地理信息系统知识点大全

地理信息系统知识点大全

绪论

GIS是地理信息系统的缩写，它由计算机硬件、软件、用户、空间数据和不同方法组成的系统，主要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。GIS的软硬件环境是其重要组成部分，包括地理信息科学、地理信息服务、地理信息基础软件和解决方案数据库软件等。

GIS的概念

GIS是一种全新的思想和手段来解决复杂的规划、管理和地理相关问题，例如城市规划、商业选址、环境评估、资源管理、灾害监测、全球变化等。它主要由空间数据和关系数据库管理软件组成，流行的数据库软件主要有XXX、Sybase、Informix、DB2、SQL Server、Ingress等。XXX的SDE（Spatial Database Engine）是基于关系数据库的空间数据管理平台。

地理信息的定义

地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识。它可以通过数字、文字、图像和图形等多种方式进行表征，某些GIS软件中图形处理平台如XXX开发的AutoMapGIS软件、XXX的MGE GIS软件等都具有图形平台的功能。

空间数据是GIS的血液，GIS的操作对象就是空间数据。空间数据具有存储、分析与显示地理信息的功能，其特点包括空间参考、属性、时间数据、空间分布性、多维性、动态性（时间性）和数据量大等。空间数据的组织形式主要有矢量结构和栅格结构。

地理信息含义

地理信息的含义是“有地理参照的信息”或者“与地理位置有关的信息”。GIS的开发是以人为本的系统工程，管理人员需要具备业务素质和专业知识，才能够组织地理信息系统并具

备采集、存储、查询、分析、显示和管理的能力。了解GIS的定义和特点对于GIS的技术和功能有足够的了解，也有助于应用GIS解决实际问题。

空间变化规律，为决策提供科学依据。GIS可以应用于许多行业，例如城市规划、土地利用、环境保护、农业、水利、交通、能源、地质勘探、公共安全等。举例来说，GIS可以帮助城市规划部门进行城市空间分析，包括人口密度、交通状况、建筑物分布等，以制定更科学的城市规划方案；同时，GIS也可以帮助农业部门进行土地利用分析，包括土地类型、土地质量、产量等，以制定更合理的农业政策。

空间过程的演变规律对于国家宏观决策和区域多目标开发至关重要，因为它可以为区域经济发展提供服务。在这个过程中，气象部门、环境评估、宏观决策、规划决策、AVHRR、城市土地利用信息系统、电信资源管理、铁路地理信息系统、公安警用地理信息系统和医疗机构信息查询等方面都发挥着重要的作用。

系统软件是GIS的地学基础，它主要包括计算机的操作系统和各种标准外设的驱动软件。目前流行的系统软件有

DOS、Windows98/Nnt/2000/XP和UNIX等。系统软件的有效性直接影响到GIS软件和开发语言的使用。

地图投影是在球面和平面之间建立点与点之间函数关系的地理坐标。它是保证地图精确度的重要数学基础之一。由于地球椭球体是不可展曲面，地图为平面，因此地图投影是必要的。地球椭球体的变形包括面积变形、角度变形和长度变形。为了解决这个问题，可以使用圆锥投影、圆柱投影、方位投影、等角投影、等积投影和任意投影等方法。

空间数据的基本特征包括空间特征和时间特征。空间特征描述空间对象的地理位置和相互关系，可以用经纬度和坐标表示。时间特征描述空间对象随时间的变化。

元数据是关于数据的数据。它包括数据的描述、结构、内容、来源、质量、维护和使用等信息。元数据对于数据的管理和共享非常重要。

帮助数据生产单位有效地管理和维护空间数据，建立数据文档，提供有关数据存储、分类、内容、质量、交换网络和销售等方面的信息，以便用户查询检索地理空间数据。同时，提

供通过网络对数据进行查询检索的方法或途径，以及与数据交换和传输有关的辅助信息，帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断，提供有关信息，以便用户处理和转换有用的数据。

元数据的内容包括对数据集中各数据项、数据来源、数据所有者及数据生产历史等的说明，对数据质量的描述，如数据精度、数据的逻辑一致性、数据完整性、分辨率、源数据的比例尺等，对数据处理信息的说明，如量纲的转换等，数据转换方法的描述，对数据库的更新、集成方法等的说明。属性特征描述空间对象的特性，即是什么，如对象的类别、等级、名称、数量等。元数据的主要作用是帮助用户了解数据，以便就数据是否能满足其需求作出正确的判断。

地理坐标采用经纬度（φ,λ）来确定地球表面上任意一点的位置。平面直角坐标系首先定义一个原点（0,0）及x，y轴方向，然后通过（x,y）值确定某个地理实体的位置。常用地图投影包括中国图全国图、海图、地形图、大洲图、亚洲图、欧洲图、南北半球（或两极）图、东西半球图、世界图等。地球仪采用普通多圆锥投影。

