地理信息系统期末重点复习

地理信息系统复习

地理信息系统的组成:

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。（1）计算机硬件系统：是计算机系统中的实际物理装置的总称，是 GIS 的物理外壳。包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器等，向提供信息、保存数据、返回信息给用户。（2）计算机软件系统：计算机软件系统是指必需的各种程序。对于 GIS 应用而言，通常包括：计算机系统软件、地理信息系统软件和其他支持软件、应用分析程序。

（3）系统开发、管理和使用人员：完善的地理信息系统项目应包括负责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运行系统的用户。地理信息系统专业人员是地理信息系统应用的关键。

（4）空间数据：它是由系统的建立者输入 GIS ，是系统程序作用的对象，是 GIS 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。主要包括空间位置、空间关系、属性等。

空间数据模型：是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念。

场模型表示了在二维或者三维空间中被看作是连续变化的数据。用于模拟一定空间内连续分布的现象，常用栅格数据模型描述。栅格数据模型是基于连续铺盖的，它是将连续空间离散化，以规则或不规则的铺盖覆盖整个空间。

基于对象（要素）的模型强调了离散对象，根据它们的边界线以及组成它们或者与它们相关的其它对象，可以详细地描述离散对象。点对象，由特定位置、维数为零的物体；线对象，维度为一的空间组成部分；多边形对象，即面状实体，通常用封闭曲线加内点来表示。矢量模型即是基于要素的，将现象看成原型实体的集合，矢量模型的表达源于空间实体的本身，通常以坐标来定义。

网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或交通流。网络模型的基本特征是节点数据间没有明确的从属关系，一个节点可与其他多个节点相联系。网状模型将数据组织成有向图结构。三种模型的对比：

基于对象的模型强调了离散对象，网络模型表示了特殊对象之间的交互，场模型表示了二维或三维空间中连续变化的数据。

要素模型和场模型的不同在于一个是先选择要素，再回答"它在哪里"的问题；场模型实现选择一个位置，在回答"哪里怎么样"的问题，最后都得到数据。网络模型的基本特征是：节点数据之间没有明确的从属关系，一个节点可以与其他多个节点建立联系，将数据组织成有向图结构，它反映了现实世界中常见的多对多关系，在一定程度上支持数据的重构。

地图投影的分类:

（1）按变形性质分类：等角投影：投影前后角度不变；

等面积投影：投影前后面积不变；任意投影：角度、面积、长度均变形。

（2）按构成方法分类：几何投影（包括圆柱投影：投影面为圆柱，

圆锥投影：投影面为圆锥，方位投影：投影面为平面）；

非几何投影（包括伪防伪投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影）

右图是高斯—克吕格投影

空间数据误差来源与数据质量控制方法:

（1）空间现象自身存在的不稳定性：包括空间特征和过程在空间、专题和时间内容上的不

确定性。

（2）空间现象的表达：数据采集中的测量方法以及量测精度的选择等受到人类自身的认识和表达的影响，这对于数据的生成会出现误差。

（3）空间数据处理中的误差：在空间数据处理过程中，容易产生的误差有以下几种：投影变换产生的差异；地图数字化和扫描后的矢量化处理都可能出现误差；数据格式转换中的位置差异性；数据抽象时产生的误差；建立拓扑关系过程中的位置坐标的变化；与主控数据层的匹配位移导致误差；数据叠加操作和更新产生空间位置和属性值的差异；数据集成处理产生的误差；数据的可视化产生表达上的误差；数据处理过程中误差的传递和扩散

（4）空间数据使用中的误差：主要包括两个方面：一是对数据的解释过程，一是缺少文档，这样往往导致数据用户对数据的随意性使用而使误差扩散。

数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数据质量产生和扩散的所有过程和环节入手，分别用一定的方法减少误差。

空间数据质量控制常见的方法有：

（1）传统的手工方法：将数字化数据与数据源进行比较，图形部分的检查包括目视方法、绘制到透明图上与原图叠加比较，属性部分的检查采用与原属性逐个对比或其他比较方法。（2）元数据方法：数据集的元数据中包含了大量的有关数据质量的信息，通过它可以检查数据质量，同时元数据也记录了数据处理过程中质量的变化，通过跟踪元数据可以了解数据质量的状况和变化。

