地理信息系统复习.docx
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地理信息系统复习
地理信息系统(Geo-spatialInformationSystem-GIS)是对地理空间实体和地理现象的特征要素进行获取、处理、表达、管理、分析、显示和应用的计算机空间或时空信息系统。
GIS组成:
硬件,软件,数据,空间分析,人员。
GIS功能:
1、数据采集功能;2、数据编辑与加工处理功能;3、数据存储、组织与管理功能;4、空间查询、检索、统计、计算功能;5、空间分析与模型分析功能;6、显示与制图功能;
数据类型:
矢量数据、栅格数据、图像数据、文字和数字数据等。
GIS发展简史:
(1)1950~60年代为GIS的开拓期,注重于空间数据的地学处理。
(2)1970年代为GIS的巩固发展时期,注重空间地理信息的管理。
(3)1980年代为GIS大发展时期,注重于空间决策支持分析。
(4)1990年代为GIS的用户时代。
(5)21世纪初期为GIS的空间信息网格(SpatialInformationGrid,SIG)和云计算(CloudComputing)时代。
GIS解决问题基本流程:
地球系统理论是地球科学、信息科学、系统科学和非线形科学等多种理论的综合和融合的结果。
信息(Information)是用文字、数字、符号、语言、图形、图像等介质或载体,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。
它不随介质或载体的物理形式的改变而改变。
信息的4个基本特性:
客观性;适用性;可传输性;共享性;价值与时效性;
数据(Data)是指对某一事件、事务、现象进行定性、定量描述的原始资料,包括文字、数字、符号、语言、图形、图像以及它们能转换成的形式。
信息和数据是密不可分的。
地理信息除了具有信息的一般特性外,还具有以下独特特性:
空间分布性;数据量大;多维结构;时序特征
地理数据(GeographicData)是各种地理特征和现象之间关系的符号化表示。
地理信息的空间位置、属性特征和时态特征是地理信息系统技术发展的根本点,也是支持地理空间分析的三大基本要素。
三个基本特征:
空间位置特征、属性特征及时态特征。
信息流(Informationflow;theflowofinformation)是指信息的传播与流动,信息流是物质流过程的流动影像,信息流分三个过程,即采集、传递和加工处理。
地理系统,指某一个特定时间和特定空间的,由两个以上相互区别又相互联系、相互制约的地理要素或过程所组成的,并具有特定的功能和行为,与外界环境相互作用,并能自动调节和具有自组织功能的整体。
地理信息科学的基本框架:
基础理论体系、方法体系、技术体系和应用体系描述。
地理信息的分析过程:
地理信息科学与其他学科关系
(1)经典地理学及其分支科学的研究对象及理论是其研究对象和理论基础;
(2)信息科学的原理和方法是其方法论的源泉;
(3)GIS、RS、GPS、VR、网络传输、模式识别等是产生和发展的动力;
(4)资源科学、环境科学、生态科学是其重要应用领域,地球资源环境研究是核心;
(5)计算机科学、图形图像学、测绘与制图学的理论和方法是其表达和描述的工具;
(6)建立数字地球、数字城市的理论与方法是其快速发展的推动力。
地图投影(mapprojection)的实质就是按照一定的数学法则,将地球椭球面上的经纬网转换到平面上,建立地面点位的地理坐标(B,L)与地图上相对应的平面直角坐标(X,Y)之间一一对应的函数关系。
投影变形:
长度变形,面积变形,角度变形。
地球椭球:
地球椭球又称“地球椭圆体”。
代表地球大小和形状的数学曲面。
一般采用旋转椭球。
比例尺:
图上距离与实际距离的比值
大比例尺:
1:
1万,1:
2.5万,1:
5万,1:
10万
中比例尺:
1:
20万,1:
50万
小比例尺:
1:
100万
分辨率:
单位英寸中所包含的像素点数。
高斯-克吕格投影(横轴切圆柱正形投影)特点:
中央子午线长度变形比为1;
