武汉大学期末GIS复习总结

第一章地理信息系统概论：地理信息系统:是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。“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”。（推荐定义）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。数据：数据时指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及他们能转换成的数据的形式。有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然。数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。地理信息:地理信息是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。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性。地理数据：地理数据时指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、图像和图形等的总称。信息系统：是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。它能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，具有采集、管理、分析和表达数据的能力。主要由计算机硬件、软件、数据、用户四大要素组成。地理信息系统可以分为三大类：专题地理信息系统、区域信息系统、地理信息系统工具。地理信息系统的构成：空间数据、系统软件、系统硬件、应用人员。空间数据：是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征:是指地理实体的空间位置及其相互关系；属性特征:表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征:指实体随时间而发生的相关变化。根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线、面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。第二章空间数据模型空间数据模型可以分为三种：场模型：用于描述空间中连续分布的现象；要素模型：用于描述各种空间地物；网络模型：可以模拟现实世界中的各种网络。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。网络模型表示了特殊对象之间的交互，如水或者交通流。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。场模型可以表示为如下的数学公式：z:s→z(s)，z为可度量的函数，s表示空间中的位置，因此该式表示了从空间域（甚至包括时间坐标）到某个值域的映射。栅格数据模型定义：是基于连续铺盖的，是将场模型(即一定空间内连续分布)离散化,即用二维铺盖或划分覆盖整个连续空间。铺盖可以分为规则的和不规则的，后者可当做拓扑多边形处要素模型：基于要素的空间模型强调了个体现象，该现象以独立的方式或者以与其它现象之间的关系的方式来研究。可以从概念上与其邻域现象相分离的任何现象，无论大小，都可以被确定为一个对象（Object），要素可以由不同的对象所组成，而且它们可以与其它的相分离的对象有特殊的关系。空间要素在欧氏空间中主要分为点实体、线实体、多边形实体。一个实体必须符合3个条件：可被识别、重要（与问题有关）、可被描述（有特征）。矢量数据模型：矢量方法强调了离散现象的存在，由边界线（点、线、面）来确定边界，因此可以看成是基于要素的。矢量数据模型将现象看作原形实体的集合，且组成空间实体。在二维模型内，原型实体是点、线和面；而在三维中，原型也包括表面和体。空间关系：包含三种基本类型，即拓扑关系、方向关系、度量关系。拓扑关系：指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。空间数据的拓扑关系对GIS的数据处理和空间分析具有重要意义：拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系；有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题；根据拓扑关系可重建地理实体。GIS中引入拓扑关系的优缺点：优点：描述点、线、面的空间关系不完全依赖于具体的坐标位置。空间关系信息丰富、简洁，数据冗余小。方便多边形和多边形的叠合。便于检查数据输入过程中的错误。缺点：拓扑关系建立过程比较复杂，数据结构本身复杂。MBR指的是空间目标的外切矩形。MBR的表示非常简单，只需利用两点(左上、右下角点)表示即可。由于MBR的简单、实用性，MBR广泛应用于空间目标数据结构表示以及空间数据查询中。为了确定目标之间是否具有某种方向关系，首先可判断目标之间的MBR是否具有该关系，然后再利用点/点关系进一步进行关系判断，确定具体的关系区域空间指标：1）几何指标：位置、长度（距离）、面积、体积、形状、方位等指标；2）自然地理参数：坡度、坡向、地表辐照度、地形起伏度、河网密度、切割程度、通达性等；3）人文地理指标：如集中指标、区位商、差异指数、地理关联系数、吸引范围、交通便利程度、人口密度等。地理空间的距离度量：1）大地测量距离：该距离即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（名字“曼哈顿距离”是由于在曼哈顿，街道的格局可以被模拟成两个垂直方向的直线的一个集合）。3）旅行时间距离：从一个城市到另一个城市的最短的时间可以用一系列指定的航线来表示（假设每个城市至少有一个飞机场）。4）词典编纂距离：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差值。