GIS概述

一、 GIS概述。 1、 地理信息系统的概念。(Geography Information Systems，简称GIS)。 地理信息系统是由计算机硬、软件和不同的组成的系统，该系统设计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。 2、 地理信息系统的组成和主要功能。 GIS主要有系统软件、系统硬件、空间数据、应用人员和应用模型五部分构成。 GIS的功能：1）基本功能：数据采集编辑、数据存储与管理、数据处理与变换、空间分析与统计、产品制作与显示、二次开发和编程。 2）应用功能：资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策。 3、地理信息系统的发展历史。 地理信息系统的发展的四个阶段： 1）60年代起源于北美：加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调查资料，于60年 代开始建立地理信息系统（CGIS），于70年代初投入产品生产；同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室，建立通 用的制图软件包，竭力发展空间分析模型和软件。 2）70年代是GIS发展的巩固阶段：美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。 3）80年代为地理信息系统的大发展阶段：计算机的迅速发展和普及，地理信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。 4）90年代至今为地理信息系统的应用普及时代 ：由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。从美国的 “国家信息基础设施：行动计划（National Information Infrastructure ,简称NII）” 建设到数字地球的提出，由“数字地球”细化到“数字中国”、“数字省区”、“数字城市” 、“数字小区”直到“企业信息化”、“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。 GIS包括地理学、地图学、测量学、数学、计算机科学以及一切与获取、处理和分析空间数据有关的学科。其中地理学是地理信息系统的理论依托，为地理信息系统提供引导空间分析的方法和观点。 GIS在我国的发展 ：1）准备阶段：1978年到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。2） 起步阶段：1981年到 1985年，理论探索和区域性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系统。 3） 初步发展阶段：1986年到90年代。地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进 展和实际应用效益。 4）快速发展阶段： 90年代末到现在。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。 4、遥感。（Remote Sensing，简称RS） 遥感技术是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些认息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术，可用于植被资源调查、作物产量估测、病虫害预测等方面。 5、GPS。全球定位系统(Global Positioning Systems，简称GPS) 全球定位系统是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。应用全球定位系统的载波相位测量技术，可以精确测定两点是的相对位置，应用于农业测量、森林资源测量、渔业资源测量等，可获得高精度的空间定位数据。 二、空间数据模型与空间数据库 1、拓扑关系。 拓扑关系指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系。 1）拓扑关系的类型：①拓扑邻接：指存在于空间图形的相同类型元素之间的拓扑关系。节点与节点、弧段与弧段、多边形与多边形的邻接关系。②拓扑关联：指存在于不同类型空间元素之间的拓扑关系。③拓扑包含：指存在于空间图形的相同类型但不同等级的元素之间的拓扑关系。分为简单包含、多层包含、等价包含。 2）空间拓扑关系的意义。①根据拓扑关系，不需要利用坐标或者计算距离，就可确定一种地理实体相对于另一种地理实体的空间位置关系。②利用拓扑数据有利于空间数据查询。例如：查区域的临接。