地理信息系統(tǒng)原理與方法復(fù)習(xí)

1、第一章 GIS概述1、GIS的定義：GIS是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機(jī)軟硬件的支持下，對與空間相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、處理、組織管理、操作、分析、模擬顯示和輸出，并采用地理模型分析方法，實(shí)時提供地理信息，為復(fù)雜的規(guī)劃、管理和決策服務(wù)而建立起來的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)2、地理數(shù)據(jù)、地理信息與地圖：地理數(shù)據(jù) 是指表征地理圈或地理環(huán)境固有要素或物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、聯(lián)系和規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像、圖形等的總稱。地理信息 是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征、和運(yùn)動狀態(tài)的表征和一切有用的知識，它是對地理數(shù)據(jù)的解釋。具有區(qū)域性、多維結(jié)構(gòu)特性和時序特征。地圖 是將地理環(huán)境諸要素按照一定的數(shù)學(xué)法則，運(yùn)用符號系統(tǒng)并

2、經(jīng)過制圖綜合縮繪于平面上的圖形，以傳遞各種自然和社會現(xiàn)象的數(shù)量與質(zhì)量的空間分布和聯(lián)系以及隨時間的發(fā)展變化情況。3、地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成：計算機(jī)硬件系統(tǒng)，計算機(jī)軟件系統(tǒng)，地理數(shù)據(jù)，人員，（系統(tǒng)管理操作人員，用戶），應(yīng)用模型計算機(jī)系統(tǒng)是核心，空間數(shù)據(jù)反映GIS的地理內(nèi)容，管理人員和用戶決定系統(tǒng)的工作方式和信息表達(dá)方式。5、GIS的產(chǎn)生GIS起源于地圖自動制圖、土地調(diào)查和人口普查計算機(jī)科學(xué)的興起和它在航空攝影測量學(xué)與地圖制圖學(xué)中的應(yīng)用，以及政府部門對土地利用規(guī)劃與資源管理的要求，使人們開始有可能用計算機(jī)來收集、存貯和處理各種與空間和地理分布有關(guān)的圖形和有屬性的數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)的分析來為管理和決策服務(wù)

3、1960年，加拿大測量學(xué)家R.F.Tomlinson 提出了把地圖變成數(shù)字形式的；1963年又提出GIS這一術(shù)語，并于1971年建立了第一個GIS加拿大GIS（CGIS）隨后GIS以燎原之勢在全世界迅速發(fā)展起來6、 地理信息系統(tǒng)的核心問題位置，條件，變化趨勢，模式，模型7、 GIS的發(fā)展趨勢（從最終用戶的角度）：8、GIS是 全球 影像分析 衛(wèi)星 的縮寫第二章 空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)模型9、地理空間的定位GIS中的空間概念常用“地理空間”來表述，一般包括地理空間定位框架及其所連接的空間對象地理空間定位框架即大地測量控制，由平面控制網(wǎng)和 高程控制網(wǎng)組成坐標(biāo)類型：大地坐標(biāo)（L,B,H）、空間直角坐標(biāo)（

4、參心和地心）（x,y,z） 、平面直角坐標(biāo)國內(nèi)使用的三種坐標(biāo)系：54北京坐標(biāo)系、80國家大地坐標(biāo)系、CGCS2000坐標(biāo)系。不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)，通過一定數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在一定精度范圍內(nèi)可以互相轉(zhuǎn)換。10、拓?fù)鋵傩?在拉伸和壓縮變換下能夠保持不變的幾何屬性，稱為拓?fù)鋵傩?。拓?fù)鋵傩砸粋€點(diǎn)在一個弧段的端點(diǎn)一個弧段是一個簡單弧段（弧段自身不相交）一個點(diǎn)在一個區(qū)域的邊界上一個點(diǎn)在一個區(qū)域的內(nèi)部一個點(diǎn)在一個區(qū)域的外部一個點(diǎn)在一個環(huán)的內(nèi)部一個面是一個簡單面（面上沒有“島”）一個面的連續(xù)性（給定面上任意兩點(diǎn)，從一點(diǎn)可以完全在面的內(nèi)部沿任意路徑走向另一個點(diǎn)）非拓?fù)鋵傩詢牲c(diǎn)之間的距離一個點(diǎn)指向另一個點(diǎn)的方向弧

