《GIS原理与应用》全面复习

1、GIS原理与应用全面复习一、绪论1、地理信息系统：是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的空间信息系统。2、地理信息特征：空间分布性、数据量大、信息载体的多样性。3、GIS的组成：硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。4、GIS其它信息系统（如CAD、MIS）的关系和区别（了解）4.1 GIS与一般MIS的区别：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。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）

2、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。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。4.2 GIS与CAD/CAM的异同点： 4.2.1 GIS与CAD共同点：都有空间坐标系统；都能将目标和参考系联系起来；都能描述图形数据的拓扑关系；两者都能处理属性和空间数据。 4.2.2 GIS与CAD不同点：CAD研究对象为人造对象规则几何图形及组合；图形功能特别是三维图形功能强，属

3、性库功能相对较弱；CAD中的拓扑关系较为简单，一般采用几何坐标系。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；GIS的属性库结构复杂，功能强大，强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频；GIS采用地理坐标系 。5、 国际地理信息系统发展(了解)5.1 GIS开拓期(20世纪60年代)：加拿大测量学家于1971年建立世界上第一个GIS：加拿大地理信息系统（CGIS）。5.2 GIS巩固发展期(20世纪70年代):各国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究各具特色的地理信息系统。5.3 GIS技术大发展时期(20世纪80年代):计算机

4、的迅速发展和普及，地理信息系统也逐步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段。5.4 GIS的应用普及时代(20世纪90年代之后):数字地球、数字中国、数字省区、数字城市、企业信化、电子商务、数字通讯、虚拟现实等众多的信息化领域的工作已全面铺开。6、国内地理信息系统发展(了解)6.1 准备阶段(1978年-1980年)：进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。6.2 起步阶段(1981年-1985年）：理论探索和区域性实验研究。并在此基拙上制定国家地理信息系统规范。6.3 初步发展阶段(1986年-90年代)：GIS的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的

5、研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。6.4 快速发展阶段(90年代末-现在)：理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS走向应用，GIS市场开始形成。二、地球空间与空间数据基础1、地理空间三种认知模型：基于对象的模型、基于网络的模型、基于域的模型。2、地图3要素：点状要素、线状要素、面状要素。3、地图投影基本原理：利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到投影平面上。4、GIS中地图投影设计与配置原则：各国的GIS所采用的投影系统应与该国的基本地图系列所用的投影系统一致；各比例尺的GIS投影系统应与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；各地

6、区的GIS中的投影系统应与其所在区域适用的投影系统一致；各种GIS一般采用一种或两种（至多三种）投影系统，以保证地理定位框架的统一。5、我国GIS中常用的地图投影与配置：我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000）除1：100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础；我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致；我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影；Lambert投影中，地球表面

7、上两点间的最短距离表现为近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。6、高斯克吕格投影特点：中央经线上无变形；同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低，变形越大；等变形线为平行于中央经线的直线。7、Lambert投影的特点：经线都表现为交于一点的直线束；纬线表现为同心圆的圆弧，圆弧即直线束的交点。8、空间数据的拓扑关系：是指图形在保持连续状态下的变形，但图形关系不变的性质。最常用的拓扑关系为：邻接关系（空间图形中同类元素之间的拓扑关系）、关联关系（空间图形中不同类元素之间的拓扑关系）、包含关系（空间图形中同类不同等元素之间的拓扑关系）。拓扑关系的表达可

8、参考课本42页的表。9、空间元数据：是指地理的数据和信息资源的描述性信息，它通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。地理空间数据：是用于描述具有自然特征或者人工建筑特征的地理实体的地理位置、属性及其边界的信息。空间元数据：是对于空间数据的描述或说明。三、空间数据模型与数据结构1、空间数据结构: 基于对象(要素)的模型：矢量模型；基于场（域）的模型：栅格模型。2、栅格数据结构特点: 位置隐含、属性明显。3、矢量数据结构特点：定位明显、属性明显。4、矢量数据结构编码的方法：实体式、索引式、双重独立式、链状双重独立式4

9、.1 实体式 （P67） 4.1.1 实体式数据结构：指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织，边界数据和多边形单元实体一一对应，各个多边形边界都单独编码。 4.1.2 实体式编码的特点：优点：编码容易,数字化操作和数据编排简单；缺点:公共边界数字化两遍,造成数据冗余,可能导致输出的公共边界出现裂隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑信息；岛只作为一个单个图形,没有建立与外界多边形的联系。4.2 索引式 （P68） 4.2.1 索引式数据结构：对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，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。 4.2.2 索引式

