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福大地理学与地理信息工程专业考研复习材料

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一枝梅 发表于 2011-5-12 10:04:52 |显示全部楼层
第1章 GIS概述
1、信息和数据
    信息(Information)是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征,
数据是一种未经加工的原始资料。例如,从实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息;从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息;从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。
数据包括空间数据和属性数据。
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,它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。
地理信息的特征
3、地理信息除了具有信息的一般特性,还具有以下独特特性:
(1)空间分布性。(2)数据量大。(3)信息载体的多样性。
4、一个简单的GIS定义
    简单的说,GIS系统将描述位置(地方)的层信息结合在一起,通过这些信息可以使你更好地认识这个位置(地方)。你可以按照需要选择使用哪些层信息,比如找一个更好的地段设立店铺、分析环境危害、通过综合城市中相同的犯罪,发现犯罪类型等等。
GIS系统是将描述“在什么地方”的信息与描述“这是什么”的信息相链接的制图软件。与画在纸上的地图不同,GIS是“所见即所得”的,一个GIS地图关联许多不同的层信息。
5、同纸质地图一样,GIS产生的数字地图也是用象素或点表示诸如城市这样的信息,用线表示道路这样的信息、小块表示湖泊等信息。
但是不同的是,这些信息都来自数据库,并且只在用户选择显示它们的时候才被显示。数据库中存储着诸如这个点的位置、道路的长度、甚至湖泊的面积等信息。
为什么分层是如此重要呢?GIS同纸质地图相比,强大之处就是运用GIS你可以根据你行动的目的去选择你想看的信息。
6、GIS的应用涵盖个人到政府的各个层次:大众应用、企业(专业)应用、政府决策支持等。
GIS应用领域遍及交通、国土资源、公共安全、城市建设、电力、水利、农林、环境保护、金融、电信、地矿等国民经济各领域。
如城市管理信息系统,就包括城市生活的方方面面:综合、地下管线、配电、小区物业、电力配备、有线电视收费、消防、公安综合、110报警、交通、电缆输配、供电调度、房地产经营、电信配线、旧房改造等。
所有与空间位置相关的地方都应该使用空间信息系统!
7、“5.12”汶川大地震抗震救灾中,地理信息系统在以下六方面发挥了重要作用。
1) 疾病监测;2) 重点基础设施保护 ;
3) 应急指挥与管理:事件密度分析和事件类型分析;响应分析 ;人员分析。  
4) 移动和车载制图 ;5) 公众信息 ;6 )资源跟踪和管理
8、GIS定义—概念框架
地理信息系统
    地理信息系统又称GIS(Geographic information system)系统。 GIS就是一个专门管理地理信息的计算机软件系统,它不但能分门别类、分级分层地去管理各种地理信息;而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合分析等;还能查询、检索、修改、输出、更新等。地理信息系统具有数据输入、预处理功能、数据编辑功能、数据存储与管理功能、数据查询与检索功能、数据分析功能、数据显示与结果输出功能、数据更新功能等。 简单的说GIS可以分为以下四部分:
  • 人员,是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务,开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足,但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。
  • 数据,精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
  • 硬件,硬件的性能影响到处理速度,使用是否方便及可能的输出方式。
  • 软件,不仅包含GIS软件,还包括各种数据库,绘图、统计、影像处理及其它程序。
9、GIS属于信息系统的一类,不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和教浅的地表下空间)空间要素的位置和属性,在GIS中的两种地理数据成分:空间数据,与空间要素几何特性有关;属性数据,提供空间要素的信息。
10、        GIS的技术优势在于它的空间分析能力
    GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空间模拟和空间决策支持等,可产生常规方法难以获得的重要信息,这是GIS的重要贡献。
•        GIS的操作对象为空间数据
•        空间数据特征:几何、属性、时间数据;
•        空间数据组织:矢量结构、栅格结构;
•        空间数据管理:
    几何数据:文件; 属性数据:关系数据库
11、自19世纪以来就得到广泛应用的地图(包括地形图和专题图)——模拟的图形数据库和描述地理的文献著作——模拟的属性数据库相结合,构成了地理信息系统的基本概念模型。
12、新阶段所面临的问题
    1)地理信息系统越来越作为一组嵌入式部件被集成在更为综合的计算机系统中去,需要从更高的层次总体上把握和设计整体的技术解决方案,而不是象以前过分强调各个系统的不同特征与相对独立性 。
