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2020年西北師范大學
碩士研究生入學統一考試
《地理信息系統基礎》科目大綱
(科目代碼：862)
學院名稱(蓋章)： 地理與環境科學學院
學院負責人(簽字)：
編 制 時 間： 2019 年 6 月 15 日
《地理信息系統基礎》科目大綱
科目代碼：862
一、考核要求
本《地理信息系統基礎》考試大綱適用于西北師范大學地理與環境科學學院資源與環境信息工
程專業的碩士研究生入學考試。主要內容包括考生對地理信息系統基本概念、基本功能、組成、產
生與發展、空間數據基礎有較深入的理解，能夠系統地掌握空間數據采集、存儲、處理、查詢、分
析和應用的基本內容，了解地理信息系統相關技術與方法，并具有綜合運用所學知識分析問題和解
決問題的能力。
二、考核評價目標
（一）地理信息系統基礎
理解并掌握地理信息系統的基本概念，了解地理信息系統與其他信息系統的區別。熟悉地理信
息系統的組成。熟練掌握地理信息系統的基本功能，及其空間分析功能與應用功能。了解地理信息
系統與地圖學、計算機科學、遙感等相關學科的關系。了解地理信息系統的發展歷史與發展趨勢。
掌握地理信息科學的基本概念及其主要研究內容。掌握數字地球的基本概念；了解數字地球產生的
背景及核心技術。了解“3S”（全球定位系統、地理信息系統、遙感）技術的基本概念及其主要應用領
域。
（二）地理空間數據與處理
理解地理空間的概念，了解實際的固體地球表面與大地水準面、地球橢球體模型之間的關系。
熟悉地理空間數據的分類，熟練掌握地理實體的矢量表示方法和柵格表示方法。熟悉空間拓撲關系
中的拓撲鄰接、拓撲關聯和拓撲包含等關系。掌握空間數據的時間特征、空間特征及屬性特征數據
的內涵。理解柵格數據結構、矢量數據結構的基本概念及矢量數據與柵格數據結構的優缺點；掌握
游程編碼、四叉樹編碼方式，以及拓撲數據結構；熟練掌握多邊形和結點的拓撲編輯。了解矢量數
據、柵格數據的輸入與編輯，熟悉空間數據的分類和編碼，質量標準要素及其內容；理解空間數據
質量問題的來源。掌握元數據的概念；理解元數據的目的、內容和作用；了解空間數據元數據的獲
取與管理方法。理解數字化數據與其它柵格數據的空間坐標轉換；理解并掌握柵格數據與矢量數據
的特點及其相互轉換。理解并熟練掌握多源空間數據的融合并能夠綜合應用；理解空間數據壓縮編
碼的目的、意義；熟悉空間數據的綜合。理解并熟練掌握空間數據的內插方法并能綜合應用；熟練
矢量、柵格數據鑲嵌方法及匹配處理。比較熟悉層次數據庫模型、網狀數據庫模型和關系數據庫模
型的特點；深入掌握面向對象數據庫系統的特性，基本掌握其實現方式。
（三）空間分析原理與方法
理解并掌握空間信息模型的基本概念。理解空間疊臵分析的概念，熟練掌握基于矢量數據和柵
格數據的空間疊臵分析與實現方法。理解并掌握空間緩沖區分析的模型及緩沖區分析核心思路與實
現方法；熟悉空間統計理論及實現方法。了解網絡分析、空間自相關分析的內容與方法。深入理解
并掌握數字地面模型的概念及其生成方法。了解典型疊加模型的分析過程與方法；掌握空間數據的
集合分析和查詢方法。
（四）地理信息系統的應用模型與開發、應用
掌握地理信息系統模型的分類和簡單地理信息系統模型的構建過程。理解并掌握適宜性模型、
發展預測模型、位址選擇模型和地學模擬模型的基本思路和建模方法，并能靈活運用。熟悉利用地
理空間數據與地理模型進行簡單地理問題的模擬、預測與綜合分析。掌握地理信息系統設計流程；
了解地理信息系統軟件平臺開發的基本方式。熟悉地理信息系統的主要應用與更新；理解地理信息
系統應用模式。掌握網絡地理信息系統(WebGIS)的概念與特點；了解分布式地理信息系統概念。熟
練掌握組件式地理信息系統(ComGIS)的概念與特點。理解地理信息系統標準化的含義及其主要內
容。
（五）地理信息系統的開發與評價
掌握地理信息系統開發的模式、流程；掌握地理信息系統設計開發的過程和步驟；了解地理信
息系統評價的指標和方法；掌握地理信息系統標準化的內容及其相關工作。
（六）地理信息系統產品
掌握地理信息系統產品設計和制作的方法、過程、類型及其表達形式。
三、考核內容
第一部分 “地理信息系統”考核內容
第一章 地理信息系統基礎
第一節 地理信息系統的基本概念
1.地理信息
定義：地理信息是指與研究對象的空間地理分布有關的信息,它表示地理系統諸要素的數量、質
量、分布特征，相互聯系和變化規律的圖、文、聲、像等的總稱。
特性：地域性；多維結構；時序特征。
2.信息系統
為了有效對信息流進行控制、組織管理，實現雙向傳遞，需要通過某種信息系統。它能對數據和
信息進行采集、存儲、加工和再現，并能回答用戶一系列問題的系統，具有采集、管理、分析和表達
數據的能力。由計算機硬件、軟件、數據和用戶四大要素組成。
3.地理信息系統
