地理信息系统复习之完整版

1、第一章导论1、数据：通过数字化并记录下来的可以被识别的符号，用于定性或定量的描述事物的特征和状况。包括数字、文字、符号、图形、图像、声音。2、信息：向人们提供关于现实世界各种新的事实的知识。信息的基本特征：客观性、适用性、传输性、 共享性3、数据和信息的关系：两者在词义上的差别：数据是信息的表达，信息则是数据的内容； 数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；信息是当代社会发展的一项重要任务。4、地理信息：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数 字、文字、图像和图形等的总称；地理信息特征：属于空间信息，它具有空间定位特征、属性特征和

2、时序特征。5、地理信息系统：既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学，信息，科学，空间科学的应用基础学科，其技术系统由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，用以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。6、地理信息系统与其他系统的区别：GIS技术优势：在于空间数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的空间查询功能、强大的图形生成和可视化表达手段，以及地 理过程的演化模拟和空间决策支持能力等。7、Gis分类：按研究内容分：专题 GIS综合GIS按研究范围分：（1）全球性GIS; （2）区域性GIS按使用的数据

3、模型分：（1）矢量；（2）栅格；（3）混合型8、地理信息系统的基本构成：系统硬件，系统软件，空间数据，应用人员和应用模型 一：系统硬件（1）数据输入设备：数字化仪、扫描仪和数字测量设备等。（2）数据处理设备：包括从服务器到图形工作站、微机等各种形式的计算机，可用作数据的处理、管理 与计算。（3）数据输出设备：绘图仪、打印机和高分辨率显示装置等。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、SQL Server、Sybase、

4、Informix、IBM DB2、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

5、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、CityStar13.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，Google earth三维城市

6、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、地理空间定位框架一一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

7、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*II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）

8、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

9、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

10、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：如全立仪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

11、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一数据不一致，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

12、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

13、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

14、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

15、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：将栅格矢I阵的数据序列X1 X2 Xn,映射为相应的二元组序列（ Ai,Pi）, i = 1,K,且Kw 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

16、分别为0,1, 2,3,4, 5,6,1。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 2nx 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、1单元，依此逐层向上，直到最

17、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 P51线性四叉树：每个节点存储3个量，即莫顿码、深度和节点值。见书 P51四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

18、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）；链码：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 .他于面向现象（

19、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、精度局。1 .数据结构复杂；2 .软件与硬件的技术要求比 较局；3 .多边形叠合等分析比较困 难；4 .显示与绘图成本比较图。册格数 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。第三节 空间数据结构的类型（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

20、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）思想：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：数据源的确定数据分类和编码 确定数据模罂和数据结构类型* I数据输入和编辑操作/ 、矢量数据输小与编辑I方方矢量数据|栅格数1 |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

21、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

22、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

23、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

24、，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，ml、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： 平直线 平行性 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。X= a 0

25、( m 1 cos=)x- ( m 2sin:) yY= b0( m 1 sin： ) x( m 2 cos二)yX= a 0( m 1 cos：) x ( m 2sin：) yY= b0- ( m 1 sin二)x( m 2 cos二)ya1 :m1 cosaa2= -m2 sina 4 'm1sina b2'm2cosaX = a0+a1x + a2y、Y =b0+b1x+b2y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”.2.2,X = a0 + a1x + a2y +a11x + a12 xy +

26、a22 y1.2.2、丫 = b0 + b1x + b2 y + b11 x + b12 xy + b22 y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，解析一数值变换一.由矢量向栅格的转换当数据采集采用矢量

27、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 一一拓扑结构 基于多边形数据的栅格化方法一一实体结构（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2.1. 于多边形数据的栅格化方法将一

28、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。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

29、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

30、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

31、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

32、合。特点：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。特点：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：二.=m M1n3 .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

33、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）基于栅格的压缩空间数据压缩方法：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

