2000年南京师范大学地理信息系统概论试题答案.doc

2000年南京师范大学地理信息系统概论试题一、名词解释（每题5分，共40分）1、国家信息基础设施（NII） 是一个国家范围的信息网络设施，连接政府、学校、工厂、企业、图书馆、博物馆、科研机构等的信息数据，使一个国家的人们可以共享资源，使任何人在任何地点、任何时间都可以把信息传输给世界上的另一个人，使人们通过信息的交流相互合作。NII的基本组成有通信网络、计算机设备、动态的信息和人。2、空间对象（实体） 是对复杂地理事物和现象进行简化抽象得到的结果，又称空间实体，它们的一个典型特征是与一定的地理空间位置有关，都具有一定的几何形态，分布状况以及彼此之间的相互关系。空间对象具有4个基本特征：空间位置特征、属性特征、时间特征和空间关系。3、拓扑结构为在点、线和多边形之间建立关联，以及彻底解决邻域和岛状信息处理问题而必须建立的数据结构。这种结构应包括以下内容：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）等。4、元数据（Metadata）元数据是指描述空间数据的数据，它描述空间数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征，是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化的保证，在一定程度上为空间数据的质量提供了保障。5、层次数据库模型 用层次结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为层次数据模型。层次结构是树结构，树的结点是记录类型，非根结点有且只有一个父结点。上一层 记录类型和下一层记录类型是1：N联系。记录之间的联系通过指针来实现，查询效率较高。6、GIS互操作 在异构的数据库或平台以及分布计算情况下出现的，具体指在异构环境下的两个或多个实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但仍然可以通过一个稳定的接口相互通信和协作，实现数据和数据处理的互操作，最终完成某一特定任务。这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等。与数据转换相比，它是“动态”的数据共享，独立于平台，具有高度的抽象性，是空间数据共享的发展方向。7、四叉树编码 对采用四叉树结构进行存储的数据进行压缩，以减少数据量，消除数据间的冗余。四叉树数据结构是将空间区域按照四个象限进行递归分割（2n2n，且n1），直到子象限的数值单调为止。凡数值（特征码或类型值）呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。这样，对同一种空间要素，其区域网格的大小，随该要素分布特征而不同。四叉树编码主要有常规四叉树编码和线性四叉树编码。常规四叉树编码除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达：四个叶结点指针，一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。这些指针不仅增加了数据贮存量，而且增加了操作的复杂性。常规四叉树主要在数据索引和图幅索引等方面应用。线性四叉树编码则只存贮最后叶结点的信息，包括叶结点的位置、深度和本结点的属性或灰度值。所谓深度是指处于四叉树的第几层上，由深度可推知子区的大小。线性四叉树叶结点的编号需要遵循一定的规则，这种编号称为地址码，它隐含了叶结点的位置和深度信息。最便于应用的地址码是十进制Morton码。8、空间索引指依据空间对象位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息。作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。主要有对象范围索引、格网索引、四叉树空间索引、R树和R+树空间索引。二、简述题（每题8分，共40分）1、简述栅格数据结构的三种数据组织方法。