地理信息系統是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間相關數據進行采集、
管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態的地理信息，
為地理研究和地理決策服務而建立起來的計算機技術系統。
4.地理信息系統特征
(1)具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力；
(2)以地理研究和地理決策為目的，以地理模型方法為手段，具有空間分析、多要素綜合分析和動
態預測的能力；并能產生高層次的地理信息；
(3)由計算機系統支持進行空間地理數據管理，并由計算機程序模擬常規的或專門的地理分析方
法，作用于空間數據，產生有用信息，完成人類難以完成的任務。
第二節 地理信息系統的組成
1.硬件系統
2.計算機軟件系統
3.地理空間數據
4.系統管理人員
5.應用模型
第三節 地理信息系統的功能
1.基本功能
基本功能包括：數據采集與編輯；數據存儲與管理；數據處理與變換；空間分析和統計；產品制
作與演示；二次開發和編程。
2.應用功能
應用功能包括：資源管理；區域規劃；國土監測；輔助決策。
第四節 地理信息系統的發展
1.與其他學科的關系
地理信息系統的發展，明顯地體現出多學科交叉的特點，這些交叉的學科包括地理學、地圖學、
攝影測量學、遙感技術、數學和統計科學、計算機科學，以及一切與處理和分析空間數據有關的學科。
目前數據庫技術（DBMS）、計算機輔助設計、計算機輔助制圖（CAM）和計算機圖形學（Computer
Graphics）軟件包已被許多 GIS 研究者所采用，但這些系統不是為地理意義而設計的，無法取代 GIS
的作用。GIS 正是這些相關學科與地理學相結合的基礎上發展起來的。
2.地理信息系統的發展階段
地理信息系統的創立和發展是與地理空間信息的表示、處理、分析和應用手段的不斷發展分不開
的。考察地理信息系統的發展，可分為 60 年代的起始發展階段、70 年代的鞏固階段和 80 年代的大
發展階段。
3.地理信息系統的發展趨勢
目前地理信息系統的主要發展趨勢集中在以下幾個方面：空間數據結構與數據管理；數據自動輸
入技術；GIS 與遙感的進一步結合；GIS 的智能化；具有統一標準的分布式系統；宏觀應用和微觀應
用進一步加強，并形成新的產業。
第二章 空間數據基礎
第一節 地理空間及其表達
1.地理空間
定義：一般指上至大氣電離層，下至地殼與地幔交界的莫霍面之間的空間區域。其間是自然地理
過程和生命及人類活動最活躍的場所。
要在地理空間中準確測定位臵，需要采用一種空間定位框架來實現，也就是大地測量控制系統，
包括平面控制網和高程控制網。
2.空間實體表達
地理空間實體：包括點、線、面、曲面、體等多種類型。
空間實體表達：在計算機中，把現實世界中各種以圖形形式表達的空間實體通過數字的形式記錄
和表現出來，以便更好地進行計算機存儲和處理。
數據表達的關鍵：當對空間實體進行數據表達時，關鍵是如何表達空間的一個點，因為點是構成
地理空間實體的基本元素。
3.大地水準面
假設一個與靜止的平均海水面重合并延伸到大陸內部的包圍整個地球的封閉的重力位水準面。
4.地球橢球體
就是將大地體繞短軸飛速旋轉所形成的一個表面光滑的，規則的地球形體。是對地球形體的描述，
是為了測量成果的計算和測圖工作的需要而定義的。
第二節 地理空間數據及其特征
1.地理空間數據分類(表 1)
表 1 地理空間數據分類
按數據來源 按數據結構 按數據特征 按幾何特征 按數據發布形式
地圖數據
影像數據
文本數據
矢量數據
柵格數據
空間數據
非空間數據
點
線
面、曲面
體
數字線畫圖
數字柵格圖
數字高程模型
數字正射影像圖
2.地理空間數據基本特征
空間特征：指地理現象和過程所在的位臵、形狀和大小等幾何特征，以及與相鄰地理現象和過程
的空間關系，包括方位關系、拓撲關系、相鄰關系、相似關系等；
屬性特征：指地理現象和過程所具有的專屬性質，通常包括名稱、數量、質量、性質等，稱為屬
性數據；
時間特征：指一定區域內的地理現象和過程隨著時間的變化情況，稱為時間數據。
3.地理空間數據拓撲關系
拓撲關系類型
拓撲鄰接：指存在于空間圖形的相同類型元素之間的拓撲關系；
拓撲關聯：指存在于不同類型空間元素之間的拓撲關系；
拓撲包含：指存在于空間圖形的相同類型但不同等級的元素之間的拓撲關系。
第三節 地理空間數據結構的類型
1.矢量數據結構
定義：是利用歐幾里得幾何學中的點、線、面及其組合體來表示地理實體空間分布的一種數據組
織方式。
包括的內容：實體數據結構；拓撲數據結構
2.柵格數據結構
定義：指將空間分割成為有規則的網格，稱為柵格單元，在各個柵格單元上給出相應的屬性值來
表示地理實體的一種數據組織形式.
