2022年地理信息系统复习资料 .pdf
读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思地理信息系统精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思第一章概 论一、GIS基本概念数据：人类在认识世界和改造世界的过程中，定性或定量对事物和环境描述的直接或间接原始记录，是一种未经加工的原始资料，是客观对象的表示。可以以多种方式和存储介质存在。信息：用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们或系统提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。特征：客观性、适用性、可传输性、共享性。二者关系：信息来源于数据，是数据内涵的意义和对数据的内容的解释。地理数据：各种地理特征和现象间关系的数字化表示。其描述包括 空间位置、属性特征和时域特征。（空间位置、属性和时间是地理空间分析三大要素）空间位置：描述地物所在的位置，又可称为几何数据。属性数据：非空间数据，属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。时域特征：地理数据采集或地理现象发生的时刻。地理数据特征：空间上的分布性、数据量上的海量性、载体的多样性、位置与属性的对应性。地理信息：有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识。特征：信息基本特性、空间相关性、空间区域性、空间多样性、空间层次性。信息系统：具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。组成：计算机硬件、软件、数据、用户、（知识）。地理信息系统：又叫地学信息系统或资源与环境信息系统，是在计算机软硬件系统支持下，对整个或部分地球表层的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。基本内涵：1GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，由若干个互相关联的子系统组成，其结构和优劣程度直接影响GIS 的功能、效率等。2GIS的操作对象是空间数据，即点线面体这类有三维要素的地理实体和现象。GIS 区别于其他信息系统的根本标志：空间数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述。3GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟和分析评价能力，实现地理空间过程演化模拟和预测分析。4GIS和测绘学、地理学有着密切关系。二、GIS功能基本功能需求：位置、条件、趋势、模式、模拟。基本功能：1数据采集功能：通过各种数据采集设备来获取现实世界的描述数据，并输入GIS。如地面测量和历史数据的输入，模拟地图的扫描输入，遥感影像的栅格输入。2数据编辑和处理：为了保证数据在内容、逻辑、数值上的一致性和完整性，GIS 应提供强大的编辑功能，如图形编辑、数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩等。3数据存储、 组织和管理功能：数据结构：矢量数据结构和栅格数据结构；数据组织管理模式：文件 - 关系数据库混合管理模拟模式、全关系型数据管理模式、面向对象数据管理模式等。4空间查询和空间分析功能；5数据输出功能： 通过图形、 表格和统计图表显示空间数据及分析结果，脱胎于计算机制图。三、GIS组成GIS 运行环境组成：计算机硬件系统、软件系统、网络、空间数据和管理与应用人员。核心是计算机硬软件系统，空间数据反映了GIS 地理内容，管理人员和用户决定系统的工作方式和信息表示方式。硬件系统： GIS 的物理外壳，计算机系统中实际物理装置的总称，影响系统的规模精度速度等。包括输入设备、处理设备、存储设备和输出设备。输入设备除了常规设备还有如GPS 、全站仪、数字摄影测量、遥感等专用设备。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思硬件配置模式： （1）单机模式：有基本外设、处理设备和输出设备构成，适用于小型GIS 建设，数据传输和资源共享不便；（2）局域网模式：部门或单位内部GIS建设，专线连接，资源共享方便；（3）广域网模式：用户分布地域广泛，公共通讯连接，资源共享方便，局部为局域网，通过通道和广域网相连。