陆守一版地理信息系统习题与答案

第一章绪论

1.什么是数据和信息？它们有何联系和区别？

定义：数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。

联系和区别：

信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。信息是对数据解释、运用与解算，数据即使是经过处理以后的数据，只有经过解释才有意义，才成为信息；就本质而言，数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。

数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。即不随载体的物理设备形式的改变而改变。

信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。

数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。

不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。

2.什么是地理信息系统（GIS）?与地图数据库有什么异同?与地理信息的关系是什么?

GIS定义：

GIS是一个发展的概念。不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的定义。

定义①：是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。

定义②：是在计算机软硬件支持下，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，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。

定义③：是为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。

定义④：地理信息系统是一种决策支持系统。它的定义由两方面组成，一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

定义⑤：目前有人认为“GIS”从原来强调空间信息技术系统(SYESTEM)，发展到地球信息科学体系形成(S CIENCE)，现在已强调空间信息服务(SERVICE)。

GIS与地图数据库的异同：

地图数据库有比例尺概念，GIS是为某一特定比例尺建立的一个地图成品仓库，它可由GIS管理，其中的地图具有图形表现属性,一般数据库不需具备这些属性；它是GIS的下游产品，它的更新依赖于GIS，它提供的信息是GIS向人们提供服务的中间产品；GIS是在地理信息的基础上对真实世界进行数量化处理分析，但地图数据库存在的地理要素经人为修改，不完全是真实地理的反映；

GIS与地理信息的关系：

GIS操作对象是空间数据，表达内容是与时空有关的地理信息。地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。地理信息具有地域性、多维结构性、时序性等特征。

2.地理信息系统由哪些部分组成?与其它信息系统的主要区别有哪些?

从计算机系统的角度来看，GIS是由软件、硬件、数据和用户组成。

用户（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）

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，是系统的核心，按其功能分为GIS 专业软件，数据库软件和系统管理软件等）

硬件（各种设备-物质基础，用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据，主要包括：GIS主机，GI S外部设备，GIS网络设备等）。

数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础，它具体描述实体的空间特征、属性特征和时间特征）也有人认为GIS是由硬件、软件、数据、应用模型、开发者和一般用户组成。

信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用信息。

GIS与其它信息系统的主要区别：

GIS与一般MIS比较：GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。但GIS是对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般M IS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。

GIS与CAD和CAM比较：管理图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如CAD或AutoCAD，CAM（Computer Aided Map计算机地图系统\计算机辅助制图）等。

GIS和CAD的比较：

GIS与CAD共同点GIS与CAD不同点

l 都有空间坐标系统；

l 都能将目标和参考系联系起来；

l 都能描述图形数据的拓扑关系；

l 都能处理属性和空间数据CAD研究对象为人造对象―规则

几何图形及组合；

GIS处理的数据大多来自于现实世

界，较之人造对象更复杂，数据量

更大；数据采集的方式多样化；

图形功能特别是三维图形功能强，

属性库功能相对较弱；

GIS的属性库结构复杂，功能强大；

CAD中的拓扑关系较为简单；GIS强调对空间数据的分析，图形

属性交互使用频繁；

一般采用几何坐标GIS采用地理坐标系

GIS与CAM比较：

GIS与CAM共同点GIS与CAM不同点

都有地图输出、空间查询、分析和检索功能CAM侧重于数据查询、分类及自动

符号化，具有地图辅助设计和产生

高质量矢量地图的输出机制；

CAM是GIS的重要组成部分

CAM强调数据显示而不是数据分

析，地理数据往往缺乏拓扑关系；

GIS综合图形和属性数据进行深层

次的空间分析，提供辅助决策信息。CAM与数据库的联系通常是一些

简单的查询。

3.地理信息系统中的数据都包含哪些?

GIS数据包括电子数据和非电子数据。或：GIS数据源自地图数据、遥感数据、GPS数据、文本数据、统计数据、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据。

4.地理信息系统的基本功能有哪些?基本功能与应用功能是根据什么来区分的?

地理信息系统基本功能概述：数据采集、监测与编辑；数据处理与变换（矢栅转换、制图综合）；数据存储与组织（矢量和栅格模型）；空间查询与分析（空间检索、空间拓扑、叠加分析、缓冲分析、网络分析等）；图形交互与显示（各种成果表现方式）。

根据社会和用户的需求，GIS是依托基本功能利用空间分析技术模型分析技术，网络技术，数据库和数据集成技术二次开发环境等，演绎出众多的GIS应用系统。

5.与其它信息系统相比，地理信息系统的哪些功能是比较独特的?

与其它信息系统相比，GIS空间分析作为核心功能是比较独特的。

6.地理信息系统的科学理论基础有哪些?是否可以称地理信息系统为一门科学?

