地理信息系统复习

第1章绪论

地理信息系统是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。

信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。空间信息从位置信息、非位置信息（属性信息）、时间信息三方面描述。

地理信息系统是在计算机硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。

世界上第一个地理信息系统是1963年由加拿大测量学家Tomlinson提出并建立的，称为加拿大地理信息系统（CGIS）.

“3S技术”（研究手段）：地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）. 比较流行的GIS软件：MapGIS、SuperMap、Citystar、Geostar、MapInfo等。

地理信息系统组成：计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据、应用分析模型、系统开发管理和使用人员5个部分。

什么叫信息、数据？它们有何区别？信息有何特点？

信息是客观事物的存在及演变情况的反映。对于计算机而言，数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象（数字、文字、符号、声音、图像等），在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。信息的特点：①客观性②适用性③传输性④共享性。

试述地理信息系统与其他相关学科系统间的关系。

GIS与地图学的关系：GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础，其最终产品之一也是地图，因此它与地图有着极密切的关系，两者都是地理学的信息载体，同样具有存储分析和显示（表示）的功能。由地图学到地图学与GIS结合，这是科学发展的规律，GIS是地图学在信息时代的发展。GIS是地图学理论、方法与功能的延伸，地图学与GIS是一脉相承的，它们都是空间信息处理的科学，只不过地图学强调图形信息传输，而GIS则强调空间数据处理与分析，在地图学与GIS之间一个最有力的连接是通过地图可视化工具与它们的潜力来增加GIS的数据综合和分析能力。

GIS与一般事务数据库的关系：GIS离不开数据库技术。数据库技术主要是通过属性来管理和检索，其优点是存储和管理有效，查询和检索方便，但数据表示不直观，不能描述图形拓扑关系，一般没有空间概念，即使存贮了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询。GIS能处理空间数据，其工作过程主要是处理空间实体的位置、空间关系及空间实体的属性。

GIS与计算机地图制图的关系：计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段,它必将引起地图制图过程深刻变化,成为现代地图制图主要手段，GIS应用于地图制图，可实现地图图形数字化，建立图形和属性两类数据相结合的数据库。但GIS系统不同于计算机地图制图，计算机地图制图主要考虑可视材料的显示和处理,考虑地形、地物和各种专题要素在图上的表示，并且以数字形式对它们进行存贮、管理，最后通过绘图仪输出地图。计算机地图制图系统强调的是图形表示，GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法和显示质量，强调的是信息及其操作。数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式，计算机地图制图是GIS重要组成部分。

GIS与计算机辅助设计(CAD)的关系：GIS与CAD系统的共同特点是两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形数据的拓扑关系，也都能处理非图形属性数据。它们的主要区别是：CAD处理的多为规则几何图形及其组合，它的图形功能尤其是三维图形

功能极强，属性库功能相对要弱，采用的一般是几何坐标系。而GIS处理的多为自然目标，有分维特征（海岸线、地形等高线等），因而图形处理的难度大，GIS的属性库内容结构复杂，功能强大，图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征，GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能，GIS的数据量大，数据输入方式多样化，所用的数据分析方法具有专业化特征。因此一个功能较全的CAD，并不完全适合于完成GIS任务。

试述地理信息系统的组成及各部分的主要功能。

地理信息系统主要由四部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统开发、管理和使用人员。计算机硬件系统是地理信息系统的建立的保证。计算机软件系统是指地理信息系统运行所必须的各种程序及有关资料。主要包括计算机系统软件、地理信息系统软件和应用分析软件三部分。地理空间数据是GIS的操作对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，地理空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据。人是地理信息系统中重要构成因素，GIS不同于一幅地图，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并采用地理分析模型提取多种信息。

举例说明地理信息系统的应用。

资源清查是地理信息系统最基本的职能，其主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同类型的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。又如中国西南地区国土资源信息系统，设置了三个功能子系统，即数据库系统、辅助决策系统、图形系统。资源数据存储了1500多项300多万个。该系统提供了一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及西南地区资源合理开发配置模型。该系统可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图、重大项目规划图等不同的专业图。