在同一条经线上,长度变形随纬度的降低而增大,在赤道处为最大;
在同一条纬线上,长度变形随经差的增加而增大,且增大速度较快。
在6˚带范围内,长度最大变形不超过0.14%。
坐标表示:
纵(Y)坐标西移500Km;
横(X)坐标增加投影带号;
坐标转换的正算和反算:
国家基本比例尺1:
100万地形图分幅方式
1、全球统一分幅和编号,每幅经差6°,纬差4°;
2、从赤道起向北或向南至纬度88°止,按纬差每4°划作22个横列,依次用A、B、……V表示;从经度180°起向东按经差每6°划作一纵行,全球共划分为60纵行,次用1、2、……、60表示;
3、每幅图的编号由该图幅所在的“列号——行号”组成。
例如,北京某地的经度为116°26′08″、纬度为39°55′20″,所在1∶100万地形图的编号为J-50。
空间数据类型:
几何图形数据;影像数据;属性数据;地形数据;元数据;
空间数据模型:
概念数据模型;逻辑数据模型;物理数据模型;空间数据结构
空间数据逻辑模型作为概念模型向物理模型转换的桥梁,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。
•针对对象模型和场模型两类概念模型,一般采用:
–矢量数据模型
–栅格数据模型
–矢量——栅格一体化数据模型
–镶嵌数据模型
–面向对象数据模型
•另外,还有三维空间数据模型、时空数据模型等
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:
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;
顺序空间关系:
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;
度量空间关系:
用于描述空间实体之间的距离远近等关系。
拓扑关系:
邻接关系
关联关系
包含关系
连通关系
对于点、线、面三种类型的空间实体,它们两两之间存在着分离、相邻、重合、包含或覆盖、相交5种可能的关系。
矢量数据编码的几种方式和优缺点:
见作业。
补充:
实体数据结构/spaghetti数据结构:
⑴相邻多边形的公共边界要数字化两遍,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;
⑵缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系;
⑶岛只作为一个单个图形,没有建立与外界多边形的联系。
栅格数据结构的分类
●完全栅格数据结构
✓三种数据组织方式
●压缩栅格数据结构
✓游程长度编码
✓四叉树结构
●常规/线性/二维行程编码
✓链码结构
✓影像金字塔结构
空间数据库:
空间数据库定义为具有内部联系的空间数据的集合,可以管理和维护海量数据,并为不同的GIS应用所共享。
空间数据库的基本组成:
空间数据库类型:
分布式数据库;基于Web的空间数据库系统;
并行数据库系统;时空数据库系统;
空间数据库与传统的数据库不同,主要表现在:
(1)空间数据量大,数据恢复的代价高;
(2)空间数据类型包含复杂的空间对象,如线和多边形;
(3)空间算子通常比数字算子更复杂;
(4)定义空间对象的排序困难。
空间数据访问方法的分类:
点状访问方法(PointAccessMethod,PAM)和空间访问方法(SpatialAccessMethod,SAM)。
空间索引(SpatialIndex)就是指依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构,其中包含空间实体的概要信息,如实体的标识符、外接矩形及指向空间实体的指针。
空间索引技术的核心是:
根据查询条件,比如一个查询矩形,迅速找到与该矩形相交的所有空间对象集合。
当数据量巨大,矩形框相对于全图很小时,这个集合相对于全图数据集大为缩小,在这个缩小的集合上再处理各种复杂的搜索,效率就会大大提高。
所有空间索引的方法主要产生于4类基本索引方法:
哈希索引,空间排序索引,基于二叉树的索引和基于B树的索引。
