地理信息系统重点总结

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数据：是一种未经加工的、能定性或者定量描述事物的、以多种方式存在的原始记录、原始资料。如：数字、文字、图形、符号等。

地理数据：是对地理特征和现象间关系的数字化表达；是表示地理位置、分布特点的自然现象和社会现象的诸多要数文件；具有空间位置、属性特征、时间特征三大基本要素。

信息：用数字、文字、符号等介质表示事物、现象的内容、数量和特征，展示现实世界中新的事实和知识。

地理信息：是地理数据所表达的地理含义；是对地理实体的性质、特征和运动状态的表示；是对地理特征和现象间关系的一种解释；是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、性质、分布、联系和规律的数字、文字、图形、符号等总称；具有空间分布、数据量大、载体多样性三个特征

地理空间：地理学上：指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及时间上的延续；是地球表面及近地表空间；是地球上大气圈、水圈交互作用的区域。GIS中：分为绝对空间（由空间坐标值组成的具有属性描述的实体空间位置的集合）和相对空间（由空间关系组成的具有空间属性特征的实体集合）

地理信息系统：是一种重要的空间信息系统、是一种决策支持系统；是在计算机软件、硬件的支持下，对有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示、和描述的技术系统。它处理管理的对象是空间实体数据及其关系，包括定位、图形、遥感、图像、属性数据等，用于分析处理各种地理现象和过程，从而解决复杂的地理规划和管理的问题。

地理信息科学：基于信息科学和地球系统科学，集成了3S、数字通信网络、计算机制图、VR、多媒体等技术与一体的科学技术体系，是一种新型交叉学科；由三部分组成：地理信息学（主体）、地球信息技术（手段）、全球变化和区域可持续发展（应用）

（附：它更侧重将地信作为一门科学，除了研究地信实现技术，还对支撑技术发展的基础理论进行研究；主要研究处理、储存、管理分析地理数据过程中出现的而一系列问题；）

GIS的功能：基本功能：数据采集与输入（获取空间数据；实现扫描数据的自动化编辑和处理，是最基本的功能）、处理（数据的检验-空间、属性、时间特征；数据编辑-位置、属性的修改和调整；数据转换-结构、格式、坐标的转换）、集成（数据储存和组织管理；空间位置及属性数据的组织）、分析（简单的空间查询、检索、统计、计算；空间分析和模型分析）、输出（数据产品的制作与显示；将数据制作成表格、报告、统计图、地图；软件输出；硬件拷贝；数字电子文件输出）；应用功能：位置（地理对象在什么位置、在特定位置有什么）、条件（符合条件的对象有哪些，在哪里）、趋势（解决对象随时间变化而变化的问题，预测未来）、模式（总结归纳方法，解决一系列的问题）、模拟（系统若具备某个条件会发生什么事）

GIS的内涵：物理外壳是计算机化的技术系统，由数据采集、数据管理、图像处理等若干个子系统组成；操作对象是空间数据即有三维要素的地理实体和地理现象，它的最根本的特点是每个数据都按统一的地理坐标进行编码；技术优势在于数据综合、模拟与分析评价的能力，实现地理空间过程演化模拟和预测；与测绘学和地理学有密切的关系：GPS和遥感技术提供不同比例和精度的定位数据成为实时的信息源、地理学是GIS的理论依托，GIS是地理学的主要工具和手段。

GIS特征：数据的空间定位特征-是区别其他系统的本质特征，不仅包含属性、时间特征，而且还有空间位置特征；复杂的空间关系；海量数据的管理能力-包括本身的地理数据以及空间分析过程中产生的新的数据；时序性强-对数据、信息及时更新，了解最新状况；多维性-三维、四维等

GIS发展特点：多学科结合紧密，应用更加广泛-3S、5S集成使得测绘制图、管理、决策相互融合，成为分析决策的工具；与多媒体技术融合-改善GIS的数据采集、处理及成果的表达输出的效能基于互联网的WebGIS是现今主流空间数据基础设施建设：空间数据服务体系和标准体系建设、数字地球空间数据框架进入GIS的空间信息网络和云计算时代GIS操作更具有互操作性，更简单化，应用朝着更加开放化、网络化、可视化的方向发展实现GIS多源数据信息共享数据实现跨平台操作

GIS构成：硬件系统-实际物理装置的总称，包括输入设备（数字化仪、扫描仪、键盘鼠标、GPS、全站仪）、处理（服务器、工作站）、储存（硬盘、光盘）、输出设备（绘图仪、打印机）；软件系统-GIS软件（数据库管理软件、图像处理软件）、其他软件支撑、应用分析程序（开发人员用于某种特定应用任务的程序）；地理空间数据-是GIS的操作对象和管理内容；系统管理人员和用户-用于维护、开发、组织、管理、更新系统，决定了系统的工作方式和信息表达的方式

GIS（地理信息）共享：是地理信息的而社会化应用，是信息开发部门、用户、信息经销部门之间以一种合理稳定规范的关系共同使用地理信息及相关的而服务机制

GIS数据共享及其方式：

不同行业/部门/地方/计算机的用户能读取他人数据进行各种操作运算和分析，共享程度越高、信息发展的水平越高

数据格式转换模式-通过数据交换程序、工业实际标准、国家空间数据交换格式三种途径将其他数据转化为通用数据格式；数据互操作模式-不同用户、应用程序及计算机系统能共享信息，是OGC制定的规范；直接数据访问-实现对其他软件数据格式的直接访问，存取多种数据

OGC：是开放地理空间信息联盟，一个非营利性的组织；是一个引领地信标准及定位服务发展的国际标准化组织，通过制定地信标准、规范，促进新技术，提高信息处理互操作性。

GML：地理标识语言，由OGC提出，能储存/表示空间/属性数据；是可扩展的标记语言在地理空间信息领域中的应用

LBS：基于位置的服务；它通过无线电通讯网络或外部定位方式获取终端用户的位置信息；是一种GIS支持下的增值业务

IDW：反距离权重插值-基于相近相关的原理，认为距离越近对插值点的影响就越大，其影响随着距离的增加而减小。它是局部插值的一种方法，用于估算某点未知数值或者局部变化。

UML：统一建模语言。是支持模型化和软件系统开发的图形化语言，提供模型化和可视化支持。包括由需求分析到规格，由构造到配置。

（地理）空间数据：是以地球表面空间位置为参照对象的自然、社会和人文景观数据；可以是图形、图像、表格、文字等形式通过数字化仪、扫描仪、键盘或其他通信系统输入GIS，是系统应用程序作用的对象；是GIS 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。包括三类数据：几何坐标-标识地理实体的空间位置；拓扑关系-表示点、线、面实体间的空间联系；非几何属性数据-与地理实体相联系的地理变量

GIS与其他学科之间的关系：地理学-研究对象一致，以地域为单元研究人类环境的结构、功能以及人地关系；地理学中空间分析是GIS的核心；地理学是理论依托，为GIS提供引导空间分析的方法和观点。测绘学-为GIS 提供高精度的空间数据；其相关理论（误差理论、地图投影、图形学理论）直接用于数据处理，保证空间数据的精度和质量。计算机-GIS是计算机技术和地理空间数据结合的产物；为GIS的组织、编目、储存、检索、维护提供信息模型、信息结构和数据管理的方法论依据，使得空间数据在计算机中表示出来。数学-数学的分支学科（几何学、统计学、拓扑学等）应用于GIS空间数据分析。如：数字地形模型分析、缓冲带分析、路径和网络分析

GIS与相关技术之间的关系：RS技术-丰富、实时的宏观信息；可靠、快速的数据源。GPS技术-取代常规大地测量完成定位工作。计算机制图技术-为地信的时空分布和产品输出提供先进手段。

GIS的应用：测绘与地图制图-改变了地图数据获取和成图的技术流程；缩短了地图的成图周期；提高了地图的成图精度；丰富了地图的品种。资源管理-汇集多源数据，通过统计和分析，按多种边界和属性条件，提供多种条件组合形式的资源统计和原始数据的再现。城乡规划-归并统一城乡规划数据信息，进行空间分析、划分经济区、调整工业布局等。灾害监测-运用GIS和遥感数据，预测预报森林火灾，监测洪水灾情、病虫害和土壤干旱，为灾害评估、预测、急救提供决策支持。国防军事-用于战场模拟，自动影像匹配和自动目标识别，实时战场数字影像处理。精细农业-定量获取影响作物生长的因素，生成空间差异性信息，运用科技调控，均衡利用资源潜力。电子商务-最节约成本的物流路线的选择，最经济的物流仓储中心的选址。

GIS功能实现的过程：（1）直接或间接获取数据（2）对数据进行编辑处理，得到结构化数据（3）建立空间数据库来管理这些数据，并实现空间查询、分析、检索等功能（4）将符合用户要求的数据进行展示或制成产品并将其输出。

对GIS的理解：（1）从系统的角度：是以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，提供多种空间的和动态的信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。（2）从学科的角度：它是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴交叉学科，属于空间信息科学，跨越地理学、数学、计算机科学（3）从应用的角度：它是一种服务。从为用户获取和处理数据，到空间分析和应用系统开发，从常规的测绘与制图、资源管理邻域，到商业、城市管理等邻域，只要和位置有关，均可称为GIS服务对象。

地理坐标系：是一种球面坐标系，以参考椭球面为基准面，用经度、纬度、高度表示位置；坐标系的确定包括选择一个椭球，对椭球进行定位，确定大地起算数据。一个形状、大小和定位、定向都已确定的地球椭球叫做参考椭球。参考椭球确立，地理坐标信息确立。

地图投影：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与地图上相对应的平面直角坐标之间一一对应的函数关系。地图投影的变形分为长度、面积角度变形。

高斯投影：是横轴墨卡托投影，属于横轴切圆柱等角投影。为了减小变形误差，进行三度(从东经1度30分开始自西向东每三度分为一带)、六度分带（从0度子午线开始）；是我国基本比例尺地形图的数学基础，适用于幅员广阔的地区

高斯投影的特点：中央经线没有变形长度比为1，其他任何点长度比大于一；同一纬线上，离中央经线越远，变形越大；同一条经线上，纬度越低变形越大，变形最大在赤道上；长度比的等变形线平行于中央子午线；角度无变形，面积比为长度比的平方。

墨卡托投影：正轴等角圆柱投影。即假想一个与地轴方向一致的圆柱切或者割于地球，按等角条件，将经纬网投影到圆柱面上，将圆柱面展开为平面即是。常用于航海图和航空图

UTM投影：通用横轴墨卡托投影，是横轴割圆柱等角投影，圆柱割地球于南纬80度，北纬84度两条等高圈上，两条割线无变形，离割线越远变形越大。割线以内，长度变形为负值，以外是正值。主要用于军用地图和地球资源卫星所用的遥感数据，我国的卫星影像资料常采用此投影。

兰伯特投影：等角正轴割圆锥投影。特点是无角度变形、两条标准纬线无变形、两条纬线之间经纬线长度处处相等，。适用于中纬度地区中小比例尺地图、东西半球和分洲图，我国1：100万地形图采用此投影。

空间数据的类型：（1）几何图形数据：来源各种类型的地图和实测数据，不仅反映地理位置，还反映实体间的空间关系。（2）影像数据：主要来源于卫星/航空遥感数据和摄影测量。（3）属性数据：来源于实测数据、文字报告以及从遥感影像数据通过解译得到的信息。（4）地形数据：来源于地形图等高线的数字化，已建立的格网状的数字化高程模型或其他形式的地形表面（如TIN）（5）元数据：对空间数据进行推理、分析、总结得到的关于数据的数据。如数据来源、数据权属、数据精度/分辨率、元数据的比例尺。

