福师大地理信息系统课后答案

第1章 GIS概述

1.什么是数据和信息？它们有何联系和区别？ 定义：

数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。 联系和区别：

信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。信息是对数据解释、运用与解算，数据即使是经过处理以后的数据，只有经过解释才有意义，才成为信息；就本质而言，数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，只有数据对实体行为产生影响时才成为信息。 数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。即不随载体的物理设备形式的改变而改变。

信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。 数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。

不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。

2.什么是地理信息系统（GIS）?与地图数据库有什么异同?与地理信息的关系是什么? GIS定义：

GIS是一个发展的概念。不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的定义。

定义①：是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。

定义②：是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。

定义③：是为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。 定义④：地理信息系统是一种决策支持系统。它的定义由两方面组成，一方面，地理信息系统是一门学科，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；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

定义⑤：目前有人认为“GIS”从原来强调空间信息技术系统(SYSTEM)，发展到地球信息科学体系形成(SCIENCE)，现在已强调空间信息服务(SERVICE)。 GIS与地图数据库的异同：

地图数据库有比例尺概念，GIS是为某一特定比例尺建立的一个地图成品仓库，它可由GIS管理，其中的地图具有图形表现属性,一般数据库不需具备这些属性；它是GIS的下游产品，它的更新依赖于GIS，它提供的信息是GIS向人们提供服务的中间产品；GIS是在地理信息的基础上对真实世界进行数量化处理分析，但地图数据库存在的地理要素经人为修改，不完全是真实地理的反映；

GIS与地理信息的关系：

GIS操作对象是空间数据，表达内容是与时空有关的地理信息。地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。地理信息具有地域性、多维结构性、时序性等特征。

3.地理信息系统由哪些部分组成?试简述。

从计算机系统的角度来看，GIS是由软件、硬件、数据和用户组成。

软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统，是系统的核心，按其功能分为GIS专业软件，数据库软件和系统管理软件等 。

硬件（各种设备-物质基础，用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据，主要包括：GIS主机，GIS外部设备，GIS网络设备等）。数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础，它具体描述实体的空间特征、属性特征和时间特征）。用户（GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户）。

也有人认为GIS是由硬件、软件、数据、应用模型、开发者和一般用户组成。

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信息。

4.GIS与其它信息系统(如：MIS、AutoCAD、CAM等)的主要区别有哪些? GIS与一般MIS比较：

GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。但GIS是对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。 GIS与CAD和CAM比较：

管理图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如CAD或AutoCAD，CAM（Computer Aided Map计算机地图系统\\计算机辅助制图）见表1和表2.

GIS与CAD共同点 GIS与CAD不同点 CAD研究对象为人造对象—规则几GIS处理的数据大多来自于现实世何图形及组合； 界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化； 都有空间坐标系统； 图形功能特别是三维图形功能强，GIS的属性库结构复杂，功能强都能将目标和参考系联系属性库功能相对较弱； 大； 起来； GIS强调对空间数据的分析，图形都能描述图形数据的拓扑CAD中的拓扑关系较为简单； 属性交互使用频繁； 关系； GIS采用地理坐标系 都能处理属性和空间数据 一般采用几何坐标 1. 2. 3. 4. 表2

GIS与CAM共同点 GIS与CAM不同点 CAM侧重于数据查询、分类及自动CAM是GIS的重要组成部分 符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制； 都有地图输出、空间查询、分析和CAM强调数据显示而不是数据分GIS综合图形和属性数据进行深层检索功能 析，地理数据往往缺乏拓扑关系； 次的空间分析，提供辅助决策信息。 CAM与数据库的联系通常是一些简 单的查询。

5.地理信息系统的基本功能有哪些?其中核心功能是什么？简述在哪些领域应用比较成功。

地理信息系统基本功能概述：数据采集、监测与编辑；数据处理与变换（矢栅转换、制图综合）；数据存储与组织（矢量和栅格模型）；空间查询与分析（空间检索、空间拓扑、叠加分析、缓冲分析、网络分析等）；图形交互与显示（各种成果表现方式）。其中GIS空间分析是GIS的核心功能。

根据社会和用户的需求，GIS是依托基本功能利用空间分析技术模型分析技术，网络技术，数据库和数据集成技术二次开发环境等，演绎出众多的GIS应用系统。如基于GIS的城市规划系统、资源环境信息系统、交通管理智能信息系统、区域灾害评估管理信息系统等。

6.GIS在几个不同发展阶段的标志性技术是什么，它们的出现如何促进GIS的发展？

GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson 提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一术语，并建立了第一个GIS——加拿大GIS，随后GIS在全世界迅速发展起来。

国际GIS的发展状况：可分为以下几个阶段：（1）60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）。当时，人们关注的主题“什么是GIS？，GIS能干什么？”； （2）70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进GIS迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理等方面； （3）80年代，实验阶段（也是GIS普遍发展和推广应用阶段）。此时，人们把GIS与RS结合，解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等； （4）90年代，全面应用（产业化阶段）。对GIS进一步研究，研究的内容集中在“空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等方面； （5）现代，普及发展阶段。随着信息网络化发展和深入，GIS与世界接轨,尤其在发展中国家得到重视和发展。

我国GIS的发展状况：我国GIS起步虽较晚，但发展较快，可分为以下几个阶段：（1）70年代，准备阶段：一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了舆论准备基础并做了一些可行性实验。（2）80年代，试验起步阶段: 这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发

工作。（3）90年代，我国GIS发展阶段：我国改革开放以来，沿海，沿江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。（4）96年以来，是我国GIS产业化阶段：近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS产业已进入新的发展阶段。

第2章 GIS的地理基础

1．何谓地理实体？主要类型有哪些？

GIS的研究对象就是地理实体，即指自然现象和社会经济要素中不能再分割的单元。

地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，具有很强的尺度特征。例如，在全国地图上由于比例尺很小，福州就是一个点，这个点不能再分割，可以把福州定为一个空间实体，而在大比例尺的福州市地图上，福州的许多房屋、街道都要表达出来，所以福州必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋、街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的地理实体是一个概括、复杂、相对的概念，一般有点、线、面和体之分。地理实体以什么形式存储和处理反映了实体的三个特征。

（1）属性特征：对空间实体的属性定义和说明信息。表示专题属性（名称、分类、数量等）； （2）空间特征：对空间实体的分布位置、几何特征和空间关系的定义。表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。包括定位数据和拓扑数据；

（3）时间特征：空间实体的时间尺度。指现象或物体随时间的变化。其变化的周期有超短期的，短期的，中期的，长期的。

2．简述地理数据与地理实体间的关系。

地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述，人们常把地理数据称为空间数据，即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。

地理实体以什么形式存储和处理反映了实体空间、属性和时间三个特征,也是地理空间分析的三大基本要素。其中空间特征包括地理位置和空间关系，定位数据描述地物所在位置，这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等；属性特征又称为非空间特征，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标（包括名称、等级、类别等），即描述了信息的非空间组成部分，包括语义与统计数据等；时间特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段，反映时序变化等，时间数据对环境模拟分析非常重要，受到GIS学术界的重视。根据所描述的内容，地理数据又可分为几何数据（空间数据、图形数据）、关系数据（实体间的邻接、关联、包含等相互关系）、属性数据（各种属性特征和时间）、面向对象数据、元数据等。

