地理信息系统（黄杏元版）知识点整理

第一章导论

1、数据：是通过数字化并被记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量的描述事物的特征和状况。不仅数字是数据，而且文字、符号、图像和声音等也可以是数据。
2、信息：是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、现象等的内容、数量和特征，以便向人们提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。
3、数据处理：是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算以及分析、模拟和预测等操作。数据处理的目的在于：把数据转换成便于观察、分析、传输和进一步处理的形式；把数据加工成对正确管理和决策有用的数据；把数据编辑后存储起来，以供后续使用。
4、信息的特点：
（1）信息的客观性。任何信息都是与客观事物紧密相连系的；
（2）信息的适用性。信息对决策是十分重要的，建立地理信息系统的目的就是为生产、管理和决策服务的，因而信息具有适用性；
（3）信息的传输性。信息可以在发送者与接收者之间传输，既包括系统把有用信息传送至终端设备，和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换
（4）信息的共享性。信息与实物不同，它可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。
5、地理信息：
表征地理圈和地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征，联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称。
6、地理信息的特征：
（1）空间特征：地理信息具有空间特征，属于空间信息，其数据是与确定的空间位置联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的一个最显著的标志；
（2）属性特征：地理信息具有属性特征，通常在二维空间的定位基础上，按专题来表达多维即多层次的属性信息，这对地理环境中的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈机器内部的复杂交互作用进行综合性的研究提供了可能性，为地理环境多层次属性数据的分析提供了方便。
（3）时序特征；地理信息具有时序特征，通常可以按照时间的尺度来区分地理信息。要研究地理信息，首先必须把握地理信息的这种区域性的、多层次的和动态变化的特征，然后才能选择正确的手段，实现地理环境的综合分析、管理、规划和决策。
7、地理信息系统：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。
8、对GIS定义的理解：
（1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统；
（2）GIS的操作对象是空间数据；
（3）GIS的技术优势在它他的空间分析能力；
（4）GIS与地理学、测绘学联系紧密。
9、地理信息系统的基本构成
（1）系统硬件
数据处理设备：大型机、图形工作站、个人计算机、服务器
数据输入设备：图形手扶跟踪数字化仪，大幅面图形扫描仪，数据测量设备
数据输出设备：绘图仪、计算机显示器
（2）系统软件
GIS功能软件：GIS基础软件平台，GIS应用软件
基础支撑软件：系统库软件、数据库软件
操作系统（OS）：是计算机系统中支撑应用程序运行环境以及操作环境的系统软件
（3）空间数据
地理信息系统的操作对象是地理数据，它具体描述地理现象的空间特征、属性特征和时间特征。
（4）应用人员
地理信息系统应用人员包括系统开发人员和地理信息系统的最终用户，他们的业务素质和专业知识是地理信息系统工程及应用成败的关键。
（5）应用模型
GIS应用模型是为某一特征实际工作而建立的运用GIS解决方案，其构建和选择也是系统应用成败的因素。
10、地理信息系统的基本功能
（1）数据采集与编辑：数据采集与编辑功能就是把各层地理要素转化为空间坐标及属性对应的代码输入到计算机中，各类数据的转化和输入方法
（2）数据存储与管理：数据库是数据存储与管理的主要技术，地理信息系统数据库是地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。
（3）数据处理和变换：保证数据在入库时在内容上的完整性，逻辑上的一致性。
（4）空间分析和统计：主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系，不仅成为区别于其他地理信息系统的一个重要标志，而且为用户提供了解决各类专门问题的有效工具。
（5）产品制作与演示：其功能主要包括：设置地图范围、投影、比例尺、组织地图要素显示顺序，定义文字字形字号，设置地图的符号的大小和颜色，标注图名和图例，以及图形编辑等
（6）二次开发和编程：用户可以方便地编制自己的地理信息系统应用系统程序，声称可视化的用户界面，完成地理信息系统的各项应用功能的开发。
11、地理信息系统的应用功能
（1）资源管理
资源的清查、管理和分析是地理信息系统应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源利用评价，以及水资源的时空分布特征研究等；
（2）区域规划
城市与区域规划具有高度的综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、金融等因素，但是要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式并不容易，规划人员需要切实可行的、实时的信息，而地理信息系统能为规划人员提供功能强大的工具；
（3）国土监测
利用地理信息系统功能结合多时相懂得遥感数据，可以有效用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等；
（4）辅助决策
地理信息系统利用拥有的数据和因特网传输技术，可以深化电子商务的应用，满足企业决策多维性的需求。
12、数字地球：是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，御用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改变人类活动和生活质量。
13、地理信息系统发展阶段
（1）地理信息系统开拓期（二十世纪60年代）萌芽：这一时期计算机广泛应用，1963年Ronger Tomlinson开拓了世界上第一个地理信息系统即加拿大地理信息系统（CGIS），Tomlinson被誉为地理信息系统之父；
（2）地理信息系统的巩固和发展期（20世纪70年代）计算机发展到第三代，推出了大容量直接存取设备磁盘，而且通过计算机屏幕直接监视数字化操作，ESRI公司开发了著名的Arcinfo软件，这一阶段还先后召开了一系列地理信息的国际学术讨论会；
（3）地理信息系统技术的大发展时期（20世纪80年代）由于第四代计算机的出现，促进了地理信息系统技术提高，先后开发了Arcinfo Genamap Microstation System9等地理信息系统基础软件，1987年美国成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA），地理信息系统开始用于解决全球化问题；
（4）GIS普及时代（20世纪90年代）GIS被认为一种通用的地理信息技术工具被广泛应用，美国前副总统戈尔提出了数字地球的概念；
（5）GIS应用普及阶段（21世纪）：GIS正在走进千家万户，GIS与因特网结合实现了人类社会巨大资源共享，网络GIS、移动GIS逐渐普及。
14、Geomatics：利用各种手段，通过一切途径来获取和管理有关空间基础信息的空间数据部分的科学技术领域。
15、GIS社会的发展趋势：
当前GIS正向集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下发展趋势：
（1)GIS已成为一门综合性技术，GIS不仅与全球卫星定位系统（GPS）、遥感（RS）构成“3S”集成系统，而且与CAD、多媒体、通信、因特网、办公自动化、虚拟现实等多种技术相结合，构成了综合的信息技术；
（2)GIS产业化的发展势头强劲，GIS及其产业化的发展日益受到各国普遍关注，许多基础地理信息数字化产品和大批专业地理科学数字化产品进入市场，GIS已成为信息产业中市场前景广阔，又相对独立的新兴产业；
（3)地理信息网络化已成为当今社会热点，逐步受到关注；；
（4)地理信息科学的产生与发展，GIS已发展到地理信息科学，但学科体系尚未健全，还处在发展阶段。

