GIS(地理信息系统)期末复习.pdf

GIS 复习 第一章 地理信息系统概论 1、地理信息系统的基本概念 答：GIS 是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、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。2、地理信息系统的组成 答：主要由四个部分组成：计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作员。3、地理信息系统的核心问题？答：1）位置:某个特定位置有什么？几何查属,性例：国家属性查询 2）条件:满足给定条件的地理对象分布属性查位置，例：客户分布 3）变化趋势:地理对象随时间的变化,例：人口变化趋势 4）模式：空间对象的分布模式问题,揭示空间对象的空间关系，例：机动车辆事故发生在何处？发生地点与时间关系 5）模型：解决问题方案，基于模型的，例：公园选址 4、地理信息系统功能？答：数据的获取、数据的初步处理、数据的存储及检索、数据的查询与分析、图形的显示与交互 5、地理信息系统的发展？地理信息系统与其它 MIS 系统主要区别？答：1、地理信息系统的发展概况 1).起步阶段（60 年代），注重空间数据的地学处理。（加拿大地理信息系统（CGIS）第一个地理信息系统）。2).发展阶段（70 年代），注重空间地理信息的管理，受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视。（ERDAS 成立。）3).推广应用阶段（80 年代），注重空间决策支持分析。（GPS 成为可运行系统）。4).用户时代（90 年代后）,注重 GIS 社会应用与服务，GIS 技术迅猛发展。控件式 GIS 成为 GISTools 的发展方向;WebGIS 蓬勃发展;三维 GIS 崭露头角。2、GIS 与 MIS 相同点：都是计算机系统；都可以进行数据管理。不同点：GIS 有空间分析功能，MIS 没有；硬件环境不同；GIS 管理空间和属性数据，MIS 管理属性数据。GIS 具有以下三个方面的特征：1）具有采集、管理、分析、和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性。2）由计算机系统支持进行空间地理数据管理。3）计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征 第二章 空间数据模型 场模型？答：也称作域（field）模型，是把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看待。要素模型？在一定尺度下，客观存在的地理实体都有其精确的位置、形状，可以同其他相邻的地理实体区别开来。面向对象的实质就是使用一系列的基本数据来描述这些地理实体，包括：对象的特定属性（空间、时间、非空间属性），对象之间的特定关系（空间、时间、语义）。面向对象的地理实体描述方式特别适用于描述地理空间中各种独立存在的地理特征（discrete spatial features），适合于那些具有完整边界的地理目标。网络模型？网络模型可以看成基于点对象和线对象及其拓扑关系的集合描述。基于网络的地理认知模型与基于对象的地理认知模型有相似之处，都是描述不连续的地理目标，所不同的是网络模型需要通过目标间的相关联接（如路径）相互连接多个地理目标。空间关系分析？地理实体在地理空间中的空间分布关系简称为空间关系。空间关系是指地理空间实体之间相互作用的关系。空间关系主要有：（1）拓扑空间关系：用来描述实体间的相邻、连通、包含和相交等关系；（2）空间顺序关系（方向）：用于描述实体在地理空间上的排列顺序，如实体之间前后、上下、左右和东、南、西、北等方位关系；（3）度量空间关系：用于描述空间实体之间的距离远近等关系。哪些现象适合场模型、要素模型、网络模型？适合场模型：对于模拟具有一定空间内连续分布特点的现象来说，基于场的观点是合适的。大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流速和方向等。适合网络模型：道路、地下管线、通讯线路、自然界的物质流、能量流等。选择地方，情况怎么样（场模型）选择地方，地方有多大（要素模型）第三章 GIS 中的数据 地理数据一般具有三个基本特征?空间特征（定位数据）、属性特征（非定位数据）、时间特征（时间尺度）数据的测量尺度？测量尺度大致分为四个层次：命名量、次序量、间隔量、比率量 空间数据质量？如何控制空间数据质量？空间数据质量标准是生产、使用和评价空间数据的依据，数据质量是数据整体性能的综合体现。空间数据质量控制常见的方法有：传统的手工方法、元数据方法、地理相关法 空间数据的元数据？元数据有什么作用？一般都认为元数据就是“关于数据的数据”或元数据是关于数据的描述性数据信息。