北京大學地理信息系統(tǒng)概論期末考試試卷（兩套）及參考答案

1、北京大學地理信息系統(tǒng)概論期末考試A卷一、名詞解釋（每題5分，共20分）1. 地理信息系統(tǒng)2. TIN模型3. 元數(shù)據(jù)4. 信息二、簡答題（每題10分，共40分）1. 地理信息系統(tǒng)的組成。2. 簡述柵格數(shù)據(jù)及其主要編碼方式。3. 格網(wǎng)DEM分析的主要應用。4. 根據(jù)下面示意圖，給出其的矢量數(shù)據(jù)結構編碼。三、分析題（每題20分，共40分）1. 論述點、線、多邊形數(shù)據(jù)之間的疊加分析的內容和方法。2. 結合自己的實際工作，論述一個地理信息系統(tǒng)的應用實例參考答案：*本答案僅供參考。試題尤其是問答題較為靈活，重點要關心考生的綜合應用能力。一、名詞解釋1.地理信息系統(tǒng)的定義是由兩個部分組成的。一方面，地理信

2、息系統(tǒng)是一門學科，是描述、存儲、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門新興的交叉學科；另一方面，地理信息系統(tǒng)是一個技術系統(tǒng)，是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統(tǒng)。2.TIN即不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network），是一種表示數(shù)字高程模型的方法。TIN模型根據(jù)區(qū)域有限個點集將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)絡，區(qū)域中任意點落在三角面的頂點、邊上或三角形內。如果點不在頂點上，該點的高程值通常通過線性插值的方法得到。3.元數(shù)據(jù)是關于數(shù)據(jù)的描述性數(shù)據(jù)信息，它應盡可能多地反映數(shù)據(jù)集自身的特

3、征規(guī)律，以便于用戶對數(shù)據(jù)集的準確、高效與充分的開發(fā)與利用。元數(shù)據(jù)的內容包括對數(shù)據(jù)集的描述、）對數(shù)據(jù)質量的描述、對數(shù)據(jù)處理信息的說明、對數(shù)據(jù)轉換方法的描述、對數(shù)據(jù)庫的更新、集成等的說明。4.信息是向人們或機器提供關于現(xiàn)實世界新的事實的知識，是數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義，它不隨載體的物理設備形式的改變而改變。二、簡答題1.地理信息系統(tǒng)的組成。一個完整的GIS主要由四個部分構成，即計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)（或空間數(shù)據(jù)）和系統(tǒng)管理操作人員。其核心部分是計算機系統(tǒng)（軟件和硬件），空間數(shù)據(jù)反映GIS的地理內容，而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表示方式。（1）計算機硬件系統(tǒng)：是計算機

4、系統(tǒng)中的實際物理裝置的總稱，是GIS的物理外殼。包括輸入/輸出設備、中央處理單元、存儲器等，向提供信息、保存數(shù)據(jù)、返回信息給用戶。（2）計算機軟件系統(tǒng)：計算機軟件系統(tǒng)是指必需的各種程序。對于GIS應用而言，通常包括：計算機系統(tǒng)軟件、地理信息系統(tǒng)軟件和其他支持軟件、應用分析程序。（3）系統(tǒng)開發(fā)、管理和使用人員：完善的地理信息系統(tǒng)項目應包括負責系統(tǒng)設計和執(zhí)行的項目經(jīng)理、信息管理的技術人員、系統(tǒng)用戶化的應用工程師以及最終運行系統(tǒng)的用戶。地理信息系統(tǒng)專業(yè)人員是地理信息系統(tǒng)應用的關鍵。（4）空間數(shù)據(jù)：它是由系統(tǒng)的建立者輸入GIS，是系統(tǒng)程序作用的對象，是GIS所表達的現(xiàn)實世界經(jīng)過模型抽象的實質性內容。主

