GIS空间分析 考试

1、第一章 空间分析概念一、 空间分析的概念1 基本概念：空间分析根本目的：通过对空间数据的深加工和分析，获取新的信息。2 空间分析方法的分类：（1）产生式分析：地形分析：空间叠合分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析（2）咨询式分析：空间集合分析、空间数据查询二、空间位置三、空间分布描述参数和方法有：分布中心、标准距离、分布密度、分布轴线、空间聚类、趋势面等。四、空间形态：是空间物体的几何特征，如连通性等，面积、周长、坡度等。五、空间距离：反映的是空间物体之间几何上的接近程度。基于距离的分析缓冲区分析邻近度：描述了地理空间中两个地物距离相近的程度。缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务

2、范围。六、空间关系空间方位、拓扑、相关场、叠加等第二章 地理信息系统的基础2.1 地图简介一、 基本概念：地图是遵循一定的数学法则，将客体（一般指地球）上的地理信息，通过科学的概括，并运用符号系统表示在一定载体上的图形，以传递它们的数量和质量在时间与空间上的分布规律和发展变化。二、 地图的分类1按内容分类：普通地图、专题地图（自然地图、社会经济地图、工程地图如：）2按比例尺分类：大比例尺地图指比例尺大于等于1100万的地图；中比例尺地图指比例尺在110万到1100万的地图；小比例尺地图指比例尺在小于等于110万的地图。3按制图区域分类 4按地图的结构分类5按地图的用途分类6按出版和使用方式三、

3、地理空间坐标系的建立建立地理空间坐标系，主要的目的是确定地面点的位置。确定地面点的位置，最直截了当的方法就是用地理坐标（纬度、经度）来表示。地理坐标系统，是以经纬度来定义球面或者椭球面上点的位置的参照系统，是一种球面坐标。2.2地图投影一按地图投影的变形性质分类：(1) 等角投影 (2) 等积投影 (3) 任意投影二、按地图投影的构成方法分类：方位投影、圆柱投影、圆锥投影三、高斯克吕格投影：横轴等角切椭圆柱投影，。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。2.3 我国地理信息系统中常用的地图投影配置与计算2.4地理信息数字化描述方法一、 地

4、图对地理空间的描述：地理空间的实体分别用点状、线状、面状符号来表示。二、遥感影像对地理空间的描述：主要是通过不同的颜色和灰度来表示的。栅格和矢量结构是计算机描述空间实体的两种最基本的方式。2.5地理信息系统的运行环境：数据获取GIS接口数据模型操作、管理、分析地理数据库第三章 空间问题建模 3.1 空间问题建模模型可分为两类：用来描述事物的表征模型和用来描述事物过程的过程模型 3.1.1 表征模型 表征模型的出发点是描述事物的所有对象。表征模型用以描述事物的内部空间关系（如一个建筑物的外形）和事物与其他事物之间的空间关系（如建筑物的分布情况）。通过GIS同时可以建立事物的属性，因此表征模型也被

5、称为数学模型。 3.1.2过程模型及其类型过程模型用于描述不同物体之间的相互作用，这里的物体与表征模型中所指的对象相一致，这些关系都通过空间分析工具来确定。过程模型又被称为是地图模型。过程模型可以用来描述过程但往往只能对某些事情的发生进行预测。 一个最基本的空间分析操作是将两个栅格数据相加。过程模型的类型有以下几种：1）适宜性建模：查找最优位置，如学校最佳地点选择2）距离建模：从数据来计算距离3）水文建模：预测地面降水径流的流向。4）表面建模：描述某个城镇各个地方污染程度。3.2用于解决空间问题的概念模型 第一步：描述问题为了解决空间问题 为了解决空间问题 ，首先要做的事情是清晰地描述你要解决

6、的问题,即你的最终目标是什么?按照下面的步骤一步一步地往下做将会帮助你实现目标 第二步：分解问题你必须将该问题分解为一组具体目标,找出完成各具找出完成各具体目标所必需的要素及各要素之间的相互作用,并建立必要的输入数据集以创建表征模 如果最终目标是寻找驼鹿的最佳分布位置,你的任务包括找出最近驼鹿分散区域和驼鹿觅食的主要植物类型是什么等等。输入数据集包括驼鹿曾在哪里出现、植物类型以及人类居住点和道路的分布。第三步:分析输入数据集了解景观里单个物体的空间和属性关系,以及这些物体(表征模型)之间的关系。第四步：执行分析找到用于建立整体模型的工具。在驼鹿分布示例中,需要找到用来对某一特定植物类型进行选择

7、和赋权重的工具,以及对房屋道路建立缓冲区并适当赋以权重的工具。第五步：检验模型结果检查模型所得结果。你是否需要调整某些参数? 如果你同时建立了几个模型,确定一下你应该选用哪个模型。你需要分析出哪个模型是最好的,是否某个特定模型比其它模型更清楚地满足了你最初的目标?第六步：实施分析结果一旦你已经解决了空间问题,确保这个特定模型所得的结果满足你在第一步中概述的最初期望,然后你可以应用分析结果。3.3用概念模型创建适宜性地图Best Site for a new school第一步描述问题要解决一个空间问题,首先应该把你要解决的问题描述出来。最终目标是什么?最终目标：是要查找一个最适合的地址来建立一

