地理信息系统期末复习(1-3)

地理信息系统期末复习第一章 导论第一节 地理信息系统的基本概念一、数据与信息数据（data）为便于交流、解释或处理，对信息的可再解释的形式化表示。理解：泛指表示一个指定的值或条件的数字、符号（或字母）等。数据是表示信息的，但这种表示要适合传输、分析和处理。在数字通信中，常把数据当作信息的同义词。信息（information）关于客体（如事实、事件、事物、过程或思想，包括概念）的知识，在一定场合中具有特定的意义。二、地理信息与地理信息系统地理数据 （geographic data）直接或间接关联着相对于地球的某个地点的数据。地理信息 （geographic information） 关于那些直接或间接涉及相对于地球的某个地点的现象的信息。GIS的操作对象是 地理数据或空间数据 。 P5-Who？GIS空间数据（地理信息）的基本特征： 空间 特征、 属性 特征、 时序或时间 特征。（1、2题的关系）P3-操作对象的特点地理信息系统（GIS，7.132）在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图和综合分析的计算机技术系统。课后习题1、什么是地理信息系统（GIS）？它与一般计算机应用系统有哪些异同点？(P4) 答：在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图和综合分析的计算机技术系统。 GIS脱胎于地图学，是计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学等众多学科交叉融合而成的新兴学科。但是，地理信息系统与这学科和系统之间既有联系又有区别：（1）GIS与机助制图系统。机助制图是地理信息系统的主要技术基础，它涉及GIS中的空间数据采集、表示、处理、可视化甚至空间数据的管理。地理信息系统和数字制图系统的主要区别在于空间分析方面。一个功能完善的地理信息系统可以包含数字制图系统的所有功能，此外它还应具有丰富的空间分析功能。（2）GIS与DBMS(数据库管理系统)。 GIS除需要功能强大的空间数据的管理功能之外，还需要具有图形数据的采集、空间数据的可视化和空间分析等功能。因此，GIS在硬件和软件方面均比一般事务数据库更加复杂，在功能上也比后者要多得多。（3）GIS与CAD系统。二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形、属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。（4）GIS与遥感图像处理的系统。遥感图像处理的系统是专门用于对遥感图像数据处理进行分析处理的软件。它主要强调对遥感栅格数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取。这种系统一般缺少实体的空间关系描述，难以进行某一实体的属性查询和空间关系查询以及网络分析等功能。需简化，提取关键句。3S3S技术是遥感技术(Remote sensing，RS)、地理信息系统(Geography information systems，GIS)和全球定位系统(Global positioning systems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。第二节 地理信息系统的基本构成GIS其基本构成一般包括以下5个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据 、应用人员和 应用模型 。P6-系统结构问题一、系统硬件二、系统软件GIS功能软件常分为 基础软件平台 和 应用软件 两大类型。前者如ArcView GIS、MapInfo、MapGIS，后者如环境信息系统。P13-实习基础课后习题2、地理信息系统有哪几个主要部分组成？它的基本功能有哪些？试举目前广泛应用的两个基础地理信息系统软件为例，列出它们的功能分类表，并比较异同点？ (P6)答：主要有五个组成部分：（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：解决某一专门应用的应用模型，是GIS技术产生社会经济效益的关键所在。其基本功能有： 数据采集与编辑； 数据存储与管理； 数据处理和变换； 空间分析和统计； 产品制作与显示； 二次开发和编程。三、空间数据空间数据（spatial data，7.140）用来表示空间实体的位置、形状、大小和分布特征诸方面信息的数据，适用于描述所有呈二维、三维和多维分布的关于区域的现象。属性数据（attribute data，7.141） 描述地理实体质量和数量特征的数据。四、应用人员五、应用模型第三节 地理信息系统的功能简介一、基本功能（1）数据采集与编辑4D数据（2）数据存储与管理（3）数据处理与变换数据处理与变换方法：数据变换/数据重构/数据抽取GIS数据处理的任务和操作内容主要有数据变换、数据重构、数据提取。Mapgis的文件转换、工程裁剪为 数据重构 ；Mapgis的整图变换、MapInfo图像配准、投影变换为 数据变换；Arcview GIS的kriging interpolation、重分类为 数据提取。（4）空间分析与统计空间分析（spital analysis，7.144）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。以地学原理为依托，通过分析算法，对地理对象的位置、分布、形态、形成、演变等空间信息进行分析的技术。空间分析方法：叠合分析/缓冲区分析/数字地形分析（5）产品制作与演示（6）二次开发和编程叠置分析over1ayanalysis将不同层的地物要素相重叠，使得一些要素或属性相叠加，从而获取新信息的方法。