重要知识点梳理

1. GIS平台的基本架构和开发方法

1）简述GIS平台包含的主要内容：矢量和栅格数据的存储、GIS的符号库设计（点/线/面/体/色表）、GIS空间分析、GIS地图服务
答：矢量和栅格数据的存储：矢量数据用于表示精准的地理特征（如点、线、面），而栅格数据用于表示连续的地理现象（如高程、影响等）。
GIS符号库设计：符号库用于表达地理数据的视觉特征，包括点、线、面、体和色表等元素。符号设计使地图更易于理解和美观，满足不同场景的需求。
GIS空间设计：用于分析和处理地理信息，解决实际地理问题。
GIS地图服务：GIS平台通过地图服务（如Web Map Service，WMS）来发布地图数据，使用户能够在不同设备和客户端上访问地理信息。

2）GIS应用系统设计与开发中、数据字典的设计一般包含哪些内容？
答：数据项定义、数据类型、数据范围和约束、数据关系、数据源、数据维护

3）目前商用的GIS平台软件有哪些？开源的GIS平台有哪些？各有哪些优缺点？
答：商用GIS平台：ArcGIS、MapInfo、SuperMap、MapGIS
优点：商用平台通常具有稳点的性能、强大的功能、完善的技术支持和丰富的插件。
缺点：通常价格较高、代码封闭，定制性有限，使用许可较严格。
开源GIS平台：QGIS、GRASS GIS、PostGIS、GeoServer
优点：开源平台免费且具有较高的灵活性和可扩展性，允许用户根据需求进行二次开发。
缺点：在某些方面功能可能不用商用软件丰富，且技术支持主要依赖社区，稳定性和兼容性需要更多测试。

2. GIS设计与开发中的插件式开发

1）简述GIS的开发方法。DLL库式、组件式、插件式、搭建式开发？
答：DLL库式：通过编写动态链接库（DLL）来扩展现有GIS应用程序的功能。这种方法主要适用于与主程序进行集成的功能拓展。
组件式：通过设计可重用的组件（如COM组件、ActiveX控件等）来开发GIS功能。这些组件可以单独部署或被不同的应用程序调用。
插件式：通过插件系统将功能模块化，并允许用户或开发者根据需求安装、更新或卸载插件。插件通常是独立于主程序的二进制文件，可以动态加载。
搭建式：通过构建自己的开发环境和框架来实现自定义GIS应用程序，通常是从零开始搭建应用程序的架构和功能。

2）简述基于VS进行QGIS的DLL二次开发的基本流程。
答：1.配置开发环境：配置VC++,QGIS API；
2.创建QGIS插件或DLL项目：创建项目，链接QGIS库；
3.实现DLL功能：编写C++代码，实现功能；
4.编译DLL并进行调试；
5.部署和发布插件。

3）QGIS中的C++插件开发流程。
答：1.准备开发环境：QGIS、Qt；
2.创建C++插件项目：配置文件链接QGIS库；
3.实现插件功能：编写C++代码实现插件的功能；
4.集成UI与功能：创建UI文件并设计UI，将代码功能与UI连接；
5.调试和测试；
6.打包和分发插件。

4）QGIS的Python插件的开发流程
答：1.准备开发环境：QGIS、Python；
2.创建插件目录和文件结构：创建文件夹，创建插件所需的基本文件；
3.编写插件功能：利用Python代码，编写插件功能；
4.创建用户界面：利用Qt创建用户界面，连接代码；
5.调试和测试；
6.打包和发布插件。

3. 栅格和矢量数据的存储

1）矢量数据存储的基本内容包括哪些？（点线面几何、显示参数、属性结构、属性、投影参数）
答：点、线、面几何：几何数据常见格式WKT、WKB。
显示参数：这些参数定义了矢量数据的渲染方式，包括颜色、线型、透明度等。
属性结构：矢量数据的属性是与几何对象相关的元数据，通常存储为表格结构。常见的存储方式包括数据库表、CSV文件。
属性：指与每个地理实体相关的具体数据，例如地名、人口、面积等属性。
投影参数：矢量数据存储时通常需要定义其空间参考系统（SRS）或坐标参考系统（CRS），即数据所在的地理坐标系和投影方式。

2）矢量数据和栅格数据如何进行相互转换？（双向转化）
答：矢量转栅格：此过程通过将矢量数据（如点、线、面）映射到栅格网格上完成，常见方法是根据栅格单元的大小（分辨率）来计算并分配矢量几何对象的值。
栅格转矢量：此过程通过将栅格数据（如栅格图像或栅格高程数据）转换为矢量数据来实现，通常通过“栅格化”过程提取栅格中的特定像元（如值为1的区域），然后将这些像元的边界转化为矢量对象。

3）地图符号包括哪些内容？（几何、颜色、是否填充、文字、图片）
答：几何：符号的形状、大小、位置等。
颜色：符号的填充颜色、边框颜色等。
是否填充：指符号是否填充颜色或图案。
文字：符号中的文字标签，如地名、数值等。
图片：符号中使用的图片或图案，通常用于表示特定类型的地理特征。

4）如何存储带有上下标的文字注记？
答：通常存储为格式化文本：HTML或Markdown格式、富文本格式、LaTeX格式

5）地图投影参数包括哪些内容？如何存储？
答：主要包括以下内容：
坐标参考系统（CRS）：如WGS84、UTM等，用于确定地图上的坐标系。
投影类型：如等距、等角、等面积等。
中央经线、标准纬线、基准点等参数：这些参数定义了投影的中心位置和变形程度。
比例因子和偏移量：用于调整投影的缩放和平移。
存储方式：投影参数通常存储在元数据中，如WKT格式，或者使用标准的CRS ID（如EPSG代码）。

6）适合存储空间数据的数据库平台有哪些？其特点是什么？
答：PostGIS（PostgreSQL扩展）：开源关系型数据库，支持地理空间数据类型和操作，提供强大的空间查询能力，广泛用于GIS应用。
Oracle Spatial：Oracle数据库的空间扩展，提供高性能的空间数据存储的查询能力，适用大规模企业应用。
Microsoft SQL Server Spatial：支持空间数据类型和查询，适合与Microsoft技术栈集成。
SQLite/SpatiaLite：轻量级数据库，适用于嵌入式应用，SpatiaLite是SQLite的空间扩展。
MongoDB：NoSQL数据库，支持GeoJSON格式，适合存储大量空间数据，尤其适用于需要高扩展性的灵活查询的应用。

7）为什么要设计和使用地图符号？
答：地图符号是地图的视觉表达工具，通过符号的设计和使用，可以：
有效传达信息：帮助用户快速理解地图中的地理特征和属性。
提升地图美观：良好的符号设计能够使地图更加易于阅读和美观。
表达复杂数据：通过不同的符号可以表达不同的地理数据类型或数据值，例如，通过颜色、形状等区分不同类型的区域或要素。

8）地图符号的图形变量有哪些？（形状、尺寸、方向、颜色、网纹）
答：形状：符号的基本外观，如点、线、面、图标等。
尺寸：符号的大小，可以用于表示数据的大小或重要性。
方向：符号的旋转角度，常用于表示方向性信息。
颜色：符号的填充色和边框色，用于区分不同类型的数据或强度。
网纹：符号的纹理或填充模式，用于增强符号的视觉效果。

9）如何提高矢量数据的I/O存储性能？
答：压缩存储：使用高校的压缩格式（如GeoPackage、TopoJSON等）来减少存储空间的I/O操作。
空间索引：为矢量数据创建空间索引，如R-tree或Quad-tree，能大幅提高空间查询性能。
批量处理、延迟写入：通过批量读写而不是逐个记录的方式减少I/O操作。
数据库优化：优化数据库的配置，使用高效的空间查询方法。

