地理信息系统复习之完整版Word下载.docx

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二：

系统软件按照功能可以分为：

地理信息系统功能软件、基础支撑软件和操作系统软件等。

常用的GIS软件：

ArcGIS、MapInfo、GeoStar、SurperMap、MapGIS等。

基础支撑软件：

Oracle、SQLServer、Sybase、Informix、IBMDB2、MySQL等。

三：

空间数据

由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。

地理数据：

空间数据、属性数据、时态数据。

四：

应用人员

包括系统开发人员和地理信息系统的最终用户。

五：

应用模型

由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。

例如：

土地利用适宜性评价模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型等。

9.CAD、GIS区别：

数据对象不同；

功能不同

10.GIS基本构成：

五个组成部分基本功能

（1）数据采集与编辑：

地理要素转化坐标及属性代码输入计算机。

（2）数据存储与管理：

图属一体化存储与管理。

（3）数据处理和变换：

数据变换、重构、抽取。

（4）空间分析和统计：

空间查询分析、叠合分析、缓冲区分析、数字地形分析、空间统计分析。

（5）产品制作与显示：

专题图、统计表、图像。

（6）二次开发和编程：

组件式开发

11、地理信息系统的应用功能:

（了解）1.资源管理2.区域规划3.国土监测4.辅助决策5.定位服务6.城市管理。

12、我国国产主流GIS软件：

GeoStar、MapGiS、SuperMap、CityStar

13.GIS应用领域介绍：

地质灾害领域，天气预报，交通领域，旅游，公共事业，建筑领域，三维仿真地图，虚拟城市，Googleearth三维城市模型，虚拟战场，专用GIS（公众查询），车载3S集成系统，空间信息管理，虚拟规划

第二章：

地理信息系统的数据结构

1、地理空间：

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。

一般包括地理空间定位框架及其所连接的空间对象；

2、地理空间定位框架——即大地测量控制系统，用以建立地球的几何模型来精确地测量地球上任意一点的坐标，包括平面位置和高度值。

大地测量控制系统由平面控制网和高程控制网组成。

大地测量控制信息的主要要素就是大地测量控制点。

3、目前，我国采用的大地坐标系为1980年中国国家大地坐标系，现在规定的高程起算基准面为1985国家高程基准

地理空间的实体包括点、线、面、曲面和体等多种类型。

在计算机中，现实世界是以各种数字和字符形式来表达和记录的。

对现实世界的各类空间对象的表达有两种方法，分别称为矢量表示法（矢量数据模型）和栅格表示法（栅格数据模型）,

地理空间及其表达

大地测量控制系统：

平面与高程控制系统

空间实体的表达：

矢量表示和栅格表示

4、GIS空间数据的分类：

1按数据来源：

地图数据，影像数据，文本数据2按数据结构：

矢量数据，栅格数据3按数据特征：

空间数据，非空间属性数据4按几何特征：

点，线，面，曲面，体。

5按数据发布形式：

数字线划图DLG，数字栅格图DRG，数字高程模型DEM，数字正射影像图DOM。

（4D产品）

5、GIS空间数据的基本特征:

（1）空间特征：

地理现象和过程所在的位置、形状和大小等几何特征，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。

（2）属性特征：

指地理现象和过程所具有的专属性质，通常包括名称、数量、质量、性质等，称为属性数据。

（3）时间特征：

指一定区域内的地理现象和过程随着时间的变化情况，称为时态数据。

6、拓扑关系：

拓扑关系是指网结构元素（结点、弧段、面域）间的邻接、包含、关联等关系即要素（图元）之间的连通性或相邻的关系。

7、拓扑关系的类型：

（1）拓扑邻接：

指存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系。

（2）拓扑关联：

指存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系。

（3）拓扑包含：

指存在于空间图形的相同类型但不同等级的元素之间的拓扑关系。

8、空间拓扑关系的意义

拓扑关系在GIS的数据处理、空间分析以及数据库的查询与检索中，具有重要的意义。

（1）确定地理实体间的空间位置关系。

（2）利于空间要素的查询：

某一湖泊邻接的土地类型都有哪些。

（3）重建地理实体：

建立封闭多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的计算等。

9.空间数据的计算机表示

指通过利用确定的数据结构和数据模型来表达空间对象的空间位置、拓扑关系和属性信息。

即空间数据结构：

矢量和栅格数据结构

空间数据表示的基本方法：

（1）空间分幅

（2）属性分层（3）时间分段

10.数据结构：

计算机中数据的组织形式

11、空间数据结构是一种用来表达空间数据的数据结构。

12、空间数据结构类型：

1.矢量数据结构2.栅格数据结构3.曲面数据结构

矢量数据结构：

是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。

矢量数据获取方法：

1.外业数字化测图获得:

如全站仪GPS、三维激光扫描仪等；

2.扫描数字化方法获取；

3.由数字摄影测量或遥感获得；

4.栅格数据转成矢量数据。

矢量数据结构类型：

实体数据结构（也称面条数据结构）拓扑数据结构

实体数据结构（面条结构）:

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，其中不含有拓扑关系的信息。

实体数据结构编码优点：

结构简单、直观、易实现以实体为单位的运算和显示。

缺点：

1、相邻多边形的公共边界被数字化并存储两次，造成数据冗余和碎屑多边形—数据不一致，浪费空间，导致双重边界不能精确匹配。

2、自成体系，缺少多边形的邻接信息，无拓扑关系，难以进行邻域处理，如消除多边形公共边界，合并多边形。

3、岛作为一个单个图形，没有与外界多边形联系。

不易检查拓扑错误。

所以，这种结构只用于简单的制图系统中，显示图形。

拓扑数据结构：

由节点、弧段、多边形来表示地理要素之间的空间分布及其关系的一种数据组织方式。

拓扑数据结构编码方法：

DIME（对偶独立地图编码法）、POLYVRT（多边形转换器）、TIGER（参照系统的拓扑集成）等

第三节空间数据结构的类型

1.拓扑数据结构特点：

点是相对独立的，点连成线，线构成面。

每条线始于节点，止于终止节点，并与左右多边形相邻接。

构成多边形的线又称为弧段，两条以上的弧段相交的点称为节点，由一条弧段组成的多边形称为岛或洞，多边形图中不含岛的多边形称为简单多边形；

含岛的多边形称为复合多边形。

在复合多边形中包括有外边界和内边界，岛看做是复合多边形的内边界。

2.拓扑数据结构编码文件：

弧段文件,弧段坐标文件,结点文件,多边形文件

3.弧段是数据结构的基本对象。

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。

4.弧段坐标文件由弧段代码、弧段坐标序列串组成。

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。

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。

5.栅格数据结构：

指将空间分割成各个规则的网格单元（象元），然后在各个格网单元内赋以空间对象相应的属性值的一种数据组织方式。

6.栅格数据结构特点：

1、栅格数据结构中：

空间位置用行和列标识。

网格通常是正方形，有时也采用矩形等边三角形和正六边形；

2、数据精度取决于网格的边长（分辨率）。

栅格空间分辨率指一个象元在地面所代表的实际面积大小（一个正方形的面积）；

3、网格边长缩小，分辨率越高，网格单元的数量将呈几何级数递增，存储空间也随之增大；

4、与矢量数据结构相比，栅格数据结构表达地理要素比较直观，容易实现多层数据的叠合操作；

5、网络分析比较困难，不适合比例尺变换，投影变换等。

7.栅格数据结构获取方法：

（1）手工网格法

（2）扫描数字化法（3）分类影像输入法（4）数据结构转换法

8.栅格结构数据中混合像元的处理

方案一面积占优法：

以占矩形区域面积最大的地物类型或现象特性决定栅格单元的代码

百分比法：

根据矩形区域内各地理要素所占面积的百分比数确定栅格单元的代码

中心点法：

用处于栅格中心处的地物类型或现象特性决定栅格代码

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决定相应的栅格单元代码

方案二：

缩小栅格单元的面积

9.栅格数据结构类型：

（1）栅格矩阵结构。

栅格矩阵结构是一种用矩阵来存储栅格数据单元的存储结构。

（2）游程（行程）编码结构。

游程指相邻同值网格的数量，游程编码结构是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度。

建立方法：

将栅格矩阵的数据序列X1X2…Xn，映射为相应的二元组序列（Ai,Pi），i＝1,…,K,且K≤n。

