GIS与环境信息系统复习20070612(NXPowerLite).doc

环境信息系统复习第一章 绪论一、基本概念1、信息和数据信息（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。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。信息来源于数据（Data）。数据是一种未经加工的原始资料。数字、文字、符号、图像都是数据。数据是客观对象的表示和信息的载体，而信息则是数据内涵，是数据的内容和解释。 2、环境信息环境信息是有关环境实体的性质、特征和运动状态的表征，是对表达环境特征与现象之间关系的环境数据的解释。3. 环境信息系统环境信息系统是以环境空间数据数据库为基础，在计算机硬、软件系统支持下，对环境相关数据进行采集、储存、管理、运算、分析、模拟和显示，并采用空间模型分析方法适时提供多种空间和动态的环境信息并应用和传播环境信息，为决策服务而建立起来的计算机技术系统。 环境信息系统作为现代计算机技术和信息技术的产物，是地理信息系统（GIS）在环境科学研究中的重要应用，以实现环境信息的收集、存储、加工、传递与更新，为环境管理与环境科学研究服务。二、基本内容1、环境信息的特征环境信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：（1）区域分布性。环境信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分布或更新也应是分布式。（2）数据量大。环境信息既有空间特征，又有属性特征，另外还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，我们每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。这必然对数据处理与分析带来很大压力。（3）信息载体的多样性。描述环境实体可以用文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。（4）环境信息的动态特征。2、环境信息系统的基本构成一个实用的环境GIS系统，要支持对空间环境数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其基本组成一般包括以下五个主要部分：1)、系统硬件：包括各种硬件设备，是系统功能实现的物质基础；2)、系统软件：支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统；3)、空间数据：系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；4)、应用人员：GIS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；5)、应用模型：解决环境预测和决策的应用模型，是环境GIS系统的关键所在。3、环境信息系统的功能l 数据的采集、检验与编辑；l 数据的格式化和转换；l 数据的存储、组织和管理；l 查询与统计；l 空间分析；l 输出4、环境信息系统的应用课程论文；PP9-11第二章 环境信息技术基础1、地理坐标系大地坐标确定后，空间一点的大地坐标用大地经度L、大地纬度B和大地高度H表示。如左图所示，地面上的点P地的大地子午面NPS与起始大地子午面所构成的二面角L，叫点P地的大地经度，由起始子午面起算，向东为正，向西为负。点P地对于椭球的法线P地Kp与赤道面的夹角B，叫做点P地的大地纬度，由赤道面起算，向北为正，向南为负。点P地沿法线到椭球面的距离H叫做大地高，从椭球面起算，向外为正，向内为负。2、地图投影将椭球面上各点的大地坐标按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标，通常称为地图投影。地图投影的实质是将地球椭球面上的经纬网按照一定的数学法则转移到平面上。 x=F1(L,B) 、y=F2(L,B) 式中（L，B）是椭球面上某一点的大地坐标，而（x,y）是该点投影平面上的直角坐标。3、我国GIS中地图投影的应用 (1)我国基本比例尺地形图中1:50万的图均采用高斯克长格投影。 (2)我国1：100万地形图采用正轴等角割圆锥投影 (3)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。 (4)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GIS中空间分析和信息量度的正确实施。第三章 数据的输入与输出表达1、环境数据的基本特征环境数据是各种环境空间实体或现象的抽象化、符号化和描述。目前环境空间数据的采集、处理和分析已成为环境管理、环境保护、环境动态监测、环境影响评价等工作的基础。 