10）矢量数据数据存储时，哪些数据适合进行二进制大对象（BLOB）的存储？哪些数据不适合进行BLOB的存储，为什么？对于不适合的，应该如何处理？
答：适合BLOB存储的：复杂的多边形、线段或其他复杂几何数据，尤其是那些不适合存储在标准表格字段中的大规模几何数据。
不适合BLOB存储的：如简单的点、线、面等标准几何数据，通常应存储为结构化数据（如WKT、WKB或数据库表格形式）。不适合BLOB存储的原因是它们是结构化的，且在查询时更容易处理。需要经常访问的数据也不适合。
处理方法：对于不适合的，最好存储为独立的列（例如经纬度坐标或属性字段）或在空间数据库中使用专门的空间数据类型。

11）矢量数据的LOD如何实现？是否需要存储？
答：LOD（Level of Detail，细节级别）：用于表示在不同缩放级别下，矢量数据的细节程度。常见的LOD实现方法有：
简化几何：根据显示级别简化线段和面片，减少数据量。
多分辨率存储：为不同级别存储不同分辨率的数据集。
是否需要存储LOD取决于应用的需求。对于需要动态缩放的地图应用，LOD存储是非常重要的。

12）栅格数据的LOD如何实现？是否需要存储？
答：栅格数据的LOD通常通过创建不同分辨率的栅格层（例如金字塔层次）来实现。是否需要LOD取决于应用需求。对于高分辨率图像或地理数据，存储多个分辨率的图层可以提高渲染性能。

13）地图工程如何实现对矢量和栅格图层文件的组织？
答：地图工程通过文件路径、文件格式和图层元数据组织图层。每个图层包括其数据源（文件路径）和可视化参数（样式、透明度等）。在QGIS中，图层数据通常存储为项目文件（.qgz或.qgs），这些项目文件会记录图层的类型、样式和数据源。

14）QGIS中，地图工程文件的存储是如何设计的？
答：QGIS的地图工程文件（.qgs 或 .qgz）使用XML格式存储项目的数据。它包含以下内容：

  • 图层信息：包括栅格和矢量图层的数据源、样式、空间参考等。
  • 符号和样式：存储每个图层的显示样式。
  • 其他设置：如视图、缩放级别、坐标系等。

15）QGIS中，矢量图层的地图符号信息在QGIS工程中是如何存储的？
答：QGIS中的矢量图层符号信息存储在项目文件（.qgs）中。符号信息通常包括：

  • 样式文件：定义颜色、线型、标注、填充等。
  • 渲染设置：如分类渲染、比例符号等。 这些符号信息保存在工程文件的XML结构中，方便用户保存和加载。
4. GIS数据的可视化

1）如何实现大文件的矢量数据快速可视化？
答：对于大文件的矢量数据，常见的优化方法包括：

  • 分块加载（Tiling）：将大文件划分为多个小块，按需加载当前可视区域的块，而不是一次性加载整个数据集。QGIS也支持这种技术，特别是在处理大规模矢量数据时。
  • 数据简化：使用简化的几何图形表示数据，减少顶点数目，从而提高渲染效率。QGIS中的“简化几何”工具可以在不失去精度的情况下减少数据的复杂性。
  • 索引（Indexing）：通过建立空间索引（如R树索引），使得在渲染时能够快速定位和选择数据，避免不必要的全图扫描。
  • 适当使用样式和符号：为不同级别的缩放设置不同的样式（例如：当图层被缩小时使用简化符号，放大时使用详细符号）。

2）地图符号在矢量数据可视化中的作用是如何体现的？
答：地图符号在矢量数据的可视化中发挥着重要作用，主要体现在：

  • 表达数据属性：符号用于将矢量数据的属性信息视觉化。例如，使用不同的颜色和符号表示不同类别的点、线或面。
  • 增强地图可读性：通过符号化，可以使得地图上的信息更加清晰易懂，例如通过颜色或图案区分不同的区域、对象等。
  • 符号化设计：通过合适的符号化设计，可以帮助用户更快速地获取地图信息，并且根据不同的需求调整符号化方式（如渐变色、分类符号等）。

3）QGIS中，矢量数据的显示是如何实现的？
答：QGIS中，矢量数据的显示通过以下几个步骤实现：

  • 数据加载：使用QgsVectorLayer类加载矢量数据（如Shapefile、GeoJSON、PostGIS等格式）。
  • 渲染器（Renderer）：使用渲染器来控制矢量数据的样式。QGIS支持多种类型的渲染器，例如分类渲染器、渐变渲染器、规则渲染器等，用于根据数据属性或其他标准调整显示样式。
  • 图层样式：用户可以通过图层样式设置（在图层属性中）调整符号、颜色、线型、透明度等。
  • 绘制引擎：QGIS使用图形渲染引擎（如QPainter）将数据转换为图像，并通过图层的渲染器进行可视化显示。

4）QGIS中，栅格数据的显示是如何实现的？
答：栅格数据的显示在QGIS中由QgsRasterLayer类管理，流程如下：

  • 数据加载：栅格数据（如GeoTIFF、JPEG、遥感影像等）通过QgsRasterLayer加载。
  • 渲染器：栅格数据的渲染器通过QgsSingleBandPseudoColorRenderer等进行设置，允许对栅格数据进行符号化，例如使用伪彩色渲染。
  • 色表（Color Tables）：栅格数据可以使用色表为每个像素值分配颜色。色表可以是预定义的（如温度色表）或用户自定义的。

5）如何利用色表实现栅格数据的分层赋色？
答：栅格数据的分层赋色可以通过色表实现：

  • 色表的应用：在QGIS中，栅格图层可以设置为使用特定的色表（QgsRasterShader）来对不同的像素值赋予不同的颜色。色表可以是线性或离散的，根据像素值的范围来指定颜色。
  • 自定义色表：可以通过QGIS的“栅格样式”对话框自定义色表，设置每个像素值的颜色，从而实现不同范围的栅格数据显示效果。
  • 色标：可以设置渐变色标，使得栅格的值范围平滑地映射到颜色上，常见的色表有“热力图”、“灰度图”等。

6）点图层如何实现符号的显示？
答：点图层的符号显示通常通过以下步骤实现：

  • 符号设置：使用QgsMarkerSymbol类来设置点图层的符号，可以选择各种符号样式（如圆点、图片、字体符号等）。
  • 符号大小和颜色：可以根据属性值设置符号的大小、颜色、透明度等。QGIS提供了“基于属性的符号”设置，允许根据点的属性值动态改变符号。
  • 图案和阴影：QGIS支持在点符号上应用图案或阴影效果，进一步丰富可视化效果。

7）线图层中线型如何正确显示？尤其是在拐点处？
答：线图层中的线型显示由以下方式控制：

  • 线型设置：通过QgsLineSymbol类可以设置线条的样式，如实线、虚线、点线等。
  • 线宽和颜色：根据属性值设置线宽、颜色以及透明度。
  • 拐点平滑：QGIS在渲染线图层时，默认会平滑拐点，避免出现过于锐利的角度。可以通过渲染器的设置控制平滑程度，或使用“简化几何”工具预处理线数据。

8）面图层如何实现图案填充？
答：面图层的图案填充可通过以下方式实现：

  • 填充样式：使用QgsFillSymbol类设置面图层的填充样式，可以选择纯色填充或图案填充。
  • 图案填充：通过设置图案（如斜线、网格、斑点等）作为填充样式，可以增加地图的表现力。
  • 透明度设置：设置填充的透明度，可以让底层的地图元素透过面图层显示。

9）如何实现注记的正确显示？（注记内容、字体、大小、是否斜体/加黑、颜色、上下标等）
答：在QGIS中，注记的显示由QgsTextAnnotation和QgsLabel类实现。具体步骤如下：