GIS空间数据结构是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构。数据结构基础是数据元素和数据对象，数据结构是数据组织的形式，适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。矢量数据结构通过记录坐标，用点、线、面等基本要素精确描述空间拓扑关系，实现图形输出精确美观，图形数据和属性数据的恢复、更新、综合都能实现。矢量数据结构的缺点是数据结构复杂，矢量叠置较复杂，数学模拟困难，技术复杂，对软硬件要求高。

地理实体可以用矢量结构表示。矢量结构将空间分割成规则的网格，并在每个网格上定义具有起点和终点坐标的线段，从而具有方向性。矢量结构通过给出相应的属性值来表示地理实体，是一种数据组织形式。

矢量数据结构分为无拓扑关系和拓扑关系两种。无拓扑关系的矢量数据结构包括点、线和面目标，每个目标都包含目标标识、地物编码和坐标信息。矢量数据结构具有简单的数据结构和方便的空间数据叠置和组合，易于进行空间分析和数学模拟，并有利于与遥感数据的匹配应用和分析。然而，它的缺点是图形数据量大，难以建立网络连接关系，地图输出不精美。

矢量数据可以通过外业数字画测图、扫描数字化、数字摄影测量或遥感等方法获取。栅格数据则可以通过确定栅格代码的方法（中心点法、面积占优法、重要性法、长度占优法）和编码方式（按行编码、按列编码、行列混合编码）进行直接编码，也可以通过压缩编码方法（游程长度编码、链码、块码、四叉树编码）进行压缩。

拓扑关系是对空间结构关系进行明确定义的数学方法，常见的拓扑数据结构包括坐标序列法、树状索引法和四叉树编码。树状索引法通过对所有边界点数字化，将坐标对以循序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相关联，定义了具有拓扑关系的矢量数据结构。树状索引法具有明确定义的拓扑关系，但不适合复杂的空间分析，在CAD系统中广泛使用。

数据进行压缩编码的目的是为了减少数据冗余。常见的栅格结构包括正方形格网、三角形格网和正六边形格网，而拓扑数据结构可以通过点文件、线文件和多边形文件来表示。

优点：矢量数据结构可以消除多边形数据的冗余和不一致，同时保持邻接信息和岛拓扑性质在弹性变换下的不变性，可以通过查找公共弧段号的方式查询。此外，数据结构严谨，数据量小，可以表示地理数据的精度较高。

缺点：矢量数据结构表达拓扑关系较繁琐，给相邻运算、处理岛信息带来困难，以人工方式建立编码表工作量大，并且易出错。拓扑数据结构包括属性信息、位置信息和拓扑关系，需要建立拓扑关系表。

矢量数据结构的拓扑元素包括结点、链和面。结点是地图平面上反映一定意义的零维图形，如孤立点、线要素的端点、连接点、面要素边界线的首尾点等。链是两结点间的有序线段，包括线要素、线要素的某一段和面要素边界线。面是一条或若干条链构成的闭合区域，包括面要素、线要素和面边界围成的区域。

基本的拓扑关系包括关联关系、邻接关系和包含关系。关联关系是不同类拓扑元素之间的关系，邻接关系是同类拓扑元素之间的关系，包含关系是面与面内其它拓扑元素之间的关系。

建立拓扑关系表需要结点-链关系表、链-结点、面关系表和面-链、面关系表。其中，结点-链关系表规定结点是链的起点，则记录链为正；结点是链的终点，则记录链为负。链-结点、面关系表包括链、起点、终点、左面号和右面号。面-链、面关系表包括面号、链号和包含面号，规定顺时针方向构建多边形，若链方向与之相同，则记为正；若链方向与之相反，则记为负。

空间数据库是某一区域内关于一定地理要素特征的数据集合。空间数据库的组织方式包括混合结构模型和基于关系数据库管理系统（RDBMS）的模型。混合结构模型使用文件形式存储空间数据，但难以保证数据存储、操作的统一性，查询操作也较为困难。基于RDBMS的模型可以将属性数据建立在RDBMS上，数据存储和检索可靠有效，但图形文件管理功能较弱。在数据库中，文件可以存储表示实体的信息和表示实体之间联系的信息，两者通过标识符连接。

和统计是通过对空间数据进行筛选和计算，得出空间特征的一种方法。缓冲区分析是根据指定的距离或区域，生成一个或多个缓冲区，以分析空间数据的影响范围。叠置分析是将多

个空间数据图层叠置在一起，得出它们之间的关系和重叠程度。网络分析是通过网络模型，进行路径分析、服务区分析、最优路径分析等。数字高程模型是将地面高程数据转换为数字模型，以进行三维分析和可视化。

