《地理信息系统》作业参考答案

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1、地理信息系统参考答案一名词解释TIN：也叫不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)。是DTM数据的一种表示方式。TIN利用所有采样点取得的离散数据，按照优化组合的原则，把这些离散点(各三角形的顶点)连接成相互连续的三角面，依此来表示地形表面。TIN可以根据地形的复杂程度来确定采样点的密度和位置，能充分表示地形特征点和线，从而减少了地形较平坦地区的数据冗余。在概念上，TIN模型类似于多边形网络中的矢量拓扑结构，只是TIN中不必要规定“岛屿”或“洞”的拓扑关系。 2 . 缓冲区分析：空间缓冲区分析(spatid buffer analysis)是指根据分

2、析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。它是地理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一。 元数据：即“Metadata”，该词的原意是关于数据变化的描述。一般都认为元数据就是 “关于数据的数据”。它是对数据库内容的全面描述，其目的是促进数据集的高效利用和充分共享。 . 地理信息系统：地理信息系统（Geographic Information System或 GeoInformation system，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统

3、。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。空间数据库：空间数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。空间数据库具有数据量大，空间数据属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点。 拓扑关系：是指在拓扑变换下实体与实体之间保持不变的的相互关系

4、，有比例尺缩放、旋转、变形等。拓扑关系主要包括邻接关系（空间图形中同类元素之间的拓扑关系）、关联关系（空间图形中不同元素之间的拓扑关系）和包含关系（空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系）等。它对数据处理和空间分析具有重要的意义。 矢量结构：它假定地理空间是连续，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。对于点实体，矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；对于线实体，用一系列坐标对的连线表示；多边形是指边界完全闭合的空间区域，用一系列坐标对的连线表示。 空间叠加：叠加分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的

5、手段之一，它将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。根据GIS数据结构的不同，分为两类叠置分析方法：基于栅格的叠加分析和基于矢量的叠加分析。 路径分析：是空间网络分析中的一种。人们常想知道在地理空间网络的两指定结点间是否存在路径，如果有则特别希望找出其中的最短路径。这种路径问题对于交通、消防、信息传输、救灾、抢险等有着重要的意义。在运输网络中，有时要找出运输费用最小的路径；在通讯网络中，要找出雨点间进行信息传递具有最大可靠性的路径等等，这些都是路径分析。 栅格结构：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

6、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是：属性明显，定位隐含。 网络分析：空间网络分析(spatial network analysis)是GIS空间分析的重要组成部分。网络是一个由点、线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动。城市的道路系统、各类地下管网系统、流域的水网等，都可以用网络来表示，形成各类物质、能量和信息流通的通道，网络分析借助于网络进行资源或物质在空间上的分析，主要有路径分析如最短路径分析和定位配置分析等。 DTM：即数字地面模型，是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列，从数学的角度，可以用下述二维函数系列取值的有序集合来

7、概括地表示数字地面模型的丰富内容和多样形式：13.Geomatics：1990年法国大地测量和摄影学家Gagnon首先将Geomatics定义为“利用各种手段，通过一切途径来获取和管理有关空间基础信息和空间数据部分的科学技术领域”。随后一些高等学校的学科和研究机构出现了更名热潮。“Geomatics”一词反映了现代测绘技术、遥感和地理信息系统和现代计算机科学和信息科学相结合的多学科集成，以满足对空间信息要求的发展趋势。14.叠置分析：叠置分析是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一，它将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属

8、性。15.空间内插：设一组观测数据，他们可以是离散点的形式，也可以是分区域的形式，现在要从这些数据中找到一个函数关系式，使该关系式最好地逼近这些已知数据，并能根据该函数关系式推求出区域范围内任意点或任意分区的值。这种通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法称为空间数据的插值。16.DTM：从数学的角度，可以用一个二维函数系列取值的有序集合来概括地表示数字地面模型的丰富内容和多样形式： Kpfk(up,vp) (kl，2，3，m; p1，2，3，n) 式中，Kp为第p号地面点(可以是单一的点，但一般是某点及其微小邻域所划定的一个地表面元)上的第k类地面特性信息的取值；up，vp为第p号

