作者：圣才学习网
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Kang-tsung Chang《地理信息系统导论》（第5版）笔记和课后习题（含考研真题）详解试读：
第1章 绪 论
1.1 复习笔记
一、GIS
地理信息系统（GIS）是用于采集、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机系统。地理空间数据又称地理参照数据，是用于描述位置和空间要素属性的数据。
1.GIS组成（1）硬件
硬件包括计算机系统。其他设备还包括显示器、数字化仪和扫描仪，全球定位系统（GPS）接收器和野外工作的移动设备，打印机和绘图仪。（2）软件
GIS软件包括源代码和用户界面。（3）专业人员
GIS专业人员确定使用GIS的目的和目标。（4）基础设施
基本设施包括必备的技能、数据标准、数据交换中心和通用组织模式。
2.GIS简史（1）20世纪60年代末以来
计算机用于存储和处理地理参照数据。（2）60年代末到70年代
①爱丁堡大学的计算机制图，哈佛计算机图形实验室和试验制图单位。
②加拿大土地勘查和其后的加拿大地理信息系统的发展。
③Ian McHarg的《自然设计》的出版及其所包含的用于适宜性分析的地图叠置方法。
④美国人口普查局的DIME（二值独立地图编码）系统中引入带有拓扑关系的城市街道网络。（3）20世纪90年代
图形用户界面（GUI）、功能强大和能支付得起的软硬件以及公共数字化数据的出现，拓宽了GIS的应用范围，并使GIS进入主流应用。
3.GIS软件产品（1）ESRI公司
主要软件产品是ArcGIS，它包括ArcView、ArcEditor和ArcInfo三种可扩充系统。（2）Intergraph公司
两个主要产品：GeoMedia和MGE。
二、GIS应用
1.GIS在网络上应用于自然资源管理的实例（1）突发事件信息系统将野火事件编成目录，并提供火情信息。（2）土地管理局维护的公共网站公布地块、矿藏和采矿权等数据。（3）国家气象局提供天气数据。
2．互联网上GIS新近应用的例子（1）美国住房和城市发展部有一项在线服务“绘制你的社区”，它令用户将住宅开发信息与环境数据、洪水灾害、人口地理和其他数据结合在一起制图。（2）美国国家司法研究所用GIS绘制犯罪记录地图并分析其时空模式。（3）美国卫生与公众服务部的数据仓库提供了获取卫生资源的信息，包括社区卫生服务中心。（4）由美国联邦高速公路管理局提供的人口普查交通规划软件包，包括在国家的高速公路规划网络和交通规划中的其他GIS数据资源。（5）国家地理空间技术推广网络，通过连接GIS与具体地点的农业活动来促进精准农业。
3．新近的商业应用类型（1）交互式制图网站提供定位寻找不动产清单、信用社服务中心、餐馆、咖啡馆和酒店。（2）基于位置的服务可确定移动电话用户的位置信息，如附近的自动取款机和餐馆，并可追踪朋友、约会对象、小孩和老人。（3）移动GIS允许外业工人在野外收集和利用地理空间数据。（4）移动资源管理工具跟踪和管理野外工人的位置和实时移动资产。（5）汽车导航系统给司机提供实时监控、最优路线，并即时更新路况信息。
三、地理参照数据
1．坐标系统
地球表面的空间要素是以地理坐标系统为参照，用经纬度值来表示的。这些要素在地图上显示时通常是基于投影坐标系统，用x、y坐标表示。这两个空间参照系统通过投影过程联系在一起。
2．矢量数据模型（1）矢量数据模型的定义
矢量数据模型使用点及其 x、y坐标来表示具有清晰空间位置和边界的具体要素。矢量数据模型可以分为如下两类：
①地理关系数据模型
地理关系数据模型将空间要素的空间数据和属性数据分别存储，两者通过要素ID连接起来。
②基于对象的数据模型
基于对象的数据模型将几何形状和属性存储在唯一系统中，并将空间要素看作具有相关属性和方法的对象。（2）拓扑的数据意义
①拓扑明晰地表达了要素之间的空间关系。
②拓扑保证了矢量数据的完整性。（3）非拓扑的数据意义
非拓扑的数据可以实现交互式操作，并能在电脑上较快显示。（4）分区
分区允许空间不相邻多边形和重叠多边形的存在。（5）动态分段
动态分段将一维的线段测量和两维的投影坐标结合起来。
3．栅格数据模型
栅格数据模型使用格网和格网像元来表示如高程、降水等连续要素。每个像元有一个值，代表该像元位置上的连续表面的数值。
四、GIS操作
GIS操作的分类如下：
1．空间数据输入
现有的数据可以从互联网上获取，新数据可以通过纸质地图、卫星影像、GPS数据、野外调查、街道地址以及带有x、y坐标的文本文件数字化获得。新建的数字化地图大都需要编辑和几何转换。
2．属性数据管理
属性数据用来描述空间要素的特征，这些数据通过数字化和编辑来输入和校验。
3．数据显示
用于展示的地图通常具有一系列要素：标题、副标题、地图主体、图例、指北针、比例尺、注释、图廓线和边框。这些要素作为一个整体将空间信息传递给地图用户。
4．数据探查
数据探查通常是数据分析的前期工作，包括弄清数据中的大概趋势，更好地观察并理解数据子集，以及关注数据集间的可能关系。
5．数据分析（1）矢量数据分析的工具；（2）栅格数据分析的工具；（3）地形制图与分析；（4）视域和流域；（5）地理编码和动态分段；（6）路径分析和网络应用。
6.GIS 模型和建模
GIS模型一般可分为以下4种类型：（1）二值模型
二值模型通过对地图叠置分析输出结果的查询，将符合指标的区域与不符合指标的分离出来。（2）指数模型
指数模型则从地图叠置输出结果计算出指数值，基于指数值生成等级区域。（3）回归模型
回归模型也是依赖地图叠置来进行自变量与因变量之间统计关系的数据组合分析。（4）过程模型
过程模型是综合有关现实世界环境过程的已有知识，并用一组关系式和方程使过程定量化。
1.2 课后习题（含考研真题）详解
一、名词解释
1．地理信息系统[中科院2004年、南京大学2003年、中南大学2003年、中科院2003年、华东师范大学2000年、浙江大学1999年、南京大学1996年、南京大学1995年研]