2)涉及地理信息系统技术的各个要素,包括计算机硬件、软件、数据、网络、人力资源、相关政策等,以及它们之间相互联系更为复杂,使得具体的应用过程中对它们的品质和行为难以控制和维护。
3)一个应用过程的若干施工阶段或工艺流程之间的有机联系与合理组织,非常困难;
4)地理信息系统资源的共享与重用,是个大问题;
5)网络环境下地理信息系统资源的合理分配、负责与安全性;
第2章 GIS的地理基础

2.1.1地理实体和地理数据
1、地理实体和地理数据概念
        GIS的研究对象是地理实体。即指地球表层自然现象和社会经济要素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,具有很强的尺度特征。
        GIS中的地理实体是一个概括、复杂、相对的概念。如:面状实体在小比例尺表达时可能成为点状实体。点状实体在大比例尺可视化里也许就成为面状实体。
        地理数据用于描述空间要素的空间位置,或离散或连续。
        根据空间特征,地理实体也可分为离散型和连续型两种;也可进一步简化、抽象分为点、线、面、体等实体类型。
2、地理数据与地理实体的关系
        所有地理数据都是地理实体的概括,反映地理实体在地表分布的定位数据都是依据一定的地表定位参照系统。
        地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示,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。但地理实体以什么形式存储和处理反映了实体空间、属性和时间三个特征,也是地理空间分析的三大基本要素。
        空间特征包括地理位置和空间关系,定位数据描述地物所在位置,这种位置既可以根据大地参照系定义,如大地经纬度坐标,也可以定义为地物间的相对位置关系,如空间上的距离、邻接、重叠、包含等;
        属性特征又称为非空间特征,是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标(包括名称、等级、类别等),即描述了信息的非空间组成部分,包括语义与统计数据等;
        时间特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段,反映时序变化等,时间数据对环境模拟分析非常重要。
3、GIS处理的对象是同时具有空间特征、属性特征和时空特征的空间数据
4、对同一个地面物体(地理事件)而言,地理信息系统中存储了三种基本类型的信息:
1)、空间信息2)、属性信息3)、时间信息
5、.地理数据与比例尺
        地理数据是有选择地表示那些反映客观世界的主要地理实体及其重要特征,其表示的地理实体的数量和特征的详略程度主要受地图比例尺和影像空间分辨率的影响,如图2.4所示。
        地图比例尺反映了制图区域和地图的比例关系
        比例尺的含义:
    在GIS中,地理数据对地理实体概括描述的程度主要以地图比例尺表示。地图比例尺定义为地图上一条直线段的长度与其在地面上相应的水平投影长度之比。地图比例尺主要有三种形式:数字式、说明式和图解式。GIS在地图形式显示或输出地理数据时,经常使用图解式比例尺。这是因为随着显示在计算机屏幕上的地图的放大或缩小,图解比例尺相应地按比例拉长或缩短。
6、.地理数据的分类与编码
(1)属性数据编码
编码是指确定属性数据的代码的方法和过程。代码是一个或一组有序的易于被计算机或人识别与处理的符号,是计算机鉴别和查找信息的主要依据和手段。编码的直接产物就是代码,而分类分级则是编码的基础。
(2)分类编码的原则
        分类的基本原则是:科学性、系统性、可扩性、实用性、兼容性、稳定性、不受比例尺限制及灵活性等。
(3)分类码和标识码
        分类码是直接利用信息分类的结果制定的分类代码,用于标记不同类别信息的数据。分类码一般由数字、或字符、或数字字符混合构成。
        标识码是间接利用信息分类的结果,在分类的基础上,对某一类数据中各个实体进行标识,以便能按实体进行存储和逐个进行查询检索。标识码通常由定位分区和各要素实体代码两个码段构成 。
2.1.2地理实体类型及空间关系
1、地理实体空间基本类型及表示方法
        按空间分布特征,地理实体类型可划分为点、线、面、体。相应地实体的维数就有0、1、2、3 维之分。
        地理数据根据点、线、面和体的划分来描述地理实体的空间分布及其专题特性。
地理实体的基本类型及表示方法 见教材表2.1
2、GIS 数据结构
1)、点状实体  点或节点、点状实体。点:有特定位置,维数为0的物体
2)、线状实体 具有相同属性的点的轨迹,线或折线,由一系列的有序坐标表示
3)、面状实体(多边形) 是对湖泊、岛屿、地块等一类现象的描述。在数据库中由一封闭曲线加内点来表示。
4)、体、立体状实体
3、 地理实体的空间关系
  a、 拓扑关系、距离关系、方向关系
b、拓扑关系种类: ① 关联性;②邻接性;③连通性;④包含性
c、拓扑数据结构存储

d、拓扑关系对GIS空间分析的意义
    拓扑关系对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义。表现为:
        第一,拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系,它比几何关系具有更大的稳定性,不随地图投影而变化;
        第二,拓扑有助于空间要素的查询,利用拓扑关系可以解决许多实际问题(如区域的邻接和相邻问题分析);
        第三,根据拓扑关系可重建地理实体,这对于虚拟GIS发展很有利。
2.1.3地理数据、地理实体与图层
        在GIS中,地理数据是以图层(Map Layer 或Coverage)为单位进行组织和存储的。