9、地面点的二维坐标，可以是采用任一地图投影的平面坐标，或者是经纬度和矩阵的行列号等；当ml且fi为对地面高程的映射，(up，vp)为矩阵行列号时，上式表达的数字地面模型即是所谓的数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)。显然，DEM是DTM的一个子集。实际上，DEM是DTM中最基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的数字表达。当然，DTM趋向于表达比DEM和DHM更广意义上的内容，如河流、山脊线、断裂线等也可以包括在内。17. 多源数据融合：由于地理数据：获取手段的多样性、数据模型与数据结构的差异、存储格式的不同等，导致空间数据的多尺度性、多语义性、多时空

10、性，即导致多源数据的产生，给数据的集成和信息共享带来困难。将这些数据按空间位置，通过叠加等手段统一在一个框架下，以此集成数据共享信息，获取新的信息的过程就成为多源数据的融合。18.GRID：是规则格网DEM。它是定义在二维区域上的一个有限项的向量阵列，以离散分布的平面点来模拟连续的地形，按平面上等间距规则采样，或内插所建立的数字高程模型，称为GRID。二单项选择题 13、 A 14、 D. 15、 B. 16、 C 17、 A. 18、 C 三简答题GIS是对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般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

11、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。目前通用的数据库结构有网络结构、层次结构和关系结构。数据采集（属性数据录入、空间数据采集）数据编辑处理（空间变换、数据结构等变换）数据存储管理（空间数据模型建立、数据库管理）数据分析（空间量算、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间查询等）数据输出（常规地图、数字地图等）数字地面模型是描述地球表面形态多种信息空间分布的有序数值阵列；主要有规则格网和不规则三角网两种形式。DEM的主要应用有： （）作为国家地理信息的基础数据； （2）景观设计与城市规划； （3）流水线分析、可视性分析； （4）交通路线的规划与大坝的选址；

12、（5）不同地表的统计分析与比较； （6）生成坡度图、坡向图、剖面图，辅助地貌分析，估计侵蚀和径流等。（7）作为背景叠加各种专题信息如土壤、土地利用及植被覆盖数据等，以进行显示与分析等等主要有：）数据采集与编辑 ）数据存储与管理 ）数据处理和变换 ）空间分析和统计 ）产品的制作和显示 ）二次开发和编程空间数据叠置是地理信息系统最常用的提取空间隐含信息的手段之一，它将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。根据GIS数据结构的不同，分为下列两类叠置分析方法：基于矢量数据的和基于栅格的叠置。属性数据编码一般要遵循：唯一性一个代码只唯一地

13、表示一类对象。合理性代码结构要与分类体系相适应。可扩性必须留有足够的备用代码，以适应扩充的需要。简单性结构应尽量简单，长度应尽量短。适用性代码应尽可能反映对象的特点，以助记忆。规范性代码的结构、类型、编写格式必须统一。系统硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持GIS硬件配置一般包括四个部分：）计算机主机；）数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；）

14、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；）数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。管理了图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如计算机辅助设计(Computer Adided Design，cad)，计算机辅助制图(Computer Adided Map，cam)。它们之间的异同点见图1-1-4和1-1-5.栅格数据到矢量数据转换的一般过程可描述（主要为二值化-细化-追踪）为：）二值化由于扫描后的图像是以不同灰度级存储的，为了进行栅格数据矢量化的转换，首先需压缩为两级(0和1)。 ）二值图像的预处理对于扫描输入的图幅，由于原稿不干净等原因，

15、总是会出现一些飞白、污点、线划边缘凹凸不平等。除了依靠图像编辑功能进行人机交互处理外，还可以通过一些算法来进行处理。）细化就是将二值图像像元阵列逐步剥除轮廓边缘的点，使之成为线划宽度只有一个像元的骨架图形。细化后的图形骨架既保留了原图形的绝大部分特征，又便于下一步的跟踪处理。细化的基本过程是：（）确定需细化的像元集合；（）移去不是骨架的像元；（）重复，直到仅剩骨架像元。）追踪细化后的二值图像形成了骨架图，追踪就是把骨架转换为矢量图形的坐标序列。）拓扑化为了进行拓扑化，需找出线的端点和结点，以及孤立点。在追踪时加上这些信息后，就可形成结点和孤段，就可用矢量数据的自动拓扑方法进行拓扑化了。矢量数据