③可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体。例如：建立封闭多边形、实现道路的选取、进行最佳路径计算。 3、 矢量数据模型。 矢量数据结构是利用欧几里得几何学中点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。 矢量数据结构分为：实体数据结构（也称简单数据结构、面条数据结构）、拓扑数据结构。 实体数据结构的主要特点：①数据按点、线、多边形为单元进行组织，数据编排直观，数字化操作简单。②每个多边形都以闭合线段存储，多边形的公共边界被数字化两次和存储两次，造成数据冗余。③点、线、多边形有各自的坐标数据，但没有拓扑数据，互相之间不关联。④岛或洞只作为一个单个图形没有与外界多边形的关联。 实体型数据结构的优点： 结构简单、直观，编码容易 实体型数据结构的缺点：①数据冗余，相邻多边形的公共边易产生分歧； ②实体互相独立，缺乏联系；③岛弧处理比较困难。 ESRI公司的Shapefile文件是描述数据的几何和属性特征的非拓扑实体矢量数据结构的一种格式。一个Shapefile文件包括一个主文件（.shp），一个索引文件（.shx）和一个（.dbf）dBASE表文件。 拓扑数据结构：包括：DIME——对偶独立地图编码法、POLYVRT——多边形转换器和TIGER——地理编码和参照系统的拓扑集成。 共同特点是：点是相互独立的，点连成线，线构成面。具有拓扑编辑功能，包括多边形连接编辑和结点连接编辑。 拓扑数据结构中的有关概。 线：每条线始于起始结点（FN），止于终止结点（TN），并与左右多边形（LP和RP）相邻接。 弧段：构成多边形的线又称为链段或弧段。 结点：两条以上的弧段相交的点称为结点。 岛：由一条弧段组成的多边形称为岛或洞。 简单多边形：多边形图中不含岛的多边形。 复合多边形：图中含岛的多边形，多边形为外边界，岛为内边界。 4、 栅格数据模型。 栅格数据结构指将空间分割成有规则的网格，称为栅格单元，在各个栅格单元上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织方式。 栅格数据结构分为栅格矩阵结构、游程编码结构、四叉树数据结构、八叉树数据结构和十六叉树数据结构。 网格类型：正方形、矩形、等边三角形、正六边形 1）栅格矩阵结构是一种用矩阵来存储栅格数据单元的存储结构。其占用空间大，需要进行数据压缩。 2）游程编码结构是逐行将相邻同值的栅格合并，合并后栅格的值及合并栅格的数量（即游程），其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。 数据的冗余度： 数据的冗余度： 压缩比：S=m×n/k    （需要借助学会计算） 游程码结构数据结构：起始列数，终止列数，属性编码。 3）四叉树结构。 四叉树是将空间区域按照四个象限进行递归分割n次，每次分割形成2n×2n个子象限，直到子象限中的属性数值都相同为止，该子象限就不再分割。凡属性值都相同的子象限，不论大小，均作为最后的存贮单元。 生成四叉树的方法： 自上而下：先检测全区域，其值不相同时就四叉分割，直到最小栅格或数值都相同为止。 自下而上：按MD码标记的栅格顺序扫描栅格单元，先检测0、1、2、3单元，若4个单元值相同，则合并；反之，作为4个叶节点记录。然后4、5、6、7单元，依次逐层向上，直到最后生成根节点。自下向上扫描栅格单元的顺序代码称为莫顿码。 四叉树的存储方法： 常规四叉树：除了记录叶结点之外，还要记录中间结点。结点之间借助指针联系，每个结点需要用六个量表达，即四个叶结点指针、一个父结点指针和一个结点的属性或灰度值。这些指针不仅增加了数据储存量，而且增加了操作的复杂性。 线性四叉树：每个节点存3个量，MD码，深度和节点值。 5、 元数据。 元数据（metadata）：关于数据的数据。反映某项数据自身的一些特征。 空间元数据：指在空间数据库中用于描述空间数据的内容、质量、表示方法、空间参考和管理方式等特征的数据，是实现地理信息共享的核心之一。 数据标准：欧洲标准化委员会CEN/TC211，美国联邦地理数据委员会FGDC、地球信息技术委员会ISO/TC211 空间元数据的作用：帮助空间数据使用者查询所需的空间信息，进行空间数据的共享，并进一步处理空间数据。 元数据的存储格式为XML格式 。XSL（eXtensible Style sheet Language），一种将XML转换成HTML的语言，一种可以过滤和分类XML数据的语言。 6、 比例尺：表示图上距离比实地距离缩小的程度。 7、 空间查询。 空间数据查询分为：1）简单查询：实体→属性查询、属性记录→查实体；2）复杂查询：（1）针对空间关系的查询。 查询一条公路途经的所有城镇。 （2）针对非空间属性的查询。 查询一个城市的人口数量。 （3）结合空间关系和非空间属性的查询—条件查询。 