5、要包括空間位置、空間關系、屬性等。2.簡述柵格數(shù)據(jù)及其主要編碼方式。柵格結構是最簡單最直接的空間數(shù)據(jù)結構，是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個網(wǎng)格作為一個象元或象素由行、列定義，并包含一個代碼表示該象素的屬性類型或量值，或僅僅包括指向其屬性記錄的指針。因此，柵格結構是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。柵格數(shù)據(jù)的主要編碼方式包括：（1）直接柵格編碼：這是最簡單直觀而又非常重要的一種柵格結構編碼方法，就是將柵格數(shù)據(jù)看作一個數(shù)據(jù)矩陣，逐行（或逐列）逐個記錄代碼，可以每行都從左到右逐個象元記錄，也可以奇數(shù)行地從左到右而偶數(shù)行

6、地從右向左記錄，為了特定目的還可采用其他特殊的順序。（2）壓縮編碼方法：目前有一系列柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法，如鍵碼、游程長度編碼、塊碼和四叉樹編碼等。其目的是用盡可能少的數(shù)據(jù)量記錄盡可能多的信息，其類型又有信息無損編碼和信息有損編碼之分。 a）鏈碼：又稱為弗里曼鏈碼或邊界鏈碼，鏈碼可以有效地壓縮柵格數(shù)據(jù)，而且對于估算面積、長度、轉折方向的凹凸度等運算十分方便，比較適合于存儲圖形數(shù)據(jù)。b）游程長度編碼：柵格圖像常常有行（或列）方向上相鄰的若干點具有相同的屬性代碼，因而可采取某種方法壓縮那些重復的記錄內容。一種編碼方案是，只在各行（或列）數(shù)據(jù)的代碼發(fā)生變化時依次記錄該代碼以及相同的代碼重復的個數(shù)；另

7、一種方案是逐個記錄各行（或列）代碼發(fā)生變化的位置和相應代碼，c）塊碼：塊碼是游程長度編碼擴展到二維的情況，采用方形區(qū)域作為記錄單元，每個記錄單元包括相鄰的若干柵格，數(shù)據(jù)結構由初始位置（行、列號）和半徑，再加上記錄單位的代碼組成。d）四叉樹：又稱四元樹或四分樹，是最有效的柵格數(shù)據(jù)壓縮編碼方法之一。四叉樹將整個圖像區(qū)逐步分解為一系列被單一類型區(qū)域內含的方形區(qū)域，最小的方形區(qū)域為一個柵格象元。分割的原則是，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少數(shù)幾種地物時，則不再繼續(xù)劃分，否則一直劃分到單個柵格象元為止。3.格網(wǎng)DEM分析的主要應用。（1）地形曲面擬合：DEM最基礎的應用是

8、求DEM范圍內任意點的高程，在此基礎上進行地形屬性分析。由于已知有限個格網(wǎng)點的高程，可以利用這些格網(wǎng)點高程擬合一個地形曲面，推求區(qū)域內任意點的高程。（2）立體透視圖：繪制透視立體圖是DEM的一個極其重要的應用。透視立體圖能更好地反映地形的立體形態(tài)，非常直觀。人們可以根據(jù)不同的需要，對于同一個地形形態(tài)作各種不同的立體顯示，更好地研究地形的空間形態(tài)。（3）通視分析：通視分析有著廣泛的應用背景。典型的例子是觀察哨所的設定、森林中火災監(jiān)測點的設定、無線發(fā)射塔的設定等。通視問題可以分為五類：a）已知一個或一組觀察點，找出某一地形的可見區(qū)域；b）欲觀察到某一區(qū)域的全部地形表面，計算最少觀察點數(shù)量；c）在觀

9、察點數(shù)量一定的前提下，計算能獲得的最大觀察區(qū)域；d）以最小代價建造觀察塔，要求全部區(qū)域可見；e）在給定建造代價的前提下，求最大可見區(qū)。根據(jù)問題輸出維數(shù)的不同，通視可分為點的通視，線的通視和面的通視。（4）流域特征地貌提取與地形自動分割：是進行流域空間模擬的基礎技術。主要包括兩個方面：a）流域地貌形態(tài)結構定義，定義能反映流域結構的特征地貌，建立格網(wǎng)DEM對應的微地貌特征；b）特征地貌自動提取和地形自動分割算法。（5）計算地形屬性：DEM派生的地形屬性數(shù)據(jù)可以分為單要素屬性和復合屬性二種。前者可由高程數(shù)據(jù)直接計算得到，如坡度因子，坡向。后者是由幾個單要素屬性按一定關系組合成的復合指標，用于描述某種