包括合成叠置分析和统计叠置分析。二、应用功能GIS的研究核心是 地理空间分析 。课后习题3、试说明地理信息系统的基本分析功能与应用模型之间的区别和联系是什么？答：地理信息系统分析功能是基于现有数据按照一定规律或者参数进行计算得出的结构，这些规律和参数就可以构成一个应用模型，比如降雨量计算模型和风力强度计算模型等。但应用模型很多是专业领域的模型，其表现可以是参数表格也可以是图标或计算公式，不利于地理信息这种要与地理坐标相联系，并且需要特殊的可视化效果的信息分析与表达。因此，要构建适合于地理信息分析和表达的应用模型就要把如气象农业等行业应用模型转变或者结合 地理信息做成与空间信息相连接的模型应用于分析。第四节 地理信息系统的发展概况一、发展概况（略）二、基础理论（略）第二章 地理信息系统的数据结构第一节 地理空间及其表达一、地理空间的概念1、地理空间定位框架（1）平面控制网地图投影（map projection，7.132）按一定的数学法则，把参考椭球面上的点、线投影到平面上的方法。（2）高程控制网地理空间定位框架由 平面控制网 和 高程控制网 组成，为建立地理空间数据的坐标位置提供了一个通用坐标系。目前，我国采用的大地坐标系为 1980年中国国家大地坐标系 。课后习题4、请简述平面控制网和高程控制网在 GIS 中的应用？(P38-P39)答：平面控制网用以确定在地球上的平面位置通常是地理经纬度坐标；高程控制网利用空间某点高于或低于基准面的垂直距离来提供地形信息。二、空间实体表达1、矢量表示矢量数据（vector data，7.143）X,Y坐标或坐标串表示的空间点、线、面等图形数据及其属性数据的总称。2、栅格表示栅格数据（raster data，7.144）被表示成有规则的空间阵列的数据。第二节 地理空间数据及其特征一、GIS的空间数据的分类1、数据源：地图/影像/文本2、数据结构：矢量/栅格3、数据特征：空间/属性4、几何特征：点/线/面/曲面/体5、发布形式：4D（2G/2M，1矢3栅）：DLG/DRG/DEM/DOM数字高程模型 （digital elevation model，DEM） 是一定范围内规则格网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行数据内插而形成的。数字正射影像 （digital orthophoto map，DOM） 数字正射影像数据是经过辐射校正和几何校正，并进行投影差改正处理的影像。影像可以是全色的或彩色的，也可以是多光谱的，有时附之以主要居民地、地名和境界等矢量数据。是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌，按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征。课后习题5、什么是 4D 数据？它们与矢量和栅格数据之间具有什么联系？(P43)5、什么是 4D 数据？它们与矢量和栅格数据之间具有什么联系？(P43)答：4D数据是指：数字线画图数据（DLG）、数字栅格图数据（DRG）、数字高程模型数据（DEM）、数正射影像数据（DOM）。数字线画图数据（DLG）：是现有地形图要素的矢量数据；数字栅格数据（DRG）：是现有纸质地图经计算机处理后得到的栅格数据；数字高程模型数据（DEM）：是数字形式表达的地形起伏数据，是栅格数据；数正射影像数据（DOM）：是对遥感数字影像，经像元进行投影差改正、镶嵌，也是一种栅格形式的数据。二、空间数据的基本特征课后习题1、通过实例说明 GIS 空间数据的基本特征及在计算机中的表示方法？（P44）答：GIS空间数据的基本特征：空间特征、属性特征、时间特征。在计算机中空间特征采取空间分幅，即将整个地理空间划分为许多子空间，在选择要素表达子空间；属性特征采取属性分层即将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的数据层来表达；时间特征采取时间分段即将有时间特征的地理数据按其变化规律划分为不同的时间段数据再逐一表示。三、空间数据的拓扑关系拓扑关系 （topological relation）指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互位置关系，即用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联和包含等关系。关联(association）两个或两个以上类之间的语义关系，定义了类中实例间的连接。类 （class）具有共同特性和关系的一组要素的集合。TD/T 1016-2007,3.2类课后习题2、简述空间数据的拓扑关系及其对 GIS 数据处理和空间分析有何重要意义？答：空间数据的拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法，它是指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互位置关系，即用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联和包含等关系。意义：在GIS 中，空间数据的拓扑关系不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义。（P45）（1）根据拓扑关系，不需要利用坐标或者计算距离，就可以确定一种地理实体，相对于另一种地理实体的空间位置关系；（2）利用拓扑数据有利于空间要素的查询；（3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。