1）基于像元。以像元为独立存储单元，每一个象元对应一条记录，每条记录中的记录内容包括象元坐标及其各层属性值的编码；节省了许多存储坐标的空间，因为各层对应象元的坐标只需存储一次。2）基于层。以层为存储基础，层中又以象元为序记录其坐标和对应该层的属性值编码。3）基于面域。也以层作为存储基础，层中再以面域为单元进行记录，记录的内容包括：面域编号、面域对应该层的属性值编码、面域中所有栅格单元的坐标；同一属性的多个相邻象元只需记录一次属性值。基于象元的数据组织方式简单明了，便于数据扩充和修改，但进行属性查询和面域边界提取时速度较慢；基于层的数据组织方式便于进行属性查询，但每个象元的坐标均要重复存储，浪费了存储空间；基于面域的数据组织方式虽然便于面域边界提取，但在不同层中象元的坐标还是要多次存储。2、简述地理信息系统数据采集的方法及特点。A、空间数据采集1.野外数据采集：是GIS数据采集的一个基础手段。对于大比例尺的城市地理信息系统而言，野外数据采集更是主要手段。（1）平板测量：获取的是非数字化数据。虽然现在已不是GIS野外数据获取的主要手段，但由于它的成本低、技术容易掌握，少数部门和单位仍然在使用。平板仪测量包括小平板测量和大平板测量，测量的产品都是纸质地图。在传统的大比例尺地形图的生产过程中，一般在野外测量绘制铅笔草图，然后用小笔尖转绘在聚酯薄膜上，之后可以晒成蓝图提供给用户使用。当然也可以对铅笔草图进行手扶跟踪或扫描数字化使平板测量结果转变为数字数据。（2）全野外数字测图：全野外数据采集设备是全站仪加电子手簿或电子平板配以相应的采集和编辑软件，作业分为编码和无码两种方法。数字化测绘记录设备以电子手簿为主。还可采用电子平板内外业一体化的作业方法，即利用电子平板（便携机）在野外进行碎部点展绘成图。全野外空间数据采集与成图分为三个阶段：数据采集、数据处理和地图数据输出。数据采集是在野外利用全站仪等仪器测量特征点，并计算其坐标，赋予代码，明确点的连接关系和符号化信息。再经编辑、符号化、整饰等成图，通过绘图仪输出或直接存储成电子数据。数据采集和编码是计算机成图的基础，这一工作主要在外业完成。内业进行数据的图形处理，在人机交互方式下进行图形编辑，生成绘图文件，由绘图仪绘制地图。通常工作步骤为：先布设控制导线网，然后进行平差处理得出导线坐标，再采用极坐标法、支距法或后方交会法等，获得碎部点三维坐标。（3）空间定位测量：是GIS空间数据的主要数据源。目前，常用的空间定位系统主要有美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），俄罗斯的GLONASS全球导航卫星系统，以及欧洲的伽利略（GALILEO）导航卫星系统。我国的北斗导航卫星系统也在逐步完善之中，它必将给我国用户提供快速、高精度的定位服务，也必将给我国范围内GIS空间数据提供更为丰富、高效的空间定位数据。GPS自其建立以来，因其方便快捷和较高的精度，迅速在各个行业和部门得到了广泛的应用。它从一定程度上改变了传统野外测绘的实施方式，并成为GIS数据采集的重要手段，在许多应用型GIS中都得到了应用，如车载导航系统。GPS有3个组成部分：卫星、控制系统和用户。2.地图数字化：指根据现有纸质地图，通过手扶跟踪或扫描矢量化的方法，生产出可在计算机上进行存储、处理和分析的数字化数据。（1）手扶跟踪数字化：早期，地图数字化所采用的工具是手扶跟踪数字化仪。这种设备是利用电磁感应原理，当使用者在电磁感应板上移动游标到图件的指定位置，按动相应的按钮时，电磁感应板周围的多路开关等线路可以检测出最大信号的位置，从而得到该点的坐标值。这种方式数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化精度与作业员的操作有很大关系，所以目前已基本上不再采用。（2）扫描矢量化：目前，地图数字化一般采用扫描矢量化的方法。根据地图幅面大小，选择合适规格的扫描仪，对纸质地图扫描生成栅格图像。然后在经过几何纠正之后，即可进行矢量化。对栅格图像的矢量化有软件自动矢量化和屏幕鼠标跟踪矢量化两种方式。软件自动矢量化工作速度较快、效率较高，但是由于软件智能化水平有限，其结果仍然需要再进行人工检查和编辑。