5、段的長度一個區(qū)域的周長一個區(qū)域的面積11、元數(shù)據(jù)的概念元數(shù)據(jù)（Metadata）是關(guān)于數(shù)據(jù)的描述性數(shù)據(jù)信息，是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)的內(nèi)容、質(zhì)量、狀況和其他有關(guān)特征的背景信息。元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)的描述性數(shù)據(jù)信息，它應(yīng)盡可能多地反映數(shù)據(jù)集自身的特征規(guī)律，以便于用戶對數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確、高效與充分的開發(fā)與利用，不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫，其元數(shù)據(jù)的內(nèi)容會有很大差異。通過元數(shù)據(jù)可以檢索、訪問數(shù)據(jù)庫，可以有效利用計算機(jī)的系統(tǒng)資源，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理和二次開發(fā)等?？茖W(xué)界關(guān)于元數(shù)據(jù)認(rèn)識的共同點(diǎn)是：元數(shù)據(jù)的目的就是促進(jìn)數(shù)據(jù)集的高效利用，并為計算機(jī)輔助軟件工程（CASE）服務(wù)。 常見的元數(shù)據(jù)：圖書館卡片、磁盤的標(biāo)簽、地圖的

6、制圖元素（圖名、圖例、比例尺、制圖單位、制圖時間等）等。12、空間數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價：準(zhǔn)確性（Accuracy）：一個記錄值（測量或者觀察值）與它的真實(shí)值之間的接近程度；空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性通常是根據(jù)所指的位置、拓?fù)浠蛘叻强臻g屬性來分類的；可以用誤差（Error）來衡量空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。精度（Precision）：數(shù)據(jù)精度表示數(shù)據(jù)對現(xiàn)象描述的詳細(xì)程度數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的區(qū)別： 精度低的數(shù)據(jù)不一定準(zhǔn)確度也低；數(shù)據(jù)精度如果超出了測量儀器的已知準(zhǔn)確度，這樣的紀(jì)錄數(shù)字在效率上是冗余的；例如：在設(shè)計精度為0.1mm的數(shù)字化儀上測量返回的坐標(biāo)數(shù)據(jù)為（10.11mm,12.233mm），其中就含有冗余的數(shù)據(jù)；空間

7、分辨率（Spatial Resolution）：分辨率是兩個可測量數(shù)值之間最小的可辨識的差異；空間分辨率可以看作是記錄變化的最小幅度；空間分辨率示例：地圖上最細(xì)線寬度對應(yīng)的地理范圍，遙感圖像上一個像素代表的實(shí)際地理范圍大小空間分辨率 數(shù)據(jù)精度比例尺（Scale）：地圖上一個記錄的距離和它所表現(xiàn)的“真實(shí)世界”的距離之間的一個比例。地圖比例尺決定地圖上一條線的寬度所表現(xiàn)的地面距離。比例尺是刻畫數(shù)據(jù)精度的量，比例尺確定后，最小線寬代表地圖的空間分辨率。誤差（Error）：描述測量值和真實(shí)值之間的差別；在大部分情況下，誤差的大小是很不準(zhǔn)確的，因?yàn)榇郎y量的真實(shí)值往往無法得到；研究如何給出誤差大小的最佳估

8、計以及誤差傳播規(guī)律，是很有用的；誤差的分析包括: 位置誤差（如點(diǎn)、線、多邊形的位置誤差）；屬性誤差；位置和屬性誤差之間的聯(lián)系。不確定性（Uncertainty）對于空間信息科學(xué)技術(shù)來說，數(shù)據(jù)的正確性與錯誤并存，正常與異常并存，精確與粗糙并存，質(zhì)量高與質(zhì)量低并存，什么時候是正確的，什么時候不正確的，這些都屬于不確定性現(xiàn)象；GIS中數(shù)據(jù)的不確定性包括：位置的不確定性、屬性的不確定性、時域的不確定性、邏輯上的不一致性以及數(shù)據(jù)的不完整性；研究不確定性可以更好的了解測量數(shù)據(jù)的性質(zhì)。數(shù)據(jù)的不確定性包括：位置的不確定性（指GIS中某一被描述的物體與其地面上真實(shí)物體位置上的差別。）屬性的不確定性（指某一物體在