        一幅图层表示一种类型的地理实体,它包含了以一定的栅格或矢量数据结构组织的有关同一地区、同一类型地理实体的定位和属性数据,这些数据相互关联,存储在一起形成一个独立的数据集(Dataset)。
        由于一幅图层反映某一特定的主题,因此,它又称为专题数据层(Thematic Data Layer)。
        图层表示法就是以图层为结构表示和存储综合反映某一地区的自然、人文现象的地理分布特征和过程的地理数据,这种方法实际上源自传统的专题地图表示法。专题地图主要用于反映某一主题地理现象的分布特征,一个地区的自然和人文地理综合特征是通过使用一系列的专题地图来表示的。存储在GIS中的每一幅图层可看作是一幅反映单一主题现象的专题地图,但是,一个图层只能用于描述单一地理实体(点、线或面)。
1、地理数据或实体分层基本原则和方法
(1)在划分图层时遵循基本的原则有:
①不同的图形对象类型存放在不同的图层;
②基础地理数据作为单独图层;
③依系统对各种数据的处理方式不同而分层存放。
(2)实施的方法:
①专题分层;②时间序列分层;③几何特征分层
2、地理数据或实体分层的目的
     地理数据分层后便于空间数据的管理、查询、显示和分析等。
2.3.1坐标系统
1、与GIS有关的坐标系统主要有:
        1.地理坐标,属于球面坐标系统;
        2.投影坐标,属于平面坐标系统。
2、常见的坐标系   
    地方独立坐标系;地方独立坐标系; 地方独立坐标系;1984国家大地坐标;2000国家大地坐标p52
2.3.1地图投影
        将地球椭球面上的点映射到平面上的方法,称为地图投影
1、地图投影:投影实质
        建立地球面与投影平面上点的一一对应关系:x=f1(B,l)   y=f2(B,l)
        当给定不同的具体条件时,将得到不同类型的投影方式。        
    投影(Project)的含义是指建立两个点集间一一对应的映射关系。同样,在地图学中,地2、地图投影就是指建立地球表面上的点与投影平面上点之间的一一对应关系。地图投影的基本问题就是利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。
3、地图投影:投影变形
        定义:将不可展的地球椭球面展开成平面,并且不能有断裂,则图形必将在某些地方被拉伸,某些地方被压缩,故投影变形是不可避免的。
        投影变形:长度变形;面积变形;角度变形
4、投影方式

几何投影 :方位投影;圆柱投影;圆锥投影

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一枝梅 发表于 2011-5-12 10:05:18 |显示全部楼层
5、地图投影:投影选择因素
        制图区域的地理位置、形状和范围
        制图比例尺
        地图内容
        出版方式
6、地图投影:我国常用地图投影
我国的基本比例尺地形图(1:5千,1:1万,1:2.5万,1:5万,1:10万,1:25万,1:50万,1:100万)中,大于等于50万的均采用高斯-克吕格投影(Gauss-Kruger),这是一个等角横切椭圆柱投影,又叫横轴墨卡托投影(Transverse Mercator);
小于50万的地形图采用等角正轴割园锥投影,又叫兰勃特投影(Lambert Conformal Conic);
海上小于50万的地形图多用等角正轴圆柱投影,又叫墨卡托投影(Mercator)。
一般应该采用与我国基本比例尺地形图系列一致的地图投影系统。
7、高斯-克吕格投影及其在地形图中的应用
投影条件:
1)、中央经线和赤道投影为平面直角坐标系的坐标轴。
2)、投影后无角度变形。
3)、中央经线投影后保持长度不变。
变形规律:
在同一纬线上,长度比随经差增大而增大;在同一经线上,长度比随纬度减小而增大。
8、地图投影与GIS(p53)
        地图是GIS的主要数据来源,在采集地图数据并输入GIS的过程中,就要考虑地图投影的系统配置。为确保GIS在同一系统内或在不同系统之间的信息(或数据)能够实现交换和共享,配准是第一步。否则后续所有基于GIS的空间分析、处理及应用都是不可能的。
        注意:这里所说的“处理”指的是“投影和重新投影”,前者是指将数据集从地理坐标转换成投影坐标,后者是指从一种投影坐标转换成另一种投影坐标。
9、地图投影在GIS中的作用(p53)
10、统一地图投影系统 (p54)
11、统一的地图投影系统的意义
   为GIS选择和设计一种或几种适用的地图投影系统和网格坐标系统,可以为各种地理信息的输入、输出及匹配处理提供一个统一的定位框架,使各种来源的地理信息和数据能够具有共同的地理基础,并在这个基础上反映出它们的地理位置和地理空间关系特征。
2.4.1 时间的本质和含义
        时间有时刻和时段两重含义,时刻是指无限流逝时间中的某一瞬间,就像时间尺度上的刻度与标记——用以确定事件发生的先后,如:年代、月份、日期、时、分、秒等;而时段是指任意两时刻之间的间隔——用以衡量事件经历的长短,如:年数、月数、日数、时数、分数、秒数等。
第3章 GIS数据采结构和空间数据库
    (在地理信息系统中描述地理要素和地理现象的)空间数据,主要包括空间位置、拓朴关系和属性三个方面的内容。
    数据结构即指数据组织的形式,是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。
    空间数据结构则是指地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。  
3.1 数据结构
1、在GIS领域,目前普遍采用了两种数据模型:
•        基于目标的
•        基于场的
2.、常用的数据结构有两种:
•        基于矢量的
•        基于栅格的