在地图中描述地理实体或地理数据的位置可用地理坐标，在GIS中，位置除了用坐标表示外，还以拓扑特性来描述面状或线状地理数据的相对位置关系。

在地图中地理实体的属性通常以地图符号的形状、颜色和大小表示。在GIS中，它们则以代码、文字或数

字表示。属性数据可划分为两大类，即定量数据和定性数据。定量数据反映地理实体的数量特征，如：气温、降水量、人口数、粮食产量等；定性数据则反映地理实体的质量特征，如：农作物的种类、土壤质地、地名等。

依据空间数据来源的不同，地理数据可分为：地图数据、地形数据、属性数据、元数据、影像数据等；用于描述空间要素的空间位置，地理数据或实体都有可分为离散或连续的；依据表示对象的不同，地理数据或实体都可分为：点，线，面、体。

从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展，反映了人类认识的一个巨大飞跃。

3．如何用地理实体表达现实世界？

在GIS中，地理数据是以图层（Map Layer 或Coverage）为单位进行组织和存储的。一幅图层表示一种类型的地理实体，它包含了以一定的栅格或矢量数据结构组织的有关同一地区、同一类型地理实体的定位和属性数据，这些数据相互关联，存储在一起形成一个独立的数据集（Dataset）。由于一幅图层反映某一特定的主题，因此，它又称为专题数据层（Thematic Data Layer）。

图层表示法就是以图层为结构表示和存储综合反映某一地区的自然、人文现象的地理分布特征和过程的地理数据，这种方法实际上源自传统的专题地图表示法。专题地图主要用于反映某一主题地理现象的分布特征，一个地区的自然和人文地理综合特征是通过使用一系列的专题地图来表示的。存储在GIS中的每一幅图层可看作是一幅反映单一主题现象的专题地图，但是，一个图层只能用于描述单一地理实体（点、线或面）。

4．如何描述地球的形状？

地球在宇宙中是不停地运动着。精度要求，人们对地球形状可描述为球体、或椭球体、或不规则的椭球体、或具有高低起伏的扁球体（详见《地理信息系统导论》P49-51中的图2.13至2.15)。 关于地球椭球体参数详见《地理信息系统导论》P50中的表2.3。

5．地理空间数据的描述有哪些坐标系？相互的关系是什么？

与地理空间数据有关的坐标系统主要有地理坐标和投影坐标。前者属于球面坐标系统，后者则为平面坐标系统。将地表曲面转换成平面，从一种坐标系转换到另一种坐标系，可用地图投影方法实现。

6．地球表面、大地水准面及地球椭球体面之间的关系是什么？

地球表面、大地水准面及地球椭球体面是不同精度的地球形状表达。它们之间的关系详见《地理信息系统导论》P49中的图2.14。

7．如何进行不同基准下的高程的转换？

如果考虑高度，对应于每一个空间点位置，可以用大地坐标系的形式表示，即（φ，λ，h），也可用空间大地直角坐标系表达，即（x，y，z）表示。目前国内常见高程系有黄海高程系（高程基准面以黄海平均海面为准）和地方高程系（如福建有罗星塔平均海平面作为基准）。高程可用海拔（m）表示。如：1985国家高程基准，即指以青岛水准原点和青岛验潮站1952年到1979年的验潮数据确定的黄海平均海水面所定义。

规定平均海平面海拔为0，高于平均海平面为正，低于平均海平面的为负。

8．简述地图投影的基本问题。

从一种坐标系转换到另一种坐标系，这就是地图投影的问题。即将地球椭球面上的点映射到平面上来的方法。

9．在数字地图中，地图比例尺在含义与表现形式上有哪些变化？

在GIS中，地理数据对地理实体概括描述的程度主要以地图比例尺表示。地图比例尺定义为地图上一条直线段的长度与其在地面上相应的水平投影长度之比。地图比例尺主要有三种形式：数字式、说明式和图解式。GIS在地图形式显示或输出地理数据时，经常使用图解式比例尺。这是因为随着显示在计算机屏幕上的地图的放大或缩小，图解比例尺相应地按比例拉长或缩短。比例尺的大小决定地图表达地理实体内容的详略，对地理数据所表示的地理实体详略程度有影响。但GIS表达地理实体主要与数据库中的数据量多少有关；GIS中地理数据的精度及其所表示的地理实体的详略程度，主要取决于原始地图或影像资料的比例尺。

10．简述地图投影与GIS的关系。

地图是GIS的主要数据来源，在采集地图数据并输入GIS的过程中，就要考虑地图投影的系统配置。为确保GIS在同一系统内或在不同系统之间的信息（或数据）能够实现交换和共享，配准是第一步。否则后续所有基于GIS的空间分析、处理及应用都是不可能的。注意：这里所说的\处理\指的是\投影和重新投影\，前者是指将数据集从地理坐标转换成投影坐标，后者是指从一种投影坐标转换成另一种投影坐标。可以说地图投影对GIS的影响是渗透在GIS建设的各个方面，《地理信息系统导论》P53中的图2.17可以反映出它们的关系。

第3章GIS数据结构和空间数据库

1. 数据库主要有哪几个主要的结构成分？

数据库是由若干相关文件构成的系统。空间数据库（SDB）是GIS中空间数据的存储场所。空间数据库系统(SDBS)一般包括空间数据库、空间数据库管理系统和空间数据库应用系统三个部分。

（1）空间数据库：按照一定的结构组织在一起的相关数据的集合，是GIS在计算机物理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组织在存储介质之上的。 （2）空间数据库管理系统：该系统的实现是建立在常规的数据库管理系统之上的。常规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；而空间数据库管理系统是指能够对物理介质上存储的地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必需的空间数据查询检索和存取功能，以及能够对空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。空间数据库管理系统除了需要完成常规数据库管理系统所必备的功能外，还需要提供特定的针对空间数据的管理功能。实现方法①，直接对常规数据库管理系统进行功能扩展，加入一定数量的空间数据存储与管理功能，如Oracle系统；实现方法②，在常规数据库管理系统上添加一层空间数据库引擎，以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理的能力，如ESRI的SDE（Spatial Database Engine）等。

（3）空间数据库应用系统:是为了满足特定的用户数据处理需求而建立起来的，具有数据访问功能的应用软件，它提供给用户一个访问和操作特定数据库的用户界面。

空间数据库系统在整个GIS中占有极其重要的地位，是GIS发挥作用的关键，也是所有分析、决策的重要基础。

2．数据库是如何组织数据的？

为了表达信息的内容，数据应按一定的方式进行组织和存储建库。根据数据组织方式和数据间逻辑关系，一般可分为数据项、记录、文件和数据库，详见《地理信息系统导论》P79中的表3.15。