环境空间数据的三大特征： 空间特征：空间位置数据描述地物所在位置。这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标；描述实体间空间关系特征，如拓扑关系、度量关系、方向关系等。 属性特征：表示实体的特性、属性特征、实际现象或特征。在地图上以数字、符号、文本等表示，在空间数据库中通常表现为关系数据表的属性项。 时间特征：指实体或现象随时间的变化或数据采集的时间等。很多环境空间数据随时间变化显著。在环境信息系统中，环境数据分为空间特征数据（定位数据）、时间属性数据（尺度数据）和专题属性数据（非定位数据）。2、环境信息的获取途径信息类型获取途径空间信息野外观测、遥感、现场调查、地图、已有资料属性信息现场调查取样、社会调查、地图、已有资料3、遥感的特点l 探测覆盖面积/范围大，空间一致性好l 多种空间分辨率，适应不同应用l 周期性覆盖，可进行动态监测和分析l 信息客观、准确l 获取的信息量大4、图形数据的采集图形数据的输入实际上就是图形的数字化过程。 GIS中矢量数据的采集主要包括地图跟踪数字化与地图扫描数字化。5、环境信息系统输出类型 1）各类地图； 2）统计图表和文字报告； 3）电子数据； 4）其它6、专题地图（1）、专题地图的特征 1）只将一种或几种与主题相关联的要素特别完备而详细地显示，而其它要素的显示较为概略或不显示； 2）内容更加广泛多样； 3）表现现象的现状及其分布、动态变化及发展规律（2）、专题地图的构成 （1）专题地图的数学要素 （2）专题地图的专题要素 （3）专题地图的地理底图要素（3）、专题地图的内容选择 （1）专题地图的地理底图内容 （2）专题地图的专题内容（4）、专题内容的表示方法1）定点符号法；2）现状符号法； 3）点值法； 4）等值线法 ；5）范围法； 6）质底法；7）定位图表法 ；8）分级统计图法；9）分区统计图表法； 10）运动线法7、ArcView专题地图制作步骤 （1）选择专题地图类型。 （2）选择地图的专题变量。 （3）自定义专题地图。 第四章 环境空间的数据结构1、数据结构所谓数据结构就是空间数据的逻辑关系和数据表示。数据结构类型：栅格数据结构、矢量数据结构、矢量栅格一体化数据结构2、拓扑关系所谓拓扑关系是指明确定义空间关系的一种数学方法，是不随地图投影变形和空间变换而改变的空间关系。在环境信息系统中用来描述并确定空间实体的点、线、面之间关系及属性，并可实现相关的查询和检索。3、空间数据的拓扑关系拓扑邻接：空间图形中同类元素之间的拓扑关系。拓扑关联：空间图形中不同类元素之间的拓扑关系。拓扑包含：空间图形中，面状实体所包含其它面状实体或线状、点状实体的关系。4、矢量数据结构 矢量结构是通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体。 特点：定位明显，属性隐含。 获取方法： (1) 手工数字化法； (2) 手扶跟踪数字化法； (3) 数据结构转换法。5、几种典型的矢量数据结构6、栅格数据栅格结构是最简单最直观的空间数据结构，又称为网格结构(raster或grid cell)或像元结构(pixel)，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素,由行、列号定义，并包含一个代码,表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。7、压缩栅格数据编码技术 链式编码(Chain Codes)：编码规则为：链式编码的前两个数字表示起点的行、列数，从第三个数字开始的每个数字表示单位矢量的方向，八个方向以07的整数代表。 游程长度编码(Run-Length Codes)： 块式编码(Block Codes)：块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置(行、列号)和半径，再加上记录单元的代码组成。 四叉树编码(Quadtree Encoding)：四又树结构的基本思想是将一幅栅格地图或图像等分为四部分。逐块检查其格网属性值(或灰度)。如果某个子区的所有格网值都具有相同的值。则这个子区就不再继续分割，否则还要把这个子区再分割成四个子区。这样依次地分割，直到每个子块都只含有相同的属性值或灰度为止。 8、矢量结构与栅格结构的比较比较内容矢 量 结 构栅 格 结 构数据结构复杂简单数据量小大图形精度高低图形运算、搜索复杂、高效简单、低效软件与硬件技术不一致一致或接近遥感影像格式要求比较高不高图形输出显示质量好、精度高， 但 成本比较高输出方法快速，质量低，成本比较低廉数据共享不易实现容易实现拓扑和网络分析容易实现不易实现第五章 环境空间数据库1、数据库、数据库管理系统、数据库系统 数据库： 数据的集合。由DBMS统一管理，多用户共享。w 数据库管理系统DBMS： 系统软件，对数据库进行统一管理和控制。w 数据库系统： 带有数据库的整个计算机系统，包括硬件、软件、数据、人员。