地理信息系统概论期末复习总结

第一章导论

3S：GIS、RS、GPS

■地理信息系统（GIS）：是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计

来支持空间数据的采集、存储、管理、处理、分析、显示，以便解决复杂的规划和管

理问题。

■数据与信息基本概念（P1）、数据与信息的关系（概）【简答】：

>信息来源于数据（Data）。

>数据是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图像都是数据。数据是客观对象

的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。

◊数据处理与解释（P2）

■信息的特点：客观性,适用性，传输性，共享性（够见书P2）

令地理信息与地理数据的概念（P3）

■地理信息的特征【简答/填空P3】：

>空间特征：地理实体的空间位置及其相互关系，表现为多维结构，是地理信息区别

于其它类型信息的最显著标志；

>属性特征：表示地理实体的名称、类型和数量等；

>时序特征：指实体随时间而发生的相关变化的信息（属性数据或空间数据的变化）

>数据量大：地理信息既有空间特征，乂有属性特征，另外地理信息还随着时间的变

化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计戈！不断

发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。

■GIS与一般MIS

>GIS区别于其它信息系统的一个显著标志是具有空间分析功能。

>GIS离不开数据库技术。数据库中的•些基本技术，如数据模型、数据存储、检索等都

是GIS广泛使用的核心技术。

>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，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。

■GIS与CAD/CAM

管理了图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS,如计算机辅助设计（Computer

AdidcdDesign,CAD）,计算机辅助制图（ComputerAdidedMapping,CAM）

■地理信息系统分类

地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：

>一是应用型地理信息系统

以某一专业、领域或工作为主要内容,包括专题地理宿息系统和区域综合地理信息系统;

>二是工具型地理信息系统

也就是GIS工具软件包，如ArcGIS等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出

等GIS基本功能。

（1）专题地理信息系统（ThematicGIS）

是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。

如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信

息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。

(2)区域信息系统(RegionalGIS)

主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区

或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统：也可以按自然分区或流

域为单位的区域信息系统。

第2节GIS的基本构成

■完整的GIS主要由五个部分构成：系统硬件、系统软件、地理空间数据、应用人员、

应用模型

一、系统硬件P7【选择题】

1、数据处理设备(图形工作站、个人计算机、客户机/服务器(Client/server,简称C/S)

2、数据输入设备(图形手扶跟踪数字化仪、大幅面图形扫描仪，也称为工程扫描仪、数字

测量设备：数字摄影工作站、全球定位系统)

3、数据输出设备(绘图仪、打印机、计算机显示器、大屏幕投影仪)

二、系统软件P12

GIS软件是系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管

理、空间分析和图形用户界面(GUI)等。按照其功能分为：GIS专业软件、数据库软件、基

统管理软件等

GIS用户界面

GIS软件层次

GIS应用软件

一个完整的GIS需要多种软件协同工作，按功能可以分为：GIS功能软件、基础支撑

软件和操作系统软件等

1、GIS功能软件常分为：GIS基础软件平台和GIS应压软件两大类(P13)

