地理信息系統考試知識點筆記全套

地理信息系統考試知識點筆記第一章緒論§1-1GIS概念一、信息與數據1、信息1）定義：信息是現實世界在人們頭腦中的反映。它以文字、數據、符號、聲音、圖象等形式記錄下來，進行傳遞和處理,為人們的生產，建設，管理等提供依據。2）信息的特性：A、客觀性：任何信息都是與客觀事實相聯系的，這是信息的正確性和精確度的保證。B、適用性：問題不同，影響因素不同，需要的信息種類是不同的。信息系統將地理空間的巨大數據流收集，組織和管理起來，經過處理、轉換和分析變?yōu)閷ιa、管理和決策具有重要意義的有用信息，這是由建立信息系統的明確目的性所決定的。如股市信息，對于不會炒股的人來說，毫無用處，而股民們會根據它進行股票的購進或拋出，以達到股票增值的目的。C、傳輸性：信息可在信息發(fā)送者和接受者之間進行傳輸信息的傳輸網絡，被形象地稱為“信息高速公路”。D、共享性：信息與實物不同，信息可傳輸給多個用戶，為用戶共享，而其本身并無損失，這為信息的并發(fā)應用提供可能性。2、數據指輸入到計算機并能被計算機進行處理的數字、文字、\符號、聲音、圖象等符號。數據是對客觀現象的表示，數據本身并沒有意義。數據的格式往往和具體的計算機系統有關，隨載荷它的物理設備的形式而改變。3、兩者關系（有人認為，輸入的都叫數據，輸出的都叫信息，其實不然）。數據是信息的表達、載體，信息是數據的內涵，是形與質的關系。只有數據對實體行為產生影響才成為信息，數據只有經過解釋才有意義，成為信息。例如“1、”“0”獨立的1、0均無意義。當它表示某實體在某個地域內存在與否，它就提供了“有”“無”信息，當用它來標識某種實體的類別時，它就提供了特征碼信息。二、地理信息與地學信息1、地理信息1）定義：指與研究對象的空間地理分布有關的信息。它表示地理系統諸要素的數量、質量、分布特征，相互聯系和變化規(guī)律的圖、文、聲、像等的總稱。2）特點：A、地域性：（是地理信息區(qū)別于其它類型信息的最顯著標志）。地理信息屬于空間信息，位置的識別與數據相聯系，它的這種定位特征是通過公共的地理基礎來體現的。B、多維結構：指在同一位置上可有多種專題的信息結構。如某一位置上的地理信息包括（例圖）C、時序特征：時空的動態(tài)變化引起地理信息的屬性數據或空間數據的變化。因此，一實時的GIS系統要求能及時采集和更新地理信息，使得地理信息具有現勢性。以免過時的信息造成決策的失誤或因為缺少可靠的動態(tài)數據，不能對變化中的地理事件或現象作出合理的預測預報和科學論證。例如98年龍王廟特大洪水險情正是武漢勘測設計院利用先進的搖感、GPS技術測得實時數據為抗洪決策提供可靠依據。顯然，如果用過時數據，這將造成多大的損失，這就是地理信息的時序特征。2、地學信息與人類居住的地球有關的信息都是地學信息。3、兩者信息源不同地理信息的信息源是地球表面的巖石圈、水圈、大氣圈和人類活動等；地學信息所表示的信息范圍更廣泛，不僅來自地表，還包括地下、大氣層甚至宇宙空間。它是人們深入認識地球系統、適度開發(fā)資源、保護環(huán)境的前提和保證。四、信息系統和地理信息系統1、信息系統(InformationSystem,IS)1）系統：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合而成，能完成特定功能的有機整體。2）信息系統：能對數據和信息進行采集、存儲、加工和再現，并能回答用戶一系列問題的系統。具有采集、管理、分析和表達數據的能力。3）類型：從適用于不同管理層次角度出發(fā)、信息系統分為下列不同類型。事務處理系統、管理信息系統：主要支持操作層人員的日常事務處理，圖書管理，借還書。決策支持系統：從MIS中獲取信息，進行推測，以輔助決策。人工智能、專家系統：用計算機模仿人類思維過程進行推理，在醫(yī)學上應用較成功。為有效地對信息流進行控制，組織、管理、充分利用，就需要建立某種信息系統，那么對地理信息進行管理、利用就需要建立地理信息系統。2、地理信息系統(GeographicInformationSystem,GIS)1）定義：不同領域、不同專業(yè)對GIS的理解不同，目前沒有完全統一的被普遍接受的A、GIS是對地理環(huán)境有關問題進行分析和研究的一門學科，它將地理環(huán)境的各種要素，包括它們的空間位置形狀及分布特征和與之有關的社會、經濟等專題信息以及這些信息之間的聯系等進行獲取、組織、存儲、檢索、分析，并在管理、規(guī)劃與決策中應用。B、為了獲取、存儲、檢索、分析和顯示空間定位數據而建立的計算機化的數據庫管理系統。---美國國家地理信息與分析中心C、是在計算機軟硬件支持下，以采集、存儲、管理、檢索、分析和描述空間物體的定位分布及與之相關的屬性數據，并回答用戶問題為主要任務的計算機系統。D、GIS是一種獲取、存儲、檢索、操作、分析和顯示地球空間數據的計算機系統。--英國教育部2）理解aGIS是一計算機系統，既然是系統，就要具有系統的基本功能，數據采集、管理、分析和表達，所以每個GIS系統都是由若干具有一定功能的模塊組成。bGIS的處理對象是有關的地理分布數據，也就是空間數據，為了能對這些空間數據進行定位，定性和定量的描述，決定了GIS要對空間數據按統一地理坐標進行編碼，這是GIS與其他信息系統不同的根本所在。3、GIS與其它IS之間的關系和區(qū)別1）GIS與其它IS之間的關系（信息系統分類）2）GIS與其它IS的區(qū)別A、GIS與一般MIS：GIS離不開數據庫技術。數據庫中的一些基本技術，如數據模型、數據存儲、數據檢索等都是GIS廣泛使用的核心技術。GIS對空間數據和屬性數據共同管理、分析和應用，而一般MIS（數據庫系統）側重于非圖形數據（屬性數據）的優(yōu)化存儲與查詢，即使存儲了圖形，也是以文件的形式存儲，不能對空間數據進行查詢、檢索、分析，沒有拓撲關系，其圖形顯示功能也很有限。如電話查號臺是一個一般MIS，只能回答用戶詢問的電話號碼，而通信信息系統除了可查詢電話號碼外，還提供用戶的地理分布、空間密度、最近的郵局等空間關系信息。B、GIS與CAD/CAMGIS與CAD共同點GIS與CAD不同點都有空間坐標系統；都能將目標和參考系聯系起來；都能描述圖形數據的拓撲關系；都能處理屬性和空間數據ＣＡＤ研究對象為人造對象—規(guī)則幾何圖形及組合；圖形功能特別是三維圖形功能強，屬性庫功能相對較弱；ＣＡＤ中的拓撲關系較為簡單；一般采用幾何坐標系。ＧＩＳ處理的數據大多來自于現實世界，較之人造對象更復雜，數據量更大；數據采集的方式多樣化；GIS的屬性庫結構復雜，功能強大；強調對空間數據的分析，圖形屬性交互使用頻繁；GIS采用地理坐標系。GIS與CAMGIS與CAM共同點GIS與CAM不同點都有地圖輸出、空間查詢、分析和檢索功能ＣＡＭ側重于數據查詢、分類及自動符號化，具有地圖輔助設計和產生高質量矢量地圖的輸出機制；它強調數據顯示而不是數據分析，地理數據往往缺乏拓撲關系；它與數據庫的聯系通常是一些簡單的查詢。CAM是GIS的重要組成部分；綜合圖形和屬性數據進行深層次的空間分析，提供輔助決策信息。§1-2GIS發(fā)展GIS起源于人口普查，土地調查和自動制圖，1960年，加拿大測量學家R.F.Tomlinson提出了把地圖變成數字形式的地圖，1963年，又提出GIS這一本術語，并建立了第一個GIS_加拿大GIS，隨后GIS以燎原之勢在全世界迅速發(fā)展起來。一、國際GIS的發(fā)展狀況1、60年代，探索時期（GIS思想和技術方法的探索）人們關注什么是GIS，GIS能干什么。2、70年代，鞏固時期，（這時由于計算機技術及其在自然資源和環(huán)境數據處理的應用，促進GIS迅速發(fā)展）。這期間，發(fā)展研究的重點是空間數據處理的算法，數據結構和數據庫管理這三個方面。3、80年代，實破階段，也是GIS普遍發(fā)展和推廣應用階段，人們把GIS與RS解決全球性問題，如全球沙漠化，全球可居住地評價，核擴散問題等。4、90年代，全面應用，產業(yè)化階段，對GIS進一步研究，研究的內容集中在：空間信息分析的新模式和新方法，空間關系和數據模型，人工智能引入等。二、我國GIS發(fā)展我國GIS起步較晚，但發(fā)展較快，分為以下幾個階段：1、70年代，準備階段：一些知名人士GIS先驅看到GIS的廣闊前景和GIS的重要性，進行極積呼吁，為GIS在我國的發(fā)展奠定了與論準備基礎并做了一些可行性實驗。2、80年代，試驗起步階段:這期間，我國在GIS理論探索，規(guī)范探討，軟件開發(fā)，系統建立等方面取得了突破和進展，進行了一些典型，試驗專題試驗軟件開發(fā)工作。3、90年代，我國GIS發(fā)展階段：我國改革開放以來，沿海，治江經濟開發(fā)區(qū)的發(fā)展土地的有償使用和外資的引進，急需GIS為之服務，這也推動GIS在我國的全面發(fā)展。4、96年以來，是我國GIS產業(yè)化階段。近幾年來，我國經濟信息化的基礎設施和重大信息工程已納入國家計劃，一批國家級和地方級的GIS相繼建立并投入運行，一批專業(yè)遙感基地已建立，并進入了產業(yè)化運行，一批綜合運用“3S”技術的重點項目已實施，并在自然災害監(jiān)測和圖土資源調查中發(fā)揮效益，一批高等院校開設了與GIS相關的新專業(yè)，培養(yǎng)了一大批從事GIS研究與開發(fā)的高層次人才，具有我國自主版權的GIS基礎軟件的研制逐步進入了產業(yè)化軌道，等等這些都標志我國GIS產業(yè)已進入新的發(fā)展階段。§1-3GIS構成一、GIS組成從計算機的角度看，GIS是由軟件、硬件、數據和用戶組成。用戶（GIS服務的對象，分為一般用戶和從事建立、維護、管理和更新的高級用戶）軟件（支持數據采集、存儲、加工、回答用戶問題的計算機程序系統）硬件（各種設備-物質基礎）數據（系統分析與處理的對象、構成系統的應用基礎）由于計算機的飛速發(fā)展和地理信息的時序特征，硬件壽命3-5年，軟件（5-15年），數據（1-2年，5-70年不等）GIS需要不斷維護、更新，所以用戶要不斷進行知識更新。二、硬件配置前面說過，GIS作為技術系統必須具備數據的采集、管理、分析、表達和顯示功能，一定功能必須由一定的軟件、硬件實現，所以GIS的硬件配置為：輸入數字化、解析測圖儀、掃描儀遙感處理設備等存貯處理計算機硬盤光盤等存儲設備輸出打印機繪圖儀顯示終端等網絡服務器、網絡適配器、傳輸介質、調制解調器等網絡設備。隨著網絡普及，信息共享成為時代要求，GIS要有網絡功能三、軟件配置1、GIS軟件層次有了計算機硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNIIX等。裸機，沒裝任何OS的機子，是不能工作的。GIS應用軟件在GIS軟件層次的外層，外層以內層軟件為基礎，共同完成用戶指定的任務。2、GIS基礎軟件主要模塊空間數據輸入與轉換圖形及屬性編輯空間數據管理系統制圖與輸出空間查詢與空間分析§1-4GIS功能和應用一、GIS功能空間查詢疊加分析緩沖區(qū)分析網絡分析地形分析數據顯示與輸出二、GIS主要應用領域資源管理區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃災害監(jiān)測環(huán)境評估作戰(zhàn)指揮交通運輸宏觀決策第二章空間數據結構§2-1空間實體及其描述一、地理實體（空間實體）---GIS處理對象1、定義：指自然界現象和社會經濟事件中不能再分割的單元，它是一個具體有概括性，復雜性，相對意義的概念。2、理解：地理實體類別及實體內容的確定是從具體需要出發(fā)的，例如，在全國地圖上由于比例尺很小，武漢就是一個點，這個點不能再分割，可以把武漢定為一個空間實體，而在大比例尺的武漢市地圖上，武漢的許多房屋，街道都要表達出來，所以武漢必須再分割，不能作為一個空間實體，應將房屋，街道等作為研究的地理實體，由此可見，GIS中的空間實體是一個概括，復雜，相對的概念。二、地理實體的描述——空間數據1、描述的內容空間特征：地理位置和空間關系屬性特征—名稱、等級、類別等時間特征:2、空間數據基本特征3、空間數據類型1）依據數據來源的不同分為：地圖數據地形數據屬性數據元數據影象數據三、實體的空間特征（一）空間維數：有0，1，2，3維之分，點、線、面、體。（二）空間特征類型1、點狀實體點或節(jié)點、點狀實體。點：有特定位置，維數為0的物體。1）實體點：用來代表一個實體。2）注記點：用于定位注記。3）內點：用于負載多邊形的屬性，存在于多邊形內。4）角點、節(jié)點Vertex：表示線段和弧段上的連接點。2、線狀實體具有相同屬性的點的軌跡，線或折線，由一系列的有序坐標表示，并有如下特性：1）實體長度：從起點到終點的總長2）彎曲度：用于表示像道路拐彎時彎曲的程度。3）方向性：如：水流方向，上游—下游，公路，單、雙向之分。線狀實體包括：線段，邊界、鏈、弧段、網絡等。3、面狀實體（多邊形）