数据库中数据组织级别 级别 数据项 特征描述 描述一个对象的某一属性的数据，有型（Type）和值（Value）之分。数据项的型定义了它的数据类型。数据项的值为一个具体对象的属性值，可以数字、字母、字符串等表示。一个对象可具有若干属性，一个对象可由若干数据项描述 若干个数据项组成的一个序列就称为描述该对象的记录（Recorder）。记录类型是数据项型的一个有序组，记录值则是数据项值的同一有序组。通常，将记录值简称为记录 记录型和记录的总和称为文件。能够唯一标识记录的数据项称为文件的关键字（Key）。用于组织文件的关键字则称为主关键字（Primary Key） 以一定的结构集中存储在一起的相关数据文件的集合称为数据库。数据库中的数据是结构化的；对数据采取集中控制，统一管理；数据的存储独立于应用程序；具有一套标准的、可控制的方法用于数据的输入、修改、更新、检索，以确保数据的完整性和有效性；具有一定的数据保护能力 记录 文件 数据库 数据间的逻辑联系主要是指记录与记录之间的联系。记录用来表示现实世界中的实体，实体之间存在着一种或多种联系，反映这种逻辑关系主要有一对一、一对多和多对多的联系。表达这些数据结构的模型有关系模型、层状模型、网状模型、面向对象模型和时态模型等。其中关系模型、层状模型、网状模型可合称为传统数据模型。

3．DBMS的作用是什么？

DBMS 属于关系数据库，是处理数据存储、进行各种管理的软件系统；常用的数据库管理系统主要有：Access、SQL Server、Oracle等。

目前GIS的地物属性数据库大多是以传统的关系数据库为基础的，因此基于属性的GIS查询可以通过关系数据库的SQL语言进行查询。一般来说，地物的图形数据和属性数据是分开存贮的，图形和属性之间通过目标的ID码进行关联，通过SQL语言操作可实现空间数据查询。

4．地理实体如何存放在数据库里？

地理实体以地理数据存放在数据库中。数据结构（指数据的组织形式，在计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构）不同，存储方式也不同。空间数据是一种较复杂的数据类型，涉及到空间特征、属性特征及它们之间关系的描述。空间数据的结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构。非空间数据主要涉及属性数据。 矢量数据结构是通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线和多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。矢量结构的显著特点：定位明显，属性隐含。

栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。栅格结构的显著特点：属性明显，定位隐含，即数据直接记录属性的指针或数据本身，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。

常见的数据结构有层状数据、网络数据、关系数据、语义数据、面向对象的数据结构。数据库系统中通常采用的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型，语义模型、面向对象的数据模型等。在实际应用中GIS软件多采用关系模型，现在又发展了面向对象的关系模型。 5．请简要说明层次模型、网状模型和关系模型的结构特点。

层次模型、网状模型和关系模型属于传统模型，它们的结构特点详见《地理信息系统导论》P80中的表3.16。 数据模型 层次模型 优点 1. 易于理解、更新与扩充； 2. 通过关键字，数据访问易于实现； 3. 事先知道全部可能的查询结构，数据检索方便 1. 空间特征及其坐标数据易于连接； 2. 在很复杂的拓扑结构中搜索，有环路环境指针是一个很有效的方法； 3. 避免数据冗余，已有数据可充分使用 1. 结构灵活； 2. 可以满足布尔逻辑和数学运算表达的各种查询需要； 3. 允许对各种数据类型的搜索、组合和比较 缺点 1. 访问限于自上而下的路径，不够灵活； 2. 大量索引文件需要维护； 3. 一些属性值重复多次，导致数据冗余，存储和访问的开销增加 1. 间接的指针使数据库扩大，在复杂的系统中可能占据数据库的很大部分； 2. 每次数据库变动，这些指针必须更新维护，其工作量相当大 1. 为找到满足指定关系要求的数据，许多操作涉及到对文件的顺序搜索，对大型系统而言，很费时间； 2. 为保证以适宜速度进行搜索的能力，商用系统一般经过十分精心的设计，故价格昂贵 网络模型 关系模型

6．对象数据模型有什么特点？

面向对象模型是含有数据和操作方法的独立模块，可以认为是数据和行为的统一体。对象可以识别、可以描述的实体，因此，分布在地球表面的所有可以描述的地理实体，都可以视为对象（Object）。如一个城市、一棵树均可作为地理对象。这些数据操作和运算行为都称为对象的方法。对象的特点：① 具有一个唯一的标识，以表明其存在的独立性；② 具有一组描述特征的属性，以表明其在某一时刻的状态——静态属性数据；③ 具有一组表示行为的操作方法，用以改变对象的状态——作用、功能—函数、方法。通过寻找共同点，所有具有共性的系统成分就可为一种对象。根据对象的共性，及对它研究的目的可划分为类、实例和消息等。

7．时间在地理信息系统内有什么意义？如何保存时间信息？

时间是通过物质的运动形式来计量表达的，时间属性是GIS三大特征之一。为了表达现象或物体随时间的变化。以及变化的周期如何，需要数据库动态链接。

8．如何设计空间数据库？

空间数据库的设计问题，其实质就是将地理空间实体以一定组织形式在数据库系统中加以表达的过程，也

就是GIS中空间实体数据模型化问题。从现实世界到概念世界再到信息世界的过程。一般有以下几个步骤：

（1）需求分析。根据GIS的应用领域和服务对象,把来自用户的信息加以分析、提炼,最后从功能、性能上加以描述,是用户需求分析阶段的任务。系统分析员从逻辑上定义系统功能,解决“系统干什么”,抛开了具体的物理实现过程,暂不解决“系统如何干”。面向空间管理的业务部门,其业务运作是基于大量的图形资料、图表资料、表格数据和文字资料的,这些数据的流程反映了其管理作业程序。通过结构化分析把业务过程细化, 对每个细化的业务子过程中的数据处理通过数据流程图来描述,由数据流向、加工、文件、源点和终点四种成份,得到数据操作的逻辑模型。

（2）概念设计。把用户的需求加以解释，并用概念模型表达出来。概念模型是现实世界到信息世界的抽象，具有独立于具体的数据库实现的优点，因此是用户和数据库设计人员之间进行交流的语言。数据库需求分析和概念设计阶段需要建立数据库的数据模型，可采用的建模技术方法主要有三类：一是面向记录的传统数据模型，包括层次模型、网状模型和关系模型；二是注重描述数据及其之间语义关系的语义数据模型，如实体—联系模型等；三是面向对象的数据模型，它是在前两类数据模型的基础上发展起来的面向对象的数据库建模技术。本章将依次论述这些模型在空间数据库设计中的应用，并将数据库实现模型中的一些存储方法及查询技术一并加以阐述。

（3）逻辑设计。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，并用数据描述表达出来。逻辑设计又称为数据模型映射。所以，逻辑设计是根据概念模型和数据库管理系统来选择的。例如将上述概念设计所获得的实体—联系模型转换成关系数据库模型。

（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。该过程依赖于给定的计算机系统。在这一阶段，设计人员需要考虑数据库的存储问题：所有数据在硬件设备上的存储方式，管理和存取数据的软件系统，数据库存储结构以保证用户以其所熟悉的方式存取数据，以及数据在各个位置的分布方式等。

9．对空间数据库进行维护有什么意义？

为了使空间数据库运行顺利，及时更新数据，维护系统运转，主要工作有：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监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再组织；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。