2、数据库的主要特征l 数据集中控制特征l 数据冗余度小的特征 l 数据独立性特征l 复杂的数据模型l 数据保护3、数据库的系统结构数据库是一个复杂的系统。数据库的基本结构可以分成三个层次：物理级、概念级和用户级。1）概念模式，亦称模式。是数据库的总框架。描述数据库中关于目标存储的逻辑结构和特性，基本操作和目标与目标及目标与操作的关系和依赖性，以及对数据的安全性、完整性等方面的定义。所有数据都按这一模式进行装配。概念模式由概念模式描述语言DDL来进行描述。2）内模式亦称存储模式。是对数据库在物理存储器上具体实现的描述。它规定数据在存储介质上的物理组织方式、记录寻址技术，定义物理存储块的大小，溢出处理方法等。与概念模式相对应。内模式由数据存储描述语言DSDL进行描述。3）外模式，亦称子模式。是数据库用户的数据视图。它属于概念模式的一部分，描述用户数据的结构、类型、长度等。所有的应用程序都是根据外模式中对数据的描述而不是根据概念模式中对数据的描述而编写的。在一个外模式中可以编写多个应用程序，但一个应用程序只能对应一个外模式。根据应用的不同，一个概念模式可以对应多个外模式，外模式可以互相覆盖。外模式由外模式描述语言SDDL进行具体描述。4、数据模型数据模型大体可以分为两种类型：一种是独立于计算机之外的，如实体关系模型、语义数据模型等，它们不涉及信息在计算机中如何表示，常称概念模型；另一种模型是直接面向计算机的，它们以记录为单位构造数据模型，如数据库中常用的层次模型、网状模型和关系模型等。5、实体与实体之间的联系可以分为以下三种：1）一对一的联系，这是最简单的一种实体之间的联系，它表示两个实体集中的个体间存在的一对一的联系。记为1：1。现实世界中的实体之间的各种联系2）一对多的联系，这是实体间存在的较普遍的一种联系，表示一种实体集E1中的每个实体与另一实体集E2中的多个实体间存在的联系；反之，E2中的每个实体都至多与E1中的一个实体发生联系。记为1：m。3）多对多的联系，这是实体间存在的更为普遍的一种联系，表示多个实体集之间的多对多的联系。其中，一个实体集中的任何一个实体与另一个实体集中的实体间存在一对多的联系；反之亦然。记为m:n。 6、请分别用层次模型、网络模型、关系模型、面向对象模型表示下列图形。（1）层次模型（2）网状模型Mabcdefg123456（3）关系模型（4）面向对象模型M面点线654321bfedac7、实体关系模型（ER模型）ER模型即实体联系模型，它是概念设计的主要方法和最常用的表达形式。ER模型的基本语义单位是实体与联系。ER模型可以形象地用图表表示，称为ER图。在ER图中，以矩形框表示实体类型，用椭圆表示实体类型和联系类型的属性，所有类型和属性都以相应的名称记入框内。联系类型和相关实体类型间以直线相连，并在直线的两端标明联系的种类（1：M，M：N或1：1）。 ER图学号SNO姓名SNME系别DEPART出生年月BDATE学生S所属SCL班级CLASS班号CLNO班名CLNAME班长MONITOR排座SS教室座位SIE排号ROW列号COLUMN选课SC成绩GRADE课程C课程号CNO课程名CNAME学时LHOUR开课时间SEMESTERnm1n11性别SEX身高HEIGHT8、数据库设计内容9、数据仓库数据仓库：通常是一个面向主题的、集成的、随时间变化的、但信息本身是相对稳定的数据集合，用于对管理决策过程的支持。10、元数据元数据是关于数据的数据，描述了数据仓库的数据和环境。用于描述其起源、意义和由来等。其主要目标是提供数据资源的全面指南。11、数据字典数据字典为元数据描述符提供了标准的词汇，并促进数据挖掘技术。数据字典一般用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。数据字典是关于数据库中数据的描述，即元数据，而不是数据本身。数据字典是系统开发的一项重要的基础工作，它在需求分析阶段建立，在数据库设计过程中不断修改、充实、完善。数据字典可存储在计算机中，并可用一个数据字典软件来管理。第七章 环境信息的空间分析1、空间分析的步骤 (1)建立分析目的和评价标准例：建一公园进行选址（目的）标准： 交通便利、环境优雅 设计成环绕一个天然小河 可利用面积大、少沼泽地 (2)收集、输入空间和属性数据包括地理底图数据、地籍数据、土壤数据等。 (3)做空间位置的处理和分析作空间位置的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分析、叠置分析等）；作属性数据的处理和分析（加所需的属性项、好地价）。(4)获得简要的分析结果 包括地图和表格 (5)解释和评价结果解释和评价结果，若不满意，返回(1)、(2)、(3)任一处重做。(6)以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。