是對湖泊、島嶼、地塊等一類現象的描述。面狀實體的如下特征：1）面積范圍2）周長3）獨立性或與其它地物相鄰如中國及其周邊國家4）內島嶼或鋸齒狀外形：如島嶼的海岸線封閉所圍成的區(qū)域。5）重疊性與非重疊性：如學校的分區(qū)，菜市場的服務范圍等都有可能出現交叉重疊現象，而一個城市的各個城區(qū)一般說來不會出現重疊。4、體、立體狀實體立體狀實體用于描述三維空間中的現象與物體，它具有長度、寬度及高度等屬性，立體狀實體一般具有以下一些空間特征：·體積，如工程開控和填充的土方量?！っ總€二維平面的面積?！ぶ荛L?！葝u?！ず谢×K或相鄰塊。斷面圖與剖面圖。（三）實體類型組合現實世界的各種現象比較復雜，往往由不同的空間單元組合而成，例如根據某些空間單元或幾種空間單元的組合將空間問題表達出來，復雜實體由簡單實體組合表達。點、線、面兩兩之間組合表達復雜的空間問題：如：線—面面--面可見，用各要素之間的空間關系，可描述諸多空間問題?？臻g關系是GIS數據描述和表達的重要內容，一方面它為GIS數據庫的有效建立，空間查詢，空間分析，輔助決策等提供了最基本的關系，另一方面有助于形成標準的SQL空間查詢語言，便于空間特征的存儲，提取，查詢，更新等。線—面1、區(qū)域包含線：計算區(qū)域內線的密度，某省的水系分布情況。2、線通過區(qū)域：公路上否通過某縣。3、線環(huán)繞區(qū)域：區(qū)域邊界，搜索左右區(qū)域名稱，中國與哪些國家接壤。4、線與區(qū)域分離：距離。面—面1、包含：島,某省的湖泊分布。2、相合：重疊，學校服務范圍與菜場服務范圍重疊區(qū)。3、相交：劃分子區(qū)。4、相鄰：計算相鄰邊界性質和長度，公共連接邊界。分離：計算距離。四、實體間空間關系（一）空間關系類型1、拓撲空間關系：2、順序空間關系：（方向空間關系）用上下左右、前后、東南西北等方向性名稱來描述空間實體的順序關系，算法復雜，至今沒有很好的解決方法。3、度量空間關系，主要指實體間的距離關系，遠近。1）在地理空間中兩點間的距離有兩種度量方法。a、沿真實的地球表面進行,除與兩點的地理坐標有關外，還與所通過路徑的地形起伏有關，復雜,引入第二種。b、沿地球旋轉橢球體的距離量算。2）距離類別：歐氏距離（笛卡爾坐標系）、曼哈頓（出租車）距離、時間距離（緯度差）、大地測量距離（大地線）（沿地球大圓經過兩個城市中心的距離）。（二）拓撲關系1、定義2、種類3、拓撲關系的表達4、意義1、定義：指圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關系不變的性質。將橡皮任意拉伸，壓縮，但不能扭轉或折疊。

