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GIS备考.docx
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GIS备考
一概论
地理信息系统
地理信息系统国际上称为GeographicalInformationSystem或者Geo-informationSystem,简称GIS。
从学科角度讲,地理信息系统是集计算机科学、地理科学、测绘学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科。
具体的讲,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。
GIS基本功能
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
6.二次开发和编辑
GIS的组成部分
系统硬件
系统软件
空间数据
用户
应用模型
GPS
全球定位系统(GlobalPositioningSystem),又称全球卫星定位系统,是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。
它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。
GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。
目前运行的全球卫星定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。
欧盟正在建造中的伽利略定位系统(GalileoPositioningSystem)计划2014年完成。
中国自主研发的北斗二号卫星导航系统预计2015年运行。
WebGIS
即互联网地理信息系统,以互联网为环境,以Web页面作为GIS软件的用户界面,把Internet和GIS技术结合在一起,为各种地理信息应用提供GIS功能。
GIS通过Web功能得以扩展,通过Web发布地图、浏览空间数据,制作专题图,例如大家熟悉的Go2Map、GoogleMap、MapBar等等。
WebGIS应用客户/服务器概念来执行GIS的分析任务。
它把任务分为服务器端和客户端两部分,客户可以从服务器请求数据、分析工具或模块,服务器或者执行客户的请求并把结果通过网络送回给客户,或者把数据和分析工具发送给客户供客户端使用。
OpenGIS(OpenGeodataInteroperationSpecification,OGIS-开放的地理数据互操作规范)
由美国OGC(OpenGIS协会,OpenGISConsortium)提出。
OGC是一个非赢利性组织,目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的互操作性。
OGC会员主要包括GIS相关软硬件商如ESRI,Intergraph,Mapinfo等,数据生产商及高校和政府部门,其技术委员会负责具体标准的制定工作。
OpenGIS规范主要定义了三个模型:
1.开放的地理数据模型(OpenGeodata)
定义了一个概括的、公用的基本地理信息类型集合
2.OpenGIS服务模型
定义了一个服务的集合,该集合用于访问地理数据模型中定义的地理类型,提供了同一信息团体(InformationCommunity)内不同用户之间,或者不同信息团体之间的地理数据共享能力。
3.信息团体模型(InformationCommunity)
信息团体模型的目的是,建立一种途径,使得信息团体或用户维护对数据进行分类和共享所遵循的定义;实现一种有效的、更为精确的方式,使不同信息团体之间可以共享数据,尽管他们并不熟悉对方的地理要素定义。
信息团体模型定义了一种转换模式,使得不同信息团体的“地理要素辞典”可以自动“翻译”。
3S集成(3SIntegration=GIS+RS+GPS)
将全球定位系统(GPS)、航空航天遥感(RS)技术和地理信息系统(GIS)技术根据应用需要,有机地组合成一体化的、功能更强大的新型系统的技术和方法。
形成"一个大脑,两只眼睛"的框架。
数字地球(DigitalEarth)
最早是美国副总统戈尔于1998年1月31日在美国加利福尼亚科学中心发表的题为“数字地球:
二十一世纪认识地球的方式”的讲演中提出来的概念。
数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础,以宽带网络为纽带运用海量地理信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述,并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。