元数据的主要作用可以归纳为如下几个方面：（1）帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档，并保证即使其主要工作人员退休或调离时，也不会失去对数据情况的了解；（2）提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearing house)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；（3）提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息；（4）帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断；（5）提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。第四章 空间数据获取 GIS 的数据源，是指建立的地理数据库所需的各种数据的来源？GIS 的数据源，是指建立的地理数据库所需的各种数据的来源，主要包括地图、遥感图像、文 本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据等。栅格数据和矢量数据有哪些数据源？栅格数据的来源：遥感数据航空影像地图及图片扫描数据矢量数据转换手工方式 矢量数据的来源：定位设备（全站仪、GPS、常规测量等）地图数字化间接获取?栅格数据转换和空间分析（叠置、缓冲等操作产生的新的矢量数据）扫描矢量化以及处理流程?1.数据源的选择 2.采集方法的确定 3.数据的编辑与处理4.数据质量控制与评价5.数据入库 地理信息系统数据有哪些采集方式？一是对原始纸质数据、电子数据（表格、图形文件、遥感影像、航片等）的矢量化，二是利用卫星、飞机、各种采集仪器（全站仪、GPS 数据采集车等）直接采集数字化的数据。第五章 空间数据管理 空间数据库有什么特点，为什么不能使用传统的数据库代替空间数据库？空间数据库具有以下特点：数据量特别大；不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间数据；数据应用广泛；用传统数据库系统管理空间数据不足之处：传统数据库管理的是不连续的相关性较小的数字或字符，而空间数据是连续的，并且有很强的空间相关性；传统数据库管理的实体类型较少，并且实体类型间关系简单固定，而 GIS 数据库的实体类型繁多，实体间存在着复杂的空间关系；传统数据库存储的数据通常为等长记录的数据，而空间数据的目标坐标长度不定，具有变长记录，并且数据项可能很多，很复杂；传统数据库只查询和操作数字和文字信息，而空间数据库需要大量的空间数据操作和查询。决定栅格单元代码的方式?中心点法、面积占优法、重要性法、百分比法 什么是矢量数据、栅格数据？矢量数据：即通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体；栅格数据：是指将地球表面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、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。矢量数据、栅格数据的编码?矢量数据编码：点实体的编码：空间信息和属性信息 线实体的编码：标识码、起始点、终止点对于多边形（坐标序列法、树状索引编码法、拓扑结构编码法）栅格数据编码：直接栅格编码、压缩编码方法（链码、游程长度编码、快码、四叉树）矢栅结构的比较及转换算法？两者比较见教材 P151 页 矢量格式向栅格格式的转换：内部点扩散算法 复数积分算法 射线算法 扫描算法 边界代数算法 栅格格式向矢量格式的转换：提取以相同编号的栅格集合表示的多边形区域的边界和边界的拓扑关系，并表示成多个小直线段的矢量格式边界线的过程。多边形边界提取 边界线追踪 拓扑关系生成 去除多余点及曲线圆滑 栅格结构特点：属性明显，定位隐含；矢量数据模型特点：定位明显，属性隐含（属性用二维表的方式通过 ID 关联）。第六章 空间分析 大多数 GIS 中，提供的空间查询方式？空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。查询内容-数据库-连接与处理-输出结果 查询方式：图形属性、图形定位以及空间关系查询；空间量算有四种：几何量算、形状量算（欧拉数=（孔数）-（碎片数-1）、质心量算、距离量算（曼哈顿距离、欧式距离、非欧式距离）欧氏距离、曼哈顿距离和非欧氏距离？教材 166 页 再分类、缓冲区分析、叠加分析、网络分析的概念和主要应用？再分类：由于这种分类是对原始数据进行的再次分类组织，因此称为再分类。符号系统只改变显示样式，并不是重分类（因为属性值没有改变）。缓冲区分析：缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。（固定距离、字段决定的距离）（角分线法、凸角圆弧法）应用：1、点水源污染防治、医院的服务影响范围，点图层的缓冲区。2、道路的扩建，线的缓冲区 3、自然生态保护区，面对象的缓冲叠加分析：叠加分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一。地理信息系统的叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。