10、编码的特点：优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余；解决了坐标数据的不一致问题；缺点:编码表需要人工建立，容易出错；相关运算比较复杂（如公共边的查询）。4.3 双重独立式 （P69） 4.3.1 双重独立式数据结构：是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来予以定义。简称为DIME系统，以城市街道为编码的主体，采用了拓扑编码结构。4.4 链状双重独立式（P70） 4.4.1 链状双重独立式数据结构：是DIME数据结构的一种改进，在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。编码需要建立文件：结点文件、弧段坐标文件、弧段文件、多边形文件。 4

11、.4.2 Arc/Info软件采用的是链状双重独立式编码。5、栅格数据结构及其编码5.1 栅格代码的确定方法：中心点法、面积占优法、重要性法。5.2 栅格数据的编码方法: 直接栅格编码、行程压缩编码、链式数据编码、分块压缩编码、四叉树编码。 5.2.1 直接栅格编码：以行为记录单位按行存储地理数据。缺点：存在大量冗余，精度提高有限制。 5.2.2 游程压缩栅格编码：将原始栅格矩阵中属性值相同的连续若干个单元映射为一个游程，每个游程的数据结构为（A，P），A表示属性值或属性值的指针，P代表该游程最右端的列号或个数。等同于：9 4 0 4/9 3 0 5/0 1 9 2 0 1 7 2 0 2/0

12、 4 7 2 0 2/0 4 7 4/0 4 7 4/0 4 7 4/0 4 7 4(“/”代表换行)二维行程编码为：(9,4),(0,4),(9,3)(0,6),(9,2)(0,1)(7,2)(0,6),(7,2),(0,6),(7,4),(0,4),(7,4) ,(0,4),(7,4),(0,4),(7,4) 5.2.3 分块压缩编码:是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。即（行号，列号，半径，属性值），示例如下： 5.2.4 链式数据编码：主要

13、是记录线状地物和面状地物的边界。它把线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。见下图，从正北方向以0开始，顺时针依次为0，1，2，3，4，5，6，7八个基本方向。从而方便估算长度、转折方向的凹凸度。具体编码方式可参考课本P74-P75。7016 中心2543 5.2.5 四叉树编码：是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调（含有相同的属性值或灰度值）为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它

14、对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2的n次方乘以2的n次方的栅格阵列。n为极限分割次数，n-1是四叉树最大层数或最大高度。 5.2.5.1 四叉树的分割过程：按顺序为左上，右上，左下，右下。若线性四叉树表示为的栅格矩阵时，最多可进行n次四叉树分割，最大高度和层数均为n-1。0123 5.2.5.2 常规四叉树编码方法：存储4个叶结点指针,一个父指针,一个属性；结点之间借助指针联

15、系。缺点：数据存储量较大，操作比较复杂；主要用在数据索引和图幅索引等方面。 5.2.5.3 线性四叉树编码方法：只存储最后叶结点的信息,含结点的位置、深度和属性。特点：数据存储量大大减少，应用广泛。分为两种：基于四进制的编码方法、基于十进制的编码方法。 例1、基于四进制的编码方法：求第7行，第6列的Morton码？解：行的二进制为111，列的二进制码为110，Morton码为2*111+110=332。 例2、基于十进制的编码方法：求第10行第13列的Morton码？解：10的二进制码为1010，13的二进制码为1101，即1010110111011001 10： 13： Morton： 将二

16、进制Morton码转换为十进制：转换结果为217。6、矢量结构与栅格结构的相互转换6.1 矢量向栅格的转换（P79） 6.1.1 栅格化过程包括以下操作：确定栅格矩阵(行列数分辨率)；点的变换；线的变换；面的变换。 6.1.2 面的转换：包括边界的转化和面域的填充，其中面域填充的方法有内部点扩散法、扫描算法、复数积分算法、射线算法、边界代数算法。 6.1.3 射线算法：可逐点判断数据栅格点在某多边形之外或在多边形内，由待判点向图外某点引射线，判断该射线与某多边形所有边界相交的总次数，如相交偶数次，则待判点在该多边形外部，如为奇数次，则待判点在该多边形内部。采用射线算法，要注意的是：射线与多边形

17、边界相交时，有一些特殊情况会影响交点的个数，必须予以排除。 6.1.4 边界点跟踪算法(扫描算法)：多边形边界的栅格单元确定后，从边界上的某栅格单元开始，按顺时针方向跟踪单元格，以保证多边形位于前进方向的右方。将边界经过的每个格网赋予字符R、L、N中的一个，直至回到起始点。其中R代表右，行数一直增加的单元为R；L代表左，行数一直减少的单元为L；N代表中，与相邻单元行数相同或出现极值现象的单元均赋值N。最后逐行扫描，以多边形同一属性值充填所有与之间的栅格单元。对于多边形中的岛，则按逆时针方向跟踪。这样，岛区内将不充填。(以行为标准：行增加的为R,减少的为L，行不变的为N) 6.1.5 内部点扩散

