1998年南京师范大学地理信息系统概论试题答案

1998年南京师范大学地理信息系统概论试题一、名词解释（每题4分，共20分）1、空间分析函数是对地理空间数据按一定规则进行转换的图象函数。它是基于一定的空间分析算法，由一个或多个数据平面作为输入，函数结果将产生新的数据平面。许多专题分析模型要求首先由空间分析函数将原始数据进行变换，以获取更多的符合模型要求形式的地理空间信息。空间分析函数不仅可以向用户提供多种形式的空间信息、而且为地理信息系统分析模型的实现提供了极大的方便。空间分析函数包括以下三种类型：点函数、区域函数、邻域检测函数2、GPS 全球定位系统（Global Positioning System）是利用人造卫星进行点位测量导航技术的一种，由美国军方组织研制建立，从1973年开始实施，到90年代初完成，由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。它相对于其他导航定位系统具有功能多、用途广，定位精度高，实时定位的特点，而且观测时间短，操作简便，能全天候作业，提供三维坐标。3、四叉数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。4、信息系统具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。根据处理对象可分为空间信息系统和非空间信息系统，根据应用层次分为事务处理系统，管理信息系统和决策支持系统等。 5、OpenGIS开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统。在这个系统中，不同厂商的地理信息系统软件以及异构分布数据库能相互通过接口交换数据，并将它们结合在一个集成式的操作环境中。因此，在开放式地理信息系统环境中，能实现不同地理空间数据之间、数据处理功能之间的相互操作以及不同系统或不同部门之间资源的共享。真正的开放式地理信息系统能在不同软件商之间以及异构分布数据库之间，通过实时动态机制实现数据存贮结构不同的地理信息系统之间的连接。开放式地理信息系统的核心是标准，这个标准必须与其它各类标准相兼容，但又必须独立于这些标准。只有在共同的标准和接口下才能实现信息共享以及相互操作。开放式地理信息系统具有下列特点：互操作性、可扩展性、技术公开性、可移植性、兼容性、可实现性、协同性等。二、简答题（每题10分，共40分）1、空间指标和空间关系量测的主要内容1）距离量算与方位量算（1）距离量算包括匀质空间距离的量算与非匀质空间距离的量算（2）方位量算：方位是描述两个物体之间位置关系的另一种度量。空间方位的描述可分为定量描述和定性描述。定量描述精确地给出空间目标之间的方向，用于方位角、象限角等比率量标。2）线状物体的量算（1）长度：线状地物对象最基本的形态参数之一就是长度。在矢量数据结构下，线表示为坐标 或 序列，对于复合线状地物对象，则需要求各分支曲线的长度总和。（2）分数维数：随着步长的变化，曲线长度也发生变化，但变化率并不相等，这一特性是受曲线的一个参数所控制的，这个参数就是用分数表示的曲线的维数分数维（3）曲率与弯曲度：曲率曲率反映曲线的局部特征；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3）面状物体的量算（1）面积：面积是面状地物最基本的参数。（2）周长：多边形的周长可以通过围绕多边形的相互连接的线段，即封闭绘图模形来进行计算。这里，第一条线段的起点坐标等于最后一条线段的终点坐标。因此计算周长是使用距离公式计算每条线段长度，然后进行累加。（3）形状：描述面状地物形状特征要比计算多边形周长和面积困难的多。不同的二维平面物体的形状有不同的测度，相似的形状应有描述该物体形状的近似数值。（4）质心：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或面的几何中心，当多边形比较简单，例如矩形，计算也比较简单；当多边形复杂时，计算也会很复杂。