地理信息系统的科学理论基础是地球信息科学理论，包括地理学、地图学、测量学、数学、统计学、计算机科学等交叉学科以及一切与获取、处理和分析空间数据有关的科学技术的支撑。

地理信息的研究和方法应该是科学，因它已经具备成为科学的条件，有明确的研究对象和研究手段，有自己的理论体系，有一定数量的研究队伍，有明确的研究领域和广泛的服务对象，已由技术发展为科学。即：Geographic Information System向Geographic Information Science

7.试举例说明地理信息系统的应用前景。

当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展规律方向迈进，呈现以下主要发展态势：

①GIS已成为一门综合性技术；即GIS集成技术，3S技术等名词的出现。

②GIS产业化的发展势头强劲；

③GIS网络化已构成当今社会的热点；

④地理信息科学的产生和发展。

目前GIS在各行各业都得到应用，如资源规划管理、全球变化、灾害预测等，具有广泛的应用前景。

8.GIS近代发展有什么特点?

GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson 提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一术语，并建立了第一个GIS――加拿大GIS，随后GIS在全世界迅速发展起来。

国际GIS的发展状况

l 60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）。当时，人们关注的主题“什么是GIS？，GIS能干什么？”；

l 70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进GIS迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理等方面；

l 80年代，实验阶段（也是GIS普遍发展和推广应用阶段）。此时，人们把GIS与RS结合，解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等；

l 90年代，全面应用（产业化阶段）。对GIS进一步研究，研究的内容集中在“空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等方面；

l 现代，普及发展阶段。随着信息网络化发展和深入，GIS与世界接轨,尤其在发展中国家得到重视和发展。

我国GIS的发展

我国GIS起步虽较晚，但发展较快，可分为以下几个阶段：

l 70年代，准备阶段：一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。

l 80年代，试验起步阶段: 这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。

l 90年代，我国GIS发展阶段：我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。

l 96年以来，是我国GIS产业化阶段：

l 近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GI S相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS产业已进入新的发展阶段。

第二章空间数据结构和数据模型

1．GIS的研究对象是什么?地理实体有什么特点?

GIS的研究对象是地理实体，即指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元。

地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，福州就是一个点，这个点不能再分割，可以把福州定为一个空间实体，而在大比例尺的福州市地图上，福州的许多房屋，街道都要表达出来，所以福州必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的地理实体是一个概括，复杂，相对的概念。

地理实体以什么形式存储和处理反映了实体的三个特征。

l 属性特征：对空间实体的属性定义和说明信息。

l 空间特征：对空间实体的分布位置、几何特征和空间关系的定义。

l 时间特征：空间实体的时间尺度。

2．地理实体数据的特征是什么？请列举出某些类型的空间数据

地理实体以什么形式存储和处理反映了实体的不同的特征和和不同的数据类型。

同物理、化学等学科使用的数据类型相比，地理数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述，人们常把地理数据称为空间数据。

地理实体数据的特征：

l 空间特征：表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。包括定位数据和拓扑数据；

l 属性特征：表示专题属性（名称、分类、数量等）；

l 时间特征：指现象或物体随时间的变化。其变化的周期有超短期的，短期的，中期的，长期的。

依据空间数据来源的不同分为：地图数据、地形数据、属性数据、元数据、影象数据等；

依据表示对象的不同分为：点，线，面、体数据。

3．空间数据的结构与其它非空间数据的结构有什么特殊之处？常见的数据的结构有哪些？

数据结构是指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述。空间数据的结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构。非空间数据主要涉及属性数据。

矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。

栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。

常见的数据结构有层状数据、网络数据、关系数据、语义数据、面向对象的数据结构。

4．矢量数据与栅格数据的区别是什么？它们有什么共同点吗？

优点缺点

矢量1、便于面向现象（土壤类，土地利用单元

等）

2、结构紧凑，冗余度低，便于描述线或边

界。

3、利于网络、检索分析，提供有效的拓扑

编码，对需要拓扑信息的操作更有效。

4、图形显示质量好，精度高。

1、数据结构复杂，各自定义，不便于数据标准

化和规范化，数据交换困难。

2、多边形叠置分析困难，没有栅格有效，表达

空间变化性能力差。

3、不能像数字图像那样做增强处理

4、软硬

件技术要求高，显示与绘图成本较高。

1、结构简单，易于数据交换。

2、叠置分析和地理（能有效表达空间可变

1、现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑。

2、图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需

栅格性）现象模拟较易。

3、利于与遥感数据的匹配应用和分析，便

于图像处理。

4、输出快速，成本低廉。用压缩技术解决该问题。

3、投影转换困难。

4、图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。

5．空间数据模型概念和主要类型及比较

空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的描述。空间数据模型的主要类型：基于对象（要素）的模型；网络模型；场模型。

