《地理信息系统原理》复习笔记
- 2026-11-03 03:36:03
考点知识
来源:游标卡尺的笔记
标「(待核)」的是资料里没写清、需要对照教材确认的内容。
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https://github.com/HyposeleniaCUG/GIS_final_exam_preparation第 0 节 考试总览
0.1 考试范围
第 1、2、3、4、5、6-7、8-9、12、13 章。核心逻辑链:
地球形状→ 地球椭球体 → 地理坐标系(球面经纬度)→ 地图投影 → 投影坐标系(平面米制)→ 比例尺 → 数据结构(矢量/栅格/矢量栅格一体化)→ 数据获取 → 数据处理(编辑、结构转换、压缩)→ 数据管理(空间数据库、索引、元数据)→ 空间分析 → 数字高程模型。
0.2 题型与分值(依据打印店买的两套真题)
题型 | 分值 | 答题要求 |
一、名词解释 | 15 分(每题 3 分,5 题) | 一句准确的定义 + 关键限定,背定义就得分 |
二、简答题 | 25 分(每题 5 分,5 题) | 分点列出 4-6 个要点 |
三、问答题 | 45 分(每题 15 分,3 题) | 定义→ 分类/组织方式 → 逐项优缺点(或分步叙述)→ 小结 |
四、分析题 | 15 分(1 题) | 重分类/缓冲区 → 叠加求交 → 属性检索与统计 → 结论 |
(另一套卷另有)填空题 | 25 分(25 空,每空 1 分) | 考术语、公式、数字 |
考试形式:闭卷笔试,120 分钟,卷面 100 分,辅助工具不可用。
0.3课上老师定的评分规则(最重要的一条)
分析题中,基础概念解释错误,该题后续作答不予评分。
强调:
·名词解释、定义必须背到"关键词"级;
·大题第一段先写准定义,再展开分析和举例;
·定义错,后面写得再漂亮也是 0 分。
0.4 划过的高频 / 必考点清单
13.矢栅数据优缺点对比(必考)
14.栅格五种编码:直接、链式、游程、块状(只能正方形,不能矩形)、四叉树
15.道格拉斯-普克(Douglas-Peucker)算法完整步骤(考过、简答 5-6 分)
16.空间索引的定义(考过)与 5 种索引
17.矢量面数据结构及优缺点(15 分大题)
18.栅格金字塔结构(简答)
19.不规则三角网(TIN)递归生长算法要点
20.拓扑关系(邻接、包含、连通、关联)与拓扑表
21.地图投影变形判别三条硬判据
22.高斯-克吕格投影 6°/3° 分带
23.等角 / 等积 / 等距投影区别与用途
24.数据质量六标准与误差来源
25.空间分析三类方法(查询、叠加、缓冲)
26.DEM / TIN / 数字地形分析
0.5 全课主线:GIS 的"四步世界观"(老师反复强调,必背)
老师两节复习课反复强调、并用课堂提问检查过,这是全课纲领:
27.地球形状:真实地球表面凹凸不平、不能用数学公式描述→ 计算机只能处理规则几何体 → 用地球椭球体逼近。
28.球面坐标:用地理坐标系(经纬度)定义球面上任意点位。
29.平面坐标:把球面投影到平面,得到投影坐标系(平面直角坐标,单位米/千米)。
30.尺度:在平面坐标上再定义比例尺。
老师原话大意:"这四个方面保证了我们的数据不同于一张素描画——可以量测距离、有方位感、可以做导航导弹瞄准。这是我们这个专业毕业之后的基础世界观。"
正文开始
第 1 章 绪论 没啥好说
第 2 章 地球椭球体与地图比例尺(数学基础)
2.1 必背名词解释
·地球椭球体:逼近地球形状的规则数学表面所包围的椭球体,其表面称地球椭球面。由长半轴 a、短半轴 b、扁率 f三个参数确定。关键词:规则数学表面、三参数。
·参考椭球体:与局部地区符合最好的地球椭球体。关键词:局部、符合最好。
·地理坐标系(球面坐标):用经纬度表示地面点位的球面坐标系,GIS 中常用大地经纬度定义。单位:度分秒。
·大地经度:参考椭球面上某点的大地子午面与本初子午面的二面角;东经为正、西经为负。关键词:二面角。
·大地纬度:参考椭球面上某点的法线与赤道平面的夹角;北纬为正、南纬为负。关键词:法线(不是铅垂线,这是采分点)。
·投影坐标系(平面坐标):球面坐标经地图投影得到的平面直角坐标系,单位米/千米。
·比例尺:地图上距离与实地相应距离之比;比例尺精度 = 图上 0.1 mm 所代表的实地水平距离 = 0.1 mm × 比例尺分母 M(如 1:5 万,比例尺精度 = 5 m)。(该结论按通用测绘学补充,课件未单列,待核)
2.2 必背结论
31.真实地球是赤道略鼓、两极稍扁的不规则椭球体,自然表面不能用简单数学公式描述,不能直接作测量与制图的依据面。
32.用规则椭球面逼近后,误差永远存在,只能控制误差大小使其不超过阈值(导弹精度永远达不到 100%)。
33.椭球体三参数:长半轴 a、短半轴 b、扁率 f =(a − b)/ a。
34.不同国家/地区采用不同椭球体;同一地点用不同椭球体测得的坐标不相同。
35.教材出现的椭球体:白塞尔(1841)、克拉克 1866 / 1880、海福特(1910)、克拉索夫斯基(1940,前苏联)、1975 国际椭球、1980 国际椭球、WGS-84(GPS 采用)。
36.我国:1952 年前用海福特椭球;曾用克拉索夫斯基椭球→ 1954 北京坐标系(原点在苏联)→ 1980 西安坐标系(原点在陕西泾阳)→ 2000 国家大地坐标系(CGCS2000,2008 年 7 月 1 日启用)。
37.CGCS2000 三大转变:地表原点→ 地心原点;二维 → 三维;低精度 → 高精度;服务北斗、航天遥感、海洋监测与地方测绘。
38.为什么必须把球面坐标换成平面坐标:经纬度单位是度分秒,小范围两点距离只有 0.000 几度,计算机浮点精度不足会算成 0,导致距离量测、路径分析失效;换成米制平面坐标后才能做空间分析。
39.地球仪经纬网规律:
·角度:经线与纬线处处正交(90°);
·长度:所有经线圈都是过两极的大圆、长度相等;纬线长度不等,赤道最长,向两极递减;同一纬度带内纬差相等的经线弧长(纬距)相等,不同纬线上经差相等的纬线弧长(经距)不等,由赤道向两极递减;
·面积:同一纬度带内两块相同区域面积相等;不同纬度带低纬面积大、高纬面积小。
2.3 数字与公式速记
项目 | 数值 / 公式 |
扁率 | f = (a − b) / a |
WGS-84 | a = 6 378 137 m,b = 6 356 752 m,f = 1:298.257(GPS 采用) |
海福特 1910 | a = 6 378 388 m,b = 6 356 912 m,f = 1:297.0(中国 1952 年前) |
克拉索夫斯基 1940 | a = 6 378 245 m,b = 6 356 863 m,f = 1:298.3 |
白塞尔 1841 | a = 6 377 397 m,b = 6 356 079 m,f = 1:299.15 |
克拉克 I 1866 | a = 6 378 206 m,b = 6 356 534 m,f = 1:295.0 |
克拉克 II 1880 | a = 6 378 249 m,b = 6 356 515 m,f = 1:293.47 |
1975 国际椭球 | a = 6 378 140 m,b = 6 356 755 m,f = 1:298.257 |
1980 国际椭球 | a = 6 378 137 m,b = 6 356 752 m,f = 1:298.257 |
CGCS2000 启用 | 2008 年 7 月 1 日 |
比例尺精度 | 0.1 mm × M(M 为比例尺分母) |
2.4 易错陷阱(判断/选择高频)
40.✗「地球是赤道稍扁、两极略鼓」→ ✓ 是赤道略鼓、两极稍扁。
41.✗「同一地点用不同椭球体坐标相同」→ ✓ 坐标不同。
42.✗「地球自然表面可以直接作测量制图依据」→ ✓ 必须用椭球面逼近。
43.✗「大地纬度是铅垂线与赤道面夹角」→ ✓ 是法线。
44.✗「有了椭球体就没有误差了」→ ✓ 误差永远存在,只能控制。
45.✗「经纬度数据可以直接做距离量测和缓冲区分析」→ ✓ 必须先投影成平面坐标。
46.✗「小比例尺表示范围小」→ ✓ 小比例尺表示范围大(如 1:100 万),大比例尺表示范围小、精度高。
47.✗「经距各处相等」→ ✓ 经距随纬度升高而减小;纬距才是处处相等。
2.5 常考题与答题骨架
·简答:为什么要有地球椭球体?
答:真实地球表面不规则、不能用数学公式表达,不能直接作为测量与制图的依据面;计算机只能处理规则几何体;因此用一个与地球表面吻合最好的规则椭球体来逼近,作为定位、量测与制图的基准,误差只能控制不能消除。
·简答:为什么空间数据要经过"椭球体→球面坐标→平面坐标→比例尺"四步?