10、過程的空間變化，這種組合關系通常是經(jīng)驗關系，也可以使用簡化的自然過程機理模型。4.根據(jù)下面示意圖，給出其的矢量數(shù)據(jù)結構編碼。點：點號坐標1x1, y112x12, y1221X21, y2128X28, y2839X39, y39線：ID起點終點點號a39139,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,1b283928,40,41,42,43,44,39c122812,25,26,27,28d1121,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12e12112,13,14,15,16,1f211212,22,23,24,12g1211,17,18,19,20,

11、21h282128m29,30,31,21i213921,32,33,34,35,36,37,38,39多邊形多邊形編號多邊形邊界Id, eIIc, f, hIIIb, h, iIVa, i, g三、分析題（每題20分，共40分）1.論述點、線、多邊形數(shù)據(jù)之間的疊加分析的內容和方法。（1）點與多邊形疊加點與多邊形疊加，實際上是計算多邊形對點的包含關系，進行點是否在一個多邊形中的空間關系判斷。在完成點與多邊形的幾何關系計算后，還要進行屬性信息處理。最簡單的方式是將多邊形屬性信息疊加到其中的點上。當然也可以將點的屬性疊加到多邊形上，用于標識該多邊形，如果有多個點分布在一個多邊形內的情形時，則要采用

12、一些特殊規(guī)則，如將點的數(shù)目或各點屬性的總和等信息疊加到多邊形上。通過點與多邊形疊加，可以計算出每個多邊形類型里有多少個點，不但要區(qū)分點是否在多邊形內，還要描述在多邊形內部的點的屬性信息。通常不直接產(chǎn)生新數(shù)據(jù)層面，只是把屬性信息疊加到原圖層中，然后通過屬性查詢間接獲得點與多邊形疊加的需要信息。例如一個中國政區(qū)圖（多邊形）和一個全國礦產(chǎn)分布圖（點），二者經(jīng)疊加分析后，并且將政區(qū)圖多邊形有關的屬性信息加到礦產(chǎn)的屬性數(shù)據(jù)表中，然后通過屬性查詢，可以查詢指定省有多少種礦產(chǎn)，產(chǎn)量有多少；而且可以查詢，指定類型的礦產(chǎn)在哪些省里有分布等信息。（2）線與多邊形疊加線與多邊形的疊加，是比較線上坐標與多邊形坐標的關

13、系，判斷線是否落在多邊形內。計算過程通常是計算線與多邊形的交點，只要相交，就產(chǎn)生一個結點，將原線打斷成一條條弧段，并將原線和多邊形的屬性信息一起賦給新弧段。疊加的結果產(chǎn)生了一個新的數(shù)據(jù)層面，每條線被它穿過的多邊形打斷成新弧段圖層，同時產(chǎn)生一個相應的屬性數(shù)據(jù)表記錄原線和多邊形的屬性信息。根據(jù)疊加的結果可以確定每條弧段落在哪個多邊形內，可以查詢指定多邊形內指定線穿過的長度。如果線狀圖層為河流，疊加的結果是多邊形將穿過它的所有河流打斷成弧段，可以查詢任意多邊形內的河流長度，進而計算它的河流密度等；如果線狀圖層為道路網(wǎng)，疊加的結果可以得到每個多邊形內的道路網(wǎng)密度，內部的交通流量，進入、離開各個多邊形的