要素模型：

点对象，由特定位置、维数为零的物体；线对象，维度为一的空间组成部分；多边形对象，即面状实体，通常用封闭曲线加内点来表示。矢量模型即是基于要素的，将现象看成原型实体的集合，矢量模型的表达源于空间实体的本身，通常以坐标来定义。

网络模型：

地物被抽象为链、节点等对象，同时要注意其连通关系。

场模型：

用于模拟一定空间内连续分布的现象，常用栅格数据模型描述。栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。

基于对象的模型强调了离散对象，网络模型表示了特殊对象之间的交互，场模型表示了二维或三维空间中连续变化的数据。

要素模型和场模型的不同在于一个是先选择要素，再回答"它在哪里"的问题；场模型实现选择一个位置，在回答"哪里怎么样"的问题，最后都得到数据。网络模型的基本特征是：节点数据之间没有明确的从属关系，一个节点可以与其他多个节点建立联系，将数据组织成有向图结构，它反映了现实世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构。

6.栅格数据结构的编码方法如何？

栅格数据的编码方法：

直接栅格编码，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码；

压缩编码，包括链码、游程长度编码、块码、四叉树编码、八叉树编码、十六叉树编码等。

链码（弗里曼链码）比较适合存储图形数据；

游程长度编码通过记录行或列上相邻若干属性相同点的代码来实现；

块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域为记录单元；

四叉树编码是最有效的栅格数据压缩编码方法之一，还能提高图形操作效率，具有可变的分辨率。

7.矢量数据结构的编码方法如何？

矢量数据的编码方法：

对于点实体和线实体，直接记录空间信息和属性信息；

对于多边形地物，有坐标序列法、树状索引编码法和拓扑结构编码法。

坐标序列法是由多边形边界的x,y坐标对集合及说明信息组成，是最简单的一种多边形矢量编码法，文件结构简单，但多边形边界被存储两次产生数据冗余，而且缺少邻域信息；树状索引编码法是将所有边界点进行数字化，顺序存储坐标对，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构，消除了相邻多边形边界数据冗余问题；拓扑结构编码法是通过建立一个完整的拓扑关系结构，彻底解决邻域和岛状信息处理问题的方法，但增加了算法的复杂性和数据库的大小。

8.矢量与栅格数据如何互为转化？

矢量转栅格：内部点扩散法，即由多边形内部种子点向周围邻点扩散，直至到达各边界为止；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；射线算法和扫描算法，即由图外某点向待判点引射线，通过射线与多边形边界交点数来判断内外关系；边界代数算法，是一种基于积分思想的矢量转栅格算法，适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换，方法是由多边形边界上某点开始，顺时针搜索边界线，上行时边界左侧具有相同行坐标的栅格减去某值，下行时边界左侧所有栅格点加上该值，边界搜索完之后即完成多边形的转换。

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。步骤包括：多边形边界提取，即使用高通滤波将栅格图像二值化；边界线追踪，即对每个弧段由一个节点向另一个节点搜索；拓扑关系生成和去处多余点及曲线圆滑。

第三章GIS数据获取和质量控制

1．GIS的数据源有哪些？

GIS的数据源，是指建立的地理数据库所需的各种数据的来源，主要包括地图、遥感图像、文本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据等。

点――居民点、采样点、高程点、控制点等。

线――河流、道路、构造线等。

面――湖泊、海洋、植被等。

注记――地名注记、高程注记等。

②遥感数据遥感数据是GIS的重要数据源。遥感数据含有丰富的资源与环境信息，在GIS支持下，可以与地质、地球物理、地球化学、地球生物、军事应用等方面的信息进行信息复合和综合分析。遥感数据是一种大面积的、动态的、近实时的数据源，遥感技术是GIS数据更新的重要手段。

③文本资料文本资料是指各行业、各部门的有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等，如边界条约等。这些也属于GIS的数据。

④统计资料国家和军队的许多部门和机构都拥有不同领域(如人口、基础设施建设、兵要地志等)的大量统计资料，这些都是GIS的数据源，尤其是GIS属性数据的重要来源。

⑤实测数据野外试验、实地测量等获取的数据可以通过转换直接进入GIS的地理数据库，以便于进行实时的分析和进一步的应用。GPS(全球定位系统)所获取的数据也是GIS的重要数据源。

⑥多媒体数据多媒体数据(包括声音、录像等)通常可通过通讯口传入GIS的地理数据库中，目前其主要功能是辅助GIS的分析和查询。

⑦已有系统的数据GIS还可以从其它已建成的信息系统和数据库中获取相应的数据。由于规范化、标准化的推广，不同系统间的数据共享和可交换性越来越强。这样就拓展了数据的可用性，增加了数据的潜在价值。

