中国石油大学(华东)808地理信息系统复习资料

1．GIS的基本概念
（1）地理信息、地理数据的概念；信息系统的类型；
1.地理数据
地理数据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、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。

2.地理信息
地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。

在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。

3.信息系统的类型
1）事物处理系统主要用以支持操作层人员的日常活动。

它主要负责处理日常事务。

2）管理信息系统需要包含组织中的事务处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围的数据。

许多战术层提供的信息能按照该层管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。

但是，为战术层管理者提供的另外一部分信息和大多数为战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。

这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑战。

3）决策支持系统能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策。

该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者制定决策。

它是基于计算机的交互式的信息系统，由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决策效果。

4）人工智能和专家系统专家系统是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统。

专家系统扩大了计算机的应用范围，使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。

MIS能提供信息帮助制定决策，DSS 能帮助改善决策的质量，只有专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。

专家系统由五个部分组成：知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获得系统。

（2）GIS的定义、特征、分类、组成、基本功能、研究内容、发展趋势等；
1.地理信息系统的定义
地理信息系统的定义是由两个部分组成的。

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的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

2.地理信息系统具有以下三个方面的特征：
第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；
第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；
第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

3.地理信息系统的分类
4.地理信息系统的构成
与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。

其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映GIS 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。

5.地理信息系统的基本功能
6.地理信息系统的研究内容
地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生，地理信息系统的应用使技术系统不断完善，并逐渐发展了地理信息系统的理论；理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统，并不断拓宽其应用领域，加深应用的深度；地理信息系统的应用，又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。

这三个方面的研究内容是相互联系相互促进的。

（3）GIS与CAD和CAM的区别；OpenGIS、WebGIS、ComGIS的概念思想、特点等；
1.GIS与CAD和CAM的区别在于：
第一，CAD不能建立地理坐标系和完成地理坐标变换；
第二，GIS的数据量比CAD、CAM大得多，结构更为复杂，数据间联系紧密，这是因为GIS涉及的区域广泛，精度要求高，变化复杂，要素众多，相互关联，单一结构难以完整描述；
第三，CAD和CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能。

2.OpenGIS
开放的地理数据互操作规范由美国OGC(OpenGIS协会提出。

OGC是一个非赢利性组织，目的是促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的互操作
性，OGC会员主要包括GIS相关的计算机硬件和软件制造商，数据生产商以及一些高等院校，政府部门等，其技术委员会负责具体标准的制定工作。

OpenGIS的目标是，制定一个规范，使得应用系统开发者可以在单一的环境和单一的工作流中，使用分布于网上的任何地理数据和地理处理。

它致力于消除地理信息应用（如地理信息系统，遥感，土地信息系统，自动制图/设施管理(AM/FM)系统）之间以及地理应用与其它信息技术应用之间的藩篱，建立一个无“边界”的、分布的、基于构件的地理数据互操作环境，与传统的地理信息处理技术相比，基于该规范的GIS软件将具有很好的可扩展性、可升级性、可移植性、开放性、互操作性和易用性。

3.WebGIS
简言之，就是利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术。

由于HTTP协议采用基于C/S的请求/应答机制，具有较强的用户交互能力，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据，而GIS中的信息主要是需要以图形、图像方式表现的空间数据，用户通过交互操作，对空间数据进行查询分析。

这些特点，就使得人们完全可以利用Web来寻找他们所需要的空间数据，并且进行各种操作。

2．空间数据结构及编码
（1）空间数据的概念、特点；
地理数据也可以称为空间数据（SpatialData）。

空间数据就是以不同的方式和来源获得的数据，如地图、
各种专题图、图像、统计数据等，这些数据都具有能够确定空间位置的特点。

空间对象的定义取决于嵌入式空间的结构。

常用的嵌入式空间类型有：
（1）欧氏空间，它允许在对象之间采用距离和方位的量度，欧氏空间中的对象可以用坐标组的集合来表示；（2）量度空间，它允许在对象之间采用距离量度（但不一定有方向）；
（3）拓扑空间，它允许在对象之间进行拓扑关系的描述（不一定有距离和方向）；
（4）面向集合的空间，它只采用一般基于集合的关系，如包含、合并及相交等。