拓扑关系：又叫实体间的空间相关性，指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系。即用结点、弧段、和多边形所表示的实体间的邻接（空间图形中的同类元素间的拓扑关系）、关联（不同元素间…）、包含关系（同类但不同级元素之间的…）。具体说，地图上的拓扑关系指图形在保持连续状态下的变形（平移、旋转和拉伸）但图形关系不变的性质。

特点：确保数据质量和完整性；可强化GIS分析；拓扑结构复杂；维护、修改、储存工作量大；对于地理空间数据的编码、录入、格式转换有意义，是GIS特色之一

拓扑关系的意义：（1）不需要利用坐标或者距离，确定一种空间实体相对于另一种实体的位置关系。反映实体间的逻辑结构关系，比几何数据有更大的稳定性，不随地图投影的变化而变化。（2）有利于空间要素的查询（3）重建地理实体，例如根据弧段构建多边形，实现道路的选区和最佳路径的选择等。

元数据：对空间数据进行推理、分析、总结得到的关于数据的数据。如数据来源、数据权属以及数据产生的时间（这是对元数据中数据集的描述）、数据精度/分辨率、元数据的比例尺（对数据质量的描述）、地理空间参考基准、集成方法、数据转换方法（对于数据处理信息的说明）。

元数据的作用：（1）管理维护空间数据，挖掘组织空间信息，建立数据文档、数据目录、数据交换中心，保证对数据情况的更新了解。（2）提供有关数据生产单位数据储存、数据分类/内容/质量/交换网络及数据销售方面的信息，便于查询检索地理空间数据。（3）提供查询检索的方法途径，以及数据交换和传输有关的辅助信息。（4）帮助用户了解数据，判断是否满足其需求。（5）提供有关信息，便于分析、处理和转换有用的数据。（6）数据储存及功能实现：实现数据库设计及资源利用的合理分配，避免重复储存，高效查询检索数据。

为什么在地理信息系统中使用元数据：（1）完整性：面向对象的地理信息系统和空间数据库的目标之一，是把事物的有关数据表示为类的形式。（2）可扩展性：有意地延伸一种计算机语言或数据库特征地语义是很有用途地。（3）特殊化：继承机制是靠动态链接操作请求和操作体来实现的，语言及数据库以结构化和语义信息地关联文件方式把操作请求传递给操作体，而这些信息可通过元数据表达。（4）安全性：分类完好的语言和数据库都支持动态类型检测，类的信息表示为元数据，在系统运行时，可以被类检测者访问（5）查错功能：在查错时使用元数据，有助于检测可运行应用系统的解释和修改状态。（6）浏览功能：为数据的控制类开发浏览器时，为显示数据，要求能解译数据的结构，而这些信息是以元数据来表达的。（7）程序生成：如果允许访问元数据，则可以利用关于结构的信息自动生成程序。

空间数据挖掘（SDM）：从空间数据库中提取隐含的、用户感兴趣的空间/非空间的模式和普遍特征，空间数据/非空间数据的普遍关系的过程。挖掘的方法有：空间关联分析（不同空间关联规则：距离关系、拓扑关系、空间方位）、聚类（包括划分聚类、层次聚类，基于密度/网格/模型的聚类）/分类（包括判定树归纳分类和贝叶斯分类）/趋势分析；统计方法。

空间数据质量：空间数据是有关空间位置、专题特征和时间信息的符号记录，数据质量是空间数据表达这三个基本要素时所达到的准确性、一致性、完整性以及三者间相统一性的程度。影响空间数据质量的因素：误差、精度、不确定性、比例尺、空间分辨率等。

数据质量的特点/产生误差的原因：（1）质量问题的来源：数据是对现实世界的抽象表达，因现实世界的复杂性和模糊性及人类认识及表达的局限性，表达只能一定程度上接近真值，所以，一定会发生数据质量问题（2）处理过程中：因用户知识水平、理解能力的不同，空间数据处理导致质量问题。（3）使用过程中：缺少数据说明文档，如：数据来源、投影类型、数据定义及产生的时间，导致随意使用和扩散。

空间数据质量评价指标：（1）数据情况的说明：对数据的来源/内容及处理过程做出准确、全面及详尽的说明。（2）定位精度：为实体的坐标数据和实体真实位置的接近程度，表现为空间三维坐标数据精度。（3）属性精度：实体的属性值和真值相符的程度。（4）时间精度：数据的现势性，通过数据更新的时间和频度来表现。（5）逻辑一致性：指地理数据关系的可靠性，包括数据结构/内容、及拓扑性质上的一致性。

数据误差：反映数据与真值或者公认真值之间的差异，是一种数据准确性的表达方式。包括源误差、操作误差及传播中误差

遥感数据误差：此误差累积过程可以区分为数据获取误差（包括几何误差或辐射误差、遥感平台误差，这些是可控的，有些是不可控的）、数据预处理误差（预处理包括几何校正、图像增强和分类等，例如几何校正会引起平面位置误差-取决于校正模型的逼近和校正模型参数求解时所用控制数据中的误差；专题误差-来自重新采样。）、数据转换误差（在矢量-栅格数据转换过程中。引起矢量数据栅格化的误差主要原因有属性概括误差和拓扑匹配错误）、人工判断误差（发生在数据分析和判读阶段，这种误差是主观的，难以量化）。

空间数据的类型：从几何上可分为点、线、面数据，从其表示的内容可分为7个类型。（1）类型数据：如考古地点、到路线、土壤类型（2）面域数据：如多边形的中心点、行政区域界线（3）网络数据：道路交点、街道、街区（4）样本数量：如气象站、航线（5）曲面数据：如高程点、等高线（6）文本数据：如地名、河流名称和区域名称（7）符号数据：如点状符号、线状符号和面状符号。

空间数据误差的来源：（1）源误差：包括数据年代、数据的空间覆盖范围、地图的比例尺、观测的密度、数据格式、数据的可访问性、数据与用途的一致性，具有明显、易探测的特征。（2）由自然变化或者原始测量引起的误差：包括位置误差、属性误差2质量和数量方面的误差、数据偏差、输入输出错误、观测者偏差，具有不明显、难测定的特征。（3）GIS处理过程引起的误差：包括计算机字长引起的误差、拓扑关系引起的误差、逻辑错误、地图叠置操作、分类与综合引起的误差、分类方法/间隔及内插方法，具有复杂、难探测的特征。

空间数据质量控制方法：（1）传统手工方法：将数字化数据与源数据进行比较，图形部分的检查包括目视方法，绘制到透明图上与原图进行叠加比较，属性部分的检查采用与原属性逐一对比方法。（2）元数据方法：元数据包含了数据质量信息及处理过程中出现的质量变化。（3）地理相关法：用地理特征要素/自身相关性分析数据质量，可建立地理特征要素相关关系的知识库，以备各数据层要素的相关分析。（4）地图符号化：以符号库为基础，结合解释规则把抽象的地图数据转换成符号图形的过程，设计有利于目标识别和理解的符号方案，满足数据质量检查的要求。（5）空间分析方法：比如空间统计分析方法，利用小概率事件的原理，可以找出属性数据输入中存在的错误。

地图符号：是地图的图解语言，是用来沟通客观世界、制图者、用图者，传输地图信息的媒介，是表达地图内容的基本手段。在GIS中，它是指在地图上对制图对象的空间分布、数量、质量、等特征进行可视化表达的标志，具体包括：点、线、面符号。地图符号由形状、尺寸、颜色这三个要素构成。具有的特征：综合抽象性、系统性、约定性、时空性、传递性。

空间数据质量控制的内容包括：（1）有准确定义的数据字典，说明数据的组成、各部分的名称、所表征的内容。（2）保证数据逻辑科学地集成，如植被数据库中不同亚类的区域组合成大类区，要求数据按照一定的逻辑关系有效组合。（3）有足够的说明数据来源、数据的加工处理过程、数据解译的信息。

数据结构：即数据的组织形式，是适合于计算机储存、管理和处理的数据逻辑结构。对于空间数据而言，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。同一组数据，按照不同的数据结构处理得到的是不同的内容，它是地理信息系统沟通信息的桥梁。

镶嵌数据结构：是基于连续铺盖的思想，利用规则或不规则的小面块集合来逼近自然界不规则的地理单元，小面块之间不重叠且能完整铺满整个地理空间。根据面块形状，可分为规则和不规则镶嵌数据结构。

栅格数据结构：是以栅格阵列表示的最简单直观的空间数据结构。原理：将地球表面划分为大小均匀、紧密相邻的网格阵列。每个网格叫像元，由行列号定义。网格中代码表示像元属性或量值或指针。它表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。

矢量数据结构：是对矢量数据模型进行数据的组织。记录实体坐标及其关系，表示点、线、多边形等地理实体。几何图形及其关系用文件方式组织；属性数据采用关系型表文件记录，二者通过实体标识符连接。它具有数据精度高、储存空间小等特点，是一种高效的图形数据结构。可分为实体数据结构、拓扑数据结构。

栅格数据的获取方法：（1）目读法（在专题图上均匀划分网格，逐一决定代码，形成栅格数字地图文件）；（2）数字化仪（手扶或自动跟踪数字化地图，得到矢量数据后再转化为栅格数据）；（3）扫描数字化（逐点扫描专题地图，将扫描数据重采样，再编码得到栅格数据文件）；（4）分类影像输入（将分类解译后的遥感影像数据直接或重采样后输入系统，作为栅格数据结构的专题地图）

（栅格数据）重采样：实质是给栅格重新划分行列号并确定各像元的值。需要将输出栅格的每个像元中的坐标往回转换到输入栅格的坐标系统之下，根据其在输入数据中的位置附近的像元值来确定输出像元的值。重采样方法有：最邻近法；双线性内插法；立方卷积法

栅格单元（像元属性）的确定：中心点法（位于栅格中心处的地物类型决定其属性，用于联系分布特性的地理现象）；面积占优法（占矩形区域面积最大的地物类型作为其代码）；重要性法（选择最重要的地物类型作为栅格单元代码。常用于有特殊意义但面积较小的点状、线状地理要素，如城镇、交通线、水系）；百分比法（根据区域内地理要素所占面积的百分比）

栅格数据压缩编码方式：（1）链式编码：记录线状/面状地物的边界，由某一起点开始按某方向确定的单位矢量链，基本方向定义为:东=0，东南=1，南=2，西南=3，西=4，西北=5，北=6，东北=7 （2）游程长度编码：是无损压缩的方法，编码方案是：只有在各行或者各列数据值发生变化时，依次记录该值和相同值重复的个数，实现数据的压缩。它的特点是压缩效率高、易于检索、叠加、合并、运算简单，适用于机器存储量小、数据需求量大的压缩，避免复杂的编码解码运算。（3）块状编码：采用方形区域作为记录单元，，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行列号）、半径和单元代码组成。特点：一个多边形包含的正方形越大，多边形边界越简单，块状编码的效率就越好，对于大而简单的多边形更有效，对于碎部较多的多边形效果不好；在合并、插入、检查延伸性、计算面积方面由操作性。（4）四叉树编码：将一幅栅格地图划分为四个部分，逐块检查灰度。如果某子区的所有格网值都具有相同的值，则子区将不在划分，否则将该子区再分割成四个子区，直到每个子块只含有相同属性值为止。