主要存儲類型：柵格矩陣結構；游程（行程）編碼結構。
3.矢量數據與柵格數據結構的優缺點
矢量數據結構：
優點：表示地理數據的精度較高；嚴密的數據結構，數據量?。挥镁W絡連接法能完整地描述拓撲
關系；圖形輸出精確美觀；圖形數據和屬性數據的恢復、更新、綜合都能實現。
缺點：數據結構復雜；矢量多邊形地圖或多邊形網很難用疊臵方法與柵格圖進行組合；顯示和繪
圖費用高，特別是高質量繪圖、彩色繪圖和暈線圖等；數學模擬比較困難；技術復雜，多邊形內的空
間分析不容易實現。
柵格數據結構：
優點：數據結構簡單；空間數據的疊臵和組合十分容易方便；各類空間分析都很易于進行；數學
模擬方便；技術開發費用低。
缺點：圖形數據量大；用大像元減少數據量時，可識別的現象結構將損失大量信息；地圖輸出不
精美；難以建立網絡連接關系；投影變換花的時間多。
4.游程編碼、四叉樹編碼方式
游程編碼：游程編碼是按行的順序存儲多邊形內的各個像元的列號，即在某行上從左至右存儲屬
該多邊形的始末像元的列號。游程長度編碼柵格加密時，數據量沒有明顯增加，壓縮效率較高，且易
于檢索、疊加、合并等操作。這種編碼方法最適合于小型計算機，同時也減少了柵格數據庫的數據輸
入量，但計算期間的處理和制圖輸出處理工作量都有所增加。
四叉樹編碼：四叉樹編碼又稱為四分樹、四元樹編碼。它是一種更有效地壓編數據的方法。它將
2n×2n 像元陣列的區域，逐步分解為包含單一類型的方形區域，最小的方形區域為一個柵格像元。圖
像區域劃分的原則是將區域分為大小相同的象限，而每一個象限又可根據一定規則判斷是否繼續等分
為次一層的四個象限。其終止判據是，不管是哪一層上的象限，只要劃分到僅代表一種地物或符合既
定要求的幾種地物時，則不再繼續劃分否則一直分到單個柵格像元為止。
5.多邊形和結點的拓撲編輯
例如，設需要對多邊形 P1 進行編輯，其算法過程為：從下表所示的弧段文件中，檢出與當前編
輯的多邊形 P1 相關的所有記錄（表 2）：
表 2 對多邊形 P1 進行編輯的過程（1）
弧段號 起結點 終結點 左多邊形 右多邊形
C1
C2
C3
N1
N3
N1
N2
N2
N3
P2
P1
P1
P1
P4
Ф
檢出的記錄中，計算機檢查當前編輯的多邊形 P1 所處的位臵：
如果 P1 位在左多邊形位臵，將之與位于右多邊形位臵的多邊形號相交換，同時也將該的結點號
位臵作相應的交換；反之，如果當前編輯的多邊形 P1 位于右多邊形位臵，則該記錄的所有數據項順
序不作改變。按照上述規則，檢出的記錄變為以下形式（表 3）：
表 3 對多邊形 P1 進行編輯的過程（2）
弧段號 起結點 終結點 左多邊形 右多邊形
C1
C2
C3
N1
N2
N3
N2
N3
N1
P2
P4
Ф
P1
P1
P1
從經過代碼位臵轉換的記錄中，任取一個起結點作為起點，順序連接各個結點，必要時可對記錄
的前后順序作調整，使得連接的結點能自行封閉，如表 4 所示。
表 4 對多邊形 P1 進行編輯的過程（3）
弧段號 起結點 終結點 左多邊形 右多邊形
C1
C2
C3
N1 N2
N2 N3
N3 N1
P2
P4
Ф
P1
P1
P1
如果依照上述順序的結點不能自行閉合，或者出現記錄缺損或記錄多余等情況，則表示弧段文件
有錯，必須改正出錯的記錄。直到所有多邊形都經過編輯的改正，再轉入結點連接編輯。
第四節 地理空間數據結構的建立
1.元數據
定義：元數據是關于數據的描述性數據信息，它應盡可能多地反映數據集自身的特征規律，以便
于用戶對數據集的準確、高效與充分的開發與利用，不同領域的數據庫，其元數據的內容會有很大差
異。
作用：幫助數據生產單位有效地管理和維護空間數據、建立數據文檔，并保證即使其主要工作人
員離退時，也不會失去對數據情況的了解；提供有關數據生產單位數據存儲、數據分類、數據內容、
數據質量、數據交換網絡及數據銷售等方面的信息，便于用戶查詢檢索地理空間數據；幫助用戶了解
數據，以便就數據是否能滿足其需求做出正確的判斷；提供有關信息，以便用戶處理和轉換有用的數
據。
2.元數據的內容
對數據集的描述；對數據集中各數據項、數據來源、數據所有者及數據序代（數據生產歷史）等