（5）最大内切圆、最小外接圆和最小凸包：在实际的应用中，经常要用最大内切圆、最小外接圆和最小凸包这些长常见的图形来概括描述复杂的面状物体，包括最大内切圆、最小外接圆、最小凸包等。2、矢量多边形面积的快速算法（要求附框图）。在平面直角坐标系中，按多边形定点顺序依次求出多边形所有边与x轴（或y轴）组成的梯形的面积，然后求其代数和。对于没有空洞的简单多边形，假设有个顶点，其中为多边形面积，为多边形顶点坐标。其面积计算公式为如下。对于有孔或内岛的多边形，可分别计算外多边形与内岛面积，其差值为原多边形面积。 3、DEM、DTM的概念及其获取方法。1）数字地形模型简单的说就是用数字化的形式表达的地形信息，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。广义的DTM是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列:Vi（i = 1, 2, , n）其向量Vi= (Vi1, Vi2, , Vim ) 的分量为地形、资源、环境、土地利用、人口分布等多种信息的定量或定性描述。DTM 是一个地理信息数据库的基本内核, 如果只考虑DTM 的地形分量, 我们称其为数字高程模型DEM。DTM在形式上可以分为规则格网，不规则三角形，数字等高线（等深线、特征线）2）数字高程模型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），它是对二维地理空间上具有连续变化特征地理现象的模型化表达和过程模拟。从研究对象与应用范畴角度出发，DEM可以归纳为狭义和广义两种定义。从狭义角度定义，DEM是区域表面海拔高程的数字化表达。这种定义将描述的范畴集中地限制在“地表”、“海拔高程”及“数字化表达”内，观念较为明确。从广义角度定义，DEM是地理空间中地理对象表面海拔高度的数字化表达。这是随着DEM的应用不断向海底、地下岩层以及某些不可见的地理现象延伸，而提出的更广义的概念。该定义将描述对象不再限定在“地表面”，因而具有更大的包容性，有海底DEM、下伏岩层DEM、大气等压面DEM等。DEM按照其结构，可分为规则格网DEM、TIN、基于点的DEM和基于等高线的DEM等。3）获取方法：扫描矢量等高线内插方法、解析摄影测量方法、全数字化摄影测量方法扫描矢量等高线内插方法：多年来，我们已经生产了大量的各种比例尺的地形图,对这些图纸进行扫描，先做矢量化得到矢量化等高线，再内插成为DEM。这种方法不需要投入大量设备，可按工程的规模实时组织进行，是目前生成DEM的主要方法之一。解析摄影测量方法：目前，许多单位有大量的解析测图仪或经过数字化改造后的精密立体测图仪。它有两种作业模式，一种是作业员直接测定标准网格点得到DEM，另一种是作业员先测绘等高线和地形特征点线，再内插获取DEM。全数字化摄影测量方法：全数字化摄影测量方法利用PC机和数字摄影测量软件，能高效快速地生产DEM。通过人工干预或编辑，可以提高DEM的精度。事实上，这时的DEM是数字正射影像生产过程中的副产品。因为目前全数字化摄影测量方法是数字正射影像生产的一种主要方法，而生产数字正射影像必须要先生成DEM。4、由栅格数据向矢量数据的转换的方法。栅格向矢量转换的过程比较复杂，通常有两种情况：一种本身为遥感影像或已栅格化的分类图在矢量化前首先要做边界提取，然后将它处理成近似线划图的二值图像（二值图），最后才能将它转换成矢量数据（矢量数据）；另一种情况通常是从原来的线划图扫描得到的栅格图，二值化后的线划宽度往往占据多个栅格，这时需要进行细化处理后才能矢量化。遥感图像或分类图边界提取二值化矢量化扫描图二值化细化三、综合分析题（每题20分，共40分）1、地理信息系统的意义、特点与发展趋势GIS的意义GIS作为信息技术的一种，是以计算机技术为依托，结合地理学、测绘学等学科的理论，以具有空间内涵的地理数据为处理对象，运用系统工程和信息科学的理论，采集、存储、显示、处理、分析、输出地理信息的计算机系统，它可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，为规划、管理和决策提供信息来源和技术支持。