（3）地理相关法：用空间数据的地理特征要素自身的相关性来分析数据的质量。

地理信息系统与一般信息系统的异同点:

区别：（1）在硬件上,复杂、价格昂贵；（2）在软件上，对图形处理要求高；（3）在信息处理的内容和采用目的方面，一般：检索、统计，GIS：辅助决策。

共同之处：（1）都是以计算机为核心的信息处理系统；（2）具有数据量大和数据之间关系复杂。

栅格数据及其主要编码方式:

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。

栅格数据的主要编码方式包括：

（1）直接栅格编码：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，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，为了特定目的还可采用其他特殊的顺序。

（2）压缩编码方法：目的是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型又有信息无损编码和信息有损编码之分。

a）链码：又称为弗里曼链码或边界链码，链码可以有效地压缩栅格数据，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，比较适合于存储图形数据。

b）游程长度编码：栅格图像常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数；另一种方案是逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码，

c）块码：块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每

个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。

d ）四叉树：是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。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，不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定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。

图像拼接/裁剪：(数据录入后的处理)

1）图像拼接：以两相邻地图图像的部分重叠区为基础，把它们合成为一幅整图的过程。2）图像裁剪：把一幅图像裁成两两相邻的规则图块的过程称为地图裁剪。

数据域文件组织：1、数据组织的分级；2、数据间的逻辑联系；3、常用数据文件

矢量数据结构：通过记录坐标的方式，尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。

点——由一对X、Y坐标表示；

线——由一串的X、Y坐标表示；

面——由一串或几串有序且首尾坐标相同的坐标对及面标识表示。

矢量数据结构的编码方法：1、点实体；2、线实体；3、多边形

栅矢比较：

优点缺点

矢量数据1．数据结构紧凑、冗余度低

2．有利于网络和检索分析3．图

形显示质量好、精度高1．数据结构复杂

2．多边形叠加分析比较困难

栅格数据1．数据结构简单

2．便于空间分析和地表模拟

3．现势性较强1．数据量大

2．投影转换比较复杂

空间分析：是对空间数据有关技术的统称。根据作用的三个月还有性质的不同，分为：基于空间图形数据的分析运算、基于非空间属性的数据运算、空间和非空间数据的联合运算。GIS中实现空间分析的基本功能包括：1、空间查询与量算；2、空间变换；3、在分类；4、缓冲区分析；5、叠加分析；6、路径分析；7、空间插值；8、统计分类分析

空间变换：为了满足特定空间分析的需要，需对原始图层及其属性进行一系列的逻辑或代数运算，以产生新的具有特殊意义的地理图层及其属性这个过程称为空间变换。

再分析：按一定规则对原始空间数据进行再次分类组织的方法，目的是提取隐含信息。

缓冲区分析：所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。缓冲区分析的基本思想是给定一个地理空间对象或集合，确定他们的邻域，大小由邻域半径R确定。缓冲区计算的基本问题是双线问题（图形加粗、加宽线、中心线扩张）。角平分线法、凸角圆弧法（凹凸性判断）。

叠加分析：将有关主题层组成的数据层面进行叠加产生一个新的数据层面的操作，其结果包含了原来两层或多层元素的所有的属性。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含空间属性的比较。叠加分析包括视觉信息叠加、点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加、栅格图层叠加。

路径分析：1，静态求借最佳路径；2，N条最佳路径分析；3，最短路径或最低耗费路径分析；4，动态最佳路径分析

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，以便与其他空间现象的分布模式进行比较，它包括空间内插和空间外推。

空间插值方法：分为整体插值方法和局部插值方法（P180-191）

最近邻点法：泰森多边形法

泰森多边形（Thiessen，或V oronoi多边形）采用了一种极端的边界内插方法，只用最近的单个点进行区域插值。泰森多边形按数据点位置将区域分割成子区域，每个子区域包含一个数据点，各子区域到其内数据点的距离小于任何到其它数据点的距离，并用其内数据点进行赋值。连接所有数据点的连线形成Delaunay三角形，与不规则三角网TIN具有相同的拓扑结构。