答：GIS是以计算机技术为依托，以具有空间内涵的地理数据为处理对象，运用系统工程和信息科学的理论，采集、存储、显示、处理、分析、输出地理信息的计算机系统，为规划、管理和决策提供信息来源和技术支持。
2．地理信息科学[南京师范大学1999年、南京大学1998年研]
答：地理信息科学或称空间信息科学，是地理学与计算机技术的交叉学科，属于新兴的高新技术领域。地理信息科学研究的对象是，在计算机软硬件系统支持下，对地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述，解决复杂的管理、规划和决策问题。
二、简答题
1．试举例说明地理信息系统的应用前景。[武汉大学2005年复试]
答：地理信息系统的应用前景：
当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展规律方向迈进，呈现以下主要发展态势：（1）GIS已成为一门综合性技术；即GIS集成技术，3S技术等名词的出现。（2）GIS产业化的发展势头强劲；（3）GIS网络化已构成当今社会的热点；（4）地理信息科学的产生和发展。
目前GIS在各行各业都得到应用，如资源规划管理、全球变化、灾害预测等，具有广泛的应用前景。
2．定义地理空间数据。
答：地理空间数据也称地理参照数据，是用于描述位置和空间要素属性的数据。
3．阐述GIS在你所从事领域的一个应用实例。
答：GIS在栅格图象矢量化的应用（1）在tools的extensions中选中arcscan，然后在view的toolbar中选中arcscan。（2）把图象重新symbolize，使用classify分成两种类型。在图象上鼠标右击，选取properties，在选symbolgy标签，在show中选classified。（3）在arcCatalog中新建shp文件，将图象和SHP文件一起加入到ARCMAP中对SHP文件进行编辑，此时可以激活arcscan进行矢量化。
4．在你的GIS班中和项目中目前使用哪种软件和硬件？
答：在我们日常的学习中使用的软件和硬件如下（1）软件
GIS软件包括源代码和用户界面。（2）硬件
硬件包括计算机系统，如：个人计算机、工作站和操作系统。其他设备还包括用于显示的显示器，用于空间数据数字化的数字化仪和扫描仪，全球定位系统接收器和野外工作的移动设备，以及用于硬拷贝数据显示的打印机和绘图仪。
5．阐释空间数据和属性数据是GIS数据的重要组成部分。
答：GIS的操作中需要空间数据输入和属性数据管理。（1）空间数据输入
一个GIS项目最昂贵的部分即是数据的获取，无论是使用现有的数据还是创建新的数据。现有的数据可以从互联网上获取，新数据可以通过纸质地图、卫星影像、GPS数据、野外调查、街道地址以及带有x、y坐标的文本文件数字化获得。新建的数字化地图大都需要编辑和几何转换。编辑主要是去除数字化错误，诸如多边形缺失或是拓扑错误（如不闭合多边形）。几何变换是将数字化的地图转换成投影坐标系统。（2）属性数据管理
属性数据用来描述空间要素的特征，这些数据通过数字化和编辑来输入和校验。关系数据库模型是在GIS中管理属性数据的规范。关系数据库是一系列表（关系）的集合，每一个表格可以独立于其他表格来进行编制、维护和编辑，但在进行数据查询和检索时，可以将这些表格合并或者关联。关系数据库设计中的两个基本要素是关键字和数据关系类型。前者使得不同表格把相应记录建立连接，后者是指表格如何链接。
6．解释矢量数据和栅格数据之间的不同。
答：栅格与矢量数据模型的比较（1）栅格数据的优缺点
①栅格数据的优点
数据结构简单；空间叠加分析方便，有利于各空间组合分析；数据模拟便捷；适合大比
例尺。
②栅格数据的缺点
缺少空间实体的定量准确数据；缺少结构信息拓扑关系；输出图像质量不高；网络分析
困难；不适合做不连续的数据处理。（2）矢量数据的优缺点
①矢量数据的优点
数据精度高，更新方便；数据存储空间小，信息量大；数据输出精度高方便快捷；具有拓扑数据结构，有利于进行拓扑分析；适合各种比例尺。
②矢量数据的缺点
数据结构复杂，矢量化工作麻烦；图形叠加复杂绘图成本高，耗时。
7．解释地理相关数据模型和基于对象数据模型之间的不同。
答：（1）地理相关数据模型
地理相关数据模型是一种矢量数据模型，用分离的系统分别存储空间数据和属性数据。（2）基于对象的数据模型
基于对象的数据模型是一种用对象来组织空间数据的数据模型，它将空间数据和属性数据存储在同一个系统内。（3）不同之处
地理相关数据模型是将存储空间和属性数据存储在不同的系统内，而基于对象的数据模型是将空间数据和属性数据存储在同一个系统内。
8．数据探查与数据分析有何不同？
答：数据探查和数据分析均为GIS活动的一类。（1）含义不同
①数据探查包括：属性数据查询，空间数据查询，地理可视化。
②数据分析包括：矢量数据分析，栅格数据分析，地形制图与分析，视域和流域，空间插值，地理编码和动态分段，路径分析和网络应用。（2）内容不同
①数据探查通常是数据分析的前期工作，其目的在于弄清数据中的大概趋势，更好地观察并理解数据子集，以及关注数据间的可能关系。
②数据分析是在数据探查的基础上进行的操作。
9．假如要求你为班级做一个GIS项目，完成该项目需要进行哪些活动和运作？
答：完成项目需要沟通技能、组织技能和团队建设技能，其次是领导技能、处事技巧和技术技能。GIS战略规划阶段的工作内容主要包括：（1）用户调查；（2）用户需求分析；（3）系统总体设计；（4）可行性研究；（5）撰写战略规划报告。
10．说出矢量数据分析的两个例子。
答：（1）学校、医院等公共服务设施选址时，需要用到缓冲区分析等矢量数据拓扑分析方法。（2）道路拓宽改建过程中的拆迁指标计算
11．说出栅格数据分析的两种操作。
答：（1）局域分析运算
局域分析运算时栅格数据分析中的单个单元运算，对应栅格单元运算，不涉及位置运算。不受领域单元影响。（2）领域分析运算
领域运算是设计一个中心点单元和一组环绕其单元的栅格数据分析技术。领域运算一般在单个图层上进行，通过所确定的领域类型扫描整个格网。