国家空间信息基础设施(NSDI,NationalSpatialDataInfrastructure)
是指对地理空间数据有效地采集、管理、访问、维护、分发利用所必需的政策、技术、标准,基础数据集和人力资源的总称。
国家空间数据基础设施的含义是在国家层次上统筹规划和协调地理信息化工作,按照统一的数据标准和信息技术标准,生产和整合多种空间分辨率的地理空间数据,将纵横分布的众多空间数据库连接起来,形成一种类似于公路和铁路那样的基础设施,使全社会能充分地利用和共享地理空间数据。
就内涵而言,NSDI主要包括数字地理空间数据框架、地理空间数据交互网络体系、数据标准和空间数据协调管理机构四大组成部分。
(1994年美国率先NSDI计划,发达国家相继制定和实施了类似计划。
)
虚拟现实(virtualreality,VR)
人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新综合集成技术,它用计算机生成逼真的三维视、听等感觉,人通过适当装置对虚拟世界进行体验和交互。
使用者进行位置移动时,电脑可以立即进行复杂的运算,将精确的3D世界影像传回产生临场感。
该技术集成了计算机图形(CG)技术、计算机仿真技术、人工智能、传感技术、显示技术、网络并行处理等技术的最新发展成果,是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。
GIS新技术
3S集成、WebGIS、组件式GIS、数字地球(3D)
二空间数据
地理空间(geo-spatial)
地理空间上至大气电离层,下至地幔莫霍面,是生命过程活跃的场所,也是宇宙过程对地球影响最大的区域。
一般地理空间指的是地球表层,其基准是陆地表面和大洋表面,它是人类活动频繁发生的区域,是人地关系最为复杂、紧密的区域。
空间对象(实体)
地理信息系统中不可再分的最小单元称为空间实体,它们在GIS中用矢量数据点、线、面表述。
空间数据
用于描述空间实体的位置、特征及相互关系等信息的数据。
它能定位、定性、有时空关系。
空间数据的基本特征
空间特征,是指空间地物的位置、形状和大小等几何特征,以及与相邻地物的空间关系。
时间特征,
专题特征,亦指空间现象或空间目标的属性特征,它是指除了时间和空间特征以外的空间现象的其他特征,如地形的坡度、波向、某地的年降雨量、土地酸碱度、土地覆盖类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。
空间数据类型
地图数据(数字线划数据)、影像数据、地形数据(数字高程模型)、地物属性数据、元数据
空间数据引擎(SDE,SpatialDataEngine)
是一种空间数据库管理系统的实现方法,即在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎,以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理的能力。
代表性的是ESRI的SDE。
空间索引
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,其中包含空间对象的概要信息。
作为一种辅助性的空间数据结构,空间索引介于空间操作算法和空间对象之间,它通过筛选作用,大量与特定空间操作无关的空间对象被排除,从而提高空间操作的速度和效率。
空间数据处理
原因:
取决于原始数据特点和用户具体需求
内容:
数据变换(几何纠正、投影转换、辐射纠正)
数据重构(格式转换、结构转换、类型替换等,以实现多源和异构数据的联接与融合)
数据提取(类型提取、空间内插)
地图精度
即地图的误差大小,是衡量地图质量的重要标志之一,它与地图投影、比例尺、制作方法和工艺有关。
通常用地图上某一地物点或地物轮廓点的平面和高程位置偏离其真实位置的平均误差衡量。
空间数据质量
指空间数据在表达空间位置、专题特征以及时间信息时能够达到的准确性、一致性、完整性,以及他们三者之间同一性的程度。
空间数据的质量具有相对性。
空间数据结构
空间数据在计算机内的组织关系和编排方式。
它是一种适合于计算机存贮、管理和处理空间数据的逻辑结构,是地理实体的空间排列和相互关系的抽象描述。
同一空间数据逻辑模型往往采用多种空间数据结构,例如游程长度编码结构、四叉树结构都是栅格数据模型的具体实现。
GIS中较常用的有栅格数据结构和矢量数据结构,此外还有矢栅一体化数据结构、镶嵌数据结构和三维数据结构等。
