地理信息系统重点总结

第一章地理信息系统概论

导读：本章介绍了地理信息系统的最基本的概念。

1.信息：向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，

它不随载体的物理设备形式的改变而改变。

2.信息的特点：客观性，实用性，传输性，共享性。

3.数据：通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号。数据是信息的载体，不是信息。

4.地理数据：表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规

律的数字、文字、图像和图形的总称。

5.地理信息：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

地理数据的解释。

6.地理信息的特性：区域性、多维结构特性、动态变化的特性。

7.地理数据（或空间数据）的特征：属性特征、几何特征、时态特征。

8.信息系统的类型：事务处理系统、管理信息系统、决策支持系统、人工智能和专家系统。

9.地理信息系统：以采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面空间和地理分布

有关的空间信息系统。

10.地理信息系统特征：1>.具有采集、管理、分析和输出多种信息的能力，具有空间性和

动态性。2>.由计算机系统支持进行空间地理数据管理并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法。3>.地理信息系统的重要特征是计算机系统的支持。

11.地理信息系统分类：1）按围：全球，区域，国家，城市GIS；2）按维度：二维，三维，

四维，时态GIS；3）按容：综合，专题。

12.地理信息系统构成：计算机硬件系统，计算机软件系统，地理数据，系统管理操作人员。

13.地理信息系统核心问题：位置、条件、变化趋势、模式、模型。

14.地理信息系统功能：数据采集、监测与编辑；数据处理；数据存储与组织；空间查询与

分析；图形与交互显示。

15.我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始，以1980年中国科学院遥感应用研究所

成立的全国第一个地理信息系统研究室为标志。

第三章空间数据模型

导读：为能利用地理信息系统工具描述现实世界并解决问题，必须对现实世界进行建模，结果就是空间数据模型。本章主要讲述了数据模型的三大类型，在各种模型里面有介绍了相关的概念。最后还有学术前沿的一些模型概念。

1.地理空间：物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和

格局及在时间上的延续。它分为绝对空间和相对空间。

2.空间数据模型的类型：基于对象的模型（强调了离散对象），网络模型（表示特殊对象

之间的交互），场模型（表示连续变化的数据）。

3.空间数据模型前沿：时空数据模型、三维空间数据模型、分布式空间数据模型。

4.场的特征：空间结构特征和属性域；连续的、可微的、离散的；各向同性和各向异性；

空间自相关。

5.栅格数据模型：将连续空间离散化，用二维铺盖划分整个连续空间。

6.要素模型中的三类地物要素：点对象；线对象；多边形对象；（P54）

7.一个实体必须符合三个条件：可被识别；重要（与问题相关）；可被描述（有特征）；

8.矢量方法强调了离散现象的存在，由边界点线面来确定边界，因此可以看成是急于要素

的。

9.基于要素的空间关系包括：拓扑关系，方向关系，度量关系。

10.地理要素之间的拓扑关系包括：点点关系，点线关系，点面关系，线线关系，线面关系，

面面关系。

11.拓扑空间关系分析：拓扑属性---在拓扑变换下能保持不变的集合属性。

12.方向空间关系分析：地物对象之间的方位。

13.度量空间关系分析：空间指标量算：定量量测区域空间指标和区域地理景观间的空间关

系是地理信息系统特有的能力。

14.区域空间指标包括：几何指标，自然地理参数，人文地理指标。

15.地理空间的距离度量：1.大力测量距离：沿着地球大圆经过两个城市中心的距离。2.曼

哈顿距离：纬度差加上经度差。3.旅行时间距离：从一个城市到另一个城市的最短距离可以用一系列指定的航线来表示。4.词典距离：在一个固定的地名册中一系列城市中它们位置之间的绝对值。

16.网络结构模型：地物被抽象为链，节点，等对象，同时要关注其连通关系。

第五章 GIS中的数据

导读：对空间数据的处理时GIS的核心功能。GIS通常描述三部分信息即空间信息，非空间的属性信息，时间信息。本章主要叙述了数据的类型，测量尺度，数据的质量问题，质量的描述，质量的控制等。