软件系统： GIS 运行必需的各种程序，包括GIS 支撑软件、 GIS平台软件和GIS 应用软件。 1 GIS 支撑软件： GIS 运行必需的软件环境，如OS 、数据库管理系统、图形处理系统等； 2 GIS 平台软件： GIS 五大子系统：空间数据输入与转换、空间数据编辑、空间数据管理、空间查询和空间分析、制图与输出。 3 GIS 应用软件：面向应用部门，经二次开发形成。空间数据： 1 几何坐标：标识地理实体和地理现象在某个已知坐标系中的空间位置； 2 拓扑关系：点线面实体间的空间联系，是GIS重要特色之一； 3 非几何属性： 简称属性， 是和地理实体与地理现象相联系的地理变量或地理意义，分为定性和定量两种。人员： GIS 中重要构成因素。四、GIS分类GIS类型按功能分应用功能工具型 GIS、应用型 GIS、大众型 GIS 软件功能专业 GIS、桌面 GIS、手持 GIS、组件 GIS、GIS 浏览器按数据结构分矢量 GIS、栅格 GIS、矢量 -栅格 GIS 按数据为数分2DGIS、3DGIS 、TGIS 按软件开发模式和支持环境分GIS 模块、集成式GIS、模块化GIS、核心式GIS、组件式GIS 和 WebGIS 、互操作 GIS 工具型 GIS：具有 GIS 基本功能、供其他系统调用或用户进行二次开发的操作平台，如ArcGIS。应用型 GIS：根据用户的需求和应用目的设计的一类或多类专门型GIS，一般是在工具型GIS 基础上通过二次开发完成的。五、GIS和其他学科关系地理学 GIS 的分析理论基础，为GIS 提供引导分析的方法和观点；测绘学和遥感技术为GIS提供多种信息源，其理论算法可直接用于空间数据变换、处理；机助制图GIS的起源。GIS 和机助制图系统： 机助制图是GIS 主要技术基础， 都强调空间数据的处理、显示和表达，而 GIS有功能强大的空间分析功能。GIS 和数据库管理系统：GIS的空间数据存储在事务数据库中，但在数据采集、 空间分析、 数据可视化等方面比事务数据库强大得多。GIS 和 CAD （计算机辅助设计）、CAM （计算机辅助制造）：都有坐标参考系，都能描述和处理图形数据和空间关系，也能处理非图形属性数据，但GIS 处理的图形关系复杂，有丰富的符号库和属性库，有较强的空间分析功能，且多具专业化特征。GIS 和遥感图像处理系统：遥感系统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中间关系查询以及网络分析功能等。六、GIS历史发展网格GIS：网格被称为第三代互联网应用，它是把整个互联网整合成一台巨大超级计算机，实现各种资源共享。网格计算是一种利用互联网或专用网络把地理上分布的各种计算机、计算机集群、存储系统和可视化系统等集成在一起。基于网格计算的GIS 平台，能分布式、协作化和智能化地处理地理信息，特别适合用于解决涉及大量空间分析的问题，其最大目标是实现空间信息的网格化。网格计算应用到GIS 中，和计算资源、空间地理数据和通信等集成，构成较完整的空间信息服务系统。移动 GIS：无线通信技术、移动定位技术WebGIS的结合形成了移动GIS 和无线定位服务。它可以使GIS 用户随时方便双向互动地获取网络提供的各种地理信息服务，还可以使地理信息随时随地为任何人任何事进行服务。使GIS 走向大众化和社会化。GIS 在智慧城市中的作用：智慧城市需要有智能分析和智能服务的功能，而要做到智能分析与智能服务，时空信息必须要参与其中，并且要提供大力的支持，这就是为什么强调智慧城市要与物联网和传感网紧密结合。 GIS 在城市信息化中的作用很大，起到了重要的基础性的支撑作用，成为数字城市的基础平台。要想实现智慧城市最便捷的方法是在现有的数字城市基础之上连接物联网及传感网，得到城市实时状态信息，使各精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思种状态信息具有精确的时间和空间标签，同时扩展现有GIS 的功能，使之能够接入、管理各种时空信息，并开发基于时空信息的智能分析与智能服务工具软件，使之成为一个智慧城市的空间信息支撑平台。智慧城市就是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。第二章地理空间数学基础一、地球空间参考地球表面几何模型： 1 地球自然表面：起伏不平、十分不规则的表面，不适合数字建模； 2 大地水准面： 假设海水处于完全静止的平衡状态，从海平面延伸到所有大陆下部，和地球重力方向处处正交的一个连续闭合的水准面，是一个重力等位面，存在局部不规则起伏，并不是严格数学曲面。