地理信息系统复习摘要

地理信息系统要点总结

根据华一新《地理信息系统教程》（武汉大学出版社）总结而来，涵盖绝大部分要点知识，可供突击复习参考。

一、绪论

1、  GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

GIS的物理外壳是计算机化的技术系统；

GIS的对象是地理实体；

GIS的技术优势在于它的混合数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等；

GIS与地理学和测绘学有着密切的关系；

2、  地理信息系统的组成：系统硬件，系统软件，空间数据，应用人员，应用模型

系统硬件包括：GIS主机，GIS外部设备，GIS网络设备

系统软件包括：GIS专业软件，数据库软件，系统管理软件

空间数据描述：地理实体的空间特征，属性特征和时间特征

3、  地理信息系统的基本功能：数据采集与编辑，数据存储与管理，数据处理和变换，空间分析和统计（拓扑叠加，缓冲区建立，数字地形分析，空间集合分析），产品制作与显示，二次开发和编程

地理信息系统的应用功能：资源管理，区域规划，国土监测，辅助决策

4、  当代GIS发展：面向对象技术与GIS的结合，真三维GIS和时空GIS，GIS应用模型的发展，Internet与GIS的结合，GIS与专家系统神经网络的结合，GIS与虚拟现实的结合。

二、地理信息系统的空间数据结构和数据库

5、  地理实体的特征（属性，空间，时间），地理实体数据的类型（属性数据，几何数据，关系数据），空间数据结构（空间数据适合于计算机存储，管理、处理的逻辑结构）：基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构。

6、  矢量数据结构是通过坐标值来精确表示点，线，面等地理实体的，其输出质量好，精度高，但是不能有效支持影像代数运算；矢量数据域DEM的交互视是通过等高线来实现的，不能与DEM直接进行联合空间分析。

7、  栅格数据是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。较高的精度是数据量的极大增加，难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。

8、  矢量栅格一体化数据结构将矢量方法表示的线状地物用元子空间填充表达。三个约定和细分格网法。

9、  GIS的数据模型：数据库的三个基本部分（数据集，物理存储介质，数据库软件），数据库的主要特征（数据集中控制，数据独立，数据共享，减少数据冗余，数据结构化，统一的数据保护功能），数据库的系统结构（概念模式，外模式，内模式）

10、              关系模型中，数据的逻辑结构为满足一定条件的二维表，表具有固定的列数和任意的行数，在数学上称为“关系”。二维表是同类实体的各种属性的集合，每个实体对应于表中的一行，在关系中称为元组，相当于通常的一个记录；表中的列表表示属性，称为域，相当于通常记录中的一个数据项。若二维表中有n个域，则每一行叫做一个n元组，这样的关系称为n度（元）关系。满足一定条件的规范化关系的集合，就构成了关系模型。在关系数据库系统中，对数据的操作是通过关系代数实现。

11、面向对象数据模型的核心技术：分类，概括，聚集，联合。

12、面向对象数据模型的核心工具：继承，传播。

13、空间数据库的设计是指在现在数据库管理系统的基础上建立空间数据库的整个过程，主要包括需求分析，结构设计和数据层设计三部分。

三、空间数据的采集和质量控制

14、GIS的数据源：地图，遥感数据，文本资料，统计资料，实测数据，多媒体数据，已有系统的数据。

15、空间数据采集的任务是将现有的地图，外业观测成果，航空像片，遥感图像，文本资料等转换成GIS可以处理与接收的数字形式，通常要经过验证，修改，编辑等处理。

16、我国常用地图投影：基本比例尺地形图除1:100万外均采用高斯克吕格投影作为地理基础。Lambert投影（正轴等面积割圆锥）中，地球表面上两点间的最短距离（即大圆航线）表现为近于直线。

17、 地理实体是一种在现实世界中不能再划分为同类现象的现象。地理目标是实体在地理数据库中的表示，地理目标在地图上是以地图符号的形式来表示的。

18、编码通常包括分类码和标识码，分类码标识实体所属的类别，识别码对每个实体进行标识，是唯一的，用于区别不同的实体。

19、几何数据可以分为矢量数据和栅格数据。

20、地理目标数据可按照某种属性特征形成一个数据层，通常称为图层。图层是描述某一地理区域的某一（有时亦可为多）个属性特征的数据集。

21、GIS的核心是地理数据库，所以，建立GIS的第一步就是将空间实体的几何数据和属性数据输入到地理数据库中，这就是GIS的数据采集。

22、GIS需要输入两方面的数据，即几何数据与属性数据，至于拓扑数据，一般在已有的几何数据基础上，可按需要“挖掘”而成。为此需要进行：几何数据的采集，属性数据采集和几何数据与属性数据的连接。