16、的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析。矢量数据的输出质量好、精度高。矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算(如叠加)，运算效率低而复杂。由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、逐线、逐面地查询。矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算(如联合查询和空间分析)，交互时必须进行矢量和栅格转换。矢量数据与DEM(数字高程模型)的交互是通过等高线来实现的，不能与DEM直接进行联合空间分析。栅格数据结构是通过空间点的密集而规

17、则的排列表示整体的空间现象的。其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对栅格数据的操作比较容易。栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增加。因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来的，因而难以识别和分离。对点实体的识别需要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技术不仅费时，而且不能保证完全正确。地理信息系统开发分为系统调查分析、系统设计和系统实施

18、、系统运行和维护四个大阶段，其中又分为若干小阶段。它们相互衔接而又互相影响，整个过程形成螺旋式上升的循环过程。系统的调查分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案，系统分析是使设计达到合理、优化的重要步骤；系统设计的任务是根据系统研制的目标来规划系统的规模和确定系统的各个组成部分，说明它们在整个系统中的作用与相互关系，以及确定系统的软硬件配置，规定系统采用的技术规范，并作出经费预算和时间安排，以保证系统总体目标的实现。最后撰写系统总体设计方案，作为重要的技术文件提供论证和审批。系统实施是在系统设计的原则指导下，按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段、

19、分步骤完成系统开发的过程。系统运行是指系统经过调试和验收以后，交付用户使用。为了保证系统正常运行，必须要认真制定并严格遵守操作规则。系统维护是为保证系统正常工作而采取的一切措施和实际步骤，例如数据的维护，使系统数据始终处于相对最新的状态;软件的维护，使软件能适应运行环境和用户需求的不断变化;硬件的维炉，使硬件能经常保持完好和正常运行的状态等。缓冲区是指根据分析对象的点、线、面实体，自动建立它们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。它是地理信息系统重要的和基本的空间操作功能之一。13.简述GIS 的主要功能。 答：主要有：1）数据

20、采集与编辑 2）数据存储与管理 3）数据处理和变换 4）空间分析和统计 5）产品的制作和显示 6）二次开发和编程 14.GIS与一般信息系统的异同答：GIS属于信息系统中的空间信息系统（SIS）中的一类，包括专题GIS和综合信息系统。1）、GIS与一般MIS的区别是：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。GIS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

21、也很有限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。2）、GIS与CAD/CAM的异同点是：GIS与CAD共同点是：a.都有空间坐标系统；b.都能将目标和参考系联系起来；c.都能描述图形数据的拓扑关系；d.两者都能处理属性和空间数据。GIS与CAD 不同点是：a.研究对象为人造对象规则几何图形及组合；图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；b.中的拓扑关系较为简单，一般采用几何坐标系。c.处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；d.

22、GIS的属性库结构复杂，功能强大；强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；e.GIS采用地理坐标系 。15.空间数据融合的必要性？ 答：GIS技术经过近40年的发展和应用，已经积累了大量的数据资源。但是，由于地理数据：获取手段的多样性：（地图、遥感影像、直接野外采集）、数据模型与数据结构的差异、存储格式的不同等，导致空间数据的多尺度性、多语义性（不同的部门、不同的目的，给的定义不一样，解释不一样）、多时空性，即导致多源数据的产生，给数据的集成和信息共享带来困难。特别是随着因特网的发展、数字地球的兴起和GlS应用的日益深入，多源数据的融合已成为GIS设计者和用户的共同要求。16.空间数据结构

23、主要有哪些？各有什么特点答：空间数据结构主要有栅格数据结构和矢量数据结构两种：矢量数据的结构紧凑，冗余度低，并具有空间实体的拓扑信息，容易定义和操作单个空间实体，便于网络分析。矢量数据的输出质量好、精度高。矢量数据结构的复杂性，导致了操作和算法的复杂化，作为一种基于线和边界的编码方法，不能有效地支持影像代数运算，如不能有效地进行点集的集合运算(如叠加)，运算效率低而复杂。由于矢量数据结构的存贮比较复杂，导致空间实体的查询十分费时，需要逐点、逐线、逐面地查询。矢量数据和栅格表示的影像数据不能直接运算(如联合查询和空间分析)，交互时必须进行矢量和栅格转换。矢量数据与DEM(数字高程模型)的交互是通

