GIS原理与方法复习资料

GIS原理与方法复习资料 Ch1名词解释：地理信息系统（GIS），地理空间数据地理空间数据组成，GIS简史，列举几款GIS产品，列举GIS功能 GIS组成地理信息系统(GIS) 是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、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。地理空间数据 是用于描述地球表面空间要素的位置和特征的数据，也称地理参照数据。GIS简史地理信息系统的开拓期（20世纪5060年代）1956年，奥地利首先利用电子计算机建立了地籍数据库。1963年，加拿大测量学家Tomlinson首先提出GIS这一术语。1968年，IGU成立地理数据遥感和处理小组委员会； 加拿大建成全球第一个地理信息系统-CGIS ； 哈佛大学开发出一套地理信息系统软件SYMAP。 1969年，ESRI 公司建立； Intergraph公司建立。地理信息系统的巩固发展期（20世纪70年代）大容量存取设备-硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段发达国家建立了不同主题，不同规模，不同类型，各具特色的地理信息系统。美国森林调查局-美国林业资源信息显示系统；日本国土地理院-数字国土信息系统法国-GITAN系统和地球物理信息系统遥感数据纳入地理信息系统1976年，美国喷气推动实验室-影像信息系统IBIS1978年，ERDAS成立地理信息系统的突破时期（20世纪80年代）图形工作站和个人计算机等新一代计算机出现1981年，ESRI ARC/INFO GIS发布1985年，GPS成为可运行系统1986年，MapInfo建立1986年，SPOT卫星首次发射1987年，地理信息系统的国际杂志出版1988年，美国人口调查局第一次公开发布TIGER1988年，GIS World 首次发行1989年，Intergraph 发布MGE数据处理，数据存储和运算，数据输出，地理信息管理中国的GIS发展1980年，全国第一个地理信息系统研究室在中国科学院遥感应用研究所成立。1985年，国家资源与环境信息系统实验室成立。在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制定、局部系统建立、初步应用实验和技术队伍培养等方面积累经验，为全面开展地理信息系统的研制和应用奠定了基础。地理信息系统的应用普及时代（20世纪90年代至今）随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，地理信息系统深入到各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。中国地理信息系统步入快速发展阶段。力图使地理信息系统从初步发展时期的实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。GIS主要产品：AutoDesk Map ，MapInfo ，GRASS ，CARIS system，IDRIS，ArcGIS，ArcView 3.x ，ILWIS，Geomatica，SAGA GIS（P3）GIS功能1.空间数据输入2.属性数据管理 3.数据显示4.数据探查5.数据分析6.GIS建模GIS组成：硬件、软件、专业人员、基础设施【拓】地理空间数据组成几何图形数据影像数据属性数据地形数据元数据 Ch2坐标系统：地理坐标系统与投影坐标系统的含义及其区别联系，地图投影类型有哪些，ArcGIS中定义坐标系统（P34），空间参考信息，投影文件包含哪些内容坐标系统地理空间坐标系统提供了确定空间位置的参照基准。一般情况，根据表达方式的不同，地理空间坐标系统通常分为球面坐标系统和平面坐标系统（或投影坐标系统）。地理坐标系统投影坐标系统定义一种地球表面空间要素的位置参考系统，是基于经纬度值表示的地理坐标系统基于地图投影建立的的平面坐标系统。地图投影和投影坐标系统可以交替使用。