18、算法(种子点填充算法)：该算法由每个多边形一个内部点（种子点）开始，向其八个方向的邻点扩散，判断各个新加入点是否在多边形边界上，如果是边界上，则该新加入点不作为种子点，否则把非边界点的邻点作为新的种子点与原有种子点一起进行新的扩散运算，并将该种子点赋以该多边形的编号。重复上述过程直到所有种子点填满该多边形并遇到边界停止为止。扩散算法程序设计比较复杂。 6.1.6 复数积分算法：对全部栅格阵列逐个栅格单元地判断该栅格归属的多边形编码，判别方法是由待判点对每个多边形的封闭边界计算复数积分，对某个多边形，如果积分值为2i，则该待判点属于此多边形，赋以多边形编号，否则在此多边形外部，不属于该多边形。右

19、行 6.1.7 边界代数算法：是一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式转换算法，它适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构。下图表示转换单个多边形的情况，多边形编号为a，模仿积分求多边形区域面积的过程，初始化的栅格阵列各栅格值为零，以栅格行列为参考坐标轴，由多边形边界上某点开始顺时针搜索边界线，当边界上行时，位于该边界左侧的具有相同行坐标的所有栅格被减去a；当边界下行时，该边界左边（前进方向看为右侧）所有栅格点加一个值a，边界搜索完毕则完成了多边形的转换。(左行、右行时不改变栅格各点的值。) 单个多边形的转换7、矢栅一体化数据结构7.1 矢栅一体化概念：将矢量面对目标的方法和栅格元子充填

20、的方法结合起来，具体采用填满线状目标路径和充填面状目标空间的表达方法作为一体化数据结构的基础。每个线状目标除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格；每个面状目标除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。一方面，它保留了矢量的全部性质，以目标为单元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓扑关系；另一方面，它建立了栅格与地物的关系，即路径上的任一点都直接与目标建立了联系，这就是矢栅一体化数据结构的基本概念。7.2 矢栅一体化的约定：地面上的点状地物是地球表面上的点，它仅有空间位置，没有形状和面积，在计算机内部仅有一个位置数据；地面上的线状地物是地球表面的空间曲线，它有形状但没有面积，它在平面上的

21、投影是一连续不间断的直线或曲线，在计算机内部需要用一组元子空间填满整个路径；地面上的面状地物是地球表面的空间曲面，并具有形状和面积，它在平面上的投影是由边界包围的紧致空间和一组填满路径的元子表达的边界组成。四、地理信息系统数据采集与处理1、数据格式转换方法：外部数据交换方式、标准空间数据交换方式、空间数据互操作方式。2、空间数据压缩处理：间隔取点法、垂距法和偏角法、Douglas-Peucker方法。2.1 间隔取点法：特点是可大量减少弧段顶点序列中点的个数，但不一定能恰当地保留弧段曲线的大弯曲部分。2.2 垂距法和偏角法：如下图所示2.3 Douglas-Peucker方法（细读 P116）

22、：思想：在曲线上取有限个点，将其变为折线，并且能够在一定程度上保持原有的形状。具体步骤：在曲线首尾两点A、B之间连接一条直线段AB，该直线称为曲线的弦；得到曲线上离该直线段距离最大的点C，并计算其与AB的距离d；比较该距离与预先给定阈值的大小，如果小于，则将该直线段作为曲线的近似，该段曲线处理完毕；如果距离大于阈值，则用C将曲线分为两段AC和BC，并分别对两段曲线进行1-3步的处理；当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成的折线，即可作为曲线的近似。3、拓扑关系生成（细读 P119）：以多边形（具有公共边界）为例进行介绍。首先进行结点匹配；然后建立结点-弧段拓扑关系（其中产生两个文件表：

23、结点所关联的弧段、弧段两端的结点）；最后是多边形自动生成（实际是建立多边形-弧段拓扑关系，并将弧段关联的左右多边形填入弧段文件中。各结点关联的弧段按方位角大小排序（由x轴逆时针方向量算）。）4、空间索引（细读）4.1 概念：是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息，如对象的标识、外接矩形及指向空间对象实体的指针。4.2 空间索引类型：实体范围索引、格网索引、四叉树空间索引、BSP树空间索引、R树和R+树空间索引、Cell空间索引。（重点掌握格网索引和四叉树空间索引，R树和R+树的区别，了解BSP树空间索引和Cell树索引

