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1、GIS原理与应用全面复习一、绪论1、地理信息系统：是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的空间信息系统。2、地理信息特征：空间分布性、数据量大、信息载体的多样性。3、GIS的组成：硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。4、GIS其它信息系统（如CAD、MIS）的关系和区别（了解）4.1 GIS与一般MIS的区别：GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）
2、侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。4.2 GIS与CAD/CAM的异同点： GIS与CAD共同点：都有空间坐标系统；都能将目标和参考系联系起来；都能描述图形数据的拓扑关系；两者都能处理属性和空间数据。 GIS与CAD不同点：CAD研究对象为人造对象规则几何图形及组合；图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；CAD
3、中的拓扑关系较为简单，一般采用几何坐标系。GIS处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；GIS的属性库结构复杂，功能强大，强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频；GIS采用地理坐标系 。5、 国际地理信息系统发展(了解)5.1 GIS开拓期(20世纪60年代)：加拿大测量学家于1971年建立世界上第一个GIS：加拿大地理信息系统（CGIS）。5.2 GIS巩固发展期(20世纪70年代):各国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究各具特色的地理信息系统。5.3 GIS技术大发展时期(20世纪80年代):计算机的迅速发展和普及，地理信
4、息系统也逐步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段。5.4 GIS的应用普及时代(20世纪90年代之后):数字地球、数字中国、数字省区、数字城市、企业信化、电子商务、数字通讯、虚拟现实等众多的信息化领域的工作已全面铺开。6、国内地理信息系统发展(了解)6.1 准备阶段(1978年-1980年)：进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。6.2 起步阶段(1981年-1985年）：理论探索和区域性实验研究。并在此基拙上制定国家地理信息系统规范。6.3 初步发展阶段(1986年-90年代)：GIS的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经
5、济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。6.4 快速发展阶段(90年代末-现在)：理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS走向应用，GIS市场开始形成。二、地球空间与空间数据基础1、地理空间三种认知模型：基于对象的模型、基于网络的模型、基于域的模型。2、地图3要素：点状要素、线状要素、面状要素。3、地图投影基本原理：利用一定的数学法则把地球表面上的经纬线网表示到投影平面上。4、GIS中地图投影设计与配置原则：各国的GIS所采用的投影系统应与该国的基本地图系列所用的投影系统一致；各比例尺的GIS投影系统应与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；各地区的GIS中的投影系统应
6、与其所在区域适用的投影系统一致；各种GIS一般采用一种或两种（至多三种）投影系统，以保证地理定位框架的统一。5、我国GIS中常用的地图投影与配置：我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000）除1：100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础；我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致；我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影；Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离表现为
7、近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。6、高斯克吕格投影特点：中央经线上无变形；同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低，变形越大；等变形线为平行于中央经线的直线。7、Lambert投影的特点：经线都表现为交于一点的直线束；纬线表现为同心圆的圆弧，圆弧即直线束的交点。8、空间数据的拓扑关系：是指图形在保持连续状态下的变形，但图形关系不变的性质。最常用的拓扑关系为：邻接关系（空间图形中同类元素之间的拓扑关系）、关联关系（空间图形中不同类元素之间的拓扑关系）、包含关系（空间图形中同类不同等元素之间的拓扑关系）。拓扑关系的表达可参考课本42页的表。9、
