线为垂直于纬线的另一组平行 直线 且两相邻经线之间的距离相等 该投影按变形性质可分为等角 等面积和任意 包括等距离 圆柱投影 等角 圆柱投影亦叫墨卡托 Mercator 投影 它在海图和小比例尺区域地图上有广泛应用 等角横切椭圆柱投影 即著名的高斯 克吕格 Gauss kruger 投影 等角横割椭圆柱 投影即通用横轴墨卡托 UTM 投影 它们都广泛用于编制大比例尺地形图 方位投影 投影中纬线为同心圆 经线为圆的半径 且经线间的夹角等于 地球面上相应的经差 该投影有非透视方位投影和透视方位投影之分 非透视方位投影按变形性质 可分为等角 等面积和任意 包括等距离 方位投影 等面积方位投影亦称为兰勃特 Lambert 等面积方位投影 等距离方位投影又称为波斯托 Postel 投影 伪圆锥投影 投影中纬线为同心圆圆弧 经线为交于圆心的曲线 伪圆柱投影 投影中纬线为一组平行直线 而经线为某种曲线 伪方位投影 投影中纬线为同心圆 而经线为交于圆心的曲线 多圆锥投影 投影中纬线为同轴圆圆弧 其圆心在中央直径线上 而经线 为对称中央直径线的曲线 8 经纬网与方里网 名词解释 经纬网与方里网 名词解释 经纬网经纬网 由经线和纬线我织构成的坐标网 又称地理坐标网 方里网方里网 方里网等于投影坐标轴的两组平行线构成的方格网 每隔整公里绘出坐标 纵线和坐标横线 方厘网同时平行于直角坐标轴的坐标网线 故又称直角坐标网 注 直角坐标网以中央经线投影后的直线为 x 轴 以赤道投影后的直线为 y 轴 它 们交点为坐标原点 我国位于北半球 为了避免 y 坐标出现负值 规定纵坐标轴向西 图 7 11 平移 500km 每个带的坐标完全相同 为了指出投影带是哪一带 规定要在横坐标之 前加上带号 9 GIS 中地图投影的设计与配置一般原则中地图投影的设计与配置一般原则 简答题 简答题 1 所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图投影系统一致 2 系统一般地只考虑至多采用两种投影系统 一种服务于大比例尺的数据处理与输入 输出 另一种服务于中小比例尺 3 所用投影以等角投影为宜 4 所用投影应能与网格坐标系统相适应 即所采用的网格系统在投影带中应保持完整 10 高斯高斯 克吕格投影 简答题 填空题 克吕格投影 简答题 填空题 2014 概念 概念 是一种横轴等角切椭圆柱投影 它是将一椭圆柱横套在于地球椭球体上 使 该椭圆柱面与地球椭球的某一经线相切 椭圆柱的中心轴位于赤道 根据一定的约束 条件 即投影条件 将中央经线两侧规定范围内的点投影到椭圆柱面上从而得到点的 高斯投影 基本条件 基本条件 中央经线和地球赤道投影成为相交直线且为投影的对称轴 投影后没有角度变形 中央经线上没有长度变形 且等变形线为平行于中央经线的直线 变形特点 变形特点 中央经线上没有长度变形 同一条纬线上 离中央经线越远 变形越大 同一条经线上 纬度越低 变形越大 注 1 我国的各种地理信息系统中都采用了与我国基本比例尺地形图系列一致的 地图投影系统 大于等于大于等于 1 50 万时采用高斯万时采用高斯 克吕格投影克吕格投影 1 100 万采用正轴等角万采用正轴等角 割圆锥投影 割圆锥投影 这种坐标系统的配置与设计是因为 我国基本比例尺地形图中大于等于 1 50 万的地图均采用高斯 克吕格投影为地理 基础 我国 1 100 万地形图采用正轴等角割圆锥投影 其分幅与国际百万分之一所采用 的分幅一致 我国大部分省区图多采用正轴等角割圆锥投影和属于同一投影系统的正轴等面积割 圆锥投影 正轴等角圆锥投影中 地球表面上两点间的最短距离 即大圆航线 表现为近于直线 这有利于地理信息系统中空间分析和信息量度的正确实施 2 我国规定 1 2 5 万 1 50 万地形图采用经差 6 分带 大于等于 1 1 万比例尺 采用经差 3 分带 我国领土位于东经 72 至 136 对于 6 带我国共有 11 个投影带 即 13 23 带 11 正轴等角圆锥投影 简答题 正轴等角圆锥投影 简答题 概念 概念 将一个圆锥其轴与地球椭球旋转轴重合的套在椭球上 按等角的条件把地球 椭球上经纬线投影到圆锥面上 然后沿一母线 经线 将圆锥面且开展成平面 即是 正轴等角圆锥投影 变形特点 变形特点 角度没有变形 即投影前后对应的微分面积保持图形相似 故可称为正形投影 等变形线和纬线一致 同一条纬线上的变形处处相等 两条标准纬线上没有任何变形 