地理信息系统(缩印).doc

6第一章、一.信息与数据1 .信息 ：是对现实世界的一种映射，是现实世界在人们头脑中的反应，它以文字、数据、符号、声音等形式记录下来，进行传递和处理，为人们生产建立管理提供依据。2 信息的特征 客观性：任何信息都是与客观事实相联系的 适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类不同 传输性：信息可在用户之间进行传输 共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失。3 数据：指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图像等符号。 数据是对客观现象的表达，数据本身并没有意义。 数据是信息的表达载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。二.地理信息及其特征 1 地理信息 ：指与研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示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等。（GIS操作对象是空间数据，表达内容是与时空有关的地理信息。）2. 地理信息的特征： 地域性： 地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系； 多维结构： 指在同一位置上可有多种专题的信息结构； 时序特征（现势性） ： 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，因此，实时的GIS系统要求及时更新地理信息，使得地理信息具有 现势性。三 .信息系统和地理信息系统 1 信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用于一系列问题的系统，具有采集、管理、分析和表达数据的能力。 2 对GIS的理解：GIS是计算机系统，具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达。 3 .GIS与其它IS的区别：共同点：GIS离不开数据库技术，数据库中的一些基本技术，如数据模型，数据存储，数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。差异：GIS对空间数据和属性数据共同管理，分析和应用；而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。 4. GIS与CAD和CAM比较 管理图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如CAD或AutoCAD，CAM（Computer Aided Map计算机地图系统计算机辅助制图）等。GIS和CAD的比较：共同点： 都有空间坐标系统； 都能将目标和参考系联系起来 都能描述图形数据的拓扑关系都能处理属性和空间数据。 不同点： CAD研究对象为人造对象规则几何图形及组合；GIS处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化； CAD中图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；GIS的属性库结构复杂，功能强大； CAD中的拓扑关系较为简单；GIS强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁； CAD一般采用几何坐标；GIS采用地理坐标系。5 GIS构成：硬件（各类计算机处理机及其输入输出和网络设备）、软件（支持信息的采集、处理、存储管理和可视化输出的计算机程序系统）、数据（包括图形和非图形数据、定性和定量数据、影像数据及多媒体数据）、用户或人员（地理信息系统所服务的对象，是地理信息系统的主人）和方法。6 .地理信息系统 是由计算机硬件、软件和不同方法组成的，具有支持空间数据的获取、管理、分析、建模和显示功能，并可解决复杂的规划和管理问题的信息系统。7 地理信息系统 基本功能 数据采集、监测与编辑； 数据处理与变换（矢栅转换、制图综合）； 数据存储与组织（矢量和栅格模型）； 空间查询与分析（空间检索、空间拓扑、叠加分析、缓冲分析、网络分析等）； 图形交互与显示（各种成果表现方式）。 根据社会和用户的需求，GIS是依托基本功能利用空间分析技术模型分析技术，网络技术，数据库和数据集成技术二次开发环境等，演绎出众多的GIS应用系统。与其它信息系统相比，GIS空间分析作为核心功能是比较独特的。8 .地理信息系统的 应用前景 当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展规律方向迈进，呈现以下主要发展态势： GIS成为一门综合性技术即GIS集成技术； GIS产业化的发展势头强劲； GIS网络化已构成当今社会的热点； 地理信息科学的产生和发展。目前GIS在各行各业都得到应用，如资源规划管理、全球变化、灾害预测等，具有广泛的应用前景。 9 . GIS近代发展有什么特点 GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一术语，并建立了第一个GIS加拿大GIS，随后GIS在全世界迅速发展起来。10 地理信息系统的发展：上世纪60 年代中期，加拿大开始研究建立世界上第一个地理信息系统(CGIS)，随后又出现了美国哈佛大学的SYMAP 和GRID 等系统。在北美、西欧和日本等发达国家，现在已建立了国家级、洲际之间以及各种专题性的地理信息系统。 .国外地理信息系统(GIS) 发展的4 个阶段 （1）模拟地理信息系统阶段；（2）学术探索阶段；（3）飞速发展和推广应用阶段； （4）地理信息产业的形成和社会化地理信息系统的出现。我国GIS 的发展可以划分为3 个阶段： （1）起步准备阶段（19781985 年） （2）加速发展阶段（19851995 年） （3）地理信息产业化阶段（1995）。