8、所新学校。为了帮助你建立空间问题模型,按照以上步骤画一个流程图 第二步 分解空间问题一旦问题描述了,将它分解为更小的部分,直到你知道解决这个问题需要哪些步骤这些步骤就是你要实现的具体目标。当定义具体目标时,考虑一下如何来衡量它们。你如何衡量什么是最适宜建新学校的地区? A. 新学校还必须建在一个相对平坦的适宜地面上。（这里的过程模型为计算土地坡度图需要的输入数据集：高程） B. 新学校的建立应结合现有土地利用类型综合考虑，选择成本不高的区域（这里的过程模型为：需要的输入数据集：土地利用）C. 新学校的选择应靠近娱乐设施的地方会更好些（这里的过程模型为：计算到娱乐场地的距离，需要的输入数据集：娱

9、乐设施的位置。）D. 新学校与现有的学校保持适当距离也是很重要的,以便使学校在城镇上合理分布（这里的过程模型为：计算到现有学校的距离，需要的输入数据集：现有学校的分布。）第三步.分析已知数据对输入数据集进行分析，以了解数据集的内容，同时，还要探求数据中存在的趋势。通过分析数据，通常能够加深对所要建造学校的地区的了解，判定输入属性数据的权重，决定如何对建模过程进行修改。可以看一看现有的学校和娱乐场地的位置，还可以从高程数据集上了解到哪些区域的高程较大。而土地利用数据集则可以告诉用户本地区内的土地利用类型是什么样的，并且各土地利用类区内的土地利用类型相对于其它数据集的分布如何 第四步执行空间分析

10、确定了具体目标、各要素以及它们之间的相互关系和作用、过程模型，并且知道需要输入的数据集，下面就可以进行空间分析了。为一所新学校寻最佳位置时，有两种分析的途径。一种是可以创建一幅适宜性地图，另外一种是可以简单地查询创建的数据集来获取真或假运算的布尔结果。当然必须先根据分析的需要将所有图层重新分类，使所有的图层数据标准化。例如，这里可以按照建立新学校的适宜程度对每一图层进行分级，为每个图层中的每个类别赋一个 1 到 10 范围内的值，10 表示适宜性最高。这通常被称作适宜性等级。 第五步验证模型结果 任何空间分析获得结果都应该验证结果是否正确。如果可能，应该去实地调查一些潜在的因素。第六步实施分析

11、结果空间模型的最后一步是要将最终修改确定完善的结果实施，应用于实例，就是在所选的地址上建造新学校。第四章坐标系统一、地球形状与地球椭球体地球椭球体：假想一个扁率极小的椭圆，绕大地球体短轴旋转所形成的规则的椭球体称之为地球椭球体。地球表面几何模型可以分为四类 :第一类是地球的自然表面，它是一个起伏不平，十分不规则的 表面，包括海洋底部、高山高原在内的固体地球表面。第二类是相对抽象的面，即大地水准面。可以假设当海水处于完全静止的平衡状态时，从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面。水准面是一个重力等位面。第三类是地球椭球面。总体上讲，大地体非常

12、接近旋转椭球，而后者的表面是一个规则的数学曲面。地球椭球有时也常被称为参考椭球。第四类是数学模型，是在解决其它一些大地测量学问题时提出来的，如类地形面、准大地水准面、静态水平衡椭球体等。大地水准面（Geodetic datum），设计用为最密合部份或全部大地水准面的数学模式。它由椭球体本身及椭球体和地表上一点视为原点间之关系来定义。此关系能以6个量来定义，通常（但非必然）是大地纬度、大地经度、原点高度、原点垂线偏差之两分量及原点至某点的大地方位角。我们通常称谓的北京54坐标系、西安80坐标系实际上指的是我国的两个大地基准面。我国参照前苏联从1953年起采用克拉索夫斯基Krassovsky)椭球

13、体建立了我国的北京54坐标系，1978年采用国际大地测量协会推荐的1975地球 椭球体（IAG75）建立了我国新的大地坐标系-西安80坐标系，目前大地测量基本上仍以北京54坐标系作为参照，WGS1984基准面采用WGS84椭球体，它是一 地心坐标系，即以地心作为椭球体中心，目前GPS 测量数据多以WGS1984为基准。椭球体与基准面之间的关系是一对多的关系二地理坐标系统地理坐标系统（Geographic coordinate system），是以经纬度来定义球面或者椭球面上点的位置的参照系统，是一种球面坐标。投影坐标系统地球椭球体表面也是个曲面，而我们日常生活中的地图及量测空间通常是二维平面，