24、即可。） 4.2.1 实体范围索引：记录每个空间实体的外接矩形的最大和最小坐标。特点：没有建立真正的空间索引文件，依靠空间计算来进行判别，仍然需要对整个数据文件的空间实体进行检索，花费时间较大。 4.2.2 格网型空间索引：基本思想是将研究区域用横竖线条划分大小相等和不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实体。当用户进行空间查询时，首先计算出用户查询对象所在格网，然后再在该网格中快速查询所选空间实体，这样一来就大大地加速了空间索引的查询速度。（重点掌握P121-P122Peano码编码模型、基于Peano码的格网空间索引） 4.2.3 四叉树空间索引：根据所有空间对象覆盖的范围，进行四叉树分割

25、，使每个子块中包含单个实体，然后根据包含每个实体的子块层数或子块大小，建立相应的索引。见下图，边长为包括实体的最小正方体的边长，Peano码为该正方体中的最小Peano码值。 4.2.4 R树和R+树：R树是根据地物的最小外包矩形建立，可以直接对空间中占据一定范围的空间对象进行索引。同时将空间位置相近的实体的外接矩形重新组织为一个更大的虚拟矩形。R树：虚拟矩形尽可能不重叠。R+树：允许虚拟矩形重叠，允许一个空间实体被多个虚拟矩形包围；尽量保持每个虚拟矩形内包含相同个数的下层虚拟矩形或实体外接矩形。R树结构示意图R+树空间索引示例5、空间数据质量5.1 空间数据质量概念：是指空间数据在表达空间位

26、置、属性特征以及时间信息时能够达到的准确性、一致性、完整性，以及三者之间统一性的程度。5.2 空间数据质量相关概念 5.2.1 准确性：一个记录值与它的真实值之间的接近程度。 5.2.2 精度：数据精度表示数据对现象描述的详细程度。 5.2.3 空间分辨率：两个可测量数值之间最小的可辨识的差异。 5.2.4 比例尺：地图上一个记录的距离和它所表现的“真实世界”的距离之间的一个比例。 5.2.5 误差：测量值和真实值之间的差别。 5.2.6 不确定性：包括空间位置的不确定性、属性不确定性、时域不确定性、逻辑上的不一致性以及数据的不完整性。五、空间分析与建模1、缓冲区分析1.1 概念：缓冲区分析是

27、地理空间目标的一种影响范围或服务范围，它是对一组或一类地理要素（点、线或面）按设定的距离条件，围绕这组要素而形成具有一定范围的多边形实体，从而实现数据在二维空间扩展的信息分析方法。1.2 基本作用：例如在一个城市中，要对某个地区做一些改变，就需要知道该地区及周边地区一定距离（如500m）范围内的所有单位或居民；在林业方面，要求距河流两岸一定范围内规定出禁止砍伐树木的林带，以防止水土流失；在地震带要按照断裂线的危险等级，绘出围绕每一断裂线的不同宽度的缓冲带，作为警戒线的标识；或在街区改造中，要统计沿某条街两侧200m以内三层楼以下的建筑物分布情况等。1.3 基本类型：点缓冲区、线缓冲区、面缓冲区

28、。2、空间叠加分析2.1 概念：在同一空间参照系统条件下，将同一地区两个地理对象的图层进行叠加，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。2.2 作用：例如植被类型图和土壤类型图通过合成叠加可以得到某个具体区域种了什么样的植被以及这个区域的土壤是哪种类型的；行政图和土壤图进行叠加后可以得到某个地区有哪些类型的土壤和每种土壤类型占的面积。3、网络分析的概念、组成和作用3.1 概念：一个由点线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动。3.2 空间网络的基本要素 3.2.1 链：网络中流动的管线，如街道、河流、水管等，其状态属性包括阻力和需求。 3.2.2 结点：网络中链的结点，如港口、车站、电站等，其状态属性包括阻力和需求等。结点中又有下面几种特殊的类型：障碍，禁止网络中链上流动的点；拐点，出现在网络链中的分割结点上，状态属性有阻力，如拐弯的时间和限制；中心，是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、电站等；站点，在路径选择中资源增减的结点。3.3 主要用途：选择最佳路径；选择最佳布局中心的位置。3.4 最短路径算法：重点掌握P170例题。4、DTM和DEM4.1 DTM数字地面模型：利用一个任意坐标场中大量选择