12．你认为地理信息系统在社会中最重要的几个应用领域是什么？给出一些项目例子。
答：（1）地理信息系统在社会中最重要的几个应用领域：
①资源管理；
②区域和城乡规划；
③灾害监测；
④环境评估；
⑤作战指挥；
⑥交通运输；
⑦宏观决策。（2）具体实例
①资源管理 ，主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场) 分布、分级、统计、制图等问题。
②区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环 境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。 例如，福州市城市地价动态监测系统建设与数据更新、福州市城市住宅用地集约利用潜力评价，基于GIS技术的福建省温泉查询系统。
13．地理信息系统的主要组成及其功能。
答：（1）地理信息系统的组成
①硬件
硬件是GIS所操作的计算机。GIS软件可以在很多类型的硬件上运行。从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。
②软件
GIS 软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有：输入和处理地理信息的工具、数据库管理系统(DBMS)、支持地理查询、分析和视觉化的工具、容易使用这些工具的图形化界面(GUI)
③数据
一个GIS系统中最重要的部件就是数据了。地理数据和相关的表格数据可以自己采集或者从商业数据提供者处购买。GIS将把空间数据和其他数据源的数据集成在一起，而且可以使用那些被大多数公司用来组织和保存数据的数据库管理系统，来管理空间数据。
④人员
GIS 技术如果没有人来管理系统和制定计划应用于实际问题，将没有什么价值。GIS的用户范围包括从设计和维护系统的技术专家，到那些使用该系统并完成他们每天工作的人员。（2）地理信息系统的功能
①数据采集与编辑功能
包括图形数据采集与编辑和属性数据编辑与分析。
②数据的存储和管理功能
地理信息数据库管理系统是数据存储和管理的高新技术，包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通讯功能等。
③制图功能
根据 GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高城图等等。还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图，如坡度图、坡向图、剖面图等等。
④空间查询与空间分析功能
包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、地学分析、数字高程模型的建立、地形分析等。
⑤二次开发和编程功能
用户可以在自己的编程环境中调用GIS的命令和函数，或者GIS系统将某些功能做成专门的控件供用户开发使用。
14．阐述GIS发展的主要态势。
答：GIS发展态势：（1）GIS已成为一门综合性技术
GIS已经成为IT产业的重要组成部分；GIS与GPS、RS即“3S”集成系统，而且与CAD、多媒体、通信、因特网、OA、VR等多种技术相结合，构成综合的信息技术。
GIS成为一门综合技术的另一显著标志是其自身和支持功能的不断完善，体现在：GIS信息规范共享措施的建立；多源数据无缝集成和融合技术；开放式GIS的构建；GIS空间模型及体系的建立等。（2）GIS产业化的发展势头强劲
由于GIS是一项21世纪信息时代，关系国家综合竞争实力的高新技术，因此GIS及其产业化的发展日益受到各国普遍关注。90年代全球GIS产业以每年15% - 40%的速度增长，成为信息产业中市场前景十分广阔又相对独立的新兴产业。（3）GIS网络化已构成当今社会的热点
因特网的迅速发展为GIS技术发展提供一次良机，Web以HTTP（超文本传输协议）为信息通信协议，采用B/S结构，采用先进网络技术。方便在网上进行地理空间分析、查询、预测、推理等。极大拓展GIS的功能。（4）地理信息科学的产生和发展
随着研究的深入，地理信息科学概念逐渐形成，Goodchild在1992年提出它的定义：
地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题，如数据的获取和集成、分布计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对地理信息系统操作的影响、GIS的社会实践等。
地理信息科学的提出是GIS技术及其应用发展到一个相当水平后的必然要求，但它作为一个新兴的分支学科，其科学理论和方法还处于初级阶段，学科体系尚未健全，它有三部分构成：地球信息机理是其研究主体，地理信息技术是其研究手段，全球变化与区域可持续发展是其主要研究领域。
第2章 坐标系统
2.1 复习笔记
一、地理坐标系统
1．地理坐标系统的定义
地理坐标系统是地球表面空间要素的定位参照系统。地理坐标系统是由经度和纬度定义的。（1）经纬度的度量
经度是从本初子午线开始向东或向西量度角度，纬度是从赤道平面向北或向南量度角度。图2-1 左图上的a代表经度读数，右图上的b代表纬度读数。经、纬度均用角度度量（2）子午线
子午线是指经度相同的线。本初子午线经过英格兰的格林尼治，经度为0°以本初子午线为参照，可以从本初子午线开始向东或向西在0°～180°测量地球表面某个地点的经度值。（3）纬线
纬线是指纬度相同的线。以赤道为0°纬度，从赤道向南或向北在0°～90°测量纬度值。纬线用于测量南北方向的位置。（4）地理坐标与平面坐标
本初子午线和赤道被看作是地理坐标系统的基线。地理坐标的符号就像一个平面坐标：经度值相当于坐标系统的x值，纬度值相当于y值。GIS中通常输入带正号或负号的经度和纬度值。经度值以东半球为正，西半球为负。纬度值以赤道以北为正，赤道以南为负。（5）经纬度的表示
