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地理信息系统期末复****br/>第一章导论
第一节地理信息系统的基本概念
一、数据与信息
数据(data)
为便于交流、解释或处理,对信息的可再解释的形式化表示。
理解:泛指表示一个指定的值或条件的数字、符号(或字母)等。数据是表示信息
的,但这种表示要适合传输、分析和处理。在数字通信中,常把数据当作信息的同义词。
信息(information)
关于客体(如事实、事件、事物、过程或思想,包括概念)的知识,在一定场合中
具有特定的意义。
二、地理信息与地理信息系统
地理数据(geographicdata)
直接或间接关联着相对于地球的某个地点的数据。
地理信息(geographicinformation)
关于那些直接或间接涉及相对于地球的某个地点的现象的信息。
GIS的操作对象是地理数据或空间数据。P5-----Who
GIS空间数据(地理信息)的基本特征:空间特征、属性特征、时序或
时间特征。(1、2题的关系)P3------操作对象的特点
地理信息系统(GIS,)
在计算机软硬件支持下,把各种地理信息按照空间分布,以一定的格式输入、存储、
检索、更新、显示、制图和综合分析的计算机技术系统。
课后****题1、什么是地理信息系统(GIS)它与一般计算机应用系统有哪些异同点(P4):.
答:在计算机软硬件支持下,把各种地理信息按照空间分布,以一定的格式输入、存储、检索、更
新、显示、制图和综合分析的计算机技术系统。
GIS脱胎于地图学,是计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信
息科学和管理科学等众多学科交叉融合而成的新兴学科。但是,地理信息系统与这学科和系统之间
既有联系又有区别:
(1)GIS与机助制图系统。机助制图是地理信息系统的主要技术基础,它涉及GIS中的空间数据采
集、表示、处理、可视化甚至空间数据的管理。地理信息系统和数字制图系统的主要区别在于空间
分析方面。一个功能完善的地理信息系统可以包含数字制图系统的所有功能,此外它还应具有丰富
的空间分析功能。
(2)GIS与DBMS(数据库管理系统)。GIS除需要功能强大的空间数据的管理功能之外,还需要具有
图形数据的采集、空间数据的可视化和空间分析等功能。因此,GIS在硬件和软件方面均比一般事务
数据库更加复杂,在功能上也比后者要多得多。
(3)GIS与CAD系统。二者虽然都有参考系统,都能描述图形,但CAD系统只处理规则的几何图形、
属性库功能弱,更缺乏分析和判断能力。
(4)GIS与遥感图像处理的系统。遥感图像处理的系统是专门用于对遥感图像数据处理进行分析处
理的软件。它主要强调对遥感栅格数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取。这种系统一般缺少
实体的空间关系描述,难以进行某一实体的属性查询和空间关系查询以及网络分析等功能。
需简化,提取关键句。
3S
3S技术是遥感技术(Remotesensing,RS)、地理信息系统(Geographyinformation
systems,GIS)和全球定位系统(Globalpositioningsystems,GPS)的统称,是空间技术、传
感器技术、***与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合,多学科高度集成的对
空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。
第二节地理信息系统的基本构成
GIS其基本构成一般包括以下5个主要部分:系统硬件、系统软件、空间数据、应
用人员和应用模型。P6-----系统结构问题:.
一、系统硬件
二、系统软件
GIS功能软件常分为基础软件平台和应用软件两大类型。前者如ArcView
GIS、MapInfo、MapGIS,后者如环境信息系统。P13---实****基础
课后****题2、地理信息系统有哪几个主要部分组成它的基本功能有哪些试举目前广泛应
用的两个基础地理信息系统软件为例,列出它们的功能分类表,并比较异同点(P6)
答:主要有五个组成部分:(1)系统硬件:包括各种硬件设备,是系统功能实现的物质基础;(2)
系统软件:支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统;(3)空间数据:系统分
析与处理的对象,构成系统的应用基础;(4)应用人员:GIS服务的对象,分为一般用户和从事建
立、维护、管理和更新的高级用户;(5)应用模型:解决某一专门应用的应用模型,是GIS技术产
生社会经济效益的关键所在。
其基本功能有:①数据采集与编辑;②数据存储与管理;③数据处理和变换;④空间分析和统
计;⑤产品制作与显示;⑥二次开发和编程。
三、空间数据
空间数据(spatialdata,)
用来表示空间实体的位置、形状、大小和分布特征诸方面信息的数据,适用于描述
所有呈二维、三维和多维分布的关于区域的现象。
属性数据(attributedata,)
描述地理实体质量和数量特征的数据。
四、应用人员
五、应用模型
第三节地理信息系统的功能简介
一、基本功能
(1)数据采集与编辑
4D数据
(2)数据存储与管理:.