答:真实地球→规则椭球体(可计算);椭球体上→经纬度(可定位);经纬度单位太大(度分秒)导致小范围数值极小、计算机精度不足→投影成米制平面坐标(可量测、可分析);平面上再定义比例尺(可制图、可换算实地距离)。
·问答:比较地理坐标系与投影坐标系。
答:地理坐标系用经纬度表示球面点位,单位度分秒,全球统一但小范围数值精度差、不能直接量测距离;投影坐标系是经纬度经地图投影后的平面直角坐标,单位米/千米,可直接做距离、面积、缓冲区分析,但只在投影带/投影区内有效,且有变形。
第 3 章 常用地图投影及其判别和选择
3.1 必背名词解释
·地图投影:把地球椭球面(曲面)上的点、线、面按一定数学法则投影到平面上的方法。因为球面不可展,必然产生变形。关键词:曲面→平面、数学法则、必有变形。
·变形椭圆(Tissot 椭圆):在椭球面上取一个微分圆,投影到平面上一般变成椭圆;椭圆的长短半轴表示该点主方向的长度变形,用来衡量和判别投影变形。
·等角投影:投影面上任一点处任意两方向线的夹角与椭球面上相应线段夹角相等(角度变形为零)。墨卡托、高斯-克吕格都是等角投影。
·等积(等面积)投影:投影面与椭球面上相应区域的面积相等(面积变形为零)。
·任意投影:长度、面积、角度都有变形,既不等角又不等积。
·等距投影:特定方向上没有长度变形的任意投影(不是独立的第四大类,这是陷阱)。
·标准线:投影面上没有变形的线。切投影为切线(1 条),割投影为割线(2 条)。
·等角航线(恒向线):地球表面上与经线相交成相同角度的螺旋曲线;在墨卡托投影上表现为直线;不是最短航线。
·大圆航线:地球面上两点间最短距离所沿的大圆弧。
·分带投影:按经差把全球划成若干带,每带单独设中央经线分别投影,以限制(不是消除)离中央经线过远造成的变形。
·简单投影:经纬网形状简单、变形规律不复杂的投影(方位、圆锥、圆柱)。
·伪投影:在正轴简单投影基础上保持纬线长度不变、把经线改为对称曲线的投影;正轴圆锥→伪圆锥、多圆锥,正轴圆柱→伪圆柱(如彭纳 Bonne 等积伪圆锥)。
·分瓣投影:按大陆或大洋分成几部分、各设一条中央经线分别投影后沿赤道连接为整体,尽量减少变形而不惜图面连续性;用于世界地图。
3.2 必背结论
48.地图投影一定有变形(球面不可展);类比:柚子皮剥开摊平,原本相邻的两块再也拼不回去;一巴掌把球拍平,纸会裂。
49.没有任何一种投影能同时做到角度、长度、面积都不变形;但可以有单项不变形(等角/等积/等距)。
50.投影方法两大类:机械法(直接展开,产生褶皱、拉伸、断裂等无规律变形)、几何透视法(球内放光源,球外放投影面,按透视关系投影后展开)。
51.变形三方面:角度(方位)变形、长度变形、面积变形。
52.判别变形性质的三条硬判据(简答必背):
·同纬度带内梯形面积不等的投影,肯定不是等积投影;
·经纬网不是处处正交的投影,肯定不是等角投影;
·投影为直线的经线(中央经线)上纬距不等的投影,肯定不是等距投影。
53.直经线上纬距的变化规律:扩大→ 等角;缩小 → 等积;相等 → 等距。
54.按投影面形状分类:圆柱投影、圆锥投影、方位(平面)投影。
55.按投影面与地轴的关系分类:投影面中心线与地轴一致→ 正轴;斜交→ 斜轴;垂直→ 横轴。
56.按投影面与地表的关系分类:切投影(1 条标准线)、割投影(2 条标准线)。
57.命名是组合式:变形性质 + 承影面形状 + 轴关系 + 切/割。例:墨卡托 = 正轴等角切圆柱投影;高斯-克吕格 = 横轴等角切(椭)圆柱投影;UTM = 横轴等角割椭圆柱投影。
58.方位投影:圆心位于投影中心点;等高圈为同心圆;任意两条垂直圈夹角投影后不变;从投影中心到区域任意点的距离和方位保持准确。用途:大致为圆形区域的小比例尺地图、南北极地图、东西半球图(横轴)、中纬度区域图(斜轴)、地震图/航空图(扩散方向和距离要准)。
59.圆锥投影:标准线在中纬度,适合沿纬线方向延伸的中纬度地区;我国全国地图常用(中国自然地图、中国社会经济地图)。
60.墨卡托投影:标准线赤道;自赤道向两极纬距逐渐扩大、变形越来越大;等角航线为直线;用于赤道附近国家地图和航海图。海图上两点连直线走,方向不变但不是最短路径,最短是大圆航线。
61.高斯-克吕格投影:标准线中央经线;赤道上经距自中央经线向东西扩大;采用分带投影。
·6° 带:全球60带;第 1 带 0°~6°E;中央经线 L₀ = 6n − 3;用于1:2.5 万 ~ 1:50 万系列比例尺地形图。
·3° 带:全球120带;第 1 带 1°30′~4°30′E;中央经线 L₀ = 3n;用于1:1 万及更大比例尺地图。
62.UTM 投影:中央经线长度比0.9996;距中央经线约±180 km的两条割线上无变形;同样采用分带。
63.分带的目的是限制变形,不是消除变形。
64.投影的用途对应(老师反复强调的"选投影"逻辑):
·导航、航海、导弹、地形图→ 要方向准 → 等角投影(墨卡托、高斯-克吕格);
·拆迁、房产、住建、城市规划、土地利用→ 要面积准 → 等面积投影;
·极区、地震、航空→ 要中心和方位准 → 方位投影;
·中国全国图→ 中纬、沿纬向延伸 → 圆锥投影。
65.投影判别四步:① 判经纬网形状 → ② 据经纬距变化规律定变形性质 → ③ 简单量算确定投影参数 → ④ 分析制图区域所处地理位置。
66.投影变换三种方法:解析变换法(反解法:投影 A → 地理坐标 → 投影 B;正解法:直接由 A 的平面坐标算 B 的平面坐标)、数值变换法(解析式未知时用多项式拟合,系数由多个已知点求出)、利用 GIS 软件变换。
67.彭纳(Bonne)投影:法国工程师彭纳创制,纬线长度不变、面积相等,用于我国《世界地图集》中的亚洲政区图。
68.郝晓光主编竖版世界地图(2013 年出版,以北纬 15°为切线),克服传统世界地图适合表达东西半球、不适合表达南北半球的缺陷。
3.3 对比速记表
类型 | 定义要害 | 直经线上纬距 | 微分圆投影后 | 典型用途 |
等角投影 | 任意两方向夹角相等 | 逐渐扩大 | 仍是圆(但面积变) | 航海图、地形图、导航 |
等积投影 | 相应区域面积相等 | 逐渐缩小 | 面积不变、形状变椭圆 | 政区图、土地利用、拆迁面积 |
等距投影 | 特定方向无长度变形(属任意投影) | 相等 | 一方向长度比 = 1 | 特定量测方向 |
任意投影 | 长、面、角都变形 | 介于其间 | 任意椭圆 | 一般参考图 |
项目 | 墨卡托 | 高斯-克吕格 | UTM |
变形性质 | 等角 | 等角 | 等角 |
承影面 / 轴 | 圆柱 / 正轴 / 切 | 椭圆柱 / 横轴 / 切 | 椭圆柱 / 横轴 / 割 |
标准线 | 赤道 | 中央经线(长度比 1) | ±180 km 两割线(中央经线比 0.9996) |
分带 | 无 | 6°/3° 分带 | 分带 |
变形规律 | 纬距向两极扩大,极地不可用 | 赤道经距向东西扩大 | 中央经线略小、边缘增大 |
用途 | 赤道带地图、航海图 | 国家大中比例尺地形图 | 国际通用、军事与全球制图 |
3.4 易错陷阱
69.✗「等距投影与等角、等积并列,是第四大类」→ ✓ 等距投影属于任意投影。
70.✗「等角投影没有变形」→ ✓ 角度不变形,但长度、面积有变形。
71.✗「墨卡托投影上两点间直线最短」→ ✓ 那条直线是等角航线,最短是大圆航线。
72.✗「高斯-克吕格分带是为了消除变形」→ ✓ 是限制/减小变形。
73.✗「6° 带中央经线 = 6n + 3」→ ✓ 是 6n − 3(第 1 带 3°E)。
74.✗「3° 带第 1 带从 0° 开始」→ ✓ 从 1°30′开始。
75.✗「伪投影改变了纬线长度」→ ✓ 伪投影保持纬线长度不变、改变经线形状。
76.✗「小比例尺适合表示小范围、用方位投影」→ ✓ 方位投影适合圆形区域 + 小比例尺(大范围)。
77.✗「切投影和割投影变形一样」→ ✓ 切投影 1 条标准线,割投影 2 条标准线,变形规律不同。
78.✗「投影变形可以完全消除」→ ✓ 不可消除,只能选择投影使其落在可接受范围。
3.5 常考题与答题骨架
·名词解释:地图投影 / 等角投影 / 等积投影 / 变形椭圆 / 标准线 / 等角航线 / 分带投影。(骨架:属概念 + 关键限定 + 性质或用途)
·简答:地图投影为什么有变形?
