湯國(guó)安地理信息系統(tǒng)第2版筆記和典型題含考研真題詳解

1、湯國(guó)安地理信息系統(tǒng)（第2版）筆記和典型題詳解第1章緒論一、地理信息系統(tǒng)的基本概念1信息、地理信息（1）信息和數(shù)據(jù)信息信息是用文字、數(shù)字、符號(hào)、語言、圖像等介質(zhì)來表示事件、事物、現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量或特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界新的事實(shí)和知識(shí)，是生產(chǎn)、建設(shè)、經(jīng)營(yíng)、管理、分析和決策的依據(jù)。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是一種未經(jīng)加工的原始資料。數(shù)字、文字、符號(hào)、圖像都是數(shù)據(jù)。信息和數(shù)據(jù)的關(guān)系信息具有客觀性、適用性、可傳輸性和共享性等特征。數(shù)據(jù)是客觀對(duì)象的表示，而信息則是數(shù)據(jù)內(nèi)涵的意義，是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。信息來源于數(shù)據(jù)。（2）地理信息地理信息的定義地理信息是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表征和一切有用

2、的知識(shí)，它是對(duì)表達(dá)地理特征與地理現(xiàn)象之間關(guān)系的地理數(shù)據(jù)的解釋。地理數(shù)據(jù)的定義地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號(hào)化表示，包括空間位置、屬性特征（簡(jiǎn)稱屬性）及時(shí)域特征三部分。地理空間分析的三大基本要素空間位置、屬性及時(shí)間是地理空間分析的三大基本要素a.空間位置數(shù)據(jù)描述地物所在位置。b.屬性數(shù)據(jù)有時(shí)又稱非空間數(shù)據(jù)，是屬于一定地物、描述其特征的定性或定量指標(biāo)。c.時(shí)域特征是指地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)刻或時(shí)段。(3)地理信息的特征地理信息除了具有信息的一般特性外，還具有以下獨(dú)特特性：空間分布性地理信息具有空間定位的特點(diǎn)，先定位后定性，并在區(qū)域上表現(xiàn)出分布式的特點(diǎn)，其屬性表現(xiàn)為多層次，因此地理

3、數(shù)據(jù)庫的分布或更新也應(yīng)是分布式的。數(shù)據(jù)量大地理信息既有空間特征，又有屬性特征，此外地理信息還隨著時(shí)間的變化而變化，具有時(shí)間特征，因此其數(shù)據(jù)量很大。信息載體的多樣性地理信息的第一載體是地理實(shí)體的物質(zhì)和能量本身，除此之外，還有描述地理實(shí)體的文字、數(shù)字、地圖和影像等符號(hào)信息載體以及紙質(zhì)、磁帶、光盤等物理介質(zhì)載體。2信息系統(tǒng)(1)信息系統(tǒng)的定義信息系統(tǒng)是具有采集、管理、分析和表達(dá)數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)。(2)信息系統(tǒng)的基本組成在計(jì)算機(jī)時(shí)代，信息系統(tǒng)部分或全部由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持，并由計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。另外，智能化的信息系統(tǒng)還包括知識(shí)。(3)信息系統(tǒng)的類型根據(jù)系統(tǒng)所執(zhí)行的任務(wù)，信息系統(tǒng)可分為

4、事務(wù)處理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。事務(wù)處理系統(tǒng)事務(wù)處理系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)的記錄和操作，民航訂票系統(tǒng)是其典型示例之一。決策支持系統(tǒng)決策支持系統(tǒng)是用以獲得輔助決策方案的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般由語言系統(tǒng)、知識(shí)系統(tǒng)和問題處理系統(tǒng)共同構(gòu)成。3地理信息系統(tǒng)(1)地理信息系統(tǒng)的定義地理信息系統(tǒng)有時(shí)又稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”或“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)”，是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。(2)地理信息系統(tǒng)的管理對(duì)象及用途地理信息系統(tǒng)處理、管理的對(duì)象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各

5、種現(xiàn)象和過程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題。(3)地理信息系統(tǒng)的相關(guān)概念GIS的物理外殼GIS的物理外殼是計(jì)算機(jī)化的技術(shù)系統(tǒng)，它又由若干個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成，如數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析子系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出子系統(tǒng)等，這些子系統(tǒng)的優(yōu)劣、結(jié)構(gòu)直接影響著GIS的硬件平臺(tái)、功能、效率、數(shù)據(jù)處理的方式和產(chǎn)品輸出的類型。GIS的操作對(duì)象GIS的操作對(duì)象是空間數(shù)據(jù)，即點(diǎn)、線、面、體這類有三維要素的地理實(shí)體。空間數(shù)據(jù)的最根本特點(diǎn)是每一個(gè)數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標(biāo)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位、定性和定量的描述，這是GIS區(qū)別于其他類型信息系統(tǒng)的根本標(biāo)志，也是其技術(shù)難點(diǎn)所在。GIS的