24、过等高线来实现的，不能与DEM直接进行联合空间分析。栅格数据结构是通过空间点的密集而规则的排列表示整体的空间现象的。其数据结构简单，定位存取性能好，可以与影像和DEM数据进行联合空间分析，数据共享容易实现，对栅格数据的操作比较容易。栅格数据的数据量与格网间距的平方成反比，较高的几何精度的代价是数据量的极大增加。因为只使用行和列来作为空间实体的位置标识，故难以获取空间实体的拓扑信息，难以进行网络分析等操作。栅格数据结构不是面向实体的，各种实体往往是叠加在一起反映出来的，因而难以识别和分离。对点实体的识别需要采用匹配技术，对线实体的识别需采用边缘检测技术，对面实体的识别则需采用影像分类技术，这些技

25、术不仅费时，而且不能保证完全正确。17.地理信息系统如何组织空间数据和属性数据？答：目前采用的解决方法有以下三种方式。1）、混合式混合式数据库管理系统是利用两个子系统分别存储空间数据和属性数据，其中空间数据存储在线状或面状实体的弧段文件中，属性数据存储在关系数据库管理系统中，两个子系统之间通过标识码(ID)进行连接)。属于这种管理方式的GIS软件有ARC/INFO、MGE和SICAD等。2）、扩展式扩展式数据库管理系统是在标准RDBMS的顶层，通过将地理结构查询语言(GeoSQL)转化成标准的SQL查询，借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。属于这种管理方式的GIS软件有System、Sma

26、llworld和Geovision等。3）、开放式开放式数据库管理系统是利用专门开发的DBMS来统一管理空间数据和属性数据。属于这种管理方式的GIS软件有TIGRIS、GEO和Geo Tropics等。18.空间数据的基本特征是什么？答：要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。如果要描述空间实体的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态。所以，一般认为空间数据具有三个基本特征： 1）、空间特征 用以描述事物或现象的地理位置，又称几何特征、定位特征，一般以坐标数据表示。2）、属性特征 以描述事物或现象的特性，即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量

27、、名称等。 3）、时间特征 用以描述事物或现象随时间的变化，例如人口数的逐年变化。19.空间叠置的类型及其区别？答：空间叠置分析包括两类：空间合成叠置和空间统计叠置。前者一般用于搜索同时具有几种地理属性的分布区域，或对叠合后产生的多重属性进行新的分类；后者一般用于提取某个区域范围内某些专题内容的数量特征。合成叠置的目的，是通过区域多重属性的模拟，寻找和确定同时具有几种地理属性的分布区域。或者按照确定的地理指标，对叠置后产生的具有不同属性的多边形进行重新分类或分级，因此叠置的结果为新的多边形数据文件。统计叠置的目的，是准确地计算一种要素(如土地利用)在另一种要素(如行政区域)的某个区域范围内的分

28、布状况和数量特征(包括拥有的类型数、各类型的面积及所占总面积的百分比等等)，或提取某个区域范围内某种专题内容的数据。四论述题地理信息系统的博才取胜和运筹帷幄的优势，应该成为政府进行决策的重要技术工具。地理信息系统在这方面的一些主要作用包括：）资源管理：资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同时期的土地利用变化等，为

29、政府进行资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。）城乡规划：城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，为政府规划与管理部门提供了服务，辅助政府进行决策。）灾害监测：利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为政府组织救

30、灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。）环境保护：利用GIS技术建立城市环境监测、分析及预报信息系统；为实现环境监测与管理的科学化自动化提供最基本的条件；在区域环境质量现状评价过程中，利用GIS技术的辅助，实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态；在野生动植物保护中的应用，世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能，帮助世界最大的猫科动物改变它目前濒于灭种的境地。都取得了很好的应用效果。）国防：现代战争的一个基本特点就是“三S”技术被广泛地运用到从战略构思到战术安排的各个环节。它往往在一定程度上决定了战争的成败。如海湾战争期间，美国国防制图局为战争

31、的需要在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术，处理卫星和高空侦察机实时获得的战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影影像叠加到数字地图上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时的实时服务。）宏观决策支持：地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通过利用地理信息系统和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。总之，地理信息系统正越来