14、因此在地图制图和线性量测时首先要考虑把曲面转化成平面。由于球面上任何一点的位置是用地理坐标（，）表示的，而平面上的点的位置是用直角坐标（，）或极坐标表示的，所以要想将地球表面上的点转移到平面上，必须采用一定的方法来确定地理坐标与平面直角坐标或极坐标之间的关系。这种在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的数学。三投影和投影所需要的必要条件：将球面坐标转化为平面坐标的过程便是投影过程；投影所需要的必要条件是：第一、任何一种投影都必须基于一个椭球（地球椭球体），第二、将球面坐标转换为平面坐标的过程（投影算法）。简单的说投影坐标系是地理坐标系+投影过程。做真正的投影变换。在Arc Tool Box-D

15、ata Management Tools-Projections and Transformations中提供了如下工具：1、Define Projection2、Feature-Project3、Raster-Project Raster4、Create Custom Geographic Transformation当数据在没有任何空间参考信息时，在Arc Catalog 的坐标系统描述（XY Coordinate System）选项 卡中会显示为Unknown！这时如果要对数据进行 投影变换就要先利用DefineProjection工具来给数 据定义一个Coordinate System

16、，然后再利用 Feature-Project或Raster-Project Raster工具来对数据进行投影变换。第五章 GIS 空间数据处理一、概述1. 地形图的纠正：采用四点纠正法或逐网格纠正法。 2. 遥感影像的纠正：用和遥感影像比例尺相近的地形图或正射影像图作为变换标准，选用合适的变换函数，分别在要纠正的遥感影像和标准地形图或正射影像图上采集同名地物点。二、常用坐标变换方法1 、投影变换：2 、仿射变换：是在不同的方向上进行不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球。 3 、相似变换：在二维坐标变换过程中，经常遇到的是平移、旋转和缩放4 、橡皮拉伸：通过坐标几何纠正来修正缺陷。主要针对几何变形

17、，通常发生在原图上。三、栅格数据重采样 重采样方法：1. 最邻近像元 2. 双线性插值法 3. 双三次卷积法 三、地理配准：建立地理实体的大地坐标系统统一比例尺消除地图的变形投影变换实现图幅或图层的叠加目的：完成坐标变换的同时，消除图形的变形误差。其基本步骤为：（ 1 ）选择变换公式（ 2 ）根据公式选择起控制作用的控制点（ GCP ）（ 3 ）求解变换公式的参数（ 4 ）变换（ 5 ）检验变换的误差 5.2 . 空间数据处理的方法 - 类型转换一、矢量数据转栅格数据例：已知某一地区 x 方向为 15 公里， y 方向为 30km ,现要把该地区的地块图转成栅格数据，要求栅格分辨率为 30 3

18、0 ，则由行数 I=30km/30m=1000列数 =15km/30m=500（一）点的转换：实质是将点的矢量坐标转换成栅格数据行列值，得到点所在栅格中位置。（二）线的转换：实质是完成相邻两点之间直线的转换 ,从而得到点所在栅格元素的位置。 ( 三) 面域填充：方法也有多种 （ 1 ）内点扩散法 （ 2 ）射线算法 （ 3 ）扫描算法 （ 4 ）边界算术算法二、栅 - 矢转换栅转矢的基本思路是：（ 1 ）提取构成点、线、面的栅格点或集合（ 2 ）对这些集合进行矢量化并生成拓朴结构。基本步骤是：（ 1 ）对图像进行分类（面域或多边形）（ 2 ）二值化处理，即将对象和背景用黑白二值区分开（ 3 ）

19、提取对象（对于面状对象提取面域的边缘）（ 4 ）对象的细化（对于线对象）（ 5 ）矢量化1 、线的细化：（ 1 ）剥皮法（ 2 ） . 骨骼化2 、双边界直接搜索法：基本思路是用跨边界两侧的四个像元组成的窗口，沿边界行进，确定行进方向，而所跟踪的边界则是边界栅格的外界。其步骤是：（ 1 ）用上述 2X2 的窗口由上到下由左到右检查图像。 （ 2 ）选相邻的一组 4 栅格窗口，如其所包含的类型与起始窗口一致，则进入此窗口，并按进入方向选择下一搜索窗口，在搜索中要始终围绕所提取的多边形。（ 3 ）记录所经过的栅格路径及栅格结点位置。（ 4 ）矢量化和建立拓朴结构。 5.3 空间数据查询与空间度量

20、一、空间数据查询概述 两大类： “ 属性查图形 ” 和 “ 图形查属性 ”空间数据查询的内容：空间对象的属性、空间位置、空间分布、几何特征，以及和其他空间对象的空间关系。二、属性查询 ：分为简单的属性查询和基于 SQL 语言的属性查询。（一）简单的属性查询：最简单的属性查询是查找。（二） SQL 查询：基本语法为：Select From Where 扩展的SQL查询三、图形查询：是另一种常用的空间数据查询。 1. 点查询 2. 矩形或圆查询 3. 多边形查询四、空间关系查询：拓扑关系查询和缓冲区查询。（一）拓扑关系查询： 1、邻接关系查询 2、包含关系查询 3、关联关系查询 （二）缓冲区查询：