(1)GIS基础软件平台

一般是指具有丰富GIS专业功能的通用型GIS软件,它包含了处理分析地理数据的各种基

本功能，可以作为其他G【S应用软件系统建设的软件平台。

代表产品：ArcGIS、MGE、MAPINFO、MAPGIS.GEOSTAR等

■GIS基础软件平台的功能：空间数据输入和编辑、空间数据管理、空间数据处理和分析、

图形用户界面、空间数据输出、系统二次开发功能

(2)GIS应用软件P13

2、基础支撑软件：主要包括：系统库软件和数据库软件等P16

如ORACLE、SYBASE、INFORMIX、DB2、SQLServer、Ingress等

3、操作系统软件P16

Fl前，常用的操作系统有操作系统有：UNIX、Windows、Linux>MacOS等。

三、空间数据（P19）：地理空间数据是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象，它

具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。

在逻辑上可以采用矢量和栅格两种数据组织形式来袤达地理数据。分别称为矢量数据结构和

栅格数据结构。

四、应用人员P20

人是GIS中的重要构成因素。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需

要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地

理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。

GIS应用人员包括系统开发人员和GIS的最终用户

五、应用模型P20

第3节GIS的功能简介

■一个完整的GIS系统的基本功能应包括：数据采集与编辑、数据存储与管理、数据处

理和变换、空间查询和分析、数据显示和输山功能

I、数据采集与编辑

主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑

一致性与正确性等。信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。

2、数据存储与管理P23

■因此GIS数据库管理功能除了与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理

技术主要包括：空间数据库的定义、数据访问和提取、通过空间位置检索空间物体及其

属性、按属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。

3、数据处理和变换P23

数据处理的任务和操作内容有：①数据变换;②数据重构;③数据抽取

4、空间分析和统计P24

■常见的空间分析有：【简答】（1）叠合分析（叠加（叁置）分析）；（2）缓冲区分析；（3）

数字地形分析

5、产品制作与演示P25

GIS产品是指经过GIS处理和分析的结果，可以直接输田供专业规划或决策人员使用的各种

地图、图像、图表或文字说明。

其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式

6、二次开发和编程

二、应用功能（见书P26）

系统的主要任务是？见书

1、资源管理；2、区域规划；

3、国土监测；

>1994年的美国洛杉机大地震，就是利用GIS进行灾后应急响应决策支持，成为大都市

利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。

>通过对横滨大地震的震后影响作出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建

筑等图库。把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机

构可以对象神户••样的大都市大地震作快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。

>再如，据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气

象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积

雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子

的综合指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达73%以上。

4、辅助决策

>地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观

决策提供依据。

>总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的

不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。

第4节GIS的发展概况

1、国际发展状况（见书P28）

80年代为GIS大发展时期

出现了DBMS,GIS应用领域迅速扩大。

许多国家制定了本国的GIS发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性

机构。

商业性的咨询公司、软件制造商大量涌现，并提供系列专业化服务。

GIS不再受国家界线的限制，开始用于解决全球性的问超。

90年代至今为GIS的用户时代

>由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，GIS已成为许多机构必

备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受GIS影响而改变了现有机构

的运行方式、设置与工作计划等。

>社会对G】S认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致GIS应用的扩大与深化。

>国家级乃至全球性的GIS已成为公众关注的问题，例如GIS已列入美国政府制定的“信

息高速公路”计划，美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略也包括GIS.

>亳无疑问，GIS将发展成为现代社会最基本的服务系统。

2、国内发展状况

我国地理信息系统的发展总步较晚，但发展较快，大体可分为下列几个阶段：准备阶段、试

验阶段、发展阶段、产业化阶段

准备阶段

70年代初，我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用。

1972年开始研制制图自动化系统

1974年引进美国地球资源卫星图像，开展了卫星图像的处理和信息解译工作

随后召开了各种区域性遥感技术规划会议，先后开展了多项环境卫星系列数据与图像的接

收、处理和应用的试验，如京津唐地区红外遥感试验、新疆哈密地区航空遥感实验等。

还开展了全国范围的航空摄影测后与地形制图，为我国GIS数据库的建立打下了坚实的物

质基础，并于1977年诞生我国第一张全要素数字地图。

所有这些都为我国GIS的研制和开发做了物质和技术准备，为GIS的发展开辟了道路。

试验阶段

80年代，随着计算机技术的发展，GIS这一新技术在我国正式进入全面试验阶段。

我国在GIS理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养、典型试验

和专题试验等方面都取得了实质性的进展。

在典型试验中主要研究建立数据规范和标准、空间数据库建立、数据处理和分析算法以及系

统分析软件和应用软件的开发等。

在专题试验和应用方面，探索地理信息系统的设计与应用，包括人口、资源、环境与经济等

广泛专题的试验和应用。

用于辅助城市规划的各种小型信息系统在城市建设和规划部门获得了认可。

国际GIS学术会议多次在我国举行，有关高校开设了GIS课程。

发展阶段

从1986年到1995年前后，由于沿海、沿江经济开发区的发展，上地的有偿使用和外资的引

进，急需GIS为之服务，推动了GIS的发展和应用。

GIS研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关项目，开始有计划、有组织、有目标地进行

理论研究和应用建设。

在基础研究和软件开发方面，科技部在“九五”科技攻关计划中，将“遥感、地理信息系统

和全球定位系统的综合应用”列入国家“九五'重中之重科技攻关项目，开发我国自主版权

的地理信息系统基础软件，如GeoStar,MapGIS,SuperMap等。

全国许多行业部门和部分省市积极发展各自专业G】S和区域GIS,上海、北京、深圳、海口、

三亚、常州等大中城市都在积极建设城市GIS。

产业化阶段

90年代末以来，我国GIS在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速，

并力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用推向实用化、集成化、工程化，为国

民经济发展提供辅助分析和决策依据飞

GIS在研究和应用过程中走向产业化道路，成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各

业发挥重大作用。

3、GIS发展动态

李德仁:论21世纪遥感与GIS的发展(武汉大学学报•信息科学版，2003(2))

■GIS技术的主要发展趋势

空间数据库趋向图形、影像和DEM库一体化和面向对象

空间数据表达趋向多比例尺、多尺度、动态多维和实时三维可视化

空间分析和辅助决策智能化需要利用数据挖掘方法从空间数据库和属性数据库中发现更多

的有用知识

通过Web服务器和WAP服务器的互联网和移动GIS将推进数据库和互操作的研究及地学

信息服务事业

地理信息科学的研究有望在本世纪形成较完整的理论框架体系

思考题

什么是GIS?它具有什么特点？

GIS与其它信息系统有什么区别？

简述GIS的构成。

简述GIS的基本概念。

简述GIS的发展。

举例说明GIS可应用的行业。

第二章GIS的数据结构

GIS的数据结构主要是用来解决地理空间数据以什么样的形式存储到GIS中的问题。

•地理空间：一般指上至大气电离层,下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域。包

括：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈。

为在地理空间中准确定位需要采用一种空间定位框架来实现

注：

地壳同地幔间的分界面,是南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇于1909年发现,故以他的名