12 在同一经线上 两条标准线外侧为正变形 长度比 1 而两条标准线外侧为 负变形 长度比 1 同一条纬线上 等经差的线段长度相等 两条纬线间的经纬线长度相等 12 投影变换的方法投影变换的方法 填空题 填空题 解析变换法 找出两投影间坐标变换的解析计算公式的两种方法 反解变换法 先解出原地图投影点的地理坐标 对于 x y 的解析关系式 将其代入新图的投影公式中求得其坐标 正解变换法 直接求出两种投影点的直角坐标关系式 数值变换法 原投影点的坐标解析式不知道 或不易求出两投影之间坐标的直接关 系 利用若干同名数字化点 对同一点在两种投影中均已知其坐标的点 采用插值法 有限差分法或多项式逼近的方法 即用数值变换法来建立两投影间的变换关系式 数值解析变换法 当已知新投影的公式 但不知原投影的公式时 可先通过数值变 换求出原投影点的地理坐标 然后代入新投影公式中 求出新投影点的坐标 第四章第四章 地理信息系统数据输入地理信息系统数据输入 1 数据来源数据来源 了解 了解 地图数据 按内容可划分为普通地图和专题地图 遥感影像 分辨率 变形规律 纠正 解译特征 实测数据 数字资料 格式 精度 统计数据 文本报告 监测数据 2 数据规范化和标准化数据规范化和标准化 简答题 简答题 统一的地理基础 是地理信息系统建立的基础 统一的分类编码原则 数据交换格式标准 标准的数据采集技术规程 我国现已研究和制定了两个技术规程 图形数据采集 技术规程和摄影测量数据采集的技术规程 数据标准化所面临的问题 3 数据输入数据输入 名词解释 名词解释 概念 概念 数据输入是对GIS所管理 处理的数据进行必要编码和写入数据库的操作过程 任何 GIS 都必须考虑空间数据和属性数据 非空间数据 两方面数据的输入 4 扫描数字化输入 扫描数字化输入 1 扫描前准备 原图准备 记录格式 光孔孔径 计算坐标差 注 注 二值化 细化 矢量化 断线修复 要素提取 符号识别 属性赋值 5 空间空间数数据质量据质量 名词解释 简答题 名词解释 简答题 概念 概念 空间数据质量指 GIS 中空间数据 几何数据和属性数据 的可靠性 通常用空间 数据的误差来度量 误差是指数据与真值的偏离 数据质量问题数据质量问题 1 微观方面 定位精度 属性精度 逻辑一致性 分辨率 2 宏观方面 完整性 时间性 地域性 数据档案 注 定位精度指 GIS 的空间坐标数据与其真实的地面位置之间的误差 可分为偏差 和偏移两种 6 空间数据交换标准的方式空间数据交换标准的方式 由于空间数据模型的不同 空间数据的定义 表达和存储方式也不同 因而数据 13 交换也需要统一的标准 外部数据交换标准 这类标准通常是 ASCII 码文件 用户可以通过阅读说明书来直 接读写这种外部数据格式 GIS 的外部数据交换格式通常包括 矢量数据交换格式 栅格数据交换格式 数字高程模型交换格式 特点 自动化程度不高 速度较慢等 但它可解决不同 GIS 之间的数据转换问题 它 仍然是实现数据共享的主流方式 空间数据互操作协议 制定一套各方都能接受的标准空间数据操纵函数 通过调用 这些函数以互相操作对方的数据 特点 比外部数据交换标准方便 但由于各种软件存储和处理空间数据的方式不同 空间数据的互操作函数又不可能很庞大 因此往往不能解决所有问题 空间数据共享平台 服务器存放空间数据 采用客户机 服务器体系结构 各种 GIS 通过一个公共的平台在 服务器存取所有数据 以避免数据的不一致性 特点 思路较好 但现有的 GIS 软件各有自己的底层 要统一平台目前难以实现 统一数据库接口 在对空间数据模型有共同理解的基础上 各系统开发专门的双向转换程序 将本系统 的内部数据结构转换成统一数据库的接口 特点 这种方式的前提 首先要求对现实世界进行统一的面向对象的数据理解 这不 易实现的 目前 外部数据交换标准仍是实现数据共享的主流方式 7 误差来源误差来源 简答题 简答题 阶段 误 差 来 源 测量 人差 对中误差 读数误差 平差误差 仪器差 不完善 缺乏检校 未 作改正 环境影响 气候 气压 温度 磁场 信号干扰 风 光源 GPS 数据误差 信号精度 接收机精度 定位方法 处理算法 坐标变换 轨道 信号等 等 遥感 仪器差 摄影平台 传感器的结构及稳定性 信号数字化 光电转换 分 辨率 解译误差 制图 展绘控制点 编绘 清绘 综合 复制 套色等 输入 原稿质量 操作员人为误差 经验技能 生理因素 工作态度 