第三章空间参考系和地图投影为什么要进行投影：·将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影；·地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算；·地球椭球体为不可展曲面；·地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析。地图制图的基本要求：地图投影是地图数学基础中最为重要的一点，一幅地图如果没有地图投影或者地图投影不准确，那它就不是完整的地图地图精度的基本要求：随着GIS不断普及，应用层次多样化、应用人员复杂化，很多人因为不懂投影，而一筹莫展；而一部分人在似懂非懂中，不管什么来源的数据，只管数字化建库或者强行配准迭加。关于数据精度只注意数字化和编辑过程中的偶然误差和外围设备的系统误差，而忽视了地图投影的所产生的变形误差。其后果是：显示或输出的图形文件发生变形或扭曲，有些变形在视觉上不易直接观察。这一方面严重影响到地图的精度，属性数据空间顺序和空间联系分析结果的准确性；另一方面严重的影响到GPS的应用效果。第四章GIS中的数据数据：是用以载荷信息的载体。它可以是记录下来的某种可以识别的物理符号，数据的具体形式多种多样，如文本、图像、声音等都可以归入数据的范畴。虽然数据是信息的载体，但并非就是信息，只有理解了数据的含义、对数据做出解释，才能得到数据中所包含的信息。地理数据的基本特征：属性特征、空间特征、时间特征数据的三种类型：空间特征数据（定位数据）、时间属性数据（尺度数据）和专题属性数据（非定位数据）。空间特征数据：记录的是空间实体的位置、拓扑关系的几何特征，这是地理信息系统区别其他数据库管理系统的标志。空间特征指空间物体的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻物体的拓扑关系。专题特征数据：专题特征指的是地理实体所具有的各种性质，如地形的坡度、坡向、某年的年降雨量、土地酸碱类型、人口密度、交通流量、空气污染程度等。这类特征在其他类型的信息系统中均可储存和处理。专题属性特征通常以数字、符号、文本和图像等形式来表示。空间特征数据:空间属性是指地理实体的时间变化或数据采集的时间等。严格来说，空间数据总是在某一特定时间或时段累采集得到或计算产生的。由于有些空间数据随时间变化相对比较慢，因而有时被忽略；有些时候，时间可以被看成一个专题特征。测量尺度大致可分为：命名量、次序量、间隔量和比例量。命名量：定性而非定量，不能进行任何算术运算，如一个城市的名字。命名式的测量尺度也称为类型测量尺度，只对特定现象进行标识，赋予一定的数值或符号而不定量描述。次序量：线性坐标上不按值的大小，而是按顺序排列的数，例如，事故发生危险程度的级别由大到小被标为1，2，3，…，级别的序号越低，其危险性越大，但危险性到底有多大并未给予定量的表达。序数值相互之间可以比较大小，但不能进行加、减、乘、除等算术运算。不同次序之间的间隔大小可以不同。对次序数据的逻辑运算除了“等于”与“不等于”之外，还可以比较它们的大小，即“大于”。间隔量：不参照某个固定点，而是按间隔表示相对位置的数。按间隔量测的值相互之间可以比较大小，并且它们之间的差值大小是有意义的。间隔测量尺度与比例测量尺度相似，但是间隔尺度的测量值无真的零值比例量：比例测量尺度的测量值指那些有真零值而且测量单位的间隔是相等的数据，比例测量尺度与使用的测量单位无关。与某一固定点的比值计算，支持多种算术操作。比例数据或间隔数据可以比较容易地被转变成次序或命名数据。而命名数据则很难被转化成次序、间隔数据或比例数据。由此可见，尽管命名数据或次序数据便于使用，易于理解，但有时不够精确，不能用于较高级的算术运算。而比例数据或间隔数据比较精确，便于计算机处理，但是在较复杂的GIS应用中，往往上述几种测量尺度的数据均需用到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。元数据：Metadatad可以译为元数据，是描述数据的数据。元数据是关于数据的描述性数据信息，它尽可能多地反映数据集自身的特征规律，以便于用户对数据集的准确、高效与充分的开发与利用，不同领域的数据库，其元数据内容会有很大的差异。通过元数据可以检索、访问数据库，可以有效利用计算机的系统资源，可以对数据进行加工处理和二次开发等。空间数据元数据的应用：帮助用户获取数据空间数据质量控制在数据集成中的应用数据存储和功能实现GIS中使用元数据的原因在性能上：完整性、可扩展性、特殊性、安全性；在功能上：查错功能、浏览功能、程序生成。空间元数据的获取方法主要有五种：键盘输入、关联表、测量法、计算法和推理法。第五章空间数据获取GIS中的数据源：地图资料、遥感资料、实测数据资料、统计资料、共享数据、地图数据可分为空间数据和语义数据空间数据是构成地图内容要素的几何图形，为表示这些要素在二维平面上空间图形的定位特征，常用一对平面直角坐标（X,Y）来表示，这种地图数据称为矢量数据；或用其通过栅格单元的左下角坐标（行和列）来表示，称此为栅格数据。语义数据又称为非几何数据，包括定性数据和定量数据。定性数据用来描述要素的分类或对要素进行标名。定量数据是说明要素的性质、特征或强度的，例如距离、面积、人口、产量、收人、流速，以及温度和高程等。.数字化是将地图上的空间特征转化成为用数字形式表示数据的过程。在计算机中，构成一幅地图的点、线、面各要素转化为X，Y坐标表示。单个坐标代表一个点，一串坐标代表一条线，一条或多条线围成一个区域（面或多边形）。所以数字化是获取一系列点和线的过程。数字化的几种方法：数字化仪数字化、扫描数字化、屏幕跟踪数字化、格式转换数据。曲线离散化算法：道格拉斯——普克法、垂距法、光栏法。大多数情况下道格拉斯——普克法的压缩算法较好，但必须在对整条曲线数字化完成后才能进行，且计算量较大；光栏法的压缩算法也很好，并且可在数字化时实时处理，每次判断下一个数字化的点，且计算量较小；垂距法算法简单，速度快，但有时会将曲线的弯曲极值点p值去掉而失真。将栅格图像转换为矢量地图一般需要以下一系列步骤：1）图像二值化（Threshold）:从原始扫描图像计算得到黑白二值图像（BinaryImage）。2）平滑（Smooth）：图像平滑用于去除图像中的随机噪声，通常表现为斑点。3）细化：细化将一条线细化为只有一个像素宽，细化是矢量化过程中的重要步骤，也是矢量化的基础。4）链式编码：链式编码将细化后的图像转换成为点链的集合，其中每个点链对应于一条弧