  • 注记设置：通过图层属性中的“注记”选项卡，设置注记的内容（通常来自于图层属性字段）。
  • 字体和样式：可以设置注记的字体、大小、颜色、加粗、斜体等格式。QGIS支持通过CSS样式设置字体，提供更多的自定义选项。
  • 上下标：注记内容中的上下标可以通过文本标签中使用HTML标签或在自定义符号中实现。
  • 位置和对齐：注记的对齐方式、位置可以根据用户需要设置，如顶部、底部、左对齐、右对齐等。
5. 地图编辑

1）简述地图编辑的基本流程？
答：地图编辑的基本流程通常包括以下步骤：

  1. 加载数据：加载需要编辑的地图数据，包括矢量图层（点、线、面）或栅格图层。数据可以来自本地文件、数据库或Web服务。
  2. 选择图层：在编辑之前选择需要操作的图层，确保目标图层已启用编辑模式。
  3. 进入编辑模式：激活编辑工具，这会启用数据的修改功能（如插入、删除、修改等）。
  4. 进行编辑操作：
    • 点图层编辑：添加、删除或移动点。
    • 线图层编辑：添加、删除、修改线条的节点、形状等。
    • 面图层编辑：添加、删除面边界、修改面内点、分割面等。
  5. 保存修改：完成编辑后，保存对图层的更改。
  6. 退出编辑模式：在保存完修改后，退出编辑模式以确保数据一致性。

2）请列出点图层的地图编辑工具有哪些，并分别描述。
答：在点图层的编辑中，常见的工具包括：

  • 添加点：允许用户在地图上点击位置添加新点。通常通过鼠标点击实现。
  • 删除点：选择一个点后，删除该点。用户可以通过选择点并点击删除按钮进行操作。
  • 移动点：选中点后，按住鼠标左键拖动该点至新的位置。此工具通常用于调整已添加的点的位置。
  • 修改点属性：在点被选中后，用户可以编辑其属性信息（如名称、类别等），这些属性通常显示在侧边栏或弹出窗口中。
  • 选择点：通过框选、单击或查询工具选择特定的点，可以进一步对选中的点进行操作。

3）请列出线图层的地图编辑工具有哪些，并分别描述。
答：在线图层的编辑中，常见的工具包括：

  • 添加线段：用户可以通过点击地图的多个位置来添加线段（即两点之间的连线）。这是绘制线图层的基本操作。
  • 删除线段：选中某条线或线段后，删除该线或线段。用户可以通过点击删除按钮来移除选择的线段。
  • 移动线段：选中线段后，通过拖动端点或线段本身来移动线段的位置。
  • 修改线段形状：允许用户调整线段的节点，改变线条的曲率和形状。
  • 拆分线段：可以通过点击线段的某个位置来拆分线段，使其变为两条独立的线段。
  • 合并线段：多个相邻的线段可以被合并为一条线，通常在编辑过程中用于调整路径。
  • 修改线属性：包括线宽、颜色、类型等，可以通过工具栏或属性对话框进行调整。

4）请列出面图层的地图编辑工具有哪些，并分别描述。
在面图层的编辑中，常见的工具包括：

  • 添加面：用户通过点击多个点来创建一个封闭的多边形。这个工具用于定义新的面图形。
  • 删除面：选中某个面后，删除该面。可以通过鼠标点击删除选中的面。
  • 移动面：选中面后，通过拖动面的位置来调整其位置。
  • 修改面形状：通过添加、删除或移动面上的节点来修改面图层的形状。
  • 分割面：用户可以通过指定线段来拆分现有的面，将一个面分割成多个子面。
  • 合并面：多个相邻的面可以合并成一个面，通常在编辑过程中用于调整区域边界。
  • 修改面属性：编辑面图层的属性，如填充颜色、透明度、边框样式等。

5）请列出三维面模型的编辑工具，并分别简述。
答：三维面模型编辑工具主要涉及3D几何模型的创建与修改，QGIS中的三维建模和编辑工具包括：

  1. 添加顶点工具：在三维模型中添加顶点，顶点用于定义面、边等几何形状。
  2. 删除顶点工具：删除三维模型中的顶点，删除顶点后，连接到该顶点的边和面也会发生变化。
  3. 移动顶点工具：选择并拖动三维模型中的顶点，调整模型的形状。
  4. 添加面工具：根据多个顶点创建面，将这些顶点连接成三角形或多边形面，形成三维模型。
  5. 删除面工具：删除三维模型中的面，适用于修改模型的外观和拓扑。
  6. 修改面形状工具：通过调整顶点或边的连接，改变三维面模型的形状。
  7. 平移/旋转/缩放工具：对整个三维模型进行平移、旋转、缩放，调整其在三维空间中的位置和比例。
  8. 修改材质和颜色工具：为三维模型的面赋予材质、纹理或颜色，以提高视觉效果。

6）在地图编辑工具算法设计与实现中，鼠标和键盘交互如何实现复用？
答：在地图编辑工具的设计中，鼠标和键盘交互的复用通常通过以下方式实现：

  • 事件分发机制：QGIS中的编辑工具通过事件分发机制（如mousePressEvent、mouseMoveEvent、keyPressEvent等）来捕获鼠标和键盘的输入。可以将这些事件的处理代码封装在基类中，使得不同的编辑工具复用这些基本交互功能。
  • 策略模式：使用策略模式来管理不同的交互行为。例如，可以创建一个基础的交互类，派生不同的子类来处理不同的交互模式（如点编辑、线编辑等）。
  • 命令模式：通过命令模式记录用户的操作，使得编辑操作可撤销和重做。键盘和鼠标的交互可以在命令模式中复用，以简化代码并支持高效的状态管理。
  • 统一事件处理：将鼠标和键盘事件的处理逻辑集中管理，使用一个统一的事件处理框架，允许不同工具对事件作出响应。这样，在切换不同工具时，可以复用相同的交互逻辑。

7）如何实现地图编辑工具箱？
答：在QGIS中实现地图编辑工具箱，通常涉及以下步骤：

  1. 创建工具类：为每个地图编辑工具创建一个类，封装工具的行为和事件处理逻辑。这些工具类将处理特定的操作（如添加、删除、移动元素等）。
  2. 工具箱界面：使用QGIS的QToolBar、QDockWidget等控件来创建工具箱的UI，工具箱通常会包含多个按钮或工具项，每个按钮对应一个编辑工具。
  3. 工具切换机制：在工具箱中实现工具切换功能，可以通过按钮点击、快捷键或下拉菜单来切换不同的编辑工具。每个工具切换后，都要绑定到地图视图中对应的交互操作。
  4. 图形反馈：工具箱中的每个工具在操作时都应该提供图形反馈（如绘制辅助线、显示选中元素的边框等），以帮助用户理解操作过程。
  5. 撤销与重做功能：为工具箱添加撤销和重做按钮，允许用户回退或恢复之前的编辑操作。实现撤销/重做功能时，需要记录每一步操作的状态。
  6. 事件绑定：为工具箱中的每个工具绑定鼠标、键盘事件，并确保事件在切换工具时能正确复用和处理。
6. 地图投影