经线和纬线的角度可以用度一分一秒（DMS）、十进制表示的度数（DD），或者是弧度（rad）的形式表示。
2．地球的近似表示（1）椭球体
地球的赤道比两极之间宽一些，与地球形状比较接近的是一个以椭圆短轴旋转而成的椭球，也称为椭球体。（2）椭球体的基本特征
椭球有与赤道相连的长轴（a）和与极点相接的短轴（b）（图2-2）。参数扁率（f）用于测量椭球两轴的差异，定义公式为（a-b）/a。图2-2 扁率取决于长半轴a与短半轴b之差异
3．大地基准（1）大地基准的定义
大地基准是地球的一个数学模型，可作为计算某个位置地理坐标的参照或基础。大地基准的定义包括大地原点、用于计算的椭球参数、椭球与地球在原点的分离。（2）大地基准的演变
①20世纪80年代末，克拉克椭球1866作为一个大地测量椭球体，成为美国地图绘制的标准椭球体。
②NAD27（1927年北美基准面）建立在克拉克椭球1866的基础上，其原点位于堪萨斯州的Meades Ranch。
③1986年美国国家大地测量局（NGS）引入的NAD83（1983年北美基准）是以GRS80（大地测量参照系统1980）椭球体为基础的以地球为中心（也称为地心）的基准面。
④WGS84（全球大地测量系统1984）是由美国国防部的国家图像与制图局（NIMA，现在的国家地理空间情报局，或称为NGA）制定的参照系统或基准。
二、地图投影
1．地图投影的定义及优点（1）地图投影的定义
投影是从球形的地球表面到平面的转换过程，这个转换过程的结果是地图投影，即以经纬线在平面上以系统排列来代表地理坐标系统。（2）地图投影的优点
①地图投影可用二维的纸质或数字地图代替地球仪；
②地图投影可用平面坐标或投影坐标，而不是是经纬度值。用地理坐标计算会更加复杂，还会减少距离测量的精度。
2．地图投影类型（1）按地图投影所保留的性质分类及其特征
①分类
制图者通常根据地图投影所保留的性质将其分成四类：正形、等面积或等积、等距和等方向或真方位。
②特征
a．正形投影保留了局部角度及其形状；
b．等积投影以正确的相对大小显示面积；
c．等距投影保持沿确定路线的比例尺不变；
d．等方位投影保持确定的准确方向。（2）按投影面来分类
地图投影可根据投影面划分为圆柱投影、圆锥投影和方位投影。
3．地图投影参数（1）标准线的定义
标准线是指投影面与参考椭球的切线，是定义地图投影的一个普通参数，它与切割状态直接相关。如果标准线沿纬线方向则称为标准纬线，如果沿经线方向则称为标准经线。（2）比例尺
①定义
比例尺是指图上（或球体）距离与相应的实地距离之间的比值，是一种普通的测量投影变形方法。
②适用范围
主比例尺仅适用于地图投影的标准线，这就是标准纬线有时也称为真比例尺纬线的原因。局部比例尺适用于地图投影的其他部分。局部比例尺会依投影变形的程度而发生变化。（3）比例系数的定义
比例系数是标准局部比例尺，即局部比例尺与主比例尺的比值。
三、常用地图投影
1．横轴墨卡托投影
横轴墨卡托投影又称为高斯-克里格投影，是墨卡托投影的一种变种，是世界上最有名的投影。墨卡托投影用的是标准纬线，而横轴墨卡托投影用的则是标准经线。两种投影都属于正形投影。
2．兰勃特正形圆锥投影
对于东西伸展大于南北伸展的中纬度地区，用兰勃特正形圆锥投影是一个很好的选择。
3．阿伯斯等积圆锥投影
阿伯斯等积圆锥投影要求的参数与兰勃特正形圆锥投影所要求的参数相同。实际上两个投影看起来很相似，不同之处在于一个是等积投影而另一个是正形投影。
4．等距圆锥投影
等距圆锥投影也称为简单圆锥投影。该投影保持了所有经线和一条或两条标准线上的距离性质。它所用的参数与兰勃特正形圆锥投影所用的参数相同。
四、投影坐标系统
1．投影坐标系统的定义
投影坐标系统是基于地图投影而建立的。投影坐标系统和地图投影可以交替使用。美国常用以下三种坐标系统：通用横轴墨卡托格网系统、通用极射格网系统（UPS）和国家平面坐标系统（SPC）。
2．通用横轴墨卡托格网系统（1）UTM格网系统适用于全世界范围。（2）将84°N到80°S的地球表面分成60个带，每个带覆盖6个经度，并从180°W开始编为第一带，依序编号。（3）每个带又分成南北两个半球。每个UTM分带名称都带有一个号码和一个字母。
图2-3显示美国大陆的UTM分带。图2-3 美国的UTM分带，从10N分带到19N分带
3．通用极射坐标系格网系统
UPS格网系统覆盖了极地地区。与UTM格网系统相似，极射投影2以极点为中心，并将极地地区分成一系列100000m的地区。
4．国家平面坐标系统（1）SPC系统的定义
SPC系统是在20世纪30年代发展起来的，用于永久记录美国最初土地调查界碑位置。为了保持1：10000或更大比例尺的精度，一个州可能有两个或多个SPC分带。（2）SPC的特点
①每个SPC带都有一个地图投影。
②南北方向延伸的带适用横轴墨卡托投影，东西方向延伸的带适用兰勃特正形圆锥投影。
③每个SPC带中点的位置都用该带西南端的伪原点来度量。
5．公用土地调查系统
PLSS是一个土地分区系统。采用镇区和山脉相交线，该系统将主要位于中、西部各州的土地分成6mi×6mi的方格或镇区。每个镇区进一步被分成36个1lniz（640acres）的单元，称为地块（实际上，很多地块的大小都不是精确的1mi×1mi）。
五、在GIS中运用坐标系统
1．投影文件（1）投影文件的定义
投影文件是一个存储了数据集所基于的坐标系统的信息的文本文件。（2）投影文件包含的信息
投影文件包括三个部分
①第一部分定义地理坐标系统
大地基准面定义为NAD83，椭球体定义为GRS80，本初子午线为格林尼治0°经线，单位为度。
②第二部分列明了各投影参数
名称、横坐标东移假定值、纵坐标北移假定值、中央经线、比例系数和纬度原点。
③第三部分定义线单位为米（3）投影文件的用途
①识别数据集的坐标系；
②可用于该数据集的投影或重新投影；
③可输出到基于相同坐标系统的其他数据集。
2．预定义坐标系统
GIS软件包通常把坐标系统分成预定义和自定义两组。一个预定义坐标系统，无论是地理坐标系统还是投影坐标系统，都意味着其参数值已知或在GIS软件包中已被编码。因此用户可以选择预定义坐标系统而无需定义参数。相反，自定义坐标系统要求用户指定参数值。