树状表示：划分为2nx2n栅格阵列，不足的0补充，n为极限分割次数，按照左上、右上、左下、右下的顺序分割。

线性四叉树：只储存叶节点信息，包括位置、深度、本节点属性。叶节点编号（地址码）遵循一定的规则，隐含其位置和深度，常用的地址码为莫顿码。他的优点是：压缩效率高、解压方便；阵列各部分的分辨率不同；易于图形操作和运算。缺点是：不利于形状分析和模式识别（包括图形编码不定性和同一形状大小多边形得出不同效果的四叉树编码。

常规四叉树：记录叶结点和中间结点，节点之间借助指针联系。每个结点有6个表达量：四个叶结点指针、一个父结点指针和一个结点属性。这些指针增加了数据储存量还增加了操作的复杂性。主要用于数据和图幅的索引。

矢量数据编码的方法：（1）实体式：指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单位进行组织，对点、线、面单独编码并记录坐标的一种数据结构。它编码容易、数字化操作简单、数据编排直观。但缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系；相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余储存，导致公共边界出现间隙；岛只作为一个单个图形，没有建立与外界多边形的联系。适用于简单的系统，如计算机地图制图系统。（2）索引式：此结构采用树状索引来减少数据冗余、增加邻域信息。方法：对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式储存，由点索引和边界线号相联系，以线索引和各多边形相联系，形成树状索引结构。它消除了相邻多边形边界数据冗余和不一致的问题，但在邻域函数计算、消除无用边、处理岛状信息及检查拓扑关系方面比较困难。（3）双重独立编码：是双重独立式的地图编码法，以城市街道为编码的主体，特点是采用了拓扑编码结构；节点之间、面域之间为邻接关系，结点与线段或者面域和线段之间为关联关系；利用这种拓扑关系组织数据，进行数据储存正确性检查，便于对数据进行更新和检索。（4）链状双重独立式：是双重独立编码的改进。在此结构中，主要由四个文件组成：多边形文件（主要有多边形记录组成，包括多边形号、组成多边形的弧段号、周长、面积、中心点坐标及有关“洞”的信息等）；弧段文件（主要由弧记录组成，储存弧段的起止结点号和弧段左右多边形号）；弧段坐标文件按（由点的位置坐标组成，从数字化过程中获取，数字化的顺序确定了弧段的方向）；结点文件（由结点记录组成，储存每个结点的结点号、结点坐标及与该结点连接的弧段）

栅格矢量数据结构优缺点比较：

栅格数据的优点-矢量数据的缺点：（1）结构简单，易于算法实现-结构处理算法复杂（2）空间数据的叠置和组合容易，利于遥感数据的匹配应用和分析-叠置分析与栅格图组合难，数据模拟困难（3）各类空间分析，地理现象的模拟较容易-空间分析复杂，需要更复杂的软、硬件。（4）输出方法简便，成本低廉-显示与绘图的成本高

矢量数据的优点-栅格数据缺点：（1）结构紧密、冗余度小、数据量小-图形数据量大，用大像元减少数据量时，精度和信息量受到损失。（2）拓扑关系清晰，易于网络分析-难以建立空间网络连接关系（3）不仅能表达属性编码，而且能记录每个目标的具体的属性描述信息。（4）能实现图形数据的恢复、更新和综合（5）图形显示质量好，精度高-图形数据质量低，地图输出不精美且投影变化困难

矢量数据向栅格数据结构的转换：（1）点的转换：点落在哪个网格中就属于那个网格元素。（2）线段的转换：输入多个点，形成折线（3）多边形数据的转换：采用左码记录法。原理：有一闭合多边形，将整个矩形面域分割成属性为1和0两部分。步骤：a:从第一个起点依次记录每一点左边面域的属性值，面域外为0，面域内为1；b：对多边形每一条边进行线段栅格化。C:结点处理：使结点的栅格值唯一且确定。D：排序:从第一行起逐行按列的先后顺序排序，此时的数据结构等同于栅格数据压缩编码的结构形式。E：展开为全栅格数据结构。

栅格数据向矢量数据结构的转换：为了将栅格数据的分析结果，通过矢量绘图装置输出，同时也为了数据压缩的需要。主要目的使将自动化仪获取的栅格数据加入矢量形式的数据库。1、基于图像数据的矢量化方法：（1）二值化：按0-255不同灰度值压缩到0、1两级。（2）细化：消除线化横断面栅格数的差异，使每一条线只保留代表其轴线或周围轮廓线位置的单个栅格的宽度。细化的方法可分为“剥皮法”（其实质是从曲线的边缘开始，每次剥掉等于一个栅格宽的一层，最后留下彼此连通的由单个栅格点组成的图形）、骨架法。（3）跟踪：目的是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从结点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式储存在特征栅格点中心的坐标。2、基于再生栅格数据的矢量化方法：（1）边界线追踪：对每个边界弧段，由一个边界节点向其他七个方向的另一节点搜索，直到连成边界弧段。（2）拓扑关系生成：对于矢量表示的边界弧段，判断其与原图上各多边形的空间关系，形成完整的拓扑结构，建立与属性数据的联系。（3）去除多余点及曲线圆滑：去除多余点记录减少冗余，采用一定的插补算法进行光滑处理（常用线性迭代法、分段三次多项式插值法、正轴抛物线平均加权法、样条函数插值法），消除由于栅格数据引起的锯齿效果。

矢栅一体化数据结构：把两种数据结构的有点结合起来，利于地理空间现象的统一表达。原理：面状实体的边界采用矢量数据结构描述，将线所经过的位置以栅格单元进行填充；点实体同时描述其空间坐标以及栅格单元的位置。其理论基础包括：多级格网法（将栅格划分为粗格网、基本格网和细分格网）、三个基本约定（为了使栅格数据有矢量的特点。点状地物仅有空间位置，仅有一个坐标数据；线状地物有形状无面积，在计算机中需要组织一组元子填满的路径表达；面状地物有形状和面积，由一组元子表达的填满路径的边界线和内部的区域组成）和线性四叉树编码。

TIN：不规则三角网，又叫曲面数据结构，是一种矢量数据。常用于数字地形的三维建模和显示，如构造数字地面模型和数字高程模型；用于描述三角形及其邻接关系，适用于需要面相邻关系的操作和分析。思想是用一系列连续的三角形模拟地表或其他不规则表面。它的数据组织和储存方法：a：将三角形作为空间对象，将它与相邻的三角形和顶点进行拓扑连接；b：把三角形顶点作为空间对象，将它与其他顶点相连接。

TIN构建原理与准则：原理：（1）将不规则分布的高程点描述为一个无序的点集，点集中母点有它的高程值，将点集转成TIN，用Delaunay三角网法。（2）特性：网形唯一，网外边界构成点集凸多边形外壳；三角形外接圆内部无任何点；它是最接近于规则化的三角网。准则：（1）空外接圆准则（2）最大最小角准则-在相邻两个三角形组成的凸四边形中，它们的最小角大于交换对角线后形成的两个三角形的最小角。（3）最短距离：一点到基边两端的距离最短。（4）张角最大：一点到基边张角最大（5）面积比最小：三角形面积和周长平方之比最小。（6）对角线：凸四边形的对角线之比超过给定的限值，则优化三角网。

TIN优缺点：优点：（1）充分利用地貌的点、线、面表示复杂地形（2）根据不同地形选区合适的采样点数，且采样点的位置控制三角形顶点。（3）便于地形分析和绘制立体图形。（4）三角形大小随点密度变化而变化，点越密三角形越小，拟合精度越高。

缺点：（1）数据结构复杂，不便于规范化和管理（2）难以与矢量和栅格数据联合分析。特点：（1）根据区域的有限个点集划分是三角形面网络（2）数字高程由连续的三角形面组成，测点的密度和位置决定三角形的形状和大小，既可以避免数据冗余，又能表示数字高程特征，广泛用于各种GIS软件中。

泰森多边形：又叫voronoi图，是用不规则的小面块来逼近和模拟自然界不规则地理单元的一种方法。采用了一种极端的边界内插方法，只用最近的单个点对区域进行插值。原理：按数据点位置将区域分割成子区域，每个子区域包含一个数据点，各子区域到其内数据点的距离小于任何到其他数据点的距离，并用内数据点进行赋值。特征：（1）多边形的边垂直于相邻样点的连线（2）多边形内的任何位置离内样点的距离最近，离相邻内样点的距离最远（3）每多边形只有一个内样点。 应用：（1）可用于邻近、统计、定性分析等。如：用离散点的性质描述多边形区域的性质；离散点数据计算区域的数据。（2）用于地理空间现象及空间分析问题，如：邻接、接近度和最近点的问题。

八叉树结构：是二维栅格数据中四叉树在三维空间得到推广。表示的三维空间按XYZ三个方向分割成八个立方体，每个立方体再八等份划分，直到每个立方体被同一个目标所充满或者没有目标或大小已成为预先定义的不可再分的体素为止。优点：实现交、并、差等集合运算；便于消除隐线、隐面。

三维边界表示法：通过顶点位置、构成边的顶点及构成面的边来表示三维物体的方法。三张表：顶点表-各顶点坐标；边表-某边的两个顶点；面表-某面的各条边。其中，边、面表用指针方法指出边点存放的位置；属性特征（颜色、纹理）单独存放，避免重复表示、节省空间。

数据库的主要特征：数据集中控制；数据冗余度小；数据独立性；复杂的数据模型；数据保护特征

数据组织分四级：（1）数据项：是可以定义数据的最小单元，也叫元素、字段（2）记录：由相关联的数据项组成。（3）文件：是全部具体值的集合（4）数据库：是数据组织，是具有特定联系的数据集合。

数据库组织方法：（1）混合结构：两个子系统分别储存、检索空间、属性数据，二者通过标识符联系，属性数据在RDBMS中，几何储存在空间数据管理系统中。（2）扩展结构：用同一DBMS储存空间、属性数据；利用空间数据管理层将GeoSQL转为标准的SQL，借助索引数据辅助决策，实施空间索引。（3）统一数据模型：是综合数据模型，在开放型DBMS上扩展空间数据的表达功能。

地理数据库建立流程：（1）数据准备：空间图形数据准备；属性数据采集；图形与属性数据综合（2）初始建库：建库前准备；建地理数据库；建立数据库结构（3）修改编辑（4）调试运行，地理数据库形成

空间数据库：是按一定规则储存在计算机上，某区域内关于一定地理要素特征的数据综合

地理数据库建立的过程：（1）考虑数据库要实现的功能和所需要的数据（2）定义数据库中实体间的复杂关系（3）确定数据表现方式（点、线描述矢量特征；栅格表示连续发生的事件）（4）定义离散特征的几何类型，指定几何要素间的关系并且定义其属性。（5）组织成地理数据集，定义对象拓扑关系及关系内在约束。

空间索引：（1）是一种依据一对象的位置和形状或空间关系并且按一定顺序排列的数据结构。（2）是空间数据库和GIS的一个关键性技术（3）其优劣直接影响空间数据库与GIS的整体性能

网络模型：它反映实体间的复杂关系。特征：结点数据间没有明确的从属关系，一个结点可与其他多个结点建立联系。优点：一定程度上支持数据重构，有数据的独立性和共享特性且运行效率高。缺点：网状结构复杂，用户查询和定位困难；网状数据操作命令具有过程式性质；不直接支持对于层次结构的表达