10．简述空间数据入库流程。

根据空间数据库逻辑设计和物理设计的结果，就可以在计算机上创建起实际的空间数据库结构，装入空间数据，并测试和运行，这个过程就是空间数据库的实现过程，它包括：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，以确立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。

11．何谓地理查询？

地理查询即空间查询，是指从GIS数据库中获取用户咨询的数据，并以一定的形式提供给用户。有时地理空间查询也涉及简单的几何计算（如距离和面积）或地理实体的重新分类空间数据的查询，一般定义为从

空间数据库中找出所有满足属性条件和空间约束条件的地理对象。属性约束条件一般用带比较运算符的逻辑表达式描述，这与传统的结构查询语言SQL的where语句中条件表达式相似。空间约束条件用带空间谓词的逻辑表达式描述，空间谓词由地理对象间的空间关系演变而来，如包含、相交、分离、重叠、距离同、方向等。因此空间查询是作用在库体上的函数，返回用户请求的内容，也属于咨询式分析。

第4章 GIS数据采集和数据处理

1．GIS的数据源有哪些？简述其特征并叙述通过何种途径来获取这些数据源。

GIS的数据源，是指建立的地理数据库所需的各种数据的来源，主要包括地图、遥感图像、文本资料、统计资料、实测数据、多媒体数据、已有系统的数据等。

①地图数据：地图是GIS的主要数据源,因为地图包含着丰富的内容，不仅含有实体的类别和属性，而且含有实体间的空间关系。地图数据主要通过对地图的跟踪数字化和扫描数字化获取。地图数据通常用点、线、面及注记来表示地理实体及实体间的关系，如： 点——居民点、采样点、高程点、控制点等。 线——河流、道路、构造线等。 面——湖泊、海洋、植被等。 注记——地名注记、高程注记等。

②遥感数据：遥感数据是GIS的重要数据源。遥感数据含有丰富的资源与环境信息，在GIS支持下，可以与地质、地球物理、地球化学、地球生物、军事应用等方面的信息进行信息复合和综合分析。遥感数据是一种大面积的、动态的、近实时的数据源，遥感技术是GIS数据更新的重要手段。

③文本资料：文本资料是指各行业、各部门的有关法律文档、行业规范、技术标准、条文条例等，如边界条约等。这些也属于GIS的数据。

④统计资料： 国家和军队的许多部门和机构都拥有不同领域(如人口、基础设施建设、兵要地志等)的大量统计资料，这些都是GIS的数据源，尤其是GIS属性数据的重要来源。

⑤实测数据：野外试验、实地测量等获取的数据可以通过转换直接进入GIS的地理数据库，以便于进行实时的分析和进一步的应用。GPS(全球定位系统)所获取的数据也是GIS的重要数据源。

⑥多媒体数据：多媒体数据(包括声音、录像等)通常可通过通讯口传入GIS的地理数据库中，目前其主要功能是辅助GIS的分析和查询。

⑦已有系统的数据：GIS还可以从其它已建成的信息系统和数据库中获取相应的数据。由于规范化、标准化的推广，不同系统间的数据共享和可交换性越来越强。这样就拓展了数据的可用性，增加了数据的潜在价值。

2．纸张上的地图如何进入计算机系统？请举例说明。

图形数据的输入实际上就是图形的数字化过程。一般有两种方法：

（1）手扶跟踪数字化仪输入

手扶跟踪数字化是目前最为广泛使用的将已有地图数字化的手段，利用手扶跟踪数字化仪可以输入点地物、线地物以及多边形边界的坐标，通常采用两种方式，即点方式和流方式，流方式又分为距离流方式和时间

流方式。

数字化过程：把待数字化的图件固定在图形输入板上，首先用鼠标器输入图幅范围和至少四个控制点的坐标，随后即可输入图幅内各点、曲线的坐标。

通过数字化仪采集数据量小，数据处理的软件也比较完备，但由于数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化的精度与作业员的操作有很大关系，所以，目前很多单位在大批量数字化时，已不再采用它。

（2）扫描仪输入

扫描仪直接把图形(如地形图)和图像(如遥感影像、照片)扫描输入到计算机中，以象素信息进行存储表示的设备。按其所支持的颜色分类，可分为单色扫描仪和彩色扫描仪；按所采用的固态器件又分为电荷耦合器件(CCD)扫描仪、MOS电路扫描仪、紧贴型扫描仪等；按扫描宽度和操作方式分为大型扫描仪、台式扫描仪和手动式扫描仪。

扫描过程：扫描时，必须先进行扫描参数的设置，包括：①扫描模式的设置，（分二值、灰度、百万种彩色），对地形图的扫描一般采用二值扫描，或灰度扫描。对彩色航片或卫片采用百万种彩色扫描，对黑白航片或卫片采用灰度扫描。②扫描分辨率的设置，根据扫描要求，对地形图的扫描一般采用300dpi或更高的分辨率。③针对一些特殊的需要，还可以调整亮度、对比度、色调、GAMMA曲线等。④设定扫描范围。扫描参数设置完后，即可通过扫描获得某个地区的栅格数据。

通过扫描获得的是栅格数据，数据量比较大。如一张地形图采用300dpi灰度扫描其数据量就有20兆左右。除此之外，扫描获得的数据还存在着噪声和中间色调像元的处理问题。噪声是指不属于地图内容的斑点污渍和其它模糊不清的东西形成的像元灰度值。噪音范围很广，没有简单有效的方法能加以完全消除，有的软件能去除一些小的脏点，但有些地图内容如小数点等和小的脏点很难区分。对于中间色调像元，则可以通过选择合适的阈值选用一些软件如Photoshop等来处理。

一般对获得的栅格数据还要进行一些后续处理如图像纠正、矢量化等。

扫描输入因其输入速度快、不受人为因素的影响、操作简单而越来越受到大家的欢迎，再加之计算机运算速度、存储容量的提高和矢量化软件的踊跃出现，使得扫描输入已成为图形数据输入的主要方法。

3．请举例说明GIS对数据的质量要求。

数据质量包括：①准确性，即一个记录值与它的真实值之间的接近程度；②精度，即对现象描述的详细程度；③空间分辨率，即两个可测量数值之间最小的可辨识的差异；④比例尺，即地图上一个记录的距离和它所表现的真实距离之间的一个比值；⑤误差，即一个所记录的测量和它的事实之间的差异；⑥不确定性，包括空间位置的不确定性、属性不确定性和数据不完整性等。

GIS数据质量要求： ①位置精度：如数学基础、平面精度、高程精度等，用以描述几何数据的质量。② 属性精度：如要素分类的正确性、属性编码的正确性、注记的正确性等，用以反映属性数据的质量。③逻辑一致性：如多边形的闭合精度、结点匹配精度、拓扑关系的正确性等。④完备性：如数据分类的完备性、实体类型的完备性、属性数据的完备性、注记的完整性等。⑤现势性：如数据的采集时间、数据的更新时间等。