的說明；對數據質量的描述，如數據精度、數據的邏輯一致性、數據完整性、分辨率、元數據的比例
尺等；對數據處理信息的說明，如量綱的轉換等；對數據轉換方法的描述；
對數據庫的更新、集成等的說明。
第三章 空間數據處理
第一節 空間數據的變換
1.幾何糾正
定義：幾何糾正是為了實現數字化數據的坐標系統轉換和圖紙變形誤差的糾正。
2.地圖投影
定義：地圖投影是利用一定的數學方法則把地球表面的經、緯線轉換到平面上的理論和方法。
目的：研究解決曲面如何轉化到平面，進一步分析如何解決地圖投影中始終存在的變形問題。
常用地圖投影：高斯-克呂格投影，墨卡托投影，UTM 投影，蘭勃特投影。
3.地圖投影轉換
研究從一種地圖投影變為另一種地圖投影的理論和方法。
第二節 空間數據結構的轉換
1.矢量數據結構
定義：通過記錄坐標的方式，盡可能地將點、線、面地理實體表現得精確無誤。
特點：矢量數據能更精確地定義位臵、長度和大小。
2.柵格數據結構
定義：柵格數據結構實際就是像元陣列，每個像元由行列確定它的位臵。
特點：適合計算機處理。
3.由矢量向柵格轉換
定義：矢量格式向柵格格式轉換又稱為多邊形填充，就是在矢量表示的多邊形邊界內部的所有柵
格上賦予相應的多邊形編號，從而形成柵格數據陣列。
技術方法：點的柵格化；線的柵格化；面的柵格化。
4.由柵格向矢量轉換
目的：是為了將柵格數據分析的結果，通過矢量繪圖裝臵輸出，或者為了數據壓縮的需要，將大
量的面狀柵格數據轉換為由少量數據表示的多邊形的邊界。更重要的是為了將自動掃描儀獲取的柵格
數據加入矢量形式的數據庫。
方法：基于圖像數據的矢量化方法，柵格數據的矢量化方法。
第三節 多元空間數據的融合
1.不同遙感平臺和傳感器數據之間的融合
Landsat 與 SPOT 數據的融合；SPOT 與 Quick Bird 的融合等。
2.遙感數據與 GIS 數據的融合
遙感影像與數字線畫圖（DLG）的融合：經過正射糾正后的遙感影像，與數字線畫圖信息融合，
可產生影像地圖。
遙感影像與數字地形模型（DEM）的融合：數字地形模型與遙感數據的融合有助于實現遙感影像
的幾何校正與配準，消除遙感影像中因地形起伏所造成的像元位移，提高遙感影像的定位精度，同時
數字地形可參與遙感影像的分類，改善分類精度。
遙感影像與數字柵格圖（DRG）的融合：將數字柵格地圖與遙感圖像配準疊合，可以從遙感圖像
中快速發現以變化的區域，進而實現空間數據庫的自動/半自動更新。
第四節 空間數據的壓縮與重分類
1.空間數據壓縮的目的與意義
目的：空間數據往往具有巨大的數據量，不采用數據壓縮技術整個系統在存儲空間和處理時間上
都將承受巨大的壓力。
意義：即從空間坐標數據集合中抽取一個子集，使這個子集在規定的精度范圍內最好的逼近原集
合，而又取得盡可能大的壓縮比。
2.空間數據編碼
矢量編碼方法：x，y 坐標方法；樹狀索引編碼法； 拓撲結構編碼方法
柵格編碼方法：鏈式編碼；游程長度編碼；塊式編碼；四叉樹編碼
第五節 空間數據的內插方法
1.點的內插
用來建立具有連續變化特征現象的數值方法。
方法：
分塊內插發：線性內插法，雙線性多項式內插發，二元樣條函數內插發
逐點內插發：移動擬合法，加權平均法，克里金法
整體內插發：N 次多項式擬合法
2.區域的內插
定義：根據一組多邊形分區的已知數據來推求同一地區另一組多邊形分區未知數據的內插方法。
方法：疊臵法；比重法
第六節 空間數據庫
1.層次數據庫模型
定義：層次數據模型表現為倒立的樹，用戶把層次數據庫理解為段的層次。一個段等價于一個文
件系統的記錄型。在層次數據模型中，文件或記錄之間的聯系形成層次。換句話說，層次數據庫把記
錄集合表示成倒立的樹結構。
特點：有且只有一個節點沒有雙親節點，除根節點外的其他節點有且只有一個雙親節點。
2.網狀數據庫模型
定義：網狀數據模型與層次模型類似，只是一個記錄可以有多個雙親。網狀數據模型有三個基本
概念，即記錄型、數據項（或字段）以及鏈接。此外，在網狀模型術語里，聯系被稱為系，一個系至
少由兩個記錄型組成。第一個記錄型稱為主記錄，相當于層次模型的雙親。第二個記錄型稱為成員記
錄，相當于層次模型的子女。主記錄和它的成員記錄之間的聯系用鏈接來標識，數據庫設計者給這個