数据的采集和转换是GIS的基础工作，不同的数据来源需要采用不同的设备和方法。野外测量和数字化设备是两种常见的数据采集方法，它们分别适用于小范围和大面积的GIS数据采集。数据质量评价是确保GIS分析结果准确可靠的关键，它包括误差、准确度、精密度和不确定性等方面的评估。空间分析是GIS的核心功能之一，它通过空间查询、缓冲区分析、叠置分析、网络分析和数字高程模型等技术，提取和传输空间信息，解决空间问题。

空间查询是进行空间分析的基础，因为任何空间分析都始于空间查询。它具有回答用户简单问题、不改变空间数据库数据、不产生新的空间实体和数据等特性，同时还可以进行双向查询，即图形查属性和属性查图形。

空间查询方式包括几何查询、属性查询、结构化查询语言（SQL）和拓扑查询。几何查询和属性查询可以通过对地图中

的数据进行高亮度显示或保存来检索数据。而SQL查询则是通过Select From Where 的基本语法来检索数据。拓扑查询则是通过选择要素指定距离内的要素、与选择要素相交的要素和完全在选择要素之内的要素等方式来进行空间关系（拓扑关系）查询。

空间叠置分析是指在统一空间参照系统条件下，将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，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。它包括视觉信息叠合、点与多边形叠合、线与多边形叠合、多边形和多边形叠合以及栅格图层的叠置等类型。视觉信息叠合不会产生新的数据层面，只是将多层信息复合显示，便于分析。而其他类型的叠置分析则可以通过判断点是否在多边形内、多边形内坐标与多边形坐标的关系等算法来进行。

空间缓冲区分析是指根据空间地理实体的类别来确定其邻近对象的影响范围或服务范围，以便为某项分析或决策提供依据。

缓冲区分析是一种空间分析方法，主要分为点缓冲区分析、线缓冲区分析和面缓冲区分析三种类型。其中，点缓冲区分析

建立以点对象为中心的圆形区域，适用于污染源影响范围、公共设施服务半径和危险品仓库潜在影响范围的确定。线缓冲区分析建立沿线两侧的带状区，适用于河流两侧森林保护范围和道路拓宽改建中建筑物拆迁范围的确定。面缓冲区分析建立沿面边界线的多边形区域，适用于飞机场周围噪声影响范围和湖泊周围生态保护区范围的确定。

建立矢量数据缓冲区的方法有角分线法和凸角圆弧法，其中角分线法难以保证双线的等宽性，而凸角圆弧法则通过在凹侧用平行线交点生成对应顶点，在凸侧用圆弧弥合来解决这一问题。

缓冲区建立的原理是通过距离变换计算出背景像元与空间目标的最小距离，将距离小于等于缓冲区宽度的背景像元集合起来形成缓冲区。

缓冲区分析可以应用于自然灾害的估算，如汶川大地震灾害估算。通过建立地震源点和地震源线对象缓冲区，叠加地震影响分级缓冲区和行政边界、道路分布图进行统计分析，可以

统计受地震影响的具体县和乡镇及它们的影响程度、受影响的人口总数和受影响道路的数量及程度，并进行地震损失的估算。

网络分析功能包括路径分析、资源分配、连通分析、流分析和选址等，其中路径分析核心是对最佳路径和最短路径的求解，资源分配是为网络中的网线和结点寻找最近的中心，连通分析是从某一结点或网线出发能够到达的全部结点，流分析是将资源由一个地点运送到另一个地点，选址是在某一指定区域内选择服务性设施的位置。

本文介绍了最短路径分析数字地面模型（DTM）和数字高程模型（DEM）的定义及其算法（狄克斯特拉算法）应用。其中，数字地面模型是指地表单元上其他属性的集合，而数字高程模型则是指地表单元上高程的集合。最短路径搜索的步骤包括初始化各点对于起点的D（S）=0，对于其他点的计算。DEM数据结构可以采用不规则三角网、正方形格网或等高线等形式。

此外，本文还介绍了地理信息系统产品输出的多种形式，如点描法地图、统计图表地图、分区密度图、等值区域图、分级符号地图、分区统计图法、专题地图、点密度专题图、等级

符号专题图、范围值专题图、独立值专题图和分级统计图法等。这些地图形式可以根据不同的需求和目的选择使用。

最后，本文介绍了GIS的软件设计方法，包括原型法、结构化生命周期法和面向对象技术等。每种方法都有其优缺点，开发人员可以根据实际情况选择适合的方法进行设计。其中，原型法具有一定灵活性和可修改性，但缺乏整体性和模块重用性；结构化生命周期法则较为成熟和完善，但缺乏灵活性和难以修改和维护；面向对象技术则可以提高系统的可维护性和重用性。