14、交通量，相鄰多邊形之間的相互交通量。（3）多邊形疊加多邊形疊加是GIS最常用的功能之一。多邊形疊加將兩個或多個多邊形圖層進行疊加產(chǎn)生一個新多邊形圖層的操作，其結果將原來多邊形要素分割成新要素，新要素綜合了原來兩層或多層的屬性。疊加過程可分為幾何求交過程和屬性分配過程兩步。幾何求交過程首先求出所有多邊形邊界線的交點，再根據(jù)這些交點重新進行多邊形拓撲運算，對新生成的拓撲多邊形圖層的每個對象賦一多邊形唯一標識碼，同時生成一個與新多邊形對象一一對應的屬性表。多邊形疊加結果通常把一個多邊形分割成多個多邊形，屬性分配過程最典型的方法是將輸入圖層對象的屬性拷貝到新對象的屬性表中，或把輸入圖層對象的標識作為外

15、鍵，直接關聯(lián)到輸入圖層的屬性表。這種屬性分配方法的理論假設是多邊形對象內屬性是均質的，將它們分割后，屬性不變。也可以結合多種統(tǒng)計方法為新多邊形賦屬性值。多邊形疊加完成后，根據(jù)新圖層的屬性表可以查詢原圖層的屬性信息，新生成的圖層和其它圖層一樣可以進行各種空間分析和查詢操作。根據(jù)疊加結果最后欲保留空間特征的不同要求，一般的GIS軟件都提供了三種類型的多邊形疊加操作：并、疊和、交。2.結合自己的實際工作，論述一個地理信息系統(tǒng)的應用實例。（略）北京大學地理信息系統(tǒng)概論期末考試B卷一、名詞解釋（每題5分，共20分）1. 地理數(shù)據(jù)2. 空間索引3. DTM與DEM4. GIS互操作二、簡答題（每題10分，

16、共40分）1. 矢量數(shù)據(jù)結構與柵格數(shù)據(jù)結構的轉換算法。2. 簡述空間數(shù)據(jù)誤差來源與數(shù)據(jù)質量控制方法。3. 3S集成的作用和意義4. 下面兩個多邊形圖層A和B，圖中標注的是多邊形的屬性，請畫出A與B兩個圖層Overlay的結果圖層C的示意圖，并標注屬性，其中C的屬性為C=A+B。三、分析題（每題20分，共40分）1. 為了完成城市道路拓寬改建分析，論述需要那些空間數(shù)據(jù)，并描述在GIS支持下的分析流程。2. 結合某具體領域（如區(qū)域規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、土地利用、公共衛(wèi)生等）進行應用GIS總體設計與項目實施。參考答案：*本答案僅供參考。試題尤其是問答題較為靈活，重點要關心考生的綜合應用能力。一、名詞解釋（

17、每題5分，共20分）1. 地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征及時態(tài)特征三部分。2. 空間索引就是指依據(jù)空間對象的位置和形狀或空間對象之間的某種空間關系按一定的順序排列的一種數(shù)據(jù)結構，其中包含空間對象的概要信息，如對象的標識、外接矩形及指向空間對象實體的指針。它通過篩選作用，大量與特定空間操作無關的空間對象被排除，從而提高空間操作的速度和效率。3. DTM為數(shù)字地形模型（Digital Terrain Model），是地形表面形態(tài)屬性信息的數(shù)字表達，是帶有空間位置特征和地形屬性特征的數(shù)字描述。數(shù)字地形模型中地形屬性為高程時稱為數(shù)字高程模型（Digital El

18、evation Model），簡稱DEM。4. GIS互操作是指不同的GIS間與平臺無關的透明數(shù)據(jù)訪問、共享空間數(shù)據(jù)庫和其它服務。是當代GIS技術發(fā)展的重要方向。二、簡答題（每題10分，共40分）1. 矢量數(shù)據(jù)結構與柵格數(shù)據(jù)結構的轉換算法。 對于點狀實體，每個實體僅由一個坐標對表示，其矢量結構和柵格結構的相互轉換基本上只是坐標精度變換問題。線實體的矢量結構由一系列坐標對表示，在變?yōu)闁鸥窠Y構時，除把序列中坐標對變?yōu)闁鸥裥辛凶鴺送?，還需根據(jù)柵格精度要求，在坐標點之間插滿一系列柵格點，這可以由兩點式直線方程得到。線實體由柵格結構變?yōu)槭噶拷Y構與將多邊形邊界表示為矢量結構相似，因此以下重點討論多邊形的矢