Delaunay三角形产生准则：

外接圆准则：任何一个Delaunay三角形的外接圆都不可能包含其他任何点。

最大化最小角原则：每两个Delaunay三角形组成的凸四边形的对角线互换后六个内角的最小角不再增大。

局部优化准则

Delaunay三角网有以下特性：

1）其Delaunay三角网是唯一的；

2）三角网的外边界构成了点集P的凸多边形“外壳”；

3）没有任何点在三角形的外接圆内部；

4）最接近于规则化。

应用：已知一伐木公司，获准在某林区采伐，为防止水土流失，规定不得在河流周围 1 km 内采伐林木。另外，为便于运输，决定将采伐区定在道路周围 5km 之内。试论述：找出符合上述条件的采伐区需要那些空间数据，并描述在GIS支持下的操作步骤。

答：所需数据：区域的道路分布图、河流分布图、森林分布图；（3分）

解题步骤：

1、将该地区具有相同比例尺且进行配准的道路分布图、河流分布图、森林分布图，进行预处理和数字化；（3分）

2、利用河流分布图生成1km的等距缓冲区；（3分）

3、利用道路分布图生成5km的等距缓冲区；（3分）

4、森林分布图中可采伐林地、道路缓冲区及河流缓冲区图进行叠加，叠加条件表达式为: 采伐区＝森林分布图中可伐林地∩道路周围5km缓冲区（3分）∩非河流周围1 km缓冲区。将上述3张图进行两两叠加，所得结果即为森林采伐图。（1分）

应用：举例说明GIS在某领域的应用（30分）

城市建设规划涉及的因素很多，如征地、拆迁、基础设施、公共服务设施的配套等（3分）。在开发建设中，若各工程项目之间不协调，可能引起混乱，利用GIS对各种信息进行管理并进行分析和辅助决策，可有效地防止混乱局面的出现（3分）；还可以随时更新城市基础数据库，以保证信息的时效性并管理城市日常建设活动（3分）。

其作用主要分三个方面：（6分）

地图更新：对城市地块变化后的空间和属性数据进行更新。

土地区划管理

建筑审批处的内部工作管理

根据所掌握的地理信息系统软件功能和空间分析方法，针对以下两个问题设计解决流程： 1）城市A计划将道路R由原来的10米拓宽为30米，请列出所有需要拆迁居民的信息

2）B县计划对辖区内大于15度的耕地实施退耕还林，在地图中标识出所有需要实施退耕还林的区域

要点：1）使用缓冲区分析，使用生成的多边形对地形图数据做空间查询分析；

2）准备DEM数据，执行坡度计算空间分析，使用Reclassify（再分类）空间分析方法将坡度大于15度的区域提取出来。

根据所掌握的地理信息系统软件功能和空间分析方法，针对以下两个问题设计解决流程： 1）已知水体在遥感影像某波段上具有较低的灰度值，将水体范围从该波段中提出出来

2）B县计划对辖区内大于15度的耕地实施退耕还林，在地图中标识出所有需要实施退耕还林的区域

要点：1）利用水体在这两种图象上的低像元值特点，采用Reclassify栅格空间分析方法；2）利用DEM计算坡度数据，采用Reclassify栅格空间分析方法。

1.为了完成城市道路拓宽改建分析，论述需要那些空间数据，并描述在 GIS 支持下的分析流程。

利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取,计算一条道路拓宽改建过程中的拆迁指标。

（1）明确分析的目的和标准

目的是计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值，道路拓宽改建的标准是：

a）道路从原有的20m拓宽至60m；

b）拓宽道路应尽量保持直线；

c）部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。

（2）准备进行分析的数据

需要涉及两类信息，一类是现状道路图；另一类为分析区域内建筑物分布图及相关信息。

（3）进行空间操作

首先选择拟拓宽的道路，根据拓宽半径，建立道路的缓冲区。

然后将此缓冲区与建筑物层数据进行拓扑叠加，产生一幅新图，此图包括所有部分或全部位于拓宽区内的建筑物信息。

（4）进行统计分析

首先对全部或部分位于拆迁区内的建筑物进行选择，凡部分落入拆迁区且楼层高于10层以上的建筑物，将其从选择组中去掉，并对道路的拓宽边界进行局部调整。

然后对所有需拆迁的建筑物进行拆迁指标计算。

（5）将分析结果以地图和表格的形式打印输出。

栅格数据游程长度编码的基本思路：

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：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。其方法有两种方案：一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数，从而实现数据的压缩。

