《江师大地理师范期末重点》顾千苏

6、地理信息系统

　　地理信息系统
　　第一章绪论
　　1.地理信息系统（GIS）是一种用于获取、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机系统。
　　2.GIS的组成：硬件 ；软件 ；人员 ；组织
　　3.地理空间数据是用于描述位置和空间要素（如地球表面的道路、地块和地表植被）特性的数据。（GIS是空间数据和属性数据的综合体）
　　4.矢量数据模型用点及其x、y 坐标表达空间离散要素。
　　矢量数据模型可以是地理关系的或是面向对象的，拓扑或非拓扑，简单的或复合的。
　　5.栅格数据模型用格网和格网像元表达连续区域（如海拔和降雨量）。
　　6.数据获取：
　　如果无法获得公共数据,新数据可以从纸质地图或正色摄影数字化,从卫星图像创建，或从GPS数据、调查数据、街道地址、有x和y坐标的文本文件转换而来。
　　在GIS中,使用一个新数字化地图或从卫星图像创建的地图需要作几何变换（例如地理参照）。此外,现有的和新的空间数据必须编辑，如果它们包含数字化和/或拓扑错误。
　　7.属性数据管理：
　　GIS通常采用数据库管理系统(DBMS)处理属性数据,
　　属性数据在关系数据库中存为表的集合。这些表可以分别准备、维护和编辑,
　　DBMS提供连接和相关操作。
　　8.数据探查：
　　数据探查是指使用地图、表格和图进行可视化、操作和数据查询等活动。
　　GIS中的数据查询可以基于地图或基于要素。
　　9.数据分析：
　　1)用于矢量数据的两个基本分析工具是缓冲和叠置（基于矢量的叠置操作，将不同图层的几何数据和属性数据相结合创建输出图层）。
　　2)用于栅格数据的四个基本分析工具对是局部、邻域、分区和全局操作。 （多个栅格的栅格数据操作具有固定像元位置的优点。）
　　3)除了基本的分析工具,GIS数据分析还包括地形制图和分析、可视域、流域、空间插值、地理编码、动态分段、最小耗费路径、网络分析和GIS模型与建模。
　　第二章矢量数据模型
　　矢量数据的准备包括三个基本步骤：
　　?第一步在一个空白空间把空间要素分为点线和多边形并用点及其 x、 y坐标表示点、线和面表示这些要素的位置和形状；
　　?第二步构建这些几何对象在逻辑框架中的性质和空间关系；
　　?第三步把矢量数据编码和储存为计算机可读取、解译和处理的数字化数据文件使。
　　1.拓扑统一地理编码格式（TIGER）：拓扑在地理空间技术上的早期应用是来自美国人口普查局的拓扑统一地理编码格式(TIGER)数据库
　　2.拓扑的重要性：
　　1)能确保数据质量和完整性；
　　2)拓扑可强化GIS 分析。
　　3)可以重建空间实体
　　3.地理关系数据模型用两个独立的系统分别存储空间和属性数据：用图形文件存储空间数据 (“地理”) ，用关系数据库存储属性数据。
　　coverage和shapefile是地理相关数据模型的例子；coverage是拓扑的，shapefile是非拓扑的
　　4.Coverage 支持以下三种基本拓扑关系：
　　?连接性: 弧段间通过节点彼此连接。
　　?面定义: 由一系列相连的弧段定义面。
　　?邻接性: 弧段有方向性，且有左多边形和右多边形。
　　5.Shapfile
　　?Shapefile是用于Esri产品的一种标准的非拓扑数据格式。
　　?尽管Shapefile将点看做一对x、 y 坐标值 ，把线看作一系列点，把多边形看作一系列线段，但没有文件描述这些空间几何体之间的空间关系。
　　?非拓扑数据例如 shapefiles 有两个主要优点：
　　首先非拓扑矢量数据能比拓扑数据更快速地在计算机屏幕上显示出来；其次，非拓扑数据具有非专有性和互操作性。
　　6.基于对象的数据模型在两个重要方面不同于地理关系数据模型：
　　?基于对象的数据模型把空间数据和属性数据存储在一个系统中；
　　?基于对象的数据模型允许一个空间要素（对象）与一系列属性和方法相联系。
　　7.类与类之间的关系
　　?类是一系列具有相似属性的对象。
　　?类之间的关系包含：联合（Association）、聚合（aggregation）、合成(composition)、类继承（Type inheritance）和实例化（Instantiation）。
　　8.接口代表类或者对象的一系列外部可视化操作。允许用户使用对象的属性和方法