大地体：大地水准面包围的形体。 3 地球椭球面： 大地体总体上接近旋转椭球，在大地测量和GIS 中都选择一个旋转椭球作为理想模型，叫做地球椭球，也叫参考椭球。椭球定位：依据一定的条件（依据什么要求使大地水准面和椭球面符合，对轴向的规定），将参考椭球和大地体的相关位置确定下来。基本要求：参考椭球短轴和地球旋转轴平行。参考定位：强调局部地区大地水准面和椭球面较好的定位，如我国西安80坐标系；绝对定位：强调全球大地水准面和椭球面符合较好的定位，如WGS-84 坐标系。 4 数学模型。坐标系统： 1 球面坐标系统：（1）天文地理坐标系：以大地体为依据，地心为原点，Z 轴和地球平自转轴重合，ZOX是天文首子午面（格林尼治天文台），XOY为地球平均赤道面。地面垂线方向不规则，不一定指向地心，不一定和地轴相交。地表面不是大地水准面，高程也列入天文坐标中。天文经度：首天文子午面和测站天文子午面的夹角，东正西负。天文纬度：测站垂线方向和地球平均赤道面的夹角，北正南负。（2）大地地理坐标系： 以地球椭球为依据，用定义原点和轴系以及相应基本参考面标示大地域地理空间位置的参照系。大地经度：大地首子午面和测点的大地子午面间的二面角。大地纬度：测点对椭球的法线和赤道面的交角。（3）空间直角坐标系：A、参心坐标系：在参考椭球上建立三维直角坐标系，原点为椭球中心。B、地心地固坐标系：原点是地球质心，Z 轴指向北极， X轴指向格林尼治平均子午面和地球赤道的交点， Y轴垂直于 XOZ平面。 2 平面坐标系统： 需要指定地面点位的地理坐标（经纬度） 和地面上相对应的平面直角坐标间建立函数关系。高程基准：高程：地球上一点至参考基准面的距离。也叫标高或海拔高。高程系统：相对于不同性质的参考面所定义的高程体系，正高：大地水准面，正常高：似大地水准面，大地高：地球椭球面。高程基准：高程起算水准基面和一个永久性水准原点。水准基面一般采用大地水准面。我国主要高程基准：（1）1956 黄海高程系：以青岛港验潮站的长期观测资料推算出的黄海平均海平面作为中国水准基面，水准原点在青岛验潮站附近。（2）1985 国家高程基准：基准面是青岛大港验潮站52-79 年验钞资料确定的黄海平均海面。二、空间数据投影为什么要进行投影：1地理坐标是球面坐标，不方便进行距离、面积等参数的量算；2参考椭球米安是一个不可展曲面，不能不产生裂隙或褶皱地将其展成平面；3平面地图符合人的视觉心理，易于进行空间分析。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思地图投影的方法：1几何透视法： 利用透视关系，将地球体面上的点投影到投影面上的方法。缺点： 难于纠正投影变形，精度较低。2数学解析法： 在球面和投影面间建立点与点的函数关系，通过数学方法确定经纬线交点位置的方法。地图投影的分类：1按地图投影的构成方法分类：（1）几何投影： 把椭球面上的经纬线网投影到几何面上，然后将几何面展位平面得到。又可根据辅助投影面类型分为：方位投影、圆柱投影和圆锥投影，可根据投影面和地球椭球的关系分为正轴投影、横轴投影和斜轴投影，还可根据投影面和地球的位置关系分为割投影和切投影。（2）非几何投影： 不借助几何面， 根据某些条件用数学解析法确定球面和平面间点和点的函数关系。又可根据经纬线形状分为：伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影和多圆锥投影。2按投影变形性质分类：（1）等角投影： 任何点上二微分线段组成的角度投影前后保持不变，投影前后对应的微分面积保持图形相似，也叫正形投影。（2）等积投影：在投影平面上任意一块面积和椭球面上相应面积相等，面积变形为零。（3）任意投影：长度、面积和角度都有变形。（4）等距投影：面积变形小于等角投影，角度变形小于等积投影。常用地图投影：1高斯 - 克吕格投影：横轴切圆柱等角投影。经纬线特征：中央经线和赤道为相互垂直的直线，其他经线为凹向，对称于中央经线的曲线；其他纬线为对称于赤道的向两极弯曲的曲线，经纬线呈直角相交。变形特征：同一经线上，长度变形随纬度降低而增大，赤道处最大；在同一纬线上，长度变形随经差增加而增大，且增大速度较快。优点：适合于幅员广大的国家或地区，按经线分带进行投影，各带坐标系、经纬网形状、投影公式和变形情况都是一样的，利于全球地图拼接。缺点：长度变形较大，导致面积变形也较大。