23、几何数据的采集：已有GIS空间数据->转换装载；测量仪器获取的空间数据->导入数据库；栅格数据->数字化；遥感图像处理->专题信息->导入。地图跟踪数字化：通过记录数字化板上点的平面坐标来获取矢量数据。地图扫描数字化：首先通过扫描将地图转换为栅格数据，然后采用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面，采用模式识别技术识别出点和注记，并根据地图内容和地图符号的关系，自动给矢量数据赋以属性值。

24、属性数据的采集主要采用键盘输入的方法，有时也可以辅助于字符识别软件。

25、为了把空间实体的几何数据与属性数据联系起来，必须在几何数据域属性数据之间有一公共标识符，标识符可以再输入几何数据或属性数据时手工输入，也可以由系统自动生成（如用顺序号代表标识符）。空间实体的几何数据和属性数据连接起来之后便可以进行各种GIS操作与运算。

26、GIS数据质量包含五个方面：位置精度，属性精度，逻辑一致性，完备性，现势性。

27、GIS数据误差分为源误差和处理误差，GIS中的误差传播有三种方式：代数关系，逻辑关系，推理关系下的传播误差。

28、研究GIS数据质量的常用方法：敏感度分析法（发现由输入数据的变化引起输出数据变化的程度，即敏感度，此方法得到的并不是输出结果的真实误差，而是输出结果的变化范围），尺度不变空间分析法（地理数据的分析结果应与所采用的空间坐标系无关，即为尺度不变空间分析，包括比例不变和平移不变），Monte Carlo仿真实验（首先根据经验对数据误差的种类和分布模式进行假设，然后利用计算机进行模拟实验，将所得结果与实际结果进行比较，找出与实际结果最接近的模型），空间滤波。

29、数据处理中的质量评价例子：DEM精度（主要受原始资料精度和内插精度影响），矢量数据栅格化（分为属性误差和几何误差两种，在矢量数据转换为栅格数据后，栅格数据中的每个像元只含有一个属性数据值，它是像元内多种属性的一种概括；几何误差是指在矢量数据转化成栅格数据后所引起的位置的误差，以及由位置误差引起的长度、面积、拓扑匹配等的误差），多边形叠置产生的误差（先计算单幅图或单层图的误差，再计算叠置图的误差）

30、空间元数据（metaData）数据的数据，是关于数据和信息资源的描述性信息。空间元数据（Geospatial Metadata）地理的数据和信息资源的描述性信息。他通过对地理空间数据的内容、质量、条件和其他特征进行描述与说明，以便人们有效地定位、评价、比较、获取和使用与地理相关的数据。

31、互操作地理信息处理（interoperable Geoprocessing）是指数字系统的这些能力：自由的交换所有关于地球的信息，通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。所谓互操作就是指异构环境下两个或两个以上的实体，尽管他们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但他们可以互相通信和协作，以完成某一特定任务，这些实体包括程序，对象，系统运行环境等。

四、空间数据的处理

32、空间数据处理的主要内容有：图形编辑，自动拓扑，坐标变换，数据压缩，结构转换，数据内插等。

33、图形编辑：点的捕捉为了加速，把圆形的搜索范围改为矩形搜索范围；线的捕捉，计算S到该线的每个直线段的距离，每计算一个距离就进行一次比较，若小于限差D，则捕捉成功，不需在进行下面直线段到点S的距离计算了。为了加速线捕捉速度，可以把不可能被光标捕捉到的线以简单算法去除，对于一条线求其外包络矩形，由此矩形外扩一个限差D，不落在此外扩矩形的光标点不能捕捉到该线。点到直线的距离计算公式还可以简化为从S向线段做水平和垂直，取其最小值作为近似距离；面的捕捉其实就是判断光标点S是否在多边形内，算法主要有垂线法或转角法，垂线法通过计算光标点S引出的垂线与多边形交点个数判断；

34、自动拓扑：步骤为链的组织，结点匹配，检查多边形是否闭合，建立多边形，岛的判断，确定多边形属性

35、坐标变换：几何纠正（高次变换，二次变换，仿射变换），投影变换（解析变换法，数值变换法，数值解析变换法）

36、矢量数据的压缩方法：道格拉斯-普克法（效果好，必须数字化后处理，计算量大），垂距法（简单，速度快，有时失真），光栏法（效果好，可随数字化过程实时处理，计算量较小）