语句的一般格式:
SELECT[DISTINCT]<目标列表达式1>
[,<目标列表达式2>]…
FROM<基本表名1或视图名1>
[,基本表名2或视图名2]…
[WHERE<条件表达式1>]
[GROUPBY<列名1>[HAVING<条件表达式2>]]
[ORDERBY<列名2>[ASC|DESC]]
地理信息系统的数据源:
是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源。
地理信息系统的数据源是多种多样的,并随系统功能的不同而不同,主要包括以下各种:
1.地图数据
2.遥感影像数据
3.实测数据
4.统计数据
5.共享数据
6.多媒体数据
7.文本资料数据
地图数据:
地图存储介质的缺陷; 地图现势性较差;地图投影的转换
遥感影像数据:
快速、实时、准确地获取数据;但是因为每种遥感影象都有其自身的成像规律、变形规律,所以对其应用要注意影象的纠正、影象的分辨率、影象的解译特征等方面的问题。
实测数据:
适合小范围的采集或者更新。
统计数据:
主要用作属性数据源。
数字数据:
数字数据的采用需注意数据格式的转换和数据精度、可信度的问题。
各种文字报告和立法文件:
对于一个多用途的或综合型的系统,一般都要建立一个大而灵活的数据库,以支持其非常广泛的应用范围。
而对于专题型和区域型统一的系统,则数据类型与系统功能之间具有非常密切的关系。
多媒体数据:
数据量巨大;数据类型多;
地图数字化:
跟踪数字化方式;扫描矢量化方式;
•跟踪数字化仪是以跟踪单要素线划的原理进行图—数转换,能把地图图形的全部转换为矢量方式表示的数据。
•扫描矢量化的基本思想
扫描矢量化是先通过扫描仪将纸质地图以栅格数据形式输入计算机,然后采用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面,采用模式识别技术识别出点和注记,并根据地图内容和地图符号的关系自动给矢量数据赋以属性值。
重采样:
最邻近采样法,双线性内插法,三次卷积法
元数据(Medadata):
描述数据的数据。
元数据的作用:
•帮助用户了解和分析数据
•空间数据质量控制
•在数据集成中应用
•数据存贮和功能实现
缓冲区处理的是一类邻近度问题,代表了地理要素的一种影响范围或服务范围。
SuperMap空间查询:
步骤:
选定基准图形
选定空间关系
执行查询,查看分析结果
距离量算:
长度量算公式:
面积量算公式:
叠加分析:
在统一空间参照系统条件下,将同一地区两个或两个以上图层进行叠合,以建立地理对象之间的空间对应关系,或产生空间区域的多重属性特征。
窗口分析:
一种邻域变换,是指对于栅格数据系统中一个、多个栅格点或全部数据,开辟一个有固定分析半径的分析窗口,并在该窗口内进行诸如极值、均值等一系列统计计算,或与其他层面的信息进行必要的复合分析,从而实现栅格数据的扩展分析。
DEM:
狭义:
DEM是区域地表面海拔的数字化表达;
广义:
DEM是地理空间中地理对象表面海拔的数字化表达;
基本因子分析:
坡度、坡向、曲率、地形起伏度、地表粗糙度、地表切割深度等;
坡度:
地表面任一点的坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角。
坡向:
地表面一点的切平面的法线矢量n在水平面的投影xoy与过该点正北方向的夹角。
地面曲率是对地形表面一点扭曲变化程度的定量化度量因子。
特征点提取:
山顶点:
①窗口分析法
②基于反地形DEM的提取算法
山脊线、山谷线的提取:
(1)基于图像处理的方法;
(2)基于地形曲面几何分析的原理;
(3)基于地形曲面流水物理模拟分析的原理;
(4)基于地形曲面几何分析和流水物理模拟分
析相结合的原理;
可视化分析:
1通视性分析(Lineofsight)
显示两点之间的通视情况,从而判断从一个观察点是否可以看到目标物,回答了“从这里我可以看到哪个目标?
”的问题。
2可视域分析(ViewshedAnalysis)
确定了从一个或多个观察点可以观测到的区域。
回答了“从这里我可以看到什么?