纸张变形 数字化仪精度 数字化方式等 处理 几何改正 坐标变换 投影变换 数据编辑 数据格式转换 拓扑匹配 地图叠置等 输出 比例尺误差 输出设备误差 媒质不稳定等 使用 用户错误理解信息造成的误差 不正确地使用信息造成的误差等 第五章第五章 地理信息系统数据处理地理信息系统数据处理 1 数据编辑数据编辑 名词解释 名词解释 数据编辑又叫数字化编辑 它是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工 其 主要目的是在改正数据差错的同时 相应地改正数字化资料的图形 14 2 窗口操作窗口操作 简答题简答题 窗口操作是交互式图形编辑系统的重要工具 利用窗口我们既可以观察图形的全 景 又可移动窗口观察图形的不同部分 还可以将图形局部放大 观察其细部 使图 形的编辑 修改 设计更加方便 精确 3 拓扑关系的建立拓扑关系的建立 一般建立拓扑关系有手工建立和自动建立两种方法 4 误差校正误差校正 控制点选择 经纬网交点 方里网交点 三角点 水准点 图廓点 误差校正方法 一次变换 同素变换 仿射变换 二次变换 高次变换 分块校正 三角网校正 四边形校正 注 1 同素变换同素变换是一种较复杂的一次变换形式 其函数式为 主要性质 直线变换后仍为直线 但同一线段上长度比不是常数 平行线变 换后为直线束 同一线束中经一割线的交叉比在变换前后保持不变 通过同一割 线上相应各点的线束的交叉比在变换前后也保持不变 2 仿射变换仿射变换是一种比较简单的一次变换 其表达式为 式中 3 对 待定系数 只要知道不在同一直线上的 3 个对应点坐标都可求得 实际应用时 往往利用 4 个以上对应点坐标和最小二乘方法求解变换系数 以提高变换精度 仿射变换的特点 直线变换后仍为直线 平行线变换后的仍为平行线 并保持简 单的长度比 不同方向上上的长度比发生变化 3 二次和高次变换二次和高次变换 这两种变换是实施地图内容转换的多项式拟合方法 它由下列多 项式表达 A 和 B 代表三次以上高次项之和 上式是高次曲线方程 符合此方程的变换称为高次变换 若不考虑 A 和 B 则上 式为二次曲线方程 注 注 4 7 个控制点 双线性变换 8 19 个控制点 二次变换 20 49 个控制点 三 次变换 50 个控制点以上 用四次变换 控制点增加 位置精度增加 但计算量加大 5 坐标变换坐标变换 名词解释 填空题 名词解释 填空题 概念 概念 坐标转换是指用一定的数学方法将一种坐标系的坐标转换为另一种坐标系的 坐标的过程 包括两方面的内容 即不同坐标系统之间的转换和不同投影系统之间的 转换 意义 意义 空间数据的坐标转换是保证空间数据一致性 兼容性和可转换性的前提 是 GIS 实现多源数据无缝集成和正确进行空间分析及成果显示的基础 方法 方法 相似变换 仿射变换 6 空间数据压缩与光滑 名词解释 填空题 空间数据压缩与光滑 名词解释 填空题 空间数据压缩空间数据压缩 在空间数据输入计算机后 有时为了减少数据的存贮量节省存贮 空间 加快后继处理速度 把大量的原始数据转换为有用的 有条理的 精炼而简 单的信息的过程 这就称为数据简化或数据压缩 注 注 数据压缩的主要对象是线状要素中心轴线和面状要素边界数据 常用的压缩方 Bybxybxbybxbyxfy Ayaxyaxayaxayxfx 2 2212 2 11212 2 2212 2 11211 15 法有 间隔取点法 垂距法 合并法 偏角法 分裂法 道克拉斯 普克法 曲线光滑曲线光滑 在进行图形输出时 又需要将以前压缩的数据恢复成其原本来面目 必须对它们进行光滑 这称为曲线光滑 7 矢量数据矢量数据向向栅格数据的栅格数据的转化转化 原因 原因 矢量方式表达的地理数据位置精度较高 具有显式地建立目标的空间关系的 能力 适合于实体对象的几何转换及拓扑关系描述 且图形输出效率较高 但叠加分 析的算法复杂 空间分析效率低 栅格表达方式具有叠加分析的算法简单 空间分析 效率高的优点 但无法满足拓扑关系分析的要求 且图形表达精度不能令人满意 对 图形的输出效率也很低 在实际应用中 需要对所表示的实体进行分析 选取合适的 组合表达方式 方法方法 将点 线 面对象转化为栅格像元的过程称为栅格化 首先选择像元的大小 然后检测地理对象是否落在这些像元上 记录存在或空缺以及其他属性 一般根据行 或列方向上的扫描来完成 生成一个二维阵列 1 点对象的栅格化 