第二章 一、数据结构 1、空间实体 ( 空间对象，地理实体 ) GIS的研究对象是地理实体。定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体概括性、复杂性、相对意义的概念。实体抽象的程度会因为研究区域的大小，规模不同而有所不同。地理实体以什么形式存储和处理反映了实体的三个特征：属性特征：对空间实体的属性定义和说明信息。空间特征：对空间实体的分布位置、几何特征和空间关系的定义。时间特征：空间实体的时间尺度。2、基本空间实体类型 点状实体（零维） 有特定位置，无长度，宽度和高度； 线状实体（一维） 具有相同属性的点的轨迹，有长度、无宽、高度，具有如下特性：弯曲度，方向性； 面状实体（二维） 在数据库中由一封闭曲线加内点来表示，特征：面积，周长，独立性； 体状实体（三维） 实体类型组合 区域包含线：计算区域内线的密度。二、空间实体的描述 1、空间实体的描述形式：空间数据 2、空间数据 是指用来描述空间实体的位置、形体、大小及其分布特征等诸多方面信息的数据。空间数据的 主要 特征： （1）空间特征；（2）非结构化特征；（3）空间关系特征；（4）分类编码特征；（5）海量数据特征。 3、空间数据的基本类型 几何数据：描述空间对象的空间特征的数据（一般用经纬度坐标表达）关系数据：描述空间对象的空间关系的数据（一般通过拓扑关系表达）属性数据：描述空间对象的属性特征的数据（一般通过代码给予表达） 4、空间数据的基本特征属性：空间、时间 5. 空间实体的描述：编码、位置、类型、行为、属性、关系、说明。编码（区别不同的实体，包括分类码和识别码，编码过程：分类 分级 编码）位置（坐标形式给出空间对象的空间位置）类型（空间对象所属的实体类型或由哪些实体组成 行为（空间对象所具备行为和功能）属性（空间不可能时间与空间上关系）6 空间对象关系表达： 空间关系是GIS数据和表达的重要内容7、空间关系类型 顺序空间关系 质量空间关系 拓扑空间关系 拓扑空间关系：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。拓扑关系种类： 关联性：（不同类要素之间）结点与弧段，多边形和弧段 邻接性：（同类要素之间）连通性：指对弧段连接的判别 包含性 方向性8、GIS中引入拓扑关系的 意义 a、拓扑关系能清楚滴反映实体之间逻辑结构关系b、有助于空间要素的查询，可以解决许多实际问题 c、根据拓扑关系可重建地理实体三、地理空间的表达和空间数据结构 1、空间数据结构：指计算机系统中存储和管理的空间数据的逻辑结构，用来抽象描述地理实体数据在空间的排列及关系；强调数据的表达实现，是数据模型的具体实现。数据模型：强调数据的表达概念，是数据结构的基础。两种数据结构： 矢量数据结构（面向对象）和 栅格数据结构（面向位置）2、地图表达形式 矢量数据结构：通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置 点：坐标对（X，Y） 线：坐标对系列（X1，Y2），(Xn，Yn) 面：首尾坐标相同的坐标串（X1，Y2），(X1，Y1)拓扑数据结构 面弧 弧点 点弧 弧面栅格数据结构 点：有单个栅格表达 线：由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 面：由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达。栅格概念：是以规则像元阵列表示空间对象的数据结构。 栅格数据组织：针对一个栅格单元对应多个属性值的多层栅格文件 组织方法：方法 以象元为记录序列； 每层每个象元的位置，属性 一一记录； 以层位基础，每层内以多边形位序列记录多边形的属性值和多边形内各象元的坐标。3、四叉树编码四叉树的树形表示用一倒立数表示这种分割和分割结果。树叉：还需分割的块，每个树叉有4个分叉。 优点 缺点 便于面向对象 数据结构复杂矢量 结构紧凑，冗余度低 多边形叠置分析困难利于网络检索分析 不能做增强处理图形表示质量好，精度高 软硬技术要求高 结构简单，易数据交换 现象识别效果不如矢量方法 便于模拟叠置分析和地理现象 图形数据量大栅格 利于与RS的匹配应用和分析 投影转换困难 输出快速，成本价廉 图形质量转低矢量与栅格数据结构比较第三章、数据库采集 GIS的数据源 地图数据：包括地形数据和人文景观数据，有图形结构和拓扑结构两种形式；遥感数据：能快速获取大范围地区的遥感影像，更新速度快，无坐标系统；实测数据：通过野外测量获取，如GPS数据；调查统计数据，已有系统的数据，文本数据，多媒体数据。其它已有的非系统化的数据。2、空间数据采集的内涵和任务 GIS中的 数据采集 主要是指将不同来源和不同类型的数据转换成GIS可以接受和处理的数据，并进行标准化和规范化的处理，这一过程通常包括数据化，规范化和数据编码几个方面。数字化：指将不同信息经过扫描数字化或跟踪数字化器，进行模数转换，坐标转换等，形成各种数据文件，存入数据库系统。空间数据 处理 主要取决于原始数据的特点和用户的具体需求。一般有数据变换、数据重构、数据提取等内容。数据处理是针对数据本身完成的操作，不涉及内容的分析。空间数据的处理也可称为数据形式的操作。空间数据库 管理 的 方式有：文件关系数据库混合管理方式， 全关系型数据库管理方式，对象关系数据库管理方式， 面向对象数据库管理方式。3、空间数据的地理空间：指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续，包括：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈相互作用的区域。4、GIS的地理基础（控制基础） 地理基础 是地理信息数据表达格式与规范的重要组成部分 即：统一的地图投影系统 定位坐标系统高程系统； 统一的地理格网坐标系统； 统一的地理编码系统。