3．即时投影
即时投影是GIS销售商重点推介的一个特征。即时投影可根据不同坐标系统显示其数据集。软件包使用现有投影文件并自动将数据集转换成通用坐标系统，这个通用坐标系统是所显示的第一个数据集的默认坐标系统。
2.2 课后习题（含考研真题）详解
一、名词解释
1．投影转换[河海大学2005年、西北大学2001年研]
答：投影转换是从一种地图投影变换为另一种地图投影。其实质是建立两平面场之间及邻域双向连续点的一一对应的关系。
2．仿射变换[南京大学2003年研]
答：仿射变换是GIS数据处理中使用最多的一种几何纠正方法。它的主要特性为：同时考虑到因地突变形而引起的实际比例尺在x和y方向上的变形，因此纠正后的坐标数据在不同方向上的长度比将发生变化。
二、简答题
1．试描述适合GIS应用的地球形状和大小的三种水平的近似体。
答：（1）第一级近似
人类在长期生产实践中，认为地球的形状为圆球形，这是第一级近似。（2）第二级近似
到18 世纪末，人们普遍认识到地球为极轴方向扁缩的椭球，这是第二级近似。为了数学上计算方便，来代表地球的形状。所谓旋转椭球体是将一个椭圆以它的短轴为轴旋转而成的球体。（3）第三级近似
地球不是流体，所以旋转椭球体的光滑表面并不完全和地球真实形状一致。地球表面有大陆和海洋，地势有高有低，其形状是非常不规则的。后来通过重力测量采用“大地水准体”（Geoid）这个概念来代表地球的形状，这是第三级近似。
2．描述美国常用的两种大地基准。
答：美国常用的两种大地基准（1）NAD83
NAD83是以GRS80椭球体为基础的以地球为中心的基准面。GRS80椭球的长半轴和短半轴分别为6378137.0m（3962.94mi）和6356752.3m（3949．65mi），扁率为1／298.257。GRS80的地球形状和大小是由多普勒卫星测量而确定的。（2）WGS84
WGS84（全球大地测量系统1984）是由美国国防部的国家图像与制图局（NIMA，现在的国家地理空间情报局，或称为NGA）制定的参照系统或基准（Kumar1993）。WGS84在长半轴和短半轴方面与GRS80一致。但是WGS84有一组第一参数和第二参数。第一参数定义了地球的形状和大小，第二参数涉及用于不同国家的本地基准。
3．解释地图投影的重要性。
答：（1）地图投影的定义
投影的过程就是从球形的地球表面到平面的转换过程，这个转换过程的结果是地图投影，即以经纬线在平面上以系统排列来代表地理坐标系统。（2）地图投影的重要性
①地图投影可用二维的纸质或数字地图代替地球仪。
②地图投影可用平面坐标或投影坐标，而不是经纬度值。用地理坐标计算会更加复杂，还会减少距离测量的精度。
③GIS的基础是各种数据而各种数据要数字化到电脑都需要正确的投影才能和实际坐标相匹配因而地图投影对于GIS举具有重要意义。
4．根据所保留性质描述地图投影的四种类型。
答：制图者通常根据地图投影所保留的性质将其分成四类：正形、等面积或等积、等距和等方向或真方位。（1）正形投影
正形投影保留了局部角度及其形状；（2）等积投影
等积投影以正确的相对大小显示面积；（3）等距投影
等距投影保持沿确定路线的比例尺不变；（4）等方位投影
等方位投影保持确定的准确方向。
5．通过投影或可展曲面描述地图投影的三种类型。
答：地图投影可根据投影面划分为圆柱投影、圆锥投影和方位投影。（1）圆柱投影
以圆柱面为投影面的投影称为圆柱投影；（2）圆锥投影
以圆锥面为投影面的投影称为圆锥投影；（3）方位投影
以平面为投影面的投影则称为方位投影。
6．解释标准线和中央线的差异。
答：（1）标准线
标准线指明投影变形分布的模式。（2）中心线
中心线（中央纬线和中央经线）定义了地图投影的中心或原点。
7．比例系数如何与主比例尺建立联系？
答：比例系数是标准局部比例尺，即局部比例尺与主比例尺的比值。
8．说出两种基于横轴墨卡托投影的常用投影坐标系统。
答：基于横轴墨卡托投影的常用投影坐标系统有：通用横轴墨卡托格网系统，通用极射坐标系格网系统这两种。
9．解释一个UTM分带如何以其中央经线、标准经线和比例系数来定义。
答：每个UTM分带都用通用正割横轴墨卡托投影制图，中央经线的比例系数为0．9996，原点纬线是赤道。两条标准经线分别距中央子午线以西和以东180 km（图2．13）。每个UTM带的作用就是保持精度至少为1：2500（即UTM格网系统上2500m路程的距离量测与真实距离的误差在1m以内）。
10．描述即时投影如何运作。
答：即时投影是GIS销售商重点推介的一个特征。即时投影可根据不同坐标系统显示其数据集。软件包使用现有投影文件并自动将数据集转换成通用坐标系统，这个通用坐标系统是所显示的第一个数据集的默认坐标系统。如果数据集有未知坐标系统，GIS软件包可使用一个假定坐标系统来替代。
即时投影不是真的改变数据集的坐标系统。因此，在GIS项目中它不能代替数据集投影和重新投影任务。如果某个数据集在不同坐标系统中被频繁使用，就要对其进行重新投影。而如果用于空间分析的数据集有不同的坐标系统，我们就要把它们转换成同一坐标系统才能获得最大精度。
11．地图投影的方式。
答：（1）等角正切方位投影
主要用于两极地区1:100万地图。以极地为投影中心，又称球面极地投影。纬线为以极为中心的同心圆，经线为由极向四周辐射的直线，纬距由中心向外扩大。投影中央部分的长度和面积变形小，向外逐渐增大。（2）等积斜切方位投影
主要用于亚洲、欧洲、北美等大区域地图。中国政区亦采用该投影，投影中心点为30°N，105 ° E。又称地平投影。此投影将极地偏于一边，投影中心点随需要而定。中央经线为直线，其余经线和纬线均为曲线，纬线为同交点椭圆弧。中央经线上纬线自投影中心点向上向下逐渐减小；投影中心点向外，长度和角度变形逐渐增大。（3）等距正割圆锥投影