37、栅格数据的压缩方法：直接栅格编码（处理方便但无压缩），又称长度（行程）编码，四叉树编码（最常用的线性四叉树编码的基本思想是不需记录中间结点和使用指针，仅记录叶节点，并用地址码表示叶节点的位置，十进制四叉树地址码又名Morton码，2^n*2^n图像压缩成线性四叉树的过程为1按Morton码把图像读入一位数组2相邻的四个像元比较，一致的合并，只记录第一个像元的Morton码，比较所形成的的大块，相同的再合并，直到不能合并为止，进一步地，还可用游程长度编码压缩）

38、结构转换之矢量-栅格转换：线的栅格化法常用的有DDA（数字微分分析法）和Bresenham法，面的栅格化法有内部点扩散法，扫描法和边填充法（为减少冗余访问，引入栅栏，栅栏是一条与扫描线垂直的直线，通常取在多边形的顶点，且把多边形分为左右两半）

39、结构转换之栅格-矢量转换：二值化，二值图像预处理，细化，追踪，拓扑化

40、数据插值：边界内插，趋势面分析，局部内插，移动平均法

41、 更新处理之利用遥感RS：一，GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，且这一问题随着GIS技术的成熟显得更加突出，遥感数据是GIS的重要信息源和数据更新的手段。可以从遥感图像中快速可靠地提取地面目标的空间和属性信息。二，RS与GIS的结合可以有效地改善遥感分析。利用GIS的空间数据可以提高遥感数据的分类精度。三，RS与GIS的结合可以进一步加强GIS的空间分析功能。四，RS与GIS结合方式有三种1分开但是平等的结合，2表面无缝几何，3整体的结合。五，RS用于GIS地理数据库的快速更新步骤为图像预处理，自动识别分类，几何精校正，矢量化，入库处理。

42、更新处理之利用GPS：一是直接用GPS技术对GIS的空间数据作实时更新和采集；二是把GPS接收机的实时差分定位技术与GIS的电子地图结合，组合成各种电子导航系统，此外GPS还可以为GIS中的空间数据的采集提供辅助定位数据从而大大提高成果数据的精度和应用范围。

五、空间查询与空间分析

43、 目前GIS的空间查询主要有四种方式：扩展关系数据库的查询语言（SQL），可视化空间查询（为方便用户输入查询条件而设计的，在GIS中仍然要翻译成形式化的SQL语言），超文本查询（只能预先设置，不可实时构建查询条件），自然语言空间查询（引入自然语言的空间数据查询只能适用于某个专业领域的地理信息系统，而不能作为地理信息系统中的通用数据库查询语言）。

44、 空间数据的统计分析：对GIS地理数据库中的专题数据进行统计分析。

45、 为了把GIS地理数据中的统计数据用专题地图的形式表示出来，通常需要对统计数据进行分类和分级，方法有系统聚类法（根据类类距离进行合并）和最优分割分级法（在有序样本不被破坏的前提下，使其分割的级内离差平方和最小而级间离差平方和最大的一种分级方法）。

46、数字高程模型分析包括基于DEM的信息提取（坡度计算，坡向计算）和基于DEM的可视化分析（剖面分析，通视分析）

47、 叠置分析是将同一地区的两组或两组以上的要素进行叠置，产生新的特征的分析方法，叠置的直观概念就是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新多边形和新多边形范围内的属性。

48、 矢量数据叠置分析：点与多边形叠置即判断点是否在多边形内，可用垂线法或转角法实现；线与多边形的叠置就是线的多边形裁剪。多边形与多边形的叠置是不同图幅或不同图层多边形要素之间的叠置，通常分为合成叠置（通过叠置形成新的多边形，具有多重属性，即需要进行不同多边形的属性合并）和统计叠置（确定一个多边形中含有其他多边形的属性类型的面积，即把其他图上的多边形的属性信息提取到本多边形中），多边形与多边形叠置算法核心是多边形对多边形的裁剪。由于多边形叠置的往往是不同类型的地图，甚至是不同比例尺的地图，因此叠置会导致一些列无意义的多边形，此为叠置误差来源。

49、栅格数据叠置分析：单层栅格数据的分析（布尔逻辑运算，重分类，滤波运算，特征参数计算，相似运算），多层栅格数据的叠置分析（不同图幅或不同数据层栅格数据叠置在一起，在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法）