影响变形的主要因素是经差，要保证地图精度，要限制经差，因此采用分带投影法，将全球分为若干条带， 每个条带单独投影。常用的有 6分带法和3分带法， 我国的 1:1 万比例尺地形图采用 3分带法， 1:2.5 万 1:50 万比例尺地形图采用6分带法， 可以保证每个投影带内长度变形小于等于 1.38 。2UTM 投影：横轴墨卡托投影，横轴割圆柱等角投影。圆柱面在84N和 84S和椭球面相切。UTM投影和高斯 - 克吕格投影十分相似，只是中央经线长度比小于1，改善了高斯 - 克吕格投影在低纬地区的变形，是国际较通用的地图投影，主要用于全球经度84N80S间的地区制图。3兰勃特等角投影： 正轴等角割圆锥投影，和球面割于两标准纬线，投影后纬线为同心圆弧，经线为同心圆半径。投影变形小而均匀，我国1:100 万比例尺地形图采用兰勃特投影。地图投影的选择：制图区域的范围、形状和地理位置，地图用处、出版方式及其他特殊要求。世界地图常用正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影，常用墨卡托投影。我国的世界赌徒多用等差分纬线多圆锥投影。半球地图：东西半球图常用横轴方位投影，南北半球图常用正轴方位投影，水陆半球图一般用斜轴方位投影。三、空间坐标转换空间坐标转换：把空间数据从一种空间参考系映射到另一种空间参考系中，也叫投影变换。转换方法：1解析变换法：又有正解变换法和反解变换法。2数值变换法， 多项式拟合。 利用两投影间的若干离散点，用数值逼近方法来建立两投影间的关系式。四、空间尺度比例尺：当制图区域较小时，比例尺具体指图上长度和地面间的长度比例，当制图区域较大时，投影比较发杂，这时比例尺的含义是在进行地图投影时，对地球半径缩小的比率，也叫做地图主比例尺，只有在没有长度变形的点或线上，才可以用地图标注的主比例尺进行量算。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思我国比例尺分级系统：大比例尺：1:500-1:10万；中比例尺：1:10 万-1:100万；小比例尺： 1：100万以上。分辨率：光谱分辨率、时间分辨率、空间分辨率。五、地理网格地理网格：按一定的数学规则对地球表面进行划分而形成的格网。第三章空间数据模型一、地理空间和空间抽象地理空间：地球表面及近地表空间，是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和智慧圈交互作用的区域。空间实体：对复杂的地理事物和现象进行简化抽象得到的结果。特征： 1空间位置特征：也叫几何特征，包括空间实体的位置、大小、形状和分布状况等，常用地理坐标表示； 2属性特征：也叫非空间特征、专题特征，是与空间实体相联系的，表征空间实体本身性质的数据或数量，常分为定性属性和定量属性；3时间特征：空间实体随着时间变化而变化的特征；4空间关系特征：空间实体相互之间存在着的密切联系，包括拓扑关系、顺序关系和度量关系。空间实体抽象： 1 概念模型：地理空间中地理事物和现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释，是系统抽象的最高层。构造原则：语义表达能力强，易于用户理解，独立于具体计算机实现，尽量和系统逻辑数据模型保持同一表达形式，不需要转换，或者易向逻辑数据模型转换。2逻辑数据模型： GIS 描述概念模型中实体及其关系的逻辑结构，是系统抽象的中间层，是用户通过GIS 看到的现实世界和地理空间。构造原则：易于用户理解，易于物理实现，易于转换成物理数据模型。3物理数据模型：概念模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制，是最底层。二、数据概念模型对象模型（要素模型）：将研究的整个地理空间看做一个空域，地理现象和空间实体作为独立对象分布在空域中。强调地理空间中的单个地理现象。按照空间特征分为点线面体四种基本对象，每个对象对应着一组相关属性以区分不同对象。适合于有明确边界的地理现象进行抽象建模，如建筑物、道路、公共设施、湖泊、河流、森林等可被看做离散的单个的地理现象。对象模型把地理现象当做空间要素或空间实体。一个空间要素必须同时符合三个条件：1可被标识； 2在观察中的重要程度；3有明确特征且可被描述。传统地图是以对象模型进行地理空间抽象和建模的典型实例。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思场模型（域模型）：把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看到，如大气污染程度、地表温度等。