关系数据模型：根据数学概念建立起来的，把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表。实体信息及实体间联系表现为二维表，一个表就是一个关系。实体是由干个关系组成，关系表的集合。优点：（1）表现方式简单、灵活，便于维护和使用（2）有数学代数基础，将关系分开、合并、使数据操作有高度的灵活性（3）数据关系对称性。缺点：（1）数据重构相当费时，实现效率不高。（2）描述对象语义能力弱（3）不直接支持层次结构（4）数据可扩充性差（5）模拟和操作复杂对象的能力弱。

空间概念模型、逻辑数据模型和物理数据模型是空间数据模型的三个抽象层次。概念模型：是地理空间中地理事物与现象的抽象概念集，是地理数据的语义解释，它是抽象的最高层。逻辑数据模型：是GIS描述概念数据模型中实体及其关系的逻辑结构，是系统抽象的中间层。它是用户通过GIS看到的现实世界地理空间。此模型的建立既要考虑用户易理解，又要考虑易于物理实现，易于转换成物理数据模型。物理数据模型：是概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制。

数据组织：是对空间数据的统筹安排与协调。按照区域来组织：可以是行政辖区，一定经纬差形成的地理区域；按照实体间不同特征、相似特征、不同实体的组合特征来分类，表明各要素间的隶属关系；组织各要素的属性、空间特征、用标识符建立空间和属性特征数据间关系。

数据编码：用于表明实体要素在分类分级中的隶属关系和属性的一种数据化方法。编码由主码（表示实体元素类别）和子码（实体标识和描述）组成，子码又分为识别码（标识唯一实体元素）和描述码（进一步描述实体元素性质。

数据压缩：从所选的的数据集合中，抽出子集作为新信息源，使得该子集中恢复出来的信息与原始数据一致，有一样的使用品质。在规定精度范围内，逼近原集合得到尽可能大的压缩比。目的是“删除冗余数减少储存量。优点是：处理速度块，由尽可能多的节省空间，分为矢量、栅格数据压缩。

SDE：空间数据库引擎，是一种GIS产品或模块，是指通过解决空间数据与应用程序之间的数据接口，从而将空间图形数据存放到大型关系数据库进行管理。它的特点是支持超大型数据集；高性能的空间数据提取；支持多种硬件平台；灵活的开发应用环境和安全控制机制。

面向对象模型：是一种基于抽象的模型，允许设计者在基本功能上选择最为适用的技术。是面向对象程序设计方法与数据库技术结合的产物。用于支持非传统应用领域对数据模型提出的新要求。内容主要有对象（空间及属性数据以及一切对实体有意义的操作函数统一体）、对象类（同类对象的集合）、消息（对象间的相互联系和通信的唯一途径）、方法（对一个类定义的所有操作）。

面向对象模型的核心技术：分类（相同属性结构和操作方法的对象集合在一起）、概括（把几个类中具有部分公共特征的属性和操作方法抽象出来形成更有一般性的超类的过程）、聚集（几个不同类的对象组合成一个更高级的复合对象的过程）、联合（将同一类对象中的具有部分相同属性的对象组合起来，形成更高水平的集合对象的过程）

面向对象数据模型的核心工具：继承（是面向对象方法独有的，服务于概括）、传播（作用于聚集和联合的工具、描述复合对象对成员对象的依赖性并获得成员对象属性的过程，具有强制性的特点）

面向对象数据模型的特点：（1）充分利用现有数据模型的优点，如可以把矢量、栅格数据结构统一为一种高层次的实体结构。（2）可扩充性（3）可模拟操纵复杂对象（4）抽象性：通过概念判断推理反映本质，将对象抽象成对象类、揭示对象内部联系（5）封装性：对象间通信通过消息进行直接相互作用（6）多态性：相同的操作可作用于多种对象得到不同的结果

地图：是一种传统的描述形式，是现实世界的模型；按照一定的数学规则（比例、投影）将现实世界进行科学的概括；通过符号系统缩小表达在载体之上，是传递空间信息的工具；它反映自然、社会现象的多维信息、空间分布、组合联系及在时空中的变化。它的优点是具有可量测、一览直观性；缺点是介质的缺陷（多为纸质地图，不易保存）、现势性差、更新周期长；先需要投影转换才能对不同地图投影的地图数据进行交流。一幅完整的地图至少包括以下三个要素：图形要素（它是地图的主体、核心内容，是各种地理要素的符号化表达，如符号、注记等）、数学要素（根据一定的数学法则所构成的地图要素，包括地图投影、坐标系统、比例尺、测量控制点等内容。）、辅助要素（它是为了便于读图和用图而在图形外侧设置的要素，包括图名、图例、符号、接图表等）

地形图：是地表起伏形态和地物位置、形状在水平面上的投影图，是地貌形态的传统描述方法，主要是通过等高线来表达地面的高度和地表起伏状况。

数字地图：是以数字形式表示的地图；在一定坐标系统内具有确定的坐标和属性的地面要素和现象的离散数据。存储并显示在计算机之上概括有序的集合。

电子地图：是数字地图和GIS软件结合的产物，是在电子屏幕上显示的可视化地图，又叫屏幕地图；包括虚拟、动态、交互、交融地图；以地图数据库为基础，储存在硬盘、光盘之上，又称磁盘地图；依托GIS对地图实现输入、查询、分析、输出。

电子地图优点：（1）信息负载大：可通过设置图层显示的比例尺范围，提高地图的信息负载量。电子地图数据库内容形式多样（图形、图像、文档、统计数据）；可与视频、音频信号相连接；数据类型和数据量的可扩展性比较强（2）检索方便；多种数据类型、多个窗口可以在同一屏幕上分层、实时、动态显示；用户界面友好、广泛的可操作性。（3）信息的储存、更新及通信方式简便。（4）进行动态模拟，便于定性和定量分析，有较强的灵活性。（5）缩短地图集生产周期、降低成本。（6）与输出设备连接、将电子地图的多种信息制成硬拷贝。

电子地图的应用：（1）导航电子地图：它以GPS为定位工具，实现地图定位和可视化，并结合GIS的网络分析的功能构成完整的导航工具。（2）多媒体电子地图：它用图、文、生三者结合的方式为用户提供不出门也能看世界的功能，它随时可以调看其他地方的景色图片。（3）网络地图：是指在万维网上浏览、制作和使用的地图，不仅利用动画的手段实现地图的动态变化，还能使地图的内容实现动态更新。（4）地形图：给电子地图形式的地形图配上空间数据可视化的功能，逼真地显示三维地形图。（5）遥感电子地图：遥感数据被指作为电子地图，在此基础上叠加矢量化数据，不仅能使遥感电子地图具有缩放功能，还可以显示注记。

专题地图：根据专业需要，突出反映一种、多种主题要素或现象且表示特定专题信息的地图；反映自然、社会现象中一个或几个方面的特征；是满足专业部门特殊需要的地图；使得地图内容专题化，用途专门化。内容包括自然地图、政治经济地图、其他专题地图（如物种分布图、疫情扩散图）

专题地图的特点：（1）内容主题化：选择性显示，将相关联的要素详细地显示，其他要素概略。（2）内容前沿化：专题地图取材广泛，不仅有能见到地和能测量的自然/社会现象，而且还有不能见到和测量地现象。（3）功能多元化：不仅表示现象的现状和分布关系，还能表示现象的动态变化和变化规律。（4）表达形式多样化：由于用途和编制特点的不同，专题地图可采用多种多样的图形。

专题地图表示方法：主要分为统计表方法（表示定量分类专题信息）和非统计表方法（定量、定性主题信息）常用的有（1）分级统计图：反映统计资料的分布特性，指出某种现象分布的强弱，使用相对值的指标。（2）图表统计图：采用直方、圆饼、柱状统计图表示某区域内数量结构特征的图形。（3）定位统计图：把某些点的统计资料用图表形式绘制在地图相应位置，表示某种专题要素的变化。（4）质底（色底）专题图：反映制图区域分布现象的质量属性特征，是符号化的定性数据专题地图。（5）等级符号图：用大小不同的点符号表示某种专题属性的强弱，根据属性数值，按照某种运算法则计算与字段值相应的点符号大小。

如何制作专题地图：（1）前期准备：收集地图、统计、及影像资料。（2）地图设计：选择投影，明确比例尺，规定图幅范围，进行图面规划和绘制设计略图。（3）底图、专题要素的选取与处理：要素选取、图片扫描预处理、符号化（4）图幅整饰：包括图框设计、图名、图例、比例尺、文字说明、附图等。（5）地图输出：借助打印机或绘图仪或将地图转换成通用格式的图像PDF文件。

地图注记：是指地图上所有的文字和数字的总称，它是地图内容的重要组成部分，用来表示事物的名称、质量、数量等属性特征或是对制图对象进行文字说明。地图注记组成要素有：字体、字形、字号、颜色、位置、方向、间隔、注记内容和注记的排列方式。地图注记的种类有：名称注记（说明各种事物的专有名称，如地名、路名）；说明注记（说明事物的种类、性质或特征）；数字注记（说明事物的数量特征，如高程、路宽、人口数量）

空间数据的数据源：地图数据、遥感影像数据、统计数据（如人口、自然资源、国民经济等方面的统计资料）、实测数据（GPS定位数据、地籍测量数据）、数字数据（数字图形数据和属性数据）、各种文字报告和立法文件

空间数据采集方式：（1）属性数据（实体特征数据）采集：有时直接记录在栅格或矢量数据文件中，有时单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码和图形数据相互联系。（2）图形数据采集：野外数据采集；地图数字化（手扶跟踪数字化；扫描矢量化；摄影测量方法；遥感图像处理）

空间数据的编辑和处理：数字化误差检查和编辑；图像纠正；格式转换；投影变换；空间索引；图像解译；图幅拼接；

生成累计最小成本栅格的步骤：它是一个从源像元开始的迭代的过程。（1）将源像元的累计成本赋值为0，并激活与源像元相邻接的像元，根据连接状况及其成本计算方法，计算每个活动像元的最低累计成本值。（2）选出上一步活动像元集中累计成本值最小的像元，先将其值赋予输出的成本栅格数据中同位置的像元，并将其从像元集中剔除，再将它的相邻像元补充进入活动像元集中，计算其最低累计成本。（3）重复第二步，循环迭代，直到所有的像元均已赋予最低累计成本。

低通滤波是一个平均型滤波，窗口中九个像元等量加权，因为低通滤波算子的权重总和为1，因此可确保数据平滑后各像元值的总和保持不变。高通滤波：是一个边缘增强型滤波，它去掉数据中的低频变量并使不同区域之间的边界突出出来，由于高通滤波算子的权重总和为0，因此边缘增强后栅格数据中各像元值的总和为0

地形图纠正：（1）四点纠正法：根据选定的数学变换函数，输入需要纠正地形图的图幅行号、列号、地形图比例尺、图幅名称等，生成标准图廓，分别采集四个图廓控制点坐标来完成。（2）逐网格纠正法：在四点纠正不能满足精度要求的情况下使用的。不同点在于采样点数目的不同，它对每一个方里网，都要踩采点。一般先采源点（需纠正的地形图），后采目标点（标准图廓），先采图廓点和控制点，后采方里网点。

数字化误差（空间数据输入误差）：（1）空间数据的不完整和重复，包括点、线、面数据的丢失或重复、区域中心点的遗漏、栅格数据矢量化时引起的断线（2）空间数据位置的不准确，包括点位的不准确、线段过长或过短、线段的断裂、相邻多边形结点不重合（3）空间数据比例尺的不准确（4）空间数据变形（5）空间属性和数据连接有误（6）属性数据不完整