非拓撲屬性（幾何）

拓撲屬性（沒發(fā)生變化的屬性）兩點間距離一點指向另一點的方向弧段長度、區(qū)域周長、面積等一個點在一條弧段的端點一條弧是一簡單弧段（自身不相交）一個點在一個區(qū)域的邊界上一個點在一個區(qū)域的內部/外部一個點在一個環(huán)的內/外部一個面是一個簡單面一個面的連通性面內任兩點從一點可在面的內部走向另一點2、種類1）關聯性：（不同類要素之間）結點與弧段：如V9與L5,L6,L3多邊形與弧段：P2與L3,L5,L22）鄰接性：(同類元素之間)多邊形之間、結點之間。鄰接矩陣重疊：--鄰接：1不鄰接：03）連通性：與鄰接性相類似，指對弧段連接的判別，如用于網絡分析中確定路徑、街道是否相通。4）方向性一條弧段的起點、終點確定了弧段的方向。用于表達現實中的有向弧段，如城市道路單向，河流的流向等。5）包含性：指面狀實體包含了哪些線、點或面狀實體。6）區(qū)域定義：多邊形由一組封閉的線來定義。7）層次關系：相同元素之間的等級關系，武漢市有各個區(qū)組成。主要的拓撲關系：拓撲鄰接、拓撲關聯、拓撲包含。3、拓撲關系的表達拓撲關系具體可由4個關系表來表示：（1）面--鏈關系：面構成面的弧段（2）鏈--結點關系：鏈鏈兩端的結點（3）結點--鏈關系：結點通過該結點的鏈\（4）鏈—面關系：鏈左面右面4、拓撲關系的意義：對于數據處理和GIS空間分析具有重要的意義，因為：1）拓撲關系能清楚地反映實體之間的邏輯結構關系，它比幾何關系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化。2）有助于空間要素的查詢，利用拓撲關系可以解決許多實際問題。如某縣的鄰接縣，--面面相鄰問題。又如供水管網系統中某段水管破裂找關閉它的閥門，就需要查詢該線（管道）與哪些點（閥門）關聯。3）根據拓撲關系可重建地理實體?！?-3柵格數據結構一、圖形表示柵格結構用密集正方形（或三角形，多邊形）將地理區(qū)域劃分為網格陣列。位置由行，列號定義，屬性為柵格單元的值。點：由單個柵格表達。線：由沿線走向有相同屬性取值的一組相鄰柵格表達。面：由沿線走向有相同屬性取值的一片柵格表達。柵格數據表示的是二維表面上的地理數據的離散化數值。在柵格數據中，地表被分割為相互鄰接、規(guī)則排列的地塊，每個地塊與一個象元相對應。因此，柵格數據的比例尺就是柵格(象元)的大小與地表相應單元的大小之比，當象元所表示的面積較大時，對長度、面積等的量測有較大影響。每個象元的屬性是地表相應區(qū)域內地理數據的近似值，因而有可能產生屬性方面的偏差。二、柵格數據組織——針對一個柵格單元對應多個屬性值的多層柵格文件。組織方法方法a：以象元為記錄序列，不同層上同一象元位置上的各屬性值表示為一個列數組。N層中只記錄一層的象元位置，節(jié)約大量存儲空間，柵格個數很多。方法b：每層每個象元的位置、屬性一一記錄，結構最簡單，但浪費存儲方法c：以層為基礎，每層內以多邊形為序記錄多邊形的屬性值和多邊形內各象元的坐標。節(jié)約用于存儲屬性的空間。將同一屬性的制圖單元的n個象元的屬性只記錄一次，便于地圖分析和制圖處理。三、柵格結構的建立（一）建立途徑1、手工獲取，專題圖上劃分均勻網格，逐個決定其網格代碼。2、掃描儀掃描專題圖的圖像數據{行、列、顏色（灰度）}，定義顏色與屬性對應表，用相應屬性代替相應顏色，得到（行、列、屬性）再進行柵格編碼、存貯，即得該專題圖的柵格數據。3、由矢量數據轉換而來。4、遙感影像數據，對地面景象的輻射和反射能量的掃描抽樣，并按不同的光譜段量化后，以數字形式記錄下來的象素值序列。5、格網DEM數據，當屬性值為地面高程，則為格網DEM，通過DEM內插得到。二）柵格系統的確定1、柵格坐標系的確定表示具有空間分布特征的地理要素，不論采用什么編碼系統，什么數據結構(矢、柵)都應在統一的坐標系統下，而坐標系的確定實質是坐標系原點和坐標軸的確定。由于柵格編碼一般用于區(qū)域性GIS，原點的選擇常具有局部性質，但為了便于區(qū)域的拼接，柵格系統的起始坐標應與國家基本比例尺地形圖公里網的交點相一致，并分別采用公里網的縱橫坐標軸作為柵格系統的坐標軸。2、柵格單元的尺寸1）原則：應能有效地逼近空間對象的分布特征，又減少數據的冗余度。格網太大，忽略較小圖斑，信息丟失。一般講實體特征愈復雜，柵格尺寸越小，分辨率愈高，然而柵格數據量愈大（按分辨率的平方指數增加）計算機成本就越高，處理速度越慢。2）方法：用保證最小多邊形的精度標準來確定尺寸經驗公式：h為柵格單元邊長Ai為區(qū)域所有多邊形的面積。(三)柵格代碼（屬性值）的確定當一個柵格單元內有多個可選屬性值時，按一定方法來確定柵格屬性值。1、中心點法：取位于柵格中心的屬性值為該柵格的屬性值。2、面積占優(yōu)法：柵格單元屬性值為面積最大者，常用于分類較細，地理類別圖斑較小時。3、重要性法：定義屬性類型的重要級別，取重要的屬性值為柵格屬性值，常用于有重要意義而面積較小的要素，特別是點、線地理要素。4、長度占優(yōu)法——每個柵格單元的值由該柵格中線段最長的實體的屬性來確定。四、柵格數據編碼方法1、直接柵格編碼：將柵格數據看作一個數據矩陣，逐行記錄代碼數據。1）每行都從左到右記錄；AAAAABBBAABBAABB2）奇數行從左到右，偶數行從右到左；特點：最直觀、最基本的網格存貯結構，沒有進行任何壓縮數據處理。柵格數據量大，格網數多，由于地理數據往往有較強的相關性，即相鄰象元的值往往是相同的。所以，出現了各種柵格數據壓縮方法。數據壓縮是將數據表示成更緊湊的格式以減少存儲空間的一項技術。分為：無損壓縮：在編碼過程中信息沒有丟失，經過解碼可恢復原有的信息---信息保持編碼。有損壓縮：為最大限度壓縮數據，在編碼中損失一些認為不太重要的信息，解碼后，這部分信息無法恢復。--信息不保持編碼。2、行程編碼（變長編碼）：將原圖表示的數據矩陣變?yōu)閿祿Γ?）屬性碼，長度，行號（可不要）長度：連續(xù)相同碼值的柵格個數。2）屬性碼，點位特點：對于游程長度編碼，區(qū)域越大，數據的相關性越強，則壓縮越大，適用于類型區(qū)域面積較大的專題圖，而不適合于類型連續(xù)變化或類別區(qū)域分散的分類圖（壓縮比與圖的復雜程度成反比）。這種編碼在柵格加密時，數據量不會明顯增加，壓縮率高，并最大限度地保留原始柵格結構，編碼解碼運算簡單，且易于檢索，疊加，合并等操作，這種編碼應用廣泛。3、塊碼----游程編碼向二維擴展采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格。數據對組成：（初始行、列，半徑，屬性值）特點：具有可變分辨率，即當屬性變化小時圖塊大，對于大塊圖斑記錄單元大，分辨率低，壓縮比高。小塊圖斑記錄單元小，分辨率高，壓縮比低所以，與行程編碼類似，隨圖形復雜程度的提高而降低分辯率。4、鏈式編碼、Freeman鏈碼、邊界鏈碼將柵格數據（線狀地物面域邊界）表示為矢量鏈的記錄1）首先定義一個3x3窗口，中間柵格的走向有8種可能，并將這8種可能0~7進行編碼。2）記下地物屬性碼和起點行、列后，進行追蹤，得到矢量鏈.鏈式編碼表