5、地理投影：是建立起地球椭球表面的点与投影平面的点之间的一一对应的数学关系 ，即： X=f1（，） Y=f2（，） （1）地图投影变形：长度，面积，角度变形； （2）地图投影方式：平面投影、圆锥面投影、圆柱面投影。(3) GIS中地图投影设计与配置的一般原则 所配置的投影系统应与比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图，基本省区图或国家大地图集）投影系统一致； 系统一般只考虑至多采用两种投影系统，一种应用于大比例尺的数据处理与输出，输入，另一种服务于小比例尺；所用投影以等角投影为宜 ； 所有投影应能与网络坐标系统相适应，即所采用的网络系统（特别是一级网格）在投影带中应保持完整。6、GIS的数据质量 是指： 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 基本内容： 位置（几何）精度：如数学基础，平面精度，高程精度等用以描述几何数据的误差属性精度：如要素的正确性，属性编码的正确性，注记的正确性等，用以反映属性的质量逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等 完备性：数据分类、实体类型、属性数据完备性现势性：数据采集时间、更新时间误差产生主要原因： 空间现象自身存在的不稳定性 空间现象的表达 空间数据处理中的误差 空间数据使用中的误差空间数据质量控制常见的方法有：传统的手工方法：将数字化数据与数据源进行比较，图形部分的检查包括目视方法、绘制到透明图上与原图叠加比较，属性部分的检查采用与原属性逐个对比或其他比较方法。元数据方法：数据集的元数据中包含了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量，同时元数据也记录了数据处理过程中质量的变化，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。地理相关法：用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。7、空间元数据（1）概念 ：地理的数据和信息资源的描述性信息，它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其它特征进行描述与说明，以便人们有效地定位，评价，比较，获取和使用与地理相关的数据（2）作用 ：组织和管理空间信息，并挖掘空间信息资源； 帮忙数据使用者查询所需空间信息； 组织和维护一个机构对数据的投资； 用来建立空间信息的数据目录和数据交换中心； 提供数据转换方面的信息第四章、一，空间数据库的概念数据库管理 就是指对数据的组织、存储、检索和维护。分几个阶段：人工管理阶段，文件管理阶段，数据库管理阶段。二、.数据库基本知识 1.数据库：是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织，存储，管理和应用的相关联的数据集合。2.数据库中数据组织方式 数据项：是可以定以数据的最小单元，也叫元素，基本项，字段等。记录：由若干的相关联的数据项组成 文件 数据库三.数据库方法 相对于 文件管理方法 的特点（1）数据集中控制 （2）数据冗余度小 （3）数据独立 （4）复杂的数据模型 （5）数据保护四.空间数据库 相对于 一般数据库 特点： 数据特别大，种类多、复杂，范围面广 空间数据模型 包含 概念数据模型、逻辑数据模型、物理数据模型数据模型：是描述实体及其相互关系的数学描述，是空间数据库建立的逻辑模型。 层次数据模型概念 ：以记录类型为结点的有向树或者森林，它把数据按自然的层次关系组织起，以反映数据之间的隶属关系，并采用关键字来访问其中的每一层次的每一部分。优点： 存取方便且速度快； 结构清晰，容易理解； 数据修改和扩展容易； 检索关键属性十分方便。缺点： 不能表示多对多的关系； 南移顾及数据共享和实体间的拓扑关系； 结构呆板，缺乏灵活性。当对层次模型的结点记录进行修改时，只有当新记录上有上层记录时才能插入，删除一个记录，其所有的下层记录也同时被删除。 网络数据模型概念 ：将数据组织成有向图结构，图中的结点代表数据记录，连线表示不同结点之间的关系，结点之间没有明确的从属关系，一个结点，可与其它多个结点建立联系，是具有多对多类型的数据组织方式。优点： 能明确而方便地表示数据间的复杂关系； 缺点： 网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难； 数据冗余小 。 需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大； 关系数据类型 数据的修改不方便（指针必须修改）。 概念 ：以记录组成数据表的形式组织数据，以方便利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和交换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。传统数据模型 用于GIS地理数据库的 局限性层次模型 反映了实体之间的层次关系，简单、直观、易于理解，并在一定程度上支持数据的重构。（1）层次模型 很难描述复杂的，只能描述简单、直观，易于理解，查询，低层次对象，效率低，难进行反向查询； 独立性差，更新涉及许多指针； 层次命令具有过程式性质。（2）.网络模型： 本身复杂，具过程式性质。（3） 关系模型： 无法用递归和嵌套的方式来描述复杂关系的层次和网状结构； 空间数据通常是变长的； 难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加； 一般DBMS不能支持GIS需要的一些复杂图形功能； 一般RDBMS难以支持复杂的数据信息 。 论述 为了完成城市道路拓宽改建分析，论述需要那些空间数据，并描述在GIS支持下的分析流程。利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取,计算一条道路拓宽改建过程中的拆迁指标。（1）明确分析的目的和标准。.