32、越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。当前科学技术新的水平与发展趋势，要求决策应用的GIS能够）具有3S集成的空间技术：全球定位系统（GPS）是在整个地球环境中准确的信息空间定位的技术，遥感（RS）是资源和环境领域大范围、高效率，收集现时空间信息的有效手段，而GIS是对大量空间信息进行整理加工，分析的有力武器，只有把收集、定位，综合分析各部分集成起来，空间信息才具有广泛性，完整性、现时性, 才能显示充分的物化力量。）网络技术的支持，尤其是分布式网络。地理信息从空间角度看，它是按照区域不同来出现，从特性角度看，它是分属于不同专业，不

33、同性质特点的；从采集、组织、更新保存及使用而言总是条、块分割。这些特点就是分布的特点，它永远存在。因而纲络的支持，尤其分布或纲络的支持是至关紧要的。）智能化决策支持，要将专家群体、区位数据结合起来，将社会和自然各种环境和模型结合起来，必须采用人工智能，在空间数据库和知识库的基础，进行规范性而又创造性的科学思维和动态模拟的深加工。）广泛的多媒体技术，使复杂的决策全过程更是人性化，更形象、具体、逼真、亲切、而又更方便。GIS是现代科学技术发展和社会需求的产物。人口、资源、环境、灾害是影响人类生存与发展的四大基本问题。为了解决这些问题必须要自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合攻关。于是，

34、许多不同的学科，包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科，参在寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理和显示输出从自然界和人类社会获取的各式各样数据、信息的强有力工具，其归宿就是地理信息系统，或称空间信息系统，资源与环境信息系统。因此，GIS明显地具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的发展。地理学和测绘学是以地域单元研究人类居住的地球及其部分区域，研究人类环境的结构、功能、演化以及人地关系。空间分析是GIS的核心，地理学作为GIS的分析理论基

35、础，可为GIS提供引导空间分析的方法和观点。测绘学和遥感技术不但为GIS提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。遥感是一门60年代以后发展起来的新兴学科。由于遥感信息所具有的多源性，弥补了常规野外测量所获取数据的不足和缺陷，以及在遥感图像处理技术上的巨大成就，使人们能够从宏观到微观的范围内，快速而有效地获取和利用多时相、多波段的地球资源与环境的影像信息，进而为改造自然，造福人类服务。GPS卫星全球定位系统是新一代卫星导航和定位系统。美国已于1993年完成了整个系统的部署，达到全效能服务的阶段。它在测量和勘察领域可以取代常规大地测量来完

36、成各种等级的定位工作，在航空摄影和遥感领域GPS遥感对地定位系统很有发展前途，在舰船、飞机、汽车的导航定位，导弹的精确制导方面应用更为广泛，在地球动力学、重力场、磁场等的研究中也能发挥很大作用。此外，GIS最初是从机助制图起步的，早期的GIS往往受到地图制图中在内容表达、处理和应用方面的习惯影响。但是建立在计算机技术和空间信息技术基础上的GIS数据库和空间分析方法，并不受传统地图纸平面的限制。GIS不应当只是存取和绘制地图的工具，而应当是存取和处理空间实体的有效工具和手段，存取和绘制地图只是其功能之一。 再者，GIS与计算机科技、数学、运筹学、统计学、认知学等学科也密切相关。计算机辅助设计(C

37、AD)为GIS担供了数据输入和图形显示的基础软件；数据库管理系统(DBMS)更是GIS的核心；数学的许多分支，尤其是几何学、图论、拓扑学、统计学、决策优化方法等被广泛应用于GIS空间数据的分析。总之，遥感技术可以为资源检测和环境检测提供丰富、实时的宏观信息，并为计算机制图系统和GIS的数据更新提供可靠、快速的数据源。但遥感对浩如烟海的社会经济统计数据，人类活动的大量信息却无力获取。计算机制图技术可为地理信息的时空分布和产品输出提供先进的手段，但它本身无区域综合、分析和决策的功能；GPS技术、数字摄影测量和遥感技术可成为GIS数据采集和及时更新的主要技术手段和有力支撑；而GIS既能提供信息查询、

38、检索服务，又能提供综合分析评价，它在资源和技术方面的博才与运筹帷幄的优势，是遥感、GPS和自动制图技术所不及的。因此，只有它们的有机结合，才能使遥感和GPS技术所获取的瞬时信息经过积累和延伸，才具有反映自然历史发展过程和人为影响的能力，并达到实时处理的功能，为科学管理、规划决策服务。这样，逐步形成了GIS与诸多学科之间互相有联系，也有挑战，彼此推动，共同发展的关系和局面。自20世纪60年代世界上第一个GIS加拿大地理信息系统(CGIS)问世以来，经过近40年的发展，GIS系统软件和应用软件日趋成熟和完善。过去，GIS往往被认为是一项专门技术，其应用主要限于测绘、制图、资源和环境管理等领域。随着