屬性碼起點行起點列

鏈碼a14556656b37576654323…優(yōu)點：鏈碼可有效地存貯壓縮柵格數據，便于面積、長度、轉折方向和邊界、線段凹凸度的計算。缺點：不易做邊界合并，插入操作、編輯較困難（對局部修改將改變整體結構）。區(qū)域空間分析困難，相鄰區(qū)域邊界被重復存儲。5、四叉樹編碼五、四叉樹編碼（一）四叉樹概述：一種可變分率的非均勻網格系統。是最有效的柵格數據壓縮編碼方法之一1、基本思想：將2n×2n象元組成的圖像(不足的用背景補上)按四個象限進行遞歸分割，并判斷屬性是否單一，單一：不分。不單一：遞歸分割。最后得到一顆四分叉的倒向樹。2、四叉樹的樹形表示：用一倒立樹表示這種分割和分割結果。根：整個區(qū)域高：深度、分幾級，幾次分割葉：不能再分割的塊樹叉：還需分割的塊每個樹叉均有4個分叉，叫四叉樹。3、編碼方法1）常規(guī)四叉樹記錄這棵樹的葉結點外，中間結點，結點之間的聯系用指針聯系，每個結點需要6個變量：父結點指針、四個子結點的指針和本結點的屬性值。指針不僅增加了數據的存儲量，還增加了操作的復雜性：如層次數（分割次數）由從父結點移到根結點的次數來確定，結點所代表的圖像塊的位置需要從根節(jié)點開始逐步推算下來。所以，常規(guī)四叉樹并不廣泛用于存儲數據，其價值在于建立索引文件，進行數據檢索。2）線性四叉樹記錄葉結點的位置，深度（幾次分割）和屬性。地址碼（定位碼、Morton碼）四進制、十進制優(yōu)點：·存貯量小，只對葉結點編碼，節(jié)省了大量中間結點的存儲，地址碼隱含著結點的分割路徑和分割次數?！ぞ€性四叉樹可直接尋址，通過其坐標值直接計算其Morton碼，而不用建立四叉樹。·定位碼容易存儲和執(zhí)行實現集合相加等組合操作。（二）四進制的Morton碼1、方法1：四叉樹從上而下（形成）（從整體開始）由葉結點找Morton碼。A、分割一次，增加一位數字，大分割在前，小分割在后。所以，碼的位數表示分割的次數。B、每一個位均是不大于3的四進制數，表達位置。由Morton找出四叉樹葉結點的具體位置。2、方法2：四叉樹自下而上合并的方法1）計算每個柵格對應的MQMQ=2*Ib+JbI,J化為二進制Ib,Jb看最大的I,J,不足在前補零。其始行列號從0計。2)按碼的升序排成線性表，放在連續(xù)的內存塊中。3）依次檢查每四個相鄰的MQ對應的屬性值，相同合并（不同碼位去掉），不同則存盤,直到沒有能夠合并的子塊為止。（三）十進制的Morton碼---MD四進制Morton碼直觀上切合四叉樹分割，但許多語言不支持四進制變量，需用十進制表示Morton碼.1、一種按位操作的方法：如行為2、列為3的柵格的MD步驟：(1)行、列號為二進制Ib=10Jb=11(2)I行J列交叉1101=13(3)再化為十進制.實質上是按左上、右上、左下、右下的順序，從零開始對每個柵格進行自然編碼。2、把一幅2n×2n的圖像壓縮成線性四叉樹的過程1°、按Morton碼把圖象讀入一維數組。2°、相鄰的四個象元比較，一致的合并，只記錄第一個象元的Morton碼。循環(huán)比較所形成的大塊，相同的再合并，直到不能合并為止。3°、進一步用游程長度編碼壓縮。壓縮時只記錄第一個象元的Morton碼。右圖的壓縮處理過程為：（書上）（次題2005年考了，原題沒變）1°、按Morton碼讀入一維數組。Morton碼：0123456789101112131415象元值：AAABABBBAAAABBBB2°、四相鄰象元合并，只記錄第一個象元的Morton碼。01234567812AAABAABBAB3°、由于不能進一步合并，則用游程長度編碼壓縮。0346812ABABAB（四）四叉樹優(yōu)缺點優(yōu)點：1）對于團塊圖像，四叉樹表示法占用空間比網絡法要少得多，四叉樹表示法基本上是一種非冗余表示法。2）四叉樹具有可變率或多重分辯率的特點使得它有很好的應用前景，適用于處理凝聚性或呈塊狀分布的空間數據，特別適用于處理分布不均勻的塊狀空間數據，但不適用于連續(xù)表面（如地形）或線狀地物。此外，目前應用四叉樹還存下列問題：1)矢/柵正反變換還不理想。2)建立四叉樹耗費機時很多。3)四叉樹雖可修改，但很費事（具體的數據結構中會提到）4)四叉樹未能直接表示物體間的拓撲關系。5)與非樹表示法比較，四叉樹表示法的缺點在于轉換的不穩(wěn)定性或叫滑動變異例如，兩個圖像的差異僅由于平移，就會構成極為不同的四叉樹，因而很難根據四叉樹來判斷這兩個圖像是否全同，故不利于做形狀分析和模式識別6)一個物體的圖像在構成四叉樹時會被分割到若干個象限中，使它失去了內在的相關性?！?-2矢量數據結構二、矢量數據的獲取方式1)由外業(yè)測量獲得可利用測量儀器自動記錄測量成果(常稱為電子手薄)，然后轉到地理數據庫中。2)由柵格數據轉換獲得利用柵格數據矢量化技術，把柵格數據轉換為矢量數據。3)跟蹤數字化用跟蹤數字化的方法，把地圖變成離散的矢量數據。三、矢量數據組織矢量數據表示時應考慮以下問題：·矢量數據自身的存貯和處理?！づc屬性數據的聯系。·矢量數據之間的空間關系(拓撲關系)。四、矢量數據編碼方式（一）實體式

（spaghetti）--面條模型:以實體為單位記錄其坐標優(yōu)點：結構簡單、直觀、易實現以實體為單位的運算和顯示。缺點：1、相鄰多邊形的公共邊界被數字化并存儲兩次，造成數據冗余和碎屑多邊形—數據不一致，浪費空間，導致雙重邊界不能精確匹配。2、自成體系，缺少多邊形的鄰接信息，無拓撲關系，難以進行鄰域處理，如消除多邊形公共邊界，合并多邊形。3、島作為一個單個圖形，沒有與外界多邊形聯系。不易檢查拓撲錯誤。所以，這種結構只用于簡單的制圖系統中，顯示圖形。（二）索引式（樹狀）對所有點的坐標按順序建坐標文件，再建點與邊（線）、線與多邊形的索引文件。與實體式相比：優(yōu)點：用建索引的方法消除多邊形數據的冗余和不一致，鄰接信息、島信息可在多邊形文件中通過是否公共弧段號的方式查詢。缺點：表達拓撲關系較繁瑣，給相鄰運算、消除無用邊、處理島信息、檢索拓撲關系等帶來困難，以人工方式建立編碼表，工作量大，易出錯。三）雙重獨立式編碼簡稱DIME(DualIndependentMapEncoding)，是美國人口統計系統采用的一種編碼方式，是一種拓撲編碼結構。四）鏈狀雙重獨立式編碼--拓撲數據結構1、弧段坐標文件

弧段號

坐標系列（串)Ax2,y2,X10,y10…2、弧段文件：鏈—面，鏈—結點關系弧段號左多邊形右多邊形起點

終點AP1P2253、面文件面號

弧段號P1A,B,-C4、點拓撲文件：結點—鏈關系點號弧段號2A,B,D在拓撲結構中，多邊形（面）的邊界被分割成一系列的線（弧、鏈、邊）和點（結點）等拓撲要素，點、線、面之間的拓撲關系在屬性表中定義，多邊形邊界不重復。鏈狀雙重獨立式編碼特點拓撲關系明確，也能表達島信息，而且以弧段為記錄單位，滿足實際應用需要。因為一般數字化一條街道時，必然有許多中間點，但我們在做空間分析是卻沒有必要以這些中間點所組成的折線為研究對象，而應以整條弧段（某條街道）為研究對象.被一些成熟的商品化軟件采用，如ARC/INFO軟件。例：ARC文件：二進制文件:弧段號點數坐標串在GIS數據輸入中，建拓撲是指給圖形數據（點、線、面）增加拓撲結構，如ARC/INFO中，在ARCEDIT中輸入圖形后，需用BUILD建圖形拓撲，具體生成許多文件，如AAT，PAT等.INFO：屬性表如AAT（ArcAttributeTable）弧段號

USER_ID

LPOLY

RPOLY

FROM_NODE

TO_NODE其它屬性:（名稱)