A为属性值，P为游程，i为游程序号。

（3）链码。

链码：

由起点位置和一系列在基本方向的单位矢量给出每个后续点相对其前继点的可能的8个基本方向之一表示。

8个基本方向自0°

开始按逆时针方向代码分别为0，1，2，3，4，5，6，7。

单位矢量的长度默认为一个栅格单元。

（4）块码。

块码：

采用方形区域作为记录单元，数据编码由始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。

（5）四叉树编码结构。

四叉树编码法：

将空间区域按照四个象限进行递归分割n次，每次分割形成2n×

2n个子象限，直到子象限中的属性数值都相同为止，该子象限就不再分割。

建立四叉树的两种方法

自上而下（逐层细分）：

先检测全区域，值不相同时即四叉分割，直到最小栅格或数值都相同为止。

自下而上（逐层集化）：

先检测0、1、2、3单元，若4个单元值相同，则合并；

反之，作为4个叶节点记录。

然后是4、5、6、7单元，依此逐层向上，直到最后生成根节点。

四叉树存储方法

常规四叉树：

每个节点存储6个量，即4个子节点指针、1个父节点指针和1个节点值。

见书P57

线性四叉树：

每个节点存储3个量，即莫顿码、深度和节点值。

四叉树编码法有如下优点：

容易而有效地计算多边形的数量特征。

阵列各部分的分辩率随区域的复杂程度而改变，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辩率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辩率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量。

和栅格数据结构转换容易。

多边形中嵌套异类小多边形的表示方便。

（6）八叉树编码结构。

八叉树结构是从四叉树结构直接发展而来的，其原理是将空间区域不断地分解为八个同样大小的子区域（即将一个六面的立方体分解为八个同样大小的小立方体），分解的次数越多，子区域就越小，一直到同一区域的属性单一为止。

10.编码结构比较

直接栅格编码：

简单直观，是压缩编码方法的逻辑原型（栅格文件）；

压缩效率较高，以接近矢量结构，对边界的运算比较方便，但不具有区域性质，区域运算较难；

游程长度编码：

在很大程度上压缩数据，又最大限度的保留了原始栅格结构，编码解码十分容易，十分适合于微机地理信息系统采用；

块码和四叉树编码：

具有区域性质，又具有可变的分辨率，有较高的压缩效率，四叉树编码可以直接进行大量图形图象运算，效率较高，是很有前途的编码方法。

11.矢量与栅格数据结构的比较

矢量数据结构

1.便于面向现象（土壤类、土地利用单元等）；

2.数据结构紧凑、冗余度低；

3.有利于网络分析；

4.图形显示质量好、精度高。

1.数据结构复杂；

2.软件与硬件的技术要求比较高；

3.多边形叠合等分析比较困难；

4.显示与绘图成本比较高。

栅格数据结构

1.数据结构简单；

2.空间分析和地理现象的模拟均比较容易；

3.有利于与遥感数据的匹配应用和分析；

4.输出方法快速，成本比较低廉。

1.图形数据量大；

2.投影转换比较困难；

3.栅格地图的图形质量相对较低；

4.现象识别的效果不如矢量方法。

（一）TIN的曲面数据结构

思想：

将离散分布的实测数据点连接成三角网，网中的每个三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最近邻的点构成三角形，即三角形的边长之和最小。

狄洛尼三角网的表达：

三角形标识码、相邻三角形标识码、三角形顶点标识码、顶点空间坐标。

（二）规则格网的曲面数据结构（Grid）

将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应于一个数值，该属性值为地面的高程或其他连续分布现象的数值。