查询距离某河流的距离在500米之内（空间关系）的面积大于800hm2（空间关系或属性）的耕地（地类属性）地块。 空间关系查询类型：简单的点、线、面实体相互关系的查询有： （1）点—点查询：查询距离某个点实体一定范围内的其他点实体，如查询距离水井1km范围内的所有乡镇。 （2）线—点查询：查询距离某个线实体一定范围内的其他点实体，如查询距离河流1km范围内的所有乡镇。 （3）面—点查询：查询某个面实体范围内的点实体，如查询某行政区域内的所有乡镇。 （4）点—线查询：查询距离某个点实体一定范围内的线实体，如查询距离某乡镇500m范围内的河流。 （5）线—线查询：查询与某个线实体相连的其他线实体，如查询与某河流的干流连接的支流。 （6）面—线查询：查询经过某个面实体的线实体，如查询经过某行政区域的河流。 （7）点—面查询：查询某点实体被包含在哪一个面实体的内部，如查询某乡镇所在的行政区域。 （8）线—面查询：查询某线实体经过的面实体，如查询某河流经过的行政区域。 （9）面—面查询：查询与某面实体相邻的其他面实体，如查询与某行政区域相邻的其他行政区域。 属性数据查询：非空间的信息查询、简单查询、条件查询。 空间属性联合查询：查询条件包括空间位置关系和属性信息，可以分两步：空间查询和属性查询 空间数据库查询语言：是指从空间数据库中查找出所有满足空间约束条件和属性约束条件的地理实体的算法语言。关系数据库查询语言SQL，可以作为属性数据查询语言。 8、数字高程模型（DEM）。高程模型（Digital Elevation Model，缩写）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上规则格网点的平面坐标（X，Y）及高程（Z）的数据集。DEM的格网间隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。根据不同的高程精度，可分为不同类型。为完整反映地表形态，还可增加离散高程点数据。 地形因子的自动提取： ? 坡度计算； ? 坡向分析； ? 曲面面积计算； ? 地表粗糙度计算； ? 高程及变异分析； ? 谷脊特征分析； ? 日照强度的分析； ? 淹没边界的计算。 地表形态的自动分类：拟定地形分类决策表；建立地形类型分类系统；输出地形类型图。 地学剖面的绘制和分析： 建立数字高程模型； 确定地形剖面线的位置； 剖面线交点的内插计算； 地形剖面线及相关地理信息（地质、土壤、土地利用等）的叠加表示和输出。 三、空间数据的分析方法。 1、空间分析基本概念。 空间分析是基于空间数据的分析技术，它是以地球科学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间构成、空间演变等信息。 2、矢量空间分析概念：缓冲区分析、叠置分析、网络分析。 空间叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，将同一地区两个不同地理特征的空间和属性数据重叠相加，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。一般用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域。基于矢量数据的叠合分析：点与多边形、线与多边形、多边形与多边形的叠合分析；基于栅格数据的叠合分析：地图代数 空间缓冲区分析：是围绕空间的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的多边形。 网络分析：对地理网络（如交通网络）、城市基础设施网络（如给水线）进行地理分析和模型化，是网络分析的主要目的，其根本目标就是研究、筹划一项网络工程如何安排、并使其运行效果最好。 3、栅格空间分析：局部运算、邻域运算、分带运算、距离量测运算等。 局部运算：栅格数据分析中的单个单元运算对应栅格单元运算，不涉及位置运算，不受邻域单元影响产生新的栅格地图。 邻域运算：设计一个中心点单元和一组环绕其单元的栅格设计分析技术。 距离量测运算：计算与源单元（制定格网单元）的距离。 分带运算：分带统计就是对于被统计栅格落在分带控制栅格每一个带内的像素，按照某种指定的统计方法进行计算，得出一个新的栅格数据。 四、地理信息系统的应用。 1、常用GIS软件：GoogleEarth，Sougou Map等功能介绍。 GoogleEarth是一款Google公司开发的虚拟地球仪软件，它把卫星照片、航空照相的GIS布置在一个地球的三维模型上。方便用户查询、浏览。 2、结合考生自身专业背景，论述“3S”技术的应用前景。 GPS主要获得单点的3维或4维数据，RS主要获得大面积的图像处理，GIS处理获得数据的平台。 应用：军事、交通、公共安全、城市规划、能源调查、灾害监测和预报等。 3、结合自身的应用，论述下地理信息系统的应用。