简单地说，GIS就是研究如何利用计算机技术来管理和应用地球表面的空间信息，它是由计算机硬件、软件、地理数据和人员组成的有机体，用于高效地采集、存储、更新、处理、分析和显示各种类型的地理信息。GIS的主要特征：数据的空间定位特征、空间关系处理的复杂性、海量数据管理能力1）数据的空间定位特征：地理数据的三要素中，除属性和时间外，空间位置特征是地理空间数据有别于其他数据的本质特征。一般信息信息系统仅包括属性和时间特征，而只有空间位置特征是地理数据所特有的，没有位置数据不能称为地理数据。地理信息系统要具有对空间数据管理、操纵和表示的能力。2）空间关系处理的复杂性：地理信息系统除要完成一般信息系统的属性信息处理工作外，还要处理与之对应的空间位置和空间关系，以及与属性数据的一一对应处理。因此，GIS中的空间数据处理的复杂性是一般信息系统中前所未有的技术难题。空间关系处理的复杂性另一技术难点是数据的管理。一般事务性数据都是定长数据，而空间数据是不定长的，而且新的空间数据及其关系在空间分析过程能中不断的产生。3）海量数据管理能力：地理信息系统海量数据特征来自两个方面，一是地理数据，地理数据是地理信息系统的管理对象，其本身就是海量数据；另外则来自空间分析，GIS在执行空间分析的过程中，不断地产生新的空间数据，这些数据也具备海量特征。 GIS的发展趋势：互操作GIS、GIS集成化、GIS的大众化和信息服务、嵌入式GIS、网格GIS1）互操作GIS：是指在计算机网络环境下，遵循一个公共的接口标准，能够实现空间数据和数据处理功能的共享和相互操作的GIS，是空间数据共享的发展方向。互操作GIS的前提是GIS组件化。2）GIS集成化：是GIS向纵深和外延发展的必然结果，是由GIS技术特点和在信息化中的地位决定的，也是GIS发展的最高水平。主要有两大方向：一是系统间的集成，扩大了GIS外延作用，属横向集成；例如GIS与遥感技术的集成，增强了数据获取和更新的能力；GIS与GPS的结合，产生了GIS导航系统；与专家系统的集成，产生了智能GIS；与计算机网络技术、通信技术的集成，产生了网络GIS、移动GIS、无线GIS；与多媒体技术的集成，产生了多媒体GIS；与虚拟现实技术的集成；产生了虚拟现实GIS。二是系统内的集成，强调了GIS的内部优化和功能，属纵向集成。例如GIS多源空间数据集成，能最大限度的实现多源数据的信息共享；GIS与应用模型的集成，能提高GIS系统空间分析功能。3）GIS的大众化和信息服务：人类所接触的信息中80%以上都与空间相关，随着人类对空间信息需求的快速增加以及计算机和网络的普及，已经有越来越多的人认识并了解GIS，GIS正在成为普通公众解决空间位置问题的有力工具，GIS走向大众已经成为GIS发展的必然趋势。如Google Earth的普及和位置信息服务都是GIS大众化的例证。 4）嵌入式GIS：以嵌入式技术、GIS技术、GPS技术和移动互联技术为依托，运行在嵌入式计算机系统（PDA、手机、机顶盒等）上，实现GIS通用功能的高度浓缩、高度精简的GIS软件系统，它广泛应用于军事国防、野外数据采集、智能汽车、智能交通、环境工程与自然等领域，是新一代地理信息系统发展的代表方向之一。5）网格GIS：是利用现有的网格技术、空间信息基础设施、空间信息网络协议规范，形成一个虚拟的空间信息管理与处理环境，为用户提供一体化的空间信息应用服务的智能化信息平台。它将地理上分布的、异构系统的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等，通过高速互联网络连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境。2、地理信息系统的信息源与输入方法。1）根据数据获取方式可以分为：（1）地图数据。地图是传统的空间数据存储和表达的方式，数据丰富且具有很高的精度。国家基本比例尺系列地形图以及各类专题地图，经过数字化处理，是GIS最重要的数据源之一；（2）遥感影像数据。随着航空、航天和卫星遥感技术的发展，遥感影像数据以其现时性强等诸多优点迅速成为GIS的主要数据源之一。摄影测量技术可以从立体像对中获取地形数据，对遥感影像的解译和