2．数据质量包括那些方面？请举例说明GIS对数据的质量要求。

数据质量包括

准确性，即一个记录值与它的真实值之间的接近程度；

精度，即对现象描述的详细程度；

空间分辨率，即两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；

比例尺，即地图上一个记录的距离和它所表现的真实距离之间的一个比值；

误差，即一个所记录的测量和它的事实之间的差异；

不确定性，包括空间位置的不确定性、属性不确定性和数据不完整性等。

GIS数据质量包含如下五个方面：①位置精度：如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的质量。②属性精度：如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。③逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等。④完备性：如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性等。⑤现势性：如数据的采集时间、数据的更新时间等。

3．各种来源的空间数据是如何准确匹配在一起的？

空间数据的地理参照系(地球的形状、坐标系、高程系)的不同，引起空间数据来源不同时图幅往往不匹配，为此需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据，即进行投影转换。投影转换的方法有：解析变换(正解变换、反解变换)、数值变换、解析和数值变换。目前，大多数GIS软件是采用正解变换法来完成不同投影之间的转换，并直接在GIS软件中提供常见投影之间的转换。

4．地图投影在GIS中有什么作用？

GIS以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。

5．空间数据中的几何数据是什么？请说明它与属性数据的关系。

空间数据中的几何数据是指实体或现象的空间位置或现在所处的地理位置，一般以坐标数据表示。属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。几何数据和属性数据相对于时间来说，常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但是属性类型可能已经发生变化，或者相反。因此可以不断更新属性数据来体现实体或现象的时时特征，同时也可反映实体或现象的变化规律和变化特征。而几何数据又说明了属性数据发生的地理位置及其存在的意义。

6．请说明分类分级对于属性数据的意义。

在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示密切有关的，例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的形状、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把这部分属性数据用编码的形式表示，并与几何数据一起管理起来。编码的过程是将信息转换成数据的过程，前提是首先要对需表示的信息进行分类分级。

7．属性数据的编码是必须的吗？

属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式，属性数据的内容有时直接记录在栅格或矢量数据文件中，有时则单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码与图形数据相联系。

对于要输入属性库的属性数据，通过键盘则可直接键入。

对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须先对其进行编码，将各种属性数据变为计算机可以接受的数字或字符形式，便于GIS存储管理。

8．纸张上的地图如何进入计算机系统？

图形数据的输入实际上就是图形的数字化过程。一般有两种方法：

（1）扶跟踪数字化仪输入

手扶跟踪数字化是目前最为广泛使用的将已有地图数字化的手段，利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标，通常采用两种方式，即点方式和流方式，流方式又分为距离流方式和时间流方式。

数字化过程：

把待数字化的图件固定在图形输入板上，首先用鼠标器输入图幅范围和至少四个控制点的坐标，随后即可输入图幅内各点、曲线的坐标。

通过数字化仪采集数据量小，数据处理的软件也比较完备，但由于数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化的精度与作业员的操作有很大关系，所以，目前很多单位在大批量数字化时，已不再采用它。

（2）扫描仪输入

扫描仪直接把图形(如地形图)和图像(如遥感影像、照片)扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储表示的设备。按其所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件又分为电荷耦合器件(CCD)扫描仪、MOS电路扫描仪、紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式分为大型扫描仪、台式扫描仪和手动式扫描仪。

扫描过程

扫描时，必须先进行扫描参数的设置，包括：

扫描模式的设置，（分二值、灰度、百万种彩色），对地形图的扫描一般采用二值扫描，或灰度扫描。对彩色航片或卫片采用百万种彩色扫描，对黑白航片或卫片采用灰度扫描。

扫描分辨率的设置，根据扫描要求，对地形图的扫描一般采用300dpi或更高的分辨率。

针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对比度、色调、GAMMA曲线等。

设定扫描范围。

扫描参数设置完后，即可通过扫描获得某个地区的栅格数据。

通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。如一张地形图采用300dpi灰度扫描其数据量就有20兆左右。除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色调像元的处理问题。噪声是指不属于地图内容的斑点污渍和其它模糊不清的东西形成的像元灰度值。噪音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全消除，有的软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点等和小的脏点很难区分。对于中间色调像元，则可以通过选择合适的阈值选用一些软件如Photoshop等来处理。

一般对获得的栅格数据还要进行一些后续处理如图像纠正、矢量化等。

扫描输入因其输入速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到大家的欢迎，再加之计算机运算速度、存储容量的提高和矢量化软件的踊跃出现，使得扫描输入已成为图形数据输入的主要方法。

9．如何发现进入GIS中的数据有错误？

通过矢量数字化或扫描数字化所获取的原始空间数据，都不可避免的存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，所以，对图形数据和属性数据进行一定的检查、编辑是很有必要的。