用戶標識碼，表明地物類型當圖形數據修改、刪除、增加點、線、面要素后，其拓撲關系也發(fā)生改變，所以，需重新建拓撲?！?-4矢柵一體化數據結構一、矢、柵優(yōu)缺點優(yōu)點缺點矢量1、便于面向現象（土壤類，土地利用單元等）2、結構緊湊，冗余度低，便于描述線或邊界。3、利于網絡、檢索分析，提供有效的拓撲編碼，對需要拓撲信息的操作更有效。4、圖形顯示質量好，精度高。11、數據結構復雜，各自定義，不便于數據標準化和規(guī)范化，數據交換困難。2、多邊形疊置分析困難，沒有柵格有效，表達空間變化性能力差。3、不能像數字圖像那樣做增強處理4、軟硬件技術要求高，顯示與繪圖成本較高。柵格1、結構簡單，易數據交換。2、疊置分析和地理（能有效表達空可變性）現象模擬較易。3、利于與感遙數據的匹配應用和分析，便于圖像處理。4、輸出快速，成本低廉。1、現象識別效果不如矢量方法，難以表達拓撲。2、圖形數據量大，數據結構不嚴密不緊湊，需用壓縮技術解決該問題。3、投影轉換困難。44、圖形質量轉低，圖形輸出不美觀，線條有鋸齒，需用增加柵格數量來克服，但會增加數據文件。矢量、柵格數據結構的選擇在GIS建立過程中，應根據應用目的和應用特點、可能獲得的數據精度以及地理信息系統軟件和硬件配置情況，選擇合適的數據結構。柵格結構:大范圍小比例尺的自然資源、環(huán)境、農林業(yè)等區(qū)域問題的研究。矢量結構：城市分區(qū)或詳細規(guī)劃、土地管理、公用事業(yè)管理等方面的應用。二、矢柵一體化概念將矢量面對目標的方法和柵格元子充填的方法結合起來，具體采用填滿線狀目標路徑和充填面狀目標空間的方法作為一體化數據結構的基礎。線狀地物：除記錄原始取樣點外，還記錄路徑所通過的柵格。面狀地物：除記錄它的多邊形周邊以外，還包括中間的面域柵格。一方面，它保留了矢量的全部性質，以目標為單元直接聚集所有的位置信息，并能建立拓撲關系；另一方面，它建立了柵格與地物的關系，即路徑上的任一點都直接與目標建立了聯系。從原理上說，這是一種以矢量的方式來組織柵格數據的數據結構。三、三個約定和細分格網法為便于組織數據，首先作如下約定：a.地面上的點狀地物是地球表面上的點，它僅有空間位置，沒有形狀和面積，在計算機內部僅有一個位置數據。b.地面上的線狀地物是地球表面的空間曲線，它有形狀但沒有面積，它在平面上的投影是一連續(xù)不間斷的直線或曲線，在計算機內部需要用一組元子填滿整個路徑。c.地面上的面狀地物是地球表面的空間曲面，并具有形狀和面積，它在平面上的投影是由邊界包圍的緊致空間和一組填滿路徑的元子表達的邊界組成。為提高柵格表示精度，采用細分格網法：將一對X,Y坐標用兩個Morton碼代替：前一M1表示該點（采樣點或附加的交叉點）所在基本格網的地址碼，后者M2表示該點對應的細分格網的Morton碼，既顧全整體定位，又保證精度。四、一體化數據結構設計線性四叉樹(Morton)是基本數據格式，三個約定設計點、線、面數據結構的基本依據，細分格網法保證足夠精度。1、點狀地物和結點的數據結構約定1，點僅有位置、沒有形狀和面積，只要將點的坐標轉化為地址碼M1和M2,結構簡單靈活，便于點的插入和刪除，還能處理一個柵格內包含多個點狀目標的情況。2、線狀地物的數據結構約定（2），線狀地物有形狀但沒有面積，沒有面積意味著只要用一串數據表達每個線狀地物的路徑即可，將該線狀地物經過的所有柵格的地址全部記錄下來。仿照矢量數據組織的鏈狀雙重獨立式編碼，以弧段為記錄單位?；《蔚臄祿Y構:3、面狀地物的數據結構3）面文件這種數據結構是面向地物的，具有矢量的特點。通過面狀地物的標識號可以找到它的邊界弧段并順著指針提取所有的中間面塊。同時它又具有柵格的全部特性，二維行程本身就是面向位置的結構，帶指針的二維行程碼中的Morton碼表達了位置的相互關系，前后M碼之差隱含了該子塊的大小。給出任意一點的位置都可順著指針找到面狀地物的標識號確定是哪一個地物。4、復雜地物的數據結構由幾個或幾種點、線、面狀簡單地物組成的地物稱為復雜地物。例如將一條公路上的中心線、交通燈、立交橋等組合為一個復雜地物，用一個標識號表示。復雜地物的數據結構如表7所示?！?-5三維數據結構一、概述目前GIS主要還停留在處理地球表面的數據，若數據是地表以下或以上，則先將它投影到地表，再進行處理，其實質是以二維的形式來模擬、處理任何數據，在有些領域可行，但涉及到三維問題的處理時，往往力不從心。二維V=f(x,y)，在不同的層V的含義不同，當V表示的是高程時，就是DEM。由于地形三維視圖的原因，人們常把DEM誤認為是三維模型。但從本質上講，DEM是二維的，因為它只能表示地表的信息，不能對地表內部進行有效的表示。目前，人們常把DEM稱為2.5維的數據模型。真三維模型V=f(x,y,z)，z是一自變量，不受x,y的影響。三維GIS的要求與二維GIS相似，但在數據采集，系統維護和界面設計等方面比二維GIS復雜得多，如三維數據的組織與重

建，三維變換、查詢、運算、分析、維護等方面。下面主要介紹三維數據結構。同樣，三維結構存在柵格和矢量兩種形式。柵格：將地理實體的三維空間分成細小單元---體元。普遍用八叉樹矢量：x,y,z，抽象為點、線、面、體，面構成體。方法多種，常用三維邊界表示法。二、八叉樹結構1、思想：四叉樹在三維空間的推廣。將要表示的形體V放在一個充分大的正方體C內，C的邊長為2n，不斷用兩個與XOY、XOZ的平面均分C為8個子體，并判斷屬性單一性。當子體部分為V---灰結點需再1分為8。子體中無V---白結點停止分割，葉結點。子體全為V—黑結點2、存貯結構1）規(guī)則八叉樹與常規(guī)四叉樹類似，用10項字段來記錄每個結點（8個子結點指針，1個父結點指針，1個結點屬性）。最普遍的形式，方式自然，易掌握。但指針占總存儲量的94%，空間使用率低。2）線性八叉樹—Motorn碼用某一預先確定的次序將八叉樹轉換成一個線性表，表中的每個元素與一個結點相對應。每個結點用固定的字節(jié)描述，其中某些位專門用來說明它是否為葉結點。特點：節(jié)省存貯空間，便于某些運算，但喪失一定的靈活性，不便于其它遍歷方式對樹的結點進行存取，應用效果不佳。3）一對八式的八叉樹每個結點均1分為8，并標記為0，1，2，3，4，5，6，7。隱含地假定了這些子結點記錄存放的次序–---便于檢索浪費存儲，除非完全八叉樹，即所有葉結點均在同一層次出現，上層均為非葉結點。三、三維邊界表示法1、頂點表：用來表示多面體各頂點的坐標２、邊表：指出構成多面體某邊的兩個頂點；３、面表：給出圍成多面體某個面的各條邊。可避免重復表示某些點、邊、面，節(jié)約存儲，便于圖形顯示，如公共邊不重復。４、當有若干個多面體時，還必須有一個對象表。5、擴充后的邊表為表達拓撲還可將其它一些有關的內容結合到所使用的表中，如將邊所屬的多邊形信息結合進邊表中以后的形式：6、拓撲檢查數據存儲后，必須檢查數據的一致性、完全性，即進行拓撲檢查。具體可檢查下列幾項：(1)頂點表中的每個頂點至少是兩條邊的端點；(2)每條邊至少是一個多邊形的邊；(3)每個多邊形是封閉的；(4)每個多邊形至少有一條邊是和另一個多邊形共用的；(5)若邊表中包含了指向它所屬多邊形的指針，那么指向該邊的指針必在相應的多邊形中出現。7、應用三維邊界法一般用于表示規(guī)則形體，如建筑物，對于自然界中的復雜形體如巖石的外表，理論上可找到一在誤差范圍內逼近的適合平面多面體，但這種逼近受多因素的制約。對于不規(guī)則形體，可在形體的外表面s，可測一組點p1,p2…pn坐標，再建這些點的關系，即結構圖，決定頂點連接的不同方式。同樣數據點，由于連接方式不同，構成的平面多面體也不同。其中最重要的一種方法就是每個面均是三角形的平面多面體，類似TIN結構。但即使這樣，同一組點仍可得到不同的平面多面體。因此，需要研究擁有了哪些特征之后，才能更確切地逼近原來的三維形體?這種逼近有兩種形式：表面S0的逼近：以確定后的平面多面體的表面作為對原三維形體的表面S0的逼近，著眼于形體的邊界表示。三維形體的逼近：給出一系列的四面體，這些四面體的集合就是對原三維形體的逼近。著眼于形體的分解表示。第三章空間數據庫§3-1空間數據庫的概念空間數據庫是空間數據庫系統的簡稱。一、空間數據庫1、定義：是地理信息系統在計算機物理存儲介質上存儲和應用的相關的地理空間數據的總合。書刊數據邏輯劃分詞句段目節(jié)章數據項、記錄、文件和數據庫物理劃分字行頁期卷比特、字節(jié)、字、塊、桶和卷2、空間數據特征:1）空間特征：一般需要建立空間索引。2）非結構化特征：結構化的，即滿足第一范式:每條記錄定長，且數據項是原子數據.而空間數據數據項變長，對象包含一個或多個對象，需要嵌套記錄。3）空間關系特征：拓撲數據給空間數據的一致性和完整性維護增加了復雜性。4）分類編碼特征：一種地物類型對應一個屬性數據表文件。多種地物類型共用一個屬性數據表文件。5）海量數據特征。3、空間數據庫的特點1）數據量特別大；2）數據種類多，復雜；3）數據應用面相當廣。在建立地理空間數據庫時，一方面應遵循和應用通用的數據庫的原理和方法；另一方面又必須采取一些特殊的技術和方法來解決其他數據庫所沒有的問題。二、空間數據庫管理系統是指能夠對物理介質上存儲的地理空間數據進行語義和邏輯上的定義；提供必須的空間數據查詢、檢索和存取功能；能夠空間數據進行有效的維護和更新的一套軟件系統。三、空間數據庫應用系統提供給用戶訪問和操作空間數據庫的用戶界面，是應用戶數據處理需求而建立的具有數據庫訪問功能的應用軟件。一般需要進行二次開發(fā)。§3-2空間數據模型數據結構：是指數據的組織形式，在計算機存儲、管理和處理的數據邏輯結構。數據模型：是描述實體及其相互關系的數學描述，是空間數據庫建立的邏輯模型。兩者之間的關系：混合的交叉關系，并不一一對應，世界多樣性，確定數據模型，確保實用性，（便于模型化、存儲、檢查和分析），它并不基于空間數據結構。一、傳統數據模型自學：用三種模型（層次、網絡、關系）組織圖：二、傳統模型存儲空間數據的局限：1、層次模型用于GIS地理數據庫的局限性層次模型反映了實體之間的層次關系，簡單、直觀，易于理解，并在一定程度上支持數據的重構。用于GIS地理數據庫存在的主要問題是：1）很難描述復雜的地理實體之間的聯系，描述多對多的關系時導致物理存儲上的冗余；2）對任何對象的查詢都必須從層次結構的根結點開始，低層次對象的查詢效率很低，很難進行反向查詢；3）數據獨立性較差，數據更新涉及許多指針，插入和刪除操作比較復雜，父結點的刪除意味著其下層所有子結點均被刪除；4）層次命令具有過程式性質，要求用戶了解數據的物理結構，并在數據操縱命令中顯式地給出數據的存取路徑；5）基本不具備演繹功能和操作代數基礎。2、網狀模型用于GIS地理數據庫的局限性網狀模型反映地理世界中常見的多對多關系，支持數據重構，具有一定的數據獨立和數據共享特性，且運行效率較高。用于GIS地理數據庫的主要問題如下：1）由于網狀結構的復雜性，增加了用戶查詢的定位困難，要求用戶熟悉數據的邏輯結構，知道自己所處的位置；2）網狀數據操作命令具有過程式性質，存在與層次模型相同的問題；3）不直接支持對于層次結構的表達；4）基本不具備演繹功能和操作代數基礎。3、關系模型用于GIS地理數據庫的局限性在GIS分析中，常常需要綜合運用實體之間的空間關系和屬性數據，要求GIS數據庫能對實體的屬性數據和空間數據進行綜合管理。4）空間數據通常是變長的，而一般RDBMS只允許記錄的長度設定為固定長度，此外，通