（资源清查、城乡规划、灾害监测、土地调查、环境管理、城市管网等）

第2章空间数据结构

什么叫像元、灰度值、栅格数据？

将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为像素，即像元。

网格中每个元素的代码代表了实体的属性或属性的编码，根据所表示实体的表象信息差异，各像元可用不同的灰度值来表示，灰度值是根据所表示实体的表象信息差异对各像元的表示。

栅格数据结构实际上就是像元阵列，即像元按矩阵形式的集合，栅格中的每个像元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。

举例说明栅格数据层的概念。

地理数据在栅格数据结构中必须分层组织存储，每一层构成单一的属性数据层或专题信息层，例如同样以线性特征表示的地理要素，河流可以组织为一个层，道路可以作为另一层，同样以多边形特征表示的地理要素，湖泊可以作为一个层，房屋可以作为另一层，根据使用目的不同，可以确定需要建立哪些层及需要建立哪些描述性属性。

栅格数据有哪几种组织方法？各自有何优缺点？

栅格数据的组织方法：（1）以像元为记录的序列。（2）以层为基础。（3）以层为基础，但每一层内则以多边形（也称制图单元）为序记录多边形的属性值和充满多边形的各像元的坐

标。

优缺点：这三种方法中（1）节省了许多存储空间，因为N层中实际只存储了一层的像元坐标；方法（3）则节省了许多用于存储属性的空间，同一属性的制图单元的ｎ个像元只记录一次属性值。它实际上是地图分析软件包中所使用的分级结构，这种多像元对应一种属性值的多对一的关系，相当于把相同属性的像元排列在一起，使地图分析和制图处理较为方便；方法（2）则是每层每个像元一一记录，它的形式最为简单。

栅格数据如何进行取值？

中心归属法：每个栅格单元的值以网格中心点对应的面域属性值来确定。

长度占优法：每个栅格单元的值以网格中线（水平或垂直）的大部分长度所对应的面域的属性值来确定。

面积占优法：每个栅格单元的值以在该网格单元中占据最大面积的属性值来确定。

重要性法：根据栅格内不同地物的重要性程度，选取特别重要的空间实体决定对应的栅格单元值，如稀有金属矿产区，其所在区域尽管面积很小或不位于中心，也应采取保留的原则。栅格数据存储压缩编码的方法：链式编码、行程编码、块式编码、四叉树编码（指针四叉树、线性四叉树）。

什么叫矢量数据？点、线、面实体数据编码的基本内容是什么？

矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合，矢量数据结构是一种最常见的图形数据结构，主要用于表示地图图形元素几何数据之间及其与属性数据之间的相互关系。

点实体：在矢量数据结构中，除点实体的（x,y）坐标外还应存储其它一些与点实体有关的数据来描述点实体的类型、制图符号和显示要求等。

线实体：线实体可以定义为直线元素组成的各种线性要素，直线元素由两对x，y坐标定义。最简单的线实体只存储它的起止点坐标、属性、显示符等有关数据。

面实体：多边形（也就是面实体）矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便恢复这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作，由于要表示的信息十分丰富，基于多边形的运算多而复杂，因此多边形矢量编码比点和线实体的矢量编码要复杂得多，也更为重要。

四叉树编码的优点：①、容易而有效地计算多边形的数量特征；②、阵列各部分的分辨率是可变的，边界复杂部分四叉树较高即分级多，分辨率也高，而不需表示许多细节的部分则分级少，分辨率低，因而既可精确表示图形结构又可减少存贮量；③、栅格到四叉树及四叉树到简单栅格结构的转换比其它压缩方法容易；④、多边形中嵌套异类小多边形的表示较方便。