字命名，称为莫霍洛维奇不连续面，简称莫霍面(或莫氏面)。

•大地测量控制系统一一地理空间定位框架

＞用以建立地球的几何模型来精确测量地球上任意一点的坐标,

>包括平面位置坐标和高度值坐标

>为建立地理空间数据的坐标位置提供了一个通用参照系

>大地测量控制信息的主要要素：大地测量控制点,由已知点可以推测未知点的坐标位置

信息

平面控制网：用以确定物体在地球上的平面位置，通常用地理坐标（经纬度）来表示。

基准面一一测量的依据；

由于地球的自然是一个高低起伏很大的不规则的表面，不能作为测量的依据，于是人们

对地球表面进行近似的处理，用大地水准面来代表地球表面的形状。

•大地水准面：

>是假设静止的平均海水面穿过大陆、岛屿形成包围整个地球的一个闭合曲面。

>由于地球内部物质分布的不均匀，导致大地水准面仍然不是一个光滑的表面，而是一个

极半径略短、赤道半径略长、北极略突出、南极略扁平的近于•梨形的一个球体。

>大地水准面不是一个简单的数学曲面，无法在其上直接进行测量和数据处理。

•旋转椭球体：

>以大地水准面为基准建立起来的地球椭球体模型。

>是一个椭圆围绕其短轴旋转形成的形状，其赤道半径a大于极半径b。

>旋转椭球体足一个可以用数学公式描述的规则的几何表面

>可以作为平面坐标的基准。

我国在不同时期采用的旋转椭球体及其元素值如表2-1（P39）

1980年中国国家大地坐标系的大地原点，及国家水平控制网中推算的大地坐标起标点，设

在我国中部地区的陕西省泾阳县永乐镇。

目前我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系。

•根据不同需求，我国现有三种大地坐标系并存:P39

>一、北京-54（局部平差）

>二、1980年国家大地坐标系（西安・80,整体平差）

>三、地心坐标系,即以地球的质心作为坐标原点的坐标系

对应于每一个坐标系统点的坐标:可以用大地坐标形式表示,即用纬度、经度和高层（BLH）：

也可以用空间大地直角坐标形式表示,即用（x,y,z）表示。

•地图投影：将椭圆面上各点的大地坐标,按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的

平面直角坐标，统称为地图投影。

二、高程控制网P40

•地理空间特征实体：指具有形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体。包括点、线、

面、曲面和体，他们构成地球圈层间复杂的地理综合体，也是GIS表示和建立空间数

据库的主要对象。

•研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考框架，还必须分析地理空间特征实体或地

理空间信息的几何形态和时空分布规律及其相互之间的关系。

三、空间实体的表达

地理空间的表达是地理数据组织、存储、运算、分析的基础。

•地理空间的表达方法可以概括为：父量、撷检、三角形不规则网等

•矢量表示法（矢量数据模型）、栅格表示法（栅格数据模型）P41

•对于地理连续面的表达，还可利用三角形不规则网表示（Triangulatedirregular

Network,TIN）。

>TIN的构成：将地面一系列离散点，按照一定的规则和条件连接成互不交叉的三角网。

第二节地理空间数据及其特征（详细见书P41-44）

•按数据来源分类I地图数据、影像数据、文本数据

•按数据结构分类：矢量数据、栅格数据

•按数据特征分类：空间定位数据、非空间属性数据

•按数据几何特征分类：点、线、面、曲面、体

•按数据发布形式，GIS中的空间数据可分为4D数据：数字线画图（布形式数字栅

格图（DRG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）数据

•（一）空间数据基本特征：空间特征、属性特征、时间特征

以及与相邻地理现象和过程的空间关系（包括方位关系、拓扑关系、相邻关系、相似关系等）

空间位置可以通过坐标数据来描述称为定位特征或定位数据。空间关系称为拓扑特征或拓扑

数据。

•（-）空间数据基本信息：定位信息、属性值良工地理现象和过程本身具有的描述性信

息3拓扑信息（地理对象之间的相互关系）

二、空间数据的拓扑关系

•“拓扑（Topology）

拓扑属性、拓扑变换的理解：

设想一块高质量的橡皮，这块橡皮可以任意地被拉伸、压缩，但不能被扭转或者折叠，表面

上有由结点、弧、环和区域组成的任何可能的图形。

对这块橡皮进行任意地拉伸、压缩，图形原有的•些属性将得到保母而继续存在，而有些属

性则将消失。

设想橡皮表面上有一个多边形，并且还有一个点在多边形中，当对橡皮进行任意的拉伸、压

缩后，点依旧存在于多边形内部，点和多边形之间的空间位置关系不会改变，但是多边形的

面积将会发生变化。这时，我们称“点的内置”是拓扑属性,面积则不是拓扑属性，而拉伸

和压缩这样的变换就是拓扑变换。

•常见的拓扑后性与非拓扑属性____________________________________________

卜个点在一个弧段的端点

一个弧段是一个简单弧段（弧段目身不相交）

一个点在一个区域的边界上

一个点在一个区域的内部

拓扑属性一个点在一个区域的外部

一个点在一个环的内部

一个面是一个简单面（面上没有“岛”）

一个面的连通性（给定面上任意两点，从一点可以完全在面的内部

沿任意路径走向另一点）|

两点之间的距离

一个点指向另一个点的方向

非拓扑属性弧段的长度

一个区域的周长

一个区域的面积

拓扑元素：点、线、面

•拓扑关系P45

在GIS中，拓扑不但用于数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的

意义。

•拓扑关系的类型：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含［包含关系分简单包含、多层包含和

等价包含三种形式。）［见46］

■2、空间拓扑关系的意义（P47）

四、空间数据的计算机表示

>表示地理实体的空间数据包含空间特征、属性特征和时态特征。

•空间数据结构：对于具有复杂特征的空间数据,组织和建立起它们之间的联系，以便于

计算机存储和操作。

•空间数据表示的基本方法：（P47、■一空间分幅、属性分层、时间分段

•数据结构P48

•空间数据结构类型：♦量数据结构、栅格数据结构、曲面数据结构

一、矢量数据结构P48

♦矢量数据结构分为以下几种主要类型：

1、实体数据结构

在实体数据结构中，空间数据按照基本的空间对象（点线或多边形）为单元进行单独组织