1）地图投影需要实现的基本功能有哪些？（工程级投影、图层文件投影、模型投影、内存级数据投影、动态投影）
答：地图投影的基本功能可以分为以下几类：

  1. 工程级投影：将地图数据从一个坐标系统转换到另一个坐标系统。工程级投影通常用于工程设计和测量工作，涉及大量的精确投影操作，如平面坐标投影。
  2. 图层文件投影：将QGIS中的矢量或栅格图层转换到另一个坐标系。这是QGIS中常见的投影操作，用户可以选择将加载的图层重新投影为某一特定坐标系。QGIS通过OGR或GDAL等库实现此功能。
  3. 模型投影：在GIS中，模型投影通常是指对三维空间模型进行坐标系统转换的操作。此类投影包括三维地理信息的投影，例如将地球模型从地理坐标系转换到投影坐标系，或将三维数据映射到二维平面。
  4. 内存级数据投影：QGIS中的内存级投影是指在内存中执行投影转换，通常用于临时转换，不需要将结果保存到硬盘。此功能可以在地图浏览过程中动态改变图层的坐标系统。
  5. 动态投影：动态投影是指在地图视图中根据需要进行投影转换。通常用于支持动态数据可视化，如在不同投影坐标系下实时显示地图数据，或者支持用户根据需求选择不同的投影方式。QGIS允许根据用户选择的坐标系统动态调整地图显示方式。

2）完整定义一个坐标系统需要哪些参数？
答：一个完整的坐标系统（坐标参考系统，CRS）通常需要以下参数：

  1. 投影类型：定义坐标系统的投影方法。例如，常见的投影方法包括墨卡托投影、兰伯特投影、UTM投影等。
  2. 基准面（Datum）：地球的数学模型，用于定义坐标系统中的原点和参考点。常见的基准面有WGS84、ED50、NAD83等。
  3. 中央经线（Central Meridian）：对于某些投影，中央经线是该投影的主要经度线，通常选择一个国家的中心作为基准。
  4. 标准纬线（Standard Parallels）：在某些投影中，定义投影不失真区域的纬度线。例如，等距圆锥投影常用两个标准纬线。
  5. 投影参数：投影过程中的一组参数，用于调节投影的形状、缩放比例等。例如，投影的缩放因子、投影中心、纬度、经度的原点等。
  6. 坐标轴方向：坐标轴的方向通常是通过东向X轴和北向Y轴定义的，也有可能是通过其他方式（例如，某些本地坐标系可能需要指定不同方向的坐标轴）。
  7. 单位：投影坐标系统的单位，常见的单位包括米、度、千米、英尺等。
  8. 坐标系类型：
    • 地理坐标系（Geographic Coordinate System，GCS）：以经纬度为单位，常用于描述地球上的位置。
    • 投影坐标系（Projected Coordinate System，PCS）：采用平面坐标系来表示地理数据，通常使用米或英尺作为单位。
  9. EPSG代码：国际标准化组织（ISO）为每种坐标参考系统分配的一个唯一的代码，称为EPSG代码。例如，WGS84坐标系统的EPSG代码是4326。

3）请列出一个开源的地图投影库，并简述其包括的基本功能和特点。
答：PROJ.4（或称PROJ） 是一个开源的地图投影库，它是地理空间数据处理中常用的投影和坐标转换工具，广泛应用于GIS软件中（包括QGIS、GDAL、PostGIS等）。
PROJ.4的基本功能：

  1. 坐标转换：PROJ支持从一个坐标系转换到另一个坐标系，可以进行地理坐标系与投影坐标系之间的转换（例如，WGS84到UTM），以及不同投影之间的转换。
  2. 支持多种投影方法：PROJ支持常见的地理和投影坐标系统，包括大地测量学基准面（如WGS84、NAD83）以及多个投影方法（如墨卡托投影、兰伯特投影、UTM投影等）。
  3. 支持大地测量学：PROJ不仅仅进行二维坐标转换，还支持复杂的大地测量学操作，计算大地的曲率、球面距离、地球表面点之间的精确距离等。
  4. 转换精度：PROJ实现了高精度的坐标转换，适用于高精度的工程测量和地理数据应用。
  5. 多种输入输出格式：PROJ支持从文本文件、数据库或内存中读取坐标数据，并支持将转换结果导出到不同格式（如CSV、GeoJSON等）。
  6. 支持高精度的转换：PROJ库能够执行高精度的投影和坐标转换，适合于从地理坐标系到投影坐标系的大规模数据转换。
    PROJ.4的特点：
  7. 跨平台支持：PROJ是一个跨平台的工具库，可以在Linux、Windows、macOS等操作系统上使用。
  8. 高性能：PROJ在数据处理上非常高效，适用于需要快速坐标转换的应用程序。
  9. 开放源代码：PROJ是开源软件，任何人都可以使用、修改并分发该软件。它遵循MIT许可证。
  10. 与GDAL集成：PROJ常与其他GIS库（如GDAL）集成，提供投影和坐标转换功能。GDAL库使用PROJ来执行投影和坐标系统转换。
  11. 活跃的社区：作为开源项目，PROJ有一个活跃的开发和用户社区，确保其不断更新和优化。
7. GIS空间分析

1）简述矢量数据缓冲区分析的基本过程。
答：矢量数据缓冲区分析是GIS中常见的空间分析方法，用于生成目标对象周围的一定距离范围内的区域。缓冲区可以用于各种地理应用，如影响分析、保护区设置等。基本过程如下：

  1. 选择目标要素：选择需要进行缓冲区分析的矢量要素，可以是点、线或面。
  2. 设置缓冲区距离：为目标要素设置缓冲区的半径或距离，这个距离可以是固定的，也可以根据某些属性变化。例如，可以为城市道路设置1公里的缓冲区，或为某些特定地点（如河流）设置不同的缓冲区。
  3. 计算缓冲区：根据设置的缓冲区距离，生成目标要素周围的缓冲区区域。对于不同的几何类型，缓冲区的计算方式不同：
    • 点缓冲区：生成围绕点的圆形区域，半径等于缓冲区距离。
    • 线缓冲区：生成围绕线的带状区域，宽度等于缓冲区距离。
    • 面缓冲区：生成围绕面对象的缓冲区域，通常是面对象外扩的一个区域。
  4. 输出结果：缓冲区结果作为新的矢量图层输出，可以用于后续分析。缓冲区可以进行进一步的分析，如与其他图层的空间分析（相交、差异等）。

2）简述矢量数据裁剪的基本算法原理与过程。
答：矢量数据裁剪是指通过一个定义的裁剪面（通常是一个多边形）对目标矢量数据进行裁切，保留裁剪面内的部分，删除裁剪面外的部分。基本过程如下：

  1. 选择目标图层和裁剪面：选择要进行裁剪的矢量数据图层（例如点、线或面）以及作为裁剪依据的多边形图层。
  2. 空间相交操作：进行空间分析，计算目标图层与裁剪面之间的交集。裁剪面通常是一个封闭的多边形。
  3. 裁剪多边形：根据裁剪面将目标图层分割成多个部分。对于多边形数据，裁剪操作将目标面数据裁切为裁剪面内的部分。对于线数据，只保留在裁剪区域内的线段部分。
  4. 输出结果：生成裁剪后的新图层，只包含裁剪面内的目标数据部分，其他部分被删除。
    常见裁剪算法：
  • Sutherland-Hodgman算法：一种经典的多边形裁剪算法，适用于简单的多边形裁剪。
  • Weiler-Atherton算法：适用于更复杂的多边形裁剪，特别是在多边形之间相交时。

3）简述栅格数据分析的基本过程。
答：栅格数据分析通常涉及对栅格数据的空间分析，利用栅格单元（像素）的数值进行数学运算或地理空间分析。基本过程如下：

  1. 数据准备：获取需要分析的栅格数据，通常为栅格图像、数字高程模型（DEM）、土地覆盖数据等。
  2. 选择分析操作：根据目标任务选择栅格数据分析的操作，包括但不限于：
    • 栅格计算：对栅格数据进行逐像素的数学计算（如加法、减法、乘法等），计算栅格图层之间的差异。
    • 重分类：将栅格数据中的数值按一定规则转换为新的数值（如分区管理中将不同高度的区域重分类为不同类别）。
    • 邻域分析：对栅格数据中的每个像素及其邻域进行分析，常见操作如模糊运算、滑动窗口等。
  3. 空间分析：
    • 栅格叠加分析：通过不同栅格图层之间的叠加进行空间分析，计算重叠区域的属性。
    • 栅格聚合与分解：通过改变栅格分辨率（像素大小）进行分析，计算不同分辨率下的栅格数据。
  4. 输出结果：生成分析后的栅格数据作为新的图层输出，结果可以用于进一步的决策和应用。