21、 缓冲区是根据数据库中的点、线、面地理实体，自动建立其周围一定宽度范围的多边形，来表征特定地理实体对邻域的影响范围。 五、距离量算与方位量算一、距离量算：距离描述了两个实体或事物之间的远近或亲疏程度。距离的量算与度量空间的介质有关，要区分匀质空间和非匀质空间 二、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 。六、线状物体的量算：长度、分数维数、曲率与弯曲度（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S=Ll）七、面状物体的量算：面积、周长、形状、质心 5.4 . 空间数据处理的方法 - 压缩处理 数据压缩的目的

22、：节省存贮空间、节省处理时间数据压缩途径：1、压缩软件：原数据信息基本不丢失而且可以大大节省存贮空间， 缺点 是压缩后的文件必须在解压缩后才能使用2、数据消冗处理：原数据信息不会丢失，得到的文件可以直接使用， 缺点是技术要求高，工作量大，对冗余度不大的数据集合效用小3、用数据子集代替数据全集： 在规定的精度范围内 ,从原数据集合中抽取一个子集， 缺点 以信息损失为代价，换取空间数据容量的缩小一、 数据压缩：矢量数据压缩、栅格数据压缩 方法： Douglas Peucker、垂距法、偏角法、间隔取点法二、曲线光滑（拟合 ）：假象曲线为一组离散点，寻找形式较简单、性能良好的曲线解析式。方式：插值方

23、式、逼近方式常见空间数据的压缩方法：1、曲线数据的压缩 2、面域栅格数据的压缩 3、面域邻接线段的删除 5-5 空间插值内插 : 在已观测点的区域内估算未观测点的数据的过程；外推 : 在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程 - 预测。一、边界内插 首先假定边界内的变化则是均匀的、同质的。边界内插的方法之一是 泰森多边形法 。泰森多边形法的基本原理是：未知点的最佳值由最邻近的观测值产生。 二、趋势面分析（多项式回归分析技术）基本思想是用多项式表示线面，按最小二乘法原理对数据点进行拟合。三、局部内插：利用局部范围内的已知采样点的数据内插出未知点的数据。1 、线性内插 2 、双线性多项式内插 3

24、 、双三次多项式（样条函数）内插四、移动平均法： 在局部范围（或称窗口）内计算n个数据点的平均值.（加权移动平均法）空间数据插值：1. 离散空间：空间具有跳跃特征（土地利用类型），重要变化发生在边界上，边界内的变化则是均匀的，同质的，即在各个方面都是相同的。 邻近元法： 以最相邻近图元的特征值表征未知图元的特征值。 2. 连续空间：空间具有渐变特征，内插技术必须采用连续的空间渐变模型实现这些连续变化，可用一种平滑的数学表面加以描述。（整体拟合、技术局部拟合技术）基本提取：按照属性或窗口，找出所需要的数据查询检索：相邻分析检索、相关分析检索、叠置分析检索、边沿匹配检索布尔处理：指根据用户规定的布

25、尔标准所进行的限定性的多重属性的查询和数理统计。内插主要有：点的内插算法、区域的内插算法 5.6空间数据的编辑处理目的：消除地图数字化过程中所产生的错误，以及将数字化数据重新组织以便得到进一步处理和使用的格式。一、图幅拼接处理二、地图输入出错处理三、图形要素重叠处理 GIS 具备的 图形编辑功能的要求 是：1 ）具有友好的人机界面，即操作灵活、易于理解、响应迅速等；2 ）具有对几何数据和属性编码的 修改功能 ，如点、线、面的增加、删除、修改等；3 ）具有 分层显示 和 窗口操作 功能，便于用户的使用。 图形编辑：又叫 数据编辑、数字化编辑，是指对地图资料数字化后的数据进行编辑加工，其主要的目的

26、是在改正数据差错的同时，相应地改正数字化资料的图形 。一、编辑操作1 ）结点吻合 (Snap)：或称结点匹配、结点咬合，结点附和。方法 ：A 、结点移动 B 、鼠标拉框 C 、求交点 D 、自动匹配 2 ）结点与线的吻合方法 ：A 、结点移动 B 、使用线段求交 C 、自动编辑 3 ）需要考虑两种情况：A 、要求坐标一致，而不建立拓扑关系 ；B 、不仅坐标一致，且要建立之间的空间关联关4 ） 清除假结点（伪结点）：由仅有两个线目标相关联的结点成为假结点 。二 、图形编辑：用鼠标增加或删除一个点、线、面实体，移动、旋转一个点、线、面实体。1 ）删除和增加一个顶点：删除顶点，拓扑关系不变 。增加顶

27、点，调整空间拓扑关系。2 ）移动一个顶点：移动顶点只涉及某个点的坐标，不涉及拓扑关系的维护，较简单 。3 ）删除一段弧段：先要把原来的弧段打断,原来的弧段被删除 ，拓扑关系需要调整和变化 。三、数据检查与清理 数据检查：拓扑关系的检查 ，结点是否匹配，是否存在悬挂弧段，多边形是否封闭，是否有假结点。 数据清理：是用自动的方法 清除空间数据的错误。四、撤消与恢复编辑五、关键算法：点的捕捉、线的捕捉、面的捕捉、图形编辑的数据组织空间索引（格网索引、四叉树索引 ） 5-7 拓扑关系的自动建立一、点线拓扑关系的自动建立：在图形采集和编辑中实时建立 二、多边形拓扑关系自动建立：1 、链的组织 1 ）找出