用DBMS難于存儲和維護空間數據的拓撲關系。5）一般RDBMS都難以實現對空間數據的關聯、連通、包含、疊加等基本操作。6）一般DBMS不能支持GIS需要的一些復雜圖形功能。7）一般RDBMS難以支持復雜的地理信息，因為單個地理實體的表達需要多個文件、多條記錄，包括大地網、特征坐標、拓撲關系、屬性數據和非空間專題屬性等方面信息。8）GIS管理的是具有高度內部聯系的數據，為了保證地理數據庫的完整性，需要復雜的安全維護系統，而這些完整性約束條件必須與空間數據一起存儲，由地理數據庫來維護系統數據的完整性。否則，一條記錄的改變會導致錯誤、相互矛盾的數據存在，而一般RDBMS難以實現這一功能。三、面向對象模型一）基本概念1、對象：含有數據和操作方法的獨立模塊，可以認為是數據和行為的統一體。如一個城市、一棵樹均可作為地理對象?！ぞ哂幸粋€唯一的標識，以表明其存在的獨立性；·具有一組描述特征的屬性，以表明其在某一時刻的狀態(tài)——靜態(tài)屬性—數據；·具有一組表示行為的操作方法，用以改變對象的狀態(tài)。--作用、功能—函數、方法。對象的劃分：根據對象的共性，及對它的研究目的來劃分，與具體的目的、性質相聯系，不同的目的就會有不同劃分。劃分原則：找共同點，所有具有共性的系統成份就可為一種對象。2、類：共享同一屬性和方法集的所有對象的集合構成類。如河流均具有共性，如名稱、長度、流域面積等，以及相同的操作方法，如查詢、計算長度、求流域面積等，因而可抽象為河流類。3、實例被抽象的對象，類的一個具體對象，稱為，如長江、黃河等。真正抽象的河流不存在，只存在河流的例子。類是抽象的對象，是實例的組合，類、實例是相對的，類和實例的關系為上下層關系。類---申請實例---成為具體對象。4、消息：對象之間的請求和協作。（并不獨立存在）對象之間的關系，如鼠標點，就是消息，點某按紐，就是對按紐提出請求。(二)面向對象的特性1、抽象：是對現實世界的簡明表示。形成對象的關鍵是抽象，對象是抽象思維的結果。2、封裝：一般講，包起來，將方法與數據放于一對象中，以使對數據的操作只可通過該對象本身的方法來進行。在這，指把對象的狀態(tài)及其操作集成化，使之不受外界影響。3、多態(tài)：是指同一消息被不同對象接收時，可解釋為不同的含義。同一消息，對不同對象，功能不同。功能重載->多態(tài)，簡化消息，但功能不減。（三）四種核心技術1、分類分類是把一組具有相同屬性結構和操作方法的對象歸納或映射為一個公共類的過程。如城鎮(zhèn)建筑可分為行政區(qū)、商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、文化區(qū)等若干個類。2、概括將相同特征和操作的類再抽象為一個更高層次、更具一般性的超類的過程。子類是超類的一個特例。一個類可能是超類的子類，也可是幾個子類的超類。所以，概括可能有任意多層次。概括技術避免了說明和存儲上的大量冗余。這需要一種能自動地從超類的屬性和操作中獲取子類對象的屬性和操作的機制，即繼承機制。聚集是把幾個不同性質類的對象組合成一個更高級的復合對象的過程。4、聯合相似對象抽象組合為集合對象。其操作是成員對象的操作集合。（四）面向對象數據模型的核心工具1、繼承：一類對象可繼承另一類對象的特性和能力，子類繼承父類的共性，繼承不僅可以把父類的特征傳給中間子類，還可以向下傳給中間子類的子類。它服務于概括。繼承機制減少代碼冗余，減少相互間的接口和界面。1）單重繼承、多重繼承；全部繼承、部分繼承；取代繼承、包含繼承2）狀態(tài)繼承（數據）子類繼承父類的數據結構，子類還可定義自己新的數據結構。子類任意使用父類的數據結構，有可能破壞封裝，若只能通過發(fā)送消息來使用父類的域，又可能失去有效性，具體辦法：公有域：類可操作，實例也可操作。

私有域：只有類本身使用，用戶不得訪問。

保護域：子類可使用，繼承使用，實例不能使用。2、傳播傳播與繼承是一對。復雜對象的某些屬性值不單獨存于數據庫中，而由子對象派生或提取，將子（成員）對象的屬性信息強制地傳播給綜合復雜對象。成員對象的屬性只存儲一次，保證數據一致性和減少冗余。如武漢市總人口，由存儲在各成員對象中的各區(qū)人口總和。3、繼承與傳播（區(qū)別）1）繼承服務于概括，傳播作用于聯合和聚集；2）繼承是從上層到下層，應用于類，而傳播是自下而上，直接作用于對象；3）繼承包括屬性和操作，而傳播一般僅涉及屬性；4）繼承是一種信息隱含機制，只要說明子類與父類的關系，則父類的特征一般能自動傳給它的子類，而傳播是一種強制性工具，需要在復合對象中顯式定義它的每個成員對象，并說明它需要傳播哪些屬性值。四、GIS空間數據庫類型1、基于文件管理的方式缺點：1）程序依賴于數據文件的存儲結構，數據文件修改時，應用程序也隨之改變。2）以文件形式共享，當多個程序共享一數據文件時，文件的修改，需得到所有應用的許可。不能達到真正的共享，即數據項、記錄項的共享。2、文件與關系數據庫混合管理系統—雙元模型除oid作為連接關鍵字以外，幾乎是兩者獨立地組織、管理和檢索。

幾何圖形:圖形用戶界面與圖形文件處理是一體的，中間沒有裂縫。屬性數據，則因系統和歷史發(fā)展而異。

1)圖形與屬性結合的各自分開處理模式--------早期系統:圖形處理的用戶界面和屬性的用戶界面是分開的，它們只是通過一個內部碼連接。通常要同時啟動兩個系統，甚至兩個系統來回切換，不方便。2)圖形與屬性結合的混合處理模式GIS通過DBMS提供的高級編程語言C或Fortran等接口，在C語言的環(huán)境下，直接操縱屬性數據，查詢屬性數據庫，并在GIS的用戶界面下，顯示查詢結果。在ODBC(OpenDataBaseConnectivity,開放式數據庫互連)推出后，GIS軟件商只需開發(fā)GIS與ODBC的接口軟件，就可將屬性數據與任何一個支持ODBC的RDBMS連接。這樣用戶可在一個界面下處理圖形和屬性數據。采用文件與RDBMS的混合管理模式中文件管理系統的功能較弱，特別是在數據的安全性、一致性、完整性、并發(fā)控制以及數據損壞后的恢復方面缺少基本的功能。因而GIS軟件商需要尋找能同時管理圖形和屬性數據的商用DBMS。3、全關系型空間數據庫管理系統—分層模型GIS軟件商在標準DBMS頂層開發(fā)一個能容納、管理空間數據的系統功能。用RDBMS管理圖形數據有兩種模式：a、基于關系模型的方式，圖形數據按關系數據模型組織。由于涉及一系列關系連接運算，費時。例如b、將圖形數據的變長部分處理成BinaryBlock字段（多媒體或變長文本）。省去大量關系連接操作，但BinaryBlock的讀寫效率比定長的屬性字段慢得多，特別涉及對象的嵌套時，更慢。4、對象--關系數據庫管理系統DBMS軟件商在RDBMS中進行擴展，使之能直接存儲和管理非結構化的空間數據，如Informix和Oracle等都推出了空間數據管理的專用模塊，定義了操縱點、線、面、圓等空間對象的ＡＰＩ函數。主要解決空間數據的變長記錄的管理，效率比二進制塊的管理高得多，但仍沒有解決對象的嵌套問題，空間數據結構不能由用戶定義，用戶不能根據ＧＩＳ要求再定義，使用上受一定限制。5、面向對象空間數據庫管理系統1）面向對象數據模型的含義為了有效地描述復雜的事物或現象，需要在更高層次上綜合利用和管理多種數據結構和數據模型，并用面向對象的方法進行統一的抽象。這就是面向對象數據模型的含義，其具體實現就是面向對象的數據結構。面向對象模型最適合于空間數據的表達和管理，它不僅支持變長記錄，且支持對象的嵌套，信息的繼承和聚集。允許用戶定義對象和對象的數據結構及它的操作。可以將空間對象根據ＧＩＳ需要，定義合適的數據結構和一組操作。這種空間數據結構可以帶和不帶拓撲，當帶拓撲時，涉及對象的嵌套、對象的連接和對象與信息聚集。面向對象的地理數據模型的核心是對復雜對象的模擬和操縱。2）復雜對象及特點指具有復雜結構和操作的對象。復雜對象可以由多種關系聚合抽象而成，或由不同類型的對象構成，或具有復雜的嵌套關系等。