地图投影
是利用一定数学方法则把地球表面的经、纬线转换到平面上的理论和方法。
即将椭球面上各点的地球坐标变换为平面相应点的直角坐标。
由于地球是一个赤道略宽两极略扁的不规则的梨形球体,故其表面是一个不可展平的曲面,所以运用任何数学方法进行这种转换都会产生误差和变形,为按照不同的需求缩小误差,就产生了各种投影方法。
坐标参照系(coordinatereferencesystem、CRS):
由基准和坐标两部分构成。
大地基准(GeodeticDatum)包括定义椭球体形状(长短轴,曲率),原点,方向等。
基准面是椭球体用来逼近某地区用的,因此各个国家都有各自的基准面。
我们常用的基准面有:
BEIJING1954,XIAN1980,WGS1984等
同一基准下,同一个点可以用空间直角坐标、大地坐标,站心极坐标等表示。
等值线
等值线法又称等量线法,是用一组等值线来表示连续分布的制图对象数量特征的方法。
由地图上表示制图对象数量的各点,采用内插法找出各整数点连接成的平滑曲线。
每两条等值线之间的数量差额多为常数,可通过等值线的疏密程度来判断现象的数量变化趋势。
等值线法往往与分层设色的表示手段配合使用,即采用改变颜色深浅、冷暖和阴暗来表示现象的数值变化趋势,使图面更清晰、易读。
高斯—克吕格投影
即等角横切椭圆柱投影,欧美称横轴等角墨卡托投影。
设想一个椭圆柱横切于地球椭球某一经线(称“中央经线”),根据等角条件,用解析法将中央经线两侧一定经差范围内地球椭球体面上的经纬网投影到椭圆柱面上,并将此椭圆柱面展为平面所得到的一种等角投影。
UTM投影(UniversalTransverseMercatolProjection,通用横轴墨卡托投影)
是横轴等角割椭圆柱投影,投影带内有两条长度比等于1的标准经线,带内变形差异更小。
道格拉斯-佩克算法
常用的矢量压缩算法
拓扑关系
拓扑关系是明确定义空间关系的一种数学方法。
在地理信息系统中用它来描述并确定空间的点、线、面之间关系及属性,并可实现相关的查询和检索。
空间数据的拓扑关系包括拓扑邻接(同类元素间)、拓扑关联(不同元素间)、拓扑包含(同类不同级间)
元数据metadata
是数据的数据,在地理空间信息中,用于描述地理数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征,它是实现地理空间信息共享的核心内容之一。
矢量数据
利用欧氏(Euclid)空间的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的数据格式。
优势:
1.最好的逼近实体,表达精确;
2.数据结构紧凑,冗余低;
3.拓扑结构便于网络分析、空间查询。
劣势:
1.数据结构相对复杂;
2.处理软件技术要求相对较高;
3.多边形叠加等困难。
矢量数据结构的主要组织方法:
1.简单数据结构
(数据编排直观数字化操作简单;公共边界被存储两次,造成冗余;岛没有与外界多边形的联系);
2.拓扑数据结构(DIME法,POLYVRT、TIGER);
(具有拓扑编辑功能)
3.曲面数据结构(TIN)
(便于连续现象在任意点的内插计算)
栅格数据
将空间分割成规则网格,在各个网格上用属性值来表示实体特征的数据格式。
优势:
1.结构简单
2.空间分析技术实现容易
3.利于遥感数据的匹配应用和分析
劣势:
1.定位精度较低;
2.数据冗余度高,数据量较大,通常需要压缩;
3.难以表现拓扑关系
栅格数据结构常用的数据组织方法:
1.栅格矩阵结构;2.游程编码结构;3.四叉树数据结构
对偶独立地图编码法(DIME)
矢量数据的拓扑数据结构包括DIME、POLYVRT(多边形转换器)、TIGER(地理编码和参照系统的拓扑集成)等。
栅格转矢量
即是提取具有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,并表示成矢量格式边界线的过程。
步骤:
1.多边形边界提取(二值化或以特殊值标识边界点)。
2.边界线追踪,即对每个边界弧段由一个节点向另一个节点搜索,通常对每个已知边界点需沿除进入方向的其它7个方向搜索下一个边界点,直到连成边界弧段。
3.拓扑关系生成,对于矢量表示的边界弧段,判断其与原因上各多边形的空间关系,形成完整的拓扑结构,并建立与属性数据的联系。
4.去处多余点及曲线圆滑,去除多余点记录以减少冗余;曲线由于栅格精度的限制可能不够圆滑,需要采用一定的插补算法进行光滑处理。
矢量转栅格
又称为多边形填充,就是在矢量表示的多边形边界内部的所有栅格上赋予相应的多边形编号,从而形成栅格数据阵列。
常用算法:
内部点扩散法:
由每个多边形一个内部点(种子点)开始,向其八个方向的邻点扩散,判断各个新加入点是否在多边形边界上,如果是边界点,则新加入点不作为种子点,否则把非边界点的邻点作为新的种子点与原有种子点一起进行新的扩散运算,并将该种子点赋予多边形的编号。
重复上述过程,直到所有种子点填满该多边形并遇到边界为止。
复数积分算法:
即由待判别点对多边形的封闭边界计算复数积分,来判断两者关系;
射线算法:
…
扫描算法:
射线算法的改进。
边界代数算法:
是…。
数字地面模型(DigitalTerrainModel,DTM)
以数字的形式来表示实际地形特征的空间分布,是栅格数据模型的一种。
DTM描述高程、坡度、坡向、坡度变化率等各种地貌因子的空间分布。
有时地形特征点仅指高程,称为数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)。
DEM的常见形式
可按空间结构形式将DEM分为散点、等值线、格网、曲面、线路、平面多边形和空间多边形等七种。
最常用的是三种,即等值线DEM、TINDEM及格网DEM。
DEM的数据来源:
(1)空间影响与遥感;
(2)既有地形图;(3)地面实测记录;(4)航空摄影。
DEM的生产方法:
1、人工格网法:
在地形图上蒙上格网,逐格读取中心点或交点的高程值。
2、三角网法:
对有限个离散点,每三个邻近点联结成三角形,每个三角形代表一个局部平面,再根据每个平面方程,可计算各格网点高程,生成DEM。
3、立体像对法
4、曲面拟合法
5、等值线插值法:
较常用的DEM生成方法,它根据各局部等值线上的高程点,通过插值公式计算各点的高程得到DEM。
DEM内插算法有距离加权法、移动拟合法、双线性多项式内插、样条函数内插、最小二乘配置法、有限元法以及分形插值法等。
不同内插法得到的DEM精度不同。
DEM的应用
1.地学分析:
作为等高线地形图的数字替代产品,几乎涵盖了地形图应用的所有领域。
2.非地形特性应用:
3.产业化和社会化服务
TIN (TriangulatedIrregularNetwork)
不规则三角网是用一系列互不交叉、互不重叠的连接在一起的三角形来表示地形表面。
TIN既是矢量结构又有栅格的空间铺盖特征,能很好地描述和维护空间关系。
游程编码
又称“运行长度编码”或“行程编码”,是一种统计编码,该编码属于无损压缩编码,是栅格数据压缩的重要编码方法。
对于二值图有效。
逐行将相邻同值网格合并,记录网格的值及连续长度,以减少原始数据长度,实现数据压缩。
四叉数编码
栅格数据结构有矩阵、游程编码、四叉树编码等多种编码方式。
将空间区域按照四个象限进行递归分割,直到子象限的数值单调为止。
有自上而下和自下而上两种建树方法。
数据插值与拟和
通过探寻收集到的样点/样方数据的规律,外推/内插到整个研究区域为面数据的方法。
即根据已知区域的数据求算待估区域值,影响插值精度的主要因素就是插值法的选取。
判断点是否处于多边形内(交叉点数判别法)
作从点出发的水平射线,顺序考虑多边形的每条边与该射线相交情况,记录交点的总个数。
总奇数个交点表示在内。
三空间分析
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、空间演变等信息。
可分为产生式分析和咨询式分析两类,产生式分析包括数字地面模型分析、空间叠加分析、缓冲区分析、空间网络分析、空间统计分析;咨询式分析包括空间集合分析、空间数据查询。
缓冲区分析(spatialbufferanalysis)
指以点、线、面实体为基础,自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形,用以确定这些实体对邻近对象的影响范围或影响程度。
变量筛选分析
现代数据收集系统常可以在一个取样点上收集到几十种原始变量,按统计学原理,这些复杂的多变量之间有许多是相互关联的,可以通过寻找一组相互独立的变量使多变量数据简化,这就叫变量筛选分析。
常用方法有主成分分析法、主因子分析法、关键变量分析法等。
叠合分析(overlayanalysis)(多边形覆盖分析)
在统一空间参考系统下,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。
前者一般用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域,或对叠合后产生的多重属性进行新的分类,称为空间合成叠合;后者一般用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征,称为空间统计叠合。
矢量叠合分为点与多边形的叠合、线与多边形的叠合、多边形与多边形的叠合三种类型。