4）简述栅格数据的可视域分析有哪些类型，分别是如何实现的？
答：栅格数据的可视域分析（Visibility Analysis）用于评估从特定点或区域可视的地理区域。常见的可视域分析类型包括以下几种：

  1. 视域分析（Viewshed Analysis）：
    • 原理：确定从给定的观察点（如瞭望塔、建筑物等）在地形表面上可视的区域。视域分析基于数字高程模型（DEM），通过分析地形遮挡来判断哪些区域可视。
    • 实现：视域分析通常通过计算观察点的视线与周围地形之间的关系来实现。算法会考虑地形起伏和观察点的高度，判断从观察点沿视线方向能否看到某个区域。
  2. 可视性分析：
    • 原理：与视域分析类似，但不仅限于一个固定的观察点，可以基于多个观察点来进行可视性分析。
    • 实现：在进行可视性分析时，使用多个视点对周围区域进行分析，通常通过点与地形表面的交点来确定视线是否受到遮挡。
  3. 最佳视点分析（Optimal Viewpoint Analysis）：
    • 原理：在某些应用场景中，我们可能需要寻找一个最佳的观察点，以最大化可视区域。这通常用于规划工作，例如，选择建筑物或设施的最优位置。
    • 实现：通过计算不同点的视域，选择一个视域最广的点作为最优视点。
  4. 网络视域分析：
    • 原理：基于栅格数据的网络分析，判断从一个网络点（例如道路、河流等）上的点可视到的区域。
    • 实现：通过在网络上设置多个视点，计算哪些区域的网络节点可以被视线覆盖。
      实现方式：
  • 利用数字高程模型（DEM）数据，结合视域分析算法（如遮挡分析、视距分析、逐点分析等）实现。
  • 使用GIS软件的空间分析工具，如QGIS中的“视域分析”工具，或者GDAL/OGR库中的可视域分析函数。
8. 地图服务

1）OGC的地图web服务有哪些类型？各有什么特点？
答：OGC（开放地理空间联盟，Open Geospatial Consortium）标准定义了多种地图Web服务类型，常见的包括以下几种：

  1. WMS（Web Map Service）：
  • 定义：WMS是OGC定义的标准服务协议，允许客户端通过HTTP请求获取地图图像。它通常返回的图像格式包括PNG、JPEG、GIF等，图像是由服务器根据请求的区域、图层和样式生成的。
  • 特点：
    • 图像返回：WMS返回的是渲染后的图像，而不是原始的地理数据。
    • 支持多个图层：可以在请求中指定多个图层，服务器会根据请求图层的不同组合生成相应的地图图像。
    • 无地理数据访问：客户端无法直接访问底层的矢量数据或栅格数据，仅通过图像查看。
    • 常用应用：在线地图、基础地图服务等。
  1. WFS（Web Feature Service）：
  • 定义：WFS允许客户端获取地图上的原始矢量数据（如点、线、面等），以GeoJSON、GML等格式返回。它不仅提供地图图像，还支持对空间数据的查询、编辑、更新等操作。
  • 特点：
    • 数据访问：返回的是原始矢量数据，客户端可以获取实际的空间数据（如点、线、面）。
    • 支持空间查询：支持对空间数据进行查询，可以执行空间过滤、属性查询等。
    • 编辑能力：WFS-T（Transactional WFS）支持编辑和修改数据，适用于分布式数据管理和编辑。
    • 常用应用：数据共享、数据访问、空间数据查询等。
  1. WCS（Web Coverage Service）：
  • 定义：WCS用于提供栅格数据（如遥感影像、地形数据等）作为Web服务，返回的结果通常是栅格数据而非图像。
  • 特点：
    • 栅格数据返回：不同于WMS返回图像，WCS返回的是原始栅格数据（如GeoTIFF、HDF5格式）。
    • 支持数据操作：支持数据操作，如数据切片、重采样、投影转换等。
    • 常用应用：栅格数据的共享、遥感影像和气象数据服务等。
  1. WPS（Web Processing Service）：
  • 定义：WPS提供在线处理和分析的能力，允许用户通过Web服务执行复杂的地理空间处理任务。
  • 特点：
    • 处理和分析：WPS允许用户执行如空间分析、模型运算、缓冲区分析等地理空间分析。
    • 灵活性：可以处理多种类型的输入数据，并返回分析结果。
    • 常用应用：空间分析服务、地图数据处理等。

2）GIS的矢量数据如何发布成地图服务？
答：将GIS的矢量数据发布成地图服务，通常有以下几种方法：

  1. 准备数据：首先，需要准备好要发布的矢量数据。这些数据可以是点、线、面等各种类型的空间数据，通常会使用常见的格式如Shapefile、GeoJSON、GML等。
  2. 选择地图服务发布工具：
    • 使用GeoServer：GeoServer是一个开源的GIS服务器，支持WMS、WFS、WCS等协议，可以将矢量数据发布为地图服务。GeoServer支持多种矢量数据格式（如Shapefile、PostGIS、GeoJSON等），并且可以配置图层样式、投影等。
    • 使用MapServer：MapServer是另一个开源的地图服务器软件，它支持矢量数据的发布，并能够根据不同的需求发布为WMS、WFS、WCS等服务。
  3. 配置地图服务：
    • 在地图服务发布工具中配置图层信息，包括数据源、投影系统、样式定义等。
    • WMS服务：为每个图层设置样式、投影和符号化规则，以确保地图服务能够正确渲染。
    • WFS服务：配置矢量数据的访问权限、属性查询等，确保客户端可以通过空间查询获取数据。
  4. 发布服务：
    • 通过地图服务发布工具的管理界面，发布配置好的服务。
    • 配置访问权限和安全性，确保用户能够访问和查询数据。
  5. 测试与优化：
    • 测试发布的地图服务，确保数据能够正确加载并进行空间查询等操作。
    • 根据使用情况优化服务性能，如通过缓存机制、数据压缩等提高服务响应速度。

3）QGIS的地图服务发布方法有哪些？请简述其发布过程。
答：QGIS支持通过几种方式将地图服务发布给用户。常见的方法有使用QGIS Server或通过QGIS插件发布服务。
使用QGIS Server发布地图服务：
QGIS Server是一个开源的地图服务器，允许用户通过WMS、WFS、WCS等服务协议发布QGIS项目。发布过程如下：