屏幕鼠标跟踪方法其作业方式与数字化仪基本相同，仍然是手动跟踪，但是数字化的精度和工作效率得到了显著的提高。扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色调像元的处理问题。噪声是指不属于地图内容的斑点污渍和其它模糊不清的东西形成的像元灰度值。噪音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全消除，有的软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点等和小的脏点很难区分。对于中间色调像元，则可以通过选择合适的阈值选用一些软件等来处理，如Photoshop。常使用GIS软件如MapInfo、Arc/Info、GeoStar、Super Map等对扫描所获取的栅格数据进行屏幕跟踪矢量化并对矢量化结果数据进行编辑和处理。3.摄影测量方法：曾经在我国基本比例尺地形图生产过程中扮演了重要角色，我国绝大部分1:1万和1:5万基本比例尺地形图使用了摄影测量方法。随着数字摄影测量技术的推广，在GIS空间数据采集的过程中，摄影测量也起着越来越重要的作用。（1）摄影测量原理摄影测量包括航空摄影测量和地面摄影测量。地面摄影测量一般采用倾斜摄影或交向摄影，航空摄影一般采用垂直摄影。摄影机镜头中心垂直于聚焦平面（胶片平面）的连线称为相机的主轴线。航测上规定当主轴线与铅垂线方向的夹角小于3时为垂直摄影。摄影测量通常采用立体摄影测量方法（立体摄影测量的原理如图6.8所示）采集某一地区空间数据，对同一地区同时摄取两张或多张重叠的像片，在室内的光学仪器上或计算机内恢复它们的摄影方位，重构地形表面，即把野外的地形表面搬到室内进行观测。航测上对立体覆盖的要求是当飞机沿一条航线飞行时相机拍摄的任意相邻两张像片的重叠度（航向重叠）不少于55%-65%，在相邻航线上的两张相邻像片的旁向重叠应保持在30%。（2）数字摄影测量的数据处理流程数字摄影测量一般指全数字摄影测量，它是基于数字影像与摄影测量的基本原理，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等多学科的理论与方法，提取所摄对象用数字方式表达的集合与物理信息的摄影测量方法。数字摄影测量是摄影测量发展的全新阶段，与传统摄影测量不同的是，数字摄影测量所处理的原始影像是数字影像。数字摄影测量继承立体摄影测量和解析摄影测量的原理，同样需要内定向、相对定向和绝对定向。不同的是数字摄影测量直接在计算机内建立立体模型。由于数字摄影测量的影像已经完全实现了数字化，数据处理在计算机内进行，所以可以加入许多人工智能的算法，使它进行自动内定向、自动相对定向、半自动绝对定向。不仅如此，还可以进行自动相关、识别左右像片的同名点、自动获取数字高程模型，进而生产数字正射影像。还可以加入某些模式识别的功能，自动识别和提取数字影像上的地物目标。图6.9为数字摄影测量系统VirtuoZo数据采集的作业流程，可以说明数字摄影测量数据采集的一般流程。4.遥感图像处理通常所称的遥感影像数据指的是卫星遥感影像，其信息获取方式与航空像片不同。地面接受太阳辐射，地表各类地物对其反射的特性各不相同，搭载在卫星上的传感器捕捉并记录这种信息，之后将数据传输回地面，然后从所得数据。经过一系列处理过程，可得到满足GIS需求的数据。遥感数据的处理与具体的数据类型（卫星影像、雷达影像）、存储介质等因素相关。遥感数据处理基本处理流程包括：（1）观测数据的输入：采集的数据包括模拟数据和数字数据两种，为了把像片等模拟数据输入到处理系统中，必须用胶片扫描仪等进行AD变换。对数字数据来说，因为数据多记录在特殊的数字记录器 (HDDT等) 中，所以必须转换到一般的数字计算机都可以读出的CCT(Computer Compatible Tape)等通用载体上。（2）再生、校正处理：对于进入到处理系统的观测数据，首先进行辐射量失真及几何畸变的校正，对于SAR的原始数据进行图像重建；其次，按照处理目的进行变换、分类，或者变换与分类结合的处理。