第二章地理信息系统的数据结构

1、地图投影：将椭圆面上各点的大地坐标，按照一定的数学法则，变换为平面上相应点的平面直角坐标。
2、GIS空间数据的分类：
（1）按数据来源分：地图数据、影像数据、文本数据；
（2）按数据结构：矢量数据、栅格数据；
（3）按数据特征：空间数据、非空间数据；
（4）按几何特征：点、线、面、曲面、体；
（5）按数据发布形式：数字线画图、数字栅格图、数字高程模型、数字正射影像图。
3、4D数据:
（1）数字线画图（DLG）数据：DLG数据是现有地形图要素的矢量数据，保存各要素间的空间关系和相关的属性信息，全面地描述地标目标；
（2）数字栅格图（ＤＲＧ）数据：ＤＲＧ数据是现有纸质地图经计算机处理后得到的栅格数据文件；
（3）数字高程模型（ＤＥＭ）数据：ＤＥＭ数据是以数字形式表达的地形起伏数据；
（4）数字正射影像（ＤＯＭ）数据：ＤＯＭ数据是对遥感数字影像，经逐像元进行投影差改正、镶锲，也是一种栅格形式的数据；
4、空间数据的特征：
（1）空间特征：空间特征是指地理现象和过程所在的位置、形状和大小等几何特征，以及与相邻地理现象和过程的空间关系，包括方位关系、拓扑关系、相邻关系、相似关系等；
（2）属性特征：属性特征是指地理现象和过程所具有的专属性质，通常包括名称、数量、质量、性质等，称为属性数据；
（3）时间特征：时间特征是指一定区域内的地理现象和过程随时间的变化状态，称为时态数据。
5、拓扑关系：是明确定义空间结构关系的一种数学方法，在GIS中它不但用于空间数据的编辑和组织，而且在空间分析和应用中都具有非常重要的意义
6、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；
（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
7、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，就可以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）利用拓扑关系有利于空间要素的查询；
（3）可以利用拓扑数据作为工具，重建地理实体；
（4）保证数字化原始数据的自动查错编辑。
8、空间数据表示的基本方法：
（1）空间分幅：即将整个地理空间划分为许多子空间，在选择要表达的子空间；
（2）属性分层：即将要表达的空间数据抽象成不同类型属性的数据层来表示；
（3）时间分段：将有时间特征的地理数据按其变化规律划分为不同的时间段数据，在逐一表示。
9、矢量数据：是面向地物的结构，即将对于每一具体的目标都会直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。
10、栅格数据：面向位置的结构，平面上的任意一点都直接联系到某一个或某一类地物。但对于某一个具体的实体又没有直接聚集所有信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也不能完整的建立实体之间的拓扑关系。
11、矢量数据结构：是利用欧几里得几何学中的点、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形式。
12、栅格数据结构：基于栅格模型的数据结构，即将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。
13、试比较矢量与栅格数据结构各有什么特征？

矢量数据的特点：a、用离散的点、线、面织成的边界或表向来表达空间实体b、用标识符表达的内容描述空间实体的属性c、描述的空间对象位置明确、属性隐含d、矢量数据之间的关系表示为空间数据的拓扑关系；
栅格数据的特点：a、用离散的量化的网格值来表示和描述空间目标b、具有属性明显、位置隐含的特点c、数据结构简单、易于遥感数据结合，但数据量大d、几何和属性偏差e、面向位置的数据结构，难以建立空间对象之间的关系；

(1)栅格数据结构类型具有属性明显、位置隐含的特点，它易于实现，且操作简单，有利于基于栅格的空间信息模型的分析，而采用矢量数据结构则麻烦得多；
(2)栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率低。因此，对于基于栅格数据结构的应用来说，需要根据应用项目的自身特点及精度要求来恰当的平衡栅格数据的表达精度和工作效率两者之间的关系；
(3)另外，因为栅格数据格式的简单性（不经过压缩编码），其数据格式容易为大多数程序设计人员和用户所理解，基于栅格数据基础之上的信息共享也较矢量数据容易；
(4)矢量数据具有位置明显、属性隐含的特点，数据表达精度较高数据存储量小，较高分辨率，便于进行网络分析，但在多层空间数据的叠合分析比较困难。
14、矢量与栅格数据结构比较：
矢量：优点：a、便于面向实体的数据表达b、数据结构紧凑、冗余度低c、拓扑结构有利于网络分析、空间查询等缺点：a、数据结构较复杂b、软件实现的技术要求比较高c、多边形叠合等分析相对困难
栅格：优点：a、数据结构相对简单b、空间分析较容易实现c、有利于遥感数据的匹配应用与分析缺点：a、数据量大、冗余度高、需要压缩处理b、定位精度比矢量低c、拓扑关系难以表达
15、游程编码结构：是逐行将相邻同值的栅格合并，记录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。
16、游程编码结构能否压缩数据量，主要取决于栅格数据的性质；
17、栅格数据结构：栅格数据结构是指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。凡属性质都相同的子象限，不论大小，均作为最后的存储单元；
18、常规四叉树和线性四叉树的区别：