4．各种来源的空间数据是如何准确匹配在一起的？

空间数据的地理参照系(地球的形状、坐标系、高程系)的不同，引起空间数据来源不同时图幅往往不匹配，为此需要将一种投影的数字化数据转换为所需要投影的坐标数据，即进行投影转换。投影转换的方法有：解析变换(正解变换、反解变换)、数值变换、解析和数值变换。

目前，大多数GIS软件是采用正解变换法来完成不同投影之间的转换，并直接在GIS软件中提供常见投影之间的转换。

5．对于扫描仪输出的结果一般需要做哪些处理？

经扫描，以栅格数据格式输出的地图和遥感相片要经过矢量化过程，才可转换成矢量数据。

扫描矢量化处理流程：准备纸质地图→坐标配准→扫描转换→拼接子图块→裁剪地图→屏幕跟踪矢量化→矢量图合成、接边→矢量图编辑→存入空间数据库。

此外，扫描仪输出的结果需要经过图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。

6．地图投影在GIS中有什么作用？

GIS以地图方式显示地理信息。地图是平面，而地理信息则是在地球椭球上，因此地图投影在GIS中不可缺少。

GIS数据库中地理数据以地理坐标存储时，则以地图为数据源的空间数据必须通过投影变换转换成地理坐标；而输出或显示时，则要将地理坐标表示的空间数据通过投影变换变换成指定投影的平面坐标。 GIS中，地理数据的显示可根据用户的需要而指定投影方式，但当所显示的地图与国家基本地图系列的比例尺一致时，一般采用国家基本系列地图所用的投影。

7．空间数据中的几何数据是什么？请说明它与属性数据的关系。

空间数据中的几何数据是指实体或现象的空间位置或现在所处的地理位置，一般以坐标数据表示。 属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式。

几何数据和属性数据相对于时间来说，常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但是属性类型可能已经发生变化，或者相反。因此可以不断更新属性数据来体现实体或现象的时时特征，同时也可反映实体或现象的变化规律和变化特征。而几何数据又说明了属性数据发生的地理位置及其存在的意义。

8．请说明分类分级对于属性数据的意义。

分类是指根据属性或特性将地理实体划分为各种类型，表示同一类型地理实体的数据可以采集在一起，构成一个图层。也就是说，GIS是根据地理实体的类型通过数字化采集和组织地理数据的。分类是将具有共同的属性或特征的事物或现象归并在一起，而把不同属性或特征的事物或现象分开的过程。拟定分类体系是进行空间数据编码的工作基础，其目的是识别要素和提供要素的地理含义。

在属性数据中，有一部分是与几何数据的表示密切有关的，例如，道路的等级、类型等，决定着道路符号的形状、色彩、尺寸等。在GIS中，通常把这部分属性数据用编码的形式表示，并与几何数据一起管理起来。编码的过程是将信息转换成数据的过程，前提是首先要对需表示的信息进行分类分级。

分类码（代码）是直接利用信息分类的结果制定的分类代码，用于标记不同类别信息的数据。分类码一般由数字或字符或数字字符混合构成。

9．属性数据的编码是必须的吗？

属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式，属性数据的内容有时直接记录在栅格或矢量数据文件中，有时则单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码与图形数据相联系。

对于要输入属性库的属性数据，通过键盘则可直接键入。

对于要直接记录到栅格或矢量数据文件中的属性数据，则必须先对其进行编码，将各种属性数据变为计算机可以接受的数字或字符形式，才便于GIS存储管理。

属性编码是在数据分类的基础上，以易于计算机和人识别的代码（Code）唯一地标识地理实体的类型，代码由字符（数字或字母或数字和字母混合）构成，由于代码简单，计算机易于准确操作和管理，在地理数据库中，地理实体的类别大多以代码表示。在地理数据采集过程中，要以代码标识地理实体的类型和属性，是GIS设计中最重要的技术步骤——地理编码，它是现实世界与信息世界之间的转换接口（实际就是一个应用程序连接）。

代码主要用于控制地理数据数字化采集和输入，用于在地理数据库中系统地表示地理实体以及它们的属性。代码以及相应的描述通常也存储在地理数据库中作为元数数据的一部分，以帮助用户理解、分析、管理和显示地理数据。通用地理编码的要求能够：① 要素识别（即地方名称、实体类型、地址等）；② 要素位置（用于唯一地识别实体在地表上的位置）确定；③ 要求特征（属性）明确；④ 要求作用范围描述明白；⑤ 要素能提供地理定义。

10．比较栅格数据重采样的几种方法。

所有的地理实体都具有某种或某些属性。尽管在数字化输入地理实体的定位数据的同时，可以采集和输入它们的属性数据，但通常属性数据是分开输入的。这主要是因为属性数据输入相对简单，不需要特殊的输入设备。主要方法：

（1）键盘输入方式：属性数据可以从键盘输入到计算机数据文件中，或直接输入到数据库（如Foxpro、Access等）中。某些GIS项目还设计特定形式的、具有数据类型约束的数据输入表用于输入属性数据（如MapInfo 软件设计的是Table表等）。属性数据大多以二维表的形式输入，表的行表示地理实体，列表示属性。但属性数据表必须有一个能与定位数据相关联的关键字（如地理实体的唯一标识码）。 （2）人机交互方式：用程序批量输入或辅助于字符识别软件进行输入。

（3）注记识别转换输入：地图上的某些注记往往是对实体目标数量、质量特性描述的属性信息，通过扫描后，能自动识别获得这些信息，并将它们转储到属性表中，完成注记识别转换输入。

11．数据格式转换的途径有哪些？

数据从一种格式到另一种格式的转换，称为数据重构。包括结构转换、格式变换、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，它是实现多源和异构数据的联接与融合。数据格式转换途径，需要格式解译程序。一般有直接转换和间接转换两种。

12．空间数据共享的途径有哪些？

空间数据共享主要途径有：① 地理信息使用相同的定义；②? 实行数据转换标准；③通过 “互操作地理信息处理（Interoperable Geoprocessing）”。其中互操作地理信息处理是指数字系统的这些能力：自由地交换所有关于地球的信息，即所有关于地表上的、空中的、地球表面以下的对象和现象的信息；通过网络协作运行能够操作这些信息的软件。概括为自由交换地理空间信息以及协作运行空间信息处理的软件。 最基层的是：内部数据结构的公开发表。

最理想的是：用户和不同的信息群在Internet和Intranet中能灵活地进行地理数据及处理的互操作。 困难存在于：互操作的建立，数据的公开发表。

13．简述GIS空间数据编辑的主要内容和方法。

通过矢量数字化或扫描数字化所获取的原始空间数据，存在着错误或误差；属性数据在建库输入时，也会存在错误。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。主要内容和方法： 图形数据和属性数据的误差主要包括以下几个方面：