区别球面坐标系统（用经纬度表示）平面坐标系统（用大地坐标加高程表示）划分不同的带，每个带都有不同的投影中心联系由球面坐标系统可以向平面坐标系统转换地图投影的实质就是按照一定的数学法则，将地球椭球面上的经纬网转换到平面上，建立地面点位的地理坐标（B,L）与地图上相对应的平面直角坐标（X,Y）之间一一对应的函数关系。地图投影的种类繁多，通常采用以下两种分类方法：1. 按地图投影的构成方法分类：2. 按地图投影的变形性质分类正形投影保留局部角度及其形状等角投影投影前后对应的微分面积保持图形相似；等面积投影在投影平面上任意一块面积与椭球面上相应的面积相等等距投影等距投影的面积变形小于等角投影，角度变形小于等面积投影常用地图投影1.高斯克吕格投影（横轴切圆柱等角投影或横轴墨卡托投影）高斯投影的中央经线和赤道为互相垂直的直线，其他经线均为凹向，并对称于中央经线的曲线，其他纬线均是以赤道为对称轴的向两极弯曲的曲线，经纬线成直角相交。变形特征是：在同一条经线上，长度变形随纬度的降低而增大，在赤道处为最大；在同一条纬线上，长度变形随经差的增加而增大，且增大速度较快。我国规定1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万比例尺地形图，均采用高斯投影。1:2.5至1:50万比例尺地形图采用经差6分带，1:1万比例尺地形图采用经差3分带。2.通用横轴墨卡托投影（UTM）UTM投影是一种横割圆柱等角投影，圆柱面在84N和84S处与椭球体相割，它与高斯克吕格投影十分相似，也采用在地球表面按经度每6分带。其带号是自西经180由西向东每隔6一个编号。3.兰勃特等角投影(Lambert Conformal Conic)在双标准纬线下是“正轴等角割圆锥投影”。设想用一个正圆锥割于球面两标准纬线，应用等角条件将地球面投影到圆锥面上，然后沿一母线展开，即为兰勃特投影平面。墨卡托(Mercator)投影是它的一个特例。4.阿伯斯等积圆锥投影（了解）P285.等距圆锥投影（了解）P28【拓】投影坐标系统（美国）：1.通用横轴墨卡托格网系统（UTM）2.通用极射格网系统（UPS）3.国家平面坐标系统（UPS）投影文件包含的信息包含三部分：1.定义地理坐标系统：大地基准面、椭球体、本初子午线、椭球体参数、度与弧度的转换系数2.列明个投影参数：名称、横坐标东移假定值、纵坐标北移假定值、中央经线、比例系数、纬度原点3.定义线单位：部分定义线单位为米【拓】投影文件用途：识别数据集坐标系统，用于数据集的投影和重投影，可输出到基于相同坐标系统的其他数据集空间参考信息：ArcGIS中定义坐标系统包含预定义和自定义两组预定义意味着参数已知或者GIS软件中已被编码，如Clarke1866，SPC83（基于兰伯特正形投影定义）自定义要求用户指定参数值，如IDTM预定义的坐标系统World（世界投影坐标系统）WGS 84是世界坐标系统 墨卡托投影Continent（大地投影坐标系）兰伯特正形圆锥投影，阿伯斯等积圆锥投影Polar（极地投影坐标系）UPS是极地投影National grids（国家投影坐标系统）Gauss Kruger （高斯克吕格） Ch3矢量模型的概念，两种文件格式的对比（Shapfile和Coverage）拓扑概念及其重要性，拓扑工具栏 规则 编辑，矢量具体的结构形式及其编码形式，TIN矢量数据模型：一种空间数据模型，采用点及其x，y坐标来构建点、线和面空间要素两种文件格式的对比区别优点缺点矢量数据结构拓扑格式矢量数据最重要的是向图，包括点和向线 数据结构严密，冗余度小，数据量小； 空间拓扑关系清晰，易于网络分析； 面向对象目标的，不仅能表达属性编码，而 且能方便地记录每个目标的具体的属性描述 信息； 能够实现图形数据的恢复、更新和综合； 图形显示质量好、精度高。 数据结构处理算法复杂 叠置分析与栅格图组合比较难； 数学模拟比较困难； 空间分析技术上比较复杂，需要更复杂的软、硬件条件； 显示与绘图成本比较高。栅格数据结构非拓扑格式，不含有描述几何对象空间关系的文件。 数据结构简单，易于算法实现； 空间数据的叠置和组合容易，有利于与遥感数据的匹配应用和分析； 各类空间分析，地理现象模拟均较为容易； 输出方法快速建议，成本低廉。 