误差检查的方法：（1）叠合比较法：是数字化正确与否的最佳检核方法，按与原图相同的比例尺把数字化的内容绘制在透明材料上，然后与原图叠合在一起，仔细观察比较。（2）目视检查法：目视的方法检查明显的数字化误差和错误。（3）逻辑检查法：如数据拓扑一致性的检验，将弧段连接成多边形 ，进行数字误差的检查。

图像纠正：建立要纠正的图像和标准地形图或正射影像之间的变换关系。主要方法有：仿射变换、双线性变换、平方、双平方、立方变换、四阶多项式变换。

图像纠正的原因：（1）受地形图介质及存放条件的影响（2）工作人员的操作（3）遥感影像本身存在的几何变形（4）由于所需地图图幅的投影与资料投影不同（5）扫描时，由于受扫描仪幅面大小的影响，需将一副地形图分成几块扫面，从而保证地形图或遥感影像在拼接时的精度。

投影变换：当所使用的数据取自不同地图投影的图幅时，将一种数字化数据转换为所需的投影坐标数据。有正解变换（将数字化坐标xy转变为直角坐标XY）、反解变换（由一种投影的坐标反解出地理坐标，再将其带入到另一种投影的坐标公式中，实现一种投影坐标向另一种投影坐标的转换）、数值变换（根据若干同名数字化点，采用插值法或有限差分法，最小二乘法，实现一种投影坐标向另一种投影坐标的转换）

空间索引：依据空间对象的位置、形状、空间关系，按照一定顺序排列的一种数据结构此数据结构介于空间操作算法与对象之间。其性能直接影响着空间数据库和地信整体性能。其内容包括空间对象的概要信息，如对象的标识和外接矩形及指向该空间对象实体的指针。

空间数据拼接（将空间相邻的数据拼接成一个完整的目标数据）的过程：（1）数据准备：将待拼接的多个数据进行几何纠正或投影变换等空间调整，使具有正确的空间坐标。（2）数据合并：将相邻数据合并成一个数据（3）边缘匹配处理

边缘匹配处理的步骤：（1）对接合处邻接点的空间坐标进行调整（一般需要进行端点捕捉）（2）当邻接同名点位置差异较小时，可以以一侧的邻接点为基准，调整另一侧邻接点坐标；若位置差异较大，则将两侧的点都往中间位置进行调整。（3）必要时，对邻接点两侧一定范围的坐标做适当调整，使相连的线能够过渡自然。（4）对接合处同一要素的属性进行检查，确保其逻辑一致性。（5）对相邻的要素合并，使其成为一个整体。具有相同属性的多边形合并后将删除其公共边界。

空间插值：是一种由点数据生成面数据的表面创建方法，它利用离散的已知点数据来估算其他未知点数据以生成连续曲面。分为整体内插和局部内插。1、整体内插：（1）边界内插：假设重要变化都发生在边界上，边界内部变化均匀。用于土壤和景观制图。（2）趋势面分析。整体内插的优点是：全局光滑连续的曲面，充分反映出宏观地形特征。缺点是整体内插函数不稳定、解算速度慢、不能提供内插区域局部地形特征。2、局部内插：（1）最近邻点法：泰森多边形，只用最近的单个点进行区域插值。（2）反距离权重法IDW（3）样条函数插值：利用数学方法产生通过一组已知采样点的整体曲率最小的平滑曲线曲面，并依据这些估算每个待插点上的属性数据。样条函数是分段函数，每次只与少数点拟合，保证曲线连接处连续，可修改少数点配准，但不可直接估算其误差。（4）克里金插值：结合地理统计思想，用随机表面描述连续性变化的空间属性。将预测的结果和概率联系在一起，既能生成预测面，又可以给出预测值的误差。3、逐点内插：以内插点为中心，确定一个范围，用范围内的采样点计算插点的高程，其范围的大小、形状、位置随内插点的位置的变动而变动，其本质仍为局部插值。

空间查询：从数据库中找出满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象，是地信的基本功能之一，也是GIS进行高层次分析的基础。可分为属性查询、图形查询、空间关系查询。

图形查询：是一种常用的空间数据查询，用户只需利用光标，用点选、画线、矩形、圆或其他不规则工具选中感兴趣的地物，就可以得到查询对象的属性、空间位置、空间分布以及其他空间对象的空间关系。包括：点查询、矩形或圆查询、多边形查询。

空间查询方法：（1）基于空间特征的查询（2）属性查询（3）图形查询（4）空间关系（相邻、包含、相关的拓扑关系、顺序空间关系、度量空间关系）查询：包括拓扑查询、缓冲区查询（5）符号查询

空间数据查询的过程：（1）直接复原数据库中的数据以及所含信息，回答人么提出来的较为简答的问题（2）通过一些逻辑运算完成一定约束条件下的查询（3）根据数据库中现有的数据模型，进行有机地组合，构造出符合模型，模拟现实世界的一些现象的结构、功能，回答较为复杂的问题。

距离量算：数据分析中由欧氏距离（自然距离）-指两个像元中心点之间在欧氏平面上的距离和成本距离（成本加权距离）-两点之间累计成本最低的距离两种。包括：质心量算、几何量算、形状量算。地球旋转椭球体上不同的距离度量方法：（1）欧几里得距离（2）曼哈顿距离（3）时间距离（4）词典距离

空间索引种类：（1）格网索引：思想是将区域用横竖线条划分为大小相等、不等的格网并记录每个格网所包含的空间实体。应用：空间查询时，先查询对象所在的格网，再查询格网中的实体，加速了查询的速度。（2）BSP树索引：实质是二叉树索引，将空间目标逐级一分为二。优点是适应空间对象的额分布情况，缺点是深度大，不利于空间操作，空间利用率低。（3）KDB树索引：是BSP树索引向多维空间的扩展，优点是对多维空间的点进行动态索引，便于删、增空间点，缺点是不支持占据一定时间范围的空间对象。（4）四叉树索引：以区域为目标循环分解对象，可按照区域的边界、区域内部对二维空间划分。在储存对象的空间区域时，分割定长或不定长区域，连续铺盖分解区域。此索引的优点是划分无重叠，通过规则快速找到所在的行列；确定分辨率；判断简单的空间实体关系。缺点是树的深度大，空间利用率低；结构复杂，维护困难。（5）对象范围索引：记录实体坐标的同时记录其外接矩形的最大最小坐标。检索时，先排除未落入检索窗口内的实体，然后检索落入窗口内的空间实体。（6）R树和R+树索引：R树不仅利用单个实体外接矩形，还将位置相近的实体外接矩形重新组织成一个虚拟矩形。R+树允许实体矩形被分割成几个部分。

图像解译：（1）内容：研究地理区域的一般知识；掌握影像分析的一般经验和技能；深入理解影像特征。（2）过程：图像成像原理、成像时间、解译标志、成像地区的地理特征、地图、植被、气候学以及区域内有关人类活动的各种信息。（3）方法：目视判读法；计算机自动解译（监督分类和非监督分类）（4）解译标志：包括图像的色调或色彩、大小、形状、纹理、阴影、位置及地物之间的相互关系等。

图幅拼接的步骤：（1）逻辑一致性处理：使用交互编辑方法，使得相邻图斑属性相同，取得逻辑一致性（2）识别和检索相邻图幅（3）相邻图幅边界点坐标的匹配，采用追踪拼接法（4）相同属性多边形公共边界的删除，将多个相邻图斑组成一个图斑，合并公共属性。

图形数据和属性数据连接方式：（1）独立存储的图形数据和属性数据的连接：主要针对于没有集中控制的数据库管理系统。此方式优点在于属性数据不受量的限制，对图形数据没有坏的影响，缺点是属性数据的存取必须经由图形数据（2）对通用DBMS扩展以增加空间数据的管理能力，使得空间数据和属性数据在同一个DBMS管理之下。优点是属性数据和图形数据有统一的结构，联系密切，由一个数据库管理系统控制，提高了灵活性和应用范围。缺点是软件运行效率低

空间分析：（1）概念：是对分析空间数据有关技术的统称，是基于地理对象的空间布局的地理数据分析技术，是地理信息系统的核心功能之一。（2）功能：它从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等。特有的功能是对地理信息的提取表达和传输。（3）手段：几何逻辑运算、代数运算、数理统计分析（4）目的：解决设计地理空间的实际问题，进行辅助决策。

空间分析的基本过程与内容：（1）明确分析目的（解决某类与地理空间有关的问题）和评价标准（2）准备分析数据（3）进行空间分析操作（4）结果分析（5）解释、评价结果（6）结果输出。内容：（1）栅格数据的空间分析（聚类、聚合、叠置、追踪、窗口分析）（2）矢量数据的空间分析（包含、缓冲区、叠置、网络分析）

聚类分析：根据聚类条件对原有的数据系统进行有选择地信息提取而建立新的栅格数据系统地方法。如从遥感图像信息中提取某一地物地方法

聚合分析：根据空间分辨率和分类表，进行数据类型地合并或转换以实现空间地域地兼并。如由数字高程模型转换为数字高程分级模型

（栅格数据）叠置分析：对有关主题层组成地各个数据层面进行叠置产生新的数据层面，此数据层面综合了原先多个层面要素具有地属性，生成了新的空间关系和新的属性关系。主要包括简单的视觉信息复合和较为复杂的叠加分类模型。

追踪分析：对于特定的栅格数据系统，由一个或多个起点，按照一定的追踪线索追踪目标或者追踪轨迹信息提取的空间分析方法。主要用于扫描图件的矢量化、利用DEM自动提取等高线。

窗口分析：指对于栅格系统中的一个、多个栅格点或全部数据，开辟一个由固定分析半径的分析窗口，并在该窗口内进行极值、均值等统计计算，与其他层面的信息进行必要的复合分析，实现栅格数据有效的水平方向上扩展分析。分析窗口分为：矩形、圆形、环形、扇形

包含分析：确定要素之间是否存在直接的联系，这是地信中实现图形-属性对位检索的前提条件与基本的分析方法。如利用铅垂线算法解决点与面之间的关系。（由该点做铅垂线，若该铅垂线与某一图斑有奇数交点，则该点位于图斑内）

缓冲区分析：是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定范围内的缓冲区多边形实体，实现空间数据在水平方向得以扩展的信息分析方法，常用于城市噪声污染源所影响的一定空间范围、交通线两侧规定的绿化带。

建立缓冲区的算法：建立缓冲区实质是对点、线、面进行距离扩展。最常用的是中心线扩张法，即以中心轴线为核心作平行曲面，生成缓冲区边线进行求交、合并操作，最终生成缓冲区边界。要实现中心线扩张，可采用角平分线法（在线的两边按一定距离作平行线，在线的端点处以缓冲距为半径作半圆相连）和凸角圆弧法（先求出线在拐点处的凹凸性，凹侧用角平分线法建立缓冲区，凸侧以端点为原点，缓冲距为半径作圆，与两条平行线相交后用圆弧代替相交直线，以防角平分线法中出现尖角。）。

（矢量数据）叠置分析：1、多边形的叠置分析：指同一地区、同一比例尺两组或以上的多边形要素的数据文件进行叠置，如需多层叠置，先两两叠置再与第三层叠置。2、矢量数据和栅格数据的叠置分析：使用矢量多边形数据统计其内部栅格数据的某一指标数据，如行政区划多边形数据与高程DEM数据叠置，统计出每一个城市内部平均高程等应用。