（1）空间数据的不完整或重复：主要包括空间点、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等。

（2）空间数据位置的不准确：主要包括空间点位的不准确、线段过长或过短、线段的断裂、相邻多边形结点的不重合等。

（3）空间数据的比例尺不准确。 （4）空间数据的变形。

（5）空间属性和数据连接有误。 （6）属性数据不完整。

矢量的实体错误包括伪节点、摇摆结点、碎多边形和标注错误等。为发现并有效地消除误差，一般采用如下方法进行检查：

（1）目视检查法：指在屏幕上用目视检查的方法，检查一些明显的数字化误差与错误，包括线段过长或过短、多边形的重叠和裂口、线段的断裂等；

（2）逻辑检查法：如根据数据拓扑一致性进行检验，将弧段连成多边形，进行数字化误差的检查。有许多软件已能自动进行多边形结点的自动平差。另外，对属性数据的检查一般也最先用这种方法，检查属性数据的值是否超过其取值范围。属性数据之间或属性数据与地理实体之间是否有荒谬的组合。 （3）叠合比较法：是空间数据数字化正确与否的最佳检核方法，按与原图相同的比例尺用把数字化的内容绘在透明材料上，然后与原图叠合在一起，在透光桌上仔细地观察和比较。一般地，对于空间数据的比例尺不准确和空间数据的变形马上就可以观察出来，对于空间数据的位置不完整和不准确则须用粗笔把遗漏、位置错误的地方明显地标注出来。如果数字化的范围比较大，分块数字化时，除检核一幅(块)图内的差错外还应检核已存入计算机的其它图幅的接边情况。

对于空间数据的不完整或位置的误差，主要是利用GIS的图形编辑功能，如删除（目标、属性、坐标）、修改（平移、拷贝、连接、分裂、合并、整饰）、插入等进行处理。对空间数据比例尺的不准确和变形，可以通过比例变换和纠正来处理。

14．如何评价GIS的数据质量？以野外测量为例，分析其数据误差的来源。

研究GIS数据质量对于评定GIS的算法、减少GIS设计与开发的盲目性都具有重要意义。精度越高，代

价越大。GIS数据质量对保证GIS产品的可靠性有重要意义。评价方法如下。 （1）直接评价法

直接评价法主要有两种。一是用计算机程序自动检测：某些类型的错误可以用计算机软件自动发现，数据中不符合要求的数据项的百分率或平均质量等级也可由计算机软件算出。此外，还可检测文件格式是否符合规范、编码是否正确、数据是否超出范围等。二是随机抽样检测：在确定抽样方案时，应考虑数据的空间相关性。 （2）间接评价法

间接评价法包括地理相关法和元数据法，一般通过外部知识或信息（如用途、数据历史记录、数据源的质量、数据生产的方法、误差传递模型等）进行推理来确定空间数据的质量方法。 （3）非定量描述法

非定量描述法是通过对数据质量的各组成部分的评价结果进行的综合分析、或定量指标的分级描述、或定性分析与定量打分来确定数据的总体质量的方法。

例如，以野外测量数据为例，样本的选取代表性与否带来的误差，采点的密集度带来的不确定性等对获取数据的质量影响。

第5章 GIS空间分析方法

1.举例说明矢量GIS中三类基本的地理查询。

地理查询是指从GIS数据库中获取用户咨询的数据，并以一定的形式提供给用户。有时地理查询也涉及简单的几何计算（如距离和面积）或地理实体的重新分类。

矢量GIS中三类基本的地理查询是：数据库查询、几何量测和重新分类。

（1）数据库查询是根据用户提出的问题，从GIS数据库中提取有关的数据。数据库查询不产生新数据，也不改变数据库中的数据，此时GIS作为编辑工具，仅仅是针对空间数据进行分析。其中最主要的是对字段和记录进行一系列的分析。例子见实验。

（2）几何量测包括长度、面积、周长和形状的计算，是地理查询中常见的问题。栅格GIS主要以数网格的方法进行，但矢量GIS是根据平面几何的原理运用坐标数据计算长度、面积和周长。详见《地理信息系统导论》P149中图5.37和5.38的图示。

（3）重新分类是将一幅矢量图层的数据分类系统转换成另一种分类系统，并产生一幅新的矢量图层表示转换的结果，其重新分类原理与栅格图层重新分类相似。但是，在多边形矢量图层重新分类之后，应将具有相同类型的相邻多边形合并，即将同一类型相邻多边形的共同边界删除，重新组合多边形并重建多边形的拓扑结构。详见《地理信息系统导论》P150中图5.39。

2.为什么GIS中的距离计算不应使用以经纬度表示的坐标数据？

在矢量GIS中，是利用勾股定理计算两点间的距离时，要以某一地图投影为基础的平面直角坐标为前提，两点坐标必须是以m或km为单位，不应使用以经度和纬度所表示的地理坐标。

3.矢量数据分析中的形状测量与栅格数据分析中的形状测量方法有何不同？为什么会有这样的差别？ 尽管矢量数据分析中的形状测量与栅格数据分析中的形状测量方法都涉及到面状实体的面积和周长，但在

矢量数据分析的形状测量，常用指数S描述（公式见《地理信息系统导论》P150)。其中P为周长，A为面积。当S=1时，形状为圆，S越大，形状越不规则。在栅格数据分析的形状测量通常由形状紧致性SC指数描述（公式见《地理信息系统导论》P149)。其中A为面积，P为周长，正方形的形状紧致性指数等于1，形状紧致性指数越小，形状越不规则。 之所以会有差别，与矢量和栅格数据在计算机中的表达方式不同有关。

4.比较矢量数据分析中的多边形叠置分析和栅格数据分析中的逐点叠置分析，讨论它们各自的特点。 栅格数据叠置的直观概念就是将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新多边形和新多边形范围内的属性。其结果虽然数据存储量小，但是运算过程复杂。

矢量数据在叠置地图的相应位置上产生新的属性的分析方法。其结果虽然数据存储量大，但是运算过程较简单。

5.以实例讨论多边形叠置分析中三种产生叠置图的方法和结果。

（1）剪切（Clip）：产生的叠置图只保留两幅原图上位于第一幅原图范围内的要素，第二幅原图上位于第一幅原图范围以外的要素统统删除，相当于对两幅原图作逻辑AND运算以后，将其结果再与第一幅原图作逻辑OR运算。

（2）交集（Intersect）：产生的叠置图只保留两幅原图共同区域内的要素，相当于对两幅原图作逻辑AND运算。

（3）合并（Union）：产生的叠置图保留两幅原图上所有的要素，相当于对两幅原图作逻辑OR运算。 （详见《地理信息系统导论》P155中图5.45)

6.假设你要运用GIS为一家保险公司进行市场分析，网络分析功能将会起到哪些作用？ 提示：考虑GIS网络分析中的最短路径、服务范围功能等。

7.试述光线追溯法作通视情况分析的原理。

一种用于通视情况分析的“光线追溯法”(Ray Tracing)，首先以方向线或视线将观察点与目标点相连，从目标点向观察点回溯，或从观察点向目标点搜索，只要发现沿方向线有一地面点高出同一点位的方向线，就说明这一点的地形挡住了目标点，即观察点与目标点是不相通视的。 （图示参见 《地理信息系统导论》P163，图5.50)。在图5.50中，设观察点与目标之间有一地面点p，p的高程为Hp，然而在同一点方向线的高度为Hr，Hp>?? Hr，p高出了方向线，因此，从观察点看不到目标点。若已知目标点到观察点的水平距离为D，p到观察点的距离为Dp，则可计算Hr（公式详见《地理信息系统导论》P162)