6、技術(shù)優(yōu)勢(shì)GIS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于它的數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評(píng)價(jià)能力，可以得到常規(guī)方法或普通信息系統(tǒng)難以得到的重要信息，實(shí)現(xiàn)地理空間過程演化的模擬和預(yù)測(cè)。GIS與測(cè)繪學(xué)和地理學(xué)的關(guān)系GIS與測(cè)繪學(xué)和地理學(xué)有著密切的關(guān)系，大地測(cè)量、工程測(cè)量、礦山測(cè)量、地籍測(cè)量、航空攝影測(cè)量和遙感（RS）技術(shù)為GIS中的空間實(shí)體提供各種不同比例尺和精度的定位數(shù)據(jù)；電子速測(cè)儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)、解析或數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站、遙感圖像處理系統(tǒng)等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的使用，可直接、快速和自動(dòng)地獲取空間目標(biāo)的數(shù)字信息產(chǎn)品，為GIS提供豐富和更為實(shí)時(shí)的信息源，并促使GIS向更高層次發(fā)展。地理學(xué)是GIS的理論依托。（3）地理信息系統(tǒng)的

7、分類GIS按研究的范圍大小可分為全球性的、區(qū)域性的和局部性的；按研究?jī)?nèi)容的不同可分為綜合性的與專題性的。同級(jí)的各種專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)集中起來，可以構(gòu)成相應(yīng)地域同級(jí)的區(qū)域綜合系統(tǒng)。二、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展概況1國(guó)際發(fā)展?fàn)顩r綜觀GIS發(fā)展，可將地理信息系統(tǒng)發(fā)展分為以下四個(gè)階段。（1）地理信息系統(tǒng)的開拓期（20世紀(jì)60年代）（2）地理信息系統(tǒng)的鞏固發(fā)展期（20世紀(jì)70年代）（3）地理信息系統(tǒng)技術(shù)大發(fā)展時(shí)期（20世紀(jì)80年代）（4）地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用普及時(shí)代（20世紀(jì)90年代至今）2國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)地理信息系統(tǒng)方面的工作起步稍晚于國(guó)際水平，但發(fā)展迅速，形勢(shì)喜人。主要經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：(1)起步階段20世紀(jì)7

8、0年代初期，我國(guó)開始推廣電子計(jì)算機(jī)在測(cè)量、制圖和遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用。(2)發(fā)展階段20世紀(jì)80年代起，我國(guó)地理信息系統(tǒng)方面的工作開始展開。(3)快速發(fā)展階段自20世紀(jì)90年代起，地理信息系統(tǒng)步入快速發(fā)展階段?？傊?，中國(guó)地理信息系統(tǒng)事業(yè)經(jīng)過近30年的發(fā)展，取得了重大的進(jìn)展。地理信息系統(tǒng)的研究和應(yīng)用已走向了產(chǎn)業(yè)化。三、地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成完整的GIS主要由四個(gè)部分構(gòu)成，即計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理操作人員，其核心部分是計(jì)算機(jī)軟、硬系統(tǒng)，空間數(shù)據(jù)庫反映了GIS的地理內(nèi)容，而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表示方式。1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)GIS由于其任務(wù)的復(fù)雜性和特殊性，必須

9、由計(jì)算機(jī)設(shè)備支持，系統(tǒng)的規(guī)模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至軟件受硬件指標(biāo)的支持或制約。GIS硬件配置一般包括四個(gè)部分(1)計(jì)算機(jī)主機(jī)；(2)數(shù)據(jù)輸入設(shè)備；(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備；(4)數(shù)據(jù)輸出設(shè)備。故字化理曬城空?qǐng)D像瞌兩打卬機(jī)徽用打FMJ1粕出副東機(jī)堵制陣刎1國(guó)嬴1r將助無尸，"仲港M圖1-2GIS硬件的組成2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)指GIS運(yùn)行所必需的各種程序，通常包括以下三個(gè)方面：(1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件GIS日常工作所必需的，通常包括操作系統(tǒng)、匯編程序、編譯程序、診斷程序、庫程序以及各種維護(hù)使用手冊(cè)、程序說明等。(2)地理信息系統(tǒng)軟件和其他支撐軟件可以是通用的GIS軟件也可