常规四叉树：常规四叉树每个节点通常存储6个量，即4个子节点指针、一个父节点指针和一个节点值。常规四叉树可采用自下而上的方法建立，对栅格按莫顿码顺序进行检测，这种方法除了要记录叶节点，还要记录中间结点。常规四叉树在处理上简便灵活，而且当栅格矩阵很大，存储和处理整个栅格矩阵有困难的时候，可用常规四叉树存储法；
线性四叉树：线性四叉树每个节点只存储3个量，即莫顿码、深度（或节点大小）和节点值。线性四叉树不需要记录中间结点、0值节点、也不需要使用指针，仅记录非零值叶节点，并用莫顿码表示叶节点的位置。

线性四叉树比常规四叉树节省存储空间；由于记录节点地址，既能直接找到其在四叉树中的走向路径，又可以换算出它在整个栅格区域内的行列位置；压缩和解压缩比较方便，各部分分辨率可不同，即可精确的表示图形结构，又可以减少存储量，易于进行大部分图形操作与运算。
19、Grid规则格网：Grid规则格网通常是正方形，也可以是矩形、三角形等规则网格。规则网格将区域空间切分为规则的格网单元，每个格网单元对应一个数值。数学上可以表示为一个矩阵，在计算机中则是一个二维数组。每个格网单元或数组的一个元素，对应一个高程值。
20、TIN不规则三角网：是将离散分布的数测数据点连接成三角网，网中的每份三角形要求尽量接近等边形状，并保证由最近邻点构成三角形，即三角形的边长之和最小。
21、Grid和ＴＩＮ在表达曲面数据的时候各有什么特点？

Grid规则网格：优点：可以很容易的用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统。它还可以很容易的计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形，使得它成为数字高程模型最广泛的使用格式。缺点：是不能准确表示表面网格所代表的地形的结构和细部；在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余；在不改变格网大小的情况下，又难以表达复杂地形的突变现象。此外，规则格网的数据量通常比较大，给数据管理带来了不便，需要进行压缩存储。如果采用无损压缩难以达到很好的压缩效果，如果要保证压缩效果，只能采用有损压缩，即牺牲了地形的细节信息。
TIN特点：减少了规则格网带来的数据冗余，同时在计算效率和表达精度方面也有其优越性。不规则三角网的数据存储方式比规则格网复杂，不规则三角网与规则格网不同之处是随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，因而它能避免地形平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征。

22、空间数据的分类：是指根据系统功能和国家规范和标准，将具有不同属性或特征的要素区别开来的过程，以便从逻辑上将空间数据组织为不同的数据层，为数据采集、存储、管理、查询和共享提供依据。
23、空间数据的编码：也成特征码，是指将数据分类结果用一种易于被计算机和认识别的符号系统表示出来的过程。