50、缓冲区是指在点、线、面实体的周围自动建立的一定宽度的多边形。

51、由离散点构建Delaunay三角网，做三角形各边的垂直平分线，于是每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形，即泰森多边形，可用多边形内所包含的的一个唯一数据点来表示这个多边形区域内的属性。

52、模型是客观世界的一个表征和体现，同时又是客观事物的抽象和概括。空间分析模型是指用于GIS空间分析的数学模型。空间分析模型是联系GIS应用系统与专业领域的纽带，必须以广泛、深入的专业研究为基础；是综合利用GIS中大量数据的工具，数据的综合分析和应用主要通过模型来实现；是分析型和辅助决策型GIS区别于管理型GIS的一个重要特征，是解决空间分析和辅助决策问题的核心。

53、空间分析模型的类型有：空间分布分析模型，空间关系分析模型，空间相关分析模型，预测、评价与决策模型。

54、相关分析模型：GIS地理数据库中存储的各种自然和人文地理要素（现象）的数据并不是孤立的，它们相互影响、相互制约，彼此之间存在一定的联系，此模型用来分析研究各种地理要素数据之间相互关系的一种有效手段。

55、趋势面分析模型：在GIS的空间分析中，经常要研究某种现象的空间分布特征与变化规律，许多现象在空间都具有复杂的分布特征，它们常常呈现为不规则的曲面。欲研究这些现象的空间分布趋势，就要用适当的数学方法将现象的空间分布及其区域变化趋势模拟出来，此之谓趋势面分析方法。

56、预测模型：GIS地理数据库的数据除了反映各种自然和人文要素（现象）的空间分布特征和相互关系外，还能反映地理要素的动态发展规律，并用于预测分析。

57、模型库是在计算机中按一定的组织结构形式存储多个模型的集合体，在模型库管理系统下得到有效的管理。模型库由模型字典库（包括模型编号，名称和模型文件说明，是模型文件的索引，便于模型与模型文件的联系等）和模型文件库（模型的主体）组成。

58、模型库管理系统的主要功能包括模型的存储管理（包括模型的表示，模型的存储组织结构和模型的查询与维护）、运行管理（包括模型程序的输入和编译，模型的运行控制、模型对数据的存取）和建模技术（模型间的组合及模型间数据的共享和传递问题）三个方面。

六、空间信息的可视化

59、空间信息一般具有：属性特征（质量和数量），时间特征，空间特征（区别地理信息与其他一般信息的根本标志，分为几何特征，拓扑特征和其他特征），多媒体特征。

60、空间信息可视化是指运用地图学、计算机图形学和图像处理技术，将地学信息输入、处理、查询、分析以及预测的数据及结果采用图形符号、图形、图像，并结合图表、文字、表格、视频等可视化形式显示并进行交互处理的理论、方法和技术。

61、地图是空间信息可视化最重要的形式，是地学信息的图形符号模型，也是图形符号的空间集合，图形符号是地图的语言。

62、地图语言中最重要的是地图符号及其系统，还有地图注记，地图色彩。地图符号是在地图上用以表达各种空间对象的图形记号，或者还包括与之配合使用的注记。根据约定性原理，采用演绎方法可将地图符号分为：点状符号，线状符号和面状符号。对各种制图对象进行概括（分类，分级）和抽象，然后用抽象的、具有共性的符号表示某类失误。这种具有共性的、进行了分类分级和抽象的地图符号的集合，构成了某种地图符号系统。地图符号设计三要素：形状，尺寸和色彩。

63、大多数点、线、面符号都比较容易用矢量形式的坐标来表示，由符号空间平面内这些点的坐标、线宽及绘（不绘）指令编码的有序集合称为矢量符号数据，有三种方法：信息块（用人工或程序将要绘制的符号离散成数字信息，通常一个符号构成一个信息块，绘图时读取并处理该符号的信息块，完成该符号的绘制）、程序块（对每一类地图符号编一个绘图子程序，并把这些子程序组成符号的程序库，绘图时按符号的编号调用库中的相应程序，输入相应参数，该程序根据参数及已知数据计算绘图矢量，从而完成地图符号的绘制）及综合方法（信息块和程序法结合在一起）构造符号库。