适用于东西方向长的地图。圆锥体面割于球面两条纬线。纬线呈同心圆弧，经线呈从纬线圆心辐射的直线束。各经线和两标纬无长度变形，即M=1,n1=1,n2=1，其它纬线均有长度变形。在两标纬之间角度、长度和面积变形为负，在两标纬外变形为正。离开标纬愈远，变形的绝对值愈大。（4）等积正割圆锥投影
适用于东西南北近乎等大的地区，以及要求面积正确的地图。经纬线形状与等距正割圆锥投影相同。为达到等积目的，即mn=1，将经线长度加以缩放改进。两标纬上无长度变形，在两标纬之间经线长度变形为正，纬线长度变形为负；在两标纬外经线长度变形为负，纬线长度变形为正。角度变形在标纬附近很小，离开标纬愈远，变形愈大。（5）等角正割圆锥投影
全球1:100万地形图的数学基础。经纬线形状与等距正割圆锥投影相同。为达到等角目的，即m=n，将经线长度加以缩放改进。两标纬上无变形，在两标纬之间面积、长度变形为正，两标纬外变形为负，离开标纬愈远，变形愈大。适用于要求方向正确的地图。
12．地图投影的选择因素？
答：选择制图投影时主要考虑以下因素：制图区域的范围、形状和地理位置，地图的用途、出版方式及其他特殊要求等，其中制图区域的范围、形状和地理位置是主要因素。（1）对于世界地图，常用的主要是正圆柱、伪圆柱和多圆锥投影。在世界地图中常用墨卡托投影绘制世界航线图、世界交通图与世界时区图。（2）对于半球地图，东、西半球图常选用横轴方位投影；南、北半球图常选用正轴方位投影；水、陆半球图一般选用斜轴方位投影。（3）对于其他的中、小范围的投影选择，须考虑到它的轮廓形状和地理位置，最好是使等变形线与制图区域的轮廓形状基本一致，以便减少图形变形。因此，圆形区域一般适于采用方位投影，在两极附近则采用正轴方位投影，以赤道为中心的地区采用横轴方位投影，在中纬度地区采用斜轴方位投影。在东西延伸的中纬度地区，一般多采用正轴圆锥投影，如中国与美国。在赤道两侧东西延伸的地区，则宜采用正轴圆柱投影，在南北方向延伸的地区，一般采用横轴圆柱投影和多圆锥投影。
13.GIS中地图投影设计与配置的原则？
答：GIS中地图投影设计与配置的原则：（1）所配置的投影系统应与相应比例尺的国家基本图（基本比例尺地形图、基本省去图或国家大地图集）投影系统一致。（2）系统只考虑至多采用两种投影系统，一种服务于大比例尺的数据处理与输入输出，另一种服务于中小比例尺的数据处理与输入输出。（3）所用投影以等角投影为宜。（4）所用投影应能与网咯坐标系统相适应，即所采用的网咯系统（特别是一级网络）在投影带中应保持完整。
第3章 矢量数据模型
3.1 复习笔记
一、简单要素的表示
1．空间要素的表示
矢量数据模型用点、线和面等几何对象来表示简单的空间要素。
2．点、线、面所表示要素的区别
这三种几何对象及其所表示的要素间的区别在于维度和性质。（1）点
点的维数为零，且只有位置性质。点要素由一个点或一系列独立点组成。（2）线
线是一维的，除了位置之外，还有长度特性。线是由两个端点及其之间一系列具有标记线形态的点所构成，线的形态可以是平滑曲线或者是折线（相连的直线线段）。折线要素由线组成。（3）面
面是二维的，除了位置之外，还有面积和周长性质。面由连接的、闭合的和不相交的线段组成，面要素可以是单独边界的或与其他面共享边界的。面要素由多边形组成。
二、拓扑
1．拓扑的定义
拓扑是研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质。
2．拓扑统一地理编码格式
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。（1）普查区在TIGER数据库中，点称为0像元，线称为1像元，面称为2像元。TIGER数据库中每一个1像元是一条从起点指向终点的且有明确左右侧的有向线。（2）每一个2像元和0像元都有与之相关联的1像元知识。（3）TIGER数据库包括点、线和面之间的空间关系。基于这种内置的空间关系，TIGER数据库可以将街区与构成其边界的街道或道路联系起来，同样，也可以确定在某一条街道左侧或右侧的地址。
3．拓扑的重要性
拓扑有两个主要优点：（1）拓扑能确保数据质量和完整性。（2）拓扑可强化GIS分析。
三、地理关系数据模型
1.Coverage
Coverage支持以下三种基本拓扑关系。（1）连接性
弧段间通过节点彼此连接；（2）面定义
由一系列相连的弧段定义面；（3）邻接性
弧段有方向性，且有左多边形和右多边形。
2.Coverage数据结构（1）点的Coverage数据结构
点的Coverage很简单，包含要素标识码（IDs）和成对的x和y坐标（图3-1）。图3-1 点的Coverage数据结构（2）线的Coverage数据结构
图3-2显示线的Coverage数据结构。开始点称为起“始节点”，结束点称为“到节点”。弧段-节点表列出了弧段-节点的关系。图3-2 线的Coverage数据结构（3）面的Coverage数据结构
图3-3显示面的Coverage数据结构。多边形-弧段表显示多边形和弧段之间的关系。在图3-3中的弧段-坐标清单显示了组成弧段的节点和端点。图3-3 多边形的Coverage数据结构
3．非拓扑矢量数据
在ESRI产品中采用的标准非拓扑数据格式称为Shapefile。非拓扑数据有两个主要优点：（1）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。对于仅仅是使用而不是生产GIS数据的用户而言，该优点特别重要。（2）非拓扑数据具有非专有性和互操作性，这意味着非拓扑数据可以在不同软件包之间通用。
四、基于对象数据模型
基于对象数据模型将地理空间数据作为对象。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。
1．类和类之间的关系（1）类的定义
类是一系列具有相似属性的对象。（2）类之间的关系
为了使软件开发商能够系统地组织类和它们的属性及方法，面向对象技术允许建立类之间的关系。
①联合
联合指两个类之间有多少种对应关系。形成对应关系的两个类可构成一个对应关系表达式。对应关系表达式的一端是1（默认），另一端是1或更多（1．．*）。