34、空间内插分块内插法线性内插法双线性多项式内插 法二元样条函数内插 法逐点内插法移动拟合法加权平均法克里金法整体内插法N次多项式拟合法点数据内插应用以建立数字高程模型为例（Grid ）（1）数据取样（数据点的选取）现有地形图的等高线上进行数据取样。取样原则：沿地性线（山脊线、山谷线、坡度变换线）沿等高线，沿断面线格网取样方案：按照一定间隔的格网取样，地形变化显著地方，辅以地形特征点。关键是确定合适的格网 间距。格网间距判定方法：高程差异数值是否在数字高程模型精度要求之内。（2）数据内插（求解加密数据点）由于取样数据呈离散点分布形式，或者数据点虽然按照格网排列，但格网的密度不能满足使用的要求，这

35、样就需要以数据点为基础进行插值运算。常用数据内插方法：分块内插法：线性内插法，双线性内插法，二元样条函数内插法逐点内插法：移动拟合法，加权平均法，克里金法。（3）数据精度分析（内插精度判定）在研究区内选取n个数据点，求实际高程值与插值的差值，其允许误差应小于原始数据比例尺等高距的1/3。区域的内插 解决方法：（1）叠置法（2）比重法 根据平滑密度函数的原理，将源区的统计数据从同性 质改变为非同性质，而非同性质代表着一般社会经济现象的普遍特点。（1）在源区上叠置一张网格，网格大小要满足内插精度。（2）将源区各个分区的平均人口数赋予相应分区的各个格网点。（3）计算相邻四个格网点的平均值。（4）将各

36、个分区格网点值相加，设为，计算其系数，并将各个格网点值乘以，得到调整后的各个分区各网点值。（5）此过程继续下去，直到 与 值很相近，或者相应分区的各网点值比较一致时，便可计算目标 区的内插值区域的内插：研究根据一组多边形分区的已知数据来推求同一地区另一组多边形分区未知数据的内插方 法。第四章 GIS空间数据库第一节空间数据库概述1 .空间数据库的概念：数据库就是为了一定的目的，在计算机系统中以特定的结构组织、存储、管理和应 用的相关联的数据集合。作用：数据存储与管理，辅助用户的空间分析与决策。要求：高效。关键：数据 模型2 .GIS空间数据库用来存储空间和属性数据3 .空间数据的存储和管理方式

37、：空间数据文件存储管理（Shp文件）空间数据库存储和管理（Geodatabase数据库）4 .数据库系统：数据库存储系统：按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合，通常是一系列相互关联 的数据文件；数据库管理系统（DBMS）：提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统。数据库应用系统：具有数据库访问功能的应用软件。5 .空间数据库的设计：实质是将地理空间实体以一定的组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也就是 GIS中的空间实体建立数据模型的过程。数据库设计的过程和步骤：1.需求分析。即用系统的观点分析与某一特定的空间数据库应用有关的数据集合2.概念设计。把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出

38、来。3.逻辑设计。空间数据库逻辑设计的任务是，把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统 所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来。4.物理设计。数据库的物理设计指数据库存储结构和存储路径的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的 物理数据库。6 .空间数据库的设计原则和技术方法：(1)尽量减少空间数据存储的冗余量；(2)提供稳定的空间数据结构；(3)满足用户对空间数据及时访问的需求，并能高效地提供用户所需的空间数据查询结果；(4)在数据元素间维持复杂的联系，以反映空间数据库的复杂性；(5)支持多种多样的

39、决策需要，具有较强的应用适应性。7 .空间数据库的实现和维护空间数据库的实现：(1)建立实际的空间数据库结构；(2)装入实验性的空间数据对应用程序进行调试，以确认其功能和性能是否满足设计要求，并检查对数据库存储空间的占用情况；(3)装入实际的空间数据，即数据库的加载，建立起实际运行的空间数据库。空间数据库的运行与维护：(1)维护空间数据库的安全性和完整性，需要及时调整授权和密码，转储及恢复数据库；(2)监测并改善数据库性能，分析评估存储空间和响应时间，必要时进行数据库的再组织；(3)增加新的功能，对现有功能按用户需要进行扩充；(4)修改错误，包括程序和数据。第二节空间数据库概念模型设计1 .数