28、在链的 中间相交 的情况，自动切成新链；2 ）把链按一定顺序存储，并把链按 顺序编号 。2 、结点匹配 1 ）把一定限差内的链的端点作为一个结点，其坐标值取多个端点的平均值。2 ）对结点顺序编号。 3 、检查多边形是否闭合：通过判断一条链的端点是否有与之匹配的端点来进行。多边形不闭合的原因 ：1 ）由于 结点匹配限差 的问题，造成应匹配的端点未匹配；2 ）由于 数字化误差较大 ，或数字化错误3 ）还可能这条链本身就是悬挂链，不需参加多边形拓扑 4 、建立多边形： 1）顺序取一个结点为起始结点，取完为止；取过该结点的任一条链作为起始链。2）取这条链的另一结点，找这个结点上，靠这条链最右边的链，作

29、为下一条链。3）是否回到起点：是，已形成一多边形，记录之，并转 4）；否，转 2）。4）取起始点上开始的，刚才所形成多边形的最后一条边作为新的起始链，转 2）；若这条链已用过两次，即已成为两个多边形的边，则转 1）。5 、岛的判断 6 、确定多边形的属性 5-8 图形的裁剪、合并和图幅接边一、图形的裁剪 - 开窗处理 1、方式：正窗 ：提取窗口内的数据。开负窗 ：提取窗口外的数据子集。 矩形窗和多边形窗。2 、算法：点线面窗口裁剪 - 计算机图形学（矢量、编码、中点分割裁剪法）。 不规则多边形开窗 - 相当于多边形叠置处理。二、图形合并 - 数据文件合并 一幅图内的多层数据合并在一起或将相邻的

30、多幅图的同一层数据合并。涉及到空间拓扑关系的重建 。对于多边形，实际处理过程是先删除两个多边形，解除空间关系后，删除公共边，再重建拓扑。三、图幅接边 形成无缝数据库几何裂缝 ：指由数据文件边界分开的一个地物的两部分不能精确地衔接 - 几何接边逻辑裂缝 ：同一地物地物编码不同或具有不同的属性信息 - 逻辑接边 1 、识别或提取相邻图幅 2 、几何接边 3 、逻辑接边第六章GIS空间数据模型与空间数据库空间信息技术包括空间数据获取、空间数据处理和空间数据应用技术三个部分，而空间数据管理必将成为上述三种技术的基础和核心。在数据获取过程中，空间数据库用于存贮和管理空间信息及非空间信息；在数据处理系统中

31、，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。然而，空间数据以其惊人的数据量及其空间上的复杂性，使得空间数据的组织与管理给传统数据库系统 带来巨大挑战。本章主要介绍空间数据库在数据管理组织方式、空间索引、空间查询语言等方面的技术和特点。6.1.数据库概述计算机对数据的管理经过了三个阶段：序管理阶段、文件管理阶段、据库管理阶段。定义：数据库就是为了一定的目的，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。地理信息系统中的数据库就是一种专门化的数据库，由于这类数据库具有明显的空间特征，所以有人把它称为空间数据库。一

32、、数据库中数据组织方式：一般可以分为四级：数据项、记录、文件和数据库。1、数据项是可以定义数据的最小单位，也叫元素、基本项、字段等。2、记录：由若干相关联的数据项组成。3、文件是一给定类型的(逻辑)记录的全部具体值的集合。4、数据库：是比文件更大的数据组织。数据库是具有特定联系的数据的集合，也可以看成是具有特定联系的多种类型的记录的集合。数据库的内部构造是文件的集合，这些文件之间存在某种联系，不能孤立存在。二、数据间的逻辑联系：主要是指记录与记录之间的联系。1、一对一的联系(1：1) 2、一对多的联系(1：N) 3、多对多的联系(M：N)三、数据模型：是数据库系统中关于数据和联系的逻辑组织的形

33、式表示。数据库领域采用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型，其中应用最广泛的是关系模型。1、层次数据库模型它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。 层次结构采用关键字来访问其中每一层次的每一部分。 层次数据库结构特别适用于文献 目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。优点：存取方便且速度快；结构清晰，容易理解；数据修改和数据库扩展容易实现；检索关键属性十分方便缺陷：结构呆板，缺乏灵活性；同一属性数据要存储多次，数据冗余大；不适于拓扑空间数据的组织2、网络数据库模型网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。优点：能明确而个方便地表示数据间的复杂关系

34、；数据冗余小缺陷：网状结构的复杂增加了用户查询和定位的困难；需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大；数据的修改不方便（指针必须修改）3、关系数据库模型：是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进行存储和变换，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。优点：结构特别灵活，满足所有布尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求；能搜索、组合和比较不同类型的数据；增加和删除数据非常方便缺点：数据库大时，查找满足特定关系的数据费时；对空间关系无法满足。四、标准DBMS存储空间数据的局限性空间数据记录是变长的（如点数的可变性），而一般的数据