鏈接賦予系名。這個系名用來檢索和操縱數據。
特點：能夠更為直接地描述現實世界，如一個結點可以有多個雙親。具有良好的性能，存取效率
較高。
3.關系數據庫模型
定義：關系數據模型用簡單的表代替復雜的樹和網狀結構來簡化數據庫的用戶視圖。
特點：簡單，結構獨立性，易于設計、實現、維護和使用，靈活和強大的查詢能力。
4.面向對象數據庫系統
定義：由數據和對數據的操作組成。類是對多個對象共同特性的抽象概括。消息是對象之間通信
的唯一方式，用來指示接受消息的對象執行它的操作。方法是對象收到消息后應采取的動作系列的描
述。
對象具有的特性：封裝性；繼承性；多態性等。
第四章 空間分析原理與方法
第一節 空間信息模型的基本概念
1.空間數據庫
空間數據庫主要是為 GIS 提供空間數據的存儲和管理方法。其主要有兩種方式：空間數據文件存
儲管理和空間數據庫存儲和管理。
2.模型
就是將系統的各個要素，通過適當的篩選，用一定的表現規則描寫出來的簡明的映象。模型通常
表達了某個系統的發展過程或發展結果。
第二節 空間疊臵分析
1.空間疊臵分析的概念
空間疊臵分析是指在相同的空間坐標系統調價下，將同一地區兩個不同地理特征的空間和屬性數
據重疊相加，以產生空間區域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應關系。
2.基于矢量數據的疊臵分析
點與多邊形的疊合：點與多邊形的疊合是通過確定一個點狀空間特征中的點落在另一個多邊形空
間特征中的哪一個多邊形內，以便以每個點賦予新的多邊形屬性。
線與多邊形的疊合：現與多邊形的疊合是通過確定一個線狀空間特征中的線經過另一個多邊形空
間特征中的哪個多邊形，以便為線賦予新的多邊形屬性。
多邊形與多邊形的疊合：多邊形與多邊形的疊合是指將兩個不同的多邊形空間特征屬性相重疊，
產生新的多邊形特征屬性，以解決地理變量的多準則分析、區域多重屬性的分析、地理特征的動態變
化分析，以及圖符要素跟新、區域信息提取等。
3.柵格數據的疊合分析
特點：參與疊合分析的空間數據為柵格數據結構。柵格數據的疊合算法可以有多個空間特征數據
參與分析，而不像矢量疊合分析只能在空間特征數據之間進行。柵格疊合分析雖然占用存儲量比較大，
但是運算過程比較簡單。
條件：具備兩個或多個相同地區的相同行列數的柵格數據，柵格單元的大小也相同。
第三節 空間緩沖區分析
1.空間緩沖區的類型
基于點特征的緩沖區是在點特征的周圍以點為圓心、按照設定的距離為半徑做的圓，相互靠近的
圓可以相互重疊，以此表示點特征的影響范圍或服務區域。
基于線特征的緩沖區是按緩沖距離在線的兩側做平行線，在線的端點出做半圓與平行線連接成封
閉的區域。相互靠近的緩沖區可以相互重疊。
基于面特征的緩沖區與線的緩沖區相似，可以在面的外部做緩沖區，也可以在面的內部做緩沖區，
同樣可以在內外都生成緩沖區。
2.矢量緩沖區的建立
建立點狀實體的矢量緩沖區只需要以點狀實體為圓心，以緩沖區距離為半徑繪圓即可。線狀實體
和面狀實體緩沖區的建立也是以現狀實體或面狀實體的邊線為參考線，做參考線的平行線，再考慮端
點圓弧，即可建立緩沖區。
3.柵格緩沖區的建立
柵格緩沖區的生成可以通過兩個步驟來實現。首先是對需要做緩沖區的柵格單元做距離擴散，及
技術員其他柵格到需要做緩沖區的柵格的距離。然后按照設定的緩沖區距離提取符合要求的柵格單
元。
第四節 網絡分析
1.空間網絡分析
網路分析是通過模擬、分析網絡的狀態以及資源在網絡上的流動和分配等，研究網絡結構、流動
效率及網絡資源等的優化問題的一種方法。
2.網絡組成和屬性
組成：站點；節點；拐角點；中心；鏈；障礙。
屬性
(1)阻強：指資源在網絡流動中的而阻力大小。
(2)資源容量：指網絡中心為了滿足各鏈的需求，能夠容納或提供的資源總數量，也值從其他中心
流向該中心流向其他中心的資源總量。
(3)資源需求量：指網絡系統中需提的線路、鏈、節點所能收集的或可以提供給某一中心的資源量。
第五節 數字地面模型
1.數字地面模型
數字地面模型就是用數字化的形式表達的地形信息。
2.DEM 的表示方法
(1)數學分塊法
數學方法擬合表面時需依靠連續的三維函數，連續的三維函數能以高平滑度表示復雜表面。局部