（视觉信息叠加、点与多边形叠加（叠加的结果会把原来的属性叠加过来）、线与多边形叠加、多边形叠加、栅格图层叠加（ARCGIS 是用栅格计算器来实现即空间分析下的代数运算）矢量数据叠加和栅格数据叠加都会产生新的图层（生成在一个新的图层文件中）。叠加过程可分为几何求交过程和属性分配过程两步。网络分析：网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。网络数据结构的基本组成部分和属性如下：1）链（Link）。2）结点（Node）结点中又有下面几种特殊的类型:障碍（Barrier）拐点（Turn）中心（Center）站点（Stop）功能：路径分析、计算最短路径的 Dijkstra算法、资源分配（1）负荷设计 2）时间和距离估算）网络分析中最断路径计算方法？Dijkstra 算法 空间插值的基本原理、作用和几种方法？教材 180、183 基本原理：179 页红字部分 作用：空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其他空间现象的分布模式进行比较。空间插值方法可以分为：整体插值（Z=f(x,y)）、局部插值方法(Zi=f(Xi,Yi)两类。整体插值方法用研究区所有采样点的数据进行全区特征拟合；局部插值方法是仅仅用邻近的数据点来估计未知点的值。整体内插，就是在整个区域用一个数学函数来表达地形曲面。整体插值方法：1）边界内插方法 2）趋势面分析 3）变换函数插值 局部插值方法（插值结果都是栅格数据）：1）最近邻点法：泰森多边形方法 2）移动平均插值方法：距离倒数插值 3）样条函数插值方法 4）空间自协方差最佳插值方法：克里金插值 第七章 数字地形模型与地形分析 DEM、DTM 概念？DTM：数字地面模型，是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。DEM：数字地形模型中地形属性为高程时称为数字高程模型。DEM 的主要表示模型及其特点？地理信息系统中的 DEMDEM 表示模型：规则格网模型（优点是很容易地计算等高线缺点是不能准确表示地形的结构和细部；数据量过大）、等高线模型（优点每一条等高线对应一个已知的高程值。缺点需要插值方法计算等高线以外的其他点的高程）、不规则三角网模型（优点：减少规则格网带来的数据冗余；同时在计算方面效率（如坡度）方面优于基于等高线的方法。缺点：在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象；在某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向。）DEM 的格网模型、TIN、等高线模型的相互转换？1、不规则点集生成 TIN Delaunay 三角形产生的基本准则：1、任何一个 Delaunay 三角形的外接圆内不能包含任何其它离散点。2、相邻两个 Delaunay 三角形构成凸四边形，在交换凸四边形的对角线之后，六个内角的最小者不再增大。该性质即为最小角最大准则。Tsai（1993）提出的在n 维欧拉空间中构造 Delaunay 三角形的通用算法凸包插值算法。(凸包生成、环切边界法凸包三角剖分、离散点内插)2、格网 DEM 转成 TIN 格网 DEM 转成 TIN 可以看作是一种规则分布的采样点生成 TIN 的特例，其目的是尽量减少 TIN 的顶点数目，同时尽可能多地保留地形信息，如山峰、山脊、谷底和坡度突变处。两个代表性的方法算法是:保留重要点法 启发丢弃法 3、等高线转成格网 DEM 使用局部插值算法，可以将数字化等高线数据转为规则格网的 DEM 数据，但插值的结 果往往会出现一些许多不令人满意的结果，而且数字化等高线时越小心，采样点越多，问题越严重。主要原因：在一个半径范围内搜索落在其中的已知点数据，再计算它的加权平均值。导致出现了“阶梯”地形。4、利用格网 DEM 提取等高线 在利用格网 DEM 生成等高线时，需要将其中的每个点视为一个几何点，而不是一个矩形区域，这样可以根据格网 DEM 中相邻四个点组成四边形进行等高线跟踪。其方法类似于后面描述的利用 TIN 提取等高线。5、TIN 转成格网 DEM TIN转成格网 DEM 可以看作普通的不规则点生成格网DEM 的过程。方法是按要求的分辨率大小和方向生成规则格网，对每一个格网搜索最近的 TIN 数据点，按线性或非线性插值函数计算格网点高程。DEM 主要应用?通视问题中五类问题？格网 DEM 应用 A）地形曲面拟合 B）立体透视图 C）通视分析 通视问题可以分为五类：1）已知一个或一组观察点，找出某一地形的可见区域。2）欲观察到某一区域的全部地形表面，计算最少观察点数量。3）在观察点数量一定的前提下，计算能获得的最大观察区域。4）以最小代价建造观察塔，要求全部区域可见。5）在给定建造代价的前提下，求最大可见区。D)流域特征地貌提取与地形自动分割 6、离散点如何构建 TIN 网络 第八章 空间建模与空间决策支持 空间分析过程？（教材 218）空间分析的目的是解决某类与地理空间有关的问题，通常涉及多种空间分析操作的组合。