网络分析：通过模拟、分析网络的状态以及资源在网络上的流动和分配，从而优化网络结构、流动效率及网络资源的一种空间分析方法。主要为了对地理网络、城市基础设施网络进行地理分析和模型化。

网络分析的组成部分及属性：（1）链：网络中流动的管线，如街道、水管等，状态属性包括阻力和需求（2）障碍：禁止网络中链上流动的点（3）拐角点：网络链中所有的分割结点上状态属性的阻力，如 拐弯的时间和限制（4）中心：接受或分配资源的位置，如水库、商业中心等。状态属性包括资源容量和阻力限额(5)站点：路径选择中资源增减的站点，如汽车站。其状态属性有要被运输的资源需求

网络分析方法：1、路径分析：静态最佳路径（用户确定权值关系后，读出路径的相关属性，求最佳路径）、动态分段技术（给定一条路径由多段联系组成，标注这条路上的千米点或从某一千米到某一千米的路段）、N条最佳路径（确定起点、终点，求代价较小的就几条路径，常因某种因素不走最佳路径而走近似最佳路径）、最短路径、动态最佳路径分析（当权值随着权值关系式变化时，可能回出现一些障碍点，所以需要动态地计算最佳路径）2、地址匹配：实质是地理位置地查询，所需输入地数据包括地址表、含地址范围地街道网络及待查询地址地属性值。3、资源分配：对若干服务中心，进行优化划定每个中心地服务范围，把所有连通链都分配到某一中心，把中心的资源分配给这些链以满足需求。4、最佳选址：在一定约束条件下、在某一指定区域选择设施地最佳位置，本质上是资源分配地延伸。

空间信息分类：（1）主成分分析法：通过数理统计分析，将众多要素信息压缩表达为有代表性的合成变量，选择信息量丰富地少数因子作聚类分析。（2）层次分析法：把相关地要素按照隶属关系划分为若干个层次，请专家对各层次、各要素的相对重要性给出定量指标，利用数学方法，给出相对重要性权值，作为综合分析的基础。（3）系统聚类：对不同要素划分类别，反映不同目标的等级序列（4）判别分析：先确定等级序列的因子标准，再将地理实体安排到序列的合理位置。

种子增长算法：基本思想是模糊判断理论。以栅格数据为对象，获得栅格间相似度矩阵，然后在格网内选取种子格网，根据相似度阈值向附近格网蔓延，直到相似度超过阈值为止。最后形成一种子为中心的子区域，再根据区域间相似程度进行聚合分析，达到区域分类的目的。

空间统计分析：（1）常规统计：对数据集合的均值、总和、方差、频度（2）空间自相关分析：认识空间分布特征、选择适宜的空间尺度来完成空间分析。（3）回归分析：分析两组/多组变量间的相关关系，常见的有线性/指数/对数/多元回归分析（4）趋势分析

表面分析：是一种基于表面的空间分析技术，它通过各种操作处理对输入表面重新识别，生成特点的，不易被发现的数据，从而提取新的信息，满足音乐需要。表面分析包括：等值线生成、坡度和坡向分析、表面曲率分析、剖面分析。

运用层次分析法选择旅游胜地(实例)过程：从三个旅游胜地中选择一个目的地，需要考虑每个胜地的景色、费用、居住、饮食、旅游条件等方面的因素。（1）建立层次结构模型：目标层为旅游胜地，准则层为以上考虑的因素，方案层为三个地点。（2）构造成对比较矩阵。对准则层的5个因素，用成对比较法和1-9比较尺度构建成对比较矩阵。（3）对每一个因素，三个候选旅游点之间构建成对比较矩阵。（4）计算权向量并做一致性检验。对于每一个成对比较矩阵，计算最大特征根及对应特征向量，利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。（5）若检验通过，特征向量（归一化后）就是权向量；若不通过，需重新构建成对比较矩阵。（6）计算组合权向量并做组合一致性检验。（7）计算方案层（三个地点）对目标的组合权向量，根据公式做一致性检验，若检验通过，可按照组合权向量表示的结果确定哪一个地点为最佳旅游地，否则需重新构造那些一致性比率较大的成对比较矩阵。

专家打分模型：（1）将相关的影响因素按重要性排队（2）给出各因素所占权重值（3）对每一要素内部分析，按内部的分类排队，按各类对结果的影响打分，得到各类对结果的影响量（4）系统进行复合，排序，得到的结果表示对结果影响的优劣程度，作为决策依据。

地学模型：利用地理建模的思想和方法，对自然地理对象的抽象和概括。也叫专题分析模型。根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出与目标有关的更为有序的新的数据集合的有关规则和公式。

地学模型的特点：（1）一般模型的结构性、简单性、清晰性、客观、可信性（2）内容复杂性多样性、空间性、时间性、模糊性

地学分析模型的形式：（1）逻辑模型：由地理名词和逻辑运算符组成的逻辑表达式表示。（2）物理模型：由物理模拟过程表达（3）数学模型：由常数、参数、变量、和函数关系等组成的数学表达式表示。（4）图像模型：由某种图像或图像运算的集合表达，如各种专题地图。

趋势分析：是空间分析的一种。通过数学模型模拟地理特征的空间分布与时间的过程，把地理要素、时空分布的实测数据点之间不足部分内插、预测出来。

DTA：digital terrain analysis数字地形分析是空间分析与数字高程模型结合形成的，在测绘、规划、灾害防治方面发挥着作用。是DEM上进行地形属性计算和特征提取的数字信息处理技术，其中地形属性包括地形曲面参数、地形形态特征、地形统计特征、复合地形特征。DTA内容包括提取描述地形属性和和特征的因子，利用相关技术分析解释地貌形态；是DTM的可视化分析。

DTA方法：（1）基本地形因子的提取，包括坡度、坡向、坡面曲率、宏观地形因子等（2）地形统计特征分析，包括地形特征点、山谷线、山脊线的提取（3）提取特征地形要素：包括水文分析、可视域分析、流域分析

DEM：（1）概念：digital elevation model是一种通过有限的地形高程数据实现对地形曲面的数字化模拟，是区域表面海拔高程的数字化表达。由于高程数据常采用绝对高程，所以DEM又称作DTM，是DTM的一个子集或特例。（2）应用：在测绘上，绘制等高线、坡度/坡向图、立体透视图、生成正射影像和地图的修测；在工程中，计算面积/体积、挖填方量、制作各种剖面图、规划道路/线路、项目选址；在军事上，飞行体的导航、军事目标的三维立体地形显示；在遥感中，提供土地景观和景观处理模型的影像模拟所需要的数据，进行辅助决策；在环境规划中，土地利用现状分析、城市规划设计（3）特点：多种形式显示地形信息，如地形图、纵横断面图、立体图；精度不丢失；易自动化、实时化；多比例尺特性

坡度是指过该点的切平面与水平地面的夹角，或该点切平面的法向量与垂直方向之间的夹角。有坡度角和坡度百分比两种表示方法。坡向：是指地面上任一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向间的夹角。典型的坡向有正北、东北、正东、东南、正南、西南、正西、西北。

DEM数据源：（1）地面测量：是一种传统的数据获取手段，一般采用全站仪、经纬仪、GPS等测绘仪器在野外进行实测，获取目标点的角度、距离和高程数据（2）地形图：它是地貌形态的传统描述方法，主要是通过等高线来表达地面的高度和地表起伏情况。（3）数字摄影测量和遥感影像：通过数字摄影测量仪器，建立空间地形立体模型，从航空或航天遥感立体影像中量测并提取高程数据。数据更新快，精度高，范围大，但成本高。

DTM：digital terrain model数字地面模型，是利用一个任意坐标系中大量的已知坐标的点集对地表特征的表示，是地表特征的数字表达，是带有空间位置特征和地表属性特征的数字描述。

5D产品：（1）数字线划图DLG：是现有地形图中基础地理要素的矢量数据集。采用点、线、面描述要素几何特征，赋予属性，分成若干数据层，保存要素间空间关系，供检索和分析时用（2）数字栅格图：DRG：纸质地图经计算机处理后形成的栅格数据集，是模拟产品向数字产品过渡的中间产品（3）DEM（4）数字正射影像图DOM：是利用DEM对扫描数字化的航空相片或航天影像，经数字微分纠正、数字镶嵌，按比例尺范围要求裁剪生成DOM 数据（5）DMI：Digital Measurable Image可量测实景影像，是指在一体化集成融合管理的时空序列上 ,具有像片绝对方位元素的航空、航天、地面立体影像的统称。

DEM数据模型：（1）规则格网DEM：将离散数据点所在的区域划分为一系列规则格网单元，每个单元代表一个高程点，并赋予高程值。所以此模型的实质是属性值为高程的栅格数据。优点是易被计算机处理和储存；便于计算等高线、坡度坡向、山地阴影；易于遥感影像数据结合；缺点是储存量大，导致管理不便；数据点的密度是一样的，所以在简单区域易出现数据冗余，而在地形复杂地区分辨率低。（2）TIN：triangular irregular network（3）等高线模型：通过等高线表示地形表面的起伏状况，优点是适合表达一个连续曲面，缺点是不适合数学分析和模拟。

地球科学模拟模型：是应用计算机技术、数字模拟技术及综合分析的方法来模拟许多地理过程和现象。；例如：气候变迁、沙漠化过程、土地退化过程、湖泊沼泽化、河道冲淤，沙嘴发育、以及土壤侵蚀等，使得受几个因素的共同影响，要经过若干年才完成的地理过程，采用计算机模型模拟，几分钟就能得出类似的结果，为资源开发、国土整治、水土保持、工程论证等提供依据。

应用GIS研究土壤寝室量的方法和步骤：（1）确定土壤侵蚀的数值分析模型（2）根据模型确定影响土壤侵蚀的因子，且这些因子必须反映不同的土壤性质、不同的破面形态以及不同的植被条件（3）选择格网尺寸，建立各个影响因子的栅格数据（4）将多种信息加以复合，确定研究地区土壤侵蚀量的各种不同等级，为水土保持规划提供依据。

GIS应用模型的分类：（1）基于理化原理的理论模型，又叫数学模型，用数学方法建立表达式，反映地理过程本质的理化规律，如地表径流模型、海洋和大气环流模型（2）基于变量间的统计关系的模型，统称为经验模型，是通过统计方法和大量观测实验建立的模型，如水土流失模型、适应性分析模型（3）基于原理和经验的混合模型，既有基于理论原理的确定性变量，也有应用经验加以确定的不确定性变量。如资源分配模型、位置选择模型。

GIS应用模型建立的步骤：（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（地图表格文档）

GIS应用模型的内容：（1）土地定级估价模型（2）适应性分析模型（3）发展预测模型（4）区位选择模型（5）交通规划模型（6）地球科学模拟模型

基于栅格DEM进行坡度计算的方法：关键是找出该点在东西南北方向高程的变化率。曲面拟合法：在局部范围如3x3窗口，对高程数据矩阵进行连续移动，通过最小二乘，对局部曲面拟合，获取两个方向上高程变化率数据。

基于栅格表面的体积计算的过程：（1）生成栅格DEM（2）计算高差：高差=DEM-基准面高程（3）计算每个像元的体积：像元体积=高差x像元面积（4）求区域总的体积：体积为每个像元体积之和。最后两步也可以通过平均高差乘以区域平面面积（像元个数x像元面积）而得到体积。