35、库都只允许把记录的长度设为固定；在存储和维护空间数据拓扑关系方面存在着严重缺陷；一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作；不能支持复杂的图形功能；单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录，一般的DBMS也难以支持。6.2空间数据库概述一、空间数据库空间数据库是指以特定的信息结构（如国土、 规划、环境、交通等）和数据模型（如关系 模型、面向对象模型等）表达、存储和管理从地理空间中获取的某类空间信息，以满足不同用户对空间信息需求的数据库。1、空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点： 数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置和

36、空间关系等，其数据量往往很大； 不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中 的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系； 数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。2、空间数据库的组成空间数据库的组成，从类型上分有栅格数据库和矢量数据库两类，其中栅格数据包括航空遥感影像数据和DEM数据；矢量数据则包括各种空间实体数据（图形和属性数据）。二、空间数据管理（一）空间数据的基本特征（1）空间特征（2）非结构化特征（3）空间关系特征（4）多尺度与多态性（5）分类编码特征 （6）海量数据

37、特征（二）由于空间数据存在非结构化特征、空间关系特征，使得通用数据库管理系统在 管理空间数据时，面临较多问题。1、GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS不能支持。2、DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。3、地理信息表达复杂，表达单个地理实体需多个文件、多条记录，或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性数据的关键字以及非空间专题属性等，一般的DBMS也难以支持。4、具有高度内部联系的GIS数据记录需要更复杂的安全性维护系统，为了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据文件产

38、生错误。这是一般的DBMS都难以保证的。5、GIS中空间数据记录是变长的（存储的坐标点的数目随空间对象的变化而变化），而一般数据库都只允许把记录的长度设定为固定长度。另外，在存 储和维护空间数据拓扑关系方面，DBMS也存在着严重的缺陷。因而，一般要对通用的DBMS增加附加的软件功能。（三）、矢量数据的管理 对于矢量数据，其位置数据和属性数据通常是分开组织的。这一特点使得在管理时需要同时顾及空间位置数据和属性数据，其中属性数据很适合用关系数据库来管理，空间位置数据则不太适合用关系数据库管理。空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的，按照发展的过程，对矢量数据的管理有文件/关系数据库混合管理、全关

39、系管理、对象关系数据库管理等方式。1.文件-关系数据库混合管理系统 2.全关系型数据库管理系统 3.扩展关系数据库管理方案 4.面向对象数据库管理系统（1）、基本概念1）对象：是对客观世界实体的抽象描述，由信息（数据）和对数据的操作组合而成。2）类：是对多个相似对象共同特性的描述。3）消息：是对象之间通信的手段，用来指示对象的操作。分公有消息和私有消息。4）方法：是对象接收到消息后应采取的动作序列的描述。5）实例：是由一特定类描述的具体对象。6）元类：是相似的类的共同属性的抽象，元类的实例是类，类的实例是对象。对象具有封装性和继承性，涉及到分类、概括、聚集、联合、继承和传播等概念。1）协议：是

40、一个对象对外服务的说明，它告知一个对象可以为外界。 封装：是将某件实物包围起来，使外界不必知道其实际内容。2）继承：从某类对象得到另一类对象的特征和能力。3）概括：是把一组具有相同特征和操作的对象归纳 在一个更一般的超类中。4）联合：是相似对象的抽象组合，可看作是更高层次的集合对象。5）聚集：是类似于联合的抽象化概念，不强调整个对象的具体细节，6）传播：作为联合和聚集的一种工具，通过一种强制性的手段将子对象的属性信息传递给复杂对象。（2）目前，采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主 要有三种实现方式：1）扩充面向对象程序设计语言(OOPL)，在OOPL中增加DBMS的特性2）扩充RD

41、BMS，在RDBMS中增加面向对象的特性3）建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS（四）栅格数据的管理栅格影像不仅包含了属性信息，还包含了隐藏的空间位置信息（即格网的行、列信息），即隐含着属性数据与空间位置数据之间的关联关系。其管理分为基于文件的影像数据库管理、文件结合数据库影像管理和基于关系数据库管理三种方式。三、空间数据库引擎1996年，ESRI公司与Oracle等数据库开发商合作，开发出一种能将空间图形数据也存放到大型关系数据库中管理的产品，将其定名为“spatial database engine”，简称SDE，即为“空间数据库引擎”。空间数据库引擎两种主要方式：一种以ESRI与

42、数据库开发商联合开发的空间引擎SDE为代表，可称之为“中间件”方式的空间数据库引擎。另一种空间数据引擎由数据库厂商开发。这些厂商凭借其在数据库核心技术上的优势，在关系数据库管理系统本身作出扩展，使之支持空间数据管理。四、空间数据组织不同的管理模式所对应的空间数据组织方式可能不一样，不同的GIS系统之间，其空间数据组织方式也不相同。下面以文件-关系型管理模式为 例，讨论空间数据的组织问题。（一）、图幅数据组织图幅一般对应一块区域，常见的分幅方式有标准分幅和区域分幅。(二)空间数据的图库管理1、具备工作层、工作区的这样的地理空间数据管理层次和数据处理单元，GIS数据管理的工作仍然没有完结。在大型数