答:球面不可展(几何上无法在无变形条件下展成平面,柚子皮类比);机械法强行展平会产生褶皱、拉伸、断裂;因此必须用数学法则建立曲面到平面的对应,接受并控制变形。
·简答:如何判别一幅地图的投影?
答:① 看经纬网形状(平行直线→圆柱;同心圆弧→圆锥或方位;对称曲线经线→伪投影;极区同心圆→方位);② 据经纬距变化规律判变形性质(三条硬判据);③ 量算确定标准线与长度比等参数;④ 结合制图区域位置和用途判断。
·问答(15 分):试述高斯-克吕格投影的特点、分带方法与用途。
答:(1)性质:横轴等角切椭圆柱投影,等角,标准线为中央经线,中央经线长度比 = 1;(2)变形规律:离中央经线越远变形越大,赤道上经距自中央经线向东西扩大;(3)分带:为限制变形采用分带投影,6° 带全球 60 带、第 1 带 0°~6°E、L₀ = 6n − 3,用于 1:2.5 万~1:50 万地形图;3° 带全球 120 带、第 1 带 1°30′~4°30′E、L₀ = 3n,用于 1:1 万及更大比例尺;(4)用途:我国国家系列比例尺地形图的数学基础。
·问答(15 分):比较墨卡托、高斯-克吕格、UTM 三种投影并说明如何选用。
答:按上表逐项对比(性质、承影面与轴向、标准线、分带、变形分布、用途);选用原则:让标准线与制图区域的中心或主要延伸方向一致,导航类要保角、面积统计类要保积。
·简答:为什么各国椭球体不同?(联系第2章)
答:椭球体要跟本国所在区域的地球表面吻合最好,才能保证本国定位精度最高;不同区域吻合最好的椭球参数不同,因此坐标也不同。
第 4 章 GIS 的数据结构
4.1 必背名词解释
·空间实体:地理空间数据的最小单元。按维度分点(0 维)、线(1 维)、面(2 维)、体(3 维)。
·点实体:有位置,无方向、无长度、无宽度;
·线实体:有长度、能度量距离,无宽度;
·面实体:封闭多边形,有长和宽;
·体实体:有长、宽、高(三维 GIS / 数字孪生的基本单元)。
·空间实体三大特征:几何(空间位置)特征、属性特征、时间特征。
·空间实体三类关系:拓扑关系、方位(顺序)关系、度量(距离)关系。
·拓扑:几何图形或空间在连续改变形状后仍保持不变的性质(橡皮泥类比:怎么捏,粘在一起的两块还是连在一起)。
·矢量数据结构:点=坐标对 (x,y);线=具有相同属性的点的轨迹,坐标对序列;面=坐标对集合,起点与终点相同(必须闭合)。
·栅格数据结构:用规则像元(格网)阵列表达空间,每像元存属性值;栅格大小决定空间分辨率。
·栅格编码五法:直接栅格编码、链式(链码)编码、游程长度编码、块状编码、四叉树编码。
·四叉树编码:把区域递归四分,格内属性一致则停止分裂,形成树;常用线性四叉树(MD 码/Morton 码)记录叶结点地址与属性。
·表面数据模型:Z 值随平面坐标 (X,Y) 变化的曲面;Z 不一定是高程,也可是人口密度、降水、气压。表示法:规则格网 Grid与不规则三角网 TIN。
·TIN(不规则三角网):由不规则分布的数据点连成三角面构成的连续表面模型,文件含几何信息 + 拓扑信息(顶点、相邻三角形)。
·时空数据模型:在矢量/栅格基础上加入时间维,可分析动态地理现象;形式有时空立方、时空轨迹、时空动画(地图序列逐帧播放)。
·DE9IM(九交叉模型):任何几何体分为内部、边界、外部三个子集;用 3×3 矩阵描述 A、B 九个子集间的相交情况,矩阵元素取 0/1。是拓扑关系的经典形式化表达。
4.2 必背结论
79.拓扑关系的意义:利于查询和分析(提前把关系存成表,查询时直接检索,不必实时计算)。
80.表示拓扑关系的四张表:结点—弧段表、弧段—结点表、多边形—弧段表、弧段左/右多边形表。(数学上可互相推导,但软件中都要存,用空间换时间)
81.拓扑邻接=同类要素相邻(线共结点、面共弧段);拓扑关联=不同类要素互相引用(结点—弧段、弧段—面);拓扑包含=面包含点/线/面;拓扑连通=经结点—弧段可通达(网络分析基础)。
82.度量关系三口径(同一对起终点结果完全不同):欧几里得距离(直线)、网络距离(沿路网)、时间距离(最短时间)。
83.栅格五编码对比:
编码 | 思路 | 优点 | 缺点 |
直接编码 | 逐像元存二维矩阵 | 简单直观 | 冗余大、数据量最大 |
链式编码 | 起点 + 一串方向码 | 边界运算方便、压缩 | 区域(面)运算困难 |
游程长度编码 | 逐行记(属性值,连续个数) | 解码容易,块状重复区域压缩好 | 类型多、破碎时效果差 |
块状编码 | 用正方形块(行、列、边长、属性值) | 压缩效率较高 | 只能是正方形,不能矩形(易错) |
四叉树编码 | 递归四分,一致即停 | 压缩效率高,空间检索快 | 结构复杂、邻域搜索稍难 |
84.矢量 vs 栅格 对比(必考,15 分题常见):
比较项 | 矢量数据 | 栅格数据 |
数据结构 | 复杂(点线面 + 拓扑表) | 简单(像元阵列) |
存储量 | 小(公共边界只存一次) | 大(需编码压缩) |
位置精度 | 高(坐标直接记录) | 低(受栅格大小/分辨率限制) |
图形运算 | 难(叠加、求交复杂) | 易(逐像元运算) |
拓扑关系 | 显式存储 | 隐式(行列号天然定邻域) |
并行处理 | 难 | 易 |
适合分析 | 实体与网络分析(邻接查询、多边形叠加、路径) | 连续场与邻域运算(高程、密度、适宜性) |
现实流程 | 适合入库、管理、成图 | 遥感影像解译→转矢量→做拓扑/网络分析 |
记忆锚:栅格"三易两大一低"(结构易、运算易、并行易;存储大、冗余大;精度低),矢量反之。
85.Grid 与 TIN 对比:Grid 拓扑简单、算法易实现、存储方便,但占用存储大;TIN 存储效率高、无冗余、能更灵活表达复杂地形,但实现较复杂。地形平缓用 Grid,地形复杂、要保形省存储用 TIN。
86.点线面存储细节:面目标的起点与终点坐标必须相同(存两份),否则软件提示多边形不闭合、无效。
4.3 易错陷阱
87.✗「栅格数据结构简单所以存储量小」→ ✓ 结构简单但存储量大。
88.✗「矢量数据拓扑关系是隐式的」→ ✓ 矢量显式存拓扑表,栅格才是隐式。
89.✗「块状编码可以用矩形块」→ ✓ 只能正方形。
90.✗「拓扑关系改变形状就变」→ ✓ 拓扑是连续变形下不变的性质。
91.✗「距离关系就是直线距离」→ ✓ 有欧氏、网络、时间三种口径。
92.✗「TIN 存储量比 Grid 大」→ ✓ TIN 存储效率高、无冗余。
93.✗「栅格能直接做网络路径分析」→ ✓ 栅格不能,需先矢量化提取地物、建拓扑再做。
第 5 章 GIS 数据获取
5.1 必背名词解释
·空间数据质量:由于空间的复杂性、模糊性、人类认识与表达能力的局限以及人为因素,GIS 数据总是与真实值存在差异;差异不可能完全消除,但可以控制。是"决定 GIS 工程是非成败的特征"。
·数据质量六要素:位置(几何)精度、属性精度、逻辑一致性、完整性、现势性、可用性。
·3S 集成:RS(遥感)、GPS(全球定位)、GIS(地理信息系统)三者的集成,其中RS 和 GPS 主要用于获取数据。
·摄影测量:不仅拍照,还要用共线条件方程(像点、镜头中心、物点三点共线)解算目标的空间坐标。
·遥感:通过传感器获取地表信息,再把建筑物、道路等目标识别提取成矢量数据(目标识别)。
·LiDAR(激光雷达):集激光 + GPS + 惯性导航(INS)于一体的空间测量系统;能穿透植被叶冠,绝对精度约0.30 m以内。
·移动测图系统:利用移动载体及传感器快速采集地理空间信息,用于公路、铁路等地物测绘。
5.2 必背结论
94.数据来源六类:地图数据、遥感数据、测量数据、数字资料、文字报告、开放数据(另有对地观测网、通信/电话数据、互联网数据、社交媒体、POI、签到与轨迹、众源 OSM 等"空间大数据")。
95.数据获取方法四类:地图数字化、摄影测量方法、遥感方法、现有数据转换(辅以全站仪/GPS 测量、键盘输入)。
96.工程总流程:数据源→ 获取方法 → 编辑处理 → 质量评价 → 数据入库。
97.已有地图数字化流程:原始地图→ 扫描 → 栅格文件 → 栅格编辑 → 自动矢量化 → 矢量文件 → 文件转换与矢量编辑 → GIS 入库。
98.数据误差来源五阶段:
阶段 | 误差来源 |
数据采集 | 实测误差、地图制图误差、遥感数据处理误差 |
数据输入 | 数字化过程中操作员与设备的误差 |
数据存储 | 存储有效位不足(如 16/32 位存高精度数据) |