第三章空间数据处理

1、几何纠正：是指对数字化原图数据进行的坐标转换和图形变形误差的改正，以实现与理论上的一一对应关系。
2、几何纠正的方法包括仿射变换，相似变换，二次变换和高次变换等。
3、数据处理包括：
（1）数据变换：是指数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正和地图投影转换等，以实现空间数据的几何配准。
（2）数据重构：指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换、格式转换、类型替换等，以实现空间数据在结构、格式和类型上的统一，多元和异构数据的连接与融合；
（3）数据提取：指对数据进行某种条件的取舍，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以适应不同用户对数据的不同要求。
4、仿射变换：可以对坐标数据在x和y方向进行不同比例的缩放，同时进行扭曲、旋转和平移。特性：（1）直线变换后仍为直线（2）平行线变换后仍为平行线（3）不同方向上的长度比发生变化。
5、地理信息系统常用的地图投影：
（1）高斯–克吕格投影：等角横切椭圆柱投影
特点：①中央经线上没有任何变形，满足中央经线投影后保持长度不变的条件；
②出中央经线上的长度比为1外，其他任何点上长度比都大于1；
③在同一条纬线上，离中央经线越远，变形越大，最大值位于投影带的边缘；
④在同一条经线上，纬度越低，变形越大，变形最大处位于赤道上；
⑤投影属于等角性质，故没有角度变形，面积比为长度比的平方；
⑥长度比的等变形线平行于中央子午线。
（2）墨卡托投影：等角正切圆柱投影
墨卡托投影没有角度变形，由每一点向各方向的长度比相等，它的经纬线都是平行直线，且相交成直角，经线间隔相等，纬线间隔从标准纬线向两极逐渐增大。墨卡托投影的地图上长度和面积变形明显，但标准危险无变形，从标准纬线向两极变形逐渐增大，但因为它具有各个方向均等扩大的特性，保持了方向和相互位置关系的正确。
（3）UTM投影：横轴等角割圆柱投影
该投影将世界划分为60个投影带，带号为1、2、3、…,60连续编号，每带经差6度，经度自180度W和174度W之间为起始带，且连续向东计算，带的编号系统与1:100万比例尺地图有关规定是一致的。
（4）兰勃特投影：等角正轴割圆锥投影
分布规律：①角度没有变形
②两条标准纬线上没有任何变形
③等变形线和纬线一致，即同一条纬线上的变形处处相等
④在同一经线上，两标准纬线外侧为正变形（长度比大于1），而两标准纬线之间为负变形（长度比小于1）。变形比较均匀，变形绝对值也比较小
⑤同一纬度上等经差的线段长度相等，两条纬线间的经纬线长度处处相等。
（5）阿尔伯通投影：正轴等面积割圆锥投影
6、地图投影的方法：
（1）正解变换：通过建立一种投影变换为另一种投影的严密或近似的解析关系式，直接由一种投影的数字化坐标x、y变换到另一种投影的直角坐标X、Y。
（2）反解变换：即由一种投影的坐标反解出地理坐标(x、y→B、L），然后将地理坐标代入另一种投影的坐标公式中（Ｂ、Ｌ→　Ｘ、Ｙ），从而实现由一种投影的坐标到另一种投影坐标的变换（ｘ、ｙ→Ｘ、Ｙ）；
（3）数值变换：在原数据投影公式未知时（包括投影公式难判断时），或不易求的原数据和新数据两投影间解析关系式的情况下，可以采用多项式来拟合它们之间的关系。
７、空间数据结构的转换；
（一）由矢量向栅格的转换：
矢量向栅格的转换处理的根本任务就是把点、线或面的矢量数据，转换成对应的栅格数据，这一过程称为栅格化。栅格化可以针对点、线和面进行，其中，点的栅格化是线和面的基础。
（１）点的栅格化
设矢量坐标点（ｘ，ｙ），转换后的栅格单元行列值为（Ｉ，Ｊ），则有
Ｉ＝１＋［（Ｙｍａｘ—Ｙ）／△Ｙ］
Ｊ＝１＋［（Ｘ－Ｘｍｉｎ）／△Ｘ］
（２）线的栅格化；
线的栅格化可以分解成为对组成折线的每一个线段的栅格化。先使用点的栅格化的方法，栅格化线段的两个端点，然后在栅格化线段中间部分。
当列数差大于行数差的时候，平行于Ｙ轴做每一列的中心线，称为扫描线。求每一条扫描线与线段的交点，按点的栅格化方法将交点转化为栅格坐标；
当行数差大于列数差的时候，平行于Ｘ轴做每一行的中心扫描线，再求每一条扫描线与线段的交点，按点的栅格化方法将交点转化为栅格坐标。
（３）面的栅格化：
基于数据的栅格化：是针对拓扑结构的矢量数据进行栅格化的方法。
基于多边形数据的栅格化：是针对实体结构的多边形矢量数据栅格化的。
方法包括：
内点填充法：首先按线的栅格化方法把多边形的边界栅格化，然后在多边形的内部找一点作为内点，从该点出发，向外填充多边形区域，直到边界为止；
边界代数法：沿着多边形实体的边界环绕多边形一圈，当向上环绕的时候，把边界左边一行中所有的栅格单元都减去属性值，当向下环绕时，把边界左边一行中所有的栅格单元的数值都加上属性值，则多边形外部的栅格正负数值抵消，而多边形内部的栅格被赋予属性值；
包含检验法：对每个栅格单元，逐个判定其是否包含在某个实体多边形之内，若包含在多边形内，则将多边形的属性值赋给该栅格单元。包含检验法实现的关键在于＂点在多边形内”的判定，可以通过检验夹角之和的方法或铅垂线法。
（二）由栅格向矢量的转换
栅格数据向矢量数据结构的转换又称为矢量化。矢量化的目的：一是扫描仪获取的图像栅格数据存入矢量形式的空间数据库：二是将栅格数据进行数据压缩，将面状栅格数据转换为由矢量数据表示的多边形边界。
１、基于图像数据的矢量化方法
①二值化：设以G(i、j）表示第i行第j列的像素灰度值，为将这种256级不同的灰度压缩到2个灰度形成二值图，即0和1两级灰度值，首先要在最大与最小灰度之间定义一个阈值，则根据下式使灰度图像二值化，如
②细化：细化是消除线画横断面栅格数的差异，使得每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线（对面状符号言）位置的单个栅格的宽度。对于栅格线画的细化方法，可分为“剥皮法”和“骨架法”两大类
③跟踪：跟踪的目的是将细化处理后的栅格数据转换为从节点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储线段的坐标。跟踪时，从起点开始，根据八个邻域进行搜索下一个相邻点的位置，记录坐标，直到完成全部栅格数据的矢量化。