43、据库管理中，需要建立“图库管理”职能。2、图库管理是海量空间数据管理的需要，是大型GIS软件的必备功能，其管理效率是衡量GIS软件优劣的重要指标之一。为了提高海量空间数据的管理效率，GIS必须建立强有力的空间索引和查询机制。(三)属性数据组织属性数据由关系数据库管理系统管理，但它的文件组织方式也要服从上述工作层、工作区和图库的要求，以便于图形文件协调工作，共同组成工作区、工作层，并进行跨图幅操作。 属性文件组织方式各不相同。主要的三种方式如下： 与工作层对应的组织方式 与地物类对应的组织方式（3）混合方式(四)空间索引1、空间索引的性能的优劣直接影响空间数据库和地理信息系统的整体性能，它是空间

44、数据库和地理信息系统的一项关键技术。2、常见的空间索引一般是自顶向下、逐级划分空间的各种数据结构空间索引，比较有代表性的包括BSP树、K-D-B树、R树、R+树和CELL树等。此外，结构较为简单的格网空间索引有着广泛的应用。(五)空间数据库查询语言1、标准查询语言2、扩展SQL处理空间数据SQL不足之处是只提供简单的数据类型：整型、日期型、字符串型等。1）用于所有几何类型的基本操作2）用于空间对象间拓扑关系的操作测试3）用于空间分析的一般操作第七章 空间缓冲区分析一、空间缓冲区分析基本概念1、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

45、辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。2、缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一邻近度（Proximity ）：描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，它的确定是空间分析的一个重要手段。从数学的角度看，缓冲区分析的基本思想是给定一个空间对象或集合，确定它们的邻域，邻域的大小由邻域半径 R决定。因此对象 Oi的缓冲区定义为：Bi=x:d(x,Oi)=R二、缓冲区分类点的缓冲区、线的缓冲区、面的缓冲区三、产生缓冲区的算法1）角分线法：缓冲区边界生成的核心算法的基本问题是双线问题。双线问题有很多另外的名称，如图形加粗，加宽线，中心线扩张等，它们指的都是相同的操作。双线问题最简单的方法

46、是角分线法（简单平行线法）。 算法是在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按缓冲区半径R截出左右边线的起止点；在轴线的其它转折点上，用与该线所关联的前后两邻边距 轴线的距离为R的两平行线的交点来生成缓冲区对应顶点。角分线法的缺点：难以最大限度保证双线的等宽性，尤其是在凸 侧角点在进一步变锐时，将远离轴线顶点。2）凸角圆弧法：在轴线首尾点处，作轴线的垂线并按双线和缓冲区半径截出左右边线起止点；在轴线其它转折点处，首先判断该点的凸凹性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧则用前后两邻边平行线的交点生成对应顶点。这样外角以圆弧连接，内角直接连接，线段端点以半圆封闭。该方法最大限度的保证了平行曲线的等宽性，避免了角分线法

47、的众多异常情况。四、空间缓冲区分析基本问题：进行空间缓冲区分析时，通常要将研究的问题抽象为以下三类因素来进行分析： 1、主体：表示分析的主要目标，一般分为点、线、面三种类型。 2、邻近对象：表示受主体影响的客体，例森林遭砍伐时所影响的水土流失范围等等。 3、作用条件：表示主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度。 线性模型：Fi=F0(1-di/d0) 二次模型：Fi=F0(1- di/d0)2指数模型：Fi=F0(1-di/d0)五、缓冲区生成步骤：缓冲区是根据点、线、面地理实体，建立起周围一定宽度范围内的扩展距离图，缓冲区的作用是用来限定所需处理的专题数据的空间范围，一般认为缓冲区以内的信息

48、均是与构成缓冲区的核心实体相关的，及邻接或关联关系，而缓冲区以外的数据与分析无关。1、确目的和标准 2、数据准备 3、空间操作 4、统计分析 5、结果输出六、空间缓冲区分析应注意的问题在建立缓冲区之后，缓冲区是一些新的多边形，而不包含原有的点、线、面要素。一般来说在建立缓冲区的时候应注意以下问题：1、缓冲区叠置处理缓冲区的重叠包含多个特征缓冲区之间的叠置，以及同一特征缓冲区图形的重叠。前一种情况可以通过拓扑分析的方法自动识别在缓冲区内部的弧段或线段，得到最后的缓冲区；后者可通过缓冲区边界曲线逐条线段求交。如果有交点并且在该两个线段上，则记录该交点，并截断曲线，而线段的其余部分是否保留则应判断它

49、位于重叠区内还是外面。若位于区内则删除，区外则记录，便可得到包含岛缓冲区。2、区宽度不同处理当不同级别的同一类要素建立缓冲区时，由于级别不同，而产生缓冲区的范围大小不同，如主要街道和次要道路，这时应首先建立要素属性表，根据不同的属性确定不同的缓冲区宽度，然后再产生缓冲区。七、空间缓冲区分析应用范围很广：例如在林业方面，要求出距河流两岸一定范围内规定禁止砍伐树木的地带，以防水土流失；城市道路街道的扩建，在街道周围需要拆迁的建筑物标识；大型水库兴建引起的搬迁；沿河流给出的环境敏感区的宽度；不同的工厂、飞机场和其他设施对周围产生的噪音污染的区域大小等等。第八章 叠置分析模型1 基本概念一、空间叠合分

