地理信息系统导论GIS总复习考试重点

1、地理信息系统导论Introduction to Geographic Information System郑新奇 博士 教授 中国地质大学（北京）土地科学技术学院1总复习2课程特点GIS是一门典型的交叉性学科 GIS是一门实践性很强的学科 GIS是一门迅速开展中的学科 3第一章 导 论第一节 地理信息系统根本概念第二节 地理信息系统的根本构成第三节 地理信息系统的功能简介第四节 地理信息系统的开展透视4第一节 地理信息系统根本概念数据与信息两者在词义上的差异：数据是信息的表达，信息那么是数据的内容；数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；信息是当代社会开展的一项重要任务

2、。5地理信息地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称；地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。第一节 地理信息系统根本概念6地理信息系统(简称GIS)GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用根底学科，它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列根本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等；GIS的操作对象是空间数据,空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其

3、定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等；7GIS是管理和分析空间数据的应用工程技术，该工程技术系统由六个子系统组成；GIS为地理学解决复杂的规划与管理问题提供了有效的手段，而地理学那么为GIS提供了重要的根底理论依托；GIS的科学定义： 地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用根底学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。8第二节

4、GIS的根本构成系统硬件 由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。系统软件 由系统管理软件、数据库软件和根底GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。空间数据库 由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。应用模型 由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。9用户界面 由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。用户应用GIS根本构成的结构图硬件系统软件系统应用模型GIS用户GUI空间数据DBMS10第三节 GIS的功能简

5、介根本功能数据采集与编辑；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。11应用功能资源管理； 区域规划；国土监测； 辅助决策；定位效劳。第三节 GIS的功能简介12第四节 GIS的开展透视开展概况开展简史；开展态势：GIS已成为一门综合性技术； GIS产业化的开展势头强劲；GIS网络化已构成当今社会的热点； 地理信息科学。根底理论地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显的表达出多学科交叉的特征，这些交叉学科的根底理论同样构成地理信息系统的根底理论体系；空间数据库的准确性研究空间关系语言研究空间数据的多种表达方式研究 地理信息的使

6、用和价值研究 海量空间数据库的结构体系研究 空间决策支持系统 空间信息的可视化研究 地图制图的标准化研究 地理信息数据共享的研究 GIS中时空关系的研究 遥感和GIS的集成研究 GIS的用户接口研究 GIS和空间分析研究 GIS在全球变化中的作用研究 法律、信息政策和空间数据库关系研究 通过协作形成空间决策系统的研究 在社会背景中,如何在GIS中表达人、空间与环境的研究 地理信息系统的互操作研究 地理世界的标准化模式研究 13各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会NSF支持成立了国家地理信息与分析中心NCGIA等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认

7、知、空间推理、地理信息机理和地理信息不确定性等；李德仁院士在?空间信息系统的集成与实现?一书中，扼要表达了地球空间信息学的七大理论问题：地球空间信息学的基准；地球空间信息标准；地球空间信息的时空变化理论；地球空间信息的认知；地球空间信息的不确定性；地球空间信息的解译与反响；地球空间信息的表达与可视化。14第二章 地理信息系统的 数 据 结 构第一节 地理空间及其表达第二节 地理空间数据及其特征第三节 空间数据结构的类型第四节 空间数据结构的建立15第一节 地理空间及其表达地理空间的概念GIS中的概念常用“地理空间(geo-spatial)来表述，一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；地

8、理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成；GIS的任何空间数据都必须纳入一个统一的空间参照系中，以实现不同来源数据的融合、连接与统一；目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准。16空间实体的表达在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的；对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法矢量数据模型和栅格表示法栅格数据模型,如以下图。湖泊河道居民地流路17GIS的空间数据空间数据可以按照数据项、空间对象和图形特征的不同分为各种不同的类型；空间、属性和时间特征空间对象的三大根本特征：第二节