1.数据处理：指对数据进行收集、转换、筛选、排序、归并、检索、计算以及分析、模拟和预测的操作，目的就是把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式；把数据加工成对正确管理和决策有用的数据；把数据编辑后存储起来，以供不断使用。

2.地理数据（或空间数据）的特征：属性特征、几何特征(空间特征)、时态特征。

3.空间数据类型：空间特征数据（记录的是空间实体的位置、拓扑关系和几何特征）、时间属性数据（指的是地理实体所具有的各种性质）、专题属性数据（指的是地理实体的时间变化或数据采集的时间）。

4.空间数据的表示方法：类型数据、面域数据、网络数据、样本数据、曲面数据、文本数据、符号数据。

5.数据测量的尺度：对特定现象的测量就是根据一定的标准对其赋值或打分。尺度的四个层次：命名量，次序量，间隔量，比率量。

6.衡量数据质量的几个方面：①准确性（与真值的接近程度）；②精度（对现象描述的详细程度）；③相容性（两个来源的数据在同一应用中使用的难易程度）；④一致性（对同类现象表达的一致程度）；⑤不确定性（某一现象不能被准确测定的程度）。

7.空间数据质量问题的来源：空间现象自身存在的不稳定性；空间现象的表达；空间数据处理中的误差；空间数据使用中的误差；（数据处理整个过程中误差在每一步的来源P99）8.误差类型：逻辑误差，几何误差（包括点、线误差）。第一类线误差主要产生于测量和对数据的后处理，第二类是在确定界限时的误差，又称解译误差。

9.地图数据的质量问题：地图固有误差，材料变形误差，图像数字化误差。

10.空间数据质量控制：传统手工方法，元数据方法，地理相关法。

11.元数据：关于数据的描述性数据信息（就是描述数据的数据）。目的：促进数据集的高效

利用，并为计算机辅助软件工程（CASE）服务。容：1）对数据集的描述；2）对数据质量的描述；3）对数据处理信息的说明；4）对数据转换方法的描述；5）对数据库的

更新、集成等的说明。

12.元数据类型：1）按容分：科研型元数据，评估型元数据，模型元数据。2）按描述对象

分：属性元数据，实体元数据。3）按在系统中的作用分：系统级别元数据，应用层元数据。4）按作用分：说明元数据，控制元数据。

13.使用元数据的原因：1）性能上的原因：完整性，可扩展性，特殊性，安全性；2）功能

上的原因：查错功能，浏览功能，程序生成。

第六章空间数据获取与处理

导读：空间数据获取是地理信息系统建设的首要任务，它有多种实现方式（比如数据转换，遥感数据处理，数字测量等），这其中已有地图的数字化录入。录入容有空间信息（主体）和非空间信息，录入方式（手扶跟踪数字化，扫描矢量化）。录入完毕后，进行包括坐标变换、图像拼接等处理，最重要的时建立拓扑关系（建立过程中首先对各种错误进行修改）。

1.地图数据类型（是载荷地理信息的数据集合）：1）空间数据（构成地图容要素的几何图形）；2）语义数据，包括定性数据和定量数据。

2.手扶跟踪数字化仪数字化方式：点方式；流方式（采样原则：距离流方式，时间流方式）

3.曲线离散化算法：（P119）

4.栅格图像转化为矢量地图过程：1.）图像二值化；2.）平滑；3）细化；4）链式编码；5）矢量线提取。

5.投影变换的两种方式：1）多项式拟合，类似于图像几何纠正；2）直接应用投影变换公式。

6. GIS数据管理中，拓扑关系可以定义区域、邻接性、连通性。

7.数字化的地图上错误的具体表现：1）伪节点；2）悬挂节点；3）“碎屑”多边形或“”条带多边形；4）不正规的多边形。

第七章空间数据管理

导读：本章最主要的讲述了两种重要的数据结构：栅格结构和矢量结构及他们的编码方法，并提供了两者相互转换的算法及两者比较。最后介绍了空间检索中最常用的技术—空间索引，介绍了常用的空间索引方式。