9、GIS中被描述的屬性與其真實(shí)屬性之間的差別。）時域的不確定性（指在描述地理現(xiàn)象時，時間描述上的差別。）邏輯上的不一致性（指數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不一致性，尤其是指拓?fù)溥壿嬌系牟灰恢滦?。）?shù)據(jù)的不完整性（指對于給定的目標(biāo)，GIS沒有盡可能完全地表達(dá)該物體。）第三章 GIS中的數(shù)據(jù)13、空間數(shù)據(jù)的特征包括：空間特征（表示現(xiàn)象的空間位置或現(xiàn)在所處的地理位置。）空間特征又稱為幾何特征或定位特征，一般以坐標(biāo)數(shù)據(jù)表示，例如笛卡爾坐標(biāo)等。屬性特征（表示實(shí)際現(xiàn)象或特征，例如變量、級別、數(shù)量特征和名稱等等。）時間特征（指現(xiàn)象或物體隨時間的變化，其變化的周期有超短期的、短期的、中期的、長期的等等。）14、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量

10、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是利用歐幾里得幾何學(xué)中的點(diǎn)、線、面及其組合來表示地理實(shí)體空間分布的一種數(shù)據(jù)組織方式。每一個空間實(shí)體的地理位置是用它們在坐標(biāo)參考系統(tǒng)中的一系列有序的x、y坐標(biāo)來表示的。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是面向地物的結(jié)構(gòu)，即對于每一個具體的目標(biāo)都直接賦有位置和屬性信息以及目標(biāo)之間的拓?fù)潢P(guān)系說明。矢量數(shù)據(jù)僅有一些離散點(diǎn)的坐標(biāo)，在空間表達(dá)方面沒有直接建立位置和地物的關(guān)系。矢量數(shù)據(jù)組織方式能最好地逼近地理實(shí)體的空間分布特征，數(shù)據(jù)精度高，數(shù)據(jù)存儲的冗余度低，便于進(jìn)行地理實(shí)體的網(wǎng)絡(luò)分析，但對于多層數(shù)據(jù)的疊合分析比較困難。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（也稱面條數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）、拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和曲面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)15、柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)

11、結(jié)構(gòu)指將空間分割成各個規(guī)則的網(wǎng)格單元，然后在各個格網(wǎng)單元內(nèi)賦以空間對象相應(yīng)的屬性值的一種數(shù)據(jù)組織方式。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示的是二維表面上地理要素的離散化數(shù)值，每個網(wǎng)格對應(yīng)一種屬性，其空間位置用行和列標(biāo)識。任一位置由格網(wǎng)的行，列號定義，該位置的屬性為柵格單元的值。網(wǎng)格邊長決定了柵格數(shù)據(jù)的精度，但無論網(wǎng)格邊長多細(xì)，與元實(shí)體特征相比，信息都會有丟失?？梢酝ㄟ^最小多邊形的精度標(biāo)準(zhǔn)來確定網(wǎng)格尺寸，使得柵格數(shù)據(jù)既能有效地逼近地理實(shí)體，又能最最大限度降低數(shù)據(jù)冗余。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為柵格矩陣結(jié)構(gòu)、游程編碼結(jié)構(gòu)、四叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和十六叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)15、柵格結(jié)構(gòu)編碼方法：直接?xùn)鸥窬幋a； 鏈碼； 游程長編碼