不含有拓扑关系，最典型的是所谓面条（Spaghetti）结构，采用这种数据结构的有ArcGIS

的shape文件和Maplnfo的Tab文件

■实体数据结构的特点；P49

■ESRI公司的shapetile文件是描述空间数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结

构的一种格式，一个shapefile文件包括一个主文件（*.shp）、一个索引文件（*.shx）和

一个dBase表文件仆.dbf）

2、拓扑数据结构

拓扑数据结构包括：DIME（对偶对立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（地理

编码和参照系统的拓扑集成）

共同特点P50

在拓扑数据结构中：

（1）弧段是数据结构的恭本对彖

弧段文件由弧段记录组成，每个弧段记录包括弧段标识码、起始节点、终止节点、左多边形

和右多边形

（2）节点文件由节点记录组成

包括每个节点的节点标识码、节点坐标及与该节点连接的弧段标识码等

（3）多边形文件由多边形记录组成

包括多边形标识码、组成该多边形的弧段标识码以及相关属性等。

二、栅格数据结构

栅搔结构是指将研究区域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、列号定义，并包含一个代码，表示该象素的属性类型或量值。

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。

点线面的栅格表达：

<点用•个栅格单元表示，线状地物用沿线走向的•组相邻栅格单元表示，面或区域用记

有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一

个区域。

<任何以面状分布的对象（土地利用、土壤类型、地势起伏、环境污染等），都可以用栅格

数据逼近。遥感影像就属于典型的栅格结构，每个象元的数字表示影像的灰度等级。

•栅格结构特点：

1）属性明显，定位隐含:即数据直接记录属性的指针或属性本身，而所在位置则根据行列

号转换为相应的坐标给出。

2）结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像结合

处理。

3）误差较大

空间分辨率:一个像元所代表的地面实际面积的大小。

分辨率的确定：以保证最小多边形的精度来确定网格的尺寸。

•确定栅格单元代码的方式

当一个栅格单元中有多个地物要素时，可根据需要用下列方法来确定栅格单元的代码：

①中心点法：

用处于栅格中心处的地物类型或现象特性作为栅格单元的代码。

②面积占优法

由占栅格面积最大的地物类型或现象特性作为栅格的代码。

③重要性法

根据栅格内不同地物的重要性，选取最重•要的地物类型作为相应的栅格单元代码

（一）栅格矩阵结构

直接编码一一无压缩编码，将栅格数据看作是一个数据矩阵，逐行或逐列逐个记录代码。

（二）游程（行程）编码结构P54

游程长度编码的特点

>压缩比的大小是与图的复杂程度成反比的，在变化多的部分，游程数就多，变化少的部

分游程数就少，图件越简单，压缩效率就越高。

>游程长度编码在栅格加密时，数据量没有明显增加，压缩效率较高，且易于检索，叠加

合并等操作，运算简单，适用于机器存贮容量小，数据需大量压缩，而又要避免更杂的

编码解码运算增加处理和操作时间的情况。

•（三）四叉树结构

四义树又称四元树或四分网,是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。

四分树将整个图像区域逐步分解为一系列方形区域，且每一个方形区域具有单一的属性。最

小区域为一个象元。

区域分割原则（自上而下方式）：将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值

是否单一决定要不要再分，如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性

值相同为止。注：自下而上方式相反

•四叉树的生成算法

从上而下的分割算法:将欲分解区域等分为四个象限，再根据各个象限的象元值是否单一决

定要不要再分。如果单一则不再分割，否则同法再分，直到所有象限的象元属性值相同为止。

需要大量的运算，因为大量数据需要重复检查才能确定划分。当矩阵比较大，且区域内容要

素又比较复杂时，建立这种四叉树的速度比较慢。

从下而上的合并算法：如果每相邻四个网格值相同则进行合并,逐次往上递归合并，直到符

合四叉树的原则为止。这种方法重复计算较少，运算速度较快。

为了保证四叉树能不断的分解下去，要求图像必须为2n的栅格阵列，n为极限分割次数，

n+i是四叉树的最大高度或最大层数。

・四叉树编码的特点

①容易而有效地计算多边形的数量特征；

②阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需

表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；

③栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易；

④多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。

•四叉树的存储方法

常规四叉树：常规四叉树每个节点通常存储6个量，即上个子节点指针、一个父节点指针和

一个节点值。

线性四叉树：线性四叉树每个节点只存储3个量，即莫顿码、深度（或节点大小）和节点值。

（基本思想：仅记录非。值叶节点）

•几种编码方法比较分析

直接师嫔研的坎用和四又树辆

压缩效率较

高，已接近具有区域性质，又具

在很大程度上压

矢部结构，府可变的分蟒率，Q

筒单面现，是鲂数据，又最大

对边界的运较高的压缩效率，四

压缩编码方法限度的保留了原

特点算比较方叉树筹码可以直接迸

的泾辑原型始根格结构，第

使，但不具行大芭图册图象运

（糊格文件）码解码+分容

有区域自算，效率较高，是很

易，十分适合于

质，区域运有前途的却J方法

。机地理信息系

统采用

■矢量与栅格数据结构的比较【简答】

优点皎点

矢

1.使干曲向双象（±0樊,土坦利用单1瞅据给梅复杂；

■

元等）的敷据覆达；2上件与■件的接求要束比较

数2S据结梅索本.冗余度衽；X：

据3.死扑结峋有利于网络分析，空间理3.多边影■台等分析比我国雄

结国等；s

剪4.图影显示质■好、精度篇.4.显示与靖图成本比较高.

M1家蠹结梅相对蔺单；L图影数■0大■冗余度高.