求栅格DEM上A、B两点的剖面图过程：（1）内插出A、B两点的高程值（2）求出AB连线与DEM像元的所有交点，插值出各交点的高程，并将交点按离起始点的距离远近进行排序（3）选择垂直比例尺和水平比例尺，以各点的高程为纵坐标，以距起始点的距离为横坐标，绘制剖面图。

宏观地形因子：地形起伏度（在分析窗口内所有栅格中最大与最小高程之差）、地表粗糙度（地表单元的曲面面积与其水平面上的投影面积之比）、地表切割深度等地形因子是描述和反映地形表面较大区域内宏观特征，这些参数对于在宏观尺度上的水土保持、土壤侵蚀特征、地貌分类有总要的意义，在较小的区域不具备任何地理和应用意义。

山谷线、山脊线提取方法：一种常见的方法是平面曲率与坡位组合法：首先利用DEM数据提取地面的平面曲率以及地面的正负地形，取正地形上平面曲率的大值即为山脊，负地形上平面曲率的大值为山谷。

流域分析的步骤：（1）DEM洼地填充：由于数据噪声、内插方法的影响，DEM数据包含一些洼地，把单元值加高至周围的最低单元值（2）水流方向确定：常在3x3的局部窗口内找出8个周围单元中一个最陡的坡度（3）水流累计矩阵生成：此矩阵是指流向该网格的所有的上游格网单元的水流累积量，它是基于水流方向确定的，是流域划分的基础，此矩阵的值可以是面积也可以是单元数。（4）流域网络提取：沿着水流方向，将高于阈值的格网连接起来，形成流域区域。

可视化（性）分析：也叫通视分析，从一个、多个位置所能看到的地表范围或与其他地形点之间的可见程度。实质是地形最优化处理。包括两个基本因子：通视性和可视域

空间数据输出方式：（1）屏幕输出：优点是价格低、速度快，缺点是非永久性输出，精度低（2）矢量绘图输出：根据坐标数据和属性数据符号化，通过制图指令驱动制图设备（3）打印输出：喷墨、激光打印机、

（空间数据）可视化：将计算机中产生的大量非直观的、抽象的或者不可见的数据，借助计算机图形学和图像处理技术，以图形图像信息的形式，形象直观地表达出来，并进行交互处理。

可视化的原则：（1）符号应用：定位不拥挤，图形美观，符号易识别（2）颜色应用：要有感情色彩和冷暖色之分（3）注记：字体类型、摆放位置（4）图面配置：图面均匀，主题突出，层次清晰（4）制图内容：主图突出，副图简明，图名简练，图例集中，比例尺实用

可视化的表现形式：（1）等值线显示：等值线又叫等量线，连接各等值点的平滑曲线表示制图对象的数量差异，表示连续分布且数量逐渐变化的现象的数量特征。等高线是表示地面起伏形态的一种等值线。（2）分层设色法：在等高线基础之上，根据地图用途、比例尺和区域特征，将等高线划分层级，并在每层级面积内绘制不同颜色，以色调色相的差异表示地势的高低。（3）地形晕眩显示：晕眩法，又叫阴影法，用深浅不同的色调表示地形起伏形态。按照光源的位置分直照晕眩、斜照晕眩和综合光照晕眩。按照色调分墨眩和彩色晕眩。（4）剖面显示：地形剖面图直观地表示地面上沿某一方向地势的起伏和坡度的陡缓，以等高线地形图为基础绘制而成。（5）专题地图显示：在地理地图上，把与主题相关联的要素详细地显示（6）立体透视显示：此方法实现多种地形的三位表达，包括立体等高线图、线框透视图、立体透视图以及各种地形模型与图像数据叠加形成的地形景观。

提取等值线的步骤：（1）在栅格DEM的每个像元点或TIN的每条边上内插等值点（2）按照内插的等值点，追踪等值线（3）标记等值线（4）对等值线进行平滑处理并输出。

（空间数据）可视化特点：（1）过程具有交互性：在可视化过程中，用户能进行多种方式的交互操作（2）信息表达具有动态性：空间数据是时时刻刻都在变化的，表达也随着数据的变化而处于动态变化中。（3）空间数据表达载体的多维性：载体往往与图表、文字、视频、动画等结合在一起，信息表达载体具有多媒体信息集成的特点。

三维可视化：是指在计算机上对数字地面模型中的地面特征数据（如地形）进行逼真的三维显示、模拟仿真、多分辨率表达和网络传输等内容的一种技术，涉及计算机制图、遥感、VR等领域。

三维可视化步骤：（1）数据准备：通过对三维实体和空间现象进行计算机数值模拟，形成数据文件或数据文件库。（2）数据简化与处理：简化处理数据量过大的原始空间数据，减少数据量、降低计算负荷、提高显示速度。（3）可视化映射：是整个可视化过程的核心，将经过处理的原始数据转换为可绘制的几何图形要素并确定其属性，表示出原始数据中人们感兴趣的性质和特点。（4）三维图形绘制：按照一定的光照模型将几何要素转换为可供计算机显示的图像，基本技术包括视觉变换、光照计算、隐面消失等。（5）场景显示与交互：将三维场景显示在特定的窗口系统中并完成其他图像操作，如图像的几何变换、图像格式转换以及动态输出等。

求取某地表面积（空间分析中的问题）：（1）对栅格表面数据计算坡度（2）计算每个像元的地表粗糙度系数。（3）计算该区域的平均粗糙度系数（4）用这个平均系数乘以平面面积即可得到表面积。

虚拟现实（VR）：是计算机产生的集视觉、听觉、触觉等为一体的三维虚拟环境。借助特定设备（如数据手套、头盔等）以自然方式与虚拟环境交互作用，获得与真实世界等同的感受及现实世界中难以经历的体验。具有交互性、沉浸感、想象力三个基本特征。

地理信息系统设计和开发的步骤：（1）可行性分析：处在系统分析阶段，解决“做什么”的问题，其核心是逻辑分析。在现状调查的基础之上论证GIS的自动化程度、涉及的技术范围、投资的数量和所得到的收益，从而确定系统的目的、任务。主要内容有用户需求调查；系统目的和任务；数据源调查和评估；评价GIS的年处理工作量、数据库结构和大小、GIS的服务范围、输出形式和质量；系统支持状况（2）系统设计：核心是物理设计，解决“怎么做”的问题。包括功能模块设计（根据系统目标确定）、数据设计（数据分类和编码，完成空间数据的储存和管理。包括数据库设计；方法库和模型库设计；数据获取方案及质量控制）和应用设计（系统建模和产品输出）（3）建立系统实施计划：进行投入产出估算（4）系统评价：包括系统实验（选择小块实验田对系统的各个部分各个功能全面实验）和系统运行

GIS用户需求分析：先确定用户的类型和需求，再确定应用邻域（1）有明确而固定任务的用户，希望改善数据采集、分析、表示方法及过程（2）部分工作任务明确、固定，且有大量业务有待开拓和拓展，建立GIS扩展她们的工作（3）工作任务完全不定（4）GIS类型的选择要根据部门工作性质、工作领域及该领域内应用范围和应用期限

系统评价（评价GIS）：从经济、技术评定GIS，将运行着的系统与预期的目标比较，考察是否达到了预定的效果。从以下方面评价GIS（1）系统效率：各种职能指标、技术指标和经济指标是系统效率的反映（2）系统可靠性：指的是系统运行时的稳定性，包括有关的数据文件和程序是否妥善保存，是否有后备体系（3）可扩展性：系统开发都是从简单到复杂，从清查和汇集空间数据开始，逐步演化到从管理到决策的高级阶段。（4）可移植性：不仅自身结构合理，而且还要对环境的适应能力，能再多种型号设备上使用。（5）系统效益：包括经济效益和社会效益，减少盲目投资、降低工时耗费、减轻灾害损失

GIS系统评价指标体系：（1）建设评价：包括先进性、经济性；开发效率和资源利用率（2）性能评价：包括系统效率/可靠性/可移植性（3）应用评价，包括系统效益、管理科学性、用户的满意度

地信标准化：保障GIS技术及其应用规范化发展，指导GIS相关的实践活动，拓展GIS应用领域，实现地信的社会和经济价值。

地信标准化的作用和意义：GIS标准体系是GIS技术走向实用化和社会化的保障，对促进地理信息共享、实现社会信息化发挥巨大作用，表现为（1）促进空间数据的使用和交换（2）促进空间数据共享（3）促进软件产品共享。意义是：（1）多应用中使用同一平台的同一数据（2）软件和产品之间相互共享和兼容（3）使应用系统化，结构简化、交互便利、成本降低

地信标准化的内容：（1）统一的名词术语内涵（2）统一的数据采集原则（3）统一的空间定位框架：将不同数据来源归化为地理坐标、网格坐标和投影坐标（4）统一的数据分类标准（5）统一的数据编码系统：实现地理数据的无缝交换和共享（6）统一的数据组织结构：数据都要建立相应的数据模型和标准结构（7）统一的数据记录格式：按照标准的记录格式记录（8）统一的数据质量标准：包括数据的完整性/一致性/位置精度、时间精度

地理知识/信息/数据三者之间的关系：（1）知识是正确认识的集合；信息是知识的一种，强调对知识规范化、结构化描述，具有一定形式的信息结构。（2）数据是信息的数字化载体，信息来源于数据，只有建立在数据模型基础之上的地理数据集，才能表达知识、信息、才具有分析的意义。理解数据含义、解释数据才能提取数据中包含的信息。

网络GIS：是网络技术与GIS结合的产物。狭义网络GIS是计算机网络和分布式对象技术的融合产物，如基于C/S和基于B/S的网络GIS。广义网络GIS是所有狭义网络GIS统称，也代表了不同狭义网络GIS结合时的产物。如无线网络GIS和InternetGIS的组合

嵌入式GIS：是GIS与嵌入式设备集成的产物，它以应用为中心，以计算机为基础，适用应用系统对功能、可靠性、成本、体积、要严格要求的微型专用计算机系统。是GIS的一个新兴应用领域，由无线网络+软件+硬件组成。他的优点是：将优化后的GIS数据以不同形式显示在移动设备之上，占内存小，有很强的数据分析、显示、表达功能。缺点是功能简单、速度慢

WebGIS:是以网络为中心，使用网络环境为各种GIS应用和GIS功能及空间数据获取能力。是GIS技术和www技术有机结合，是互联网环境下的一种传输、储存、分析、显示、应用地理空间信息的计算机系统。从www的任意结点出发，可以浏览WebGIS中空间数据、制作专题图，进行各种空间检索和空间分析。

WebGIS特点：（1）广泛的服务范围：同时访问多个不同地方的服务器上的最新数据（2）平台的独立性：无论何种机型，无论服务器端使用何种软件、通过Web浏览器，访问WebGIS数据，进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实现远程异构数据共享。（3）大规模降低系统成本和减少重复劳动（4）更简单的操作

WebGIS的应用：（1）传统GIS应用领域：可以改善传统GIS在数据共享、数据更新等方面的不足，是传统GIS有益的补充和革新。（2）管理部门：例如土地管理、交通、物流运输等行业部门，可利用WebGIS使网络上已经使用的系统更好的与地理位置相关，并实现与业务办公软件有机地结合，提高工作效率和管理水平。（3）大众化服务领域：它可为网络用户提供服务，例如在互联网上提供城市地图，为人们出行提供乘车参考。（4）辅助决策应用领域。Webgis可以用来构建跨地区、跨部门的地理信息服务网络，将政府制定的城市规划政策和方案所依据的各类相关信息数据联系起来，建立起一个完善的系统，改变过去数据分布在不同部门，分散储存无法相互利用的局面。