12、； 塊碼； 四叉樹編碼。16、矢量與柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的比較第四章 空間數(shù)據(jù)獲取、處理和管理17、誤差或錯誤主要包括空間數(shù)據(jù)不完整或重復(fù) ；空間數(shù)據(jù)位置不準(zhǔn)確 ；空間數(shù)據(jù)比例尺不準(zhǔn)確 ；空間數(shù)據(jù)變形 ；屬性和數(shù)據(jù)連接有誤 ；屬性數(shù)據(jù)不完整 。18、圖形拼接在對底圖進(jìn)行數(shù)字化以后，由于圖幅比較大或者使用小型數(shù)字化儀時，難以將研究區(qū)域的底圖以整幅的形式來完成，這是需要將整個圖幅劃分成幾部分分別輸入，在所有部分都輸入完畢后進(jìn)行圖形拼接。 19、空間數(shù)據(jù)處理類別數(shù)據(jù)變換：是數(shù)據(jù)從一種數(shù)學(xué)狀態(tài)到另一種數(shù)學(xué)狀態(tài)的變換。內(nèi)容：幾何糾正/校正；投影變換；輻射糾正/校正。目的：空間數(shù)據(jù)的幾何配準(zhǔn)數(shù)據(jù)重構(gòu)：數(shù)據(jù)從一種結(jié)

13、構(gòu)、格式到另外一種結(jié)構(gòu)、格式的轉(zhuǎn)換內(nèi)容：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；格式變換；類型替換。目的：解決空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、格式和類型上的統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的無縫融合數(shù)據(jù)提取：對數(shù)據(jù)按照某種條件進(jìn)行提取內(nèi)容：類型提??；窗口提取；空間內(nèi)插目的：解決不同用戶對數(shù)據(jù)的特定需求。20、坐標(biāo)變換21、遙感影像的糾正選用和遙感影像比例尺相近的地形圖或正射影像圖作為變換標(biāo)準(zhǔn)，選用合適的變換函數(shù)，分別在要糾正的遙感影像和標(biāo)準(zhǔn)地形圖或正射影像圖上采集同名地物點(diǎn)。采點(diǎn)： 先采源點(diǎn)(影像)，后采目標(biāo)點(diǎn)(地形圖)。 均勻布點(diǎn)，點(diǎn)不能太多。 盡量選不會移動的地物點(diǎn)。22、數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換 不同介質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換 柵格

14、矢量，矢量柵格同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同組織形式的轉(zhuǎn)換 塊狀四叉樹，索引鏈狀雙重獨(dú)立式，23、數(shù)據(jù)融合原因：空間數(shù)據(jù)具有多語義性、多時空性、多尺度性等特征，同時獲取手段多樣、存儲格式不同、數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)格式差異很大。為了數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成，多源數(shù)據(jù)需要進(jìn)行融合處理。定義：數(shù)據(jù)融合是一種多層次的、多方面的處理過程，這個過程是對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、結(jié)合、相關(guān)、估計和組合以達(dá)到精確的狀態(tài)估計和身份估計，以及完整、及時的態(tài)勢評估和威脅估計。類別：不同數(shù)據(jù)格式的交換/融合，遙感與GIS數(shù)據(jù)的融合。24、空間數(shù)據(jù)的壓縮和綜合問題的提出：簡化數(shù)據(jù)記錄 ；節(jié)約存儲量數(shù)據(jù)壓縮的概念 ：指從所取得的數(shù)據(jù)集合S 中抽出一個子集

15、A ，這個子集作為一個新的信息源，在規(guī)定的精度范圍內(nèi)最好地逼近原集合，而又取得盡可能大的壓縮比。 數(shù)據(jù)壓縮的方法：特征點(diǎn)篩選 25、空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插問題的提出：研究具有連續(xù)變化特征的現(xiàn)象，如地形、氣溫、氣壓等。概念：設(shè)已知一組空間數(shù)據(jù)，它們可以是離散點(diǎn)的形式，也可以是分區(qū)數(shù)據(jù)的形式，要從這些數(shù)據(jù)中找到一個函數(shù)關(guān)系式，使該關(guān)系式最好地逼近這些已知空間數(shù)據(jù)，并能根據(jù)該函數(shù)關(guān)系式推求出區(qū)域范圍內(nèi)其他任意點(diǎn)或任意分區(qū)的值。這種通過已知點(diǎn)或分區(qū)的數(shù)據(jù)，推求任意點(diǎn)或分區(qū)數(shù)據(jù)的方法稱為空間數(shù)據(jù)的內(nèi)插。一組空間數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)或任意區(qū)域的空間數(shù)據(jù)。26、掃描后的柵格圖矢量化步驟圖像二值化（Thresho