图形数据和属性数据的误差主要包括以下几个方面：

空间数据的不完整或重复：主要包括空间点、线、面数据的丢失或重复、区域中心点的遗漏、栅格数据矢量化时引起的断线等；

空间数据位置的不准确：主要包括空间点位的不准确、线段过长或过短、线段的断裂、相邻多边形结点的不重合等；

空间数据的比例尺不准确；

空间数据的变形；

空间属性和数据连接有误；

属性数据不完整；

为发现并有效消除误差，一般采用如下方法进行检查：

叠合比较法，是空间数据数字化正确与否的最佳检核方法，按与原图相同的比例尺用把数字化的内容绘在透明材料上，然后与原图叠合在一起，在透光桌上仔细的观察和比较。一般，对于空间数据的比例尺不准确和空间数据的变形马上就可以观察出来，对于空间数据的位置不完整和不准确则须用粗笔把遗漏、位置错误的地方明显地标注出来。如果数字化的范围比较大，分块数字化时，除检核一幅(块)图内的差错外还应检核已存入计算机的其它图幅的接边情况；

目视检查法，指在屏幕上用目视检查的方法，检查一些明显的数字化误差与错误，如图所示，包括线段过长或过短、多边形的重叠和裂口、线段的断裂等；

逻辑检查法，如根据数据拓扑一致性进行检验，将弧段连成多边形，进行数字化误差的检查。有许多软件已能自动进行多边形结点的自动平差。另外，对属性数据的检查一般也最先用这种方法，检查属性数据的值是否超过其取值范围。属性数据之间或属性数据与地理实体之间是否有荒谬的组合。

对于空间数据的不完整或位置的误差，主要是利用GIS的图形编辑功能，如删除（目标、属性、坐标），修改（平移、拷贝、连接、分裂、合并、整饰），插入等进行处理。

对空间数据比例尺的不准确和变形，可以通过比例变换和纠正来处理。

10．空间数据的质量问题分哪几类？

GIS空间数据的误差可分为源误差和处理误差。

源误差是指数据采集和录入中产生的误差，包括：

遥感数据：摄影平台、传感器的结构及稳定性、分辨率等。

测量数据：人差(对中误差、读数误差等)、仪差(仪器不完善、缺乏校验、未作改正等)、环境(气候、信号干扰等)。

属性数据：数据的录入、数据库的操作等。

GPS数据：信号的精度、接收机精度、定位方法、处理算法等。

地图：控制点精度，编绘、清绘、制图综合等的精度。

地图数字化精度：纸张变形、数字化仪精度、操作员的技能等。

处理误差是指GIS对空间数据进行处理时产生的误差，例如在下列处理中产生的误差就是处理误差。

几何纠正；

坐标变换；

几何数据的编辑；

属性数据的编辑；

空间分析(如多边形叠置等)；

图形化简(如数据压缩)；

数据格式转换；

计算机截断误差；

空间内插；

矢量栅格数据的相互转换。

误差传播是指对有误差的数据，经过处理生成的GIS产品也存在着误差。误差传播在GIS中可归结为三种方式。

代数关系下的误差传播：这是指对有误差的数据进行代数运算后，所得结果的误差。

逻辑关系下的误差传播：即指在GIS中对数据进行逻辑交、并等运算所引起的误差传播，如叠置分析时的误差传播。

推理关系下的误差传播：这是指不精确推理所造成的误差。

11.何谓元数据？元数据的作用和意义？

元数据是关于数据的描述性数据信息，说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。其目的是促进数据集的高效利用，并为计算机辅助软件工程服务。

元数据的作用和意义：

帮助数据生产单位有效的维护和管理数据；

提供有关数据生产单位的各种有关信息供用户查询；

帮助用户了解数据；

提供有关信息，以便用户处理和转换有用数据。

采用元数据可以便于数据共享。

12.空间数据交换标准的意义是什么？

随着地理信息系统的发展，数据共享已越来越重要。由于空间数据模型的不同，空间数据的定义、表达和存储方式也不同，因而数据交换就不那么简单。空间数据交换的主要方式有：

(1)外部数据交换标准。

这类标准通常是ASCII码文件，用户可以通过阅读说明书来直接读写这种外部数据格式。GIS的外部数据交换格式通常包括矢量数据交换格式、栅格数据交换格式和数字高程模型交换格式。