（2）拓扑关系的概念、拓扑关系的表示方法和意义、拓扑属性与非拓扑属性的判别；
1.拓扑关系的概念
2.拓扑关系的意义
3.拓扑关系的表达
有现实世界中的两个简单实体A、B，B（A）、B（B）表示A、B的边界，I（A）、I（B）表示A、B的内部，E（A）、E（B）表示A、B余。

对于该矩阵中的每一元素，都有“空”与“非空”两种取值，9个元素总共可产生512种情形。

9交模型形式化地描述了离散空间对象的拓扑关系，基于9交模型，可以定义空间数据库的一致性原则，并应用于数据库更新、维护中。

4.拓扑属性与非拓扑属性的判别
（3）栅格数据结构及其编码方法
1.栅格数据结构
栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。

因此，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。

2.编码方法
直接栅格编码
直接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，可以每行都从左到右逐个象元记录，还可采用其他特殊的顺序。

压缩编码
1）链码
1.效地压缩栅格数据
2.而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便
3.比较适合于存储图形数据。

缺点是
1.对边界进行合并和插入等修改编辑工作比较困难
2.对局部的修改将改变整体结构，效率较低
3.链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的边
界将被重复存储而产生冗余。

2）游程长度编码
游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法。

它的基本思路是：
1.对于一幅栅格图像
2.常常有行或列方向上相邻若干点具有相同的属性
代码
3.因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。

3）块码
1.采用方形区域作为记录单元
2.每个记录单元包括相邻的若干栅格
3.数据结构由初始位置和半径
4.再加上记录单位的代码组成。

4）四叉树
四叉树将整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元，分割的原则是：
1.将图像区域划分为四个大小相同的象限
2.而每个象限又可根据一定规则判断是否继续等分
为次一层的四个象限，
3.其终止判据是，只要划分到仅代表一种地物或符
合要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否
则一直划分到单个栅格象元为止。

（4）矢量数据结构及其编码方法；
1.矢量数据结构
1.地理信息系统中另一种最常见的图形数据结构为矢量结构，
2.即通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，
3.坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义，
4.其精度仅受数字化设备的精度和数值记录字长的限制，一般情况下比栅格结构精度高得多。

2.编码方法
1.对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；
2.对于线实体，在数字化时即进行量化，就是用一系列足够短的直线首尾相接表示一条曲线，当曲线被分割成多而短的线段后，这些小线段可以近似地看成直线段，矢量结构中只记录这些小线段的端点坐标，将曲线表示为一个坐标序列，坐标之间认为是以直线段相连，在一定精度范围内可以逼真地表示各种形状的线状地物；
3.“多边形”在地理信息系统中是指一个任意形状、边界完全闭合的空间区域。

其边界将整个空间划分为两个部分：包含无穷远点的部分称为外部，另一部分称为多边形内部。

（5）矢量与栅格一体化数据结构的基本概念
1.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。

2.每个面状地物除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。

3.点状、线状、面状地物均采用面向目标的描述方法，完全保持矢量的特性，
4.元子空间充填表达建立了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。

（6）栅格与矢量结构的优缺点、以及两者的相互转换的算法原理；
矢量格式向栅格格式的转换
1）内部点扩散算法
1.该算法由每个多边形一个内部点（种子点）开始，
2.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，
3.如果是边界上，则该新加入点不作为种子点，
4.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。

5.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。

2）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，
1.对某个多边形，如果积分值为2PIR，
2.则该待判点属于此多边形，赋以多边形编号，
3.否则在此多边形外部，不属于该多边形。

3）射线算法和扫描算法
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，
1.如相交偶数次，则待判点在该多边形外部，
2.如为奇数次，则待判点在该多边形内部。