(3)数据处理与变换
数据处理与变换方法:数据变换/数据重构/数据抽取
GIS数据处理的任务和操作内容主要有数据变换、数据重构、数据提取。Mapgis的
文件转换、工程裁剪为数据重构;Mapgis的整图变换、MapInfo图像配准、投影变换
为数据变换;ArcviewGIS的kriginginterpolation、重分类为数据提取。
(4)空间分析与统计
空间分析(spitalanalysis,)
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、空间演变等信息。
以地学原理为依托,通过分析算法,对地理对象的位置、分布、形态、形成、演变
等空间信息进行分析的技术。
空间分析方法:叠合分析/缓冲区分析/数字地形分析
(5)产品制作与演示
(6)二次开发和编程
叠置分析over1ayanalysis
将不同层的地物要素相重叠,使得一些要素或属性相叠加,从而获取新信息的方法。
包括合成叠置分析和统计叠置分析。
二、应用功能
GIS的研究核心是地理空间分析。
课后****题3、试说明地理信息系统的基本分析功能与应用模型之间的区别和联系是什么
答:地理信息系统分析功能是基于现有数据按照一定规律或者参数进行计算得出的结构,这些规律
和参数就可以构成一个应用模型,比如降雨量计算模型和风力强度计算模型等。但应用模型很多是
专业领域的模型,其表现可以是参数表格也可以是图标或计算公式,不利于地理信息这种要与地理
坐标相联系,并且需要特殊的可视化效果的信息分析与表达。因此,要构建适合于地理信息分析和
表达的应用模型就要把如气象农业等行业应用模型转变或者结合地理信息做成与空间信息相连接
的模型应用于分析。
第四节地理信息系统的发展概况
一、发展概况(略):.
二、基础理论(略)
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
一、地理空间的概念
1、地理空间定位框架
(1)平面控制网
地图投影(mapprojection,)
按一定的数学法则,把参考椭球面上的点、线投影到平面上的方法。
(2)高程控制网
地理空间定位框架由平面控制网和高程控制网组成,为建立地理空间数据的
坐标位置提供了一个通用坐标系。目前,我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大
地坐标系。
课后****题4、请简述平面控制网和高程控制网在GIS中的应用(P38-P39)
答:平面控制网用以确定在地球上的平面位置通常是地理经纬度坐标;高程控制网利用空间某
点高于或低于基准面的垂直距离来提供地形信息。
二、空间实体表达
1、矢量表示
矢量数据(vectordata,)
X,Y坐标或坐标串表示的空间点、线、面等图形数据及其属性数据的总称。
2、栅格表示
栅格数据(rasterdata,)
被表示成有规则的空间阵列的数据。
第二节地理空间数据及其特征:.
一、GIS的空间数据的分类
1、数据源:地图/影像/文本
2、数据结构:矢量/栅格
3、数据特征:空间/属性
4、几何特征:点/线/面/曲面/体
5、发布形式:4D(2G/2M,1矢3栅):DLG/DRG/DEM/DOM
数字高程模型(digitalelevationmodel,DEM)
是一定范围内规则格网点的平面坐标(X,Y)及其高程(Z)的数据集,它主要是
描述区域地貌形态的空间分布,是通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样
和量测),然后进行数据内插而形成的。
数字正射影像(digitalorthophotomap,DOM)
数字正射影像数据是经过辐射校正和几何校正,并进行投影差改正处理的影像。影
像可以是全色的或彩色的,也可以是多光谱的,有时附之以主要居民地、地名和境界等
矢量数据。是对航空(或航天)像片进行数字微分纠正和镶嵌,按一定图幅范围裁剪生成
的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征。
课后****题5、什么是4D数据它们与矢量和栅格数据之间具有什么联系(P43)
5、什么是4D数据它们与矢量和栅格数据之间具有什么联系(P43)
答:4D数据是指:数字线画图数据(DLG)、数字栅格图数据(DRG)、数字高程模型数据(DEM)、
数正射影像数据(DOM)。
数字线画图数据(DLG):是现有地形图要素的矢量数据;
数字栅格数据(DRG):是现有纸质地图经计算机处理后得到的栅格数据;
数字高程模型数据(DEM):是数字形式表达的地形起伏数据,是栅格数据;
数正射影像数据(DOM):是对遥感数字影像,经像元进行投影差改正、镶嵌,也是一
种栅格形式的数据。
二、空间数据的基本特征:.