　　9.Geodatabase是 ArcObjects 的一部分，包含许多对象、属性和方法，为ArcGIS Desktop提供基础。
　　10.Geodatabase 将矢量数据集组织成要素类和要素数据集
　　?要素类存储具有相同几何类型的空间要素；
　　?要素数据集则存储具有相同坐标系和区域范围的要素类。
　　11.拓扑规则：
　　?Geodatabase将拓扑定义为关系规则，让用户选择规则，并在要素数据集中执行。
　　?Geodatabase提供了31种拓扑规则。
　　要素规 则
　　多边形不重叠, 没有间隙, 不与其它图层重叠, 必须被另一要素类覆盖, 必须相互覆盖, 必须被覆盖, 边界必须被覆盖, 区域边界必须被另一边界覆盖, 包含点，包含一个点。
　　线不重叠, 不相交, 不交叉，没有悬挂弧段, 没有伪结点, 不相交或内部接触，不与其它图层相交或内部接触，不与其它图层重叠, 必须被另一要素类覆盖, 必须被另一图层的边界覆盖，必须在内部，终节点必须被覆盖, 不能自重叠, 不能自相交, 必须是单一部分。
　　点必须与其它图层一致，不分离，必须被另一图层的边界覆盖，必须位于多边形内部, 必须被另一图层的终节点覆盖, 必须被线覆盖。
　　12.Geodatabase数据模型的优点：
　　?Geodatabase 的等级结构对于数据组织和管理十分有利。
　　?Geodatabase 是 ArcObjects的一部分，它具有面向对象技术的优势。
　　?Geodatabase 提供即时拓扑，适用于要素类内的要素或者两个或更多的参与要素类。
　　?在 ArcObjects 中有许多的对象、属性和方法可供GIS 用户定制应用。
　　?ArcObjects提供了一个可以按照各行各业的需求定制对象的模型。
　　13.复合要素是指以点、线和面合成应用而更好表示的空间要素。
　　（包括三角网(TIN)、分区和路径。）
　　14.TIN 把地表近似描绘成一组互不重叠的三角面
　　15.分区：在这里是指具有相似特征的地域范围。
　　分区数据模型应能处理好两个空间特征：
　　第一，分区可以在空间上相连和分离；
　　第二，分区可重叠或涵盖相同区域。
　　16.路径是诸如高速公路、自行车道或河流等线要素，但它与其它线要素不同在于它有度量系统，可使线性测量用于投影坐标系统中。（Geodatabase中的一条路径（粗的灰线），由带有线性测度的聚合线构成）
　　第三章栅格数据模型
　　1.栅格数据模型,也称为基于字段模型，用规则格网覆盖空间。
　　栅格表示连续的表面，但当进行数据存储和分析时，栅格由行、列、像元组成。像元又称为影像的像素。
　　栅格数据用单个像元代表点，用一系列相邻像元代表线，用连续像元的集合代表面。
　　2.栅格数据模型要素：
　　1)像元值：栅格中的每个像元携有一个值，它代表由该行该列所决定的该位置上空间现象的特征。像元值可以是整型或浮点型栅格数据。
　　2)像元大小：决定了栅格数据的分辨率。
　　3)像元浓度：是所有像元的字节数和数据类型的符号。
　　4)栅格波段：栅格数据可能具有单波段或多波段。
　　5)空间参照：栅格数据必须具有空间参照信息，这样在GIS中它们才可以和其他数据集进行空间配准。
　　3.栅格数据类型：
　　1)卫星影像
　　2)数字高程模型（DEMs）
　　3)数字正射影像
　　4)土地覆被数据
　　5)二值扫描文件s
　　6)数字栅格图(DRGs)
　　7)图形文件
　　8)特定GIS软件的栅格数据
　　4.卫星图像：
　　?被动系统, 通常称为光学系统，从地球表面反射或发射的电磁频谱获得光谱波段。
　　?主动系统, 通常指合成孔径雷达(SAR),提供它们的能量照亮一个感兴趣的领域，并测量从地球表面反射或散射的雷达电波。SAR的主要优势是可以在云、雨或黑暗下工作。
　　?对于被动和主动系统,卫星图像的空间分辨率都是指像素大小。
　　被动主动
　　特征 采集数据来自反射光能量；在云层覆盖下和夜间无数据采集 ; 亚米级空间分辨率采集数据来自雷达脉冲波;可用在各种天气条件下；空间分辨率提高
　　举例 Landsat; SPOT; GeoEye; Digital Globe; Terra TerraSAR-X; RADARSAT-2; COSMO-SkyMed
　　5.Landsat：
　　美国陆地卫星项目始于1972年, 产生了全世界使用最广泛的图像。