场可以表现为二维或三维，二维场就是在二维空间中任意给定的一个空间位置上都有一个表现某现象的属性值。不考虑时间变化，二维空间场一般用六种具体场模型描述： 1 规则分布的点；2不规则分布的点；3规则矩形区； 4不规则多边形；5不规则三角形区；6等值线。网络模型：用以描述不连续的地理现象，和对象模型的区别在于它需要考虑通过路径相互连接多个地理现象之间的连通情况。网络是由一系列节点和环链组成的，可以看成对象模型的一个特例，是点对象和线对象之间的拓扑空间关系构成的。三、空间数据与空间关系空间数据类型： 1 几何图形数据： 来源于各种地图和实测的几何数据，反映空间实体的地理位置和实体间的空间关系； 2 影像数据：主要来源于卫星遥感、航空遥感和摄影测量等； 3 属性数据： 来源于实测数据、文字报告，或地图中各类符号说明，以及从遥感影像数据通过解译得到的信息等； 4 地形数据： 来源于地形图等高线的数字化，已建立的格网状的数字化高程模型或其他形式表示的地形表面； 5 元数据：对空间数据进行推理、分析和总结得到的关于数据的数据。空间数据的表示： 1 点：既可以使一个标志空间点状实体，也可以是标记点仅用于特征的标注和说明，或作为面域的内点用于表明该面域的属性，或是线的起点、重点或交点，叫做节点。 2 线： 具有相同属性点的轨迹，线的起点和终点表明了线的方向。当线连接两个节点时，也叫作弧段或链。 3 面：线包围的有界连续的具有相同属性值的面域，或叫多边形。被多边形包含的多边形叫岛。点线面可以按照一定的地理意义组成区域，又叫做一个覆盖，或数据平面。空间关系： 1 拓扑空间关系： 图形在保持连续状态下的变形但图形关系不变的性质，拓扑空间中不考虑距离函数。（1）邻接关系：空间图形中同类元素间的拓扑关系；（2）关联关系：空间图形中不同类元素间的拓扑关系；（3）包含关系：空间图形中不同类或同类但不同级元素间的拓扑关系；（4）连通关系：空间图形中弧段之间的拓扑关系空间实体间也存在着拓扑关系，点线面三种空间实体间存在分离、相邻、重合、包含或覆盖、相交五种可能关系。拓扑关系的意义：（1）能清楚地反映实体间的逻辑结构关系，比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变换而变化；（2）利用拓扑关系有利于空间要素的查询；（3）可以根据拓扑关系重建地理实体。 2 顺序空间关系： 基于空间实体在地理空间的分布，采用上下前后左右东南西北等方向性名词来描述，必须在对空间实体间方位进行计算后才能描述，十分复杂。随着空间数据的投影、几何变换，顺序空间关系也会变化，在现在的GIS 中并不对其进行描述和表达。 3 度量空间关系： 空间实体间的距离关系。可以是定量的，也可以是定性，距离值随着投影和几何变换而变化，计算较为复杂，GIS 中一般也不明确描述度量空间关系。四、空间逻辑数据模型空间逻辑数据模型：概念模型向物理数据模型转换的桥梁，根据概念模型确定的空间信息内容，以计算机能理解和处理的形式，具体地表达空间实体及其关系。矢量数据模型：点实体用一对空间坐标表示，线实体用一串坐标对表示，面实体由其边界线表示，表示为首尾相连的坐标串。每一个实体都给定一个唯一标识符来标志该实体。矢量数据模型中，可以明确描述图形要素间的拓扑关系，多边形边界被分割成一系列弧段和节点，弧段、节点和多边形间的拓扑关系表达在拓精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思扑关系表中，相邻多边形间的公共边只需表达一次，减少了描述的数据量，避免了双重边界不能精确重合的问题。栅格数据模型：比较适宜于用场模型抽象表达空间对象，采用面域或空域的枚举来直接描述空间实体。栅格可用数字矩阵表示，地理空间坐标隐含在矩阵的行列中。点实体是一个栅格单元或像元，线实体由一串彼此相连的像元构成，面实体由一系列相邻的像元构成。每个像元大小一致，且对应于一个表述该实体属性的值，若需要描述同一地理空间的不同属性，可以将数据分层，每层描述一种属性。栅格单元大小影响细节信息，其形状通常是正方形也可以是矩形。栅格的行列信息和原点地理位置记录在每一层中。栅格空间分辨率：一个像元在地面所代表的实际面积大小。优点：不同类型的空间数据层可以进行叠加操作，不需要经过复杂的几何计算；缺点：对于一些变换、运算，如比例尺变换，操作不太方便。矢量 - 栅格一体化数据模型： 对地理空间实体同时按矢量数据模型和栅格数据模型来表述，面状实体边界采用矢量数据模型描述，而其内部采用栅格数据模型表达；线状实体一般采用矢量数据模型表达，同时将线经过的位置以栅格单元充填；点实体则同时描述其空间坐标和栅格单元位置。