数据输出 | 输出设备误差(如屏幕分辨率不足) |
成果使用 | 用户错误理解、不正确使用信息 |
99.数据质量六要素含义:位置精度=几何误差;属性精度=属性正确性;逻辑一致性=拓扑关系正确性;完整性=几何/属性是否完备;现势性=是否反映当前现实(滑坡后还用旧数据);可用性=是否满足用户需求。
100.数据质量还受空间现象自身的不稳定性(时空变化)影响。
101.遥感与摄影测量的区别:遥感主要负责"拍照 + 目标识别提取";摄影测量要在拍照基础上用数学公式解算坐标。
5.3 易错陷阱
102.✗「数据质量可以做到 100%」→ ✓ 永远有差异,只能控制。
103.✗「逻辑一致性指的是属性对不对」→ ✓ 指拓扑关系的正确性;属性对不对是属性精度。
104.✗「现势性和完整性是一回事」→ ✓ 现势性=是否反映当前现实,完整性=要素/属性是否缺漏。
105.✗「3S 里 GIS 负责获取数据」→ ✓ RS、GPS 负责获取数据,GIS 负责管理分析。
106.✗「遥感 = 摄影测量」→ ✓ 遥感不一定解算坐标,摄影测量必须解算。
第 6-7 章 GIS 数据处理
6.1 必背名词解释
·GIS 数据处理:几何纠正、图形和文本数据编辑、图幅拼接、拓扑关系生成等,即空间数据装入地理数据库前的各种处理。
·结点(node):线(弧段)目标的端点;编辑工作很大一部分针对结点。
·伪结点:同一条弧段之间的多余结点,删除它或把两段弧段合并。
·整形:在一根线上移动、删除、增加节点以改变线形。
·线条简化(概化):消除线上部分节点使线简化,提高效率、减少存储,但精度下降、线条变粗糙。
·线条加密:按指定间隔加新点,线形状不变。
·线条光滑:加点,但新点位置由数学函数(最常用三次多项式)产生,使折线变平滑曲线(河流、等高线适用,城市道路一般不做)。
·碎多边形:相邻面边界犬牙交错产生的细碎无效多边形,需重新数字化,不严重时取中线。
·奇异多边形:多边形边界自我相交(拓扑无效),先打断弧段再删除多余部分。
·空间数据拼接:相邻图幅同一线要素咬合、同一面要素拼接后合并、同一要素属性一致;方法是通过修改点和矢量的坐标保持连续性。
·二值化:把不同灰度图像压缩成 0/1 两级。
·细化(Thinning):逐步剥除二值图像轮廓边缘点,得到线宽只有一个像元的骨架;方法有剥皮法、骨架法。
·追踪:把细化后的骨架转换为矢量坐标序列。
·拓扑化:找出线的端点、结点、孤立点,建立拓扑关系(8 邻域判据:孤立点 0 个邻点、端点 1 个、结点 ≥3 个)。
·数据压缩:减少数据存储量、加快传输与显示速度。
·选取:选择对制图目的有用的信息、舍去不必要信息(矢量压缩方法之一)。
·概括(简化):即线简化算法(矢量压缩的另一方法)。
6.2 必背结论与流程
107.要解决的数据问题六类:数据不完整/重复、位置不正确、比例尺不准确、数据变形、几何与属性连接有误、属性数据不完整。
108.图形编辑 12 类错误(a–l):(a) 结点不达 (b) 结点超出 (c) 直线悬空相交 (d) 三结点不吻合 (e) 伪结点 (f) 多边形不闭合 (g) 碎多边形 (h) 奇异多边形 (i) 删除角点 (j) 增加角点 (k) 多余小多边形 (l) 跑线。
·处理:移动结点/结点粘合(a、d、f);伪结点删除或合并弧段(e);结点超出可移动或删除悬挂弧段(b);直线悬空相交需增加结点(c);碎多边形重新数字化或取中线(g);奇异多边形打断弧段再删多余(h);多余小多边形直接删除(k)。
109.拼接三要求:线咬合、面拼接后合并、属性一致;方法是修改点和矢量的坐标。
110.拓扑建立两项:多边形闭合 + 弧段之间求交点。
111.属性编辑四类问题:字段名称/类型/格式错误;图形—属性对应关系错误;值的类型/值域与定义不符;属性赋值错误。
112.矢量栅格转换的关键公式(计算题必背):
·点栅格化:I = 1 + [(Y₀ − Y)/DY],J = 1 + [(X − X₀)/DX]([ ] 取整;O′(X₀,Y₀) 为栅格原点,DX、DY 为像元宽高;行号自上而下增大)
·点矢量化:X = X₀ + (J − 0.5)·DX,Y = Y₀ − (I − 0.5)·DY(取像元中心,别漏 0.5)
·八方向栅格化:两端点栅格化→求行列数差→列数差大时逐列求交点 X = X中心线,Y = (X − X₁)·m′ + Y₁,m′ = (Y₂−Y₁)/(X₂−X₁)→交点涂红。
·面域栅格化:种子点填充(四邻域递归);扫描线种子点填充可减少栈空间。
113.栅格地图→ 矢量数据全流程:二值化→ 二值图像预处理(去飞白、污点、边缘凹凸)→ 细化 → 追踪 → 拓扑化。
·细化三步:确定需细化的像元集合→ 移去不是骨架的像元 → 重复直到只剩骨架像元。
·细化四要求:保持线划连续性、线宽只有 1 个像元、骨架是原线划中心线、保持原有特征。
·追踪三步:找起始点记坐标→ 8 方向追踪 → 移到新点;已追踪点必须标记防止重复追踪。
114.Zhang & Suen 细化算法(难点):以 P1 为中心,8 邻域 P2…P9;
·N(P1) = P2…P9 中非零个数;S(P1) = P2…P9 为序的 0→1 变化次数;
·Step 1 四条件同时满足才删:2 ≤ N ≤ 6;S = 1;P2·P4·P6 = 0;P4·P6·P8 = 0;
·Step 2:(a)(b) 不变,条件改为 P2·P4·P8 = 0、P2·P6·P8 = 0;
·Step 1 与 Step 2 交替反复执行,直到不再有可删点。
115.线简化四算法:
算法 | 做法 | 特点 |
间隔取点法 | 每隔 k 个点或每隔一定距离取一点,首末点必留 | 简单,可能丢掉关键拐点 |
垂距法 | 顺次取三点,中间点到两侧连线的垂距 d 与限差 D 比较,d<D 删 | 简单,逐个处理 |
偏角法(合并法) | 计算 Pj 处两侧连线夹角 αj,与阈值 α₀ 比较 | 能保留尖拐点 |
道格拉斯-普克(分裂)法 | ① 首末点连线;② 求各点到该线垂距,全部 < ε₀ 则用直线代替;③ 否则取最大垂距点为保留点,分成两段递归重复 | 最著名、软件最常用,保形好;但压缩后可能自相交 |
116.矢量数据压缩两法:选取 + 概括。选取三方面:顺序(从高级到低级、从主要到次要、从大到小、从整体到局部)、数量(按数量指标)、对象。
117.线简化后可能出现自相交破坏拓扑(Shi & Cheung, 2006),因此简化不只看压缩率。
6.3 易错陷阱
118.✗「简化、加密、光滑都是删点」→ ✓ 简化删点;加密加点形状不变;光滑加点且由函数定新点位置。
119.✗「简化越多越好」→ ✓ 可能自相交,破坏拓扑。
120.✗「点栅格化公式是 I = (Y₀−Y)/DY」→ ✓ 要加 1 并取整:I = 1 + [(Y₀−Y)/DY]。
121.✗「点矢量化取像元左下角」→ ✓ 取像元中心,要有(J−0.5)、(I−0.5)。
122.✗「结点不达和结点超出是一回事」→ ✓ 一个是没到位,一个超出了。
123.✗「图幅拼接就是重新数字化」→ ✓ 是修改坐标使要素连续。
124.✗「细化就是二值化」→ ✓ 二值化压成 0/1,细化才得到单像元骨架。
125.✗「道格拉斯-普克只用一个阈值一次分割」→ ✓ 是递归分裂。
第 8-9 章 GIS 数据管理
8.1 必背名词解释
·空间数据模型三层:概念模型(实体及联系的抽象概念集)→ 逻辑模型(数据实体/记录及其关系)→ 物理模型(计算机中的物理组织与存储结构)。
·面向对象模型:以单个空间地理实体为数据组织和存储的基本单位;实体封装属性数据 + 操作集,具有继承、联合特性。
·对象:object =(ID,S,M)——ID 标识、S 内部状态(属性)、M 方法(操作)集。
·类:具有相同属性和操作的对象集合,class =(CID,CS,CM);同类空间对象在 GIS 中常存为一个要素类。
·对象类 / 要素类 / 要素数据集:对象类无空间特性(以表存在);要素类存几何(河流、道路);要素数据集是一组相同空间参考的要素类。
·文件管理方式:把 GIS 全部数据存入自行定义的空间数据结构及其操纵工具的一个或多个文件(空间数据非结构化、属性数据结构化),两者靠标识码联系。
·层 / 波段:层是逻辑概念(应对多波段数据的组织),波段是物理概念。
·影像分块:把影像机械切割成小矩形(多波段切成小立方体),块位置由左上角(xmin,ymin)与右下角(xmax,ymax)唯一确定。