  1. 准备QGIS项目：
    • 在QGIS桌面软件中打开并准备好地图项目（.qgs文件）。确保项目中包含了正确的图层（矢量图层、栅格图层等）和样式。
  2. 配置QGIS Server：
    • 安装并配置QGIS Server。QGIS Server通常通过Apache或Nginx进行部署，配置好服务端的Web服务器和QGIS Server的环境。
    • 在QGIS Server上设置相关配置，确保它可以处理WMS、WFS等请求。
  3. 配置服务端图层：
    • 在QGIS桌面中，使用QGIS Server插件（如果未安装，可通过QGIS插件管理器安装）配置每个图层的样式、投影系统和查询选项。
  4. 将QGIS项目上传到QGIS Server：
    • 将QGIS项目文件（.qgs）上传到QGIS Server的指定目录。
    • 配置QGIS Server指向正确的项目文件。
  5. 发布地图服务：
    • 在QGIS Server中启用WMS、WFS或其他服务。
    • 配置服务URL和相关参数，使客户端能够访问地图服务。
  6. 访问与测试：
    • 在浏览器中访问发布的WMS/WFS服务，通过URL进行测试。通过QGIS或其他客户端应用程序加载WMS服务进行可视化。
      使用QGIS插件发布服务：
      除了QGIS Server，还可以使用一些插件来简化地图服务的发布过程，例如：
  • QGIS2Web插件：将QGIS项目导出为Web地图，发布为交互式Web地图（包括静态和动态地图）。
  • GeoServer插件：如果已经在使用GeoServer，可以通过QGIS直接与GeoServer交互，将图层和样式发布到GeoServer中。
    QGIS发布服务的优点：
  • 开源解决方案：QGIS Server是免费的，适合开源GIS环境。
  • 兼容性：支持多种服务协议，如WMS、WFS、WCS等，适合不同的应用场景。
  • 可扩展性：支持多种插件和自定义扩展，能够根据需要进行功能扩展。
    QGIS服务发布的常见问题：
  • 性能优化：在处理大规模数据时，性能可能会受到限制，需要通过缓存机制、数据索引等方式优化服务性能。
  • 安全性配置：需要合理配置服务的安全权限，确保数据访问受到保护。
9. GIS软件工程

1）编写线图层编辑的需求规格说明书，并画出思维导图。
答：线图层编辑需求规格说明书
1. 需求概述： 线图层编辑功能允许用户在地图中创建、编辑、删除线图层。用户可以通过鼠标交互绘制、修改线条的形状和属性，如线型、颜色、宽度等。
2. 功能需求：

  • 绘制线条：用户可以通过点击地图上的两个或多个点，绘制一条折线。
  • 编辑线条：允许用户选中已绘制的线条，修改其起始点、终止点、控制点等。
  • 删除线条：用户可以删除选中的线条。
  • 修改线条样式：用户可以修改线条的属性，包括颜色、宽度、线型等。
  • 保存与导出：用户可以将编辑后的线图层保存为Shapefile、GeoJSON等常见格式，或将修改结果导出为地图图像。
    3. 性能需求：
  • 系统应支持快速响应，尤其在绘制和编辑多个线条时不出现明显延迟。
  • 编辑操作应实时反映在地图界面上，用户体验流畅。
    4. 兼容性需求：
  • 支持常见的地理数据格式（Shapefile、GeoJSON、KML等）。
  • 支持不同投影坐标系下的编辑功能。
    5. 用户界面需求：
  • 提供直观的工具栏，包含“绘制线条”、“选择线条”、“修改样式”等按钮。
  • 提供属性面板用于显示和修改选中线条的详细信息（如颜色、宽度、线型等）。
    6. 安全性需求：
  • 编辑操作应该在用户确认后执行，避免误操作。
  • 提供撤销（Undo）和重做（Redo）功能，方便用户回退操作。
    7. 其他需求：
  • 提供热键支持，简化用户操作。

2）编写地图符号库的需求规格说明书，并画出思维导图。
答： 地图符号库需求规格说明书
1. 需求概述： 地图符号库提供了一组符号集，用于地图上标记点、线、面等空间要素。符号库应支持自定义符号样式，以适应不同的地图表示需求。
2. 功能需求：

  • 符号管理：允许用户创建、删除、修改符号。
  • 符号类型：支持常见的符号类型，如点符号（图标、颜色、大小）、线符号（线型、颜色、宽度）和面符号（填充颜色、边框线型）。
  • 符号样式：支持自定义符号的样式，如颜色、大小、透明度等属性。
  • 符号预览：用户可以实时预览所选符号的样式。
  • 符号库导入与导出：支持将符号库导出为文件，并允许导入外部符号库。
  • 符号分类：符号库应支持按分类管理符号，便于快速查找和应用。
    3. 性能需求：
  • 符号库应支持快速加载和切换符号，避免出现延迟。
  • 系统应支持批量应用符号样式。
    4. 用户界面需求：
  • 提供符号库管理界面，包含符号的添加、删除、编辑、预览等功能。
  • 提供符号分类面板，以方便用户浏览不同类型的符号。
    5. 兼容性需求：
  • 支持常见的符号格式，如SVG、PNG等。
  • 符号库应能够在不同的地图项目中共享使用。
    6. 安全性需求：
  • 符号库的修改操作应通过用户确认，以防止误删除或误操作。
    7. 其他需求：
  • 提供搜索功能，便于快速查找符号。

3）编写地图投影的需求规格说明书，并画出思维导图。
答：地图投影需求规格说明书
1. 需求概述： 地图投影功能允许用户将地球表面或地图上的地理坐标（经纬度）转换为平面坐标系（如平面直角坐标系）。该功能应支持不同的投影系统，并且能够进行投影转换。
2. 功能需求：

  • 投影选择：用户可以选择不同的投影坐标系统（如UTM、Mercator、Lambert等）。
  • 坐标转换：支持从一种坐标系转换到另一种坐标系。
  • 投影参数设置：用户可以设置投影的参数，如中央经线、标准纬线等。
  • 投影预览：用户可以实时预览转换后的结果，确保投影的正确性。
  • 投影保存：用户可以保存投影设置，以便重复使用。
    3. 性能需求：
  • 投影转换应快速且精确，尤其在处理大规模数据时不出现明显延迟。
  • 支持批量数据投影转换。
    4. 用户界面需求：
  • 提供直观的投影选择界面，列出支持的投影系统。
  • 提供输入框，允许用户自定义投影参数。
  • 提供实时投影预览和结果显示。
    5. 兼容性需求：
  • 支持多种投影系统，如地理坐标系（WGS84）、平面坐标系（UTM、Web Mercator等）。
  • 支持不同的地理数据格式（Shapefile、GeoJSON等）。
    6. 安全性需求：
  • 投影操作应能撤销，避免误操作。
  • 投影过程应确保数据的精确性和一致性。
    7. 其他需求：
  • 提供坐标转换的算法支持，如大地测量学和投影学算法。

第一章 概论

第二章 QGIS插件开发

第三章 地图符号的设计与开发

地图符号的概述

地图符号特征与分类


地图符号量表

地图符号的视觉变量及感受


地图符号的设计

点、线、面符号的设计

色彩三要素：色相、亮度、纯度

地图符号的设计与存储

存储为SVG格式、xml格式、符号数据库

第四章 GIS数据存储

矢量数据存储

vector：点对象、线对象、面对象

存储内容：几何信息、属性信息、拓扑关系、图形参数数据、坐标参数系统信息、工程文件数据、元数据

常用的矢量数据格式：shp、MapGIS67、DWG

栅格数据存储

存储内容：像素值、色彩映射表、地理信息、金字塔结构

压缩方法：链式编码、行程编码、块状编码、常规四叉树编码、线型四叉树编码、KTX和Basis Universal

COG（Cloud Optimized GeoTiff）：是一种新型的 GeoTIFF文件格式，旨在通过云技术实现更高效的数据处理和分析。与传统的GeoTIFF相比，COG具有许多优势， 如更快的加载速度、更小的文件大小以及更好的网络适应性 COG是一个常规的GeoTIFF文件，旨在托管在HTTP文件服务器上，其内部组织在云上可以实现更高效的工作流程
特性：COG具有轻量级、高效性、网络友好和兼容性等特点。由于其体积轻、易于存储和传输，特别适用于云端使用。通过瓦片和概览技术，COG能够快速加载和显示图像，提高了数据处理效率。支持HT TP范围请求的特性使得COG可以按需加载数据，有效降低了网络带宽需求。遵循GeoTIFF标准，COG与许多 GIS软件兼容

地图工程文件存储

存储内容：栅格图层和矢量图层、地图投影参数、图层显示参数、排版出图参数

三维模型数据存储

存储内容：几何数据（点、线、面）、显示参数（材质、光照、纹理）、属性和属性结构、图形变换参数（平移、旋转、缩放、仿射变换）
常见三维模型存储结构：STL格式、OBJ格式、FBX格式、GLTF/GLB格式、OSG/OSGB格式