特点：保留了矢量数据模型的全部特性，空间实体具有明确的位置信息，并能建立和描述拓扑关系；又建立了栅格和实体的联系，明确了栅格和实体的对应关系。本质上是以栅格为基础的数据模型，对空间实体和其关系描述的数据量增大。镶嵌数据模型：采用规则或不规则的小面块几何来逼近自然界不规则的地理单元，适合于用场模型抽象的地理现象。通过描述小面块的几何形态、相邻关系和面块内的属性特征变化来建立空间数据的逻辑数据模型。 1 规则镶嵌数据模型：采用正方形或矩形进行地理空间划分时就转化成了栅格数据模型。构造规则镶嵌的做法：用数学手段将一个铺盖网格叠置在研究区域上，把连续的地理空间离散为互不覆盖的面块单元。划分后，简化了空间变化的描述，同时也使空间关系明确，可以进行快速布尔运算。每个网格的有关信息都是基本的存储单元。优点：其数据结构为通常的二维矩阵结构，不管沿水平还是垂直方向都能方便地遍历这种结构，而且处理这种结构的算法很多，大多数程序语言中都有矩阵处理功能；以矩阵形式存储的数据有隐式坐标，不需要进行坐标数字化；规则格网系统便于实现多要素的叠置分析。 2 不规则镶嵌数据模型：适用于用有限离散的观测样点来表示某地理现象的空间分布规律，用来进行镶嵌的小面块具有不规则的形状或边界。（1）Voronoi 图：组成 Voronoi 多边形的边总是与相邻两个样点的连线垂直，并且多边形内的任何位置总是离该多边形内样点的距离最近，离相邻多边形内样点的距离远，且每个多边形内包含且仅包含一个样点。以Voronoi 多边形内的样点属性作为整个多边形区域的属性，只要给定若干空间离散点就可以得到完整覆盖地理区域的Voronoi 图。表达 Voronoi 多边形的顶点位置、各边和顶点的连接关系、多边形间的连接关系以及多边形包含的样点就可以得到Voronoi多边形的逻辑数据模型。Voronoi 多边形可以表达地理空间现象，还可以有效地用于许多分析问题，如邻接、 接近度和可达性分析等，以及解决最近点和最小封闭圆问题。（2）TIN 模型：采用不规则三角网覆盖地理空间，样点位置控制着三角形顶点，三角形尽可能接近等边。 TIN 能较好地表达地理现象的空间变化，如地形表面就可用三角网拟合。优点：三角形大小随样点密度的变化而自动变化，所有样点都称为三角形的顶点，当样点密集时生成的三角形小，而样点稀疏时三角形较大。 TIN 在表示不连续地理现象时也有优势，如用TIN 表示地形变化，将悬崖、断层、海岸线等作为约束条件，可构造约束TIN。（3）Delaunay 三角网： TIN 的特例和 Voronoi 多边形对偶， 满足最大空圆准则的三角网，任一三角形的外接圆内不包含其他样点。特性：三角网网形唯一、每一个三角形内角为最大可能角度，符合“三角剖分最小内角为最大”的最优化条件。不规则网格的优点：可以消除数据冗余、格网结构本身可适应于数据的实际分布；这种模型分辨率可以变化，基本多边形的大小和密度在空间上是变动的；不规则格网能进行调整，以反映空间每一区域中的数据事件的密度；单元的大小、形状和走向反映着数据元素本身的特性。面向对象数据模型：适用于采用对象模型抽象和建模的空间实体表达，应用面对对象方法描述空间实体及其相互关系。核心是对象和类。将对象的属性和方法进行封装、概括、聚集、联合等抽象技术以及继承和传播等抽象工具。第四章空间数据结构一、矢量数据结构矢量数据结构是对矢量数据模型进行数据的组织。通过记录实体坐标及其关系，尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定以。矢量数据结构直接以几精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思何空间坐标为基础，记录样点坐标。该结构还可以对复杂数据以最小的数据冗余进行存储，还有数据精度高、存储空间小等特点，是一种高效的图形数据结构。几何图形及其关系用文件方式组织，而属性数据通常采用关系型表文文件记录，两者通过实体标识符连接。这一特点在某些方面有很高的效率和精度。实体数据结构：也叫Spaghetti数据结构，指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。有两种组织方式：（1）独立编码方式：每个多边形的每个边界点都独立编码并记录坐标，然后将多边形ID、坐标、类别码记录成表文件；（2）用一个文件记录所有边界点的坐标（点位字典），然后用多边形文件记录多边形 ID、组成多边形的点号串和类别码。