復雜對象的特點可歸結為：a)一個復雜對象由多個成員對象構成，每個成員對象又可參與其它對象的構成；b)具有多種數據結構，如矢量、柵格、關系表等；c）一個復雜對象的不同部分可由不同的數據模型所支持，也就是說，可以分布于不同的數據庫中。3）面向對象的幾何數據模型從幾何方面劃分，GIS的各種地物對象為點、線、面狀地物以及由它們混合組成的復雜地物。每一種幾何地物又可能由一些更簡單的幾何圖形元素構成。一個面狀地物是由邊界弧段和中間面域組成，弧段又涉及到節(jié)點和中間點坐標?；蛘哒f，節(jié)點的坐標傳播給弧段，弧段聚集成線狀地物或面狀地物，簡單地物聚集或聯合組成復雜地物。4）拓撲關系與面向對象模型將每條弧段的兩個端點（通過它們與另外的弧段公用）抽象出來，建立單獨的節(jié)點對象類型，而在弧段的數據文件中，設立兩個節(jié)點子對象標識號，即用“傳播”的工具提取節(jié)點文件的信息。節(jié)點標識

X

Y

Z

…

…

…

…

面標識

弧段標識

…

…

弧段標識

起節(jié)點

終節(jié)點

中間點串

…

…

…

…

這一模型既解決了數據共享問題，又建立了弧段與節(jié)點的拓撲關系。同樣，面狀地物對弧段的聚集方式與數據共享和幾何拓撲關系的建立也達到一致。5）面向對象的屬性數據模型面向對象數據模型是在包含RDBMS的功能基礎上，增加面向對象數據模型的封裝、繼承和信息傳播等功能。6)面向對象地理數據模型的特點a)具有可擴充性。由于對象是相對獨立的，因此可以很自然和容易地增加新的對象，并且對不同類型的對象具有統一的管理機制。b)可充分利用現有數據模型的優(yōu)點。c)可以模擬和操縱復雜對象。傳統的數據模型是面向簡單對象的，無法直接模擬和操縱復雜實體，而面向對象的數據模型具備對復雜對象進行模擬和操縱的能力。在GIS中建立面向對象的數據模型時，對象的確定還沒有統一的標準，但是，對象的建立應符合人們對客觀世界的理解，并且要完整地表達各種地理對象，及它們之間的相互關系。7）面向對象數據庫系統的基本概念動態(tài)聯編:為了實現多態(tài)，系統不能在編譯時就把操作名聯編到程序上，而要等到運行時才進行解釋。8）面向對象數據庫系統所具有的優(yōu)勢1）縮小了語義差距（2）減輕了“阻抗失配”問題傳統數據庫應用往往表現為把數據庫語句嵌入某種具有計算完備性的程序設計語言中，由于數據庫語言和程序設計語言的類型系統和計算模型往往不同，所以這種結合是不自然的，這個現象被稱為“阻抗失配”。在OODB中，把需要程序設計語言編寫的操作都封裝在對象的內部，從本質上講，OODB的問題求解過程只需要表現為一個消息表達式的集合。（3）適應非傳統應用的需要

這種適應性主要表現在能夠定義和操縱復雜對象，具備引用共享和并發(fā)共享機制以及靈活的事務模型，支持大量對象的存儲和獲取等等?！?-3空間數據庫的設計空間數據庫的設計是指在現在數據庫管理系統的基礎上建立空間數據庫的整個過程。一、需求分析需求分析是整個空間數據庫設計與建立的基礎，主要進行以下工作：1、調查用戶需求：了解用戶特點和要求，取得設計者與用戶對需求的一致看法。2、需求數據的收集和分析：包括信息需求(信息內容、特征、需要存儲的數據)、信息加工處理要求(如響應時間)、完整性與安全性要求等。3、編制用戶需求說明書：包括需求分析的目標、任務、具體需求說明、系統功能與性能、運行環(huán)境等，是需求分析的最終成果。在需求分析階段完成：數據源的選擇和對各種數據集的評價（一般、空間、屬性評價）。二、結構設計指空間數據結構設計，結果是得到一個合理的空間數據模型，是空間數據庫設計的關鍵?？臻g數據庫設計的實質是將地理空間實體以一定的組織形式在數據庫系統中加以表達的過程，也就是地理信息系統中空間實體的模型化問題。1、概念模型是通過對錯綜復雜的現實世界的認識與抽象，最終形成空間數據庫系統及其應用系統所需的模型。表示概念模型最有力的工具是E—R模型，即實體—聯系模型，包括實體、聯系和屬性三個基本成分。用它來描述現實地理世界，不必考慮信息的存儲結構、存取路徑及存取效率等與計算機有關的問題，比一般的數據模型更接近于現實地理世界，具有直觀、自然、語義較豐富等特點，在地理數據庫設計中得到了廣泛應用。2、邏輯模型邏輯模型的設計是將概念模型結構轉換轉換為具體DBMS可處理的地理數據庫的邏輯結構(或外模式)，包括確定數據項、記錄及記錄間的聯系、安全性、完整性和一致性約束等。從E—R模型向關系模型轉換的主要過程為：①確定各實體的主關鍵字；②確定并寫出實體內部屬性之間的數據關系表達式（函數依賴關系），即某一數據項決定另外的數據項；③把經過消冗處理（規(guī)范化處理）的數據關系表達式中的實體作為相應的主關鍵字；④根據②、③形成新的關系。⑤完成轉換后，進行分析、評價和優(yōu)化。3、物理設計是指有效地將空間數據庫的邏輯結構在物理存儲器上實現，確定數據在介質上的物理存儲結構，其結果是導出地理數據庫的存儲模式(內模式)。主要內容包括確定記錄存儲格式，選擇文件存儲結構，決定存取路徑，分配存儲空間。物理設計的好壞將對地理數據庫的性能影響很大，一個好的物理存儲結構必須滿足兩個條件：一是地理數據占有較小的存儲空間；二是對數據庫的操作具有盡可能高的處理速度。在完成物理設計后，要進行性能分析和測試。

物理設計在很大程度上與選用的數據庫管理系統有關。設計中應根據需要，選用系統所提供的功能。三、數據層設計GIS的數據可以按照空間數據的邏輯關系或專業(yè)屬性分為各種邏輯數據層或專業(yè)數據層，原理上類似于圖片的疊置。例如，地形圖數據可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民地等諸層分別存貯。將各層疊加起來就合成了地形圖的數據。在進行空間分析、數據處理、圖形顯示時，往往只需要若干相應圖層的數據。數據層的設計一般是按照數據的專業(yè)內容和類型進行的。數據的專業(yè)內容的類型通常是數據分層的主要依據，同時也要考慮數據之間的關系。如需考慮兩類物體共享邊界(道路與行政邊界重合、河流與地塊邊界的重合)等，這些數據間的關系在數據分層設計時應體現出來。不同類型的數據由于其應用功能相同，在分析和應用時往往會同時用到，因此在設計時應反映出這樣的需求，即可將這些數據作為一層。（如道路、加油站、停車場—交通層）最后得出各層數據的表現形式，各層數據的屬性內容和屬性表之間的關系等。四、數據字典設計數據字典用于描述數據庫的整體結構、數據內容和定義等。一個好的數據字典可以說是一個數據的標準規(guī)范，它可使數據庫的開發(fā)者依此來實施數據庫的建立、維護和更新。數據字典的內容包括：數據庫的總體組織結構、數據庫總體設計的框架、各數據層詳細內容的定義及結構、數據命名的定義元數據（有關數據的數據，是對一個數據集的內容、質量條件及操作過程等的描述）等內容。一、空間數據庫的建立1、建立空間數據庫結構利用DBMS提供的數據描述語言描述邏輯設計和物理設計的結果，得到概念模式和外模式，編寫功能軟件，經編譯、運行后形成目標模式，建立起實際的空間數據庫結構。2、數據裝入一般由編寫的數據裝入程序或DBMS提供的應用程序來完成。在裝入數據之前要做許多準備工作，如對數據進行整理、分類、編碼及格式轉換(如專題數據庫裝入數據時，采用多關系異構數據庫的模式轉換、查詢轉換和數據轉換)等。裝入的數據要確保其準確性和一致性。3、調試運行裝入數據后，要對地理數據庫的實際應用程序進行運行，執(zhí)行各功能模塊的操作，對地理數據庫系統的功能和性能進行全面測試，