第五章 GIS数据的显示

GIS数据显示中关键技术

LOD：是指模型的层次细节（Level of Detail），它是计算机图形学中用来描述三维模型细节程度的一种度量标准。在实时渲染和虚拟现实中，LOD被用于优化渲染性能和减少计算资源消耗， 以达到更好的视觉效果和更流畅的用户体验。

  • 使用LOD可以通过在不同的距离或缩放级别下显示不同细度的数据来优化渲染性能。
  • 优化渲染性能和减少计算资源消耗，使得系统可以处理更加复杂和大规模的场景。
    生成方法：Douglas-Peucker算法（简化折线）、拓扑综合简化法、网格化抽稀、点聚类、顶点选择法、多分辨率分割与合并

空间索引：可以将空间索引划分为两大类：

  • 基于哈希思想，如网格索引等（缺点数据冗余、难以确定大小，很多网格没有数据）
  • 基于树思想，有四叉树、R树等（特点是检索效率高、缺点是是适用于只读数据和不经常编辑的数据）

矢量数据显示

  • 要素符号化：点线面）
  • 唯一值符号化：具有离散分类
  • 分级符号化：改变符号大小
  • 动态符号化：根据地图上的交互或特定条件来动态改变符号的显示方式

矢量数据压盖：压盖是地图图面上两种以上地形要素之间的相互叠加
压盖处理：

  • 图层顺序调整：通过调整图层的叠放顺序来解决压盖问题。例如，将道路图层放在建筑物图层之上，以避免道路被建筑物遮盖。
  • 按包围盒空间裁剪和遮罩：通过裁剪或设置遮罩来解决图层重叠问题。例如，在展示某个行政区域的土地利用数据时，可以用该区域的边界作为遮罩，裁剪掉超出边界的数据。
  • 多种符号化结合：对于压盖较严重的数据，可以使用不同的符号化方式，如改变颜色、调整线型、或使用点状符号来区分重叠的要素，从而减少视觉上的混淆。

LOD处理：

  • 静态LOD：将原始数据离散的生成若干个不同精度的副本，根据需要选择不同精度的副本。静态 LOD 研究多围绕生成不同精度数据的质量和效率展开。
  • 动态LOD:只需存储原始数据和数据LOD相关信息，如顶点权重等。在显示阶段根据显示尺度和距离等信息对模型进行动态简化生成尺度连续的层次细节。

栅格数据显示

显示方法：

  • 二值化：二值化法通常将栅格数据根据设定的阈值转换为黑白两种颜色，以突出数据中的某种特定特征或区域。
  • 灰度图：灰度图是将栅格数据以灰度级别的形式显示，灰度的深浅表示数据的大小或密度。
  • 色彩映射：根据数据的数值范围，将栅格数据映射到不同的颜色上进行显示。

带金字塔结构的栅格数据显示：通过建立金字塔状的多分辨率数据集来实现不同分辨率级别的数据存储和访问。
方法：最邻近法、双线性和双三次卷积等方法。

COG格式的栅格数据显示：COG（CloudOptimizedGeotiff）格式的栅格数据是一种优化存储和传输地理空间数据的文件格式，通常基于 GeoTIFF格式。COG格式的栅格数据在云环境中具有较好的性能表现，适合用于存储和共享大规模地理空间数据集。
COG依赖两种技术：

  1. 在GeoTIFF图片中保存除原始像元数据外的瓦片和概览
  2. 使用HTTP范围请求获取单一文件的所需部分

第六章 矢量数据编辑

矢量数据的编辑

矢量交互编辑实现方式：

  1. 传统的富视图式
  • 视图类派生
  • 视图内交互集中式响应
  • 优点：简单，已实现
  • 缺点：代码很难维护，爆炸式增长、灾难。
  1. 交互Tools式：
  • 交互方式
  • 操作命令
  • 消息号
  • 消息响应

点、线、面编辑

交互
交互模式、设计模式

第七章 地图投影

基本要素：地球形状、地理坐标系、平面坐标系

地图投影：指建立地球表面（或其他星球表面或天球面）上的点与投影平面（即地图平面） 上点之间的一一对应关系的方法。

地图投影的变形：长度变形、面积变形、角度变形

常用的地图投影方法：墨卡托投影、web墨卡托投影、兰伯特投影、高斯-克吕格投影

矢量数据投影：

栅格数据投影：

动态投影：动态地图投影就是多种投影数据，动态的变换到目标坐标系上，整个过程在内存上进行，不改变原数据。

第八章 GIS空间分析

8.1 矢量数据的空间分析

矢量数据

矢量数据是地理信息系统最常见的数据格式之一。能够表达地图图形元素的空间位置、附加属性及几何关系。
矢量数据结构是利用欧几里得几何学的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。
矢量数据的空间分析通过点、线、面及体等实体对象来描绘地理对象的形状和位置，使得用户能够对地理数据进入深入分析和可视化。矢量数据进行空间分析具有以下特点：

  • 高精度：精确表示地理特征
  • 高灵活：矢量数据易于编辑和更新，可以快速反应地理环境的变化
  • 多尺度：矢量要素可以关联丰富的属性数据，支持多层次的分析和查询
  • 低冗余：数据存储的冗余度低
  • 但也存在多层空间数据的叠合分析比较困难、拓扑和邻近关系分析在复杂地形或多样化数据集上难以有效处理及复杂分析难以解释等问题

矢量裁剪

矢量裁剪：用于提取覆盖裁剪区域的矢量要素输入特征。

一、注释裁剪
矢量注释指的是以矢量数据结构（如点、线、多边形等）表示的注释说明，通常用于在地图上标注特定的地点、路线、区域等信息，具有准确性和可编辑性的特点。根据精度不同，矢量注释可按照串精确度、字符精确度、笔划/象素精确度3种精度来处理。

二、线条裁剪
具有代表意义的线段裁剪算法是基于分区编码的Cohen-Sutherland算法。
Cohen-Sutherland算法采用区域检验的方法，通过求解线段端点的区域码可以有效地判断一条线段与裁剪窗口的位置关系。
（一）生成区域码
（二）裁剪线段

三、矢量多边形裁剪
对于矢量填充多边形的裁剪，可以理解成来对边界的线段进行裁剪，但是要考虑填充多边形的封闭性。

四、空间曲面裁剪
分别对四边形的边与剪切面进行求交运算，最后将所有有效的填充多边形合并成一个曲面。这样就将曲面与平面求交问题转化为线段与平面求交问题。

五、实体模型裁剪
主要分为面剪切体实体和体分解面实体两种类型。
面剪体可以应用于地形、巷道、采区等面对象对矿体、地质体对象的剪切操作；体分解面主要应用于地质切片、品位剖面等操作。

空间插值

一、反距离加权法（IDW）
IDW作为一种确定性方法，常用于根据周围已知位置的值估计未知位置的值，算法根据位置与周围已知位置的距离为这些位置分配权重，即距离更近的点对估计结果的影响更大。

二、克里金法
在克里金法中，权重不仅基于测量点与预测位置之间的距离，还基于测量点的整体空间排列。

三、最近邻插值
最近邻法选择最近点的值，根本不考虑相邻点的值，进行分段常数插值。

四、自然邻域插值
自然邻域插值算法是一种权重平均算法，该算法基于一组离散空间点的Voronoi镶嵌对样本点生成Delauney三角形，选择最近的样点的值进行加权平均来估计未知位置的值。