9、地理空间数据及其特征18空间特征是指空间对象的位置及与相邻对象的空间关系或拓扑关系；19属性特征是指空间对象的专题属性；20时间特征是指空间对象随着时间演变而引起的空间和属性特征的变化。第二节 地理空间数据及其特征21空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接、拓扑关联和拓扑包含，它们在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。第二节 地理空间数据及其特征22空间数据的计算机表示指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。第二节 地理空间数据及其特征23第三节 空间数据结构的类型矢量数据结构矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合

10、体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式；矢量数据结构分为简单数据结构也称面条数据结构、拓扑数据结构和曲面数据结构；拓扑数据结构最重要的技术特征和奉献是具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。24第三节 空间数据结构的类型C4N4C8C6P3C7N6C10N3C3N1P1C2N2C1P2C5N5P4P5C9N7拓扑数据举例25栅格数据结构栅格数据结构指将空间分割成各个规那么的网格单元，然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式；栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。第三节 空间数据结构的类型26四叉树 是

11、根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割2n2 n，且n1，直到子象限的数值单调为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。第三节 空间数据结构的类型27第三节 空间数据结构的类型0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 3 1112131415161718192021222324252627282930313233363738393435400 0 00 3 3 3 0 3 3 33

12、 3 5 3 0 0 2 22 3 2 2 2 2 0 22 2 2 5 2 5 5 53 33 5 5西南东南西北东北 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 122位6位4位28第三节 空间数据结构的类型游程长度编码只在各行或列数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同代码重复的个数；逐个记录各行或列代码发生变化的位置和相应代码。29第三节 空间数据结构的类型0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5 5 50 0 0 0 0 3 3 32 2 2 2 3 3 5 50 0 2 3 3 3 5 50 0 3 3 3 3 5 30 0 0 3 3 3 3 30 0

13、0 0 3 3 3 3沿行方向进行编码：( 0，1，2，2，5，5；2，5，5，3；2，4，3，2，5，2；0，2，2，1，3，3，5，2；0，2，3，4，5，1，3，1；0，3，3，5；0，4，3，4；0，5，3，3。30第三节 空间数据结构的类型 矢量结构 栅格结构 31矢量与栅格数据结构矢量与栅格一体化的根本概念；矢量与栅格一体化数据结构的设计。矢量与栅格数据结构的比较优点缺点矢量数据结构1.便于面向现象(土壤类、土地利用单元等)；2.数据结构紧凑、冗余度低；3.有利于网络分析；4.图形显示质量好、精度高。1.数据结构复杂；2.软件与硬件的技术要求比较高；3.多边形叠合等分析比较困难；4

14、.显示与绘图成本比较高。栅格数据结构1.数据结构简单；2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；4.输出方法快速，成本比较低廉。1.图形数据量大；2.投影转换比较困难；3.栅格地图的图形质量相对较低；4.现象识别的效果不如矢量方法。32第四节 空间数据结构的建立系统功能与数据间的关系现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系(见下表)，因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。空间数据的分类和编码空间数据的分类，是指根据系统功

15、能及国家标准和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层(见以下图)；33系统功能与数据间的关系(据Jack Dangermond等)34 信息层示意图35空间数据的编码：是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。代码由数字或字符组成。例如，我国根底地理信息数据的分类代码由六位数字组成，其代码结构如下所示： 大类码 小类码 一级代码 二级代码 识别位大类码、小类码、一级代码和二级代码分别用数字顺序排列。识别位由用户自行定义，以便于扩充。361：测量控制点 11：平面控制点12：高程控制点13：其

16、他控制点1101：三角点1102：导线点11011：一等11012：二等11013：三等11014：四等国土根底信息数据分类与代码举例 37矢量数据的输入与编辑矢量数据的输入，是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构参加到线段或标示点的计算机数据文件中去；空间数据编辑的目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。栅格数据的输入与编辑栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入等；38栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压

17、缩和数据组织方式的变换等,如以下图。 空间数据的不同组织方式39第三章 空间数据的处理第一节 空间数据的坐标变换第二节 空间数据结构的转换第三节 多源空间数据的融合第四节 空间数据的压缩与综合第五节 空间数据的内插方法第六节 图幅数据边沿匹配处理40第一节 空间数据的坐标转换几何纠正几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系；几何纠正的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高次变换等。41第一节 空间数据的坐标转换仿射变换举例42投影转换投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；投影转换