4）边界代数算法
初始化的栅格阵列各栅格值为零，
1.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，
2.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；
3.当边界下行时，该边界左边所有栅格点加值a，
4.边界搜索完毕则完成了多边形的转换。

栅格格式向矢量格式的转换
1.多边形边界提取：采用高通滤波将栅格图像二值化或以特殊值标识边界点；
2边界线追踪：对每个边界弧段由一个结点向另一个结点搜索，通常对每个已知边界点需沿除了进入方向的其他7个方向搜索下一个边界点，直到连成边界弧段；
3．拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段数据，判断其与原图上各多边形的空间关系，以形成完整的拓扑结构并建立与属性数据的联系；
4．去除多余点及曲线圆滑：由于搜索是逐个栅格进行的，必须去除由此造成的多余点记录，以减少数据冗余；搜索结果，曲线由于栅格精度的限制可能不够圆滑，需采用一定的插补算法进行光滑处理，
3．空间数据管理
（1）空间数据管理经过的阶段、各阶段的特点；（一）初级式的管理模式：代表性GIS为ArcInfo的Coverage文件管理模式。

其空间分析功能和属性处理功能分别直接调用空间数据文件和属性数据文件进行数据处理。

（二）混合式的管理模式：代表性GIS为ArcInfo、ArcViewGis的Shape文件和MapInfo的.TAB文件等管理模式。

其空间分析功能调用空间数据管理模块对空间数据文字进行处理，属性数据利用属性数据库行管理。

（三）扩展式的管理模式（引擎方式）：代表性GIS 为ArcInfo的GeoDatabase。

它是在常规数据库管理系统之上添加空间数据库引擎，以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理的能力。

（四）集成式的管理模式：代表性系统为OracleSpatialCartridge(对象--关系数据库）。

它是直接对常规数据库管理系统进行功能扩展，加入一定数量的空间数据存储与管理功能。

（2）空间数据库的特点;采用标准DBMS存储空间数据的主要问题；
1.空间数据库特点
空间数据库与一般数据库相比，具有以下特点：
1）数据量特别大，地理系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置，其数据量往往很大。

2）不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系。

3）数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等
2.采用标准DBMS存储空间数据的主要问题
用标准的DBMS来存储空间数据，不如存储表格数据那样好，其主要问题包括：
（1．1）在GIS中，空间数据记录是变长的，因为需要存储的坐标点的数目是变化的，而一般数据库都只允许把记录的长度设定为固定长度。

不仅如此，在存储和维护空间数据拓扑关系方面，DBMS也存在着严重的缺陷。

因而，一般要对标准的DBMS增加附加的软件功能。

（1．2）DBMS一般都难以实现对空间数据的关联、连通、包含、叠加等基本操作。

（1．3）GIS需要一些复杂的图形功能，一般的DBMS 不能支持。

（1．4）地理信息是复杂的，单个地理实体的表达需要多个文件、多条记录、或许包括大地网、特征坐标、拓扑关系、空间特征量测值、属性数据的关键字以及非空间专题属性等，一般的DBMS也难以支持。

（1．5）具有高度内部联系的GIS数据记录需要更复杂的安全性维护系统，为了保证空间数据库的完整性，保护数据文件的完整性，保护系列必须与空间数据一起存储，否则一条记录的改变就会使其他数据文件产生错误。

一般的DBMS都难以保证这些。

（3）空间数据管理系统的模式的类型；
目前，主要有三种主要的数据管理方法，即文件、关系和面向对象。

1）普通文件管理：普通文件管理提供基本的文件处理和分类能力；
2）关系型数据库管理系统（RDBMS）：关系型数据库管理系统建立在关系理论的基础上，采用多个表来管理数据，每个表的结构遵循一系列“范式”进行规范化，以减少数据冗余。

3）面向对象的数据库管理系统：面向对象的数据库是一种正在成熟的技术，它通过增加抽象数据类型和继承特性以及一些用来创建和操作类和对象服务，实现对象的持续存储。

（4）空间索引的定义，空间索引类型；
1格网型空间索引
1.其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，
2.记录每一个格网所包含的空间实体。