栅格数据叠合分析有三种主要变换方法对参与叠合的图层进行新属性值的计算:
点变换方法、区域变换方法、邻域变换方法。
应用模型、数据库、系统设计
GIS分为工具型和应用型,应用型GIS包括
空间事务处理系统(房产、地籍)
空间管理信息系统(城市规划、土地利用、交通管理、管网规划)
空间决策支持系统(SDSS)
GIS系统设计流程
系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与维护
地址匹配
将文字性的描述地址与其空间的地理位置坐标建立起对应关系的过程。
首先要将地址标准化;然后服务器搜索地址匹配参考数据,查找潜在的位置;根据与地址的接近程度为每个候选位置指定分值,最后用分值最高的来匹配这个地址。
客户/服务器结构
是一种分布式处理体系结构。
通常有一台或多台服务器以及大量的客户机。
服务器配备大容量存储器并安装数据库系统,用于数据的存放和数据检索;客户端安装专用的软件,负责数据的输入、运算和运输。
客户与服务器之间采用网络协议(如TCP/IP、IPX/SPX)进行连接和通讯,由客户端向服务器发出请求,服务器端响应请求,并进行相应服务。
GIS交互操作
指在异构环境下的两个或多个实体,尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同,但仍然可以相互通信和协作,以完成某一特定任务。
这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等。
GIS软件中所涉及的空间数据的交互操作是针对异构的数据库和平台,实现数据处理的互操作,与数据转换相比,它是“动态”的数据共享,独立于平台,具有高度的抽象性,是空间数据共享的发展方向。
空间数据库
是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和,一般是以一系列特定结构的文件形式组织存储在介质上。
空间数据库管理系统则是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义,提供必需的空间数据查询检索和存取功能,以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。
两种常用空间数据库管理系统的实现方法:
一是对常规数据库管理系统进行扩展,如Oracle等。
二是在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎,以获得空间数据存储和管理能力,如ESRI的SDE。
空间数据库设计的基本步骤
1.需求分析
准确了解与分析用户需求(包括数据与处理),是整个设计过程的基础,是最困难、最耗费时间的。
2.概念结构设计
对用户需求进行综合、归纳与抽象,形成一个独立于具体DBMS的概念模型。
3.逻辑结构设计
将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型
4.数据库物理设计
为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构(包括存储结构和存取方法)
5.数据库实施:
建立数据库,编制与调试应用程序,组织数据入库,试运行。
6.运行和维护
层次数据库模型
用树形(层次)结构表示实体类型及实体间联系的数据模型。
在树形结构中除根节点外每个结点均有且仅有一个双亲结点。
优点:
易于理解、更新与扩充
缺点:
访问限于自上而下的路径,不灵活;需要维护大量索引文件;一些属性值重复导致数据冗余。
网状数据库模型
用有向图(网络)结构表示实体类型及实体间联系的数据模型
优点:
空间特征及其坐标数据易于连接;环路指针是复杂拓扑结构中搜索的有效方法。
缺点:
间接的指针使数据库扩大,复杂系统中可能占据数据库的很大部分;数据库变动时指针必须更新维护,工作量大。
关系数据库模型
是一种数学化的模型,它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表中的元素,这种表就称为关系。
关系的集合就构成关系模型。
优点:
结构灵活,允许对各种数据类型的搜索、组合和比较。
缺点:
为找到满足指定关系要求的数据,许多操作涉及对文件的顺序搜索,对大型系统很费时间;商用系统需经过十分精心的设计,价格昂贵。
传统数据模型的不足:
1.以记录为基础的结构不能很好地面向用户和应用。
2.不能以自然的方式表示客体之间的联系。
3.语义贫乏
4.数据类型太少难以满足应用需要
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