3、常用的矢量数据结构有简单矢量数据结构、拓扑数据结构和不规则三角网数据结构三种。
4、泰森多边形可用于GIS定性分析、统计分析、邻近分析等。
泰森多边形具有以下特性。
(1)每个泰森多边形内仅含有一个离散点数据。
(2)泰森多边形内的点到相应离散点的距离最近。
(3)位于泰森多边形边上的点到其两边的离散点的距离相等。
3.1.2栅格数据结构表示法
1、栅格数据结构表示法以规则网格描述地理实体,记录和表示地理数据。
栅格数据在计算机中可以有多种存储方式,主要包括:
•        栅格矩阵;游程编码;链编码(Chain Coding);四叉树(Quadtree)
2、四叉树编码
四叉树(简称QT)编码的思路是把地理空间(特别是多边形区域信息)定量划分为可变大小的网格,每个网格具有相同性质的属性,它是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。
四叉树结构的原理可以表述为:将二维区域按照四个象限进行递归分割(2n×2n,且n≥1),直到子象限的数值单调为止。凡数值(特征码或类型值)呈单调的单元,不论单元大小,均作为最后的存储单元。这样,对同一种空间要素,其区域格网的大小,随该要素分布特征而不同,四叉树结构在数据存储与检索方面效率很高。
3.1.3面向对象的数据结构表示法
1、面向对象的概念
•        面向对象模型是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。
•        对象指可以识别、可以描述的实体。
•        这些数据操作和运算行为都称为对象的方法。
•        对象的特点:① 具有一个唯一的标识,以表明其存在的独立性;② 具有一组描述特征的属性,以表明其在某一时刻的状态——静态属性数据;③ 具有一组表示行为的操作方法,用以改变对象的状态——作用、功能—函数、方法。
通过寻找共同点,所有具有共性的系统成分就可为一种对象。根据对象的共性,及对它研究的目的可划分为类、实例和消息等。
2、面向对象数据模型
•        面向对象数据的模型是以对象的属性和方法来表示、记录和存储地理数据的,而且地理实体的定位特性与专题属性一样,都表示为对象的属性。每一个对象都属于一个类别。
3、面向对象的特性
•        面向对象具有以下三个特性。
•        (1)封装:指把对象的状态及其操作集成化,使之不受外界影响。这种将对象的属性和方法包装在一起并加以隐藏的特性,也称为“对象的封闭性”。
•        (2)继承:继承是指这样一种能力:它可以使用现有类的所有功能,并在无需重新编写原来的类的情况下对这些功能进行扩展。
•        (3)多态:是指同一消息被不同对象接收时,可解释为不同的含义。同一消息,对不同对象,功能不同。功能重载多态,简化消息,但功能不减。
3.2 GIS空间数据库
•        GIS空间数据主要有定位和属性两种 。
•        GIS空间数据存储结构主要有文件和数据库两种形式。
•        文件是指数据记录以某种结构方式在外存储设备上的组织,它是数据组织的一种较高层次形式,文件组织的方式有顺序文件、索引文件 、直接存取文件、索引连接文件、多关键字文件。
•        数据库是由若干相关文件构成的系统,
1、空间数据库是空间数据库系统的简称。
2、空间数据库定义:
是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储和应用的相关的地理空间数据的总合。
3、空间数据特征:
1)空间特征:一般需要建立空间索引。
2)非结构化特征:
        结构化的,即满足第一范式:每条记录定长,且数据项是原子数据.而空间数据数据项变长,对象包含一个或多个对象,需要嵌套记录。
3)空间关系特征: 拓扑数据给空间数据的一致性和完整性维护增加了复杂性。  
4)分类编码特征:
一种地物类型对应一个属性数据表文件。多种地物类型共用一个属性数据表文件。
5)海量数据特征。
4、空间数据库的特点
1)数据量特别大;
2)数据种类多,复杂;
3)数据应用面相当广。
5、在建立地理空间数据库时,一方面应遵循和应用通用的数据库的原理和方法;另一方面又必须采取一些特殊的技术和方法来解决其他数据库所没有的问题。
6、数据库系统的基本结构:一般可分为三个层次
•        内模式
•        概念模式
•        外模式
7、层次模型
层次模型是一种基本层次联系的集合,它实际上是一种有根定向的有序树。
层次模型反映了实体之间的层次关系,简单、直观,易于理解,并在一定程度上支持数据的重构。
8、网状模型
网状模型是指一个连通的基本层次联系的集合,如图所示。复杂的网总可以分解成若干个基本结构,即分解成系。系有系主(只有一个)和系属(可以有多个),系主和系属之间有关系,而且关系是双向的。
网状模型反映地理世界中常见的多对多关系,支持数据重构,具有一定的数据独立和数据共享特性,且运行效率较高。
9、关系模型
关系模型是由许多二维关系表组成的集合。关系模型中所有数据都按表格存放,有关系的数据放在一张表上,表与表之间有连接。
10、在GIS分析中,常常需要综合运用实体之间的空间关系和属性数据,要求GIS数据库能对实体的属性数据和空间数据进行综合管理。
•        传统数据库模型在数据库发展中尽管起了重要作用,但仍然存在许多的不足,主要表现为:
(1)以记录为基础的结构不能很好地面向用户和应用。
(2)不能以自然的方式表示客体之间的关系。
(3)语义贫乏。
(4)数据类型太少,难以满足应用需要。
11、面向对象数据模型是在包含RDBMS的功能基础上,增加面向对象数据模型的封装、继承和信息传播等功能。
12、空间数据库与一般数据库比较,具有以下特点:
①海量数据。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的位置特征、属性特征、时间特征,其数据量往往很大。