3.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，
4.再在该网格中快速查询所选空间实体。

2 BSP树空间索引
BSP树是一种二叉树，它将空间逐级进行一分为二的划分。

1.BSP树能很好地与空间数据库中空间对象的分布
情况相适应，
2.但对一般情况而言，BSP树深度较大，对各种操
作均有不利影响。

3 KDB树空间索引
1.KDB树是B树向多维空间的一种发展。

2.它对于多维空间中的点进行索引具有较好的动态特性，删除和增加空间点对象也可以很方便地实现；
3.其缺点是不直接支持占据一定空间范围的地物要素。

4 R树和R+树
1.R树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。

2.R树的每一个结点N都对应着磁盘页D（N）和区域I（N），
3.如果结点不是叶结点，则该结点的所有子结点的区域都在区域I（N）的范围之内，而且存储在磁盘页D （N）中；
4.如果结点是叶结点，那么磁盘页D（N）中存储的将是区域I（N）范围内的一系列子区域，子区域紧紧围绕空间对象，一般为空间对象的外接矩形。

5 CELL树
它在空间划分时不再采用矩形作为划分的基本单位，而是采用凸多边形来作为划分的基本单位，具体划分方法与BSP树有类似之处，子空间不再相互覆盖。

4．空间数据处理
（1）几何纠正（仿射变换、相似变换二次变换）、投影变换；
1.几何纠正（2）常见的拓扑错误类型；
1）伪节点，伪节点使一条完整的线变成两段，造成伪节点的原因常常是没有一次录入完毕一条线。

2）悬挂节点，如果一个节点只与一条线相连接，那么该节点称为悬挂节点，悬挂节点有多边形不封闭、不及和过头，节点不重合等几种情形。

3）“碎屑”多边形或“条带”多边形
条带多边形一般由于重复录入引起，由于前后两次录入同一条线的位置不可能完全一致，造成了“碎屑”多边形。

另外，由于用不同比例尺的地图进行数据更新，也可能产生“碎屑”多边形。

4）不正规的多边形不正规的多边形是由于输入线时，点的次序倒置或者位置不准确引起的。

在进行拓扑生成时，同样会产生“碎屑”多边形。

（3）多边形拓扑关系的自动建立算法；
（4）边缘匹配的概念；
（5）空间数据的内插方法；
空间插值常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其它空间现象的分布模式进行比较，它包括了空间内插和外推两种算法。

空间内插算法是一种通过已知点的数据推求同一区域其它未知点数据的计算方法；空间外推算法则是通过已知区域的数据，推求其它区域数据的方法。

空间插值方法可以分为整体插值和局部插值方法两类。

整体插值方法用研究区所有采样点的数据进行全区特征拟合；局部插值方法是仅仅用邻近的数据点来估计未知点的值。

整体插值方法通常不直接用于空间插值，而是用来检测不同于总趋势的最大偏离部分，在去除了宏观地物特征后，可用剩余残差来进行局部插值。

由于整体插值方法将短尺度的、局部的变化看作随机的和非结构的噪声，从而丢失了这一部分信息。

局部插值方法恰好能弥补整体插值方法的缺陷，可用于局部异常值，而且不受插值表面上其它点的内插值影响。

（6）数据质量的评定与控制；1.数据质量的评定
2.数据质量的控制
（7）空间数据误差来源与类型；
空间数据的误差类型
5．空间分析原理与方法
（1）常见的空间数据查询与量算方法；
1.空间查询
1）基于空间关系查询
空间实体间存在着多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关系。

通过空间关系查询和定位空间实体是地理信息系统不同于一般数据库系统的功能之一。

2）基于空间关系和属性特征查询
传统的关系数据库的标准SQL并不能处理空间查询，这是由于关系数据库技术的弱点造成的，对于GIS而
言，需要对SQL进行扩展。

对于传统的SQL，要实现空间操作，需要将SQL命令嵌入一种编程语言中。

3）地址匹配查询
根据街道的地址来查询事物的空间位置和属性信息是地理信息系统特有的一种查询功能，这种查询利用地理编码，输入街道的门牌号码，就可知道大致的位置和所在的街区。