编码一：(0，1)，(4，2)，(7，5)；(4，5)，(7，3)；(4，4)，(8，2)，(7，2)；(0，2)，(4，1)，(8，3)，(7，2)；(0，2)，(8，4)，(7，1)，(8，1)；(0，3)，(8，5)；(0，4)，(8，4)；(0，5)，(8，3)

编码二：(1，0)，(2，4)，(4，0)，(1，4)，(4，0)；(1，4)，(5，8)，(6，0)；(1，7)，(2，4)，(4，8)，(7，0)；(1，7)，(2，4)，(3，8)，(8，0)；(1，7)，(3，8)；(1，7)，(6，8)；(1，7)， (5，8)

以一个项目选址为例，说明空间分析过程的一般步骤：

选址标准包括：①地块建设用地面积不小于10000平方米；②地价不超过2万元/m2；③在2km道路范围之内；④厂周围不能有医院、学校等公共设施。

（1）建立分析的目的和标准。（2分）

（2）从数据库中提取用于选址的数据（1分）。

为达到选址的目的，需准备两种数据，一种为包括全市所有地块信息的数据层（1分）另一类为全市公共设施（包括学校等）的分布图（1分）。

（3）进行特征提取和空间拓扑叠加（1分）。

从地块中选择所有满足条件（1）（2）的地块（1分），并与公共设施层数据进行拓扑叠加（1分）。

（4）进行邻域分析。（1分）

对叠加的结果进行邻域分析和特征提取，选择出满足要求的地块。（2分）

（5）将选择的地块及相关信息以地图和表格形式打印输出。（1分）

类似题目：

以城市郊区公园的选址来说明:假设某市政府要在郊区选择一个地点建立主题公园，该公园应满足以下条件：①公园不得紧邻沼泽区；②公园距公路的距离不小于250米，不大于1250米；③公园必须靠近天然的主干河流（小于1200米）。

根据上述要求，准备好相应的数据，建立相应的数据层，包括土地利用图、公路交通图、水系图。并对公路交通图和水系图进行缓冲区分析，生成与公路距离图、与主干河流距离图。然后以土地利用图、与公路距离图、与主干河流距离图为输入数据层进行叠置运算。

设计一个应用3S集成技术解决问题的方案（如采用需要使用融合技术对遥感影像进行信息增强，使用空间叠置分析对多要素进行综合评价等）：

在对湿地环境的研究工作中，用GPS测量湿地的精确范围，通过遥感影像对湿地水环境及周边环境信息进行解译提取，采用GIS技术对湿地环境进行评价…

要点：遥感、地理信息系统、GPS的概念

3S的概念，3S集成的概念

举一个自己遇到的案例并用地理信息系统的方法设计流程加以解决，其中注意数据、信息在三者之间的传递，各自解决的问题，如何取长补短，合适的集成方法等。

3S：

遥感：是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。

遥感技术的优点：增大了观察范围，能提供大范围的瞬间静态图像，用于监测动态变化的对象；能够进行大面积重复观察；拓宽了人眼所能观察到的光谱范围；空间详细程度高。GPS：全球定位系统是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种。组成：卫星星座、地面监控系统、信号接收机。基本原理：利用测距交会确定点位；四颗卫星即能测准接收机的位置。

3S集成

RS与GIS集成：遥感数据是GIS的重要信息来源，GIS则可作为遥感图像解译的强有力的辅

助工具。GIS作为图像处理工具，可以进行几何纠正和辐射纠正，图像分类和感兴趣区域的选取；遥感数据作为GIS的重要信息来源，可以进行线和其他地物要素的提取，DEM数据的生成，以及土地利用变化和地图更新。

GIS与GPS集成：定位（旅游、探险）、测量（土地管理、城市规划）、监控导航（车辆船只的动态监控）。

GPS+RS：几何校正、训练区选择以及分类验证，提供定位遥感信息查询；GPS+GIS：定点查询专题信息，提供或更新空间点位；GIS+RS：几何配准、辅助分类等，提供和更新区域信息。3S集成的意义：3S结合应用，取长补短是自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了"一个大脑，两只眼睛"的框架，即和向提供或更新区域信息以及空间定位，进行空间分析，以从提供的大量数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为科学决策的依据。实际应用中，较为多见的是两两之间的结合。