40、据模型：在数据库系统中，现实世界中的事物及联系是用数据模型来描述的，数据库中各种操作功能的实现是基于 不同的数据模型的，因而数据库的核心问题是模型问题。数据模型是数据库中对数据的逻辑组织形式的描 述。空间数据库的设计可以归结为空间数据模型的设计2 .概念模型完成从现实世界到信息世界的抽象以需求分析阶段所提出的数据要求为基础，对用户需求描述的现实世界通过对其中信息的分类、聚集和概 括，建立的抽象数据模型，是数据库的全局逻辑数据视图，是数据库管理员所看到的实体、实体属性和实 体间的联系。3 .语义数据模型(实体一联系模型)：语义模型的模型结构是由若干种抽象所组成，用这些抽象来描述客体的基本语义特征

41、，再根据语义模型结构规则把这些抽象有机地组织起来。最常用的语义模型之一：实体 -联系模型(E-R模型)4 .E-R模型三种语义概念：(1)实体：客观事物的抽象，并且可以被唯一表示，具有自己的属性。E-R模型图中用矩形符号表示，实体的命名标注于矩形符号之内。(2)属性：实体的特征。E-R模型图中用一个椭圆形表示，属性的名称标注在椭圆内，属性同实体和联系之间用线段连接。(3)联系：实体间的关系或联系。 关系的种类有拥有/属于关系、集/子集、父/子关系、实体的组成关系等, 这些关系又可分为：一对一 (1: 1), 一对多(1: N),多对多(M: N)。E-R模型图中联系用菱形符号表示，联系的名称标

42、注在菱形符号之内，实体和联系之间用线段连接，并在线上注明连接的类型。5 .E-R模型进行数据库概念设计的三个步骤：1、设计局部E-R模型；2、设计全局E-R模型；3、全局E-R模型的优化。6 .面向对象的数据模型：面向对象的数据模型：以接近人类通常思维方式的思想，将客观世界的一切实体 模型化为对象。并将数据和操作(方法)封装在一起。整个系统只由对象组成，对象之间通过“消息”进 行联系。使系统很容易重组和扩充。面向对象数据模型基本概念：对象：含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。空间数据库中，任何空间实体都可以用对象的形式加以表达，比如表示一个行政区域的多边形对象、表示一条

43、河流的弧段对象等。（2）类：共享同一属性和方法集的所有对象的集合构成类（3）消息：对对象进行操作的请求，是连接对象与外部世界的唯一通道。（4）方法：对对象的所有操作，如对对象的数据进行操作的函数、指令、例程等7.面向对象的特性：（1）抽象（2）封装（3）多（4）重载（5）继承（6）概括（7）聚集8.ORM 图即对象角色建模（Object Role Modeling ）,是运用面向对象的原理进行数据库概念建模的软件工程方法。实体对象类型：由实际事物组成的对象类型。用实线椭圆表示。值对象类型：由数字或字符串组成的数字类型，用来说明实体对象类型，用虚线椭圆表示。谓词：描述由对象类型扮演的角色的事实的

44、一部分。表示为一个或多个角色框的序列。唯一性约束，用双 向箭头表示，强制性约束用圆点表示。9.面向对象数据模型优点：1）可充分利用现有数据模型的优点，面向对象的数据模型是一种基于抽象的模型，允许设计者在基本功能 上选择最为适用的技术。如可以把矢量和栅格数据结构统一为一种高层次的实体结构，这种结构可以具有 矢量结构和栅格结构的特点，但实际的操作仍然是矢量数据用矢量运算，栅格数据用栅格算法。2）具有可扩充性。由于对象是相对独立的，因此可以很自然和容易地增加新的对象，并且对不同类型的对 象具有统一的管理机制。3）可以模拟和操纵复杂对象。传统的数据模型是面向简单对象的，无法直接模拟和操纵复杂实体，而面

45、向 对象的数据模型具备对复杂对象进行模拟和操纵的能力。第三节空间数据库逻辑模型设计1 .逻辑设计目的是从概念模型导出特定的数据库管理系统可以处理的数据库的逻辑结构。2 .空间数据库逻辑设计的思想：把E-R图表示的实体一联系类型，转换成选定的数据库管理系统所支持的记录类型，包括层次、网状、关系、面向对象系统等。3 .层次数据模型。它的特点是将数据组织成一对多关系的结构。层次结构采用关键字来访问其中每一层次 的每一部分。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。优点：存取 方便且速度快；结构清晰，容易理解；数据修改和数据库扩展容易实现；检索关键属性十分方便。缺陷： 结构