点对象的栅格化过程就是要将点的矢量坐标转换为栅格行列号 设 O 为矢量数据的坐标原点 O 为栅格数据的坐标原点 X0 Y0 格网的行平行 于 x 轴 格网的列平行于 y 轴 P 为制图要素的任意一点 则该点在矢量和栅格数据 中分别表示为 x y 和 I J 其转换公式为式中 DX DY 分别表示一个 栅格的宽和高 栅格通常为正方形 DX DY 表示取整 2 线对象的栅格化 在矢量数据中 曲线是用折线来逼近的 这里只需说明直线是如何被栅格化的 并介绍其中两种比较主要的转换方法即八方向栅格化和全路径栅格化 八方向栅格化 这种方法的特点是在保持方向连通的前提下 栅格影像看起来 最细 在每行或每列上 只有一个像元被 涂黑 全路径栅格化 全路径栅格化是按行计算起始列号和终止列号 或按列计算起 始行号和终止行号 的方法 3 3 面对象的栅格化 矢量格式的面对象向栅格格式转换又称为多边形填充 即在矢量表示的多边形边 界内部的所有栅格点上赋以相应的多边形编码 形成栅格数据阵列 主要的算法如下 内部点扩散算法内部点扩散算法 该算法由每个多边形一个内部点 种子点 开始 向其八个 方向的邻点扩散 判断各个新加入点是否在多边形边界上 如果在边界上 则该新加 入点不作为种子点 否则把非边界点的邻点作为新的种子点与原有种子点一起进行新 的扩散运算 并将该种子点赋以该多边形的编号 重复上述过程直到所有种子点填满 该多边形并遇到边界停止为止 复数积分算法复数积分算法 复数积分算法的实质是对全部栅格阵列逐个栅格单元地判断该 栅格归属的多边形编码 判别方法是由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分 对某个多边形 如果积分值为 2 r 则该待判点属于此多边形 赋以多边形编号 否则 在此多边形外部 不 属于该多边形 16 射线算法射线算法 射线算法可逐点判断数据栅格点在某多边形之外或在多边形内 由 待判点向图外某点引射线 判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数 如相交偶 数次 则待判点在该多边形外部 如为奇数次 则待判点在该多边形内部 扫描算法扫描算法 扫描算法是射线算法的改进 将射线改为沿栅格阵列或行方向的扫 描线 判断与射线算法相似 该算法省去了计算射线与多边形边界交点的大量运算 提高了效率 边界代数算法边界代数算法 边界代数算法 Boundary Algebra Filling BAF 是边界代数多 边形填充算法的简称 也称炸弹算法 它是一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式 转换算法 8 栅格数据矢量化栅格数据矢量化 填空题填空题 1 点的矢量化 点的矢量化通过反解点的栅格化公式来进行 2 线状栅格影像的矢量化 线状栅格影像的矢量化一般采用两种算法思想 细化 矢量化和非细化矢量化 3 面状栅格数据的矢量化 对于面状栅格数据进行矢量化 只要通过逐行扫描 先找到一个要素集合的边缘点 然后沿面状要素的边缘跟踪 直到整个面域的边界 包 括外沿及可能的各内沿 跟踪结束 即封闭 为止 第六章第六章 空间数据管理空间数据管理 1 空间数据库的概念 名词解释 空间数据库的概念 名词解释 2014 年 空间数据库是指以特定的信息结构和数据模型表达 存储和管理从地理空间中获 取的某类空间信息 以满足不同用户对空间信息需求的数据库 2 空间数据库的特征空间数据库的特征 空间数据库具有一般数据库所共有的特征 数据集中控制 在文件管理方法中 文件是分散的 文件之间一般是没有联系的 不能按照统一的方法来控制 维护和管理 而数据库则很好地克服了这一缺点 可 以集中控制 维护和管理有关数据 数据独立 数据库中的数据独立于应用程序 包括数据的物理独立性和逻辑独立 性 这给数据库的使用 调整 优化和进一步扩充提供了方便 提高了数据库应用 系统的稳定性 数据共享 数据库中的数据可以供多个用户使用 每个用户只与数据库中的一部 分数据发生联系 用户数据可以重叠 用户可以同时存取数据而互不影响 大大提 高了数据库的使用效率 较小的数据冗余 数据库中的数据不是面向应用 而是面向系统 数据是按照一 定的数据模型组织 描述和存储 并进行集中管理 具有较小的冗余度 也提高了 数据的一致性 统一的数据保护功能 多用户共享数据资源时 严格检查用户使用数据 规定用 户的访问和存取权限