1.地理信息系统与一般的管理信息系统比较：1>区别：1）硬件上，为了处理图形和图像数据，系统需要配置专门的输入输出设备；2）软件上，要求研制专门的图形和图像数据分析算法和处理软件；3）在信息处理的容和采用目的方面，一般管理系统主要查询检索和统计分析，和处理的结果，大多是制成某种规定格式的表格数据，而GIS主要应用于分析研究资源的合理开发利用，指定区域发展规划、地区的综合治理方案。 2>相同点：1）都是以计算机为核心的信息处理系统；2）都具有数据量大和数据之间关系复杂的特点；3）都随着数据库技术的发展在不断的改进和完善。

2．空间数据库特点：1）数据量特别大；2）不仅有地理要素的属性数据，还有大量的空间数据；3）数据应用广泛。

3.数据组织的分级：分为四级---数据项，记录，文件，数据库。

4.数据间的逻辑关系有一对一，一对多，多对多关系。

5.常用数据文件有：顺序文件、索引文件、倒排文件、直接文件。

6.栅格数据结构：栅格结构是最简单最直接的空间数据结构。它是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据都表示地物或现象的非几何属性特征。其显著特点是：属性明显，定位隐含。注意：点用栅格单元表示，线用沿线走向的一组相邻栅格表示。

7.栅格可以是正方形，也可以是三角形、菱形、六边形。栅格数据的比例尺就是栅格大小与地表相应单元大小之比。

8.决定栅格单元代码的方式：中心点法（常用于具有连续分布特征的地理要素）、面积占优法（常用于分类较细、地物类别斑块较小的情况）、重要性法（常用于有特殊意义而面积较小的地理要素）、百分比法。

9:栅格像元大小确定的原则：1）保证精度（避免损失小图斑和狭小图斑）；2）注意与其他的数据源相匹配；3）注意适应于计算机存储和处理能力；

10.栅格结构编码方法：总体上两大类有直接栅格编码和压缩栅格编码。直接栅格编码就是将栅格数据看成一个数据矩阵逐行逐列或者其他特殊顺序记录。压缩编码方法又分为信息无损压缩和信息有损压缩编码。有链码、游程长度编码、块码、四叉树编码。

11.链码（弗里曼编码）：八邻域八个方向。

12. 游程长度编码：1）只在各行数据的代码发生变化时依次记录该代码及相同代码重复的个数{例如：（0,1），（4，2），（7，5）表示0 4 4 7 7 7 7 7 }；2）逐个记录各行代码发生变化的位置和相应代码{例如：（1,0），（2,4），（4,7）表示0 4 4 7 7 7 7 7}；

13.块码：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。

14.四叉树编码：将图像区域划分为四个大小相同的象限，每个象限根据一定规则判断是否继续等分为次一层的四个象限，终止依据为，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的少数几个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。最上面结点叫根结点，有四层结构排列次序为SW,SE,NW,NE;不能再分的结点为叶子结点，代表子象限有单一的代码。要求图像必须为2n*2n（n为极限分割层数）。马里兰大学编码方式：32位（二进制），最右边四位记录叶子节点的深度（即第几层），右边第5位开始到2n字节记录根结点到叶子结点的路径（0,1,2,3分别表示SW,SE,NW,NE），剩余的写为0。（P145）