2、栅格数据的矢量化方法
其步骤是：首先在栅格数据中搜索多边形边界弧段相交处的节点位置，这些节点通常是相邻栅格单元不相同的属性值个数大于等于3的栅格处。
接着从搜索出的节点里任选出一个作为其实跟踪节点，顺着栅格单元属性值不同的两个栅格单元之间进行多边形边界弧段的跟踪，记录每一步跟踪的坐标，直到另一个节点为止，则完成一条边界弧段的跟踪矢量化。重复上述过程，做到所有的边界弧段都被生成。
最后，将跟踪得到的弧段数据连接组织成多边形。
8、遥感与GIS数据的融合最常用的方法有：
（1）遥感影像与数字线画图（DLG）的融合：经过正射纠正后的遥感影像，与数字线画图信息融合，可产生影像地图。这种影像地图具有一定的数学基础，有丰富的光谱信息与几何信息，又有行政界线和属性信息，直接提高了用户的可视化效果。
（2）遥感影像与数字地形模型（DEM）的融合：数字地形模型与遥感数据的融合，有助于实施遥感影像的几何校正与配准，消除遥感影像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遥感影像的定位精度，同时数字地形可参与遥感影像的分类，改善分类精度。
（3）遥感影像与数字栅格图（DRG）的融合：将数字栅格地图与遥感影像配准叠合，可以从遥感图像中快速发现已发生变化的区域，进而实现空间数据库的自动/半自动更新。
9、解决不同格式数据之间的融合方法
（1）基于转换器的数据融合：在这种模式下，数据转换一般通过交换格式进行，其存在的主要问题是数据转换过程复杂，系统内部的数据格式需要公开等；
（2）基于数据标准的数据融合：这种方法是采用一种空间数据的转换标准来实现多元GIS数据的融合，这种转换方法能处理多个数据集，转化次数少，系统内部的数据格式不需公开，只要公开转换采用的技术即可；
（3）基于公共接口的数据融合：基于公共接口的数据融合模式又称为数据互操作模式。其主要特点是独立于具体平台，转换技术高度抽象，数据格式不需公开，代表着数据共享技术的发展方向；
（4）基于直接访问的数据融合：直接数据访问指一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，用户可以使用单个GIS软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免了繁琐的数据转换，而且在一个GIS软件访问其他软件的数据格式，不要求用户拥有该数据格式的宿主软件，更不需要该软件的运行，这位多源数据的融合提供了更为使用便捷的支持。
10、空间数据压缩：即从空间坐标数据集合中抽取一个子集，使这个子集在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取的尽可能大的压缩比。压缩比是表示信息载体减少的程度。
11、空间数据的内插：设已知一组空间数据，他们可以是离散的形式，也可以是多边形分区数据的形式，现在要从这些数据中找到一个函数关系式，使关系式最好地逼近这些已知的空间数据，并能根据该函数关系式推求出区域范围内其他任意点或任意多边形分区范围的值。
这种通过已知点或多边形分区的数据，推求任意点或多边形分区数据的方法称为空间数据的内插。
12、数字高程模型的建立一般包括数据取样、数据内插和数据精度分析等步骤
（一）数据取样：数据点的选取和坐标的确定。建立数字高程模型，就是要生成按栅格形式排列的地面点高程。
（二）数据内插：
（1）分块内插法：分块内插法是把整个内插空间划分成若干块，并对各分块求出各自的曲面函数来刻画曲面形态。分块内插的关键是要解决各相邻分块函数间的连续性问题。分块内插法分为线性内插法、双线性多项式内插法和二元样条函数内插法等具体的方法。
①线性内插法：线性内插法是先将所有的已知数据点连接成三角网的形式，使用靠近内差点的三个已知数据点，来确定三角网中的一个三角形形成的空间平面，继而求出该内插点在平面中的高程值；
②双线性多项式内插法：双线性多项式内插法常常是在规则分布的已知数据点，使用最靠近内插法的四个已知数据点组成一个四边形，确定一个双线性多项式来内插其中点的高程；
③二元样条函数内插法(双三次多项式）：在分块插值区用双三次多项式即样条函数模拟地表面。
（2)逐点内插法
分块内插法的分块范围在内插过程中一经确定，其形状、大小和位置都保持不变，而逐点内插法则是以插值点为中心，定义一个局部函数去拟合周围的数据点，数据点的范围随插值点位置的变化而变化，因此又称为移动曲面法
①移动拟合法：该方法是指对每一个待插值点p用一个多项式曲面拟合该店附近的表面，从而计算出该点的高程值。
②加权平均法：加权平均法在使用搜索圆寻找附近数据点的方法上和移动拟合法相同，但加权平均法在计算待插值点的高程值时，使用加权平均值代替误差方程求解出的曲面函数
③克里金法：
原理：将被插值的某要素（例如地形要素）可以被当做一个区域化地变量来看待。所为区域化的变量就是介于完全随机的变量和完全确定的变量之间的一种变量，它随所在区域位置的改变而连续地变化，因此，彼此离得近的点之间有某种程度上的空间相关性，而相隔较远的点之间在统计上看是相互独立无关的。
优点：克里金法被认为能产生最优的现行无偏估计，其变量图可以被用来对每一个插值点计算估计的预期误差。
实施过程：首先是利用那些将要用来插值的离散点集合建立一个变量图，变量图通常包含两部分，一个根据实验获得的变量图，另一个是模型变量图，一旦实验获得的变量图计算完成后，就是定义一个模型变量图。其次将变量图用来计算克里金方法中的权重。
分类：普通克里金简单克里金通用克里金
13、区域的内插：
是根据一组多边形分区的已知数据来推求同一地区另一组多边形分区未知数据的内插方法。
主要有叠置法和比重法。P104–105
14、地图投影的实质
是将地球椭球体面上的经纬度线按照一定的数学法则转移到平面上，在地球椭球面和平面之间建立点对点之间函数关系的数学方法。
地图投影分类：
按地图投影的构成方法可分为：
1）几何投影：
方位投影、圆柱投影、圆锥投影
按球面与投影面的几何位置不同分为正轴投影、横轴投影、斜轴投影
2）非几何投影
伪方位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影
按地图投影变形性质可分为：等积投影、等角投影、任意投影。