什么叫拓扑关系？举例说明拓扑关系有哪几种类型？

拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系。主要表现：拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。

拓扑邻接：存在于空间图形的同类元素之间的拓扑关系。

拓扑关联：存在于空间图形的不同类元素之间的拓扑关系。

拓扑包含：存在于空间图形的同类但不同级的元素之间的拓扑关系。

第3章GIS的地理数学基础

什么是地图投影，它与GIS的关系如何

将地球面上的点投影到平面上，而使其误差最小的各种投影方法称为地图投影。其实质就是建立地球椭球面上的点的坐标（φ，λ）与平面上对应的坐标（x,y）之间的函数关系。地图投影对GIS有较大的影响，其影响是渗透在地理信息系统建设的各个方面的，如数据输入，

其数据包括地图投影数据；数据处理，需要对投影进行变换；数据应用中的检索、空间分析依据数据库投影数据；输出应有相应投影的地图。

我国基本比例尺地形图中大于等于1:50万的图均采用高斯-克吕格投影为地理基础。1:100万时采用正轴等角割圆锥投影。

我国规定1:2.5万~1:50万地形图均采用经差6°分带，大于等于1：1万比例尺地形图采用经差3°分带。

中国大地坐标系

1、1954年北京坐标系：原点在前苏联西部的普尔科夫

2、1980年国家大地坐标系：选用国际推荐的参考椭球，原点在我国中部西安市附近的泾阳县境内。

第4章地理信息系统数据输入

GIS有哪些数据来源？

GIS的主要数据源有：地图数据、遥感数据、数字资料、文字报告。

野外数据采集：平板仪测量、全站仪测量、GPS测量

扫描仪：用来采集图像数据的仪器

空间数据输入主要有哪几种方法？各自如何进行操作？

键盘输入：将图形元素点、线、面实体的地理位置数据（各种坐标系中的坐标）通过键盘输入数据文件或程序中去。

手扶跟踪数字化输入：数字化有两种基本方式：点方式和流方式。点方式数字化时，只要将游标十字丝交点对准数字化原图上要数字化的点，按下游标上相应的按键，记录该点x、y 坐标。每记录一次坐标，操作员需要按键一次。流方式数字化时，将游标十字丝交点沿曲线从起点移动到终点，让它以等时间间隔或等距离间隔方式记录曲线上一系列密集的离散点坐标，操作员无需对每个点都按键一次，仅在曲线的始点和终点各按一次相应的按键即可。扫描数字化仪输入：扫描数字化前准备：原图准备，选择数据记录格式，选择光孔的孔径，计算坐标差。

栅格扫描数据到矢量数据的转化：手工编辑，矢量线化、数据识别，手工编辑。

现有数据转换：在技术上须解决分类、编码、格式等标准化问题。

手扶跟踪数字化与扫描数字化主要有哪些区别？

手扶跟踪数字化方法，速度慢、精度低、作业劳动强度大，利用扫描仪进行数据输入比手工数字化约快5倍～10倍。数字化仪在处理少量地图时比使用扫描仪合算些，但扫描仪在快速、经济地处理山区地形图时比手工数字化有效。

在GIS系统中，不同阶段的数据，主要有哪些误差来源？

第6章空间数据管理

什么是数据库、数据库管理系统以及数据库系统？它们之间有什么联系？

数据库是存贮在计算机内的有结构的数据集合；数据库管理系统是一个软件，用以维护数据库、接受并完成用户对数据库的一切操作；数据库系统指由硬件设备、软件系统、专业领域的数据体和管理人员构成的一个运行系统。

什么是数据模型？目前数据库主要有哪几种数据模型？它们各有何特点？

数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。数据库设计的核心问题之一就是设计一个好的数据模型。目前在数据库领域，常用的数据模型有：层次模型、网络模型、关系模型以及最近兴起的面向对象模型。