8.讨论按距离加权法和样条函数法在使用高程数据内插数据高程模型时可能出现的问题。 按距离加权法在使用高程数据内插数据高程模型时，出现的问题：

（1）插值结果受r值的影响很大。若根据不同r值估算的同一未知点的值会有很大的差别。

（2）由于当任何一个di=0（1≤i≤s）时，公式无意义，因此，在内插一点时，如果该点与某一已知观测点同点，必须以同点的观测点数作为该点的输出值，从而可能导致输出数据在这一点上的不连续。 （3）按距离加权插值的结果一般都会产生许多围绕某些观测点的封闭等值线，像坐落在丘陵地带的一个个圆形小山包或圆形洼地。由于公式使用的距离都为正值，插值结果都必然在观测点数据极值范围内，既

不可能大于观测点数据的最大值，也不可能小于观测点数据的最小值。因此，如果已知的观测点数据中不包含有某个局部地区的峰值时，在该出现峰值的地方获得的内插值将会低于附近周围其他点的值，从而在输出的结果中，应该表示为山峰的地方却被表示为一块低洼盆地。因此，用户应认真评价使用该方法产生的插值结果，以避免做出不合理的判断。目前尚无数学方法用于检验这种插值方法的效果。 薄板样条函数的主要问题是在数据点或观测点稀少的地区会产生很大的梯度变化。

9.讨论趋势面分析中多项式次数对内插结果的影响。

当某一类地理实体的数值由一个方向向另一个方向递增或递减时，一次趋势面可以很好地逼近观测点数据。但在现实中，很少的地理变量值是随着地点呈线性变化的，常常需要使用高于一次的多项式拟合。二次趋势面以二次多项式拟合，适合于当某一类地理实体的数值在空间上呈抛物面时使用。通过增加趋势面次数，可以用更加复杂的曲面来拟合观测点数据。

10.解释克里格法中多项式次数对内插结果的影响。

克里格法是一种用于空间插值的地学统计方法（Geostatistical Method）。克里格法使用区域化变量（Regionalized Variable）的概念，这种变量的值随着地点而变化，具有一定的连续性，但不能以一个单一的平滑数学方程来模拟，许多地形表面、土壤质量的区域变化等都具有这种特性。这类现象的空间变化既不是随机的，也不是确定的，而是由三个部分组成：一是变化的总体趋势（Drift），即现象成连续面状分布的总体结构。二是空间自相关（Spatial Autocorrelation）变化，即偏离总体变化趋势的一些小的变化，这些变化虽然是随机的，但在空间上是相互关联的。例如，在地形表面出现的一些小峰谷，它们的高程与周围地点的高程是呈连续变化的，即相关的。三是随机误差或随机噪音（Random Noise），它们既与总体变化趋势无关，又没有空间上的相互关系。例如地面上突然出现的巨大砾石。克里格法对区域化变量的这三个成分分别采用不同的方法进行模拟和估算。总体趋势以模拟变量区域性变化的数学方程表达和计算，如趋势面方程；空间自相关变化和随机噪音通过使用称为半方差图（Semivariogram）的统计方法估算。 克里格法是一种光滑的内插方法，在数据点多时，其内插的结果可信度较高。一般来说多项式次数越高，则趋势面与实测数据偏差越小，但是，并不能说它就与实际情况就越吻合。

11.说明缓冲区分析的原理与用途，并对比在第5章中两种建立缓冲区方法的优缺点。

通过给定位置查询其邻域中的有关要素的情况，这在GIS中归结为“缓冲区”分析，也属于邻域分析的一部分内容。缓冲区分析是GIS的基本空间操作功能之一。

矢量缓冲带分析是在某一类地理实体（如点、线、面状实体）周围自动建立一定距离的带状区域或一定宽度的多边形，以识别这类实体的影响范围，或分析它们邻近区域内其他地理实体的分布。这样的带状区域称为缓冲带，如《地理信息系统导论》P151中的图5.40所示，一个点状实体的缓冲带是以该点为中心，缓冲带距离或宽度为半径的圆；一个线状实体的缓冲带是围绕其两侧的多边形条带，该多边形边界上的每个点到它的垂直距离等于缓冲带的宽度；一个面状实体的缓冲带是围绕该实体外侧的环带，环带的宽度为缓冲带宽度。缓冲带宽度一般由用户根据分析的需要定义。

栅格数据的缓冲分析原理主要基于邻域运算。它以一个栅格图层为输入，根据每个网格周围某一邻域内所有网格值计算输出网格值，并产生一个新的图层，即邻域运算输出的每一个网格值为该网格邻域内所有输入网格值的函数。

12.栅格数据与矢量数据在多层面叠置方法与结果上有什么差异？叠置分析的地学意义是什么？

叠置分析是广泛应用于地理数据综合分析的一种地图分析方法。它是将若干同一地区、不同专题的地图在统一的地表定位参照系统下叠置在一起，分析或模拟多种地表现象在空间上的相互联系，或进行某些现象的区域统计分析。主要的操作有“并”、“交”、“或”等。

在矢量GIS中，叠置分析是将两幅矢量图层通过几何图形相交合并成一幅新的矢量图层，并将两幅输入矢量图层上的地理实体的属性数据组合起来存储或表示在新的矢量图层上。矢量图层叠置分析有三种类型：点包含分析、线包含分析和多边形叠置分析。

在栅格GIS中，栅格数据的叠加分析主要是逐点运算和区域运算。 逐点运算可分为三种：数据的重新分类、数值计算、逐点叠置分析。

重新分类运算是以一个栅格图层为输入，并根据一定的分类规则或逻辑运算规则，将每个网格值重新分类，输出的图层是一个新的栅格图层，即表示每个网格重新分类后的新值。重新分类运算主要应用包括数据分离、简化和分等（详见《地理信息系统导论》P120中图5.2）。

数值计算以一个栅格图层为输入，对输入的每个网格值作一定的数学运算，以一幅新的栅格图层输出运算的结果。详见《地理信息系统导论》P121中图5.3）。

在栅格GIS中，逐点叠置分析是对两个或两个以上的输入栅格图层中同一位置（行、列）上的两个或两个以上的网格值进行逻辑、规则、算术或统计分析运算，以一个新的栅格图层直接输出运算的结果，或根据运算的结果对网格进行分类，以新的栅格图层输出分类的结果。逐点叠加分析是对多个输入栅格图层中相同位置上的网格值进行逻辑、规则、算术和统计运算，以建立多种地理实体在空间上的相互联系，或根据多种要素分析、模拟某一现象的过程。

区域运算是根据输入网格值的类别将全区划分为一系列区域，计算每个区域的几何特征，或根据包含在每个区域内的网格值计算输出网格值。在栅格图层中，一个区域由具有相同特性或属性值的网格组成。区域运算是以区域为单位分析和操作栅格数据，主要有三组：区域单元识别、分区叠置分析和几何量测。 区域单元识别