”的问题。
变异函数
变程定义了最大邻域(neighborhood),长变程反映了区域化变量分布比较均匀,短变程则说明区域化变量变化性较大。
变程是变异函数中最重要的参数,它描述了该间隔样点的空间相关特征。
在变程内,样点越接近,样点之间的相似性越强;如两样点之间的距离大于变程,则其空间上的自相关性不复存在,变量呈随机性变化。
理论上讲,当间隔h=0时,r(h)应该为0,因为任何一点与自身之差的值为0,h→0时,r(h)轴上的截距是残差的一个估计,该值称为块金,在理论模型中用C0表示。
分级统计:
根据一定的方法或标准把数据分成不同的级别。
目的:
区分数据集中个体的差别。
原则:
科学性原则
完整性原则
适用性原则
美观性原则
空间插值:
整体插值:
整个区域用一个数学函数来表达变量的空间变化特征。
局部分块内插:
1线性内插
2双线性内插
3样条函数
4克里格插值法
逐点内插法:
以内插点为中心,确定一个邻域范围,用落在邻域范围内的采样点计算内插点的
基本步骤:
1定义内插点的邻域范围;
2确定落在邻域内的采样点;
3选定内插数学模型;
4通过邻域内的采样点和内插模型计算内插点的值;
可视化的一般原则:
符号运用:
地图符号系统中的视觉变量包括形状、大小、纹理、图案、色相、色值和彩度。
形状表征了图上要素类别。
大小和纹理(符号斑纹的间距)表征了图上数据之间的数量差别,例如,一幅地图可用大小不同的圆圈来代表不同规模等级的城市。
色相、色值和彩度,以及图案则更适合于表征标称(nominal)或定性(qualitative)数据,例如,在同一幅地图上可用不同的面状图案代表不同的土地利用类型。
地图视觉变量运用规则
®大小和纹理表征对象数量差别用不同大小圆点表示不同规模城市
®图案常来表征定性地图数据用不同图案表示不同的土地利用类型
®几何形状常表示不同的空间对象类别圆圈表示电杆,方块表示变电站
颜色运用
®色别表示不同类型的空间对象
®同类对象的色彩亮度和饱和度用来区分其重要程度
®色别适合表示定性数据,饱和度和亮度表示定量数据
®单色方案:
同种颜色的不同亮度和饱和度表示定量数据
®双端色方案:
两种主色的渐变色。
适合表现具有正负值或增加与减少的数据。
®部分光谱方案:
可见光谱中部分相邻的颜色来表示数量上的差异。
®全光谱方案:
可见光谱中所有颜色,一般不适合表示定量数据(高程和温度除外)
注记运用:
功能:
地图图形符号与地理要素联系的纽带
1模拟功能
2定位
3地理对象质量特征
4地理对象数量特征
释义与定位的双重功能
字体摆放:
地图上文字或标注的摆放与字体变化的选择同样重要。
规则:
文字摆放的位置应能显示其所标识空间要素的位置和范围。
®点状要素的名称应放在其点状符号的右上方
®线状要素的名称应以条块状与该要素走向平行
®面状要素的名称应放在能指明其面积范围的地方
图面配置:
主题突出;
图面平衡;
图像-背景比率;
视觉层次;
制图内容的一般安排
³主图
®在区域空间上,要突出主区与邻区是图形与背景的关系,增强主图区域的视觉对比度。
®主图的方向一般按惯例定为上北下南。
如果没有经纬网格标示,左、右图廓线即指示南北方向。
但在一些特殊情况下,如果区域的外形延伸过长,难以配置在正常的制图区域内,就可考虑与正常的南北方向作适当偏离,并配以明确的指向线。
®移图
¯制图区域的形状、地图比例尺与制图区域的大小难以协调时,可将主图的一部分移到图廓内较为适宜的区域,这就成为移图。
移图也是主图的一部分。
移图的比例尺可以与主图比例尺相同,但经常也会比主图的比例尺缩小。
移图与主图区域关系的表示应当明白无误。
假如比例尺及方向有所变化,均应在移图中注明。
在一些表示我国完整疆域的地图中,经常在图的右下方放置比例尺小于大陆部分的南海诸岛,就是一种常见的移图形式。
®重要地区扩大图
¯对于主图中专题要素密度过高,难以正常显示专题信息的重要区域,可适当采取扩大图的形式处理。
扩大图的表示方法应与主图一致,可根据实际情况适当增加图形数量。
扩大图一般不必标注方向及比例尺。
³副图
®副图是补充说明主图内容不足的地图,如主图位置示意图、内容补充图等。