8、空间元数据：是指地理的数据和信息资源的描述性信息，它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。地理空间数据：是用于描述具有自然特征或者人工建筑特征的地理实体的地理位置、属性及其边界的信息。空间元数据：是对于空间数据的描述或说明。三、空间数据模型与数据结构1、空间数据结构: 基于对象(要素)的模型：矢量模型；基于场（域）的模型：栅格模型。2、栅格数据结构特点: 位置隐含、属性明显。3、矢量数据结构特点：定位明显、属性明显。4、矢量数据结构编码的方法：实体式、索引式、双重独立式、链状双重独立式4.1 实体式 （P67）
9、 4.1.1 实体式数据结构：指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织，边界数据和多边形单元实体一一对应，各个多边形边界都单独编码。 4.1.2 实体式编码的特点：优点：编码容易,数字化操作和数据编排简单；缺点:公共边界数字化两遍,造成数据冗余,可能导致输出的公共边界出现裂隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑信息；岛只作为一个单个图形,没有建立与外界多边形的联系。4.2 索引式 （P68） 索引式数据结构：对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。 索引式编码的特点：优点：消除了相邻多边形边界的数据冗余
10、；解决了坐标数据的不一致问题；缺点:编码表需要人工建立，容易出错；相关运算比较复杂（如公共边的查询）。4.3 双重独立式 （P69） 4.3.1 双重独立式数据结构：是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来予以定义。简称为DIME系统，以城市街道为编码的主体，采用了拓扑编码结构。4.4 链状双重独立式（P70） 4.4.1 链状双重独立式数据结构：是DIME数据结构的一种改进，在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。编码需要建立文件：结点文件、弧段坐标文件、弧段文件、多边形文件。 4.4.2 Arc/Info软件采用的是链状双重独
11、立式编码。5、栅格数据结构及其编码5.1 栅格代码的确定方法：中心点法、面积占优法、重要性法。5.2 栅格数据的编码方法: 直接栅格编码、行程压缩编码、链式数据编码、分块压缩编码、四叉树编码。 5.2.1 直接栅格编码：以行为记录单位按行存储地理数据。缺点：存在大量冗余，精度提高有限制。 5.2.2 游程压缩栅格编码：将原始栅格矩阵中属性值相同的连续若干个单元映射为一个游程，每个游程的数据结构为（A，P），A表示属性值或属性值的指针，P代表该游程最右端的列号或个数。等同于：9 4 0 4/9 3 0 5/0 1 9 2 0 1 7 2 0 2/0 4 7 2 0 2/0 4 7 4/0 4 7
12、 4/0 4 7 4/0 4 7 4(“/”代表换行)二维行程编码为：(9,4),(0,4),(9,3)(0,6),(9,2)(0,1)(7,2)(0,6),(7,2),(0,6),(7,4),(0,4),(7,4) ,(0,4),(7,4),(0,4),(7,4) 5.2.3 分块压缩编码:是将游程长度编码扩大到二维的情况，把多边形范围划分成由像元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的代码组成。即（行号，列号，半径，属性值），示例如下： 5.2.4 链式数据编码：主要是记录线状地物和面状地物的边界。它把线状地物和面
13、状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。见下图，从正北方向以0开始，顺时针依次为0，1，2，3，4，5，6，7八个基本方向。从而方便估算长度、转折方向的凹凸度。具体编码方式可参考课本P74-P75。7016 中心2543 5.2.5 四叉树编码：是根据栅格数据二维空间分布的特点，将空间区域按照4个象限进行递归分割（2n2 n，且n1），直到子象限的数值单调（含有相同的属性值或灰度值）为止，最后得到一棵四分叉的倒向树。四叉树分解，各子象限大小不完全一样，但都是同代码栅格单元组成的子块，其中最上面的一个结点叫做根结点，它对应于整个图形。不能再分的结点称为叶子结点，可能
14、落在不同的层上，该结点代表子象限单一的代码，所有叶子结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下，从左到右为叶子结点编号，最下面的一排数字表示各子区的代码。为了保证四叉树分解能不断的进行下去，要求图形必须为2的n次方乘以2的n次方的栅格阵列。n为极限分割次数，n-1是四叉树最大层数或最大高度。 5.2.5.1 四叉树的分割过程：按顺序为左上，右上，左下，右下。若线性四叉树表示为的栅格矩阵时，最多可进行n次四叉树分割，最大高度和层数均为n-1。0123 5.2.5.2 常规四叉树编码方法：存储4个叶结点指针,一个父指针,一个属性；结点之间借助指针联系。缺点：数据存储量较大，操作比较复杂；主要用在
15、数据索引和图幅索引等方面。 5.2.5.3 线性四叉树编码方法：只存储最后叶结点的信息,含结点的位置、深度和属性。特点：数据存储量大大减少，应用广泛。分为两种：基于四进制的编码方法、基于十进制的编码方法。 例1、基于四进制的编码方法：求第7行，第6列的Morton码？解：行的二进制为111，列的二进制码为110，Morton码为2*111+110=332。 例2、基于十进制的编码方法：求第10行第13列的Morton码？解：10的二进制码为1010，13的二进制码为1101，即1010110111011001 10： 13： Morton： 将二进制Morton码转换为十进制：11011001转换结果为217。6、矢量结构与栅格结构的相互转换6.1 矢量向栅格的转换（P79） 6.1.1 栅格化过程包括以下操作：确定栅格矩阵(行列数分辨率)；点的变换；线的变换；面的变换。 6.1.2 面的转换：包括边界的转化和面域的填充，其中面域填充的方法有内部点扩散法、扫描算法、复数