46、呆板，缺乏灵活性；同一属性数据要存储多次，数据冗余大（如公共边）；不适合于拓扑空间数据的组织。4 .网络数据库模型：网络模型用连接指令或指针来确定数据间的显式连接关系，是具有多对多类型的数据 组织方式。优点：能明确而方便地表示数据间的复杂关系；数据冗余小缺陷：网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。需要存储数据间联系的指针，使得数据量增大；数据的修改不方便（指针必须修改）5 .关系数据库模型：是以记录组或数据表的形式组织数据，以便于利用各种地理实体与属性之间的关系进 行存储和变换，不分层也无指针，是建立空间数据和属性数据之间关系的一种非常有效的数据组织方法。 优点：结构特别灵活，满足所有布

47、尔逻辑运算和数学运算规则形成的查询要求；能搜索、组合和比较不同 类型的数据；增加和删除数据非常方便缺陷：数据库大时，查找满足特定关系的数据费时6 .E-R模型向关系数据模型的转换E-R模型可以向现有的各种数据库模型转换，对不同的数据库模型有不同的转换规则。例如，需要实现一 个全关系型的空间数据库，则向关系模型转换的规则是：一个实体类型转换成一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的关键字就是关系的关键字。一个联系类型转换成一个关系模式，参与该联系类型的各实体的关键字以及联系的属性转换成关系的属 性。第四节 空间数据库的物理设计空间数据库的物理设计概念；数据库存储结构和存储路径的设计空间数据

48、库的物理设计步骤：结构设计；约束；应用设计第五节空间数据查询1 .空间数据查询（根据空间位置，根据属性记录）2 .空间数据查询功能大致分为三类：针对空间关系的查询；针对非空间属性的查询；结合空间关系和非空 间属性的查询3 .空间关系查询类型：实体间拓扑、顺序、距离、方位等关系的查询简单的点、线、面实体相互关系的查询包括：（1）点一点查询（2）线一点查询（3）面一点查询（4）点一线查询（5）线一线查询（6）面一线查询（7）点一面查询（8）线一面查询（9）面一面查询4 .属性数据查询：结构化查询语言（SQL）5 .空间属性联合查询：查询条件既包括空间位置关系，又包括属性信息的查询6 .空间查询语言

49、：是指从空间数据库中查找出所有满足空间约束条件和属性约束条件的地理实体的算法语 言。第六节空间数据库索引1 .索引目的：快速地在空间数据库中找到所需要的空间信息。数据库一维索引组成：关键字和存储地址2 .空间索引：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略信息，如标识码、最小外接矩形以及存储地址。3 .常见的空间索引方法：一、范围索引：在记录每个空间实体的坐标时，同时记录每个空间实体的最大和 最小坐标。二、格网空间索引 ：将区域划分成大小相等的网格，记录每个网格内所包含的空间实体在数 据库中的地址。三、四叉树空间索引：将区域若干

50、层次的划分，每个层次的划分是将上一层次划分得到的 每个区域分成四个相等的子区域，用包含实体的子区域编码记录空间实体。第七节空间元数据1.空间元数据：在空间数据库中用于描述空间数据的内容、质量、表示方式、空间参考和管理方式等特征 的数据。第八节 空间数据库引擎第九节 空间时态数据库1 .空间实体的时态特征信息：实体从产生到消亡的时间信息，即有效时间或生命周期。时空GIS （四维）核心：时空数据库2 .时空数据库系统：空间时态数据的表达空间时态数据的更新 空间时态数据的查询3 .时空一体化数据模型时间片快照模型底图叠加模型时空合成模型第五章空间分析的原理与方法1 .空间分析是 GIS区别于其他类型

51、系统的一个最主要的功能特征。空间分析概念：基于空间数据的分析技 术，它以地球科学原理为依托，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、空间构成、空间演变等信息。2 .空间分析目的：（1）描述与认知空间数据分布特征，如点线面的空间分异状况；（2）解释空间现象与空间模式的形成机理，如城市土地利用变化研究；（3）调控在地理空间上发生的事件，如水资源的合理配置；（4）预测预报，如洪水的预测预报。3 .空间分析的主要方法 ：1）基于地图的空间图形分析（2）空间动力学分析（3）空间信息分析4 .空间分析的分类按照空间数据的形式分类：矢量数据空间分析：矢量叠合分析、矢量临近