19、量結構與柵格結構相互轉換。 （1）矢量向柵格轉換 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點上賦以相應的多邊形編碼，從而形成柵格數(shù)據(jù)陣列。幾種主要的算法描述如下： a）內部點擴散算法：由每個多邊形一個內部點（種子點）開始，向其八個方向的鄰點擴散，判斷各個新加入點是否在多邊形邊界上，如果是邊界上，則該新加入點不作為種子點，否則把非邊界點的鄰點作為新的種子點與原有種子點一起進行新的擴散運算，并將該種子點賦以該多邊形的編號。重復上述過程直到所有種子點填滿該多邊形并遇到邊界停止為止。 b）復數(shù)積分算法：對全部柵格陣列逐個柵格單元地判斷該柵格歸屬的多邊形編碼，判別

20、方法是由待判點對每個多邊形的封閉邊界計算復數(shù)積分，對某個多邊形，如果積分值為2r，則該待判點屬于此多邊形，賦以多邊形編號，否則在此多邊形外部，不屬于該多邊形。 c）射線算法和掃描算法：射線算法可逐點判斷數(shù)據(jù)柵格點在某多邊形之外或在多邊形內，由待判點向圖外某點引射線，判斷該射線與某多邊形所有邊界相交的總次數(shù)，如相交偶數(shù)次，則待判點在該多邊形外部，如為奇數(shù)次，則待判點在該多邊形內部。要注意的是：射線與多邊形邊界相交時，有一些特殊情況會影響交點的個數(shù)，必須予以排除。 d）邊界代數(shù)算法：它適合于記錄拓撲關系的多邊形矢量數(shù)據(jù)轉換為柵格結構。若多邊形編號為a，初始化的柵格陣列各柵格值為零，以柵格行列為參考

21、坐標軸，由多邊形邊界上某點開始順時針搜索邊界線，當邊界上行時，位于該邊界左側的具有相同行坐標的所有柵格被減去a；當邊界下行時，該邊界左邊所有柵格點加一個值a，邊界搜索完畢則完成了多邊形的轉換。（2）柵格格式向矢量格式的轉換多邊形柵格格式向矢量格式轉換就是提取以相同的編號的柵格集合表示的多邊形區(qū)域的邊界和邊界的拓撲關系，并表示由多個小直線段組成的矢量格式邊界線的過程。柵格格式向矢量格式轉換通常包括以下四個基本步驟： a）多邊形邊界提?。翰捎酶咄V波將柵格圖像二值化或以特殊值標識邊界點； b）邊界線追蹤：對每個邊界弧段由一個結點向另一個結點搜索，通常對每個已知邊界點需沿除了進入方向的其他7個方向搜

22、索下一個邊界點，直到連成邊界弧段； c）拓撲關系生成：對于矢量表示的邊界弧段數(shù)據(jù)，判斷其與原圖上各多邊形的空間關系，以形成完整的拓撲結構并建立與屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)系； d）去除多余點及曲線圓滑：由于搜索是逐個柵格進行的，必須去除由此造成的多余點記錄，以減少數(shù)據(jù)冗余；搜索結果，曲線由于柵格精度的限制可能不夠圓滑，需采用一定的插補算法進行光滑處理，常用的算法有：線形迭代法；分段三次多項式插值法；正軸拋物線平均加權法；斜軸拋物線平均加權法；樣條函數(shù)插值法。2. 簡述空間數(shù)據(jù)誤差來源與數(shù)據(jù)質量控制方法。從空間數(shù)據(jù)的形式表達到空間數(shù)據(jù)的生成，從空間數(shù)據(jù)的處理變換到空間數(shù)據(jù)的應用，在這兩個過程中都會有數(shù)據(jù)質量問