15.四种编码方式优劣比较：1）链码对于估算面积长度转折方向的凹凸度十分方便，适合于存储图形数据。缺点是对边界进行合并和插入等修改编辑工作困哪，对局部修改改变整体结构，效率低，且对于相邻区域的存储边区域的界重复存储产生冗余。2）游程长度编码压缩效率高,易于检索、叠加合并操作，运算简单，适用于机器存储量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况。3）块码具有可变的分辨率，在合并、插入、检查延伸性、计算面积等操作时有明显的优越性。4）四叉树编码具有可变的分辨率，并且具有区域性质数据灵活，许多运算可以在编码数据上直接实现，大大提高了运算效率。

16.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、多变形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。特点：定位明显，属性隐含。

17.矢量数据编码方法：1）点实体：将空间信息和属性信息记录完全。2)线实体：编码包括统一标识；x，y坐标；用于建立和显示数据库联系的属性；其他非几何属性特征。3）多边形：1.坐标序列法（优点：文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示。缺点：易产生冗余和碎屑多边形；难以进行邻域处理；岛是单个的图形；不易检查拓扑错误。）2.树状索引编码法：包含多边形线索引文件，边界线点索引文件。3.拓扑结构算法。

18.栅格结构与矢量结构的比较：1）优点：矢量结构结构紧凑、冗余度低；有利于网络和检

索分析；图形显示质量好、精度高。栅格结构结构简单；便于空间分析和地表模拟；现势性较强。2）缺点：栅格结构数据量大，投影转换比较复杂；图像的输出不美观；用大象元减少数据量时，精度和信息量受损。矢量结构结构复杂，多边形叠加分析比较复杂；数学模拟比较困难；矢量叠加较为困难；技术复杂特别是软硬件。

19.矢量格式向栅格格式的转换：1）部点扩散法2）复数积分算法3）射线算法和扫描算法4）边界代数算法（十分重要，了解原理P152）.

20.栅格格式向矢量格式的转换：原理：提取以相同的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，并表示由多个小直线段组成的矢量格式边界线的过程。步骤：1）多边形边界提取2）边界线追踪3）拓扑关系生成4）去除多余点及曲线圆滑。

21.空间索引：依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构。作用：提高空间操作的速度和效率。

22.索引类型：1）格网空间索引（基本思想是将研究区域用横竖线条划分为大小相等或不等的格网，记录每一个格网所包含的空间实体）；2）BSP树空间索引（是一种二叉树，将空间进行一分为二的划分）；3）KDB树空间索引；4）R树和R+树（根据地物的最小外包矩形建立，可以直接对空间中占据一定围的空间对象进行索引）。

第八章空间分析

导读：空间分析是对分析空间数据有关技术的统称。根据作用的性质不同，可以分为：1）基于空间图形数据的分析运算；2）基于非空间属性数据的数据运算；3）空间和非空间数据的联合运算。空间分析容：空间位置；空间分布；空间形态；空间距离；空间关系。

本章介绍GIS中实现空间分析的基本功能。

1.空间查询：图形和属性互查是最常用的查询。主要有两类：1）按属性信息的要求来查询定位空间位置称为属性查图形。2）根据对象的空间位置查询有关属性信息称为图形查属性。

2.空间查询方式：基于空间关系查询；基于空间关系和属性特征查询；地址匹配查询。

3.空间量算分为：1）几何量算（对不同的点线面地物有不同的含义）；2）形状量算（面状地物形状量测的两个基本考虑：空间一致性问题即有孔无孔多边形，多边形边界特征描述问题）；3）质心量算（描述的是分布中心或几何中心）；4）距离量算（欧氏距离，曼哈顿距离，非欧式距离）。

4.空间变换：为满足特定空间分析的需要，需对原始图层及其属性数据进行一系列的逻辑或代数运算，可以产生具有特殊意义的地理图层及其属性。基于栅格结构的空间变换可分为：单点变换，邻域变换，区域变换。矢量数据空间变换十分繁琐不考虑。

5.再分类：对原始数据进行的再次分类组织。通过分类找出隐藏信息是GIS的重要功能。

6.缓冲区分析：邻近度描述了地理空间中两个地物距离相似的程度，缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具。缓冲区就是地理空间目标的一种影响分为或服务围。