(2)空间数据互操作协议。

制定一套各方都能接受的标准空间数据操纵函数，通过调用这些函数以互相操作对方的数据。

(3)空间数据共享平台。

采用客户机/服务器体系结构，各种GIS通过一个公共的平台在服务器存取所有数据，以避免数据的不一致性。

（4）统一数据库接口。

在对空间数据模型有共同理解的基础上，各系统开发专门的双向转换程序，将本系统的内部数据结构转换成统一数据库的接口。

随着软硬件的发展，人们逐渐感受到了外部数据交换格式的不足，如自动化程度不高，速度较慢等，但它毕竟解决了不同GIS之间的数据转换问题。

虽然空间数据互操作协议比外部数据交换标准方便，但由于各种软件存储和处理空间数据的方式不同，空间数据的互操作函数又不可能很庞大，因此往往不能解决所有问题。

空间数据共享平台虽然是一个较好的思路，但现有的GIS软件各有自己的底层，因此目前难以实现。

统一数据库接口，首先要求对现实世界进行统一的面向对象的数据理解，这也是不易实现的。

因此，目前外部数据交换标准仍然是实现数据共享的主流方式。

13．数据共享有哪些主要途径？最基层的是什么，最理想的又是什么？困难在何处？

主要途径有：①、地理信息使用相同的定义；②、实行数据转换标准；③、通过“互操作地理信息处理”。其中“互操作地理信息处理（Interoperable geoprocessing）是指数字系统的这些能力：①自由地交换所有关于地球的信息，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对象和现象的信息；②通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。概括为自由交换地理空间信息以及协作运行空间信息处理的软件。

最基层的是：内部数据结构的公开发表。

最理想的是：用户和不同的信息群在Internet和Intranet中能灵活地进行地理数据及处理的互操作。

困难存在于：互操作的建立，数据的公开发表。

四章空间数据处理

1．空间数据处理主要包括哪些内容？

数据处理涉及的内容很广，主要取决于原始数据的特点和用户的具体需求。一般有数据变换、数据重构、数据提取等内容。数据处理是针对数据本身完成的操作，不涉及内容的分析。空间数据的处理也可称为数据形式的操作。

2．何谓数据变换、数据重构、数据提取？

数据变换：指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、投影转换和辐射纠正等，以解决空间数据的几何配准。

数据重构：指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换、格式变换、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，实现多源和异构数据的联接与融合。

数据提取：指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以解决不同用户对数据的特定需求。

3．请说明如何建立道路的拓扑的关系？

道路属于线状矢量要素，其拓扑关系的建立也遵循矢量数据自动拓扑的步骤。其步骤可分为以下几步：（1）链的组织。找出在链的中间相交(左图)，而不是在端点相交(右图)的情况，自动切成新链；把链按一定顺序存储，如按最大或最小的x或y坐标的顺序，这样查找和检索都比较方便，然后把链按顺序编号。

4．一般从扫描仪上直接得到的地图有什么问题？如何改正？

存在图形的变形、坐标系不一致等问题。可以通过几何纠正和投影变换来纠正。

几何纠正用以纠正图纸变形产生的误差。常用的有高次变换、二次变换和仿射变换。

当系统所使用的数据是来自不同地图投影的图幅时，需要将一种投影的几何数据转换成所需投影的几何数据，这就需要进行地图投影变换。方法通常分为三类：解析变换法、数值变换法、数值解析变换法。

5．如果两个作业小组各自从数字化仪上得到两张相邻图幅的地图数据在GIS中不能准确对接该怎么办？

要将分幅的数据联系在一起，组成统一的数据文件，需要进行图幅数据边沿匹配处理。边沿匹配处理的任务包括以下几方面：

（1）识别和检索相邻图幅的数据。通过编号与分幅数字化的数据联系起来进行图幅的识别，再通过几何纠正和投影转换使两图实现坐标系一致。

（2）相邻图幅边界点坐标数据的匹配。相邻图幅边界点坐标数据的匹配采用追踪拼接法。符合以下条件即可拼接――①相邻图幅边界两条线断或弧段的左右码各自相反或相同；②相邻图幅同名边界点坐标在某一许可定植的范围内。

（3）相同属性多边形公共界限的删除。对数据库的数据作定向处理，包括数据属性的重新分类、空间图形的化简和图形特征的内插。

6．如果你拿到东经120度东西两侧的地图，在数字化工作之后得到了两张地图的数据，这时能直接交给用户使用吗？

不能。要检查投影与配准工作以及方向的问题。

7．假设一条矢量等高线上的点太过于密集了，如何减少占用系统的存储空间？你能给出多少方法？各有什么适用范围？

采用矢量数据压缩的方法，矢量数据压缩的目的是删除冗余数据，减少数据的存贮量，节省存贮空间，加快后继处理的速度。下面介绍几种常用的矢量数据的压缩算法，以及它们之间的异同点。

道格拉斯――普克法

如果某种矢量数据的压缩算法既能精确地表示数据，又能最大限度地淘汰不必要的点，那就是一种好的算法。具体可以依据简化后曲线的总长度、总面积、坐标平均值等与原始曲线的相应数据的对比来判别。通过分析可以发现，大多数情况下道格拉斯――普克法的压缩算法较好，但必须在对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大；光栏法的压缩算法也很好，并且可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；垂距法算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点p值去掉而失真。

8．栅格地图数据如何减少硬盘存贮空间？

利用数据压缩技术。如进行游程长度(行程)编码、弗利曼编码、四叉树编码等。

以游程长度(行程)编码为例说明：

地理数据往往有较强的相关性，也就是说相邻像元的值往往是相同的。游程长度编码的基本思想是：按行扫描，将相邻等值的像元合并，并记录代码的重复个数。如图1,其编码为A4 A1 B3 A2 B2 A2 B2。若在行与行之间不间断地连续编码，则为A5 B3 A2 B2 A2 B2。