优点：编码容易：数字化操作简单、数据编排直观。缺点：（1）相邻多边形的公共边界要数字化两边，造成数据冗余存储，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠；（2）缺少多边形的领域信息和图形的拓扑关系；（3）岛只作为一个单个图形，没有和外界多边形建立联系。适用范围：简单的系统，如计算机地图制图系统。拓扑数据结构： 具有拓扑关系的矢量数据结构就是拓扑数据结构，其共同特点是： 点是相互独立的，点连城线，线构成面。每条线始于起始节点，终于终止节点，并与左右多边形相邻接。其最重要的特征是具有拓扑编辑功能。（1）索引式结构： 采用树状索引以减少数据冗余并间接增加领域信息。具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引和各多边形相联系，形成树状索引。需要三个表文件：点坐标文件、边文件和多边形文件。优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致问题，在简化过于复杂的边界线或合并多边形时可不必改造索引表，领域信息和岛状信息可以通过对多边形文件的线索引处理得到。缺点：比较繁琐，因而给领域函数运算、消除无用边、处理岛状信息以及检查拓扑关系等带来一定的困难，而且两个编码表都要人工建立，工作量大且容易出错。（2）双重独立编码结构（DIME ）：对图上网状或面状要素的任何一条线段，用顺序的两点定义以及相邻多边形来定义，即记录线号以及该线段的起点终点、左右多边形。特点是采用了拓扑编码结构，适合于城市信息系统，如城市地籍宗地管理。这种结构需要三个表文件：线段拓扑关系文件、点文件和面文件。优点：利用拓扑关系组织数据，可以有效地进行数据存储正确性检查，同时便于对数据进行更新和检索，还可以达到数据自动编辑的目的。该结构还可以自动形成多边形，并可以检查线文件数据正确性。（3）链状双重独立编码结构：DIME的改进，将若干直线段合为一个弧段（链段），每个弧段可以有许多中间点。这种结构中主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段点文件、点坐标文件。多边形文件包括多边形号、组成多边形的弧段号、周长、面积、中心店坐标，当多边形中有洞时，洞的面积为负值，组成的弧段号也加上负号。弧段文件包括弧段起止节点号和弧段左右多边形号。弧段点文件包括一系列点位置坐标，链段的顺序决定于数字化顺序。点坐标文件包括每个节点的节点号、节点坐标和该节点连接的弧段。ArcGIS 中的 Coverage 数据模型就是采用链状双重独立编码结构的。二、栅格数据结构栅格数据结构是以规则栅格阵列表示空间对象的数据结构。栅格阵列的每个单元的行列号确定位置，属性值表示空间对象的类型、等级等特征。每个栅格单元只有一个值。栅格数据结构表示的地表是不连续的，是量化和近似离散的数据。点用一个栅格单元表示，线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最多只有两个相邻单元在线上，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余两个的相邻单元同属一个区域。特点：属性明显、定位隐含。数据结构简单、数学模拟方便。但数据量大，难以建立实体间的拓扑关系，通过改变分辨率而减少数据量时精度和信息量同时受损。栅格数据参数：山歌形状、栅格单元大小（分辨率）、栅格原点、栅格倾角。栅格单元值的选取：中心点法、面积占优法、重要性法、百分比法。完全栅格数据结构：将栅格看做一个数据矩阵，逐行逐个记录栅格单元的值。是最简单、最直接的栅格编码方法，通常编码为栅格文件或格网文件。有三种数据组织方式：（1）基于像元： 以像元为独立存储单元，每个像元对应一条记录，每条记录中的记录内容包括像元坐标及其各层属性值的编码，节省了许多存储坐标的空间。优点：简洁明了，便于数据扩充和修改；缺点：进行属性查询和面域边界提取时速度较慢。（2）基于层：以层为存储基础，层中以像元为序记录其坐标和对应盖层的属性值编码。优点：便于进行属性查询；缺点：每个像元坐标要重复存储，浪费存储空间。（3）基于面域：以层为存储基础，层中再以面域为单元进行记录。记录面域编号、面域对应该层的属性值编码、面域中所有栅格单元的坐标。优点：便于面域边界提取；缺点：不同层中像元坐标还是要存储多次。