②管理数据类型多。既能管理属性数据,又能管理空间数据。
③数据应用面广。目前GIS数据已涉及到地理研究、环境保护、土地利用与规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等领域。
3.2.2空间数据库的设计
1、空间数据库的设计问题,其实质是将地理空间实体以一定组织形式在数据库系统中加以表达的过程,也就是GIS中空间实体数据模型化问题。
数据库设计的整个过程包括以下几个典型步骤
(1)需求分析;(2)概念设计 ;(3)逻辑设计 ;(4)物理设计
数据库设计过程:

2、结构设计
空间数据结构设计,结果是得到一个合理的空间数据模型,是空间数据库设计的关键。
   空间数据库设计的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,也就是地理信息系统中空间实体的模型化问题。

3、数据字典设计
    数据字典用于描述数据库的整体结构、数据内容和定义等。一个好的数据字典可以说是一个数据的标准规范,它可使数据库的开发者依此来实施数据库的建立、维护和更新。
数据字典的内容包括:
4、数据库的总体组织结构、数据库总体设计的框架、各数据层详细内容的定义及结构、数据命名的定义、元数据(有关数据的数据,是对一个数据集的内容、质量条件及操作过程等的描述)等内容。
5、数据库的重要部分是数据字典。它存放有数据库所用的有关信息,对用户来说是一组只读的表。用户可以用SQL语句访问数据库中的数据字典。
3.2.3空间数据库的实现和维护
1、空间数据库的实现
      根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果,就可以在计算机上创建起实际的空间数据库结构,装入空间数据,并测试和运行,这个过程就是空间数据库的实现过程,它包括:
①建立实际的空间数据库结构;
②装入试验性的空间数据对应用程序进行测试,以确立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有情况;
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。
2、SQL查询语言包括三部分内容。
1.数据定义DDL (Data Definition Language )
    实现数据表、数据视图的框架定义,建立索引。
2.数据管理DML (Data Manipulation Language)
    实现数据的追加、删除、插入、维护等数据管理。
3.数据控制DCL (Data Control Language)
    实现事务、进程管理,对安全性进行控制
3、基于Windows的GIS软件包可以同时进行地图、统计图和表格的使用,适合作数据探查。GIS中的数据探查类似于统计学中的数据分析,但也有区别。第一,GIS数据探查包括对空间数据与属性数据探查,空间数据是新的数据探查;第二,GIS数据探查的表达主要是地图和地图特征可视化。尽管如此,GIS数据探查包括属性数据查询、空间数据查询、以及地理可视化的表达 。
第4章 GIS数据采集和数据处理
空间信息的获取是一个空间信息系统建设的首要任务。一个空间信息系统建设,70%以上的工作(费用)将花费在空间信息的获取上面。
4.1 GIS数据源
1、GIS数据源自地图数据、遥感数据、文本资料、统计资料(电子和非电子数据)、地表实测数据、野外测量或GPS数据、多媒体数据和已有系统的数据等,其中,遥感数据(RS Data)和全球定位系统数据(GPS Data)是GIS的重要数据源。
2、纸质地图(Hardcopy Map)和图表是GIS的主要数据源,它不仅含有实体的类别和属性,而且含有实体间的空间关系。
3、地图数据主要通过对纸质地图的跟踪数字化和扫描数字化获取。
4.1.2遥感数据
1、遥感(Remote Sensing ):利用自然界的电磁波、或人工发射电磁波、或利用地物自身的电磁波,将波谱及其几何位置记录下来,判读(解译)地表物体的分布规律,实现对地表远距离、非接触的观察。
2、GPS由空间部分、控制部分和用户设备三部分组成。
3、为整合各种来源的空间数据并进行数据处理,对于数据的分类和编码是很重要的。
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。
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4.2.1地理数据的分类
1、分类概念及原则
        拟定分类体系是进行空间数据编码的工作基础,其目的是识别要素和提供要素的地理含义
        地理数据的分类体系由两部分组成,即类型名称和描述。
        分类与编码主要原则。如:① 标准化和通用化;② 唯一性和代表性;③ 清晰性和明确性;④ 可扩充性和稳定性;⑤ 完整性和易读性。
4.2.2地理数据的编码
1、通用地理编码的基本要求包括:
  ① 要素识别(即地方名称、实体类型、地址等);
  ② 要素位置(用于唯一地识别实体在地表上的位置);
  ③ 要求特征(属性);
  ④ 作用范围描述;
  ⑤ 提供地理定义。
2、地震应急所需的基础数据可以分为9类
(1)地图类        (2)社会经济统计类
(3)地震基础数据类(4)工程地震资料类
(5)灾害影响背景类(6)灾害相关因素类
(7)救灾力量储备类(8)震时紧急联络类
(9)地震应急预案与法规类
规范中关于各种空间图(分布图)的数据项均指这些空间数据图所应包含的属性数据表的数据项。
4.3 GIS数据采集和输入
1、地理数据采集主要指实地调查和采样,包括野外考查、GPS定位等。所选择的数据源资料一般要经过预处理(对空间数据分幅、分层和分专题要素)才能借助数字化或其它途径转换成空间数据库可用的数据。
2、空间地理数据无论是来源于数字数据,还是来源于模拟数据,都需要与所使用的GIS软、硬件相兼容。模拟数据,需经过数字化才能输入到GIS中;常用的模拟数据输入方法有:手工数字化、自动数字化(包括扫描)和键盘输入等。