第四章地理信息系统空间数据库

1、空间数据库：指的是GIS在计算机存储介质上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存储在硬盘、光盘等存储介质中。
2、空间数据库主要是为GIS提供空间数据的存储和管理方法。通常有两种方式：空间数据文件存储管理、空间数据库存储和管理
3、空间数据文件存储和管理的特点：
一个GIS软件可以同时直接使用多个空间数据文件，一个空间数据文件也可同时为多个GIS软件共享；但空间数据存储在不同的文件里造成数据是面向应用的，多个文件之间彼此孤立，不能反映数据之间的联系，易造成数据的冗余和不一致等问题。
4、一个完整的数据库系统应该包括数据库存储系统、数据库管理系统（DBNS）、数据库应用系统三个组成部分。数据库存储系统是按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合，通常是一系列相互关联的数据文件；数据库管理系统是提供数据库建立、使用和管理工具的软件系统；数据库应用系统则是为了满足特定的用户数据处理需求而建立起来的，具有数据库访问功能的应用软件，它提供用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。
5、空间数据管理实现方式从文件发展到数据库主要经历四个阶段，即：
（1）初级式的管理模式：
（2）混合式的管理模式：
（3）扩展式的管理模式（引擎方式）：
（4）集成式的管理模式：
6、空间数据库设计的步骤和内容：
（1）需求分析：即用系统的观点分析与某一特定的空间数据库应用有关的数据集合；
（2）概念分析：把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来；
（3）逻辑设计：空间数据库逻辑设计的任务是把信息世界中的概念模型利用数据库管理系统所提供的工具映射为计算机世界中为数据库管理系统所支持的数据模型，并用数据描述语言表达出来；
（4）物理设计：数据库的物理设计指数据库存储结构和存储路径的设计，即将数据库的逻辑模型在实际的物理存储设备上加以实现，从而建立一个具有较好性能的物理数据库。
7、空间数据库的实现过程：
（1）建立实际的空间数据库结构；
（2）装入试验性的空间数据对应用程序进行测试，以确认其功能和性能是否满足设计要求，并检查对数据库存储空间的占有情况；
（3）装入实际的空间数据，即数据库的加载，建立起实际运行的空间数据库
8、空间数据库的运行和维护主要工作：
（1）维护空间数据库的安全性和完整性，需要及时调整授权和密码，转储及恢复数据库；
（2）检测并改善数据库性能，分析评估存储空间和响应时间，必要时进行数据库的在组织；
（3）增加新的功能，对现有功能按用户需要进行扩充；
（4）修改错误，包括程序和数据。
9、当前最为普遍的概念模型是语义数据模型和面向对象数据模型。
最常用的语义数据模型之一是实体–联系模型（E–R模型），E—R模型为数据库分析设计人员提供三种主要的语义概念：实体、联系、属性。
实体：实体是对客观存在的起独立作用的事物的一种抽象，在E—R模型中，用矩形符号代表实体；
联系：联系是实体间有意义的相互作用或对应关系，一般可以分为一对一的联系，一对多的联系和多对多的联系三种类型。联系在E—R图中用菱形符号表示；
属性：属性是对实体和联系特征的描述。属性用一个椭圆形表示
10、采用E—R模型进行数据概念设计的步骤：P117
（1）设计局部的E—R模型；

（2）设计全局的E—R模型：

（3）全局E—R模型的优化：

11、消息：是对象与对象之间相互联系、请求、协作的途径；
12、类：是对一组对象的抽象描述，它将该组对象所具有的共同特征集中起来，以说明该组对象的能力和性质；
13、继承：继承是现实世界中对象之间的一种独特关系，是指一个对象直接使用另一个对象的属性和方法；
14、重载：一个类中的方法与另一种方法同名，但参数表不同，这种方法称为重载；
15、多态：是指同一个消息可以根据发送消息对象的不同采用多种不同的行为方式；
16、概括：是把一组具有相同特征和操作的类归纳在一个更一般的超类中；
17、聚集：聚集反映了锲套对象的概念，锲套对象是由一些其他对象组成的，它用来描述更高层次对象的一种形式；
18、关系：关系是一个二维表，表的每行对应一个元组，表的每列对应一个域；
19、关键字：关系中的某一属性组，若它的值唯一的标识了一个元组，则称该属性组为候选关键字；
20、关系模式：关系的描述称为关系模式，它包括关系名、属性名、属性向域的映射、属性间的依赖关系。
21、关系数据模型设计理论的三个主要部分：数据依赖、函数依赖、范式
（1）数据依赖：是通过一个关系中属性间值的相等与否体现出的数据间的相互关系；
（2）函数依赖表征一个属性或属性集合的值对另一个属性或属性集合的值得依赖性；
最基本的函数依赖是主关键字决定关系模型中的非关键字；

完全函数依赖
传递函数依赖
多值依赖

22、范式：由于关系的属性之间存在着多种多样的函数依赖特性，当用关系模式表达时，一些不良的语义特性就可能造成数据存储的冗余及由此造成的数据操作的异常，所以提供了必须遵循的一些规范化形式，简称范式。
(1)第一范式（１ＮＦ）：指数据库表的每一列都是不可分割的基本数据项，同一列中不能有多个值，即实体中的某个属性不能有多个值或者不能有重复的属性。第一范式是一个关系模式所要遵循的最基本的条件；
(2)第二范式（2ＮＦ）：第二范式是指关系在满足１ＮＦ的基础上，每一个非主属性完全函数依赖于该关系的关键字；
(3)第三范式（３ＮＦ）：第三范式是在满足第二范式的基础上，其非关键字属性既非函数依赖，也不传递依赖于关键字，即属于３ＮＦ的关系，其非关键字属性之间都是独立的，不存在函数依赖关系；
(4)ＢＣ范式（ＢＣＮＦ）：它是指如果关系模式Ｒ是第三范式，且没有一个非关键字属性是完全函数依赖于其他的非关键字属性，是关系模式Ｒ称为扩充第三范式的模式，即ＢＣ范式模式。
23、E—R图向关系模型转换的规则是：一个实体类型转换成一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的关键字就是关系的关键字；一个联系类型转换成一个关系模式，参与该联系的各实体的关键字以及联系的属性转换成关系的属性。
24、空间数据库的物理设计：是从一个满足用户信息需求的、已确定的逻辑数据结构（即逻辑模型）出发，研制出一个有效地，可实现的物理数据库结构（存储结构和物理模型）的过程。物理设计包括结构设计、约束和应用设计等。
25、空间索引：就是依据空间实体的位置和形状或空间实体之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构。
常见的空间索引有范围、格网和四叉树等。
（1）范围索引：即在记录每个空间实体的坐标时，同时记录每个空间实体的最大和最小坐标；
（2）格网空间索引：将区域划分成大小相等的网格，记录每个网格内所包含的空间实体在数据库中的地址；
（3）四叉树索引：将区域进行若干层次的划分，每个层次的划分是将上一个层次划分得到的每个区域分成四个相等的子区域，判定空间实体包含在哪一个层次的那一个子区域中，则用子区域的编码来记录空间实体，这样就形成了一个四叉树的空间划分。
26、空间元数据：是指在空间数据库中用于描述空间数据的内容、质量、表示方式、空间参考和管理方式等特征的数据，是实现地理空间信息共享的核心标准之一。
空间元数据的主要作用是帮助空间数据的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。
27、时空数据系统或数据处理技术，其内容可表现在以下三个主要方面：
（1）空间时态数据的表达：空间时态数据表达的目的在于建立空间时态一体化数据模型。它涉及时间标志、时态版本的标识、空间变化的类型的定义、空间拓扑与时态拓扑、空间时态数据的存储结构，以及存储策略等内容；
（2）空间时态数据的更新：空间时态数据的更新研究空间数据更新的类型、操作方法，更新对时空数据库中空间和时态拓扑的影响，以及拓扑重建等问题；
（3）空间时态数据的查询：空间时态数据的查询探讨空间时态数据的各种跟踪算法，多维信息的复合、分析、可视化等。
时空一体化数据模型：时间片快照模型、底图叠加模型、时空合成模型