擬合法是將復雜表面分成正方形像元，或面積大致相同的不規則形狀小塊，根據有限個離散點的高程，
可得到擬合的 DEM。盡管在小塊的邊緣，坡度不一定都是連續變化的，還是應使用加權函數來保證
小塊連接處的匹配，最近分段模擬已用于地下水、土壤特征或其它環境數據的表面內插。
(2)圖形法
線模式：表示地形的最普通線模式是一系列描述高程曲線的等高線。
點模式：人工網絡法；立體像對分析；不規則三角網方法。
第五章 地理信息系統的應用模型
第一節 GIS 應用模型的概述
1.GIS 應用模型的分類
根據表達控件對象的不同可分為三類：一類是基于理化原理的理論模型，又稱為數學模型；一類
是基于變量之間的統計關系或啟發式關系的模型，這類模型統稱為經驗模型，是通過理化統計方法和
大量觀測試驗建立的模型；另外一類是基于原理和經驗的混合模型，這類模型基于理論原理的確定性
變量，也有應用經驗加以確定的不確定性變量。
按照研究對象的瞬時狀態和發展過程，可將模型分為靜態、半靜態和動態三類。
2.GIS 應用模型的構建
應用模型建模的步驟；應用模型建模的途徑；應用模型建模的方法——制圖建模。
第二節 適宜性分析模型
1.模型概述
適宜性分析是指土地針對某種特定開發活動的分析，這些開發活動包括農業應用、城市化選址、
作物類型布局、道路選線、選擇重新造林的最適宜的土地等。
2.應用實例
評價對象；評價方法；評價過程。
第三節 發展預測模型
1. 一般介紹
發展預測是運用已有的存儲數據和系統提供的手段，對事物進行科學的數量分析，探索某一事物
在今后的可能發展趨勢，并作出評價和估計，以調節、控制計劃或行動。預測方法通常分為定性、定
量、定時和概率預測。
2.應用實例
評價對象；評價方法；評價過程。
第四節 區位選擇模型
1.區位選擇
按照規定的標準通過空間分析方法，確定廠址、電站、管線或交通路線等的最佳區位或路徑。
2.建立區位選擇模型的階段：
可分為數據準備階段、因子研究和綜合影響的評價階段，以及選址分析階段。
第五節 地球科學模擬模型
1.地球科學模擬模型
地球科學模擬模型是應用計算機、數字模擬技術及綜合分析的方法來模擬許多地理過程和現象。
2.應用實例：
以土壤侵蝕的模擬模型為例，首先，確定土壤侵蝕的數值分析模型；其次，設計土壤侵蝕數據處
理流程；最后，土壤侵蝕圖的輸出。
第六章 地理信息系統開發與應用
第一節 地理信息系統設計流程
1.系統設計
系統設計的任務是將系統分析階段提出的邏輯模型轉化為相應的物理型，其設計的內容隨系統的
目標、數據的性質和系統的不同而有很大的差異。首先應根據系統研制的目標，確定系統必須具備的
空間操作功能，稱為功能設計；其次是數據分類和編碼，完成空間數據的存儲和管理，稱為數據設計；
最后是系統的建模和產品的輸出，稱為應用設計。
2.系統設計流程（圖 1）
第二節 地理信息系統的設計
1.系統分析
這一次來源于美國的蘭德公司，其基本思想是從系統觀點出發，通過對事物進行分析與綜合，找
出各種可行的方案，為系統設計提供依據。
2.系統設計
又稱邏輯設計，其任務是根據系統研制的目的來規劃系統的規模和確定系統的各個組成部分，說
明他們在整個系統中的作用和相互關系，以及確定系統的軟硬件配臵，規定系統采用的技術規范，并
做出經費預算和時間安排，以保證系統總體目標的實現。
3.系統設計的主要內容
包括：用戶需求；系統目標；總體結構；系統配臵；數據庫設計；系統功能；經費和管理。
第三節 地理信息系統的主要應用
地理信息系統的應用領域：城市規劃、建設管理；農業氣候區劃；大氣污染監測管理；道路交通
管理；地震災害和損失估算；地貌研究；醫療衛生；軍事應用。
圖 1 地理信息系統設計流程
第四節 網絡地理信息系統
1.Web GIS（網絡地理信息系統）
定義：是在 INTERNET 信息發布、數據共享、交流協作基礎之上實現 GIS 的在線查詢和業務處
理等功能，Web 分布式交互操作是工作的重心。
特點：WebGIS 的興起，反映了網絡時代的 GIS 要求，反映了信息的靜態存儲與動態遷移的需要。
無論是 GIS 的數據，還是 GIS 的功能，都存在這種靜態存儲、動態遷移的需要。在便于管理、更新的