图形数据量大，用大像元减小数据量时，精度和信息量受损失； 难以建立空间网络连接关系； 投影变化实现困难； 图形数据质量低，地图输出不精美。拓扑：研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍然保持不变的性质拓扑的重要性：空间数据的拓扑关系，对数据处理和空间分析具有重要的意义：1.拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何坐标关系有更大的稳定性，不随投影变换而变化。2.利用拓扑关系有利于空间要素的查询。3.可以根据拓扑关系重建地理实体。例如根据弧段构建多边形，实现道路的选取，进行最佳路径的选择等。矢量数据的具体结构形式:点数据文件 多边形数据文件 多边形文件拓扑空间数据结构主要有：索引式双重独立编码结构链状双重独立编码结构等。 【拓】地理空间数据的概念模型:对象模型场模型网络模型 Ch4栅格数据模型概念，要素有哪些？栅格数据类型及其编码形式栅格数据模型：栅格数据模型要素：像元值 像元大小 栅格波段 空间参照1.栅格单元的定义:一个完整的栅格模型需要以下几个参数：栅格形状；栅格单元尺寸大小/分辨率；栅格原点 ；栅格的倾角； 2.栅格单元大小3.单元值确定栅格数据类型1、完全栅格数据结构2、多通道/多波段影像完全数据结构3、压缩栅格数据结构：游程长度编码结构 四叉树结构 二维行程编码结构 链码结构 影像金字塔数据结构栅格数据编码：逐个像元编码 游程编码 四叉树 Ch5GIS数据获取（重点）：数据获取类型数据获取途径数据处理元数据概念及其作用空间数据采集的基本内容数据获取类型地图数据（扫描矢量化）遥感影像数据（摄影测量、遥感图像处理）实测数据（全站仪数据采集、GPS测量等）统计数据（键盘输入、扫描仪输入等）共享数据（数据交换等）多媒体数据（数据交换）文本资料数据（键盘直接输入）数据采集运用各种技术手段，通过各种渠道收集数据的过程。服务于地理信息系统的数据采集工作包括两方面内容：空间数据的采集和属性数据的采集。空间数据采集的方法：野外数据采集、现有地图数字化、摄影测量方法、遥感图像处理方法等属性数据采集的方法：从相关部门的观测、测量数据、各类统计数据、专题调查数据、文献资料数据等渠道获取此外，遥感图像解译也是获取属性数据的重要渠道。 数据的编辑与处理各种方法所采集的原始空间数据，都不可避免地存在着错误或误差，属性数据在建库输入时，也难免会存在错误，所以对图形数据和属性数据进行一定的检查、编辑是很有必要的。要求不同，方法也不同，常用方法有：数学基础、数据结构的转换图形拼接、拓扑生成数据压缩元数据概念 ：提供空间数据信息的数据元数据的作用：1.帮助用户了解和分析数据 2.空间数据质量控制 3.在数据集成中的应用 4.数据存贮和功能实现 Ch6几何变换的类型，重采样的概念，什么情况下使用重采样几何变换的类型：等积变换 相似变换 投影变换 仿射变换 仿射变换的过程：仿射变换是在不同的方向上进行不同的压缩和扩张，可以将球变为椭球，将正方形变为平行四边形，如下图图所示。其公式为：重采样是栅格数据空间分析中处理栅格分辨率匹配问题的常用数据处理方法。进行空间分析时，用来分析的数据资料由于来源不同，经常要对栅格数据进行何纠正、旋转、投影变换等处理，在这些处理过程中都会产生重采样问题（如图）。因此重采样在栅格数据的处理中占有重要地位。重采样方法：最邻近像元法 双线性插值法 双三次卷积法 Ch7预处理编辑，编辑的对象是错误，错误类型，有哪些拓扑错误拓扑编辑方式 （习作3、4）经常出现的编辑错误 其它图形数据错误，包括遗漏某些实体、重复录入某些实体、图形定位错误等拓扑错误：几何要素的拓扑错误：未闭合多边形、两个多边形的之间有缝隙和多边形重叠。伪节点（Pseudo Node）、悬挂节点（Dangling Node）图层之间的拓扑错误：碎屑多边形(Sliver Polygon)、不正规的多边形（Weird Polygon）、规则的人为对象（栅格、立方体元）拓扑编辑方式：Coverage的拓扑编辑、地图拓扑编辑、拓扑规则编辑【拓】拓扑规则编辑：1. 通过定义参照要素、每个要素类型的排序、拓扑规则和聚合容差，创建新的拓扑规则；其中，要素顺序决定要素类型在拓扑编辑中的相对重要性。2. 