地理信息系统原理知识点整理

第一章绪论1、GIS定义：地理信息系统是对地球及表面有关地理分布数据进行采集、存储、管理、处理、分析、描述和三维可视化的技术系统。2、GIS构成：硬件、软件、空间数据、人员。3、GIS功能：数据采集、数据编辑与处理、数据存储、组织和管理、空间查询和空间分析、数据输出。4、GIS与相关学科的关系：1）GIS与CAD：同：坐标参考系统；处理图形、非图形数据；对空间对象的空间相关关系建立和处理。异：CAD不能建立地理坐标系统和完成地理坐标变换；CAD处理多为规则图形，而GIS为非几何图形；CAD图形功能强而属性处理能力弱，而GIS图形与属性的操作比较频繁，且专业化特征比较强；GIS数据量比CAD大得多，数据结构、数据类型复杂，数据之间联系紧密；CAD不具备地理意义上的查询和分析能力。2）GIS与MIS：同：对属性数据进行管理和处理；对图形数据进行存储。异：GIS对图形和属性数据共同管理、分析和应用，MIS一般只处理属性数据，对图形数据以文件形式进行管理，图形要素不能分解查询，图形与数据之间没有联系；管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS,MIS在概念上更接近DBMS。3）GIS与RS：a.遥感数据是GIS的重要信息源。经过遥感信息系统处理的遥感信息，或进入GIS系统作为制图的背景图像，或是与经过分类的信息协同GIS与遥感的集成分析。b.遥感图像信息处理系统是专门用于对遥感数据进行处理的软件，主要强调对遥感数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取，具有较强的制图功能，可设计丰富的符号和注记，虽有空间叠置分析功能，但由于缺少实体关系的描述，难以进行实体空间关系的描述，难以进行空间实体的空间关系查询、属性查询及网络分析等。5、GIS的发展趋势：地球观测与信息技术；网络地理信息系统；嵌入式地理信息系统；4D地理信息系统和基于Web的空间信息服务。第二章地理空间与空间数据1、地球模型的建立：第一次逼近——大地水准面——大地体；第二次逼近——地球椭球体（旋转椭球体）；第三次逼近——参考椭球体（总椭球体）。2、投影配置的原则：1）配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图，基本省区图或国家大地图集）投影系统一致；2）一般最多只采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出；3）投影以等角投影为宜；4）投影应能与网格坐标系统相适应，即所用的网格系统在投影带中应保持完整。3、我国常用坐标系与椭球体：中国1952年前采用海福特（Hayford）椭球体；1953—1980年采用克拉索夫斯基椭球体（坐标原点是前苏联玻尔可夫天文台），建立“1954北京坐标系”；自1980年开始采用GRS1975（国际大地测量与地球物理学联合会IUGG1975推荐）新参考椭球体系，并确定陕西泾阳县永乐镇北洪流村为“1980西安坐标系”大地坐标的起算点。4、我国常用投影及原因：中国国家基本比例尺地形图（除1：100万)均采用高斯-克吕格投影：中央经线投影为直线，长度无变形，其余经线为向极点收敛的弧线，距中央经线愈远变形愈大。随远离中央经线，面积变形也越大。若采用分带投影的方法，可使投影边缘的变形不致过大。1∶1万（3°分带）；1∶2.5万、1∶5万、1∶10万、1∶25万、1∶50万（6°分带）。由于我国位于中纬度地区，我国小比例尺基本地形图（1：100万）采用兰伯特投影Lamberts（正轴等角割圆锥投影），中国地图和分省地图经常采用Alberts（正轴等积割圆锥投影）。第三章（上）栅格数据结构1、栅格数据结构的特点：离散的量化栅格值表示空间对象；位置隐含，属性明显；几何和属性偏差；数据结构简单,易与遥感数据结合,但数据量大；面向位置的数据结构,难以建立空间对象之间的关系。2、栅格数据编码方式：1）块状编码2)游程长度编码①记录每个游程起（迄）列号②记录每个游程象元数3）链式编码：从某一起点开始用沿八个基本方向前进的单位矢量链来表示线状地物或多边形的边界4）四叉树编码：线性四叉树编码3、栅格数据的应用：遥感图象处理；数字高程模型DEM与数字地形模型DTM第三章（下）矢量数据结构1、矢量数据结构及特点：用离散的点描述空间对象与特征，定位明显，属性隐含；用拓扑关系描述空间对象之间的关系；面向目标操作，精度高，数据冗余度小；与遥感等图象数据难以结合；输出图形质量好，精度高。2、矢量数据结构编码：1）实体式2）索引式3）双重独立式4）链状双重独立式3、矢量和栅格数据结构的优缺点：第四章空间数据库1、DBMS：数据库管理系统DatabaseManagementSystem是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。DBMS的用途：科学地组织和存储数据、高效地获取和维护数据。2、数据库模型：1）层次模型：最早，比较成熟，适用于具有层次包含关系的应用，采用树结构表示实体之间的层次关系，利用树结构中子节点和父节点关系表达应用中的实体之间的隶属关系2）网络模型：实现了多对多关系的表述，将数据组织成有向图结构，图中各节点表示一条记录，连线表示节点之间的关系3）关系模型：以满足一定条件的二维表结构表示实体及关系，三个基本概念：关键字、关系关联、范式，结构简单灵活，数据更新方便，容易维护和理解。3、SQL：结构化查询语言SQL是一种用于存取和查询数据，更新并管理关系数据库系统的数据库查询和编程语言。主要组成部分：数据定义语言—定义和管理数据库，包括CREATE、ALTER和DROP等语句；数据操作语言—查询添加修改和删除数据库中数据，包括SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE等；数据控制语言—设置或者更改数据库权限，包括GRANT、DENY、REVOKE等语句。