服務端，可以提供 GIS 信息的管理和存儲，提供高效率的功能服務單元代碼的存儲，而用戶端不需要
20%
程序代碼設計和
軟件開發
用戶需求分析報告
擬定標準和規范
總體方案設計書
工程開發計劃
系統功能分解、數據庫建立
等；作業規范和技術文件等
系統測試分析報告
系統運行和維護
需求分析和立項
數據分類、分層和編碼樣區試驗
系統總體設計
總體方案論證：
系統目標；系統功能
數據庫設計；應用模型
詳細方案設計
數據庫建立
系統安裝、調試和試運行
系統驗收
管理措施和數據庫更新
系
統
分
析
系
統
設
計
系
統
實
施
5%
可行性分析報告
用戶業務流程分析報告
國內相似系統及應用的調研，
用戶單位需求情況的調查
30%
運
行
維
護
>30%
階段 內容 工作量
存儲任何數據和功能，卻能通過 WebGIS 讓 GIS 數據和功能單元遷移到本地后自動執行。這是一種思
想的進步，也是技術文明的進步。
2.分布式地理信息系統概念
指在計算機網絡環境下，以分布式計算的理論技術和計算機網絡技術為應用指導，用來設計地理
信息系統中的時空數據采集、存儲、管理、分析、表現等運算的理論計算模型。它是按照系統中的數
據分布的特征和針對其中數據處理的計算特征而分類的，是描述系統級各功能模塊與數據之間的運算
關系的計算模型。其研究對象是網絡上分布存在的地理信息數據以及受其影響的數據和操作。目的是
要解決網絡上地理信息系統中存在的數據異構、數據共享、復雜運算等問題，也是實現網絡地理信息
系統的途徑和重要的計算模型。
3.ComGIS（組件式地理信息系統）
定義：構件式軟件技術成為了當今軟件技術的潮流之一，它的出現改變了以往封閉、復雜、難以
維護的軟件開發模式。 ComGIS 便是順應這一潮流的新一代地理信息系統，是面向對象技術和構件
式軟件技術在 GIS 軟件開發中的應用。
特點：與語言無關性；二次開發性能強；開放性和可擴展性；大眾化；低成本；分布式多數據源
集成；可操作性。
第五節 地理信息系統標準化
1.主要內容：統一的名詞術語內涵；統一的數據采集原則；統一的空間定位框架；統一的數據分
類標準；統一的數據編碼系統；統一的數據組織結構；統一的數據記錄格式；統一的數據質量含義。
2.地理信息系統的評價：系統效率；系統可靠性；可擴展性；可移植性；系統效益；安全性。
第七章 地球信息科學與數字地球
第一節 地球信息科學
1.地理信息科學
地理信息科學是 1992 年 Goodchild 提出的，與地理信息系統相比，它更加側重于將地理信息視作
為一門科學，而不僅僅是一個技術實現，主要研究在應用計算機技術對地理信息進行處理、存儲、提
取以及管理和分析過程中提出的一系列基本問題，包括：
(1)分布式計算
(2)地理信息的認知
(3)地理信息的互操作
(4)比例尺
(5)空間信息基礎設施的未來
(6)地理數據的不確定性和基于 GIS 的分析
(7)GIS 和社會
(8)地理信息系統在環境中的空間分析
(9)空間數據的獲取和集成等等
2.主要研究內容
地球信息科學的本質是從信息流的角度來揭示地球系統的發生、發展及其演化規律，從而實現資
源、環境和社會的宏觀調控。
地球信息研究包括：地球信息的結構、性質、分類和表達；地球圈層間信息傳輸機制、物理過程
及其增益和衰減以及信息流的形成機理；地球信息的空間認識及其不確定性與可預見性；地球信息模
擬物質流、能量流和人流相互作用關系的時空轉換特征；地球信息的獲取和處理的應用基礎理論等。
3.地球信息技術包括的內容
(1)地球數據獲取技術
用以從外部世界獲得記錄地球性質和狀態的地球數據。遙感、全球定位系統等地球數據獲取技術
的發展已經形成了覆蓋全球的監測運行系統，建立起多層次、立體的對地觀測系統（EOS,Earth
Observation System），是快速獲取和更新地球數據的主要技術手段。
(2)地球信息模擬技術
用于將地球數據轉化為地球信息，包括地球空間信息的加工、再生以及獲得有關某一地球空間問
題解決的目的、計劃和策略信息。
(3)地球信息傳播技術
用以實施空間數據的傳遞和信息的傳播。
第二節 數字地球的概念及其產生的背景
1.基本概念
一個以地球坐標為依據的、具有多分辨率的海量數據和多維顯示的地球虛擬系統。數字地球看成