·栅格影像金字塔结构:物理存储采用"金字塔层—波段—数据分块"的多级索引机制,存放多种空间分辨率的栅格数据。
·空间索引:通过更有效的组织方式抽取与空间定位相关的信息组成索引,以较小的数据量管理大量数据,提高查询效率与定位准确性。(核心关键词:提高空间查询效率,这是考过的定义题)
·对象范围索引:记录每个实体的坐标及外接矩形的最大最小坐标。
·格网索引:把空间划成大小相同的格,每格一个桶(bucket)记录落入的实体编号。
·KD 树:存 K 维空间点;每个内部节点含一点并对应一个矩形区域,奇数层按 X、偶数层按 Y把区域二分。
·R 树:B 树在多维空间的扩展,多级平衡树;存最小边界矩形(MBR)而非原始数据,MBR 位于叶结点,虚拟矩形可再套成多级索引。
·点四叉树:与 KD 树相似,但每次分成四个矩形(SW/NW/SE/NE),用数据点分割空间。
·PR 四叉树:不用数据点分割,每次把正方形四等分,直到每块不超过给定桶量。
·MX 四叉树:四等分至桶量,所有数据在同一深度,多个点可由一个指针联接。
·元数据:"关于数据的数据"、描述数据的数据;在空间数据领域是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息。
·空间数据引擎(SDE):DBMS 厂商在 RDBMS 中扩展、用于直接存储管理非结构化空间数据的专用模块(如 Oracle Spatial),定义操纵点线面等对象的 API。
8.2 必背结论
126.文件管理方式的两大缺点(15 分题答案):
① 程序依赖数据文件的存储结构,数据文件一修改,应用程序随之要改;
② 文件形式共享,多个程序共享同一数据文件时,文件修改需得到所有应用许可,不能达到真正的共享。
127.面向对象数据库为克服关系数据库局限而提出:支持变长记录、对象嵌套、信息继承与聚集,可增加空间数据类型,允许用户定义对象、数据结构及操作。
128.栅格金字塔的层级关系与变化规律(5 分简答,必背原句):
栅格数据集的物理存储采用"金字塔层—波段—数据分块"的多级索引机制组织,采用金字塔结构存放多种空间分辨率的栅格数据;同一分辨率的栅格数据组织在一个层面(Layer)内,不同分辨率的栅格数据具有上下垂直组织关系:越靠顶层,分辨率越小、数据量越小,只反映原始数据概貌;越靠底层,分辨率越大、数据量越大,更能反映原始详情。
·口诀:上小下大、上粗下细、上少下多。
·陷阱:"分辨率越小"= 越粗糙(像元越大),不是更精细。
·意图:按当前比例尺只取对应层,避免每次读全量原始数据,兼顾速度与数据量。
129.格网索引三性质:每个要素可在一个或多个网格中;每个网格可含多个要素;要素不真正被网格分割。
130.空间索引五种速记:格网(均分桶)→ KD 树(点、二分、奇 X 偶 Y)→ 四叉树(四分:点分/正方形分至桶量/同深度)→ R 树(MBR + B 树式平衡,适合面状)。
131.元数据作用 5 条:① 管理与维护数据、建立数据文档;② 提供存储、分类、内容、质量、交换网络、销售等信息便于检索;③ 提供网络检索途径与交换传输的辅助信息;④ 帮助用户判断数据是否满足需求;⑤ 便于数据处理与转换。
132.元数据内容:我国标准草案的标准部分 8 项(标识、数据质量、空间数据表示、数据集继承关系、空间参照、实体与属性、发行、元数据参考)+ 引用部分 4 项(引用、时间范围、联系、地址信息)。
133.数据组织一体化视图:数据集→ 专题图层 → 索引网格 → 空间对象;配空间索引表、空间要素表、要素属性表、外部属性表,图形与属性靠标识码连接。
134.组织层次单位:物理—位、字节、字、块、桶、卷;逻辑—数据项、数据项组、记录、文件、数据库。
8.3 易错陷阱
135.✗「元数据就是数据的副本」→ ✓ 是描述数据的数据(背景说明性信息)。
136.✗「空间索引是为了压缩数据」→ ✓ 是用小数据量管理大数据、提高查询效率。
137.✗「层和波段是一回事」→ ✓ 层是逻辑概念,波段是物理概念。
138.✗「格网索引会把要素真正切开」→ ✓ 不切分,要素可跨多个网格重复登记。
139.✗「R 树存原始数据」→ ✓ 存最小边界矩形(MBR)。
140.✗「四叉树只有一种」→ ✓ 有点四叉树、PR 四叉树、MX 四叉树,判据不同。
141.✗「金字塔顶层最详细」→ ✓ 顶层最粗(分辨率小、数据量小),底层最详细。
第 12 章 空间分析
12.1 必背名词解释
·空间分析:一组技术,其分析结果依赖于被分析对象或事件的位置,且需要同时访问对象的位置与属性。(GIS 区别于普通信息系统的核心;经典案例:John Snow 伦敦霍乱地图——病例集中在水泵周围,证明位置对分析结果的决定作用)
·几何参数查询:量算点坐标、两点距离、多边形面积与周长。
·属性查询:按字段条件检索(如"道路类型 = 主干道")。
·空间定位查询:按空间范围检索(如矩形范围内的对象)。
·空间关系查询:按拓扑关系检索(包含、内部、穿过等)。
·叠加分析:把同一位置的两个或多个数据图层进行运算,生成新的空间关系和新的属性的图层。
·缓冲区分析:以点、线、面要素为中心,按设定距离h向周围扩展形成带状或面状区域(影响范围)。
·网络分析:在结点—弧段构成的网络上做路径分析、选址(定位)、配置、可达性分析;骨干算法Dijkstra(1959)最短路径。
·定位分析:已知需求源,确定在哪里布设供应点最合适(选址)。
·配置分析:确定需求源,由哪些供应点为其服务(服务指派);与定位分析方向相反。
·空间插值(内插):在已知观测点的区域范围之内估计未知点的特征值;分逐点内插、局部内插、全局内插。
·IDW(距离倒数权重插值):按与已知点的距离平方倒数加权平均,wᵢ = 1/dᵢ²,P(Z) = Σ(WᵢZᵢ)/ΣWᵢ。
·趋势面拟合:用多项式方程代表的面逼近现象趋势变化(一阶、二阶多项式,系数由控制点估算)。
·样条函数插值:把平面分成若干单元,每单元用低阶(三次)多项式构造局部曲面,并保证整体连续。
12.2 必背结论
142.矢量叠加三类(按参与叠加的最低维要素划分):点与多边形、线与多边形、多边形与多边形。
·点与多边形:判断点落在哪个多边形内,点属性表追加多边形号;
·线与多边形:线按多边形边界被打断,输出"线号/原线号/多边形号",一条原线可对应多行;
·多边形与多边形:面相互切割、属性合并(如铁路局管辖范围图)。
143.栅格叠加三类运算:数学运算(+ − × ÷、Sin、Log)、逻辑运算(And/Or/Not)、关系运算(=、>、<、<>、≥、≤)。做题技巧:先重分类(Reclassify)为 0/1再做逻辑运算;"既是…又是…"用 And,"或"用 Or。
144.缓冲区分析链条:缓冲区→ 与目标图层叠加求交 → 属性统计出结论(缓冲区只是"范围",必须叠加拿对象才算完)。
145.缓冲区× 网络 2×2 视角:欧氏空间·均质(正圆)/欧氏空间·非均质(距离衰减)/网络空间·均质(沿路网的折线状区域)/网络空间·非均质。同一个"3 km"半径,欧氏与路网结果差异极大——用缓冲区前必须确认坐标系与"距离"的含义。
146.栅格缓冲 = 形态学算子:膨胀 A⊕B(区域变大)/ 腐蚀 A⊖B(区域变小),结果由结构元 B 的形状与原点决定。
147.网络分析应用:路径查询(Dijkstra)、定位分析、配置分析、可达性分析、路径动态分析;可达性常与网络 Voronoi 图结合(如武汉 50 家定点药房可达性:平均约 7.2 km、约 1.9 万人对应一个药房、仍有 458 万居民 3 km 内无药房)。
148.属性统计分析:统计属性字段的总和、最大、最小、平均值并绘制柱状图、扇形图、直方图、折线图、散点图。
149.插值谱系:线性→ 双线性 → IDW → 趋势面 → 样条 → 克里格;直接用途是离散 DEM 经插值转换成格网 DEM(DEM 数据网格化)。
12.3 易错陷阱
150.✗「空间分析只要有位置数据就行」→ ✓ 必须同时用位置和属性。
151.✗「缓冲距离可以直接用经纬度数值设置」→ ✓ 必须先在投影坐标系下(经纬度下距离单位是度,结果错误)。
152.✗「叠加分析就是地物叠在一起看」→ ✓ 要生成新的空间关系和新的属性。
153.✗「栅格叠加直接做逻辑运算」→ ✓ 先重分类为 0/1,否则无意义。
154.✗「定位分析和配置分析是一回事」→ ✓ 定位=已知需求找供应点;配置=已知需求确定服务指派,方向相反。
155.✗「欧氏距离等于网络距离」→ ✓ 路网约束下两者差异很大(同一对起终点可差 3 km 以上)。