2、缓冲区分析缓冲区是地理空间目标的一种影响范围或服务范围，具体指在点、线、面实体的周围，自动建立的一定宽度的多边形。缓冲区生成实质是一种参考了属性的图形运算。生成缓冲区的主要目的是为了进一步进行空间叠置分析或图形运算。如对水源保护缓冲区与土地利用图层进行叠置分析，就可知道土地利用的合理性程度和进一步调整的方向。（1）点的缓冲区生成：以点为圆心，以一定距离为半径画圆。 （2）线的缓冲区生成：分别对每一个顶点和每条边生成缓冲区，然后对这些缓冲区多变性进行叠置操作。（3）面的缓冲区生成：首先生成多边形周长的缓冲区（线缓冲区），然后与原多边形进行叠置操作，多变性缓冲区有内外侧之分。（4）多重缓冲区生成：以不同的半径首先分别生成一定宽度的缓冲区，然后对不同半径的缓冲区进行叠置操作。3、ArcView中缓冲区建立方法 打开所需地图表将其显示在地图窗口中。 选择“地图”“图层控制”命令，“图层控制”对话框出现。 选择要包含所创建缓冲区多边形的图层并使其可编辑。 选择要为其中对象创建缓冲区的图层，使其可选择并单击“确定”。 选择要为其创建缓冲区的对象。 选择“对象”“缓冲区”命令，“缓冲区对象”对话框出现，如图6-2所示。 输入缓冲区半径，可以是分数值。 从下拉式列表中选择缓冲区半径单位。 输入缓冲区多边形的光滑度。 选择是为所有选中对象创建一个缓冲区还是为每个选中对象创建一个缓冲区，单击“确定”按钮。可编辑图层中出现缓冲区多边形。4、泰森多边形在设施负荷分析中的应用 以污水处理厂为例 收集相关资料，包括城市污水处理场的分布位置、主要工业、生活污水排放点、排放量、排放浓度等； 确定目标位置，即各污水处理场的具体位置； 确定度量单位和度量函数，即各项污染物的浓度指数、计算方法、相关量化标准等； 确定分析区域，即整个城区范围； 确定各处理场影响范围，以各污水处理场位置作为平面离散点，构建点集平面Voronoi图； 分析统计各Voronoi多边形内的污水排放量、排放浓度； 将各污水处理场的Voronoi多边形内各项污染物指标与污水处理场的规划处理能力进行比较分析，即可获得该污水处理场负荷状况，为城市规划和环境管理提供辅助决策信息。5、叠置分析叠置分析是把分散在不同层上的空间属性信息按相同的空间位置加到一起，合成为新的一层，该层的属性由被叠加层各自的属性组合而成。这种组合可是简单逻辑合并的结果，也可是复杂的函数运算结果。 拓扑叠加分析是环境信息系统最基本最常用的分析功能。合成叠置和统计叠置：合成叠置 统计叠置INTERSECT仅保留落在输入地图和叠加地图共同区域范围的那些要素，布尔运算使用AND，即（输入地图）AND（叠加地图）。UNION 通过把两幅地图的区域范围联合起来而保持来自输入地图和叠加地图的所有地图要素。布尔运算使用关键字OR，即（输入地图） OR （叠加地图） 。IDENTITY仅仅保留落在由输入地图定义的区域范围内的地图要素，（输入地图）AND（叠加地图）OR（输入地图）6、网络分析GIS的网络分析是依据网络的拓扑关系，通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面的一种分析计算。 网络分析的基础是图论和运筹学。请依据迪克斯特拉（Dijkstra）算法给出下图网络问题中节点0到节点5的最短路径的具体计算步骤和结果。说明：上图中，10，30中，10表示时间，30表示距离。符号定义：P：存放永久标号的节点集（set of nodes with permanent labels）；T：存放临时标号的节点集（set of nodes with temporary labels）；Uj：表示节点 0 到节点 j 距离的最短路径值的集合（set of minimum length(s) expressed in intervals from node 0 to node j）；di j：节点 i 到节点 j 的距离（distance between nodes i and j）。步骤1 Set U0 =0, 0,U1 =30, 80, U2 =10, 30 U3=U4=U5 =+,P=0 T=1, 2, 3, 4, 5 minU1, U2=mind01, d02=min30, 80, 10, 30=10, 30U2(节点 2 成为永久节点)步骤2 P=0, 2U2 =10, 30 T=1, 3, 4, 5 U1=mind01, U2+d21=min30, 80, 10, 30+40, 40=min30, 80, 50, 70=50, 70 (这里应用了距离最小化的规则)U4=U2+d24 =10, 30+20, 60=30, 90 U3=U5 =+minU1, U4=50, 70U1 (节点 1 成为下一个永久节点)步骤3 P=0, 2, 1 U1 =50, 70 T=3, 4, 5 U3 =U1+d13=50, 70+10, 20=60, 90 U4=minU2+d24,U1+d14=min30, 90, 50, 70+8, 10=m