10、包括數(shù)據(jù)庫管理軟件、計(jì)算機(jī)圖形軟件包、計(jì)算機(jī)輔助制圖軟件(CAD)、圖像處理軟件等。圖1-3計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的層次GIS軟件按功能可分為以下五類。數(shù)據(jù)輸入將系統(tǒng)外部的原始數(shù)據(jù)(多種來源、多種形式的信息)傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換為便于系統(tǒng)處理的內(nèi)部格式的過程。數(shù)據(jù)輸入方式與使用的設(shè)備密切相關(guān)。常有三種形式：a.手扶跟蹤數(shù)字化儀的矢量跟蹤數(shù)字化。b.掃描數(shù)字化儀的光柵掃描數(shù)字化，主要輸入有關(guān)圖像的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。c.鍵盤輸入，主要輸入有關(guān)圖像、圖形的屬性數(shù)據(jù)（即代碼、符號(hào)），在屬性數(shù)據(jù)輸入之前，需對(duì)其進(jìn)行編碼。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫管理涉及地理元素（表示地表物體的點(diǎn)、線、面）的位

11、置、連接關(guān)系及屬性數(shù)據(jù)如何構(gòu)造和組織等。用于組織數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）。空間數(shù)據(jù)庫的操作包括數(shù)據(jù)格式的選擇和轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的連接、查詢、提取等。數(shù)據(jù)分析與處理對(duì)單幅或多幅圖件及其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析運(yùn)算和指標(biāo)量測(cè)，在該操作中，以一幅或多幅圖作為輸入，分析計(jì)算結(jié)果以一幅或多幅新生成的圖件表示，在空間定位上仍與輸入的圖件一致，故可稱為函數(shù)轉(zhuǎn)換。空間函數(shù)轉(zhuǎn)換可分為：a.基于點(diǎn)或像元的空間函數(shù)，如基于像元的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算或分類分析等；b.基于區(qū)域、圖斑或圖例單位的空間函數(shù)，如疊加分類、區(qū)域形狀量測(cè)等；c.基于鄰域的空間函數(shù)，如像元連通性、擴(kuò)散、最短路徑搜索等。量測(cè)包括對(duì)面積、長(zhǎng)

12、度、體積、空間方位、空間變化等指標(biāo)的計(jì)算。函數(shù)轉(zhuǎn)換還包括錯(cuò)誤改正、格式變換和預(yù)處理。數(shù)據(jù)輸出與表示模塊將地理信息系統(tǒng)內(nèi)的原始數(shù)據(jù)或經(jīng)過系統(tǒng)分析、轉(zhuǎn)換、重新組織的數(shù)據(jù)以用戶可以理解的某種方式提交給用戶。用戶接口模塊該模塊用于接收用戶的指令、程序或數(shù)據(jù)，是用戶和系統(tǒng)交互的工具。主要包括用戶界面、程序接口與數(shù)據(jù)接口。(3)應(yīng)用分析程序應(yīng)用分析程序是系統(tǒng)開發(fā)人員或用戶根據(jù)地理專題或區(qū)域分析模型編制的用于某種特定應(yīng)用任務(wù)的程序，是系統(tǒng)功能的擴(kuò)充與延伸。應(yīng)用程序作用于地理專題數(shù)據(jù)或區(qū)域數(shù)據(jù)，構(gòu)成GIS的具體內(nèi)容，是用戶最為關(guān)心的真正用于地理分析的部分，也是從空間數(shù)據(jù)中提取地理信息的關(guān)鍵。3地理空間數(shù)據(jù)(1

13、)定義地理空間數(shù)據(jù)是指以地球表面空間位置為參照的自然、社會(huì)和人文景觀數(shù)據(jù)，可以是圖形、圖像、文字、表格和數(shù)字等，由系統(tǒng)的建立者通過數(shù)字化儀、掃描儀、鍵盤、磁帶機(jī)或其他通信系統(tǒng)輸入GIS,是系統(tǒng)程序作用的對(duì)象，是GIS所表達(dá)的現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)過模型抽象的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容。(2)數(shù)據(jù)類型不同用途的GIS其地理空間數(shù)據(jù)的種類、精度都是不同的，但基本上都包括三種互相聯(lián)系的數(shù)據(jù)類型。某個(gè)已知坐標(biāo)系中的位置即幾何坐標(biāo)，標(biāo)識(shí)地理實(shí)體在某個(gè)已知坐標(biāo)系中的空間位置，可以是經(jīng)緯度、平面直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)，也可以是矩陣的行數(shù)、列數(shù)等。實(shí)體間的空間相關(guān)性即拓?fù)潢P(guān)系，表示點(diǎn)、線、面實(shí)體之間的空間聯(lián)系。與幾何位置無關(guān)的屬性即常說的非幾