第 13 章 数字高程模型(DEM)
13.1 必背名词解释
·DEM(数字高程模型):以数字形式按一定结构组织在一起、表示实际地形特征空间分布的数字模型,也是地形形状、大小和起伏的数字描述。核心 = 地形表面特征点的三维坐标数据 + 一套对地表提供连续描述的算法,即 Z = f(x,y)。
·DTM(数字地形模型):当把 DEM 的 Z 换成温度、降水、地磁、重力、土地利用、土壤类型等连续特征时,DEM 也称为 DTM。(注意:多数教材认为 DTM 范围更宽、DEM 是其高程分支;本课课件按前一种表述,答题以课件为准,必要时补一句说明)
·规则格网 DEM:把区域划成大小形状相同的格网,用行列号定位,第三维为高程;只用 z 矩阵描述,n 个点 → n 条记录。
·离散(散点)DEM:用不规则分布的离散样点,每记录含x、y、z三项,n 个点 → 3n 条记录。
·TIN(不规则三角网):由不规则分布的数据点连成的三角面网构成;三角面形状和大小取决于观测点(结点)的密度和位置(Peuker 等,1978)。
·坡度:过表面一点的切平面与水平面的夹角。
·坡向:切平面法线矢量在水平面上的投影与过该点正北方向的夹角;正北为 0°,顺时针增大(NE 45°、E 90°、S 180°、W 270°、NW 315°)。
·通视性分析(Line of Sight):判断一个观察点能否看到目标物(两点之间)。
·可视域分析(Viewshed):求一个观察点的可视区域范围;不可视部分即"雷达盲区"。
·山体阴影(Hillshade):模拟地面光照产生地形表面阴影图,强弱取决于光照角度、强度和时间。
·流域:水和其他物质排向共同出口的区域(盆地、集水地)。
13.2 必背结论
156.DEM 表示方法三种:地形等高(深)线、规则格网(Grid)、不规则三角网(TIN);其中格网结构最简单,但平坦地区存在冗余存储。
157.数据量关系(必背):规则格网 n 点 → n 条记录;离散点 n 点 → 3n 条记录;TIN → 结点表 + 三角形拓扑。
158.坡度分级:0°~0.5° 平原;>0.5°~2° 微斜坡;>2°~5° 缓斜坡;>5°~15° 斜坡;>15°~35° 陡坡;>35°~55° 峭坡;>55°~90° 垂直壁。
159.坡向:正北为 0°,顺时针增大;向阳植物选朝南(S = 180° 附近)。
160.D8 流向算法(易出计算题):在 8 个邻接单元中找最陡梯度——四正邻(上下左右)高差 ÷ 1,四对角高差÷ √2,取下降最大者作为流向。
161.流域分析三套栅格(顺序固定):① 已填洼(无凹地)的高程格网→ ② 流向格网→ ③ 水流累积格网。必须填洼,因为凹地是一个或多个单元被周围较高海拔围绕,会使流向中断、无法形成连续河道。
162.水流累积判读:累积值高的位置≈河道,累积值0的位置≈山脊线;给一个临界累积值即可提取排水网络。
163.DEM 应用:高程数据库存储、挖填土石方量计算、地形三维显示、越野通视、道路选线与坝址选择、地面比较与统计、坡度坡向图与地貌晕渲、与专题数据组合分析、景观影像模拟;把高程换成通行时间与费用、人口、污染、地下水位等表面,就是其他应用。
164.通视性≠ 可视域:通视性是"两点之间能否看见",可视域是"一个观察点能看到的面状范围"。
13.3 易错陷阱
165.✗「DEM 就是 DTM」→ ✓ DEM 通常指高程模型,DTM 是更宽(或本课所说的多属性推广)的表述,答题要说清口径。
166.✗「规则格网 DEM 存 x、y、z」→ ✓ 只存 z 矩阵,平面位置由行列号隐含(n 点 n 条)。
167.✗「坡向正北为 360°」→ ✓ 正北为 0°。
168.✗「流向计算四正和四对角都除以 1」→ ✓ 对角要除以√2。
169.✗「不用填洼就能算流向」→ ✓ 必须先填洼,否则凹地中断流向。
170.✗「水流累积值高的地方是山脊」→ ✓ 累积值高≈河道,0 值≈山脊。
171.✗「TIN 的三角形大小一样」→ ✓ 由点密度和位置决定,地形复杂处三角面小、密集。
172.✗「可视域分析就是通视性分析」→ ✓ 一个是点对点,一个是点的可视面范围。
速查 A:必背名词解释(一句话版,背关键词)
用法:让 AI 抽考时,答不出关键词就算错。
第 2-3 章
173.地球椭球体:逼近地球形状的规则数学表面,由长半轴 a、短半轴 b、扁率 f 确定。
174.参考椭球体:与局部地区吻合最好的地球椭球体。
175.地理坐标系:用经纬度表示地面点位的球面坐标系,单位度分秒。
176.大地经度:大地子午面与本初子午面的二面角。
177.大地纬度:椭球面法线与赤道面的夹角。
178.投影坐标系:经纬度经投影得到的平面直角坐标,单位米/千米。
179.地图投影:把椭球面按数学法则投影到平面的方法,必产生变形。
180.变形椭圆:椭球面上微分圆投影后形成的椭圆,用于衡量变形。
181.等角投影:任意两方向线夹角投影后不变。
182.等积投影:相应区域面积投影后不变。
183.等距投影:特定方向无长度变形的任意投影。
184.标准线:投影面上没有变形的线(切线/割线)。
185.等角航线:与经线相交成相同角度的螺旋曲线,墨卡托投影上为直线。
186.大圆航线:球面上两点间最短距离所沿的大圆弧。
187.分带投影:按经差分带、每带单设中央经线投影,以限制变形。
188.伪投影:保持纬线长度不变、把经线改为对称曲线的投影。
189.彭纳投影:等积伪圆锥投影,纬线长度不变、面积相等。
190.分瓣投影:按大陆/大洋分瓣设中央经线后连接,尽量减小变形而不惜图面连续。
第 4 章
191.空间实体:地理空间数据的最小单元,分点、线、面、体。
192.拓扑:几何图形连续变形后保持不变的性质。
193.拓扑邻接:同类要素相邻(线共结点、面共弧段)。
194.拓扑关联:不同类要素互相引用(结点—弧段、弧段—面)。
195.拓扑包含:面包含点/线/面。
196.拓扑连通:经结点—弧段可通达,网络分析的基础。
197.DE9IM:用内部/边界/外部 3×3 矩阵描述两几何体拓扑关系。
198.矢量数据结构:点用坐标对、线用坐标对序列、面用闭合坐标对集合表示。
199.栅格数据结构:用规则像元阵列表达空间,像元大小决定分辨率。
200.四叉树编码:区域递归四分,属性一致即停,形成树结构。
201.表面数据模型:Z 随 (X,Y) 变化的曲面,用 Grid 或 TIN 表示。
202.TIN:由不规则数据点连成三角面的连续表面模型,含几何与拓扑信息。
203.时空数据模型:在空间数据上增加时间维,描述动态地理现象。
第 5 章
204.空间数据质量:数据与真实值的差异,不可消除但可控制。
205.逻辑一致性:拓扑关系的正确性(属数据质量六要素之一)。
206.现势性:数据是否反映当前现实。
207.3S 集成:RS、GPS、GIS 三者集成,RS/GPS 主要用于获取数据。
208.摄影测量:用共线条件方程由像点解算目标空间坐标。
209.LiDAR:激光 + GPS + 惯性导航的空间测量系统,可穿透植被。
210.移动测图系统:利用移动载体与传感器快速采集地理空间信息的系统。
第 6-7 章
211.伪结点:同一条弧段之间的多余结点。
212.线条简化:消除线上部分节点,提高效率减少存储但精度降低。
213.线条光滑:加点且新点由数学函数(三次多项式)产生,使线平滑。
214.碎多边形:相邻面边界犬牙交错产生的细碎无效多边形。
215.奇异多边形:多边形边界自我相交的拓扑无效多边形。
216.二值化:图像压缩为 0/1 两级。
217.细化:剥除边缘点得到线宽为 1 个像元的骨架。
218.追踪:把骨架转为矢量坐标序列。
219.拓扑化:找出端点、结点、孤立点并建立拓扑关系。
220.数据压缩:减少存储量、加快传输与显示。
221.选取:选择对制图目的有用的信息、舍去不必要信息。
222.概括(简化):线简化算法,与选取并列为矢量压缩两方法。
223.道格拉斯-普克算法:首末点连线→求最大垂距→超限则分裂递归的线简化算法。
第 8-9 章
224.概念模型 / 逻辑模型 / 物理模型:空间数据模型的三层抽象。
225.面向对象模型:以单个空间实体为组织单位,封装属性与操作,可继承。
226.对象:object =(ID,S,M),标识、状态、方法集。
227.类:相同属性与操作的对象集合,class =(CID,CS,CM)。
228.要素类:具有相同属性与几何类型的要素集合(有几何)。