2.空间量算方法
1几何量算
一般的GIS软件都具有对点、线、面状地物的几何量算功能，或者是针对矢量数据结构，或者是针对栅格数据结构的空间数据。

2形状量算
面状地物形状量测的两个基本考虑：空间一致性问题，即有孔多边形和破碎多边形的处理；多边形边界特征描述问题。

3质心量算
质心是描述地理对象空间分布的一个重要指标。

4距离量算
“距离”是人们日常生活中经常涉及到的概念，它描述了两个事物或实体之间的远近程度。

最常用的距离概念是欧氏距离，无论是矢量结构，还是栅格结构都很容易实现。

（2）常见的矢量数据分析方法：叠置分析、缓冲区分析及网络分析的基本概念、相关算法和应用
1.缓冲区分析
缓冲区分析是研究根据数据库的点线面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法。

2.叠置分析
多边形叠置分析也称为polygon-on-polygon，它是指就同一地区、同一比例尺的两组或多组多边形数据文件进行叠置。

3.网络分析
网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好。

最短路径
(1)令起点K标号为零，其他结点标号为∞。

(2)对未被定标的结点全部给出暂时标号，值为min[j
旧标号，(i旧标号+wij)]，这里i是前一步刚被标定结点，wij是边eij的权，如果结点i和j不相邻接，wij=∞。

(3)找出所有暂时标号的最小值，用它作为相应结点的固定标号。

如果存在几个有同一最小标号值的结点，则可任取一个加以定标。

(4)重复进行(2)与(3)，直至指定的终点L被定标时为止。

用此法可直接得到由起点K到其他结点的最短路径的长度，那就是该结点的定标数值。

（1）常见的栅格数据分析方法：局部运算、邻域运算、分带运算、成本距离量测等。

1.局部运算
局部运算是一个单元接一个单元的运算，是栅格运算的基本操作。

单一格网的局部运算：
以输入格网的单元值按照用户指定的运算规则计算
新格网的单元格的值。

多个格网的局部运算必须基于相同的坐标进行，因此不涉及坐标的转换或计算
多个格网的（联合）局部运算可以有较多的运算方法和类型。

2.邻域运算
邻域运算是对中心单元格的周围单元格作计算，并把值赋给中心单元格。

邻域运算可以进行多种统计量运算，其意义是数据简化。

邻域运算用于图像处理中信号增强或平滑也有重要作用。

3.分带运算
1.分带运算用于处理相同数值或相似要素的单元组，这些组称为地带，地带未必是连续的。

2.分带运算一般采用2个格网，一个是输入格网，一个是分带格网，分带运算对分带格网中每个地带概括出每个输入格网的单元值。

4.距离量测运算
1.距离量测运算是计算离开指定源单元的距离的栅格计算。

2.距离量测中量测距离的单元与源单元在同一个格网中，由于距离量测的范围覆盖整个区域（格网），因此又称为扩展的领域运算。

（4）泰森多边形的定义；泰森多边形的自动建立；1.泰森多边形的定义
Voronoi图，又叫泰森多边形或Dirichlet图，它由一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。

N个在平面上有区别的点，按照最近邻原则划分平面：每个点与它的最近邻区域相关联。

Delaunay三角形是由与相邻Voronoi多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。

Delaunay三角形的外接圆圆心是与三角形相关的Voronoi多边形的一个顶点。

Delaunay三角形是Voronoi图的偶图
2.建立泰森多边形
建立泰森多边形算法的关键是对离散数据点合理地连成三角网，即构建Delaunay三角网。

建立泰森多边形的步骤为：
1、离散点自动构建三角网。

对离散点和形成的三角形编号，记录每个三角形是由哪三个离散点构成的。

2、找出与每个离散点相邻的所有三角形的编号，并记录下来。

3、对与每个离散点相邻的三角形按顺时针或逆时针方。