64、空间数据的可视化：从地理数据库中检索图形数据，预处理（从空间数据库出来的数据流，到符号化之前的阶段，均为数据预处理阶段，主要解决大量的空间数据的投影变换、数据压缩、光滑及格式转换问题），符号化（利用空间数据库得到的分级分类编码及相应符号和实体抽象后得到的定位中心轴线坐标数据，以形成有限可见空间内的图形符号模型的过程，数字化室将实体或相应图形符号抽象为空间数据库的质、数、时、空数据，而符号化即时它的逆过程），地图输出（两种形式即屏幕显示和绘图机绘图）

65、电子地图：地图与GIS之间的桥梁是数字地图，它是以数字形式表示的地图，是地图的数字形态。

66、动态地图：集中而又形象地表示空间信息的时空变化状态和过程的电子地图。

67、 虚拟现实（VR）：计算机硬件、软件、传感、人工智能、心理学及地理科学发展的结晶，是通过计算机生成一个逼真的环境世界，人可以与此虚拟的现实环境进行交互的技术。本质上，VR是一种崭新的人机交互界面，是物理现实的仿真。

七、地理信息系统的应用

68、GIS是以应用为龙头、市场为导向、软件为核心的产业。主要应用包括资源调查与管理，土地及房产管理，环境保护和评价，宏观预测与辅助决策。

69、GIS是管理和分析空间数据的有力工具，而遥感RS是一种快速进行大区域空间数据采集和分类的有效手段，两者操作对象都是空间实体，相互之间联系支持补充，遥感是GIS重要的数据源，有效地数据更新手段，GIS也可为遥感分析提供有用的辅助信息和手段。二者结合的途径有三：1矢量栅格一体的GIS能够融入遥感图像的栅格数据，这相应要求GIS能够进行图像处理，增强分类，进行图像的目视和矢量化，矢量栅格共存，时时处处准确叠合2通过国际标准的空间数据交换格式作中间媒介，互相转换3通过GIS与遥感系统建立接口，实现格式转换与数据传送。

70、 GPS与GIS结合的形式一般有两种：1单台移动式（用户设备上直接配备GIS工具软件，把接收机天线接收的定位数字信号直接输入GIS系统，由GIS系统对接收机定位信息进行处理并与其数字地图匹配）2集中监控式（由多台接收机，控制中心和基站组成，各接收机把接收到的本机位置信号通过电台发送给基站，基站接收信号后无线发送给控制中心，中心把收到的信号通过处理并与GIS的电子地图相匹配，显示该接收机的位置。若需要集中显示流动目标的运行状况必须此方式）

71、地理信息系统的决策应用要求：1具有3S集成的空间技术2网络技术尤其是分布式网络3智能化决策支持4广泛的多媒体技术

72、Web GIS是建立在Web技术上的一种特殊环境下的地理信息系统。Web的原理就是用浏览器下载服务器管理的文件并显示出来，使用的客户和服务器之间的传输协议是http，这是建立在TCP/IP基础上的一种高层网络应用协议。浏览器通过统一资源定位符URL（网址：通讯协议+网络主机名和端口号（默认端口不写）+文件在主机上的绝对路径名称）来访问服务器并请求取得文档。Web GIS在Web原理的基础上要求：1浏览器需要增加解释和显示GIS数据的功能，2服务器需要具备动态产生GIS数据文件的功能。Web GIS实现技术的重点是加强浏览器显示操作地理数据的功能，同时加强服务器读取GIS数据库的功能，方式有1利用客户端浏览器的扩展技术（插件，Applet，ActiveX）2利用WWW服务器端功能（WWW Server和专业GIS软件之间通过一个中间件通过CGI等方式联系起来）。Web技术的使用特点，决定了Web GIS必须考虑大数量用户的并发操作问题，为此需要以数据库的方式来管理GIS数据。

八、地理信息系统的开发与评价

73、地理信息系统开发方法有：结构化生命周期法，由底而上法，快速原型法，面向对象的软件开发方法，“演示和讨论”方法。

74、地理信息系统的开发过程：系统调查分析（需求调查与分析，可行性分析，系统分析），系统设计（总体设计，系统详细设计），系统实施（硬、软件配置及准备，人员培训，数据采集和数据库建立，系统测试，系统文档材料的建立，系统验收），运行维护

75、GIS评价的目的：开发的GIS系统是否达到了预期目标，系统中各项资源的利用效率如何，根据分析和评价结果找出系统存在的问题并改进。

76、GIS评价的指标：一般系统的性能指标，专业性能指标（数据的包容性，空间分析的准确性及区域性，可视化功能和性能），经济效益指标（成本费用，直接经济效益，间接经济效益，）