拓扑关系验证3. 修正拓扑错误和在特例下接受拓扑错误。 Ch8 Ch9 非重点 Ch10 数据探查概念，什么是空间数据查询，空间数据的查询方式 空间关系空间数据查询：直接对地图要素操作获取数据子集的过程。查询结果：可以同时在地图上进行查验、链接到表格中高亮显示的记录，以及显示在统计图中；还可以保存为新的数据集用于进一步处理。空间数据查询方式：空间属性查询：简单属性查询 SQL查询 扩展SQL查询空间图形查询: 按点查询 按规则图形查询 按多边形查询空间关系查询: 拓扑关系查询(邻接关系查询、包含关系查询、关联关查询)和缓冲区查询。空间属性数据查询与空间数据查询相结合 Ch11 Ch12 矢量栅格数据分析（综合应用大题）自己总结一下完善 Ch13 地形制图数据对象（DEM，TIN）DEM、TIN概念地形制图两种常用的输入数据：基于栅格的DEM数据，基于矢量的TIN；两者虽然在同一操作中同时使用，但可以进行相互转换。DEM: 数字地面模型DTM是定义在二维区域上地形特征空间分布及关联信息的一个有限n维向量系列Xi，数字高程模型DEM是DTM的一个子集，它表示地形空间分布的一个有限三维向量系列X,Y,Z，其中X, Y表示地形点的平面位置，Z表示相应点的高程。TIN:指用一系列无重叠的三角形近似模拟陆地表面，从而构成不规则的三角网。高度值（z）连同x，y坐标一起存储在节点中，再由这些节点节点构成三角形。与DEM对比，TIN是基于高程点的不规则分布。【拓】地形制图的五种技术：等高线法、垂直剖面法、地貌晕渲法、分层设色法和透视图法。【拓】规则格网DEM与TIN对比 Ch14 表面分析，可视分析，水文分析的解释 哪些方面衡量数据的质量 空间数据质量的影响因素表面分析可视分析水文分析空间数据质量的概念空间数据质量是指数据对特定用途的分析和操作的适用程度；空间数据质量与空间分辨率或制图比例尺有关；空间数据质量评价的指标 数据情况说明(source /lineage) 位置精度(metric accuracy) 属性精度(attribute accuracy） 时间精度(temporal accuracy） 逻辑一致性(logical consistency) 数据完整性(completeness) 数据相容性(compatibility) 数据可得性(accessibility) 表达形式的合理性（reasonability) Ch15什么是空间插值及其类型方法ArcGIS中用什么进行插值（P349）空间插值是用已知点的数值来估算其它点数值的过程【拓】插值条件：已知点（控制点）和插值方法空间插值类型及其分类方法：整体拟合法局部拟合法确定性随机性确定性非确定性趋势面（非精确）回归（非精确插值）泰森（精确）、密度估计（非精确）、距离倒数权重IDW（精确）、薄板样条（精确）克里金（精确）【拓】一般插值过程1.内插方法（模型）的选择；2.空间数据的探索性分析，包括对数据的均值、方差、协方差、独立性和变异函数的估计等；3.进行内插；4.内插结果评价；5.重新选择内插方法，直到合理；6.内插生成最后结果。插值方法：最近邻法(Nearest Neighbor)：最近邻点法又叫泰森多边形方法算术平均值(Arithmetic Mean)：算术平均值方法以区域内所有测值的平均值来估计插值点的变量值距离反比法(Inverse Distance)高次曲面插值(Multiquadric)趋势面插值(Polynomial)最优插值(Optimal) 样条插值(Spline Surface) 径向基函数插值(Radial Basis Functions)克里金插值(Kriging)ArcGIS中插值方法：Spatial Analyst密度估算（简单密度估算和核密度估算）、距离倒数权重、样条（张力样条和规则样条）、克里金法（普通克里金，泛克里金）等Spatial Analyst Tools/Interpolation趋势面分析工具Coverage Tools/Proximity泰森多边形Spatial Statistic Tools/Modeling Spatial Relationships整体线性回归，地理加权回归Geostatistical Analyst距离倒数权重，趋势面，局部多边形，径向基函数，克里金法和协克里金法克里金插值步骤：1.