（3）变换处理：变换处理意味着从某一空间投影到另一空间上，通常在这一过程中观测数据所含的一部分信息得到增强。因此，变换处理的结果多为增强的图像。（4）分类处理：分类是以特征空间的分割为中心的处理，最终要确定图像数据与类别之间的对应关系。因此，分类处理的结果多为专题图的形式。（5）处理结果的输出：处理结果可分为两种情况，一种是经DA变换后作为模拟数据输出到显示装置及胶片上；另一种是作为地理信息系统等其他处理系统的输入数据而以数字数据输出。B、属性数据的采集属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式，属性数据的内容有时直接记录在栅格或矢量数据文件中，有时则单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码与图形数据相联系。属性数据一般采用键盘输入。输入的方式有两种：一种是对照图形直接输入；另一种是预先建立属性表输入属性，或从其它统计数据库中导入属性，然后根据关键字与图形数据自动连接。1.属性数据的来源：国家资源与环境信息系统规范在“专业数据分类和数据项目建议总表”中，将数据分为社会环境、自然环境和资源与能源三大类共14小项，并规定了每项数据的内容及基本数据来源。3、简述高斯克吕格投影的特点。高斯克吕格投影是横轴切圆柱等角投影。它是将一椭圆柱横切于地球椭球体上，该椭圆柱面与椭球体表面的切线为一经线，投影中将其称为中央经线，然后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。高斯投影的中央经线和赤道为互相垂直的直线，其他经线均为凹向，并对称于中央经线的曲线，其他纬线均是以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交。高斯投影的变形特征是：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0.14%。5、简述地理信息系统空间数据的误差来源。空间数据误差包括几何误差、属性误差、时间误差和逻辑误差四大类。其中又以图形几何误差和属性误差对数据质量影响最大。本节分别对此两类误差进行解释和分析1.几何误差：即空间数据在描述空间实体时，在几何属性上的误差。此处以地图数字化采集为例，分析其误差来源及累计过程。1）地形图本身的误差（1）地形图的位置误差（2）地形图的属性误差（3）时间误差（4）逻辑不一致性误差（5）不完整性误差2）数据转换和处理的误差（1）数字化误差（2）格式转换误差（3）不同GIS系统间数据转换误差3）应用分析时的误差（1）数据层叠加时的冗余多边形（2）数据应用时，由应用模型引进的误差2.属性误差属性数据可以分为命名、次序、间隔和比值四种类型。间隔和比值的属性数据误差可以用点误差的分析方法进行分析评价。此处主要讨论命名和次序这类定性、也是离散型的数据误差评价方法。多数专题图都用命名或次序表现，如人口分布图、土地利用图、地质图等的内容主要为命名数据，而反映坡度、土壤侵蚀度等一般是次序数据。如将土壤侵蚀度分为若干级，级数即为次序数据。考察空间任意点处定性属性数据与其真实的状态是否一致，只有对或错两种可能。因此可以用遥感分类中常用的准确度评价方法来评价定性数据的属性误差。定性属性数据的准确度评价方法比较复杂，它受属性变量的离散值（如类型的个数），每个属性值在空间上分布和每个同属性地块的形态和大小，检测阳电的分布和选取，以及不同属性值在特征上的相似程度等多种因素的影响。因此本书对此暂不做详细介绍，读者可参阅相关参考文献。三、论述题（20分）试论网络GIS的技术特点及尚需解决的问题。特点：GIS技术网络化特点、GIS 应用网络化特点、更广泛的访问范围、真正的信息共享、系统成本降低（1）GIS 技术网络化特点。GIS 技术发展基本反映了IT 技术的总体发展过程，网络GIS 是未来空间信息整合技术的主导方向。此外, GIS 技术网络化还表现在GIS 的数据模型、数据组织与存储模式网络化。（2）GIS 应用网络化特点。首先是数据共享的网络化。其次,GIS 应用的协同性需求也是GIS 应用网络化的主要特点。（3）更广泛的访问范围：用户