　　2013年2月,陆地卫星8号启动操作陆地成像仪,它提供了与陆地卫星7号类似的七个光谱波段,加上一个新的深蓝波段(波段1)和一个新的短波红外波段(波段9)。此外,陆地卫星8号携有热红外传感器,提供了两个热波段。
　　6.Spot
　　法国SPOT卫星系列始于1986年。每个SPOT卫星携带两种类型的传感器。SPOT1 - 4获得一个10米空间分辨率的单波段图像与和20米分辨率的多波段图像。2002年发射的SPOT5，发回5和2.5米分辨率的单波段图像和10米分辨率多波段图像。
　　SPOT6于2012年9月发射，提供1.5米分辨率的单一波段和6米分辨率的多波段图像。
　　现在SPOT图像的部分产品由“Airbus Defence and Space”发布，也销售极高分辨率的Pléiades卫星图像。
　　7.数字地球由QuickBird、GeoEye-1和 WorldView (1-4)卫星提供极高分辨率图像
　　8.Terra Satellite：
　　1999年,美国国家航空航天局地球观测系统发射了Terra的宇宙飞船,它携带了一系列仪器。
　　ASTER(先进星载热发射和反射辐射仪)是设计应用在土地覆被分类和变化检测的唯一的高空间分辨率仪器。ASTER的空间分辨率是可见光和近红外范围内15米,短红外波段30米,热红外波段90米。
　　9.数字高程模型(DEM)由一组均匀间隔的高程数据组成。
　　生产 DEM的传统方法是使用一个立体测图仪和航拍照片的立体相对。
　　生成DEM的新技术包括光学传感器、干涉合成孔径雷达(InSAR)、激光雷达(LiDAR)。
　　10.光学传感器：为了制作DEM,需要同一地区的来自不同方向的两个或两个以上光学卫星图像。这些立体图像应是在一个短的时间间隔里获取的,这样它们的光谱特征没有显著差异。
　　11.InSAR使用两个或两个以上的SAR图像来生成反射表面的高度, 这可能是植物,人造要素或裸露的地面。
　　12.LiDAR:
　　激光雷达系统的基本组件包括一个安装在飞机上的激光扫描仪、GPS和惯性测量装置。
　　激光雷达技术的一个主要应用就是创造了高分辨率的DEM,空间分辨率为0.5到2米。这些DEM已经作了基于WGS84 椭球的地理参照。因为激光雷达可以为一个发射脉冲检测多个返回信号,它能产生不同高度水平的DEM，比如地面高程 (从最后返回的激光雷达)和树冠高度(从第一次返回的激光雷达)。
　　13.数字正射影像（DOQ）是一种由航片或其它遥感数据制备而得的数字化影像，其中由于照相机镜头倾斜和地形起伏引起的位移已被消除。
　　14.土壤植被数据：
　　从遥感影像上获取的土地覆被数据，通常被用来分类和编译，因此常用作栅格数据。
　　美国地质调查局提供一个系列三期国家土地覆被数据库: NLCD 2001, NLCD 2006 和 NLCD 2011。
　　15.二值扫描文件是含数值 1 或数值 0 的扫描图像。
　　16.许多流行的图形文件为栅格格式，如TIFF、GIF 和 JPEG。
　　17.栅格数据结构：逐个像元编码、游程编码（RLE）、四叉树
　　18.数据压缩指数据量的减少。数据压缩与栅格数据如何编码相关。四叉树和RLE, 因为它们的数据编码的效率,也可以认为是数据压缩方法。
　　?有多种技术可以用于图像压缩，压缩技术又可以分为无损压缩和有损压缩.
　　?小波变换（wavelet transform）是用于图像压缩的最新选择，将一幅图像看作是一个波，并且逐渐将该波分解为更简单的小波。
　　19.数据转换：
　　矢量数据转换为栅格数据称为栅格化（rasterization）
　　栅格数据转换成矢量数据称为矢量化（vectorization）
　　20.数据综合：
　　?数字正射影像（DOQ）、数字栅格图（DRG）和图形文件可以作为数据显示的背景，或者作为空间数据数字化或编辑修改矢量数据的数据源。
　　?数字高程模型（DEM）是用于提取地形特征（如等高线、坡度、坡向、河网、路网、流域）的最重要数据源。
　　?有地理坐标参照的卫星影像与其他空间要素一起显示是很有用的。而卫星影像经过处理可生成诸如土地覆被、植被、城市化、积雪和环境退化等图层。
　　?矢量数据通常作为处理卫星影像的辅助信息而使用。
　　第四章数据获取
　　元数据提供关于空间数据的信息，因此它们是GIS数据不可或缺的一部分，它们通常是在数据生产过程中制备和输入的。