16、ld），用于從原始掃描圖像計算得到黑白二值圖像（Binary Image），通常將圖像上的白色區(qū)域的柵格點(diǎn)賦值為0；而黑色區(qū)域?yàn)?，黑色區(qū)域?qū)?yīng)了要矢量化提取的地物，又稱為前景。平滑（Smooth），用于去除圖像中的隨機(jī)噪聲，通常表現(xiàn)為斑點(diǎn)。細(xì)化，將一條線細(xì)化為只有一個像素寬，細(xì)化是矢量化過程中的重要步驟，也是矢量化的基礎(chǔ)。鏈?zhǔn)骄幋a，將細(xì)化后的圖像轉(zhuǎn)換成為點(diǎn)鏈的集合，其中每個點(diǎn)鏈對應(yīng)于一條弧段。矢量線提取，將每個點(diǎn)鏈轉(zhuǎn)化成為一條矢量線。每條線由一系列點(diǎn)組成，點(diǎn)的數(shù)目取決于線的彎曲程度和要求的精度。27、數(shù)據(jù)融合原因：空間數(shù)據(jù)具有多語義性、多時空性、多尺度性等特征，同時獲取手段多樣、存儲格式不同

17、、數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)格式差異很大。為了數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成，多源數(shù)據(jù)需要進(jìn)行融合處理。定義：數(shù)據(jù)融合是一種多層次的、多方面的處理過程，這個過程是對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、結(jié)合、相關(guān)、估計和組合以達(dá)到精確的狀態(tài)估計和身份估計，以及完整、及時的態(tài)勢評估和威脅估計。類別：不同數(shù)據(jù)格式的交換/融合，遙感與GIS數(shù)據(jù)的融合。28、不同數(shù)據(jù)格式的融合基于轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)融合采用EOO標(biāo)準(zhǔn)文件格式作為中間轉(zhuǎn)換格式。過程復(fù)雜，次數(shù)頻繁，軟件系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)格式需公開，轉(zhuǎn)換技術(shù)不公開基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)融合（SDTS）采用一種空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)多源GIS數(shù)據(jù)的融合。接讀取、轉(zhuǎn)換次數(shù)少，系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式不需公開，但轉(zhuǎn)換技術(shù)需要

18、公開?；诠步涌诘臄?shù)據(jù)融合（OGC）各軟件可以有自己的數(shù)據(jù)格式，但對外遵守并達(dá)成一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這個標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)一個公共接口，各個軟件通過該接口互相直接讀取數(shù)據(jù)公共接口獨(dú)立于具體平臺，轉(zhuǎn)換技術(shù)高度抽象，數(shù)據(jù)格式不需公開基于直接訪問的數(shù)據(jù)融合（Geomedia of Intergraph）指在一個GIS軟件中實(shí)現(xiàn)對其他軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問。把其他軟件的數(shù)據(jù)格式都作為自己的數(shù)據(jù)格式，故全部能直接讀取第五章 空間分析29、空間自協(xié)方差最佳插值方法：克里金插值 克里金插值方法的區(qū)域性變量理論假設(shè)任何變量的空間變化都可以表示為下述三個主要成分的和。1與恒定均值或趨勢有關(guān)的結(jié)構(gòu)性成分；2與空間變化有關(guān)的隨機(jī)變量，即區(qū)域性變量；3與空間無關(guān)的隨機(jī)噪聲項(xiàng)或剩余誤差項(xiàng)。區(qū)域變量理論將復(fù)雜的空間變化分為三個部分：(i)地形的平均特性；(ii)空間相關(guān)的不規(guī)則變化；(iii)隨機(jī)的、局部的變化 設(shè)x為一維