二、空間數據庫的維護1、空間數據庫的重組織指在不改變空間數據庫原來的邏輯結構和物理結構的前提下，改變數據的存儲位置，將數據予以重新組織和存放。

2、空間數據庫的重構造指局部改變空間數據庫的邏輯結構和物理結構。數據庫重構通過改寫其概念模式(邏輯模式)的內模式(存儲模式)進行。

3、空間數據庫的完整性、安全性控制完整性是指數據的正確性、有效性和一致性，主要由后映象日志來完成，它是一個備份程序，當發(fā)生系統或介質故障時，利用它對數據庫進行恢復。安全性指對數據的保護，主要通過權限授予、審計跟蹤，以及數據的卸出和裝入來實現。

第四章空間數據的采集和質量控制§4-1概述一、GIS的數據源：地圖數據，遙感數據，文本數據，統計數據實測數據，多媒體數據，已有系統的數據二、空間數據采集的任務將現有的上述類型數據轉換成GIS可以處理與接收的數字形式，通常要經過驗證、修改、編輯等處理。三、研究GIS數據質量的目的和意義GIS的數據質量是指GIS中空間數據(幾何數據和屬性數據)的可靠性，通常用空間數據的誤差來度量。誤差是指數據與真值的偏離。研究GIS數據質量對于評定GIS的算法、減少GIS設計與開發(fā)的盲目性都具有重要意義。精度越高，代價越大。GIS數據質量對保證GIS產品的可靠性有重要意義。§4-2空間數據的地理參照系和控制基礎指物質、能量、信息的存在形式在形態(tài)、結構過程、功能關系上的分布方式和格局及其在時間上的延續(xù)，具體包括地球上大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈和土壤圈交互作用的區(qū)域。地理空間具體被描述為：1）絕對空間，具有屬性描述的空間位置的集合，一系列坐標值組成。2）相對空間，是具有空間屬性特征的實體的集合，由不同實體之間的空間關系組成。二、地理空間的數學建構---如何建立地球表面的幾何模型1、最自然的面：包括海洋底部、高山、高原在內的固體地球表面，起伏不定，難以用一個簡潔的數學式描述。

2、相對抽象的面，即大地水準面地球表面72%被海水覆蓋，假設一個當海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個連續(xù)、閉合的水準面。可用水準儀完成地球自然表面上任一點的高程測量。但地球的重力方向處處不同，處處與重力方向垂直的大地水準面顯然不可能是一個十分規(guī)則的表面，且不能用簡單的數學公式來表達，因此，大地水準面不能作為測量成果的計算面。3、橢球體模型為了測量成果計算的需要，選用一個同大地體相近的、可以用數學方法來表達的旋轉橢球來代替地球---三軸橢球體。三、地理參照系1、經緯度坐標系（地理坐標）對空間定位有利，但難以進行距離、方向、面積量算。2、笛卡兒平面坐標系便于量算和進一步的空間數據處理和分析。

3、高程系統描述空間點在垂直高度上的特性--高程——由高程基準面起算的地面點的高度。四、GIS的地理基礎--控制基礎各種GIS的數據源、服務目的和各自特征可以不同，但均有自身統一的地理基礎。1、地理基礎的內容地理基礎是地理信息數據表示格式與規(guī)范的重要組成部分2、投影與坐標系：每一種投影都與一個坐標系統相聯系。坐標系統是一套說明某一物體地理坐標的參數，參數之一為投影。投影關系著如何將圖形物體顯示于平面上，而坐標系統則顯示出地形地物所在的相對位置。3、統一的地圖投影系統的意義：為地理信息系統選擇和設計一種或幾種適用的地圖投影系統和網格坐標系統，為各種地理信息的輸入、輸出及匹配處理提供一個統一的定位框架，使各種來源的地理信息和數據能夠具有共同的地理基礎，并在這個基礎上反映出它們的地理位置和地理關系特征。五、地圖投影1、GIS與地圖投影關系2、GIS中地圖投影設計與配置的一般原則1）所配置的投影系統應與相應比例尺的國家基本圖（基本比例尺地形圖，基本省區(qū)圖或國家大地圖集）投影系統一致。2）系統一般只考慮至多采用兩種投影系統，一種應用于大比例尺的數據處理與輸出、輸入，另一種服務于小比例尺。3）所用投影以等角投影為宜。4）所用投影應能與網格坐標系統相適應，即所采用的網格系統（特別是一級網格）在投影帶中應保持完整。3、我國GIS常用的地圖投影配置采用與我國基本圖系列一致的地圖投影系統：我國常用的地圖投影的情況為：1)、我國基本比例尺地形圖(1：100萬、1：50萬、1：25萬、1：10萬、1：5萬、1：2.5、1：1萬、1：5000),除1：100萬外均采用高斯—克呂格投影為地理基礎；2)、我國1：100萬地形圖采用了Lambert投影，其分幅原則與國際地理學會規(guī)定的全球統一使用的國際百萬分之一地圖投影保持一致。3)、我國大部分省區(qū)圖以及大多數這一比例尺的地圖也多采用Lambert投影和屬于同一投影系統的Albers投影(正軸等面積割圓錐投影)；4)、Lambert投影中，地球表面上兩點間的最短距離(即大圓航線)表現為近于直線，這有利于地理信息系統中空間分析量度的正確實施。。2、GIS中地圖投影設計與配置的一般原則§4-3空間數據的分類和編碼一、空間數據的組織二、地理數據的分層空間數據可按某種屬性特征形成一個數據層，通常稱為圖層（Coverage）。1、空間數據分層方法：1）專題分層每個圖層對應一個專題，包含某一種或某一類數據。如地貌層、水系層、道路層、居民地層等。2）時間序列分層即把不同時間或不同時期的數據作為一個數據層。3）地面垂直高度分層把不同時間或不同時期的數據作為一個數據層。2、空間數據分層的目的便于空間數據的管理、查詢、顯示、分析等。1）空間數據分為若干數據層后，對所有空間數據的管理就簡化為對各數據層的管理，而一個數據層的數據結構往往比較單一，數據量也相對較小，管理起來就相對簡單；2）對分層的空間數據進行查詢時，不需要對所有空間數據進行查詢，只需要對某一層空間數據進行查詢即可，因而可加快查詢速度；3）分層后的空間數據，由于便于任意選擇需要顯示的圖層，因而增加了圖形顯示的靈活性；4）對不同數據層進行疊加，可進行各種目的的空間分析。三、空間數據的分類與編碼1、屬性數據編碼在屬性數據中，有一部分是與幾何數據的表示密切有關的。例如，道路的等級、類型等，決定著道路符號的形狀、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把這部分屬性數據用編碼的形式表示，并與幾何數據一起管理起來。編碼：是指確定屬性數據的代碼的方法和過程。代碼：是一個或一組有序的易于被計算機或人識別與處理的符號，是計算機鑒別和查找信息的主要依據和手段。編碼的直接產物就是代碼，而分類分級則是編碼的基礎。2、分類編碼的原則分類是將具有共同的屬性或特征的事物或現象歸并在一起，而把不同屬性或特征的事物或現象分開的過程。分類是人類思維所固有的一種活動，是認識事物的一種方法。分類的基本原則是：科學性、系統性、可擴性、實用性、兼容性、穩(wěn)定性、不受比例尺限制、靈活性3、分類碼和標識碼§4.4空間數據的采集一、輸入前準備1、資料準備，區(qū)域標定1）基礎原始數據的確定2）數據分類項目的確定3）數據標準的準確性的確定2、進行三個統一：（地理基礎統一，即確定投影、比例尺、分類分級編碼）3、所用軟件的檢查、試用菜單準備及其它輔助工作。4、硬件檢查。5、精度試驗。6、試驗，樣區(qū)、單項試驗。二、幾何圖形數據的采集一）手工數字化1、手工矢量數字化（二）數字化儀數字化§4.4空間數據的采集2、用數字化軟件進行數字化2、手工柵格數字化（以上資料4。4節(jié)來源于張超主編的《地理信息系統實習教程》所配光盤）1、掃描矢量化處理流程：三）掃描矢量化2、屏幕跟蹤矢量化流程三、屬性數據采集1、鍵盤，人機對話方式2、程序批量輸入。四、屬性和幾何數據的連接1、可手工輸入2、由系統自動生成(如用順序號代表標識符)五、空間數據的編輯和檢核1、空間數據輸入的誤差1）幾何數據的不完整或重復。2）幾何數據的位置不正確。3）比例尺不正確。4）變形。5）幾何數據與屬性數據的連接有誤。6）屬性數據錯誤、不完整。鍵盤輸入錯誤，漏輸數據或屬性錯誤分類、編碼等。2、空間數據的檢查1）通過圖形實體與其屬性的聯合顯示，發(fā)現數字化中的遺漏、重復、不匹配等錯誤；2）在屏幕上用地圖要素對應的符號顯示數字化的結果，對照原圖檢查錯誤；3）把數字化的結果繪圖輸出在透明材料上，然后與原圖疊加以發(fā)現錯漏；4）對等高線，通過