一般步骤是：明确分析的目的和评价准则；准备分析数据；进行空间分析操作；进行结果分析；解释、评价结果（如有必要，返回步骤 1）；结果输出（地图、表格和文档）。空间建模过程？空间分析建模是指运用 GIS 空间分析方法建立数学模型的过程。1.明确问题 2.分解问题 3.分析输入数据 4.执行分析 5.验证结果 6.实施结果 第九章 3S 集成技术 补充：地理信息系统中的数据类型，概括起来主要有5 种：?几何图形数据?影像数据?属性数据?地型数据?元数据 地理数据一般具有三个基本特征：?属性特征（非定位数据）?空间特征（定位数据）?时间特征（时间尺度）它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性拓扑属性。空间数据的拓扑关系有4 种：拓扑相邻、拓扑邻接（空间图形中同维目标之间的邻接关系）、拓扑关联（空间图形中不同维目标之间的关联关系）、拓扑包含（空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系）空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义：（1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它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。GIS 平台中由于方向关系和度量关系复杂，故一般不明确秒速这两种关系。矢量栅格一体化数据模型 在矢量栅格数据模型中，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。面状实体的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，同时将线所经过位置以栅格单元进行充填；点实体则同时描述其空间坐标以及栅格单元位置，这样则将矢量数据模型和栅格数据模型的特点有机地结合在一起。GIS的数据源，是指建立的地理数据库所需的各种数据的来源，主要包括地图、遥感图像、文本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据等。一个实体必须符合三个条件：可被识别、重要（与问题相关）、可被描述（有特征）地图是 GIS 的主要数据源，地图数据主要通过对地图的跟踪数字化和扫描数字化获取。对地理要素分层一般有两种方法：逻辑分层和物理分层空间数据质量标准要素主要有：数据情况说明、位置精度、属性精度、时间精度、逻辑一致性、数据完整性、表达形式的完整性 空间数据元数据的获取方法主要有五种：键盘输入、关联表、测量法、计算法和推理法。在 GIS 里面使用元数据的原因有：完整性、可扩展性、特殊化、安全性、查错功能、浏览功能、程序生成 通常用两种数字化的方法可以表示地理空间信息：矢量空间数据结构、栅格空间数据结构 对矢量数据分层组织原则：1.图形原则 2.对象原则 栅格大小代表定义的空间分辨率。GIS 数据采集有 3 方面的工作：属性数据的采集、空间数据的采集、空间数据与属性数据的连接 属性数据的编码编码原则 1.系统性和科学性2.一致性3.标准化和通用性4.简捷性5.可扩展性 编码内容：登记部分、分类部分、控制部分 编码方法：层次分类编码法、多源分类编码法 链式编码：由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。点的内插方法：移动拟合法、局部函数法、克里格内插法 区域的内插方法：叠置法、比重法 链状双重独立编码结构：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。2.在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物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于两个的相邻单元同属一个区域。栅格坐标点的量算有四个因素：角度（与投影有关）、坐标原点、分辨率、行列位置 栅格数据的参数：（1）栅格形状。（2）栅格单元大小。（3）栅格原点。（4）栅格的倾角。最便于应用的地址码是十进制 Morton 码（简称 MD 码）。如：2 行 3 列为：I=0010，J=0011；得到的 MD 码为：MD=(00001101)2=(13)10 镶嵌数据结构：TIN 网络数据结构、Vorono 数据结构 三种数据库模型：见作业第四章 空间索引就是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构。（四叉树、对象范围、R 树、R+树和 CELL 树等）DEM 是 grid，可以用栅格计算器，其本质是一种栅格数据，只不过其属性仅表示高程而已，而不表示其他属性）DEM 不是三维 GIS，本质是假三维 z=f（x,y）真三维是 T=f(x,y,z)多变量统计分析主要用于数据分类和综合评价。分类评价中常用的几种数学方法：1）主成分分析 2）层次分析法 3）系统聚类分析 4）判别分析