39、地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS的社会需求量增大，GIS应用日趋广泛，甚至进入千家万户。应用需求促进发展，GIS已从一门技术发展为一门独立的新兴学科。下面就GIS当前的几个热门研究领域作一介绍。）面向对象技术与GIS的结合GIS一般采用图形和属性分开管理的数据模型管理数据，即实体的图形数据用拓扑文件存储管理，属性数据用关系数据库管理，二者通过惟一标识符进行连接。这种数据模型具有以下弱点： （）不利于空间数据的整体管理，以保证数据的一致性； （）GIS的开放性和互操作性受限制； （）数据共享和并行处理无保证。因此，人们开始寻求一种能统一管理图形数据和属性数据的数据模型。面

40、向对象技术将现实世界的实体都抽象为对象，利用四种数据抽象技术(分类、概括、联合、聚集)可构建复杂的地理实体，利用继承和传播这两种数据抽象工具将所有实体对象构建成一个分层结构。面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条适合于人类思维模式的直观、结构清晰、组织有序的方法，面向对象数据模型成为较为理想的统一管理GIS空间数据的有效模型。因而，面向对象的技术在GIS中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS的发展方向。Smallworld GIS是目前面向对象GIS中最为典型的代表，一些传统的GIS也开始部分采用面向对象的技术，如ARC/INFO 7.0,Intergraph的TIGRIS,SYST

41、EM 9,FACET系统等。然而，面向对象的GIS仍存在一些有待进一步研究的问题： （）大对象的操作仍受硬件条件的限制； （）对象的独立性与颗粒度问题； （）矢量和栅格数据统一的、支持动态拓扑结构和复合对象表示的面向对象的数据结构问题。）真三维GIS和时空GIS GIS处理的是在地球三维空间上连续分布的空间数据。然而，目前绝大多数的GIS采用二维或2.5维来表示现实三维现象，通常将三维分量Z值当做一个属性值，如DEM数据，这对于许多地学分析是非常不便的，甚至难以进行。例如，地质构造研究中的断层处，在一固定位置会有不同的高程值，因而不能用二维或2.5维表示，而真三维数据结构能真正表示这种地质结构

42、。近年来，计算机技术特别是计算机图形学的发展，使得显示和描述三维实体的几何特征和属性特征成为可能，因此真三维数据结构的研究，真三维GIS的应用成为GIS发展的一个热点。主要研究方向包括： （）三维数据结构的研究，包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化； （）三维数据的生成和管理； （） 地理数据的三维显示，包括三维数据的空间操作和分析，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。地理信息除具有空间特性外，还具有明显的时序特征，即动态变化特征。在许多应用领域中，如环境监测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时间变化的，描述和研究空间对象的时序特征在问题求解过程中起着十分重要的作用。由

43、于受器件的限制和一些技术原因，传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。近几年提出的空间实时数据模型也仅能处理空间二维和时间一维，不能完全表示和分析不断变化的三维世界，因而需要开发时空四维GIS。实现时空复合操作，将空间分析问题进一步拓展为时空分析范畴，已成为新一代GIS的重要研究课题。时空GIS主要研究时空模型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。目前较常用的做法是在现有数据模型基础上扩充，如在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。在这种扩充的基础上如何解决从表示到分析的一系列问题仍有待进一步的研究。另外，人们也在研究一种存储和表示四维目标的四维数据模型

44、，Cheng Tao等运用面向对象技术开发出一种面向对象空间实时模型用于处理四维GIS数据。）GIS应用模型的发展GIS强大的生命力在于与各种实际应用的结合。然而，通用GIS的数据管理、查询和空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型。根据某种应用目标或任务要求，从相应专业或学科出发，对客观世界进行深入分析研究，并借助GIS技术的支持，建立GIS应用模型，是GIS解决实际问题的能力、效率及产生社会经济效益的关键所在，因此日益受到重视。为用户提供建立专业应用模型的二次开发工具和环境是目前大多数GIS软件解决GIS建模问题的一般方法，如ARC/INFO提供的二