格2.空向分析加地理短象的慢拘均比较量更压爆处整；

数«««2.投影转帙比较国用；

据3.育利于遥感依据的匹配应用加分析3.•格他图的图彩质,相对较

结t低，

构4.依出方法快堇.成本比较长廉.4.短取识别的效果不如矢■方

法.

三、曲面数据结构P59

通常有两种表达曲面的方法，一种是不规则三角网（TIN）,另一种是规则格网（Grid）

（-）TIN的曲面数据结构

•TIN曲面数据结构的主要特征:TIN由一系列三角形组成、三角形顶点都是一些特征点、

每个三角形的坡度、坡向均一、三角形大小随地形变化而变、尽可能是等边三角形、三

角形的边长之和最小、以拓扑方式存储

•TIN曲面数据结构的主要优势P59

（二）规则格网的曲面数据结构

第4节空间数据结构的建立

•矢晟数据的输入过程——数字化。

实际上是产生和矢量数据结构相适应的GIS空间数据的过程，即把经过分类和编码的

地理要素的空间位置，转换为一系列的坐标，然后将这些坐标按照确定的数据格式存入

到计算机中区。

■数字化的方法：手扶跟踪数字化仪数字化、屏幕数字化、扫描矢量化等。

•为保证空间数据质量，通常需要进行多工序的编辑检查：目视检保、机器检查、图形检

查

第三章空间数据处理

•空间数据处理是针对空间数据本身完成的操作，不涉及内容的分析。因此，空间数据处

理又称为空间数据形式的操作o

•空间数据处理包括：数据变换（包括几何纠正和地图投影转换等;数据重构（包括结构

转换、格式转换和类型替换等）：数据提取（包括类型提取、窗II提取、空间内插等。

第一节空间数据的变换

空间数据变换：P69

•空间数据变换的目的：为数字化原图的数据进行坐球转换和变形误差的纠正；

不同来源的地图进行地图投影技换与地图比例尺的统一。

一、几何纠正

•（几何纠正）分类：仿射变换、相似变换、二次变换等

Q仿射变换P69

仿射变换是使用最多的一种几何纠正方式，只考虑到x和y方向上的变形

•仿射变换的特性：P69-70

仿射变换可以不同程度地缩放、倾斜、旋转和平移数据。

在实际使用时，往往利用4个以上的点进行纠正，利用最小二乘法处理,以提高变换的精度。

二、地图投影及其转换

一、地图投影的基本原理P72

•1、为什么需要地图投影：

将地球椭球体上的空间信息表现到平面地图上，或用GIS的地图图形显示出来，就必

须采用某种数学法则，使空间信息在地球表面上的位置和地图平面位置一一对应起来。

•2、建立地图投影的目的：

采用某种数学法则，使空间信息在地球表面上的位置和地图平面位置一一对应起来，以

满足地图制图的要求3

令理解地图投影如何改变空间属性的一种简便方法：观察光穿过地球投射到表面（称为投

影曲面）上。想像一下，地球表面是透明的，其上绘有经纬网。用一张纸包裹地球。位

于地心处的光会将经纬网投影到一张纸上。现在，可以展开这张纸并将其铺平。纸张上

的经纬网形状与地球上的形状不同。地图投影使经纬网发生了变形。

•地图投影在实践中是采用经纬度表示的地球表面上的点位与平面直接坐标或极坐标表

示的平面上的点位，通过一定的数学关系式建立起对应的联系。P72??

二、地图投影的类型P72

•地图投影中的变形主要有三种：角度变形、面积变形、长度变形

•按地图投影变形性质，•般把地图投影分为三类：等角投影、等面积投影和任意投影

■根据变形椭圆的原理分析P73

>等角投影（或称为正形投影）：

特点：投影后形状无变化，大小发生变化。

优点：等角投影保留局部形状。

缺点：由一些弧线围起来的区域将在此过程中发生巨大变形。地图投影无法保留较大区

域的形状。

>等距离投影：

特点：投影后形状发生变化，距离不变。

优点：等距地图保留某些点间的距离。

任何投影都无法在整幅地图中正确保持比例不变。

多数情况下，地图上总会存在一条或多条这样的线：比例沿着这些线将正确地保持不变。

多数等距投影都具有一条或多条这样的线：在此类线中，地图上线的长度（按地图比例

尺计算）与地球上同一条线的长度相同，无论它是大圆还是小圆，是直线还是曲线。此

类距离被视为真实距离。

例如，在正弦投影中，赤道和所有纬线就是其真实长度。在其他等距投影中，赤道和所

有经线具有真实长度，而其他投影（例如，两点等距离）仍会显示地图上一点或网点与

相隔点间的真实比例3

请记住，任何投影都不能实现地图上的所有点是等距离的。

>等面积投影：

特点：投影后面积无变化。

优点：等枳投影保留所显示要素的面积。形状、角和比例等其他属性将发生变形。在

等积投影中，经线和纬线可能不垂直相交。

有些情况下，尤其是城小区域的地图，形状不会明显变形，且很难区分等积投影和等角

投影，除非加以说明或进行测量。

>任意投影：

按其性质既不属于等角又不属于等积。

注意：地球表面上的长度、面积和角度经过投影后一般均会发牛.变化。

•按投影面的形状分为:圆锥投影、圆柱投影、方位投影

•地图投影按投影面与地球的相对位置关系分为：

正轴投影：投影面的旋转轴与地球旋转轴重合:

使效投匿一投影面的旋转轴与地球旋转轴垂直；

斜轴投影：投影面的旋转轴与地球旋转釉既不垂直又不重合:

•了解：

正轴切圆锥投影和地球表面相切于一条纬线,称为标准纬线，标准纬线投影后保持长度

不变。正轴割圆锥投影和地球表面相割于两条标准纬线。

•按投影面和地球的空间逻辑关系可以分为：相切和相割两类投影

•地图主比例尺（或称为普通比例尺）：计算地图投影或制作地图时,必须将地球要一定

比例缩小表示到平面上，这个比例称为地图主比例尺，或称为普通比例尺

•局部比例尺：由于投影中必定存在某种变形,地图仅能在某些点或线上保持比例尺，其

余位置的比例尺都与主比例尺不相同，即大于或小『主比例尺。这个比例尺被称为局部

比例尺。

••般地图上注明的比例尺是主比例尺，而对用于测量长度的地图要采用•定的方式设法

表示出该图的局部比例尺。这就是在大区域小比例尺地图（小于1:1000000）上常见的

图解复式比例尺

三、地理信息系统常用的地图投影

1、高斯・克吕格投影：高斯-克吕格投影一一是等角横切椭圆柱投影。

也称为横轴墨卡托,此投影与墨卡托投影类似，不同之处在于圆柱是沿子午线而非赤道纵向

排列。通过这种方法生成的等角投影不会保持真实的方向。此投影最适合于南北分布的地块。

1949年后，高斯-克吕格投影被确定为我国地形图系列中1:50万、1:20万、1:1（）万、1:5万、

1:2.5万、1:1万及更大比例尺的数学基础。

高斯-克吕格投影所规定的条件、高斯-克吕格投影的特点P75

•地图上坐标分带P76

即将地球按一定间隔的经差（6。或3。）划分为若干个相互不重叠的投影带，各带分

别投影。

•60分带：即从格林尼治零度经线起算，每6。为一个投影带，全球共分为60个投影带。

•3度分带：1:1万的地形图采用3度分带，从东经1.5度的经线开始，每隔3度为一带，

用1,2,3,……表示，全球共划分120个投影带，即东经1.5〜4.5度为第1带，其

中央经线的经度为东经3度，东经4.5〜7.5度为第2带，其中央经线的经度为东经6

度。地形图上公里网横坐标前2位就是带号，

例如：I：5万地形图上的坐标为（18576000,293300）,其中18即为带号。

•当地中央经线经度的计算

>六度带中央经线经度的计算：当地中央经线经度=6°X当地带号一3°,

例如：地形图上的横坐标为18576000,其所处的六度带的中央经线经度为：6°XI8-

3°=105°。

>三度带中央经线经度的计算：中央经线经度=3°义当地带号。

•如何判断地形图采用哪种分带

一个好记的方法:在中华人民共和国陆地范围内，坐标（Y坐标,8位数，前两位是带号）带号

小于等于23的肯定是6度带，大于等于24的肯定是3度带。

>只知道经纬度时中央经线的计算：将当地经线的整数部分除以6,再取商的整数部分加

上1°。再将所得结果乘以6后减去3°,就可以得到当地的中央经线值。

如106°15'00〃，用106°/6取整得17°,（17°+1°）*6-3°=105°,即当地的中

央经线值为105°。

口毕节，位于东经105°36'——106°43,，北纬26°21'——27°46'之间，

计算毕节当地的中央经线以及所处的三度带和六度带分别是多少？

2、墨卡托投影（Mercator）

最初设计该投影的目的是为了精确显示罗盘方位，为海上航行提供保障。

此投影的另一功能是能够精确而清晰地定义所有局部形状。许多Web制图站点都使用基于

球体的墨卡托投影。

球体半径等于WGS1984长半轴的长度，即6378137.0米。有两种用于仿真Web服务所

用墨卡托投影的方法。

•特点：角度无变化，每个点向各方向的长度比相等J呆持了方向和相互位置关系的正确。

•局限性：在墨卡托投影上无法表示极点。可以对所有经线进行投影，但纬度的上下限约

为80。N和80。So大面枳变形使得墨卡托投影不适用于常规地理世界地图。

•用途和应用：标准海上航线图（方向）。其他定向使用：航空旅行、风向、洋流。

等角世界地图。此投影的等角属性最适合用于赤道附近地区，例如，印尼和太平洋部分

地区。

3、UTM投影

通用横轴墨卡托投影（UniversaltransverseMercatorprojection,UTM投影）----等角横

轴割圆柱投影

•UTM投影分带方法与高斯-克吕格投影相似：从西经1800起，每个经差6°,自西向

东分带，将地球划分为60个投影带，并且每个投影带当地的中央经度的计算公式：

当地中央经线经度=6°X当地带号一3°如：地形图上的横坐标为20345,其所处的

6°带的中央经线经度=6°X20-3°=117°

适用于1:25000万和1:50000万地形图。

•用途和应用：用于比例尺为1:100,000的美国地形地图方格。许多国家/地区使用基于

现行官方地理坐标系的地方UTM区域。前苏联的大比例尺地形制图。我国卫星影像

资料常采用。

4、兰勃特投影

兰勃特（Lambert）等角投影在双标准纬线下是一个等角正轴割圆锥投影。

此投影是最适用于中纬度的一种投影。

其描绘形状比描绘面积更准确。

美国国家平面坐标系对所有具有较大东西范围的区域均使用此投影。

局限性：最适合主要为东西范围并且位于北纬或南纬的田间纬度的区域。总的纬度范围不应

超过35°o