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思压缩栅格数据结构：（1）游程长度编码结构：栅格数据无损压缩方式，对于一副栅格数据，在各行（列）数据值发生变化时依次记录该值以及相同值重复的个数，从而实现压缩和数据组织。原始栅格数据阵列转换为数据对。优点：在栅格加密时，压缩效率较高，且易于检索，叠加合并等操作运算简单，适用于及其存储量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。缺点：压缩比大小和图的复杂程度成反比，当栅格较复杂时，压缩率不高，这种结构适用于面积较大的专题要素、遥感图像的分类结构。（2）四叉树数据结构： 将一副栅格数据层或图像等分为4 份，逐块检查其格网属性值，若某个子区所有格网值都一致，则这个子区不再继续分割，否则将这个子区继续四等分，直到每个字块都只含有相同属性值。有两种建立方法，一种是从上而下的分割，这种方法需要重复检查，建立速度较慢；另一种是从下而上的合并，这种方法计算较少，运算速度较快。栅格数据的栅格单元数必须满足2n2n的条件，非标准尺寸可以将数据扩充为标准尺寸，不足部分以0 补足。1常规四叉树： 记录叶节点和中间节点，节点之间借助指针联系，每个节点需要用6 个量表达：4 个叶节点指针， 1 个父节点指针，一个节点属性值。主要应用于数据索引和图幅索引，数据量较大，且操作较复杂。2线性四叉树： 只记录叶节点的信息，包括叶节点的位置、深度和本节点的属性值。深度指处于四叉树的第几层上，可以推知子区的大小。叶节点的编号使用地址码，隐含了叶节点的位置和深度信息。最常用的地址码是MD码，十进制行列号转换成二进制，然后行号和列号交叉，得到二进制MD码，然后将其转换成十进制。 （3）二维行程编码结构：将线性四叉树前后值相同的叶节点合并，形成一个新的线性表列。这种编码采用了线性四叉树的地址码，并按码的顺序完成编码，是没有结构规律的四叉树。这种编码更节省存储空间，有利于以后的插入、删除和修改等操作，和线性四叉树间的转换也非常迅速。链码结构：线状地物或区域边界表示为由某一起始点和在某些方向上的单位矢量链组成，单位矢量长度为一个栅格单元，每个后续点可能位于其前继点的八个基本方向之一。起始点的寻找遵从从上到下、从左到右的规则，发现没有记录过的点，且数值不为0 时，就是起始点，记下该地物的特征码及起点的行列数，然后按顺时针方向寻迹，找到相邻的等值点，并记录基本方向。已记录过的单元可以将属性置零，避免重复编码。优点：可以有效压缩栅格数据，对计算面积、长度、转折方向和凹凸度等运算十分方便。缺点：对边界做合并和插入等修改编辑比较困难，这种结构有些类似矢量结构，但没有区域的性质，对区域空间的分析运算比较困难。影像金字塔结构：在统一的空间参照下，根据用户需要以不同分辨率进行存储和显示，形成分辨率和数据量渐变的金字塔结构。用于图像编码和渐进式图像传输，是一种典型的分层数据结构形式，是一种栅格数据或影像数据的有损压缩方法。三、矢栅一体化数据结构矢量数据结构和栅格数据结构的比较：基本特点优点缺点应用矢量数据结构位置明显，属性隐含1、数据结构严密， 冗余度小， 数据量小；2、空间拓扑关系清晰，易于网络分析；3、面向对象目标的， 不仅能表达属性编码，而且能方便地记录每个目标的具体的属性描述信息；4、能够实现图形数据的恢复、更新和综合；5、图形显示质量好，精度高。1、数据结构处理算法复杂；2、叠置分析和栅格图组合比较难；3、数学模拟比较困难；4、空间分析技术上比较复杂，需要更复杂的软硬件条件；5、显示和绘图成本比较高。网络分析、规划选址栅格数据结构属性明显，位置隐含1、数据结构简单，易于算法实现；2、空间数据的叠置和组合容易，有利于和遥感数据的匹配应用和分析；3、各类空间分析、 地理现象模拟均较为容易；4、输出方法快速便捷，成本低廉。1、图形数据量大，用大像元减小数据量时，精度和信息量受损；2、难以建立空间网络连接关系；3、投影变化实现困难；4、图形数据质量低，地图输出不精美。集成遥感数据一斤进行空间模拟运算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 18 页读书之法 ,在循序而渐进 ,熟读而精思矢栅一体化数据结构的特点：同时有矢量实体和栅格覆盖的思想，理论基础是多级网格方法、三个基本约定和线性四叉树编码。（1）多级网格：将栅格划分为粗网格、基本网格和细分网格。粗网格用于建立空间索引，基本网格即基本栅格，细分栅格用于提高空间分辨率。都采用线性四叉树编码方法，使用三个冒的码。（2）三个约定： 1点状地物仅有空间位置而无形状和面积，在计算机中仅有一个坐标数据；2线状