第五章空间分析的原理与方法

1、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、数字地形模型分析P147
3、空间叠合分析：指在相同的空间坐标系统条件下，将同一地区两个不同地理特征的空间和属性数据叠合相加，以产生空间
4、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。
5、基于矢量数据结构的叠合分析
（一）点与多边形的叠合
点与多边形的叠合是通过确定一个点状空间特征中的点落在另一个多边形空间特征中的那一个多边形内，以便为每个点赋予新的多边形属性；
（二）线与多边形的叠合
是通过确定一个线状空间特征中的线经过另一个多边形空间特征的那个多边形，以便为线赋予新的多边形属性；
（三）多边形与多边形的叠合
指将两个不同的多边形空间特征数据相重叠，产生新的多边形特征数据，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的分析、地理特征的动态变化分析，以及图幅要素更新、区域信息提取等。
通常有以下5种叠合方式：
（1）union：将两个多边形空间特征中的各个多边形进行对比，若是所在区域相互覆盖，则把多边形切割成重叠的小多边形，每个小多边形包含两个空间特征的全部属性数据；
（2）Intersect：输出数据为保留原来两个输入多边形的共同部分；
（3）Identity：输出数据为保留其中一个输入多边形的为控制边界之内的所有多边形；
（4）Erase：输出数据为保留其中一个输入多边形为控制边界之外的所有多边形；
（5）Update：输出数据为一个经删除处理后的多边形与一个新特征多边形。
6、基于栅格数据的叠合分析：
基于栅格数据叠合分析的特点是（1）参与叠合分析的空间数据为栅格数据结构；（2）栅格数据的叠合算法可以有多个空间特征数据参与分析，而不像矢量叠合分析只能在两个空间特征数据之间进行（3）栅格叠合分析虽然数据占用存储量比较大，但是运算过程比较简单

栅格叠合分析的条件：要具备两个或多个相同地区的相同行列数的栅格数据，栅格单元的大小也相同。栅格叠合分析的结果是一个新生成的栅格数据，其中的每一个栅格的数值都是由参与计算的原栅格数据计算得到的。
7、空间邻近度分析
通常有空间缓冲区分析和voronoi多边形分析
（1）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；
（2）Voronoi多边形：即泰森多边形，它采用了一种极端的边界内插方法，只用最近的单个点进行区域插值，泰森多边形按数据点位置将区域分割成子区域，每个子区域包含有一个数据点，各子区域到其内数据点的距离小于任何到其它数据点的距离，并用其内数据点进行赋值。
Voronoi多边形原理：是根据离散分布的已知数据点对研究区域进行划分，使得划分成的多边形覆盖整个研究区域，形成一个voronoi图，且每一个多边形仅包含一个已知数据点，则可以用该已知数据点的数据来表达和分析该多边形内的所有其他数据点，所以，voronoi多边形分析常常用于空间插值计算。
Voronoi多边形的特征：所有的voronoi多边形都是凸多边形；voronoi多边形的顶点是相邻已知点构成的三角形外接圆的圆心；所有这些外接圆的内部不包含已知点。
8、delaunay三角网：即由狄洛尼三角形组成的三角网，它是在地形拟合方面表现最出色的三角网，因此常被用于TIN的生成。狄洛尼三角形由三个最邻近的点连接而成，这三个相邻点对应的voronoi多边形有一个公共的顶点，此顶点同时是狄洛尼三角形外接圆的圆心。
9、空间网络分析：是指依据网络拓扑关系，通过考察网络元素的空间及属性数据，以数学理论模型为基础，对网络的性能特征进行多方面研究的一种分析计算。
10、Dijkstra算法以及其在GIS最短路径分析中的应用：
Dijkstra算法是按照路径长度递增顺序产生各顶点的最短路径。算法过程：设最短距离已确定的顶点集合称为红点集，最短距离尚未确定的为蓝点集。1）按路径长度递增顺序产生各蓝顶点的最短路径2）在当前蓝点集中选择一个距离最小的蓝点来扩充红点集，以保证算法按路径长度递增顺序产生各顶点的最短路径；3）每扩充一个蓝点到红点集中，则剩余的蓝点的路径按照新加入的红点作为中间顶点进行修正，一旦加入新红点是的蓝点路径长度最短，则用变短的路径代替原来的蓝点路径长度，重复以上过程；4）直到所需求的蓝点已扩充到红点集时，算法结束。
作用：1）选择要进行计算的两点结点2）对这两个结点进行联通分析，即采用宽度优先搜索方法，来快速判断这两个结点是否联通，也就是确定是否存在计算最短路径的必要，若联通则进行；3）调用dijkstra算法，计算两个结点之间的最短路径4）进行对计算出来的最短路径树进行优化处理后，生成最终的最短路径树，输出并推出。