课后****题1、通过实例说明GIS空间数据的基本特征及在计算机中的表示方法(P44)
答:GIS空间数据的基本特征:空间特征、属性特征、时间特征。在计算机中空间特征采取空间分幅,
即将整个地理空间划分为许多子空间,在选择要素表达子空间;属性特征采取属性分层即将要表达
的空间数据抽象成不同类型属性的数据层来表达;时间特征采取时间分段即将有时间特征的地理数
据按其变化规律划分为不同的时间段数据再逐一表示。
三、空间数据的拓扑关系
拓扑关系(topologicalrelation)
指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互位置关系,即用结点、弧段和多边形
所表示的实体之间的邻接、关联和包含等关系。
关联(association)
两个或两个以上类之间的语义关系,定义了类中实例间的连接。
类(class)
具有共同特性和关系的一组要素的集合。[TD/T1016-2007,类]
课后****题2、简述空间数据的拓扑关系及其对GIS数据处理和空间分析有何重要意义
答:空间数据的拓扑关系是明确定义空间结构关系的一种数学方法,它是指满足拓扑几何学原理的
各空间数据间的相互位置关系,即用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联和包含等
关系。
意义:在GIS中,空间数据的拓扑关系不但用于空间数据的编辑和组织,而且在空间分析和应用中
都具有非常重要的意义。(P45)
(1)根据拓扑关系,不需要利用坐标或者计算距离,就可以确定一种地理实体,相对于另一种地理
实体的空间位置关系;(2)利用拓扑数据有利于空间要素的查询;(3)可以利用拓扑数据作为工
具,重建地理实体。(P47)
四、空间数据的计算机表示(三分)
1、空间分幅
2、属性分层
3、时间分段
层layer
具有相同空间特征和属性的实体及其属性的集合[TD/T1016-2007,层]:.
实体entity
具有共同特性的对象类。[GB/T17798-2007实体]
属性attribute
对象的特征。既可指类型,又可指实例。属性作为类型时,用名称、数据类型和域
等进行描述。
分层1ayer
按照一定规则,对地图数据进行分组的过程。
第三节空间数据结构的类型
数据结构(datastructure,)
数据以及数据之间的联系。一般包括数据的逻辑结构、存储结构和对数据的基本操
作三个方面。
一、矢量数据结构
拓扑/无拓扑(实体数据结构)
二、栅格数据结构
矩阵/游程编码/四叉树(常规/线性)
游程编码
游程编码是逐行将相同值的栅格合并,记录合并后栅格的值及合并栅格的数量(即游程),其
目的是压缩栅格数据量,消除数据间的冗余。
栅格四叉树结构
栅格四叉树结构是指将空间区域按照四个象限进行递归分n次,每次分割形成2*×2*个子象限
中的属性数值都相同为止,该子象限就不再分割。
三、曲面数据结构
GRD/TIN
TIN
不规则三角网,是将离散分布的实测数据点连成三角网,网中的每份三角形要求尽量接近等边
形状,并保证由最近邻点构成三角形,即三角形的边长之和最小。
课后****题3、试比较矢量与栅格数据结构各有什么特征
本题切入点:从数据结构概念入手。:.
数据结构:逻辑/存储/基本操作三个方面
角度:拓扑/存储/压缩/转换/空间分析。
对教材P80表3-1内容进行整合。
本题答题思路和内容应进行调整,在理解、分析的基础上进行整合。
第四节空间数据结构的建立(实验)
一、系统功能与数据源的关系
二、空间数据的分类与编码
三、矢量数据的输入与编辑
四、栅格数据的输入与编辑
五、曲面数据的输入与编辑
第三章空间数据的处理
第一节空间数据的变换
一、几何纠正
几何纠正的方法:仿射/相似/二次变换
二、地图投影及其变换
重点:地图投影的概念/基本原理/类型
高斯-克吕格投影
一种等角横切椭圆柱投影(其投影带中央子午线投影成直线且长度不变,赤道投影
也成直线,并与中央子午线投影线正交)。
1954(年)北京坐标系Beijinggeodeticcoordinatesystem1954
根据苏联1943年普尔科沃坐标系(采用克拉索夫斯基椭球),以1956年黄海高程
系作为高程基准,通过联测和天文大地网局部平差所建立的大地坐标系。:.