3、资料准备,区域标定
一般包括如下几项内容:
① 基础原始数据的确定;② 数据分类项目的确定;③ 数据标准准确性的确定(即数据编码)。
4、进行地理基础的三个统一
地理基础的三个统一,即:投影、比例尺、分类分级编码的统一
4.3.2几何图形数据的采集
1、数字化方式
在GIS工程中,地图数字化是目前获取空间数据的主要途径。一般有两种作业方式:一种是使用数字化仪来进行手扶跟踪数字化,另外一种则是将纸图用扫描仪扫描成栅格图像后,进行矢量化。
常用的有三种:(1)手扶跟踪数字化;(2)屏幕数字化;(3)扫描数字化
2、屏幕跟踪矢量化一般步骤:
(1)准备扫描图像。
(2)栅格图像配准:选择投影和单位、输入控制点以及编辑控制点。
(3)新建数字化图层
(4)屏幕跟踪矢量化地图
3、自动数字化主要有两种方法:扫描和自动跟踪数字化。
4、扫描仪数字化数据在GIS中主要有两个用途。
一是扫描输出的地图和相片数字影像按照一定的地表坐标参照系定位,可用作显示矢量数据背景。
二是经扫描以栅格数据格式输出的地图和遥感相片经过一个矢量化过程,可转换成矢量数据。矢量化是将栅格数据转换成矢量数据的过程 。
5、扫描矢量化处理流程:
准备纸质地图→坐标配准→扫描转换→拼接子图块→裁剪地图→屏幕跟踪矢量化→矢量图合成、接边→矢量图编辑→存入空间数据库。
6、屏幕跟踪矢量化流程:
准备扫描图像→选择要数字化的地图→识别该图的投影和坐标系统→在图上选取至少4个控制点并获取控制点的实际地理坐标→然后将地图扫描成GIS软件可识别的栅格图像格式保存。如果没有现成的坐标系统,也可以在图上建立自己的坐标系统并读取相应的控制点的坐标。
4.4 GIS数据处理
4.4.2空间数据坐标的转换
空间数据坐标变换的实质是建立两个平面点之间的一 一对应关系,包括几何纠正和投影转换等。
4.4.3空间数据结构的转换
1、由栅格向矢量转换
        栅格数据转换成矢量数据主要方法为: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。
        一般步骤包括: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;拓扑关系生成和去除多余点及曲线圆滑。
2、栅格向矢量转换处理的目的,是为了将栅格数据分析的结果,通过矢量绘图仪输出,或为了数据压缩的需要,将大量的面状栅格数据转换为由少量数据表示的多边形边界,但是主要目的是为了能将自动扫描仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库。
矢量的实体错误包括伪节点、摇摆结点、碎多边形和标注错误等。为发现并有效地消除误差,3、一般采用如下三种方法进行检查。
(1)目视检查法;(2)逻辑检查法;(3)叠合比较法:
4.4.5空间数据的压缩和综合
数据压缩与地图综合异同:
    相同处:都导致信息量的减少,都是为了缩小存储空间和节省计算处理时间而去掉繁杂细节。
    不同处:数据压缩一般是在无损图解精度的前提下去掉“贡献”小而用插值方法可近似恢复原数据,即数据压缩可用数据的插值加密手段进行逆处理;而制图综合不受图解精度约束,被删除或被派生的信息不可逆。
4.4.6空间数据的插值方法
        空间数据插值(包括内插和外延)是用已知点的数值来估算其他点的数值的过程。在GIS应用中,空间插值主要用于栅格数据,估算出网格中每个单元的值。
        方法主要有:全局方法和局部方法。
        实现全局方法可用趋势面分析、回归分析等;
        实现局部方法可用泰森多边形、密度估算、反距离权重插值、薄板样条函数法、克利金法 。
4.4.7多源空间数据的整合
在GIS空间数据库中,有空间数据、时间数据和属性数据,为了数据共享,我们可以从空间、时序和管理三个方面对区域数据进行整合。一般原则为:
① 空间上应按照统一范式的区域划分;
② 时间上按时序划分为过去、现在和将来,以便GIS时空动态分析;
③ 管理上应依靠通用软件操作的数据要求 。
4.5数据质量和精度控制
1、常见数据输入错误
        图纸移动
        图纸变形
        制图误差
        数字化误差
        各种误差将影响到GIS数据处理的各个环节
2、图形数据误差可分为源误差、处理误差和应用误差3种类型。
3、图形数据误差
       (1)由于地图纸张变形所产生的误差;
       (2)由于数字化时地图定向所产生的误差;
       (3)由于数字化读数所产生的误差;
       (4)数字化操作产生的各种粗差。
4、制图误差
(1)由于地图纸张变形所产生的误差;
  (2)由于数字化时地图定向所产生的误差;         
  (3)由于数字化读数所产生的误差;
  (4)数字化操作产生的各种粗差。
4.5.3 GIS数据质量评价
精度越高,代价越大。GIS数据质量对保证GIS产品的可靠性有重要意义。评价方法:
(1)直接评价法;(2)间接评价法;(3)非定量描述法:
4.5.4空间数据标准
        数据共享主要途径有:
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(Interoperable Geoprocessing)”
4.5.5 GIS元数据
1、元数据的定义
    元数据(Metadata或Data About Data)是关于数据的数据,是对数据做进一步解释和描述的数据,常用来说明数据的来源、所有者、质量以及对数据处理和转换过程的说明等。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。
2、元数据的分类
元数据可以分为高层、中层和底层元数据三类。
4.5.6 GIS互操作