45、次开发的宏语言AML。这种方法的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。最好的方式是GIS本身能支持建立专业应用模型，这种GIS又称为地理信息建模系统(Geographic Information Modelling System，简称GIMS)，它能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。实现通用GIS空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有三种途径：（）松散耦合式，也称为外部空间模型法。这种方法基本上将GIS当做一个空间数据库看待，在GIS环境外部借助其他软件或计算机高级语言建立专用模型

46、，其与GIS之间采用数据通讯的方式联系。（）嵌入式，也称为内部空间模型法。即在GIS中借助GIS的通用功能来实现应用领域的专用分析模型。（）混合型空间模型法，是前两种方法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的工作量和难度，又保持外部空间模型法的灵活性。目前的GIS对用户定义自己的专用模型的支持程度都是不够的，离支持实现数据集定义、模型定义、模型生成和模型检验的全过程仍有相当大的距离。（）Internet与GIS的结合近年来，Internet技术的迅速发展与普及应用为GIS发展提供了新的机遇，它改变了地理信息的获取、传输、发布、共享、应用和可视化等过程和方式，Inte

47、rnet已成为GIS新的操作平台。Internet与GIS的结合即Internet GIS，利用Internet在Web上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询、制作专题图和分析的功能，已经成为GIS发展的必然趋势。 Internet GIS的信息处理模式由传统的集中式转向客户服务器模式，客户机处理GIS应用软件，服务器负责存储和管理GIS空间数据库，并响应客户机对GIS应用功能的服务请求。由于Internet GIS分布式管理与互操作的要求，Internet GIS又有下列两个研究热点： （）组件式GIS，即将已有的巨型GIS分解为若干可互操作的自我管理、相互独立的组件，包括数据管

48、理组件、空间查询组件、数据获取组件、专题制图组件和显示组件等。它们建立在分布式的对象结构基础之上，应用了最新的分布式技术如OMG的CORBA,Microsoft的OLE/COM以及SUN的Java技术。这些组件具有与平台和操作系统无关性，GIS应用的开发者可以利用这些组件快速地组装GIS应用软件。组件式GIS有效地减少了网络传输的负担，实现了获取和管理多数据源数据，提供了分析地图特征和查询、空间分析、专题制图等功能，并方便用户二次开发。（）Open GIS，即开放式地理信息系统，是为了使不同的GIS软件之间具有良好的互操作性，以及在异构数据库中实现信息共享的途径。由于Internet GIS用

49、于发布分布式地理信息和处理与分析工具，使得Internet GIS必须使用已有的多种数据源和各种地理信息分析处理功能，即Internet GIS面临地理信息的互操作性问题，因此，从数据的观点看，Open GIS是未来Internet GIS技术发展的必然趋势。由用户和开发商组成的联盟开放地理信息联合会(Open GIS Consortium,OGC)已经成立，并研究制定了开放地理数据交互操作规程(Open Geodata Interoperability Specification,OGIS)。OGIS规范为开放系统地学处理奠定了基础，使得GIS、遥感以及其他地学处理学科从专有的不兼容的数据格

50、式和特定处理功能走向统一的网络数据空间和软件组件。然而，OGIS只是对Open GIS定义了抽象的互操作规程，具体如何实现将是21世纪GIS发展的任务。总之，目前Internet GIS仍然存在着诸多不足，主要表现在：支持单一数据源而非多数据源的获取，因而不能满足日益增长的信息交互与Open GIS规范的需求；数据集中而非分布式存放与管理，不利于信息的共享与更新；缺乏统一的管理机制以实现大量分布式空间信息相互间的有机联系；缺乏丰富的空间信息表现手法以及与网络资源特别是借助浏览器表达的能力；空间信息获取控制以及客户与服务器端安全体系的建立不够完善。商品化的WebGIS还处于初级阶段，提供的查询和

51、分析功能还不能满足专业应用的需要，但它的出现已开始改变GIS传统的数据输出和地图发布的方式，为地理信息的高度社会化共享提供了可能。）GIS与专家系统、神经网络的结合专家系统研究的是利用计算机模拟人类专家的推理思维过程，系统根据知识库中的知识，对输入的原始事实进行复杂推理，并作出判断和决策，从而起到人类专家的作用。GIS经过近40年的发展已逐渐趋于成熟，但它的应用还主要停留在空间数据库的建立与管理、空间实体查询、空间叠置分析、缓冲区分析以及成果输出上，由于缺乏知识处理和进行启发式推理的能力，其决策支持功能仍很弱，还无法解决多层次、多因素、非线性变化的复杂地学问题。解决这类问题是一项具有一定创造性