一些区域范围较小的单幅地图,用图者难以明白该区域所处的地理位置,需要在主图的适当位置配上主图位置示意图,它所占幅面不大,但却能简明、突出地表现主图在更大区域范围内的区位状况。
内容补充图是把主图上没有表示、但却又是相关或需要的内容,以附图形式表达,如地貌类型图上配一幅比例尺较小的地势图,地震震中及震级分布图上配一幅区域活动性地质构造图等。
³图例
®图例应尽可能集中在一起
®被图例压盖的主图应当缕空
®若图例分成几部分,应按读图习惯,从左到右有序排列
®对图例的位置、大小、图例符号的排列方式、密度、注记字体等的调节
³比例尺
®地图的比例尺一般被安置在图名或图例的下方。
地图上的比例尺,以直线比例尺的形式最为有效、实用。
但在一些区域范围大、实际的比例尺已经很小的情况下,如一些表示世界或全国的专题地图,甚至可以将比例尺省略。
因为,这时地图所要表达的主要是专题要素的宏观分布规律,各地域的实际距离等已经没有多少价值,更不需要进行什么距离方面的量算。
放置了比例尺,反而有可能会得出不切实际的结论。
³统计图表与文字说明
®统计图表与文字说明是对主题的概括与补充比较有效的形式。
由于其形式(包括外形、大小、色彩)多样,能充实地图主题、活跃版面,因此有利于增强视觉平衡效果。
统计图表与文字说明在图面组成中只占次要地位,数量不可过多,所占幅面不宜太大。
对单幅地图更应如此。
³图廓
®单幅地图一般都以图框作为制图的区域范围。
挂图的外图廓形状比较复杂。
桌面用图的图廓都比较简练,有的就以两根内细外粗的平行黑线显示内外图廓。
有的在图廓上表示有经纬度分划注记,有的为检索而设置了纵横方格的刻度分划。
可视化的表现形式
®等值线
®分层设色
®剖面
®晕渲
®专题地图:
点位符号法;定位图表法;线状符号法;动态符号法;面状分布要素表示法
®虚拟现实
网络地理信息系统:
计算机网络体系结构与分布式计算技术是网络地理信息系统的重要标识。
作为日益发展和壮大的GIS技术与应用,网络GIS可以是GIS发展过程中某一时段的GIS产品与应用形式,也可以是所有GIS体系下的统称。
广义的网络GIS包含了以各种网络协议和不同分布式软件体系构建起来的GIS应用。
狭义的网络GIS在一定时期内特定形式的计算机网络和分布式对象技术的融合所形成的GIS系统便是狭义性的网络GIS。
(1)基于C/S模式的网络GIS
●直连,响应速度快
●客户端界面可定制,满足个性化需求
●系统扩展困难
(2)基于B/S模式的网络GIS(WebGIS)
●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。
(3)基于WebService的网络GIS
●WebService可以看作是一种可以用标准Internet协议来访问的可编程逻辑。
●分布式
●跨平台无缝集成
●支持异构计算环境
●“用户-功能”透明
●共享
(4)移动与嵌入式网络GIS
●GIS与移动、嵌入式设备集成的产物。
●实时性强
●使用方便
●定位系统结合紧密
(5)基于Grid的网络GIS
●网格GIS:
指实现广域网络环境中空间信息共享和协同服务的分布式GIS软件平台和技术体系。
地理信息的网络服务模式
(1)基于Internet的地理信息服务模式:
WebGIS的特点:
³全球化的客户/服务器应用
³真正大众化的GIS
³良好的可扩展性
³跨平台特性
(2)基于无线通信技术的地理信息服务模式
(3)基于网格的地理信息服务模式
●面向广域网
●面向异构计算环境
●数据共享、功能共享、存储共享、计算能力共享
●需要定义复杂的互操作协议
地理信息的网络服务内容:
(1)地理数据分发服务
●面向数据共享
●注册、申请、下载
●自动化
(2)制图服务
●国家级制图服务
●政府级制图服务
●企业级制图服务
(3)查询分析与辅助决策服务
●公交查询
●兴趣点(POI)查询
●路线分析
●损失估算
●科学研究
(4)基于位置的服务(LBS)
●查询
●监控
●导航
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