分析数据的分布特征，进行必要数据转换2.分析数据的空间变化趋势3.确定变异方差的函数类型4.选择合适的搜索半径和临近数据点数，选择合适的插值方法进行插值 【拓】Dijkstra算法基本思想：按路径长度递增的次序产生最短路径。设置并逐步扩充一个集合S，存放已求出其最短路径的顶点，尚未确定最短路径的顶点集合是V-S，其中V为网中所有顶点集合。按最短路径长度递增的顺序逐个以V-S中的顶点加到S中，直到S中包含全部顶点，而V-S为空。例：求V0到其他各顶点的最短距离迪杰斯特拉算法的求解过程：第一步：找V0到各顶点的直接路径:V0V1 V0V2 10 PV0V3 V0V4 30V0V5 100证明：为什么V0V2的最短路径就是10？假设如果另外还有路径比10短，那只可能是V0间 接经过V3、V4或者V5到达V2的另外一条路径， 而V0到其他各顶点(V2外）的路径都大于10， 所以不可能存在一条比10还小的间接 路径了。第二步：以V0V2为中间路径，修订V0到其他顶点的路径，如果经过V2到其他顶点的路径比原路径短，就替换它，否则不变：第三步：以V0V3为中间路径，修订V0到其他顶点的路径，如果经过V3到其他顶点的路径比原路径短，就替换它，否则不变：第四步：以V0V4V3为中间路径，修订V0到其他顶点的路径，如果经过V3到其他顶点的路径比原路径短，就替换它，否则不变：需要作空间插值的几种情况：现有的离散曲面的分辨率，象元大小或方向与所要求的不符。Eg: 重采样现有的连续曲面的数据模型与所需的数据模型不符。 Eg: TIN-栅格现有的数据不能完全覆盖所要求的区域范围。Eg：离散的采样点-数据表面。 Ch16 非重点 Ch17网络分析概念，栅格数据分析用什么数据过程矢量数据分析网络分析网络构建类型路径分析网络分析（最短路径分析）概念用栅格数据来确定“虚拟”的最小耗费路径一个具有目标运动的合适属性的线要素系统，基于矢量数据的分析所需要元素（构建要素）源栅格、耗费栅格、耗费距离量测、生成最小耗费路径的算法链路和链路阻抗、节点和转弯阻抗、单行道或禁行道、天桥或地下道应用道路、管线、运河、交通线、山区道路规划最短路径分析，路径查找和通达性测度，最近设施查找，应用于定位-配置问题，城市交通规划模型小结路径分析是地理信息系统网络分析中的关键问题，而且网络分析的其它优选问题诸如最小成本计算、地址选择模型、节点连通性等都和图论中的最短路径问题等价，在方法论上它们有着很大程度的相似性与一致性。 网络分析主要目的：对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络进行地理分析和模型化1 网络数据结构的基本组成： 1）链（Link）网络中流动的管线，如街道、河流、水管等。 2）结点（Node）网络中链的结点，如港口、车站、电站等。结点的类型：障碍（Barrier），不能通行的结点拐点（Turn），通行受限制的结点中心（Center），接受或分配资源的位置站点（Stop），路径中资源增减的结点【拓】管道选址（路径分析）：1.选取源栅格数据2.计算耗费栅格：建造和操作耗费：考虑从目标到源头的距离、地形、地质、河流、道路和铁路穿越点的数目、路权耗费、与人口中心的邻近度等 ；环境影响潜在耗费：文化资源、土地利用、娱乐和美观方面、植被和野生生物、水的利用和水质、湿地3.耗费距离的量测；4.生成最小累积耗费路径；5.耗费距离量测的改进【拓】垃圾掩埋场选址条件：(1)坡度分析:区域的平均地表坡度平稳，坡度越大越不适宜。 (2)距离分析:与旧垃圾掩埋场的距离适中。(3)河流缓冲区分析:区域与河流干线保持一定距离。(4)干湿度分析:区域地表物质应具有低渗透率，以阻止可溶性物质快速渗入地下水中。(5)土地覆盖分析:区域的土地适宜性不属于优等可耕耘土地，土地价格相对较低。 【拓】GIS建模过程1. 明确建模目的：可以通过利用概念图表组建一个模型的基本结构；2. 分解模型：把模型分解成各种元素，然后利用概念定义各种元素属性和它们之间的相互作用框图。将模型的数学方程和GIS命令（或计算机编码）集成用于计算；3. 模型应用与校准4. 软件评价