52、的过程，需要大量的人为经验和专家知识。因此，将GIS和专家系统相结合，发展智能GIS或专家GIS，是解决复杂地学问题的重要途径。目前，这方面的研究受到广泛的重视并取得一些令人鼓舞的成果。如Gennert M.A.开发的原型网络专家GIS用于土地资源管理，该系统由GIS完成位置分析工作，由基于规则知识库的专家系统来评价，GIS与专家系统相结合，互为补充，组成专家GIS。Sarasus、Wayne A.等讨论了智能GIS用于铁路与高速公路交叉口的安全管理与分析问题。Lam David等建立了用于环境管理决策的GIS决策支持系统。此外还有专家GIS在地下水管理、地质勘探、地学分析和军事指挥等领域的应

53、用研究。）GIS与虚拟现实技术的结合虚拟现实(Virtual Reality)是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图像、声音和触摸感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。将虚拟现实技术引入GIS将使GIS更具吸引力，采用虚拟现实中的可视化技术，在三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，GIS用户在客观世界的虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。因此

54、，开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。随着虚拟技术的发展和虚拟现实硬件价格的降低，使得开发成本低廉的虚拟现实软件包成为可能，如用户可通过Virtual GIS软件在三维环境中观察和分析GIS数据。Koller D等开发的一个实时三维GIS可使用户在编辑、分析复杂的地形数据库时产生一种临境感。当前，GIS发展的动态除以上几点外，GIS与GPS、RS的进一步集成，GIS与CAD的集成，并行处理技术在GIS中的应用等都是GIS研究和发展的热点。GIS的这些发展并不是孤立的，而是相互影响，相互促进的，其目的都是为了让GIS能更好地为人类管理和保护赖以生存的地球服务。以资源管理为例：资源清查是地理

55、信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同时期的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。再如，美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地GIS。该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的土壤侵蚀模型

56、，据此，探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的改良土壤方案，达到对土壤资源保护的目的。以城乡规划为例：城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件(回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、0-l规划模型、系统动力学模型等)加

57、以保证的。我国大城市数量居于世界前列，根据加快中心城市的规划建设，加强城市建设决策科学化的要求，利用地理信息系统作为城市规划、管理和分析的工具，具有十分重要的意义。例如：北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线(包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线)以及测量控制网，规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统。从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理。为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。由于GIS数据库具有数据量大，空间数据与属性数据具有不

58、可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库模型和传统的数据模型有很大的不同。传统数据库系统管理地理空间数据有以下几个方面的局限性： （）传统数据库系统管理的是不连续的、相关性较小的数字和字符；而地理信息数据是连续的，并且具有很强的空间相关性。 （）传统数据库系统管理的实体类型较少，并且实体类型之间通常只有简单、固定的空间关系；而地理空间数据的实体类型繁多，实体类型之间存在着复杂的空间关系，并且还能产生新的关系(如拓扑关系)。（）传统数据库系统存贮的数据通常为等长记录的数据；而地理空间数据通常由于不同空间目标的坐标串长度不定，具有变长记录，并且数据项也可能很大，很复

59、杂。（）传统数据库系统只操纵和查询文字和数字信息；而空间数据库中需要有大量的空间数据操作和查询，如相邻、连通、包含、叠加等。6.谈谈GIS中的拓扑关系及其应用意义？答：拓扑关系是指图形保持连续状态下变形，但图形关系不变的性质。常用的拓扑关系有拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。在GIS中引入拓扑关系对于数据处理和GIS空间分析具有重要的意义，因为：1）拓扑关系能清楚地反映实体之间的逻辑结构关系，它比几何关系具有更大的稳定性，不随地图投影而变化。2）有助于空间要素的查询，利用拓扑关系可以解决许多实际问题。如某县的邻接县，-面面相邻问题。又如供水管网系统中某段水管破裂找关闭它的阀门，就需要查询该线（管道）与哪些点（阀门）关联。3）根据拓扑关系可重建地理实体。