目的是计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值，道路拓宽改建的标准是：a）道路从原有的20m拓宽至60m；b）拓宽道路应尽量保持直线；c）部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。（2）准备进行分析的数据。需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。（3）进行空间操作。首先选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。然后将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。（4）进行统计分析首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。（5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出。第五章 空间查询与空间分析空间分析 是地理信息系统科学内容的重要组成部分，也是评价一个地理信息系统功能的主要指标之一。空间分析的根本目的，在于通过对空间数据的深加工或分析，获取新的信息。空间分析的定义：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、空间形成、空间演变等信息。空间分析 类型： 数字地面模型分析； 空间叠置分析； 空间缓冲区分析；空间网络分析； 空间统计分析； 空间数据的集合分析和查询。 空间分析的实例 ：城市规划中科估算各商业中心服务的最大人口数量；在资源环境领域研究植被的空间分布模式。 空间分析步骤：计算；空间查询；空间分析；建立空间模型。空间数据查询 定义为从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。查询方法： 基于关系查询语言扩充的空间查询方法、可视化空间查询方法、基于自然语言的查询方法、超文本查询方法。叠置分析 概念：是将同一地区的两组或两组以上的要素进行叠置，产生新的特征的分析方法。空间叠置分析：是指在统一空间参考系统下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。叠置分析 的基本 类型： 视觉信息的叠加； 点与多边形的叠加（实质是点与面之间的包含分析）； 线与多边形的叠加； 多边形与多边形的叠加。空间缓冲区分析 是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响读，以便为某项分析或决策提供依据。缓冲区分析：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。缓冲区类型：点缓冲区 线缓冲区 面缓冲区网络分析的基础是图论和运筹学GIS解决空间问题的步骤（基本）： 明确目的、要求； 收集（准备）数据并建库；确定GIS的分析步骤； 输出结果。第六章 空间信息可视化 1 .可视化 ：将符号或数据转化为直观的图形、图像的技术，它的过程是一种转换，目的是将原始数据转化为可显示的图形、图像，从而全面且本质地把握住地理信息系统的空间特征2 .空间信息可视化 ：运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示，并进行交互处理的理论、方法和技术3.可视化 意义 ： 大大扩展人类的视觉功能； 海量的数据只有通过可视化变成形象，才能激发人的形象思维大大加速数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到有效利用； 可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中隐含的现象，位发现和理解科学规律提供有力工具实现对计算和编程过程的引导和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响特点： 可视性 多维性 交互性可视化的 形式：地图；图像；统计图表；数字数据。4、空间信息可视化的 形式：地图；多媒体地学信息；三维仿真地图；虚拟现实（虚拟现实技术）电子地图：是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上并能在屏幕上显示。动态地图：是能集中形象的表示空间信息的时空化状态和过程的电子地图。5、 多媒体地学信息 主要动态视觉变量： 时刻 持续时间 频率 幅度 次序主要动态视觉变量：时刻是事件出现的时间点 持续时间是各个静态场景之间的时间长度，决定动画的步调 频率是现象出现的频繁程度。名词解释 1. 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。 2元数据是关于数据的描述性数据信息，它应尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用。元数据的内容包括对数据集的描述、对数据质量的描述、对数据处理信息的说明、对数据转换方法的描述、对数据库的更新、集成等的说明。3信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。4行程编码：栅格数据的一种压缩编码方式，是将行或列中重复的元素进行合并，以达到减少存储和数据冗余的目的，包括一维行程和二维行程5地理信息系统：在计算机系统的支持下，对全部或部分地球表层空间的地理分布数据进行采集、存储、管理、分析、显示等的技术系统6 拓扑关系：图形在保持连续变化状态下，图形关系保持不变的性质或空间实体之间的关系7 缓冲区分析：即邻近度分析，是对空间点线面实体周围形成范围的一种距离空间的分析技术，主要描述地理实体目标的影响范围和服务范围二、简答题1。简述 栅格数据 及其主要 编码 方式。 栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。 栅格数据的主要编码方式包括： （1）直接栅格编码