229.要素数据集:一组相同空间参考的要素类。
230.文件管理方式:自行定义数据结构,用多个文件存空间数据与属性数据,用标识码联系。
231.层 / 波段:层是逻辑概念,波段是物理概念。
232.影像分块:把影像切成小矩形块,块位置由左上角和右下角坐标确定。
233.栅格影像金字塔:按"金字塔层—波段—数据分块"多级索引存放多种分辨率数据。
234.空间索引:抽取空间定位信息组成索引,以小数据量管理大数据、提高查询效率。
235.对象范围索引:记录每个实体及其外接矩形最大最小坐标。
236.格网索引:空间划成大小相同的格,每格一个桶记录落入实体。
237.KD 树:K 维点索引,奇数层按 X、偶数层按 Y 二分。
238.R 树:B 树的多维扩展,多级平衡树,叶结点存最小边界矩形。
239.点四叉树:用数据点把空间四分割。
240.PR 四叉树:不用数据点,正方形四等分至每块不超过桶量。
241.MX 四叉树:四等分至桶量,所有数据同深度,多点共指针。
242.元数据:关于数据的数据,描述数据内容、质量、状况与特征的背景信息。
243.空间数据引擎 SDE:在 RDBMS 上扩展、直接管理非结构化空间数据的专用模块。
第 12 章
244.空间分析:结果依赖对象位置、需同时访问位置与属性的分析技术。
245.叠加分析:同位置多图层运算,产生新空间关系与新属性。
246.缓冲区分析:按设定距离 h 向要素周围扩展形成的区域。
247.网络分析:在结点—弧段网络上做路径、选址、配置、可达性分析(Dijkstra)。
248.定位分析:已知需求源,确定供应点布设位置(选址)。
249.配置分析:确定需求源与供应点的服务指派关系。
250.空间插值:用已知观测点估计区域内未知点特征值。
251.IDW:按距离平方倒数加权平均的插值方法。
252.趋势面拟合:用多项式曲面逼近现象趋势变化。
253.样条函数插值:分区用低阶多项式拟合并保证整体连续。
第 13 章
254.DEM:以数字形式组织、表示地形特征空间分布的数字模型,Z = f(x,y)。
255.DTM:DEM 的多属性推广(温度、降水、地磁等)。
256.坡度:过表面一点的切平面与水平面的夹角。
257.坡向:切平面法线在水平面投影与正北方向的夹角(正北 0°)。
258.通视性分析:判断两点之间能否看见。
259.可视域分析:求一个观察点的可视区域范围(不可视部分为盲区)。
260.山体阴影:模拟光照产生的地形阴影图。
261.流域:水和其他物质排向共同出口的区域。
速查 B:部分数字与公式(有个印象就行)
类别 | 内容 |
椭球参数 | f = (a − b)/a;WGS-84:a=6378137 m,b=6356752 m,f=1:298.257 |
我国坐标系 | 1954 北京(克拉索夫斯基)→ 1980 西安(原点陕西泾阳)→ CGCS2000(2008-07-01 启用) |
比例尺精度 | 0.1 mm × 比例尺分母 M(1:5 万 → 5 m) |
6° 带 | 全球60带;第 1 带 0°~6°E;L₀ = 6n − 3;1:2.5 万~1:50 万 |
3° 带 | 全球120带;第 1 带 1°30′~4°30′E;L₀ = 3n;1:1 万及更大 |
UTM | 中央经线长度比0.9996;±180 km两割线无变形 |
点栅格化 | I = 1 + [(Y₀ − Y)/DY],J = 1 + [(X − X₀)/DX] |
点矢量化 | X = X₀ + (J − 0.5)·DX,Y = Y₀ − (I − 0.5)·DY |
八方向栅格化 | X = X中心线;Y = (X − X₁)·m′ + Y₁;m′ = (Y₂−Y₁)/(X₂−X₁) |
Zhang & Suen | Step1:2≤N≤6、S=1、P2P4P6=0、P4P6P8=0;Step2:P2P4P8=0、P2P6P8=0;交替 |
金字塔数据量 | 每层行列各抽稀一半→ 每层像元为上层的 1/4,总约 4/3 倍 |
DEM 记录数 | 规则格网 n 点 → n 条;离散点 n 点 → 3n 条 |
D8 流向 | 四正邻高差÷ 1,四对角高差÷ √2,取最陡 |
坡度分级 | 0~0.5° 平原;0.5~2° 微斜坡;2~5° 缓斜坡;5~15° 斜坡;15~35° 陡坡;35~55° 峭坡;55~90° 垂直壁 |
坡向 | 正北0°,顺时针:NE 45°、E 90°、S 180°、W 270°、NW 315° |
缓冲案例 | 道路由 10 m 扩至 30 m,每 m² 补偿 3000 元;测距示例 15 m 缓冲 |
质量要素 | 位置精度、属性精度、逻辑一致性、完整性、现势性、可用性(6 项) |
元数据 | 标准部分8项 + 引用部分 4项;作用5条 |
LiDAR 精度 | 绝对精度0.30 m以内 |
栅格索引 | 常划32×32或64×64网格;倒排文件;变长指针法/位图法 |
时空动画 | 地图序列逐帧播放;时空轨迹纵轴为时间 |
真题库:打印店买的两套往年试卷(参考参考得了不一定准)
真题 1|试卷一(2016 年春《地理信息系统原理》,48 学时,120 分钟,100 分)
一、名词解释(15 分,每题 3 分)
262.矢量数据:代表地图图形的各离散点平面坐标 (x, y) 的有序集合。
263.序列快照模型:也称时间片快照模型,基本思想是把某一时间段内地理现象的变化过程,用一系列时间片段的序列快照保存起来,反映整个空间特征的状态,根据需要播放指定时间片段的快照,快照的时间间隔不一定相同。
264.R 树索引:一种多级平衡树,是B 树在多维空间上的扩展;存放的不是原始数据,而是数据的最小边界矩形(MBR),空间对象的 MBR 被包含于 R 树的叶结点中;设计一些虚拟矩形把空间位置相近的目标包含其中作为空间索引,虚拟矩形还可再套虚拟矩形形成多级索引。
265.Voronoi 图:对平面的一种划分,任意内点到该凸多边形的控制点 pᵢ 的距离都小于到其他任何控制点 pⱼ 的距离;控制点集中任意两点不共位、任意四点不共圆。
266.嵌入式 GIS:集成 GIS 功能的嵌入式系统产品,是软硬件混合的系统,即在手机、PDA、掌上电脑等嵌入式设备上实现通用 GIS 功能的 GIS 系统。
二、简答题(25 分,每题 5 分)
267.GIS 主要功能:数据输入、数据编辑、数据管理、空间分析、数据输出。
268.GIS 主要数据来源:地图数据、遥感数据、文本资料、统计资料、实测数据(或多媒体数据、已有系统数据)。
269.图形数据与属性数据的连接方法:①图形数据与专题属性数据分别管理;②对通用 DBMS 扩展以增加空间数据管理能力;③属性数据与图形数据具有统一的结构;④图形数据与属性数据自成体系。
270.网络 GIS 主要技术:XML、GML、Web Services、中间件技术等。(答案页误作"网格 GIS",按题面"网络 GIS"答)
271.矢量数据压缩方法:间隔取点法、垂距法、合并(偏角)法、分裂(道格拉斯-普克)法。
三、问答题(45 分,每题 15 分)
272.试述栅格数据的组织方法,并比较各种方法的优缺点。
★标准答案:①以像元为记录的序列——不同层上同一像元位置的各属性值表示为一个列数组;②以层为基础——每一层以像元为序记录其坐标和属性值,一层记完再记第二层,方法简单但需要的存储空间最大;③以层为基础、层内以多边形(制图单元)为序——记录多边形的属性值和充满多边形的各像元坐标。
比较:方法①节省存储空间(N 层中实际只存储了一层的像元坐标);方法③节省属性存储(同一制图单元的 n 个像元只记录一次属性值),实际是地图分析软件包常用的分级结构,多像元对应一种属性值属"多对一"关系,便于地图分析与制图;方法②形式最简单但存储最费。
273.从数据存储量、数据精度等方面试述以 GRID 和 TIN 表达数字高程模型的优缺点。
★标准答案:格网 DEM 优点——数据结构简单、便于管理;有利于地形分析、制作立体图。缺点——格网点高程的内插会损失精度;格网过大会损失地形关键特征;改变格网大小不能适用于起伏程度不同的地区;地形简单地区存在大量冗余数据。
TIN 优点——能充分利用地貌特征点、线,较好表示复杂地形;可根据不同地形选择合适采样点数;地形分析与绘制立体图也方便。缺点——数据结构复杂,不便于规范化管理,难以与矢量和栅格数据进行联合分析。
274.对象关系数据库管理方式是如何实现对空间数据的管理?有何优缺点?