第六章地理信息系统的应用模型

1、应用模型建模的步骤包括：①明确分析的目的和评价准则②准备分析数据③空间分析操作④结果分析⑤解释、评价结果⑥结果输出（地图、表格和文档）

第七章地理信息系统的设计与评价

1、应用型GIS根据其应用层次的高低，又可分为空间事务处理系统（STPS)、空间管理信息系统（SMIS）、空间决策支持系统（SDSS）
2、应用型GIS的设计，大致分为四个主要阶段，即系统分析，系统设计，系统实施，系统运行与维护。
3、如果系统设计按阶段进行，预先规定每一阶段的开发目标和任务，然后按照一定的准则顺序开发实施，这种方法称为生命周期设计方法。
生命周期设计法的特点：由于生命周期法严格分阶段进行，便于开发工作的组织管理；系统开发过程比较长；新系统实际效果的可见性差；来自最终用户的反馈比较迟；不容易把握用户需求的变化。
４、原型化设计法：就是根据用户提出的需求，由用户与开发人员共同商定其中重要和基本的开发目标，然后选择一个试验区，设计出初步方案，在较短时间内开发出一个能满足用户基本需求的初步原型和系统雏形，交用户试用，经过一段时间的运行后，根据用户意见对原型加以修改或扩充，产生一个新的原型版本，如此反复和迭代，最后形成一个比较完善和质量较高的应用型ＧＩＳ。
５、原型法和生命周期法相比较，原型法能使用用户更积极地参与新系统的设计和实现，能使开发人员及时获得用户的反馈意见，能更快地看到系统的实际效果，能使系统开发的风险降到最低限度。但一般认为，当用户对于新系统的功能需求十分明确时，系统设计可直接采用生命周期法，而不应该采用原型法，以利于开发经费和开发时间的控制。
６、系统分析：其基本思想是从系统观念出发，通过对事物进行分析和综合，找出各种可行的方案，为系统设计提供依据。它的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案。
７、系统设计
（1）总体设计：又称逻辑设计，其任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，说明它们在整个系统中的作用和相互关系，以及确定系统的软硬件配置，规定系统采用的技术规范，并做出经费预算和时间安排，以保证系统总体目标的实现。最后撰写系统总体设计方案，作为重要的技术文件提供论证和审批。
总体设计的主要内容包括：
用户需求、系统目标、总体结构、系统配置、数据库设计、系统功能、经费和管理
（2）详细设计：又称实际设计，其任务是根据总特设计方案确定的目标和阶段开发计划，紧密结合特定的硬件、基础软件和规范标准，进行子系统和数据库的详细设计，用于具体指导系统的开发。
详细设计的主要内容：
子系统设计、数据库设计、功能模块设计、用户界面设计

第八章地理信息系统产品的输出设计

1、GIS产品的表现形式有那些？
按输出的类型分类1）常规地图（是印刷在纸张、塑料薄膜等材料载体上的，是GIS产品的重要输出形式）2）数字地图（一种新的以计算机为储存和显示载体的地图形式）
按输出的内容和形式分类：1）全要素地形图（在内容上通常全面表达水系、地貌、植被、居民点和独立地物等地理要素，采用统一坐标系统地图投影和分幅编号，比例尺系统，以及统一的编制规范和图式符号，属于国家基本比例尺地形图）2）各类专题地图（突出表现一种或者几种自然或社会经济要素的地图）3）遥感影像地图（及时提供准确，综合大范围的各种资源环境数据，称为GIS重要数据源之一）4）统计图表和数据报表
2、RGB颜色模型：ＲＧＢ颜色模型是工业界的一种颜色标准；通过对红（R)、绿（G)、蓝（Ｂ）三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色，称为加色法；这种标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色，是目前运用最广的颜色系统之一
3、ＣＭＹＫ颜色模型：以红、绿、蓝的补色青（ｃｙａｎ）、品红（ｍａｇｅｎｔａ）、黄（ｙｅｌｌｏｗ）为原色再加上黑色（ｋｅｙ）构成的颜色模型；ＣＭＹＫ颜色模型中的三种颜色是通过从白光中减去某种颜色来规定的；青色、洋红和黄色又称为颜料的三原色，黑色是用于直接生成灰度，而不用ＣＭＹ的等量混合；ＣＭＹＫ是专门针对印刷业设定的颜色标准。
4、二维图形变换
二维图形变换类型主要包括比例、旋转、平移、观察变换等。
（１）比例变换：比例变换就是将平面上任意一点（ｘ，ｙ）的横坐标放大或缩小Ｓ１倍，纵坐标放大或缩小Ｓ２倍；
（２）旋转变换：旋转变换就是将平面上任意一点（ｘ，ｙ）绕原点旋转ａ角，通常角度逆时针方向为正，顺时针方向为负。
（３）平移变换：平移变换是将平面上任意一点（ｘ、ｙ）沿ｘ方向移动ｔｘ，沿ｙ方向移动ｔｙ，其变换公式为ｘ１＝ｘ＋ｔｘ，ｙ１＝ｙ＋ｔｙ。
（４）观察变换：观察变换就是把用户坐标系中指定窗口内的图形映射到屏幕上的视图区的过程。
５、面状符号的制图方法和步骤：
①根据制图要素专题内容的数据序列和制图目的，进行专题数据的统计分析和分级；
②建立与专题数据分级结果相对应的制图单元的多边形边界数据文件；
③确定晕线参数，包括晕线方向、密度、强度和结构等
④提取制图区域的一个原始多边形边界文件，其坐标数据（ｘｉ，ｙｉ），ｉ＝１,２,３···，Ｎ。ａ、左边变换；ｂ、确定各条晕线与多边形边界线的交点ｃ、晕线交点的整理ｄ、晕线的配对和输出。
６、虚拟现实：也称为虚拟环境或人工现实，是一种由计算机生成的高级人机交互系统，即构成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知环境，演练者通过专门的设备可在这个环境中实现观察、触摸、操作、检测等试验，有身临其境之感。