52、性分析、网络分析。栅格数据空间分析：数字地形模型分析、栅格叠合分析、栅格临近性分析、栅格统计分析等。按照空间分析框架分类：产生式分析：数字地形模型分析、叠合分析、空间临近性分析、网络分析和空间统计分析等。查询式分析：空间集合分析和空间数据查询等5 .空间分析模型及方法：叠置分析模型：叠置分析缓冲区分析模型：缓冲区分析统计分析模型：主成分分析、聚类分析、关键变量分析、相关分析、层次分析 网络分析模型：最短、最佳路径分析、资源分配、流分析三维地形分析模型：地形因子分析、剖面分析、可视化分析。小波分析应用模型：小波压缩、放大第一节数字地形模型分析1 .数字地形分析（Digital Terrain A

53、nalysis, DTA ）,是指在数字高程模型上进行地形属性计算和特征提取的数 字信息处理技术。2 .数字地形分析的主要内容：（1）提取描述地形属性和特征的因子，并利用各种相关技术分析解释地貌形态、划分地貌形态等。（2） DTM的可视化分析。3 .数字地形分析的方法：1.提取坡面地形因子 2.提取特征地形要素（1）流域分析（2）可视域分析（3）谷 脊特征分析（4）地形剖面分析（5）等值线分析（6）日照分析4 .DTM （ Digital Terrain Model ）数字地形模型是地形表面形态属性信息的数字表达，是带有空间位置特征和地形属性特征的数字描述。数字地形模型中地形属性为高程时称为数

54、字高程模型（Digital ElevationModel ,简称 DEM ）。DEM （ Digital Elevation Model ）是地表单元上高程的集合，是地貌形态的离散表示。DEM通常用地表规则网格单元构成的高程矩阵表示，广义的DEM还包括等高线、三角网等所有表达地面高程的数字表示。DEM是建立DTM的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，称为“派生数据”，如坡度、坡向、曲面面积。显然，DEM的质量好坏直接决定着 DTM的精确性。5 .DEM表示方法：1.等高线法：等高线是一条带有高程值属性的简单多边形或多边形弧段。需要用插值方法来计算落在等高线以外的其他点的高程。2.

55、规则格网法（Grid）规则格网法是把 DEM表示成高程矩阵，DEM来源于直接规则矩形格网采样点或由不规则离散数据点内插产生。结构简单，计算机对矩阵的处理比较方便，成为DEM最通用的形式。3.不规则三角网法（TIN） TIN利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则， 把这些离散点连接成相互连续的三角面。4.航片立体像对法：通过航空或航天遥感立体像对，根据视差模型，自动选配左右影像的同名点，建立数字高程模型。6 .DEM建立方法与过程数据采集（地形图数字化采集；航空相片采集；地面测量采集；机载测高仪采集）数据处理（格式转换、坐标系变换、数据编辑、数据分快、数据内插）DEM生成（人工网格法；

56、三角网法；格网插值法；等值线插值法；立体像对法）7 .应用：地球科学分析中，自动提取各种地形因子，制作地形剖面图和划分地表形态类型等；线路选线（铁路、公路、输电线）的设计、水库堤坝选址；工程土方、库容和淹没损失的自动估算；任意两点间的通视 判断及任意断面图绘制；遥感影像地形畸变的自动纠正。8 .地形因子计算：地形因子包括：坡度、坡向、曲面面积、地表粗糙度、高程变异，以及谷脊特征等。9 .坡度：是一个既有大小又有方向的矢量，从数学上来讲，坡度矢量的模等于地表曲面函数在该点的切平 面与水平面夹角的正切，其方向等于在该切平面上沿最大倾斜方向的某一矢量在水平面上的投影方向也即 坡向。实际应用中：坡度定义为地表单元的切平面与水平面的夹角。等同于地表单元的法向与 Z轴的夹角。坡度的计算方法：空间矢量法（ Grid）、拟合曲面法（Grid）:10 .DEM