②聚合
聚合定义了类之间的整体与部分的关系。聚合是联合概念的一种情况，只是在对应关系表达式的一端（“整体”）数目为1，而另一端（“部分”）是0或任意一个正整数。
③合成
合成描述部分是不能独立于整体存在的一种联合。
④类继承
类继承指的是父类和子类间的关系。子类是父类的一员，并继承父类的属性和方法，但是子类可以拥有区别于父类中其他子类的属于自己的属性和方法。
⑤实例化
实例化指一个类的对象可以由另一个类中的对象创建。
2．接口（1）接口的定义
接口代表类或者对象的一系列外部可视化操作。基于对象技术是使用封装性将对象的属性和方法隐藏起来，使得只能通过预定义接口访问对象的技术。（2）如何用两个接口来获得一个要素图层的区域范围
①通过IGeodataset这一Geodataset对象所支持的接口来访问Extent属性
属性Extent返回对象Envelope，用于执行IEnvelope接口。
②用接口的属性XMin、XMax、YMin和YMax来获得区域范围。
3.Geodatabase（1）Geodatabase
Geodatabase是基于对象矢量数据模型的一个例子，是由ESRI公司开发的作为 ArcGIS Desktop基础的AreObjeets的一部分。（2）ArcObjects
ArcObjects包含数千的对象和类。许多ArcGIS用户不需要直接处理ArcObjects，因为菜单、图标和对话框已经由ESRI公司制定，以访问在ArcObjects中的对象以及它们的属性和方法。（3）Geodatabase对矢量空间要素的表示方法
①点
点要素可以是单一的一个点，也可以由多个点组成。
②聚合线
聚合线要素由一系列线段组成，线段间可以相互连接或不连接。
③多边形
多边形要素由一个或多个环组成。一个环由一系列相互连接的、闭合的和无交叉的线段组成。（4）Geodatabase对矢量数据集的组织
Geodatabase将矢量数据集组织成要素类和要素数据集。
①要素类
要素类存储具有相同几何类型的空间要素。除了要素类外，Geodatabase也能存储栅格数据、不规则三角网、位置数据和属性表。
②要素数据集
要素数据集存储具有相同坐标系和区域范围的要素类。要素数据集中包含的要素类与其他要素类有拓扑关联，如不同水平的人口普查单元共用边界。（5）Geodatabase的用途
Geodatabase可用于单个用户，也可用于多个用户。
①单个用户
单用户数据库可以是个人Geodatabase或者文件Geodatabase。
a．个人Geodatabase
个人Geodatabase将数据存储在Microsoft Access数据库的表格中，以mdb为扩展名；
b．文件Geodatabase
文件Geodatabase是把数据以许多小文件的形式存储在文件夹中，以gdb为扩展名。它没有整个数据库的大小限制，并且可以跨平台作业。
②多个用户
多用户或者ArcSDE geodatabase在数据库管理系统如Oracle、Microsoft SQL Server、 IBM DB2和Informix中存储数据。
4．拓扑规则（1）拓扑规则
Geodatabase提供了即时拓扑，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。（2）拓扑规则按要素分类
表3-1显示按要素类归纳的25种拓扑规则。一些规则用于一个要素类里的要素，而另一些用于两个或多个要素类。用于一个几何要素类中的要素的规则，在功能上与Coverage模型所带的拓扑相似；用于两个或多个要素类的规则只出现在Geodatabase中。表3-1 Geodatabase数据模型中的拓扑规则要素类规则不重叠，没有间隙，不与其他图层重叠，必须被另一要素类覆盖，必须相互覆盖，必须被覆盖，边界多边形必须被覆盖，区域边界必须被另一边界覆盖，包含点不重叠，不相交，没有悬挂弧段，没有伪结点，不相交或内部接触，不与其他图层重叠，必须被另一线要素类覆盖，必须被另一图层的边界覆盖，终节点必须被覆盖，不能自重叠，不能自相交，必须是单一部分必须被另一图层的边界覆盖，必须位于多边形内点部，必须被另一图层的终节点覆盖，必须被线覆盖（3）拓扑规则的实际应用
①国家间不能重叠；
②国家间不能存在间隙；
③国界不能有悬挂点（即国界必须封闭）；
④人口普查区和县必须彼此覆盖；
⑤投票区必须被县覆盖；
⑥等高线不能相交；
⑦州际道路必须被参照线的要素类覆盖（如道路要素类）；
③里程标志必须被参照线覆盖；
⑨标识点必须落在多边形内。
5.Geodatabase数据模型的优点（1）Geodatabase的等级结构对于数据组织和管理十分有利（2）Geodatabase是ArcObjects的一部分，它具有面向对象技术的优势（3）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拓扑可以确保数据的完整性并能提高某些类型的数据分析。即时拓扑给用户提供了多种选择，并让他们决定哪些拓扑规则是项目所需要的。（4）在ArcObjeets中有许多的对象、属性和方法可供GIS用户定制应用
定制应用可以减少大量的重复性工作，加速工作流程，可以创建ArcGIS不易实现的功能。（5）ArcObjects提供了一个可以按照各行各业的需求定制对象的模型
五、复合要素的表示
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。
1．不规则三角网（1）TIN的特点
TIN把地表近似描绘成一组互不重叠的三角面。每个三角面在TIN中都有一个恒定的倾斜度。平坦地区可用少量样点和大三角形来描绘，而高度变化大的地区则需要更密而较小的三角面来描绘。TIN用来地形制图和分析，特别是用3-D表达。（2）TIN的基本组成要素
TIN组成要素包括点、线和面。
①初始TIN组成要素
初始的TIN可以由高程点和等高线来构造，可以与线要素如河流、山脊线、道路，面要素如湖泊和水库相结合，以提高地表拟合精度。
②制作好的TIN组成要素