1、互操作的含义:互操作指的是异构环境下两个或两个以上的实体,尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同,但它们可以互相通信和协作,以完成某一特定任务,这些实体包括程序、对象、系统运行环境等。互操作地理信息处理,是指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的信息,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及协作运行空间信息处理的软件)。
2、GIS互操作类型
GIS互操作类型包括软件、数据、语义互操作。
(1)软件互操作:强调软件功能块间的相互调用。
(2)数据互操作:强调数据集之间相互透明的访问。
(3)语义互操作:强调信息的共享,在一定语义约束下(对地理现象共同的理解下)的互操作。
3、GIS 互操作问题和措施
    目前,从所建立的GIS来看,大多被认为是信息孤岛。也就是说,不同系统之间存在互操作问题,具体原因如下。
(1)没有统一的标准,各自采用不同的数据格式、数据存储和数据处理方法。
(2)系统的开发均建立在具体、相互独立和封闭的平台上;且不同应用部门对地理现象有不同的理解,导致对地理信息有不同的定义,使得不同应用系统之间在共同协作时无法进行信息交流和数据共享。
4.5.7 Open GIS 规范
1、Open GIS的提出
     由于现实世界的复杂性,导致地理数据格式多样性。而多数据格式是多源空间数据集成的瓶颈,也是Open GIS提出的基础。
(1)多语义性;(2)多时空性和多尺度;(3)获取手段多源性;(4)存储格式多源性。
2、互操作地理信息的工作方式(OGIS框架)
关于如何实现OpenGIS规范,OpenGIS规范并没有提出具体的标准实施模式,其框架主要由三部分组成。
(1)开放的地理数据模型(Open Geodata Model,OGM);(2)OGIS服务模型(Open Service Model,OSM);(3)信息群模型(Information Communities Model):
第5章 GIS空间分析方法
5.1.1栅格叠加分析
栅格数据的叠加分析主要是逐点运算和区域运算。
1、逐点运算的原理是以网格为单位,即逐个网格地进行栅格数据分析,逐点运算输出的网格值为同点输入网格值的函数。
2、逐点运算可分为三种:
(1)数据的重新分类(Reclassification)
(2)数值计算(Computation)
(3)逐点叠置分析(Location-Specificoverlay Analysis)。
3、区域运算是以区域为单位分析和操作栅格数据,主要有三组:区域单元识别、分区叠置分析和几何量测。
5.1.2栅格缓冲分析
1、栅格数据的缓冲分析原理主要基于邻域运算。它以一个栅格图层为输入,根据每个网格周围某一邻域内所有网格值计算输出网格值,并产生一个新的图层,即邻域运算输出的每一个网格值为该网格邻域内所有输入网格值的函数。
2、邻域运算包括三组:空间聚焦、过滤、坡度和坡向计算。邻域分析就是在特定的实体空间中发现其属性的一致性。领域包括直接邻域和扩展邻域
3、数字高程模型(Digital Elevation Model,缩写DEM)是一定范围内规则格网点的平面坐标(X,Y)及其高程(Z)的数据集,它主要是描述区域地貌形态的空间分布,是通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测),然后进行数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示,可派生出等高线、坡度图等信息,也可与DOM(DOM 数字正射影像 ( Digital Orthophoto Map) )或其它专题数据叠加,用于与地形相关的分析应用,同时它本身还是制作DOM的基础数据。
4、几种DEM的模型比较
规则格网模型 :
•        优点:
–        规则格网的高程矩阵,可以很容易地用计算机进行处理,特别是栅格数据结构的地理信息系统;
–        还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形;
–        为DEM最广泛使用的格式
•        缺点:
–        不能准确表示地形的结构和细部格网;
–        数据量过大,给数据管理带来了不方便;
–        通常要进行压缩存储
等高线模型 :
•        优点:
–        直观
–        便于理解
•        缺点:
–        只表示离散的数据,不能表示连续的数值或面状色彩填充地物特征;
–        不便于坡度计算、地貌晕渲等
不规则三角网模型(TIN):
•        优点:
–        减少规则格网方法带来的数据冗余
–        在计算(如坡度)效率方面有优于纯粹基于等高线的方法
–        利用复杂地形的表达
•        缺点:
–        在地形平坦的地方,存在大量的数据冗余;
–        在不改变格网大小的情况下,难以表达复杂地形的突变现象;
–        某些计算,如通视问题,过分强调网格的轴方向
层次模型
•        优点:
–        数据简单
–         顺序查询
•        缺点:
–        因层次的数据导致数据冗余;
–        自动搜索的效率低, 例如搜索一个点可能先在最粗的层次上搜索,再在更细的层次上搜索,直到找到该点
数据高程模型:栅格数据DEM的表示方法将区域划分成网格,记录每个网格的高程,是线模型到高程矩阵的转换。
•        优点:
–        计算机处理以栅格为基础的矩阵很方便,使高程矩阵成为最常见的DEM;
•        缺点:
–        在平坦地区出现大量数据冗余;若不改变格网大小,就不能适应不同的地形条件;在视线计算中过分依赖格网轴线。