50、析的概念1.空间叠合分析是叠置分析是指同一地区、同一比例尺、同一数学基础、不同信息表达的两组或多组专题要素的图形或数据文件进行叠置，根据各类要素与多边形边界的交点或多边形属性建立具有多重属性组合的新图层，并对那些在结构和属性上既相互重叠，又相互联系的多种现象要素进行综合分析和评价；或者对反映不同时期同一地理现象的多边形图形进行多时相系列分析，从而深入揭示各种现象要素的内在联系及其发展规律的一种空间分析方法。2.空间叠合分析根据叠合对象图形特征的不同划分为：（1）点与多边形的叠合（2）线与多边形的叠合（3）多边形与多边形的叠合二、点与多边形的叠合实质：点与多边形之间的包含分析点与多边形的叠合可以

51、分析每个多边形内某类点状要素一共有多少，或哪些点落在哪些多边形内。应用范围：这一功能常用于城市中各种服务设施分布情况的分析。三、线与多边形的叠合实质：建立某一图层上的弧段与另一图层的多边形的归属关系。线与多边形的叠合点是确定一图层上的弧段落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。应用：例如确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，就需要将道路图与境界图相叠合，计算弧段与多边形边界的交点，在交点处截断弧段，并对弧段重新编号，建立弧段与多边的归属关系。四、多边形与多边形的叠合定义：同一地区、同一比例尺的两种或两种以上专题要素进行叠置，形成具有二重或多重属性的相交多边形集合。步骤：

52、对原始多边形数据形成拓扑关系；多层多边形数据的空间叠置，形成新的层；对新层中的多边形重新进行拓扑组建；剔除多余的多边形，提取出感兴趣的部分分类：1合成叠置：通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域，或者按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性级的多边形进行重新分类或分级。因此，合成叠置的结果为新的多边形数据文件。2统计叠置：精确的计算一种要素在另一种要素的某个区域多边形范围内的分布状况和数量特征，或提取某个区域范围内某种专题内容的数据，因此，叠置的结果为统计报表或列表输出实质：将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生输出层的新多边形要素。应用：用以解决地理特征的动态

53、变化分析、区域多重属性的模拟分析、区域信息提取等。MapInfo中的叠合操作实例：1) 对象分割方法：a. 使对象所在图层可编辑。b.选中分割对象，对象菜单下将对象设置为目标。c.创建并选择分割对象（或使用同一图层或另一图层的对象）。分割对象必须封闭。d.选择“ 对象”“ 分割”。e.在“ 数据分解”对话框中，将字段函数设置为 “ 空白”、“ 值”或“ 面积比例”。f.单击“ 确定”。2）对象的合并a.任意合并：合并对象必须在同一可编辑层中b.用列合并对象：该图层可编辑c.目标合并：合并对象不一定在同一图层，但目标对象所在图层必须可编辑数据聚合方法：无变化、总和（数值型字段默认）、值（其它型字

54、段默认）、均值、加权合并结果：删除合并前的对象及其记录，生成新的对象；（保留原有对象），生成新的对象；保留目标对象，删除同一图层中的合并对象及其记录。3. 对象擦除根据欲擦除的目标对象与作为擦除工具的对象两者的叠置情况1) 擦除内部：叠置部分 2) 擦除外部：非叠置部分 2 基于矢量数据的叠合分析（参与叠合析的两个图层的要素均为矢量数据）优：数据量小 缺：运算过程比较复杂 3 基于栅格数据的叠合分析（参与叠合分析的两个图层的要素均为栅格数据）优：数据量大 缺：运算过程比较简单第九章 栅格空间分析1 设置环境参数9.1.1 设置工作路径缺省情况下分析结果将自动保存在操作系统的默认路径下，如 c:

55、.temp。当然，通过栅格空间分析模块中的 Option选项的设置，可以指定新的所有分析结果的默认存放位置。1单击 Spatial Analyst菜单下的 Option命令，打开 Option对话框。2在弹出的 Option对话框中选择General标签。3在 Working栏中指定存放路径；4点击确定按钮。9.1.2 设置单元大小此处栅格大指分析过程中系统默认的栅格数据的栅格单元大小，也有人把它称为分析解析度。栅格数据的空间分析就是在每一个栅格单元的基础上进行的。如果单元过大则分析结果精确度降低，如果单元过小则会产生大量的数据，而且计算速度降低。所以需要选择合适的单元大小。可以通过如下方式来设置：1.单击 Spatial Analyst菜单下的 Option命令，打开Option对话框。2.在弹出的 Options对话框中选择 Cell Size标签。3.在 Analysis cell栏的下拉菜单中可选择如下三种方式中的一种来进行分析：1） Maximum of Inputs：输入栅格的最大单元值；2） Minimum of Inputs：输入栅格的最小单元值；3） As Specified