空间数据结构的建立

1.空间数据结构的建立过程：

2.系统功能与数据间的关系

现代地理信息系统数据模式的一个重要特征是数据与功能之间具有密切的联系（见下表），因此，在确定数据内容时，首先必须明确系统的功能；

对开发的GIS系统的功能，是通过用户需求调查来确定的，因此，在开发GIS系统之前，首先要进行系统分析。

3.空间数据的分类和编码

空间数据的分类：

是指根据系统功能及国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的信息层。

分类原则：

几何图形原则，对象原则。

我国基础地理信息数据分类标准：

（八大类）测量控制点，水系，居民地交通，管线与垣栅，境界，地形与土质，植被。

4.空间数据的编码：

是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程，编码的结果是形成代码。

代码由数字或字符组成。

5.矢量数据的输入与编辑

矢量数据的输入：

是指将分类和编码的空间对象图形转换为一系列x、y坐标，然后按照确定的数据结构加入到线段或标示点的计算机数据文件中去；

这一过程常常称为数字化。

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。

6.屏幕数字化过程：

1、打开栅格图像文件2、图像配准3、输入空间数据4、输入属性数据

7.空间数据编辑

目的是为了消除数字化过程中引入的各类错误和对数据进行拓扑关系检查等而进行的操作。

8.栅格数据的输入与编辑

栅格数据的输入方法包括透明格网采集输入、扫描数字化输入及其它数据传输或转换输入、遥感影像解译等；

栅格数据编辑的目的同样是为了消除数字化过程中引入的各类错误，根据栅格数据结构的特点，其编辑的内容还包括数据压缩和数据组织方式的变换等。

9.曲面数据的输入

曲面数据主要指数字地形模型数据，通常采用对已知高程的离散数据点进行空间插值的方法来生成。

10.空间数据处理的内容：

数据变换：

数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正和地图投影转换等。

数据重构：

数据从一种格式到另一种格式的转换，包括空间数据结构转换、多元空间数据的融合、空间数据的压缩与重分类

数据提取：

对数据进行某种条件的取舍，包括空间数据的内插。

第三章空间数据的处理

第一节空间数据的变换

1.实质：

空间数据坐标系的变换——建立两个坐标系坐标点之间的一一对应关系，包括几何纠正和投影转换。

2.几何纠正

几何纠正是指对数字化原图数据进行的坐标系转换和图纸变形误差的改正，以实现与理论值的一一对应关系；

几何纠正的方法包括仿射变换、相似变换、二次变换和高次变换等。

仿射变换公式推导

设右图中，x，y为数字化仪坐标，X、Y为理论坐标，m1、m2为地图横向和纵向的长度变化比例，两坐标系夹角为，数字化仪坐标原点相对于理论坐标系原点平移了a0、b0，则根据图形变换原理，得到坐标变化公式为：

仿射变换

几何含义：

对二维坐标数据进行平移、旋转和不同比例（x与y方向）的缩放。

特性：

①平直线②平行性③不同方向上长度比变化。

表现为：

球变为椭球，正方形变为平行四边形。

但在实际应用时，通常利用4个以上的点进行仿射纠正，利用最小二乘法处理来求解待定参数，以提高变换的精度。

二次变换

二次变换适用于原图有非线性变形的情况，二次变换至少需要6对控制点坐标及其理论值求出待定系数。

3.地图投影及其转换

常用地图投影：

高斯-克吕格投影、墨卡托投影、UTM投影、兰勃特投影、阿尔伯斯投影等。

投影转换是指当系统使用来自不同地图投影的图形数据时，需要将该投影的数据转换为所需要投影的坐标数据；

实质：

建立两平面之间点的一一对应关系。

投影转换的方法包括正解变换、反解变换和数值变换等。

投影转换的方法：

解析变换（正解变换：

反解变换）,数值变换,解析—数值变换

一.由矢量向栅格的转换

当数据采集采用矢量数据，而空间分析采用栅格数据时，需要将矢量数据转换为栅格数据；

矢量向栅格转换处理的根本任务就是把点、线、面的矢量数据，转换成对应的栅格数据。

这一过程称为栅格化。

点的栅格化

（2）线的栅格化（3）面的栅格化基于弧段数据的栅格化方法——拓扑结构基于多边形数据的栅格化方法——实体结构（内点填充法边界代数法包含检验法）

1.基于弧段数据的栅格化方法

对整个要进行栅格化的范围按行或列作中心扫描线，对其中的任一扫描线，求与所有矢量多边形的边界弧段的交点，记录其坐标，并用点的栅格化方法求出交点的栅格坐标行列值，再根据弧段的左右多边形信息判断并记录交点左右多边形的数值