18、的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。第一节 空间数据的坐标转换43第二节 空间数据结构的转换由矢量向栅格的转换当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据；由矢量数据向栅格数据的转换方法，根据原数据文件的不同，可以分别应用：基于弧段数据的栅格化方法；基于多边形数据的栅格化方法。44由栅格向矢量的转换当由栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出，或者将栅格数据参加矢量数据库时，都需要将栅格数据转换为矢量数据；由栅格数据向矢量数据的转换，根据图像数据文件和再生栅格数据文件的不同，可以分别采用：基于图像数据的矢量化方法；基于再生栅格数据的矢量化方法。45栅格矢量化

19、举例栅格数据46栅格矢量化得到的弧段数据47弧段数据自动生成多边形48第三节 多源空间数据的融合遥感与GIS数据的融合遥感图像与数字地图数据的融合；遥感图像与DEM数据的融合；遥感图像与地图扫描数据的融合。不同格式数据的融合基于转换器的数据融合；基于数据标准的数据融合；基于公共接口的数据融合；基于直接访问的数据融合。49第四节 空间数据的压缩与综合空间数据的压缩空间数据的压缩，即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个子集作为一个新的信息源，在规定的程度范围内最好地逼近原集合，而且具有最大的压缩比a 式中：m为曲线的原点数；n为曲线经压缩后的点数。曲线上点的压缩方法：道格拉斯-普克法(Dou

20、glas-Peucker)；Li-openshaw的自然综合法那么法；垂距法 。50面域栅格数据的压缩方法：空间数据的综合空间数据的综合是针对存贮在GIS数据库中的数据因属性数据的重新分类而进行的操作；空间数据的综合内容包括相同属性的删除和相同属性公共边界线的删除等。51第五节 空间数据的内插方法点的内插点的内插是研究具有连续变化特征现象如地形、气温、气压等的数值内插方法；点的内插方法可以采用：移动拟合法；局部函数法；克里格Kriging内插法。区域的内插区域的内插是研究根据一组分区的数据来推求同一地区另一组分区未知数据的内插方法；区域的内插方法可以采用：叠置法；比重法。52克里格Krigin

21、g内插法举例高程数据53设置参数54插值结果55三维显示56第六节 图幅数据边沿匹配处理图幅数据边沿匹配的概念图幅数据边沿匹配的任务识别和检索相邻图幅的数据；相邻图幅边界点坐标数据的匹配；相同属性多边形公共界线的删除；连续图幅数据文件的建立。57第四章 GIS空间数据库第一节 空间数据库概述第二节 空间数据库概念模型设计: 传统的数据模型第三节 空间数据库概念模型设计:语义 数据模型和面向对象数据模型第四节 空间数据库逻辑模型设计和物 理设计第五节 GIS空间时态数据库时态数据库58第一节 空间数据库概述空间数据库的概念GIS存储空间和属性数据的数据库。空间数据库的设计设计过程；数据模型设计；

22、原那么、步骤和技术方法。空间数据库的实现和维护59第二节 空间数据库概念模型设计:传统的数据模型层次数据模型网状数据模型关系数据模型根本概念：关系；关键字；关系模式；关系数据库；关系完整性。60第三节 空间数据库概念模型设计: 语义模型与对象模型语义数据模型E-R模型。面向对象的数据模型面向对象的根本概念：对象、类；继承；重载；概括与聚集。61第四节 空间数据库逻辑模型设计和物理设计逻辑设计物理设计62第五节 GIS空间时态数据库空间时态数据库概述空间时态数据的表达；空间时态数据的更新；空间时态数据的查询；时空一体化数据模型时间片快照模型；底图叠加模型；时空合成模型；全信息对象模型。63第五章