ComGIS:是面向对象技术和组件式技术在GIS软件软件开发中应用。思想：把GIS各大功能划分为几个控件，每个控件完成不同的功能 ，包括GIS和非GIS功能。控件间、非控件间通过可视化的软件开发工具集成，形成GIS应用系统。

ComGIS的特点：（1）高校无缝的系统集成：不依赖于某一开发语言，可嵌入通用开发环境，可插入其他的专业模型分析控件。(2)无需专门开发语言，只需实现基本功能函数。（3）大众化GIS（4）成本低：ComGIS提供空间数据采集、储存、管理、分析和模拟等GIS功能，又有非GIS功能，如关系数据库管理、统计图表制作。ComGIS本身可以分为多个控件，分别完成不同的功能，根据所需需求选择所需的控件。

三维GIS：将三维空间作为整体，分析地理实体与现象在三维空间中的分布与转换，将高程数据放在与平面信息同等重要地位，形成三维GIS。它描述空间位置与拓扑关系，扩展空间分析，解决三维空间操作与分析问题，作为交互查询与分析的媒介。

三维GIS的特点：（1）空间目标通过坐标轴定义，空间关系复杂。（2）可真实表达客观世界（3）可进行三维空间分析和操作（4）易于扩展的接口（5）海量数据获取与处理（6）三维空间分析（7）三维空间DBMS管理

时态（时空）GIS：是一种采集、储存、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息的计算机系统。不但包含传统地理信息系统的空间特性，而且还涵盖时间特性。不但反映事物和现象的存在状态，还表达发展变化过程及规律。其核心是时空数据模型的建立，既要使得数据更新快，储存量小，而且表现时空语义，保证时态/演变/空间关系。

3S：（1）GPS、RS、GIS是对地观测系统中空间信息获取，存储、管理、更新、分析、应用的三大支撑技术。（2）是社会持续发展，城乡规划管理、灾害动态监测与防治等重要手段。（3）是高度自动化、实时化的GIS，不仅自动、实时采集、处理、更新数据，而且分析、运用数据，提供科学决策。

3S集成：（1）GIS、RS、GPS集成，构成实时、动态GIS（2）GPS用于快速提供目标位置（包括各类传感器及运载平台的位置）（3）RS实时、准确提供目标及环境的语义或非语义信息，发现地表变化，及时更新数据。（4）GIS-综合处理，集成管理、动态存取多源数据，作为新集成系统平台。

5S集成：（1）3S系统+数字摄影测量系统+专家系统ES（2）DPS提供精确、快速的地形等基础地理信息及地表特征（3）ES是GIS发展的一个重要的方向为智能化的决策支持系统，最主要的表现就是ES，是目前辅助决策的一i个研究方向。（4）GPS为GIS的快速定位和更新提供手段，遥感技术的多谱段、多时相、多传感器和多分辨率的特点为GIS不断注入燃料，反过来又可以利用GIS来支持从遥感影像数据中自动提取语义和非语义信息。

3S集成模式：1、GIS与GPS集成：（1）GPS（单机定位）+栅格电子地图，显示目标载体的位置，用于导航目的（2）GPS（单机定位）+矢量电子地图，用于路径优化选择，显示最佳路径（3）GPS（差分定位）+栅格/矢量电子地图，用于监测网络，指挥系统，精确定位移动载体的位置（4）GPS（差分定位）+动态图层，接受GPS定位测量数据，处理后，以坐标形式对地图进行更新。2、RS与GIS的集成：（1）分开但平行的结合：主要在数据层面结合，进行数据交换（2）表面无缝的结合：使用统一的用户界面，但不同的工具和数据库（3）整体结合：在界面、工具和数据库方面均实现无缝的功能集成和数据集成。3、GPS与RS的集成：构成多种平台的观测系统。关键在于GPS与RS传感器的结合，在软件上实现无地面控制点情况下，空对地的观测。4、RS、GIS、GPS的集成：高水平技术集成，构成高度自动化、实时化、和智能化的地理信息系统

遥感数据更新数据库的方法：（1）将校正后的遥感影像作为底图，进行编辑修改、分类。将结果添加到GIS数据库中。（2）转换分类结果、数据格式、或利用系统提供的相交检索功能，直接分析。（3）考虑影像空间分辨率与GIS数据比例尺的对应关系。

结合具体事例展示3S更新数据库的方法：以1：25万数据更新为例（1）影像处理：采用TIM全波段遥感数据，合成假彩色影像，通过纠正、拼接、裁剪、输出各1：25万分幅（RS手段）（2）骨干交通网络处理：将GPS数据转为点/线栅格数据，将属性字段改为道路层字段名，抽稀道路节点（GPS）（3）1：5万地名数据处理：编辑处理地名数据文件，格式转换、关系属性，修改字段名，生成1：25万点状居民地（GIS手段）（4）矢量图的图面预处理：根据现势资料（水利、交通、居民地）和TIM影像，标描地物各要素，便于修改和编辑（GIS）

互操作GIS:（1）网络环境下。遵循一个公共接口标准，实现空间数据和数据的处理功能共享和相互操作的GIS。（2）互操作指不同数据库中数据的直接共享，GIS功能共享及网络上不同GIS站点间的协同工作。互操作指得是各功能单元之间的通信、执行程序或转换数据的能力。

互操作GIS的特点：数据互操作性；系统间可自由交换空间对象信息；透明访问分布式异质环境下的空间数据库

OpenGIS:是为了使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性，及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。实现了不同空间数据间、数据处理能力间互操作性及不同系统不同部门间信息共享。不同软件商之间通过实时动态机制实现不同储存结构的GIS之间的连接。

OpenGIS的特点：（1）互操作性：不同GIS之间连接方便，便于信息交换（2）可扩展性：硬件方面，可在不同计算机上运行，软件方面，增加了新的地学空间数据和数据处理能力。（3）技术公开性：公开源代码及规范说明（4）可移植性：独立于软件、硬件及网络环境，不需要修改便可在不同计算机上运行。（5）兼容性：通过无缝集成技术保护用户在原有数据和软件上的投资，将现有的信息技术和已有的地学处理软件融为一体。（6）可实现性：通信技术及面向对象方法技术在分布式处理系统中的应用更加广泛，开放式GIS开发易于实现。

OpenGIS实现技术：（1）面向对象技术、分布式对象技术：面向对象技术的主要特点是将数据的属性和操作封装在一起，具有继承、多态和封装的特点。分布式计算是指数据处理工作，分布式计算环境使提供分布处理的服务和工具。（2）开放式数据库互联（ODBC）：它是一个用于访问数据库的统一界面标准，实际上是一个数据库访问库，特点是应用程序不随数据库的改变而改变。（3）分布式对象技术：它是建立在网络基础之上，基于组件概念提出的，目标是无缝连接和即插即用，关键在于解决重用和互操作的问题，核心是用统一的标准协议通信解决对象跨平台的连接和交互的问题。

、网络地理信息服务：建立一种面向服务的商业模式，通过互联网，按需获得使用地理数据和计算服务，如地图服务、空间数据格式转换，提高GIS利用率。

网格GIS：是网格及网格计算技术与GIS相结合形成的新的发展方向，它是一种汇集和共享空间信息资源、进行一体化组织与处理、具有按需服务能力的空间信息基础设施。它的优点是高性能的计算；空间数据和GIS服务高度共享；数据资源安全。可应用于海量数据储存和服务；空间数据挖掘；大规模计算；虚拟地理环境等问题。它的特点是：空间数据的分布性和共享性；系统的异构性和统一性；数据的多源性和标准化；数据的海量性；开放性。网格GIS的关键技术：网格核心中间件技术；地理标识语言GML；分布式对象技术；构件与构件库技术；互操作技术；可视化技术；安全技术

数字地球：是一种以地球坐标为依据，可嵌入海量地理数据、多分辨率、和三维的地球的表示，核心思想是用数字化的手段处理整个地球的自然和社会活动等方面的问题，最大限度利用资源，使用户了解有关地球的信息。

数字地球的特点：（1）数据是无边无缝的分布式数据层结构（2）具有一种可迅速充实地理数据库，融合并显示多源数据的机制。（3）以图形、图像、文字等形式提供数据、信息服务（4）按不同保密等级保存数据（5）用户以多种方式从数字地球中获取信息。

未来GIS的出路：一种是现有的地理学空间分析方法在其他领域中的应用，比如费用距离问题，在交通研究方面，可进行通达度的计算，从生态学角度，可研究景观格局。另一种是其他行业的应用模型和理论方法，特别是涉及到空间概念的方法用到GIS中。比如疾病学中的传播扩散研究。

多媒体GIS：是一种集声、像、图、文、通讯为一体，并以最直观的方式表达和感知信息，以形象化的、可触摸的甚至声控对话的人机界面操纵信息处理的技术，为GIS应用开拓了新的邻域和广阔前景。

移动GIS:移动通信+空间信息技术的产物，是以空间定位为核心的应用服务系统。狭义上，是运行于移动终端并且具有桌面GIS功能的GIS。广义上是指一种集成系统，是GIS、GPS、移动通信、互联网、多媒体等技术的集成。特点：（1）运行平台延伸无线网络，无线通信/定位技术于GIS结合形成全新的GIS应用模式（2）具有分布式数据源，来满足移动用户由于位置的不断变换造成的信息需求的多样性。（3）多样化的信息载体：用户可采用位置服务、视频、音频、图像等手段与服务器及其他用户进行交互，移动终端需要处理更多类型的数据。（4）空间位置的依赖性：移动GIS通过无线网络进行通信，受到网络覆盖范围的制约。主要应用于（1）定位：根据用户请求将标明所在位置的移动电子地图发送给终端。（2）寻找目标：在处理用户查找目的地的请求时，不仅要随用户的移动提供给目标所在位置的动态电子地图，同时要动态标明用户此刻的位置（3）路径选择：标出选定路径的终点、中间站及周围必要的道路标志。（4）城市导游：将游客浏览路线周围可供选择参观的风景点按其实地位置明确地显示在移动电子地图上。主要技术：嵌入式技术；无线网络技术；分布式空间数据管理技术；移动数据库技术；GPS定位技术。

曲率：曲率是对地形表面一点扭曲变化程度的定量化度量因子，地面曲率在垂直和水平两个方向上的分量分别称为平面曲率（指在地形表面上，具体到任何一点P，指通过该点的水平面沿水平方向切地形表面所得的曲线在该点的曲率值。它描述的是地表曲面沿水平方向的弯曲、变化情况）和剖面曲率（是对地面坡度沿最大坡降方向地面高程变化率的度量）。地形表面曲率反映了地形结构和形态，同时影响着土壤有机物含量的分布，在地表过程模拟，水文、土壤等领域有着重要的应用价值。

地表曲率：是地形曲面在各个截面方向上的形状凹凸变化的反映，它反映局部地形的结构和形态，也影响着土壤有机物含量的分布，在地表过程模拟、水文与土壤研究等领域有着重要的作用。

构建DEM的整体思路：关键环节是根据采样点的值内插计算格网点上的高程值。（1）在二维平面上进行格网划分，形成覆盖整个区域的格网空间结构（2）利用分布在格网点周围的地形采样点内插计算格网点的高程值（3）按一定的格式输出，形成格网DEM