2..基于多边形数据的栅格化方法

将一个多边形的内部栅格单元赋予多边形的属性值。

内点填充法：

首先按线的栅格化方法把多边形的边界栅格化，然后在多边形的内部找一点作为内点，从该点出发，向外填充多边形区域，直到边界为

边界代数法

边界代数法是一种基于求积分思维的转换方法。

它根据多边形的各边界弧段的拓扑信息，通过简单的数学运算将拓扑信息动态地赋给各个栅格单元，从而完成矢量到栅格的转换。

具体方法为：

对初始化的栅格阵列各象元赋初值0，给多边形赋编号（即把多边形内的初值0用编号取代）；

以栅格行列为参考坐标系，从多边形边界上某点开始顺时针搜索边界线。

当边界上行时，位于该边界线段左侧的具有相同行号的所有栅格象元被减去编号值；

当边界下行时，位于该边界线段左侧的具有相同行号的所有栅格象元被加上编号值，当沿边界搜索一周重新回到起点后，所有多边形内部象元点都已被赋值，从而完成了多边形填充，实现了矢量向栅格转换。

包含检验法：

对每个栅格单元，逐个判定其是否包含在某个实体多边形内，若包含在内，则将多边形属性值赋给该栅格单元。

点在多边形内的判定方法：

检验夹角之和、铅垂线法。

二、由栅格向矢量的转换

当由栅格数据分析的结果通过矢量绘图机输出，或者将栅格数据加入矢量数据库时，都需要将栅格数据转换为矢量数据；

由栅格数据向矢量数据的转换：

一是将扫描仪获取的图像栅格数据存入矢量形式的空间数据库；

二是将栅格数据进行数据压缩，将面状栅格数据转换为由矢量数据表示的多边形边界。

（1）基于图像数据的矢量化方法二值化：

细化：

跟踪

（2）栅格数据的矢量化方法搜索多边形边界弧段相交处的节点位置，从搜索出的节点里任选一个作为起始跟踪节点，顺着栅格单元属性值不同的两个栅格单元之间进行多边形边界弧段的跟踪，记录每一步跟踪的坐标，直到另一个节点为止，则完成一条边界弧段的跟踪矢量化。

重复上述过程，直到所有边界弧段都被生成。

最后，将跟踪得到的弧段数据连接组织成多边形。

第三节多源空间数据的融合

1.地理数据特征：

多语义性多时空性多尺度性获取手段的多样性存储格式的不同数据模型与数据结构的差异

2.

（一）遥感与GIS数据的融合1.遥感影像与数字线划图（DLG）的融合2.遥感影像与数字高程模型（DEM）的融合3.遥感影像与数字栅格图（DRG）的融合

不同格式数据的融合不同GIS软件具有不同的数据存储格式和结构；

目前主要数据格式由：

ESRI公司的Coverage、Shapefile、E00格式；

Autodesk公司的DXF和DWG格式；

MapInfo公司的TAB和MIF格式；

Intergraph公司的DGN格式等。

3.不同格式数据的融合方法

（1）基于转换器的数据融合。

数据转换一般通过交换格式进行。

特点：

转换过程复杂；

转换次数频繁；

系统内部的数据格式需要公开，但转换采用的技术不公开

（2）基于数据标准的数据融合。

采用一种空间数据的转换标准来实现多源GIS数据的融合。

能处理多个数据集；

转换次数少；

系统内部的数据格式不需公开，但公共转换采用的技术需要公开

（3）基于公共接口的数据融合。

数据互操作模式，各个系统通过公共接口相互联系。

独立于具体平台；

转换技术高度抽象；

数据格式不需公开。

（4）在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问

转换过程简单；

不要求用户拥有该数据格式的宿主软件；

系统内部的数据格式需要公开。

4.空间数据的压缩

1.数据压缩的目的：

节省存贮空间节省处理时间

2.压缩的大小判断：

压缩比：

3.压缩比大小影像因子

数据的复杂程度，缩小倍数，精度要求，数字化取点密度，压缩方法。

4.压缩分类：

基于矢量的压缩基于栅格的压缩

第四节空间数据的压缩与重分类

（一）基于矢量的压缩线状实体上点数量的压缩

空间数据压缩方法：

1.间隔取点法2.垂距法3.光栏法4.道格拉斯—佩克算法

（二）基于栅格的压缩

1.游程编码2.四叉树编码

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，推求任意点或多边形分区数据的方法。

空间数据内插形式：

1.点的内插自然地理数据。

点的内插：

是研究具有连续变化特征现象（例如地面高程等）的数值内插方法。

理论基础：

空间内地理连续分布现象具有相关性。

解决思路：

根据未知点附近的已知数据点的数据，建立相关数学模型（逼近拟合法），推测出未知点处的数据。

点的空间内插法分类

点的空间内插

分块内插法