1980西安坐标系XiAngeodeticcoordinatesystem1980
采用1975国际椭球,以系统为椭球定向基准,选用陕西省泾阳县永乐镇为大地原
点所在地,采用多点定位所建立的大地坐标系。
WGS84(世界大地坐标系)worldgeodeticsystem1984
由美国国防部在与WGS72相应的精密星历系统NSWC-9Z-2基础上,采用1980大
地参考系和系统定向所建立的一种地球参考系和地心坐标系。
1985国家高程基准NationalVerticalDatum1985
1987年颁布命名的,以青岛验潮站1952年一1979年验潮资料计算确定的平均海面
作为基准面的高程基准。
课后****题8、请简述地图投影的分类及作用(P72—P73、P229)
答:地图投影分类:按构成方法/变形性质/形状/位置关系进行分类。
(1)按地图投影的构成方法可分为:几何投影和非几何投影。
几何投影:按投影面的形状分为方位投影、圆柱投影、圆锥投影;按投影面与地球的相对位置关系
分为正轴投影、横轴投影和斜轴投影;
非几何投影:伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影;
(2)按地图投影变形性质可分为:等角投影、等积投影、任意投影。
作用:(1)为空间数据的录入提供数学基础。投影方式是空间数据库数学基础的三要素之一,投影
准确是GIS数字化的工作要求。(2)为空间分析提供数学基础。GIS研究的核心是空间分析,投影
准确是GIS空间叠合分析的工作要求。(3)为计算机制图提供数学基础。比例尺、投影和图例是地
图的三要素(P229),投影准确是GIS专题图编绘的工作要求。
本题进行了较大幅度的修改和补充。
第二节空间数据结构的转换
一、矢量转栅格
面的栅格化方法:内点填充法/边界代数法/包含检验法(夹角/交点):.
二、栅格转矢量
栅格转矢量的方法:二值化/细化(剥皮/骨架)
课后****题4、请举例说明常用的矢量和栅格数据的转换方法(P80—P87)
答:矢量向栅格转换方法:矢量向栅格转换处理的根本任务就是把点、线或面的矢量数据,转换成
对应的栅格数据,这一过程叫做栅格化。栅格化可以分别针对点、线和面来进行,点的栅格化是线
和面栅格化的基础。转换方法:建立矢量数据的平面直角坐标系和栅格行列坐标系之间的对应关系。
点的栅格化:矢量坐标(x,y),转换后的栅格单元行列值(I,J);线的栅格化:线的栅格化先分
解成折线的每一个线段的栅格化,对应一条线段的栅格化,先使用点栅格化的方法,栅格化线段的
两个端点,然后再栅格化线段中间的部分;面的栅格化:基于弧段数据的栅格化方法,与线段栅格
化的方法类似,基于多边形数据栅格化的方法,是以非拓扑的实体多边形作为栅格化的处理单元,
将一个多边形的内部栅格单元赋予多边形的属性值,基于多边形数据的栅格化方法包括:内点填充
法、边界代数法和包含检验法等。
栅格向矢量的转换方法:栅格数据结构向矢量数据结构转化又称为矢量化。矢量化方法:1)二
值化,先根据栅格数据建立一个阈值,再根据这个阈值将不同的数据使灰度图像二值化。2)细化,
是消除线画横断面栅格数的差异,使得每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线位置的单个栅格的
宽度。细化又可分为“剥皮法”和“骨架法”两大类。3)跟踪法:是将细化处理后的栅格数据转换为从
节点出发的线段或闭合的线条,并以矢量形式存储线段的坐标。
第三节多元空间数据的融合
一、RS与GIS的融合
DOM与其他3D的融合
二、不同格式数据的融合
性质:数据重构
第四节空间数据的压缩与重分类
一、空间数据的压缩
1、空间数据压缩的概念
2、空间数据压缩的方法
基于栅格数据的压缩可以采用游程编码压缩和四叉树编码压缩等方法。
二、空间数据的重分类
性质:数据抽取:.
重分类依据:属性
第五节空间数据的内插方法
性质:数据抽取
一、点的内插方法
1、点的内插方法:整体/分块/逐点,宏观/中观/微观3个层次。
2、逐点内插法:IDW/Kriging/移动拟合法
MapGIS/MapInfo/ArcView空间插值
课后****题3、试述克里金内插法的基本原理、优点及实施过程(P101—P103)
答:基本原理:将被插值的某要素(例如地形要素)当作一个区域化的变量来看待。所谓区域化的
变量就是介于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,因此,彼此离得近的点之间有某种程度上的空间相关性,而相隔比较远的点之间在统计上
看是相互独立无关的。克里金内插法是建立在一个预先定义的协方差模型的基础上通过线性回归方
法把估计值的方差最小化的一种插值方法。
优点:能产生最优的无偏估计,变量图可以被用来对每一个插值点计算估计的预期误差。
实施过程:首先是利用那些用来插值的离散点集合建立一个变量图,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。其次将变量图用来计算Kriging方法中的权重。
二、区域的内插方法
叠置法/比重法
第五节空间拓扑关系的编辑
一、多边形连接编辑
二、节点连接编辑