23、題的發(fā)生。 （1）空間現(xiàn)象自身存在的不穩(wěn)定性：包括空間特征和過程在空間、專題和時間內容上的不確定性。 （2）空間現(xiàn)象的表達：數(shù)據(jù)采集中的測量方法以及量測精度的選擇等受到人類自身的認識和表達的影響，這對于數(shù)據(jù)的生成會出現(xiàn)誤差。 （3）空間數(shù)據(jù)處理中的誤差：在空間數(shù)據(jù)處理過程中，容易產(chǎn)生的誤差有以下幾種：投影變換產(chǎn)生的差異；地圖數(shù)字化和掃描后的矢量化處理都可能出現(xiàn)誤差；數(shù)據(jù)格式轉換中的位置差異性；數(shù)據(jù)抽象時產(chǎn)生的誤差；建立拓撲關系過程中的位置坐標的變化；與主控數(shù)據(jù)層的匹配位移導致誤差；數(shù)據(jù)疊加操作和更新產(chǎn)生空間位置和屬性值的差異；數(shù)據(jù)集成處理產(chǎn)生的誤差；數(shù)據(jù)的可視化產(chǎn)生表達上的誤差；數(shù)據(jù)處理過程中

24、誤差的傳遞和擴散 （4）空間數(shù)據(jù)使用中的誤差：主要包括兩個方面：一是對數(shù)據(jù)的解釋過程，一是缺少文檔，這樣往往導致數(shù)據(jù)用戶對數(shù)據(jù)的隨意性使用而使誤差擴散。 數(shù)據(jù)質量控制是個復雜的過程，要控制數(shù)據(jù)質量應從數(shù)據(jù)質量產(chǎn)生和擴散的所有過程和環(huán)節(jié)入手，分別用一定的方法減少誤差?？臻g數(shù)據(jù)質量控制常見的方法有： （1）傳統(tǒng)的手工方法：將數(shù)字化數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)源進行比較，圖形部分的檢查包括目視方法、繪制到透明圖上與原圖疊加比較，屬性部分的檢查采用與原屬性逐個對比或其他比較方法。 （2）元數(shù)據(jù)方法：數(shù)據(jù)集的元數(shù)據(jù)中包含了大量的有關數(shù)據(jù)質量的信息，通過它可以檢查數(shù)據(jù)質量，同時元數(shù)據(jù)也記錄了數(shù)據(jù)處理過程中質量的變化，通過跟

25、蹤元數(shù)據(jù)可以了解數(shù)據(jù)質量的狀況和變化。 （3）地理相關法：用空間數(shù)據(jù)的地理特征要素自身的相關性來分析數(shù)據(jù)的質量。3. 3S集成的作用和意義。 3S技術為科學研究、政府管理、社會生產(chǎn)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(fā)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(qū)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(shù)據(jù)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(jù)。 GIS、RS和GPS三者集成利用，構成為整體的、實時的和動態(tài)的對地觀測、分析和應用的運行系統(tǒng)，提高了GIS的應用效率。在實際的應用中，較為常見的是3S兩兩之間的集成，如GIS/RS集成，GIS/GPS集成或者RS/GPS集成等，但是同時集成并使用3S技術的應用實例則較少。 RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技術水平上實現(xiàn)，最簡單的辦法是三種系統(tǒng)分開而由用戶綜合使用，進一步是三者有共同的界面，做到表面上無縫的集成，數(shù)據(jù)傳輸則在內部通過特征碼相結合，最好的辦法是整體的集成，成為統(tǒng)一的系統(tǒng)。單純從軟件實現(xiàn)的角度來看，開發(fā)3S集成的系統(tǒng)在技術上并沒有多大的障礙。目前一般工具軟件的實現(xiàn)技術方案是：通過支持柵格數(shù)據(jù)類型及相關的處理分析操作以實現(xiàn)與遙感的集成，而通過增