23、 空间分析的原理和方法第一节 数字地面模型分析第二节 空间叠合分析第三节 空间缓冲区分析第四节 空间网络分析第五节 空间统计分析第六节 空间数据的集合分析和查询64第五章 空间分析的原理和方法空间分析的概念 空间分析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、空间形成和空间演变等信息。空间分析的一般分类产生式分析(product mode) ；咨询式分析(query mode) 。65第一节 数字地面模型分析地形因子的自动提取坡度计算；坡向分析；曲面面积计算；地表粗糙度计算；高程及变异分析；谷脊特征分析；日照强度的分析

24、；淹没边界的计算。66地表形态的自动分类拟定地形分类决策表；建立地形类型分类系统；输出地形类型图。地学剖面的绘制和分析建立数字高程模型；确定地形剖面线的位置；剖面线交点的内插计算；地形剖面线及相关地理信息地质、土壤、土地利用等的叠加表示和输出。67第二节 空间叠合分析空间叠合分析的概念空间叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，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；空间叠合分析根据叠合对象图形特征的不同，分为点与多边形的叠合、线与多边形的叠合和多边形与多边形的叠合三种类型。多边形与多边形的叠合分析多边形与多边形的叠合分析是指将两

25、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，用以解决地理变量的多准那么分析、区域多重图幅要素更新、相邻图幅拼接和区域信息提取等；68多边形与多边形叠合分析的功能：union；intersect；identity；erase；update；clip。 空间叠合分析的方法基于矢量数据的叠合分析；基于栅格数据的叠合分析；69第三节 空间缓冲区分析空间缓冲区分析的概念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度，以便为某项分析或决策提供依据；空间缓冲区的三大要素，即主体、邻近对象和作用条件。空间缓冲区分

26、析的模型线性模型；二次模型；指数模型。70第四节 空间网络分析网络图论的根本概念图及其构成元素；有向图和无向图；邻接矩阵和关联矩阵。空间网络的类型和构成空间网络的拓扑分类；空间网络的构成元素。空间网络分析方法路径分析；定位-配置分析。71第五节 空间统计分析变量筛选分析变量筛选分析的概念；变量筛选分析的方法。变量聚类分析变量聚类分析的概念；变量聚类分析的方法。72第六节 空间数据的集合分析和查询空间数据的集合分析空间集合分析的概念；空间集合分析的方法。空间数据的查询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。73第六章 地理信息系统的应用模型

27、第一节 GIS应用模型概述第二节 适宜性分析模型第三节 开展预测模型第四节 位址选择模型第五节 交通规划模型第六节 地学模拟模型第七节 专家系统概述74第一节 GIS应用模型概述GIS应用模型的分类理论模型；经验模型；混合模型。GIS应用模型的构建GIS环境内的模型构建；GIS外部的模型构建；混合型的模型构建。75第二节 适宜性分析模型模型的一般形式模型的应用实例选择评价对象；确定评价方法；评价过程和操作；输出评价结果。76第七章 地理信息系统的设计与评价第一节 GIS设计概述第二节 地理信息系统的设计第三节 地理信息的标准化第四节 地理信息系统的评价77第一节 GIS设计概述系统设计的目的这

28、里的系统设计是指应用型或业务型地理信息系统的设计；应用型地理信息系统设计的目的是为了建立业务化的运行系统，以实现业务操作的手工模式向信息化模式的根本转变，实现管理和决策的高效率和科学化。系统设计的模式结构化的系统设计模式；软件工程理论的应用。系统设计的流程系统分析；系统设计；系统实施；系统运行与维护。78第二节 地理信息系统的设计系统分析系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案；系统分析的内容包括：who谁使用该系统；what新系统需要具有哪些功能和条件；why为什么需要这些功能和条件；where新系统需要的资源和条件从哪里获得；quality系统需要具有的技术指标、性能和可靠性要求等。最后将系统分析的结果写成可行性分析报告，为系统立项提供依据。79系统设计总体设计：系统立项后便转入总体设计；总体设计完成后，撰写系统总体设计方案，提供专家论证和评审。详细设计：专家论证通过后，才能转入详细设计。详细设