14、何屬性或簡(jiǎn)稱屬性，是與地理實(shí)體相聯(lián)系的地理變量或地理意義。a.屬性的分類屬性分為定性和定量?jī)煞N，前者包括名稱、類型、特性等，后者包括數(shù)量和等級(jí)。b.屬性與地理信息系統(tǒng)任何地理實(shí)體至少有一個(gè)屬性，而地理信息系統(tǒng)的分析、檢索和表示主要是通過屬性的操作運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的，因此，屬性的分類系統(tǒng)、量算指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的功能有較大的影響。4網(wǎng)絡(luò)GIS中網(wǎng)絡(luò)的主要作用是信息傳輸。由于GIS數(shù)據(jù)的海量特征，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求較高。GIS中的網(wǎng)絡(luò)形式一般有局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)局域網(wǎng)和外聯(lián)網(wǎng)等。(1)局域網(wǎng)局域網(wǎng)是指由特定類型的傳輸媒體(如電纜、光纜和無線媒體)和網(wǎng)絡(luò)適配器(亦稱為網(wǎng)卡)互連在一起的計(jì)算機(jī)組，并受網(wǎng)

15、絡(luò)操作系統(tǒng)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(2)廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)是眾多局域網(wǎng)的集合，其中有些局域網(wǎng)或者全部局域網(wǎng)使用跨越較長(zhǎng)距離的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接在一起，最大特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)分布范圍廣，不受區(qū)域限制，廣泛采用電話通道或衛(wèi)星信道，但傳輸效率較低。(3)無線網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)主要是針對(duì)移動(dòng)GIS而言的，采用無線通信方法解決信息的傳輸問題。(4)互聯(lián)網(wǎng)組成互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)包括局域網(wǎng)、城域網(wǎng)(MAN)以及大規(guī)模的廣域網(wǎng)等?；ヂ?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互連采用的基本協(xié)議是TCP/IP。(5)企業(yè)局域網(wǎng)企業(yè)局域網(wǎng)是指一個(gè)企業(yè)內(nèi)部各組織互連所形成的網(wǎng)絡(luò)。它是在統(tǒng)一行政管理和安全控制管理之下，采用互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)成的網(wǎng)絡(luò)，并使用與互聯(lián)網(wǎng)相互協(xié)調(diào)

16、的技術(shù)開發(fā)企業(yè)內(nèi)部的各種應(yīng)用系統(tǒng)。(6)外聯(lián)網(wǎng)外聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，根據(jù)企業(yè)自身的體系結(jié)構(gòu)和運(yùn)作方式，使網(wǎng)絡(luò)高層體系結(jié)構(gòu)逐步與企業(yè)計(jì)算模式相協(xié)調(diào)。5系統(tǒng)開發(fā)、管理和使用人員人是GIS中的重要構(gòu)成因素。地理信息系統(tǒng)從其設(shè)計(jì)、建立、運(yùn)行到維護(hù)的整個(gè)生命周期，處處都離不開人的作用。僅有系統(tǒng)軟、硬件和數(shù)據(jù)還構(gòu)不成完整的地理信息系統(tǒng)，需要人進(jìn)行系統(tǒng)組織、管理、維護(hù)和數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)擴(kuò)充完善、應(yīng)用程序開發(fā)，并靈活采用地理分析模型提取多種信息，為研究和決策服務(wù)。四、地理信息系統(tǒng)與相關(guān)學(xué)科及技術(shù)的關(guān)系1GIS與其他學(xué)科的關(guān)系(1)GIS與地理學(xué)空間分析是GIS的核心，地理學(xué)作為GIS的分析理論基礎(chǔ)，可為GIS提供引導(dǎo)空間分析的方法和觀點(diǎn)。(2) GIS與測(cè)繪學(xué)、遙感技術(shù)測(cè)繪學(xué)和遙感技術(shù)不但為GIS提供快速、可靠、多時(shí)相和廉價(jià)的多種信息源，而且它們中的許多理論和算法可直接用于空間數(shù)據(jù)的變換、處理。圖1-4GIS的相關(guān)學(xué)科技術(shù)(3) GIS與其他學(xué)科的關(guān)系GIS與計(jì)算機(jī)科技、數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、認(rèn)知學(xué)等學(xué)科也密切相關(guān)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為GIS提供了數(shù)據(jù)輸入和圖形顯示的基礎(chǔ)軟件；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)更是GIS的核心；數(shù)學(xué)的許多分支，尤其是幾何學(xué)、圖論、拓?fù)鋵W(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、決策優(yōu)化方法等被廣泛應(yīng)用于GIS空間數(shù)據(jù)的分析。2GIS與不同學(xué)科的相互