对于游程长度编码，区域越大，数据的相关性越强，则压缩越大。其特点是，压缩效率较高，叠加、合并等运算简单，编码和解码运算快。

9．请简要说明通过扫描仪得到矢量地图数据的原理和过程。

在数字图像中，二值图像占有非常重要的地位。在对地图、文字的扫描数字化和识别时，通常都是当作二值图像来处理的。

由于扫描后的图像是以不同灰度级存储的，为了进行栅格数据矢量化的转换，需压缩为两级(0和1)，这就称为二值化。二值化的关键是在灰度级的最大和最小值之间选取一个阈值，当灰度级小于阈值时，取值为0，当灰度级大于阈值时，取值为1。

（2）二值图像的预处理

对于扫描输入的图幅，由于原稿不干净等原因，总是会出现一些飞白、污点、线划边缘凹凸不平等。除了依靠图像编辑功能进行人机交互处理外，还可以通过一些算法来进行处理。除了上述方法外，还可用其它许多方法。例如，对于飞白和污点，给定其最小尺寸，不足的消除；对于断线，采取先加粗后减细的方法进行断线相连；用低通型滤波进行破碎地物的合并，用高通滤波提取区域范围等等。

所谓细化就是将二值图像象元阵列逐步剥除轮廓边缘的点，使之成为线划宽度只有一个像元的骨架图形。细化后的图形骨架既保留了原图形的绝大部分特征，又便于下一步的跟踪处理。

细化的基本过程是：(1)确定需细化的像元集合；(2)移去不是骨架的像元；(3)重复，直到仅剩骨架象元。

如果是对扫描后的地图图像进行细化处理，应符合下列基本要求：

保持原线划的连续性；

线宽只为一个像元；

细划后的骨架应是原线划的中心线；

保持图形的原有特征。

细化后的二值图像形成了骨架图，追踪就是把骨架转换为矢量图形的坐标序列。其基本步骤为：

从左向右，从上向下搜索线划起始点，并记下坐标。

朝该点的8个方向追踪点，若没有，则本条线的追踪结束，转(1)进行下条线的追踪；否则记下坐标。

把搜索点移到新取的点上，转2°。

（注意的是，已追踪点应作标记，防止重复追踪）。

为了进行拓扑化，需找出线的端点和结点，以及孤立点。

孤立点：8邻城中没有为1的像元。如下图2- (1)。

端点：8邻城中只有一个为1的像元。如图2- (2)。

结点：8邻城中有三个或三个以上为1的像元。如图2-（3）。

在追踪时加上这些信息后，就可形成结点和孤段，就可用矢量数据的自动拓扑方法进行拓扑化了

10．对于扫描仪输出的结果一般需要做哪些处理？

扫描仪输出的结果需要经过图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。

11．二值图像的处理对于GIS有什么意义？常用哪些方法？

在数字图像中，二值图像占有非常重要的地位。在对地图、文字的扫描数字化和识别时，通常都是当作二值图像来处理的。在二值图像中，通常1表示图形，0表示背景。经过二值图像的处理后的数据量明显减小，对于GIS克服海量数据的缺点，及提高处理速度等都具有极其重要的意义。

二值化为了从图像中分离出对象物，把图形和背景作为二值图像对待。图像二值化可以用下列阈值处理方法进行。

确定出阈值t的方法：

（1）、状态法：求出给定图像的灰度值直方图，在具有两个峰值（对应于图形和背景）的情况下，可以在峰之间的谷底确定t值。（见图3）

（2）、微分直方图法：这是设想图像的对象图形和背景的边界处的灰度值急剧变化。这样就可不直接利用图像的灰度值，而是利用微分值（灰度的变化率）来确定阈值。

设图像中某一像素的为S，计算这个像素的微分值，如取邻域各像素与该像素灰度值之差的最大值，或取各个灰度值之差的绝对值之和；求出图像中具有灰度值S的所有像素的微分值之和。对所有的灰度值作同样的处理，即得到微分直方图。

如果选择微分直方图中最高值的灰度值，就可认为这一灰度值对应于灰度变化率最高的部分。

这一方法在图形的边界处于一定的灰度值范围时，是比较有效的。但往往边界附近灰度值的变化常常比较复杂，这时就并不很有效。

（3）、可变阈值法：当由于图像位置不同而平均灰度值不同时，用单一的阈值不能有效地对整个图像进行二值化。这时，可让阈值随着图像的不同部分而变化，从而对整个图像进行有效处理（图4）。