★标准答案:DBMS 软件商在 RDBMS 中进行扩展,使之能直接存储和管理非结构化的空间数据(如 Informix、Oracle 推出的空间数据管理专用模块,定义操纵点、线、面、圆等空间对象的 API 函数,如 SDE、Oracle Spatial)。这种扩展模块主要解决空间数据变长记录的管理,由数据库软件商扩展,效率比二进制块管理高得多;但仍没有解决对象的嵌套问题,空间数据结构不能由用户定义,使用上受一定限制。
四、分析题(15 分)
某次大型演出,为方便购票观众,决定在城市新建多个售票点,请利用 GIS 功能给出分析方法和步骤。条件:①新售票点处于商业用地,不占用其他用地;②新售票点要离现有售票点尽可能远;③新售票点要尽可能处于人口密度大的区域;④必须离地铁出站口不超过 500 米。
★标准答案(7 步):
275.土地数据层重分类,查询检索出商业用地→ A;
276.现有售票点以某一"尽可能远"的距离为半径作缓冲区分析→ B;
277.作人口密度图,重分类为高密度区与低密度区,检索出高密度区→ C;
278.地铁出站口以500 米为半径作缓冲区分析→ D;
279.A 与 C 相交叠加→ E;
280.E 与 D 相交叠加→ F;
281.F 与 B 相减(擦除)叠加→ 得到最终结果。
真题 2|试卷二(同一课程,另一套)
一、名词解释(15 分,每题 3 分)
282.仿射变换:一种比较简单的一次变换,表达式 x′ = a₁x + a₂y + a₃,y′ = b₁x + b₂y + b₃;只要知道不在同一直线上的 3 个对应点坐标即可求得 6 个待定系数;实际应用时常利用 4 个以上对应点配合最小二乘方法求解,以提高变换精度。
283.元数据:数据的数据,是关于数据和信息资源的描述性信息(空间数据语境下:说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息)。
284.基态修正法:按事先设定的时间间隔采样,不存储研究区域中每个状态的全部信息,只存储某个时间的数据状态(基态),以及相对于基态的变化量。
285.云计算:把大量计算任务分布在大量计算机构成的资源池上,使各种应用系统能够按需获取计算能力、存储空间和各种软件服务。
286.Web Services:体系结构基于服务提供者、服务请求者、服务中介者三个角色和发布、发现、绑定三个动作;请求者用SOAP消息向提供者发送调用信息,中介者一般是UDDI。
二、简答题(25 分,每题 5 分)
287.地理信息系统软件的构成:①数据输入模块 ②数据管理模块 ③数据分析模块 ④数据输出模块 ⑤用户接口模块。
288.GIS 主要误差来源:①遥感数据误差 ②测量数据误差 ③属性数据误差 ④GPS 数据误差 ⑤地图数据误差 ⑥地图数字化精度(即采集、输入、存储、输出、使用各环节;课件口径为五阶段+六要素,两套说法都要会)。
289.建立多边形拓扑关系前,图形编辑中五类需要处理的问题:★结点平差、线光滑、线简化、去掉奇异多边形和碎多边形等(对应第 6-7 章的 12 类图形错误及处理)。
290.简述栅格影像金字塔结构:★栅格数据集的物理存储采用"金字塔层—波段—数据分块"的多级索引机制进行组织,采用金字塔结构存放多种空间分辨率的栅格数据;同一分辨率的栅格数据被组织在一个层面(Layer)内,不同分辨率的栅格数据具有上下的垂直组织关系:越靠近顶层,数据的分辨率越小、数据量也越小,只能反映原始数据的概貌;越靠近底层,数据的分辨率越大、数据量也越大,更能反映原始详情。
291.不规则三角网(TIN)递归生长算法要点:★① 在所有数据中取任意一点 1(一般从几何中心附近开始),查找距离此点最近的点 2,相连后作为初始基线 1-2;② 在初始基线右边应用 Delaunay 法则搜寻第三点 3,形成第一个 Delaunay 三角形;③ 以此三角形的两条新边(2-3、3-1)作为新的初始基线;④ 重复步骤②③ 直至所有数据点处理完毕。
三、问答题(45 分,每题 15 分)
292.举例说明矢量(面)数据结构,有何优缺点?
★标准答案:一幅地图可以划分成许多多边形,每个多边形由一条或若干条弧段组成,每条弧段由一串有序的x、y 坐标对组成,每条弧段的两个端点为结点,每个结点连接两条以上的弧段;多边形矢量编码主要用于表示空间图形为多边形的面状要素,每个多边形在数据库中是相互独立、分开存储的。
(补充)优点:①数据结构紧凑、冗余度低(公共边界只存一次);②有利于拓扑关系的建立与查询分析;③图形显示质量好、精度高;④便于面向对象的数据管理。
缺点:①数据结构复杂;②叠加等图形运算算法复杂、效率低;③对软硬件要求较高;④拓扑关系建立与维护成本高;⑤难以表达连续变化的面(如高程、温度)。
293.(配图题)试述多边形建立过程。
(补充答题骨架,对应试卷配图 P1–P5 结点、A1–A5 弧段):
① 弧段求交与打断:把相交的弧段在交点处打断,生成结点,保证弧段只在结点处相连;
② 结点匹配(结点平差):把距离小于限差的两个结点合并为一个结点,消除"结点不达/超出";
③ 建立结点—弧段表:记录每个结点连接的弧段;
④ 建立弧段—结点表与方向:记录每条弧段的起、终结点与正方向;
⑤ 按弧段方向追踪闭合多边形:从一条弧段出发,沿最右(或最左)转向前进,直到回到起点,得到一个多边形;
⑥ 确定内环(岛)与外部面域:判断多边形包含关系,记录弧段的左/右多边形;
⑦ 清理:删除悬挂弧段、伪结点、碎多边形与奇异多边形,最终形成多边形—弧段表、弧段—左/右面域表。
294.文件管理方式是如何实现对空间数据的管理?有何优缺点?
(补充,与课件一致)实现:把 GIS 全部数据存入自行定义的空间数据结构及其操纵工具的一个或多个文件;非结构化的空间数据与结构化的属性数据分别存放,两者靠标识码联系;公共数据(如公共边界)集中存一份。
优点:实现简单、直接,不需要数据库管理系统。
缺点:①程序依赖数据文件的存储结构,文件结构一改,应用程序随之要改;②文件形式共享,多个程序共享同一文件时,文件修改须取得所有应用许可,不能达到真正的共享;③数据冗余大、一致性难维护。
四、分析题(15 分)
某城市建立多个技术开发区,现需对公路进行拓宽(拓宽 100 米),需了解管线设施情况以估算经费:开发区内部分由外企资助,开发区外部分由市政财政支出。提供数据:①道路中心线(线数据层,拓宽 100 米);②技术开发区(区数据层);③管线数据(线数据层,属性项为 length、class,class 分煤气、电力、通讯、自来水 4 类)。要求得出 3 个结果:涉及的管线、管线类型、每类管线的总长度。
(补充答案要点):
295.道路中心线按 100 米作缓冲区分析→ 得到拓宽后的道路面;
296.道路面与技术开发区做相交叠加→ 筛出开发区内的道路段;
297.用该区域与管线数据做相交叠加(线与面叠加)→ 得到被拓宽工程涉及的管线段(线与多边形叠加会把线按边界打断,输出"线号/原线号/多边形号");
298.对结果按class字段做属性查询/统计→ 得到管线类型(煤气、电力、通讯、自来水);
299.对结果按length字段分类汇总→ 得到每类管线的总长度,乘以单价即得外企资助经费。
真题规律|从两套卷子看命题套路(仅供参考,不准)
规律 | 说明 |
名词解释 3 分/题,5 题 | 全是核心概念,答案往往就是一句话定义(如"元数据是数据的数据")。背定义就是拿分。 |
简答 5 分/题,5 题 | 多为"列举/简述"型:功能、来源、构成、误差来源、压缩方法、金字塔、TIN 算法步骤。答点即可,5 个点左右。 |
问答 15 分/题,3 题 | 全是"某数据结构/管理方式 + 优缺点"或"某过程的分步叙述"。答题公式:定义→ 分类/组织方式 → 逐项优缺点 → 小结。 |
分析题 15 分,1 题 | 应用场景型,答题公式:重分类/缓冲区 → 叠加求交 → 属性检索/统计 → 得出结论(本质是空间分析的组合)。 |
重复率很高 | 金字塔、TIN 递归生长、文件管理方式、矢量面结构、误差来源在两套卷中都反复出现 → 这些几乎必考。 |
真题清单|考前必须能默写的 14 个考点
300.矢栅数据结构比较(优缺点)
301.栅格数据组织方法三种及比较
302.GRID 与 TIN 表达 DEM 的优缺点
303.矢量面数据结构及优缺点
304.多边形拓扑建立过程
305.文件管理方式 / 对象关系数据库管理空间数据的优缺点
306.栅格影像金字塔结构
307.TIN和Grid
308.道格拉斯-普克算法步骤
309.空间索引(R 树、格网、KD 树、四叉树)原理
310.GIS 主要误差来源、数据质量六要素
311.图形编辑五类问题(结点平差、线光滑、线简化、奇异/碎多边形)
312.空间分析组合题(重分类+缓冲区+叠加+统计)