7.缓冲区计算的基本问题是双线问题，解决办法有：角分线法；凸角圆弧法；（P169）

8.叠加分析（最常用的提取空间隐含信息的手段）可分为：视觉信息叠加（将不同层面的信息容叠加显示在结果图件或屏幕）；点与多边形叠加（计算多边形对点的包含关系）；线与多边形叠加（比较线上坐标与多边形坐标的关系，判断是否落在多边形）；多边形叠加（将两个或多个多边形图层进行叠加操作产生一个新多边形图层的操作，结果是将原来多边形要素分割成新要素，叠加过程分为几何求交过程和属性分配过程）；栅格图层叠加。

9.网络分析：网络数据结构的基本组成部分链（网络中流动的管线）和结点（网络中的链的结点又有障碍、拐点、中点、站点几种类型）。主要的网络分析功能：路径分析；计算最

短路径的Dijkstra算法（P176）；资源分配。

10.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。（包括空间插和外推）插是通过已知点的数据推求同一区域其他未知点数据的计算方法；外推则是通过已知区域的数据推求其他区域数据的方法。

11.必须做空间插值的情况：1）现有的离散曲面的分辨率，像元大小或方向与所要求的不符；2）现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符；3）现有的数据不能完全覆盖所要求的区域围。

12.空间插值的方法：分为整体插值和局部插值。整体法用研究区所有采样点的数据进行全区特征拟合；局部法用邻近的数据点来估计未知点的值。整体法主要是用来检测不同于总趋势的最大偏离部分，在去除了宏观地物特征后，可用剩余残差来进行局部差值。

13.整体插值方法：边界插方法（假设任何重要的变化发生在边界上，边界的变化是均匀的，同质的，即在个方向都是相同的）；趋势面分析（只根据采样点的属性数据与地理坐标的关系，进行多元回归分析得到光滑数学平面方程的方法。利用多项式回归分析，这是描述长距离渐变特征的最简单方法，基本思想是用多项式表示线、面，按最小二乘法原理对数据点进行拟合。）。

14.局部插值（重要）：步骤：1）定义一个邻域；2）搜索落在此邻域围的数据点；3）选择表达这有限个点的空间变化的数学函数；4）为落在规则格网单元上的数据点赋值，并重复这个步骤直到格网上所有点赋值完毕。需注意的方面：所使用的插值函数；邻域的大小、形状和方向；数据点的个数；数据点的分布方式规则与否。

15.局部插值的方法（P183）：1）最近邻点法——泰森多边形法：采用了一种极端的边界插方法，只用最近的单个点进行区域插值。2）移动平均插值方法——距离倒数插值3）样条函数插值方法4）空间自协方差最佳插值方法——克里金插值

16.空间统计分类分析：主要应用于分类和综合评价。常用方法：主成分分析，层次分析，系统聚类分析，判别分析。

第九章数字地形模型（DTM）与地形分析

导读：DEM和DTM主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地形参数，并进行通试分析、流域结构生成等应用分析。本章多看书吧.

1.高程模型是高程Z关于平面坐标X,Y两个自变量的连续函数，数字高程模型只是他的一个有限的离散表示。

2.DEM的表示方法：数学方法（采用整体拟合法，局部拟合方法）；图形方法（线模式，点模式）。

3.DEM的主要表示模型：规则格网模型，等高线模型，不规则三角网（TIN）模型（P201），层次模型。

4.DEM模型之间的相互转换：不规则点生成TIN（利用Delaunay三角剖分法）；格网DEM转成TIN（保留重要点法，启发丢弃法）；等高线转成格网DEM；利用格网DEM提取等高线；TIN 转成格网DEM。

5.DEM的建立：为建立DEM，首先进行DEM数据采集，主要方法有：地面测量，现有地图数字化，空间传感器，数字摄影测量方法。