5、阿尔伯斯投影

阿尔伯斯投影（Albers）是一种正轴等面积割圆锥投影,与兰勃特投影属于同一投影族。

这种圆锥投影使用两条标准纬线，相比使用一条标准纬线的投影可在某种程度上减少变形

这种投影最适合于东西方向分布的大陆板块，而不适合南北方向分布的大陆板块。

我国大部分省区图以及大多数这■•比例尺的地图也多采用兰勃特投影和阿尔伯斯投影

四、地图投影转换

地图投影转换主要研究：从一种地图投影变为另一种地图投影的理论和方法。

其实质是建立两平面之间点的一一对应关系。

•投影转换的方式上要有两种：

（1）正解变换（即：直接求出两种投影点的直角坐标关系式。）；（2）反解变换

•根据转换的方法不同，投影转换可分为：（I）解析变换（即：解析出转换表达式）

（2）数值变换；（3）解析-数值变换。P79

第2节空间数据结构的转换

•矢量数据、栅格数据、矢量与栅格数据结构的比较P80

一、由矢量向栅格的转换P8I

•栅格化：将点、线或面的矢量数据，转换成对应的栅格数据。

也就是矢量向栅格数据转换处理的根本任务。

（一）点的栅格化（二）线的栅格化（三）面的栅格化

•根据多边形矢量数据的不同结构,栅格化有两种不同的方法：

即：基r弧段数据的栅格化一一拓扑数据结构的矢量数据

基于多边形数据的栅格化一一非拓扑数据结构的矢量数据。

1、基于弧段数据的栅格化方法、栅格化步骤P83

2、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、包含检验法P83

包含检验法实现的关键在于“点在多边形内”的判定，或称为wint・in土心won分析

“点在多边形内”的判定可以通过检杳夹角之和的方法或铅垂线法（检验交点数的方法）

来实现。P84

二、由栅格向矢量的转换P85

所谓二值化就是将BEM象中的灰度取一个阈值.凡高于阈值的灰度取I

,低于间值的灰度取0.设阈值为,则二值化后的像元灰度值为

栅格向矢量的转换过程比较复杂，它有两种情况：一种是本身为遥感影像或己栅格化的分类

图；另一种情况通常是从原来的线划图扫描得到的栅格图

（-）基于图像数据的矢量化方法

图像数据一一线划图扫描得到的栅格图

矢量化步骤：需要进行二值化、细化和跟踪等矢量化步骤。

•（1）二值化

（2）细化：细化也称为栅格数据的轴化，就是将占有多个栅格宽的图形要素缩减为只有单

栅格宽的图形要素的过程。

•对于栅格线画的细化方法，可以分为:“剥皮法”和“骨架法”

>“剥皮法”解决办法：用一个3*3的栅格窗口，在栅格图上逐个检查每个栅格单元。被

杳栅格能否删去，由以该栅格为中心的组合图来决定，其原则是不允许剥去会导致图形

不连通的栅格，也不能在图形中形成孔。

>骨架法：这种方法就是确定图形的骨架，而将非骨架上的多余栅格删除。具体做法是扫

描全图，凡是像元值为I的栅格都用V值取代。V值是该栅格与北、东和北东三个相

邻栅格像元值之和

（3）跟踪P87

（二）栅格数据的矢量化方法P87

令边界提取是遥感图像处理中的一个专门问题。用一人2x2栅格的窗口，按顺序沿行列方

向对栅格图像进行扫描。如果窗口内的四个网格点值相同，它们就属于一个等值区，而

无边界通过，否则就存在多边形的边界或边界的结点。如果窗II内有两种栅格值，这四

个栅格则均标识为边界点，同时保留原栅格的值。如果窗口内有三个以上不同的值，则

标识为结点。

第三节多元空间数据的融合

一、遥感与GIS数据的融合P89

（1）遥感影像与数字线画图（DLG）的融合：

成果：经过正射纠正后的遥感影像，与数字线画图信息融合，可产牛.影像地图。

二、不同格式数据的融合P90

■常见GIS软件的空间数据格式：ESRI公司的ArcinfoCoverage>Shapefile>E00格式；

Autodesk公司的DXF和DWG格式；Maplnfb公司的TAB和MIF格式;Intergraph公

司的DGN格式；（其中黑色加粗格式是用于数据交换格式）

•解决不同格式数据之间的融合方法

（I）基于转换器的数据融合存在的主要问题：数据转换过程复杂,系统内部的数据格式需

要公开等。

（2）基于数据标准的数据融合

（3）基于公共接口的数据融合（数据互操作模式。）

（4）基于直接访问的数据融合

直接数据访问指的是一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，用户可以使用

第四节空间数据的压缩与重分类

一、空间数据的压缩P92

1、数据压缩的意义：优化存储空间,减少处理时间

2、空间数据压缩：压缩比表示信息载体减少的程度。

（二）基于矢量的压缩

最常用的是：道格拉斯•佩克算法（也被翻译为道格拉斯•普克算法）的原理P93

（三）基于栅格的压缩：可以采用游程编码和四叉树等编码方法。

二、空间数据的重分类P94

第五节空间数据的内插方法

■空间数据的内插：通过已知点或多边形分区的数据,推求出任意点或多边形分区数据的

方法称为空间数据的内插。

•在已观测点的区域外估算未观测点的数据的过程称为外推

■根据已知点和已知多边形分区数据的不同，将空间数据内插分为分类：点的内插:

多边形分区的内插。

应用：广泛应用于牛.成等生线、建立数字高程模型、不同区域范围现象的相关分析和比较研

定等。

一、点的内插

点的内插、理论基础：空诃相关性、空间相关性P95

建立数字高程模型的点的内插方法P96

■数字高程模型的建立〜般包括数据取样、数据内插和数据精度分析等步骤。

（一）数据取样：使用随机取样方案确定取样点、高程点格网密度的选择P96

（二）数据内插p97

插值方法：通常采用局部分块内插法和逐点内插法。

1、分块内插法分为：线怛内插法、双线性多项式内插法和一元样条困数内插法。

。（3）二次样条函数内插法（双三次多项式）：是一种分段函数，每次只用少量的数据点;

样条函数通过所有的数据点，故可用于精确的内插；可用于平滑处理。

•2、逐点内插法（P100）主要有两种基本的插值方法:移动拟合法、加权插值方法

（1）移动拟合法：

运用移动拟合法的关键：就在于如何确定待插值点的最小邻域范围（搜索圆的半径R）,以

保证邻近数据点的数量足够计算6个待定系数。

搜索圆的半径R的确定方法，需要考虑两个方面的问题：一是考虑范围、二是考虑点数

（2）加权平均法（反比距离加权方法（inversedistanceweighted,IDW））

在实际应用中，更为常用的是加权平•均法，可以看作是移动拟合法的特例。

（3）克里金法（Kriging）P101

•区域化的变量:就是介「完全随机的变量和完全确定的变量之间的一种变量，它随所在

区域位置的改变而连续地变化。

Kriging方法主要有：普通Kriging、简单Kriging和通用Kriging等。

普通Kriging:变量图通常包括两部分：一个是根据实验获得的变量图,另一个是模型变量图。

•KriRinR方法被认为能产生最优的线性无偏估计。

•二、区域的内插（PR4）:可以采用这两种方法:叠置法、比重法。

第6节空间拓扑关系的编辑

•拓扑关系：拓扑是点、线和多边形要素共享几何的方式的排列布置。

•拓扑的主要用途：

>限制要素共享几何的方式。（例如,相邻多边形（如宗地）具有共享边、街道中心线和

人口普查区块共享几何以及相邻的土壤多边形共享边。）；

>定义并执行数据完整性规则：（多边形之间不应存在任何间距、不应有任何叠置要素等。）

>支持拓扑关系查询和导航，如确定要素邻接性和连通性。

>支持可强制执行数据模型拓扑约束的复杂编辑工具。

>根据非结构化的几何陶造要素，如根据线创建多边形。

拓扑编辑P106

•拓扑编辑功能包括：多边形连接编辑:指顺序连接组成封闭多边形一组线段的编辑

节点连接编接:：指顺序连接环绕某个节点所有所边形的编辑。

第四章地理信息系统空旬数据库

在GIS中，空间数据库作为空间数据的存储场所也发挥着核心的作用。表现在：空间数据

库从用户那里获得空间数据，进行空间分析、管理和决策；用户将分析结果存储到空间数据

库

第一节空间数据库概述

一、空间数据库的概念P110

•空间数据库的作用：主要是为GIS提供空间数据的存储和管理方法。可以理解为用于

存储GIS空间数据的仓库；

•空间数据的存储和管理通常有两种方式：空间数据文件存储管理、空间数据库存储管

理

空间数据文件存储和管理、空间数据文件存储和管理的特点P110.数据库的基本概念Pill

•数据库（Database）是数据库系统的简称，是为了一定的目的，在计算机系统中以特定

的结构组织、存储和应用的相关联数据的集合。可以理解为存储数据的仓库。

•一个完整的数据库系统（DBS）包括：数据库存储系统、数据库管理系统（DBMS）、

数据库应用系统

•空间数据库系统的组成：空间数据库存储系统、空间数据库管理系统、空间数据库应用

系统

空间数据管理方式的发展阶段P112

二、空间数据库的设计P113

・数据模型：即在数据库中用形式化的方法来描述数据的逻辑结构和各种操作。

数据库中的数据模型包括：数据库的数据结构、操作集合、完整性约束规则集合等。

（-）空间数据库设计的过程和步骤PH4

一般设计步骤：需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计

第二节空间数据库概念模型设计

■对象具有封装性、继承性、多态性。

当前主流的概念模型：语义数据模型最为普遍采用、面向对象数据模型

一、语义数据模型

・实体-联系模型（Entity-Relationshipmodel,E-R模型）最常用的语义数据模型之一，

E-R模型为数据库分析人员提供了三种主要的语义概念，即实体、联系和属性。

/E-R图的表示方法：【掌握会画】P116

/采用E—R模型进行数据库概念设计可以分为以下三个步骤:P1I7（了解）

设计局部的E—R模型、设计全局的E-R模型（当合并两个E—R图时，可能会遇到

三类冲突：属性冲突、结构冲突、命名冲突）、全局E-R模型的优化

二、面向对象数据模型

（一）面向对象数据模型的基本概念PH8

（三）功能的重载和多态性P120

面向对象系统中消息传递的实现是以重载和名态为支撑概念的。

（1）重载：它规定一个方法具有许多不同的接口，但方法的名称是相同的。

（六）ORM图P122

•对象类型：表示实际对象或概念（如多边形）的类型，必须以英文名词的形式出现，以

大写字母开头必须具有唯•的定义，且在模型范围内只能被定义一次。

•对象类型有两类：实体对象类和值对象类型

m实体对象类型是、值对象类型是、谓词是、约束是……

第三节空间数据库逻辑模型设计P124-129

・关系数据模型设计理论的三个主要部分：数据依赖、函数依赖、范式

（2）函数