是“對地球的三維多分辨率表示、它能夠放入大量的地理數據” 在接下來對數字地球的直觀實例解釋
中可以發現，戈爾的數字地球學是關于整個地球、全方位的 GIS 與虛擬現實技術、網絡技術相結合的
產物。
2.產生的背景
地 理 信 息 系 統
遙 感 、 GPS 等
測 繪 技 術
地 球 信 息 技 術
地 理 信 息 科 學
G eomatics
地 球 信 息 科 學
地 球 系 統 科 學
數 字 地 球
全 球 變 化
可 持 續 發 展
其 它
學 科 理 論 技 術 支 撐
計 算 機 技 術
（ 網 絡 ， 虛 擬
現 實 … ）
政 策 應 用
圖 2 數字地球產生的背景
第三節 數字地球核心技術
核心技術的主要內容：高分辨率衛星遙感數據的快速獲取技術；地球空間數據的存儲和處理；超
媒體空間信息系統；地理信息的分布式計算；無比例尺數據庫；空間數據倉庫；空間數據融合(Fusion)；
虛擬現實(VR,Virtual Reality)技術；元數據（Metadata）。
第四節 “3S”集成技術
1.“3S”基本概念
(1)遙感(RS)
通常是指通過某種傳感器裝臵，在不與研究對象直接接觸的情況下，獲得其特征信息，并對這些
信息進行提取、加工、表達和應用的一門科學技術。
(2)全球定位系統(GPS)
是利用人造地球衛星進行點位測量導航技術。
GPS 系統包括三大部分：空間部分——GPS 衛星星座；地面控制部分——地面監控系統；用戶設
備部分——GPS 信號接收機。
(3)地理信息系統（GIS）
是以地理空間數據庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間相關數據進行采集、管理、操作、
分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態的地理信息，為地理研究和
地理決策服務而建立起來的計算機技術系統。
(4)3S 系統
3S 技術為科學研究、政府管理、社會生產提供了新一代的觀測手段、描述語言和思維工具。3S
的結合應用，取長補短，是一個自然的發展趨勢，三者之間的相互作用形成了“一個大腦，兩只眼睛”
的框架，即 RS 和 GPS 向 GIS 提供或更新區域信息以及空間定位，GIS 進行相應的空間分析，以從
RS 和 GPS 提供的浩如煙海的數據中提取有用信息，并進行綜合集成，使之成為決策的科學依據。
2.主要應用
(1)定位
主要在諸如旅游、探險等需要室外動態定位信息的活動中使用。如果不與 GIS 集成，利用 GPS
接收機和紙質地形圖，也可以實現空間定位；但是通過將 GPS 接收機連接在安裝 GIS 軟件和該地區
空間數據的便攜式計算機上，可以方便地顯示 GPS 接收機所在位臵并實時顯示其運動軌跡，進而可
以利用 GIS 提供的空間檢索功能，得到定位點周圍的信息，從而實現決策支持。
(2)測量
主要應用于土地管理、城市規劃等領域，利用 GPS 和 GIS 的集成，可以測量區域的面積或者路
徑的長度。該過程類似于利用數字化儀進行數據錄入，需要跟蹤多邊形邊界或路徑，采集抽樣后的頂
點坐標，并將坐標數據通過 GIS 記錄，然后計算相關的面積或長度數據。
在進行 GPS 測量時，要注意以下一些問題，首先，要確定 GPS 的定位精度是否滿足測量的精度
要求，如對宅基地的測量，精度需要達到厘米級，而要在野外測量一個較大區域的面積，米級甚至幾
十米級的精度就可以滿足要求；其次，對不規則區域或者路徑的測量，需要確定采樣原則，采樣點選
取的不同，會影響到最后的測量結果。
(3)監控導航
用于車輛、船只的動態監控，在接收到車輛、船只發回的位臵數據后，監控中心可以確定車船的
運行軌跡，進而利用 GIS 空間分析工具，判斷其運行是否正常，如是否偏離預定的路線，速度是否異
常（靜止）等等，在出現異常時，監控中心可以提出相應的處理措施，其中包括向車船發布導航指令。
參考書目：
1、 地理信息系統教程，湯國安，劉學軍、閭國年等，高等教育出版社，2007。
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