（P47）四、空间数据的计算机表示（三分）1、空间分幅2、属性分层3、时间分段层layer具有相同空间特征和属性的实体及其属性的集合TD/T 1016-2007,3.3层实体 entity具有共同特性的对象类。GB/T 17798-2007 3.7 实体属性 attribute 对象的特征。既可指类型，又可指实例。属性作为类型时，用名称、数据类型和域等进行描述。 分层1ayer按照一定规则，对地图数据进行分组的过程。第三节 空间数据结构的类型数据结构（data structure，7.117）数据以及数据之间的联系。一般包括数据的逻辑结构、存储结构和对数据的基本操作三个方面。一、矢量数据结构拓扑/无拓扑（实体数据结构）二、栅格数据结构矩阵/游程编码/四叉树（常规/线性）游程编码游程编码是逐行将相同值的栅格合并，记录合并后栅格的值及合并栅格的数量（即游程），其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。栅格四叉树结构栅格四叉树结构是指将空间区域按照四个象限进行递归分n 次，每次分割形成2*2*个子象限中的属性数值都相同为止，该子象限就不再分割。三、曲面数据结构GRD/TINTIN不规则三角网，是将离散分布的实测数据点连成三角网，网中的每份三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最近邻点构成三角形，即三角形的边长之和最小。课后习题3、试比较矢量与栅格数据结构各有什么特征？ 本题切入点：从数据结构概念入手。数据结构：逻辑/存储/基本操作三个方面角度：拓扑/存储/压缩/转换/空间分析。对教材P80 表3-1内容进行整合。本题答题思路和内容应进行调整，在理解、分析的基础上进行整合。第四节 空间数据结构的建立（实验）一、系统功能与数据源的关系二、空间数据的分类与编码三、矢量数据的输入与编辑四、栅格数据的输入与编辑五、曲面数据的输入与编辑第三章 空间数据的处理第一节 空间数据的变换一、几何纠正几何纠正的方法：仿射/相似/二次变换二、地图投影及其变换重点：地图投影的概念/基本原理/类型高斯-克吕格投影一种等角横切椭圆柱投影（其投影带中央子午线投影成直线且长度不变，赤道投影也成直线，并与中央子午线投影线正交）。1954(年)北京坐标系 Beijing geodetic coordinate system 1954 根据苏联1943年普尔科沃坐标系（采用克拉索夫斯基椭球），以1956年黄海高程系作为高程基准，通过联测和天文大地网局部平差所建立的大地坐标系。 1980 西安坐标系 XiAn geodetic coordinate system 1980 采用1975国际椭球，以JYD1968.0系统为椭球定向基准，选用陕西省泾阳县永乐镇为大地原点所在地，采用多点定位所建立的大地坐标系。 WGS84(世界大地坐标系) world geodetic system 1984 由美国国防部在与WGS72相应的精密星历系统 NSWC-9Z-2 基础上，采用 1980 大地参考系和 BIH1984.0 系统定向所建立的一种地球参考系和地心坐标系。1985国家高程基准NationalVerticalDatum19851987年颁布命名的，以青岛验潮站1952年一1979年验潮资料计算确定的平均海面作为基准面的高程基准。课后习题8、请简述地图投影的分类及作用？（P72P73 、P229）答： 地图投影分类：按构成方法/变形性质/形状/位置关系进行分类。（1）按地图投影的构成方法可分为：几何投影和非几何投影。几何投影：按投影面的形状分为方位投影、圆柱投影、圆锥投影；按投影面与地球的相对位置关系分为正轴投影、横轴投影和斜轴投影； 非几何投影：伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影；（2）按地图投影变形性质可分为：等角投影、等积投影、任意投影。作用：（1）为空间数据的录入提供数学基础。投影方式是空间数据库数学基础的三要素之一，投影准确是GIS数字化的工作要求。（2）为空间分析提供数学基础。GIS研究的核心是空间分析，投影准确是GIS空间叠合分析的工作要求。（3）为计算机制图提供数学基础。比例尺、投影和图例是地图的三要素（P229），投影准确是GIS专题图编绘的工作要求。本题进行了较大幅度的修改和补充。第二节 空间数据结构的转换一、矢量转栅格面的栅格化方法：内点填充法/边界代数法/包含检验法（夹角/交点）二、栅格转矢量栅格转矢量的方法：二值化/细化（剥皮/骨架）课后习题4、请举例说明常用的矢量和栅格数据的转换方法？（P80P87）答：矢量向栅格转换方法：矢量向栅格转换处理的根本任务就是把点、线或面的矢量数据， 转换成对应的栅格数据，这一过程叫做栅格化。栅格化可以分别针对点、线和面来进行，点的栅格化是线和面栅格化的基础。转换方法：建立矢量数据的平面直角坐标系和栅格行列坐标系之间的对应关系。点的栅格化：矢量坐标（x，y），转换后的栅格单元行列值（I，J）；线的栅格化：线的栅格化先分解成折线的每一个线段的栅格化，对应一条线段的栅格化，先使用点栅格化的方法，栅格化线段的两个端点，然后再栅格化线段中间的部分；面的栅格化：基于弧段数据的栅格化方法，与线段栅格化的方法类似，基于多边形数据栅格化的方法，是以非拓扑的实体多边形作为栅格化的处理单元，将一个多边形的内部栅格单元赋予多边形的属性值，基于多边形数据的栅格化方法包括：内点填充法、边界代数法和包含检验法等。栅格向矢量的转换方法：栅格数据结构向矢量数据结构转化又称为矢量化。矢量化方法：1）二值化，先根据栅格数据建立一个阈值，再根据这个阈值将不同的数据使灰度图像二值化。2）细化，是消除线画横断面栅格数的差异，使