区域单元识别运算将同值的相邻接的网格组合成区域单元（相当于矢量模型中的一个多边形），并赋予每个区域单元一个唯一的识别码。

分区叠加运算是以一个输入栅格图层中定义的区域为单位，对另一个输入栅格图层表示的地理数据作某种数学或统计计算，表达各区域内某种地理实体分布的数量特征。分区叠加分析与逐点叠加分析在概念上以及在分析应用的目的上是不同的。分区叠加分析则主要是根据表示在一个输入栅格图层上的区域边界，对位于每一区域范围内的另一输入栅格图层中的网格值逐个区域地进行运算，用于分区或分类统计。 区域运算中的几何量测主要是区域面积、周长、宽度和形状特征的计算。在一幅栅格图层上，一个区域的面积是位于该区域范围边界内所有网格面积的总和，可由位于区域内网格的总数乘以一个网格的面积计算获得。一个区域的周长等于形成该区域边界的外围网格边的总数乘以一个网格的边长。如果一个区域由若干个离散分布的区域组成，则它的周长为所有这些区域周长的总和。一个区域的宽度定义为该区域内所能包含的最大圆的半径。一个区域的形状特征通常以其周长和面积的比率作定量描述。

13.网络分析对空间数据有哪些基本要求？

一组相互连接的线状实体构成网络，网络分析只对线状实体而言。这些线状实体表示了某种资源、物质或信息在地理空间上流动的通道。对地理网络（交通网）、城市基础设施网络（电力线、电话线、给排水管线等）进行地理分析和模块化，是GIS网络分析的目的。

在网络分析中，路径分析是GIS网络分析中最基本的功能，其核心是对最短路径、最佳路径以及服务范围进行分析。在实际工作中，网络数据随着应用的目的、范围、对象而变化，相互间的拓扑关系更是动态、复杂而且数量庞大。对于基于矢量数据的网络分析系统而言，还需事先做好显式数据（其通过对注入网络的数据流设置标记并由网络向发送端发送准确定量的反馈信息来实现拥塞控制数据）。组织各顶点数据，然后取得所有两结点之间的路径长度，再通过Dijkstra或其他算法取得全部顶点两两之间的路径长度，一旦一个数据变化，全部组织需要重新进行。

14.试分析栅格数据在GIS空间分析中的优点与局限性。 栅 格 3. 4. 优 点 结构简单，易于数据交换。 叠置分析和地理（能有效表达空间可变性）现象模拟较易。 利于与遥感数据的匹配应用和分析，便于图像处理。 输出快速，成本低廉。? 局限性 现象识别效果不如矢量方法，难以表达拓扑。 图形数据量大，数据结构不严密不紧凑，需用压缩技术解决该问题。 投影转换困难。 图形质量转低，图形输出不美观，线条有锯齿，需用增加栅格数量来克服，但会增加数据文件。 1. 2. 1. 2. 3. 4.

15.不同类型地理信息描述地形起伏特征分别采用什么方法，各有何优缺点？

不同的数据可以构建不同的模型，利用不同的模型可构建DEM（或DTM）来模拟地面。在GIS中，DEM是建立数字地形模型的基础数据，其它的地形要素可由DEM直接或间接导出，这种数据，称为“派生数据”，如坡度、坡向等。 常见的模型优缺点： 模型 规则格网模型 优点 1. 规则格网的高程矩阵，可以很容易地用计算机进行处理，特别是栅格数据结构的地理信息系统； 2. 还可以很容易地计算等高线、坡度坡向、山坡阴影和自动提取流域地形； 3. 为DEM最广泛使用的格式 缺点 1. 不能准确表示地形的结构和细部格网； 2. 数据量过大，给数据管理带来了不方便； 3. 通常要进行压缩存储 等高线模型 直观，便于理解 1. 只表示离散的数据，不能表示连续的数值或面状色彩填充地物特征； 2. 不便于坡度计算、地貌晕渲等 1. 在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余； 2. 在不改变格网大小的情况下，难以表达复杂地形的突变现象； 3. 某些计算，如通视问题，过分强调网格的轴方向 不规则三角网模型(TIN) 1. 减少规则格网方法带来的数据冗余 2. 在计算（如坡度）效率方面有优于纯粹基于等高线的方法 3. 利用复杂地形的表达 层次模型 1. 数据简单； 1. 因层次的数据导致数据冗余； 2. 自动搜索的效率低, 例如搜索一个点可能先在最粗的层次上搜索，再在更细的层次上搜索，直到2. 顺序查询 找到该点

16.DEM在GIS空间数据与空间分析中的地位与作用是什么？

GIS 地形分析与数据结构关系密切。不同的数据结构对应不同的模型。不同的模型对地面真实地形的模拟状况是不同的，具体见表5.3。在矢量GIS中，地形分析多以不规则三角网数据结构（TIN）为基础（见第3章），提取地形要素，包括坡度、坡向、地面点高程、地势剖面、通视情况等。

17.说明坡度、坡向、剖面曲率、平面曲率的概念、提取方法及地学意义。 18.简述规则格网DEM和TIN的数字地形分析的主要内容，并比较它们的异同。

DEM有多种表示方法，通常所说的DEM指格网DEM和不规则三角网（TIN）的DEM，地形分析也基于此。

（1）格网DEM及其建立：格网DEM是DEM的最常用的形式，其数据的组织类似于图像栅格数据，只是每个象元的值是高程值。即格网DEM是一种高程矩阵。其高程数据可直接由解析立体测图仪获取，也可由规则或不规则的离散数据内插产生。

离散点构格网DEM是在原始数据呈离散分布，或原有的格网DEM密度不够时需使用的方法。其基本思路是：选择一合理的数学模型，利用已知点上的信息求出函数的待定系数，然后求算规则格网点上的高程值。

离散点构格网DEM所采用的是内插算法，插值的方法很多，如按距离加权法、多项式内插法、样条函数内插法、多面函数法等等。大量的实验证明，由于实际地形的非平稳性，不同的内插方法对DEM的精度并无显著影响，主要取决于原始采样点的密度和分布。简单而常用的为线性内插法和双线性多项式内插法。只要将与插值点距离最近的三个点(对线性内插)或四个点(对双线性多项式内插)的坐标值和高程值代入方程，即可解出全部系数，然后用插值点的坐标带入方程，即可计算出该点的高程值。

(2)不规则三角网DEM（TIN）及其建立：规则三角网DEM直接利用原始采样点进行地形表面的重建，由连续的相互联接的三角面组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点的密度和位置。 所谓建立不规则三角网DEM，就是由离散数据点构建三角网，如图，即确定哪三个数据点构成一个三角形，也称为自动联接三角网。即对于平面上n个离散点，其平面坐标为(xi，yi)，i＝1，2，…，n，将其中相近的三点构成最佳三角形，使每个离散点都成为三角形的顶点。自动联接三角网的结果为所有三角形的三个顶点的标号，如：1，2，8；2，8，3；3，8，7(见《地理信息系统导论》P64,图3.6)。

为了获得最佳三角形，在构三角网时，应尽可能使三角形的三内角均成锐角。其基本依据是三角形余弦定理。

19.以区域土壤pH值或区域温度值内插为例，比较广义克里格法和趋势面分析两种空间插值方法的特点。

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