层次数据库结构特别适用于文献目录、土壤分类、部门机构等分级数据的组织。例如全国—省—县—乡是一棵十分标准的有向树，其中“全国”是根节点，省以下的行政区划单元都是子节点。这种数据模型的优点是层次和关系清楚，检索路线明确。层次模型不能表示多对多的联系，这是令人遗憾的缺陷。在GIS中，若采用这种层次模型将难以顾及公共点、线数据共享和实体元素间的拓扑关系，导致数据冗余度增加，而且给拓扑查询带来困难。

网络数据库结构特别适用于数据间相互关系非常复杂的情况，除了上面说的图形数据外，不同企业部门之间的生产、消耗联系也可以很方便地用网状结构来表示。网络数据库结构的缺点是：由于数据间联系要通过指针表示，指针数据项的存在使数据量大大增加，当数据间关系复杂时指针部分会占大量数据库存贮空间。另外，修改数据库中的数据，指针也必须随着变化。因此，网络数据库中指针的建立和维护可能成为相当大的额外负担。

关系数据库结构的最大优点是它的结构特别灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数学运算规则形成的询问要求；关系数据还能搜索、组合和比较不同类型的数据，加入和删除数据都非常方便。关系模型用于设计地理属性数据的模型较为适宜。因为在目前，地理要素之间的相互联系是难以描述的，只能独立地建立多个关系表，例如：地形关系，包含的属性有高度、坡度、坡向，其基本存贮单元可以是栅格方式或地形表面的三角面；人口关系，含的属性有人的数量、男女人口数、劳动力、抚养人口数等。基本存贮单元通常是对应于某一级的行政区划单元。

面向对象的定义是指无论怎样复杂的事例都可以准确地由一个对象表示。每个对象都是包含了数据集和操作集的实体，即是说，面向对象的模型具有封装性的特点。

用关系型数据库管理空间数据有什么优势？主要用到哪些技术？

大型关系型数据库管理系统在数据管理方面具备了文件系统所不具备的工具，同时还可以实现空间数据与属性数据的一体化管理。

主要用到的技术包括：全关系型数据库管理结构、空间数据库引擎、基于关系型数据库的空间数据模型、基于关系型数据库的空间实体数据结构、空间数据访问模型和关系化空间数据的安全管理。

第8章空间分析

空间分析的步骤：

1、建立分析的目的和标准

例：建一公园进行选址（目的）标准：交通便利、环境优雅、设计成环绕一个天然小河、可利用面积大、少沼泽地

(2)收集、输入空间和属性数据

包括地理底图数据、地籍数据、土壤数据等。

(3)做空间位置的处理和分析

作空间位置的处理和分析（包括检索、提取，缓冲区分析、叠置分析等）；

作属性数据的处理和分析（加所需的属性项、好地价）。

(4)获得简要的分析结果。包括地图和表格

(5)解释和评价结果。解释和评价结果，若不满意，返回(1)、(2)、(3)任一处重做。

(6)以专题地图，文字报表形式作为正式结果，供决策用。

第九章数字高程模型

DEM（数字高程模型）：是以数字的形式按一定结构组织在一起，表示实际地形特征空间分布的实体地面模型数字模型。

DTM（数字地形模型）：用来模拟其它二维表面上连续变化的特征，比如说还可以表示地面景观的属性，地面温度、降水、地球磁力、重力、土地利用、土壤类型等其它地面特性信息。DTM包含着地面起伏和属性两个含义。

规则矩形格网——Grid

规则的格网系统的缺点：

①在地形简单的地区存在大量冗余数据；

②如不改变格网大小，无法适用于起伏复杂程度不同的地区；

③对于某些特种计算如视线计算时，过分依赖格网轴线。

不规则三角网（TIN）：由不规则分布的数据点连成的三角网组成。能随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，能克服地形起伏不大的地区产生数据冗余的问题。能够较好地表示复杂地形，它的缺点是数据结构复杂，不便于规范化管理，难以与矢量和栅格数据进行联合分析。