一个制作好的TIN由三种几何对象组成：三角形（区域）、点（节点）和线（边界）。（3）TIN数据结构
TIN数据结构包括三角形编号、每个毗连三角形的编号和数据文件，数据文件列表显示点、边界以及每个高程点的x、y和z值（图3-4）。图3-4 TIN的数据结构
2．分区（1）分区的定义
分区是指具有相似特征的地域范围。等级分区将地表逐级细分，随着分区变小其内部相似性递增。（2）分区数据模型应能处理的空间特征
①分区可以在空间上相连和分离；
②分区可重叠或涵盖相同区域（图3-5）。
简单的多边形Coverage不能处理这两个特征，因此分区在多边形Coverage中以亚类来组织，并且通过附加数据文件，每个分区与其上的多边形和弧段建立联系。图3-5分区数据模型允许分区相互重叠（a），且可有空间上分离的多边形（b）图3-6 分区亚类的数据结构（3）分区亚类
分区亚类可由现有的多边形和弧段生成，许多政府部门已使用分区数据模型来创建和存储派生数据图层用于分发。图3-6是一个文件结构的分区子类，具有四个多边形、五个弧段和两个分区。
3．路径（1）路径的定义
路径是诸如高速公路、自行车道或河流等线要素。它与其他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。（2）路径的应用
交通运输部门常用线性测量来定位事故、桥梁和沿路的路况；自然资源部门也用线性测量来记录沿河的水质数据、渔业情况。这些线性属性，称为事件。事件必须与路径相联系，使得它们可以与其他空间要素一起被显示和分析。（3）路径亚类
线性Coverage将路径存储为亚类。路径亚类是区段的集合。区段直接指线Coverage的线（或弧段）和沿线的位置。
3.2 课后习题（含考研真题）详解
一、名词解释
1．拓扑关系[武汉大学2001年、北京大学2001年、西北大学2001年、北京大学1999年研]
答：拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的位置关系，拓扑数据也有利于空间要素的查询。
2．拓扑结构[南京师范大学2000年、北京大学2000年、西北大学1999年研]
答：拓扑结构指为在点、线和多边形之间建立关联，以及彻底解决邻域和岛状信息处理问题而必须建立的数据结构。这种结构应包括以下内容：唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值）。
二、简答题
1．矢量数据在结构表达方面有什么特色？
答：矢量数据结构通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、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。
矢量数据在结构表达方面的特色有：
定位明显，属性隐含，其定位是根据坐标直接存储的，而属性则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上，这种特点使得其图形运算的算法总体上比栅格数据结构复杂的多，有时甚至难以实现，当然有些地方也有便利和独到之处，在计算长度、面积、形状和图形编辑、几何变换操作中，矢量结构有很高的效率和精度，而在叠加运算、领域搜索等操作时则比较困难。
2．说出三种GIS中的简单要素及其几何属性。
答：GIS中的简单要素及其几何属性：（1）点
点的维数为零，且只有位置性质。点要素由一个点或一系列独立点组成。（2）线
线是一维的，除了位置之外，还有长度特性。线是由两个端点及其之间一系列具有标记线形态的点所构成，线的形态可以是平滑曲线或者是折线。折线要素由线组成。（3）面
面是二维的，除了位置之外，还有面积和周长性质。面由连接的、闭合的和不相交的线段组成，面要素可以是单独边界的或与其他面共享边界的。面要素由多边形组成。
3．阐述拓扑在GIS中的重要性。
答：拓扑有两个主要优点：（1）拓扑能确保数据质量和完整性
例如，拓扑关系可用于发现未正确接合的线。如果在假定连续的道路上存在一个缝隙，用最短路径分析时会选择迂回路径而避开缝隙。（2）拓扑可强化GIS分析
提供地址编码服务的开发商通常用TIGER数据库作为参照，因为该数据库不仅包含地址而且将地址按街道左右两侧进行分类。在 TIGER数据库中内置的拓扑关系使街道地址得以正确表示。使用具有拓扑关系的数据对其他一些分析也十分有用。
4．使用Shapefile有哪些主要优点？
答：（1）Shapefile的定义
Shapefile是指在ESRI产品中采用的标准非拓扑数据格式。（2）非拓扑数据的主要优点
①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，对于仅仅是使用而不是生产GIS数据的用户而言，该优点特别重要。
②非拓扑数据具有非专有性和互操作性
非拓扑数据可以在不同软件包之间通用。
5．说明地理关系数据模型和基于对象数据模型的区别。
答：（1）地理关系数据模型
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。（2）基于对象数据模型
基于对象数据模型是矢量数据模型的最新成员，基于对象数据模型将地理空间数据作为对象，一个对象可以表示空间要素，一个对象也可以表示一个公路图层或基于公路图层的坐标系统。（3）地理关系数据模型和基于对象数据模型的区别：
①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
具有数据类型 BLOB的空间数据以特定字段存储。
②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
属性描述其对象的性质或特征。方法执行特定的操作。作为一个要素层对象，一个公路图层可以具有形状和范围的属性，也可以有复制和删除的方法。属性和方法直接影响GIS操作如何执行。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]