5、        根据窗口内所使用的邻域网格数目以及分配给邻域网格高程值权重的不同,坡度和坡向的计算方法也有所不同。主要有如下三种:
①四网格邻域计算法 ;②八网格邻域计算法;③八网格邻域加权计算法
三种方法,获得的坡度和坡向计算结果有一定的差值。在具体应用时应视精度要求来选择不同的方法。
5.1.3栅格邻域分析
      栅格邻域分析原理除了应用邻域运算外,还可应用广域运算。它是利用超出邻域范围,有时甚至是用全幅所有的输入网格值来计算输出网格值。涉及到与距离有关的分析主要有接近程度(Proximity)、连接状况(Connectivity、通视情况分析(Intervisibility)等。
5.1.4栅格窗口分析
窗口分析中的三个要素:
①        中心点:在单个窗口中的中心点可能就是一个栅格点,或者是分析窗口的最中间的栅格点,窗口分析运算后的数值赋予它(在5.1.1谈及的数值计算)。
②        分析窗口大小与类型:依据的单个窗口中的栅格分布状况,如平滑运算的3×3矩形窗口,扇形窗口等。
③        运算方式:图层根据窗口分析类型运算,依据不同的运算方式获得新的图层,如DEM提取坡度、坡向运算。
5.1.5栅格地形分析
将数字地面模型的地面特征用于描述地面高程,这时的DTM被称为“数字高程模型”,即DEM。数字高程模型是建立各种数字地形模型的基础,通过DEM,可以方便地获得地表的各种特征参数,其应用可遍及整个地学领域。例如在地学分析中,用于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,在工程勘测和设计中,可用于各种线路的自动选线、库坝的选址,以及土方、库容和淹没损失的自动估算等 。
5.2基于矢量数据的GIS分析
1、地理查询运算可分为三种:数据库查询、几何量测和重新分类。
2、当地图视图和表格视图同时显示在屏幕上时,在一个视图上选择的地理实体,在另一个视图上也会同时突出地显示出来。通过使用这两种视图,可以执行以下三种基本查询:①根据属性查询有关地理实体及其分布;②根据地理位置查询地理实体的属性;③根据空间位置的相对关系查询有关的地理实体。
3、缓冲分析:在大部分GIS应用中,使用宽度相等的缓冲带就足够了,但在某些应用中,则要求对不同类型的地理实体或某一地理实体的不同部分采用不同宽度的缓冲带。P151
4、矢量图层叠置分析有三种类型:点包含分析;线包含分析;多边形叠置分析。
5、.多边形叠置分析P153
地图叠置分析经过三个过程,即:
第一,原图,包括三个输入层(Input Layer)叠加;第二,生成叠置图(Combined Layer);第三,生成合成图(Synthesized Layer)。
因此,多边形叠置分析的关键问题是要解决两幅被叠置图的叠置。两幅图多边形叠置处理的基本方法归纳如下几个步骤:
①以组成多边形的线段链为单位,寻找两幅被叠置图之间的图形相交点;
②在交点处,将相交线段链分割成相应数量的新线段链。
③形成新线段链的左、右区属性码,再将新线段链连接组合,形成新的多边形,最后生成叠置图。
6、栅格数据模型和矢量数据模型是描述地理现象最常见、最通用的数据模型。

第7章 GIS可视化及产品输出
1、空间信息表达的通常手段:
文字注记(标注)+ 图例表示 + 专题表现+ 专题
2、电子地图与纸质地图相比,最显著的特征是数据的存贮与数据的显示相分离,由此产生电子地图的一系列新特点::动态性、交互探究性、超媒体结构。
3、在电子地图设计中,为适应其动态性、,交互探究性的超体结构的特点,这一变量体系要进行扩展,包括以下性的符号参量:
        (1)时间(Time);(2)交互操作(Interaction);(3)写实性(Realism);(4)焦点(Focus)
4、传统的地图符号设计原则是基于Bertin视觉参量体系建立起来的,依据符号的七个视觉参量:大小、色相、方位、形状、位置、纹理及饱和度来设计描述地理实体不同方面的性质特征。
5、GIS不仅是一个可操作的信息处理系统,同时可以输出多种形式的信息产品。GIS输出主要有:传统的纸质地图(集)、以数字形式存贮的电子地图(集)以及统计表、文本、图表、数字模型等非地图形式的信息产品。
6、GIS输出电子地图的主要工作就是要在图形可视化方面再加工,达到图形精美表达,通过与其他图形处理系统接口弥补其不足。
第8章 GIS设计方法及应用
1、GIS 作为一个特殊的软件领域,其主要特点是海量数据存储及空间数据与属性数据一体化管理,是能处理、分析地理空间数据的一类信息系统。GIS开发一般具有两个方面的含义:
(1)从底层开发一个通用的工具型GIS。
(2)借助通用的GIS开发平台(多为商业化GIS)进行二次开发,完成专用GIS的开发任务;或从底层根据应用目的开发一个专用的GIS。
2、GIS按其应用的特点,可以划分为工具型GIS、应用型GIS和大众型GIS。

3、应用型GIS,就是应用目的明确,与特定的地理区域相联系。应用型GIS一般具有如下特点:
        区域性;目的性;核心应用模型;专业用户界面
4、运用系统工程的原理、方法研究地理信息系统建设开发的方法、工具和管理的一门工程技术称为“GIS工程”。
5、GIS工程的建设从计划立项到产品运行涉及到多个环节,参照其他系统的研制过程,用工程化的方式有效地管理GIS建设的全过程,可分为六个阶段:
        可行性研究;用户需求分析;系统总体设计;系统详细设计;系统实现;运行与维护。
六个阶段可看作是GIS 工程建设的生命周期。尽管系统开发随应用领域和功能要求不同而不同,且具体内容也有所差别。
6、        组织机构可分为三个层次:高层是领导小组,中层是总体技术组,底层是各种工作组。
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yirene2013 发表于 2013-4-24 05:00:29 |显示全部楼层
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