4、空间数据库（或地理数据库）定义：是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合；是地理信息系统在计算机物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。简言之：空间数据库是地理信息系统中用于存储和管理空间数据的场所。5、空间数据库特点：数据量特别大，地理信息系统是一个复杂的综合体，要用数据来描述各种地理要素，尤其是要素的空间位置和空间关系等，其数据量往往很大；不仅有地理要素的属性数据（与一般数据库中的数据性质相似），还有大量的空间数据，即描述地理要素空间分布位置的数据，并且这两种数据之间具有不可分割的联系；数据应用广泛，例如地理研究、环境保护、土地利用和规划、资源开发、生态环境、市政管理、道路建设等。第五章空间数据采集与处理1、GIS空间数据的数据源：按获取方式分类：地图数据、遥感数据、实测数据、共享数据；按表现方式分类：数字化数据、多媒体数据、文本资料数据。2、数据编辑：图形数据编辑、属性数据编辑、图幅拼接。3、数据质量控制：顾及数据获取、管理、应用阶段的过程控制，根据数据质量描述指标（空间参考系、完整性、逻辑一致性、位置精度、属性精度、影像质量、元数据质量、整饰质量、时间精度、附件质量），对数据的检查与控制，以保证系统数据整体最优。方法：1）传统的手工方法：质量控制的手工方法主要是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它比较方法2）元数据方法：数据集的元数据中包涵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。4、GIS数据库的建库流程：第六章空间分析与空间建模1、空间查询：空间查询是空间分析基础，任何空间分析都开始于空间查询。包括空间位置、空间关系、空间实体属性等查询。空间查询特性：回答用户的简单问题、不改变空间数据库数据、不产生新的空间实体和数据。GIS双向查询：图形查属性，属性查图形。空间查询的分类：几何查询、属性查询、SQL查询、拓扑查询、联合查询。2、空间分析和空间模型：空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。空间分析是基本的，解决一般问题的理论和方法，空间模型是复杂的，解决专门问题的理论和方法。（例：工厂选址与水库选址）应用模型建立过程比较复杂，有些还不能用数学方法描述，空间分析技术为解决复杂的应用模型提供基本的分析工具。基本空间分析技术：空间查询与统计、缓冲区分析、叠置分析、网络分析、数字高程模型与数字地形分析。3、栅格数据的空间分析：基于栅格数据的空间分析是GIS空间分析的基础，也是GIS空间分析模块的核心内容。ArcGIS的空间分析模块（SpatialAnalyst）提供了一个范围广阔且功能强大的空间分析和建模工具库，允许用户从GIS数据中快速获取所需信息，并以多种方式进行分析操作。包括的分析功能：距离制图、密度制图、表面分析、统计分析、重分类以及栅格计算。4、矢量数据的空间分析：1）缓冲区分析：缓冲区是地理空间，目标的一种影响范围或服务范围在尺度上的表面，是给定空间对象或集合后获得的它们的邻域，而邻域的大小由邻域的半径或缓冲区的建立条件来确定。点状要素：直接以其为圆心，以要求的缓冲区距离大小为半径绘圆，所包含的区域即为所要求的区域；线状要素：做边的平行线，并考虑其断点处建立的原则，即可建立缓冲区，常用的方法有角平分法和凸角圆弧法。面状要素：做其边线的平行线，建立方法与线状要素相同，但要考虑内在缓冲区和外围缓冲区的区别。2）叠置分析：将有关主题层组成的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，其结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性，同时叠置分析不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生了新的属性关系。叠置分析方法：3）网络分析：对地理网络，城市基础设施网络（如各种管线、电缆线、电力线、电话线、供水线以及排水管道等）进行地理化和模型化，基于它们本身在空间上的拓扑关系、内在联系、跨度等属性和性质来进行空间分析，通过满足必要的条件得到合理的结果。网络分析数据的预处理：网络数据的符号化、几何网络要素的添加和删除、网络连通性的变更、网络可运行性的编辑。基本功能：路径分析、地址匹配、资源分配。从原理上分为：流向分析、追踪分析。空间信息基础1、空间信息：是有关地理空间中的物质的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。2、地理空间信息描述方法：1）常规描述方法：地图表示、遥感影像2）数字化描述方法：矢量表示、栅格表示。3、GIS空间数据类型和关系：类型：点、线、面。空间数据具有三个基本特征：空间特征、属性特征和时间特征。GIS反映的地理信息应包括：空间信息的各自位置和相互关系以及属性信息，这些关系就是指它们之间的邻接关系，关联关系、包含关系和层次关系。4、元数据：为描述数据的数据。内容：对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明；对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等；对数据处理信息的说明，如量纲的转换等；对数据转换方法的描述；对数据库的更新、集成方法等的说明。主要作用：帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档；提供有关数据生产单位数据存储、数据分类、数据内容、数据质量、数据交换网络(clearinghouse)及数据销售等方面的信息，便于用户查询检索地理空间数据；提供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息。