12．如何用GIS技术提取航空相片上的地理信息？

航空相片上的信息包括光谱信息和空间信息两种；（1）对航空相片采用对比度增强处理或边缘增强处理；（2）通过直方图分析选择恰当的门限值；（3）二直化图像，提取边界和线性特征（4）输出图形。

分析手段：纹理分析，多维信息分析，匹配，分类，区域分割；

13．RS与GPS的原理各是什么？与GIS有什么关系？

遥感（RS）是一种远离目标，通过非直接接触而判定、测量并分析目标性质的技术。是对目标进行信息采集主要是利用了目标反射或辐射的电磁波。接收从目标中反射或辐射的电磁波的装置叫做遥感器(re mote sensor)，照相机及扫描仪等即属于此类。此外，搭载这些遥感器的移动体叫做遥感平台(platform)，根据遥感平台的不同，遥感可分为地面遥感、航空遥感、航天遥感三种类型。

航空遥感是以飞机或气球作为工作平台进行成像或扫描的一种遥感方式。航空遥感具有成像比例尺大、分辨率高、几何纠正准确等优点，在GIS中也有重要的应用。现在的航空遥感，除以感光胶片作为传统记录外，还可进行磁带记录，把获取的紫外、红外、微波等信息，转换成图像和数字信息，以便于计算机对遥感信息的进一步处理。

航天遥感是利用人造卫星给多种传感器提供了离地面更高的工作平台，使传感器具有更广阔的视野，居高临下，俯视一切。卫星遥感还可不受国界和地形的限制，可对全球作连续的观测。遥感卫星根据其轨道及搭载的遥感器不同而有不同的特征。遥感卫星的主要功能有，记录准确的遥感器的位置，可靠地获取数据以及将获取的数据传送到地面站。

全球定位系统（GPS）是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。通过测定测距信号的传播时间来间接测定距离的，将无线电信号发射机从地面站搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，较好地解决覆盖面与定位精度之间的矛盾。GPS由空间部分、控制部分和用户设备三部分组成。

RS与GIS的结合具有重要意义。GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，遥感数据是G IS的重要信息源和数据更新的手段。同时，RS与GIS的结合可以有效地改善遥感分析。利用GIS的空间数据可以提高遥感数据的分类精度。由于分类可信度的提高，又推动了GIS中数据快速更新的实现。GIS 中的高程、坡度、坡向、土壤、植被、地质、土地利用等信息是遥感分类经常要用到的数据。另外，RS 与GIS的结合可以进一步加强GIS的空间分析功能。RS与GIS的结合方式通常有三种：

①分开但是平等的结合;

②表面无缝的结合；

③整体的结合。

此外，RS用于GIS地理数据库的快速更新。用卫星影像获取各种地面要素的矢量信息，将遥感图像与GIS空间数据对应的图形以透明方式迭加，并发现和确定需要更新的内容。然后要将栅格数据进行矢量

化处理，同时进行一些入库前的预处理。数据就可以按GIS指定的数据结构入库了。全球定位系统与GIS 的结合也具有重要意义。GPS定位准，耗时少，节约人力物力，推动了GIS中数据快速更新的实现。

第六章空间查询与空间分析

1．什么是空间数据的查询？

空间数据的查询一般定义为从空间数据库中找出所有满足属性条件和空间约束条件的地理对象。属性约束条件一般用带比较运算符的逻辑表达式描述，这与传统的结构查询语言SQL的where语句中条件表达式相似。空间约束条件用带空间谓词的逻辑表达式描述，空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、分离、重叠、距离同、方向等。因此空间查询是作用在库体上的函数，返回用户请求的内容，也属于咨询式分析。

2．查询种类有哪些？实现方式如何？

查询种类及实现方式：

几何参数查询，包括点的位置坐标，两点间的距离，一个或一段线目标的长度，一个面目标的周长或面积等。

实现方式：查询属性库或空间计算

（1）空间定位查询，给定一个点或一个几何图形，检索该图形范围内的空间对象及其属性。

按点查询：给定一个鼠标点，查询离它最近的对象及属性（点的捕捉）。

开窗查询：按矩形、圆、多边形查询。分为该窗口包含和穿过的区别。根据空间索引，检索哪些对象可能位于该窗口，然后根据点、线、面在查询开窗内的判别计算，检索到目标。

空间运算方法

（2）空间关系查询，包括相邻分析检索---通过检索拓扑关系；相关分析检索（不同要素类型之间的关系）--通过检索拓扑关系；包含关系查询；穿越查询等等。

A相邻分析检索---通过检索拓扑关系

面―面（如查询与面状地物相邻的多边形的实现方法）：

①从多边形与弧段关联表中，检索该多边形关联的所有弧段；

②从弧段关联的左右多边形表中，检索出这些弧段关联的多边形。

线―线（如与某干流A相连的所有支流）：

①从线状地物表中，查找组成A的所有弧段及关联的结点；