五、趋势面法插值
趋势面法是采用以采用全局回归多项式表示的线或面，可以作为长距离渐变特征的描述方法。

叠加分析

叠加分析是对输入图层和叠加图层进行的一种空间分析方式。

一、点与多边形叠加
判断点是否在多边形内的算法主要有两种：射线法和转角法。
射线法：由所需要判断的点向某个方向作一条射线，然后计算该射线与多边形的交点。若交点个数是奇数，则该点在区域内，若为偶数，则在区域外；
转角法：由需判断的点与多边形中的任意一顶点的连线开始，逐个遍历多边形中的其他顶点，分别进行角度计算并求和。如果角度的总和是360°，则该点在多边形内，若总和是0°，则在多边形外。

二、线与多边形叠加
线与多边形叠加将线图层叠置在多边形图层上，以确定每条线落在哪个多边形内。与点与多边形叠置不同的是，一个线目标往往跨越多个多边形。

三、多边形与多边形叠加
多边形叠加是将两个或多个多边形图层进行叠加产生一个新多边形图层，其结果将原来多边形要素分割成新要素，新要素继承了原来两层或多层的属性。
即判定两个多边形是否相交的问题可以转换为判断两个线段集合中的线段是否相交的问题。
多边形叠加算法：Weiler-Atherton算法
算法思路：

  1. 从一个进入交点开始，沿着主多边形的外边界按照顺时针方向跟踪，直到下一个交点为止；
  2. 在交点处向右转，开始沿着裁剪多边形的外边界按照顺时针方向跟踪，直到发现下一个交点，再向右转，再沿着主多边形的边界跟踪；
  3. 按上述的过程，直到到达算法起始点

缓冲区分析

一、二维缓冲区分析
二维缓冲区分析是根据基本地学实体对象的性质与属性进行缓冲区分析，常支持在二维点、线、面实体（即缓冲目标）指定距离内创建缓冲区多边形，这些扩展多边形将构成新的数据层。

  • 点缓冲区
  • 线缓冲区：主要算法有角平分线法和凸角圆弧法
  • 面缓冲区

二、三维缓冲区分析
二维空间分析算法已经较为成熟，对于三维缓冲区分析算法，常规来讲就是将二维缓冲区生成算法思想扩展到三维，即可构建体实体的三维缓冲区。
基于矢量模型的三维缓冲区算法是二维缓冲区算法的凸角圆弧法的延伸，可以理解为凸球圆柱法。

邻接分析

邻接分析也被称为邻域分析，邻接分析是通过空间点周围的相邻点，或者特定方向范围及特定位置的相邻点，对其进行距离分析的一种方法。

  • 邻接分析结果在进行输出时，其实体对象属性表中分别记录了源对象和邻近对象的ID及两对象之间的距离。
  • 邻接分析的关键是构建矢量空间中网络要素的邻接矩阵

网格分析

网络分析是GIS空间分析的一个重要方面，是依据矢量网络实体拓扑关系（线性实体之间、线性实体与结点之间、结点与结点之间的连接、连通关系），通过考察网络元素的空间、属性数据，对网络的性能特征进行多方面的分析计算。

一、路径分析
路径分析通常也叫最佳路径分析，最佳路径求解就是在指定网络中两结点间找一条累积阻抗最小的路径。路径分析最著名的算法是Dijkstra算法。
算法思路如下：

  • 引进数组S和U。S的是记录已求出最短路径的顶点(以及相应的最短路径长度)，而U则是记录还未求出最短路径的顶点(以及该顶点到起点D的距离)；
  • 初始化。数组S中只有起点D，数组U中是除起点D之外的顶点，并且数组 U中记录各顶点到起点D的距离。如果顶点与起点D不相邻，距离为无穷大。
  • 从数组U中找出路径最短的顶点K，并将其加入到数组S中，并从数组U中移除顶点K，更新数组U中的各顶点到起点D的距离。
  • 重复上一步操作，直到遍历完所有顶点。

二、连通分析
连通分析也叫连通性分析，其是根据指定的起始和终止结点，分析两点之间是否连通；或根据指定多个点，分析多个点之间是否互通。
分析多个点之间连通性，常常会构造网络中的最小生成树T，其中最著名的算法是Kruskal算法。
算法思路如下：

  • 将连通图中的各边按权数从小到大重新排列，并取权数最小的一条边为T中的边。
  • 在剩下的边中，按顺序取下一条边。若该边与T中已有的边构成回路，则舍去该边，否则选进T中。
  • 重复上一步，直到有m-1条边被选进T中，结束。

三、资源分配
资源分配也称定位与分配问题。定位与分配模型是根据需求点的空间分布，在一些候选点中选择给定数量的供应点以使预定的目标方程达到最佳结果，即最佳分配中心、最优配置。

  • 定位是指已知需求源的分布，确定在哪里布设供应点最合适的问题；
  • 分配是确定这些需求源分别受哪个供应点服务的问题。

四、选址分析
选址功能涉及在某一指定区域内选择服务性设施的位置，网络分析中的选址问题一般限定设施必须位于某个结点或位于某条网线上，或者限定在若干候选地点中选择位置。

  • 中心点选址问题
  • 中位点选址问题

凸包

凸包可以定义为包含给定欧几里得空间子集的所有凸集的交集，或者等效地定义为子集中点的所有凸组合的集合。对于平面的有界子集，可以将凸包可视化为由围绕子集拉伸的“橡皮筋”包围的形状。

一、穷举法（蛮力法）
其思路就是两点确定一条直线，如果剩余的其它点都在这条直线的同一侧，则这两个点是凸包上的点，否则就不是。步骤如下：

  • 将点集里面的所有点两两配对，组成n(n-1)/2条直线；
  • 对于每条直线，再检查剩余的(n-2)个点是否在直线的同一侧。通过计算以下行列式的正负，可以判断任意三个点的位置关系。
  • 若行列式为正，在左侧；为负，在右侧；0则在直线上

二、分治法
步骤如下：（下图二维坐标系中，横坐标最小和最大的两个点 P1 和 Pn 一定是凸包上的点。）

  • 直线 P1Pn 把点集分成了上包和下包两部分；
  • 对上包：求距离直线 P1Pn 最远的点，即右图中的点 Pmax 。作直线 P1Pmax 、PnPmax，把直线 P1Pmax 左侧的点和直线 PnPmax 右侧的点更新为上包。
  • 重复上一步。
  • 对下包也作类似操作。

三、Javis步进法
步骤如下：（纵坐标最小的那个点一定是凸包上的点，如有图中的P0）

  • 从P0开始，按逆时针的方向，逐个找凸包上的点，每前进一步找到一个点，所以叫作步进法。
  • 假设现在已经找到{P0，P1，P2}了，要找下一个点： 剩下的点分别和P2组成向量，依次求该向量与向量P1P2的夹角为β。当β最小时就是所要求的下一个点了，此处为 P3 。
    值得注意的是：每确定凸包上的一个点就需要遍历所有的点

四、Graham扫描法
Graham扫描法的思想是先找到凸包上的一个点，然后从该点开始按逆时针方向逐个找凸包上的点，实际上就是进行极角排序，然后对其查询使用。
步骤如下：（在二维坐标系中，纵坐标最小的点一定是凸包上的点，如右图中的P0）

  1. 平移所有点的坐标，使 P0 作为原点；
  2. 计算各个点相对于P0的幅角α，按从小到大的顺序对各个点排序；
  3. 连接P0和栈顶的那个点，得到直线L。判断当前点是在直线L的右边还是左边。若右则步骤4，否则步骤5；
  4. 如果在右边，则栈顶元素出栈。执行步骤3；
  5. 当前点是凸包上的点，入栈，执行步骤6；
  6. 判断当前的点P2是不是步骤2那个结果的最后一个元素。如果是最后一个元素，结束；如果不是，把P2后面那个点做当前点，返回步骤3。

8.2 栅格数据的空间分析

栅格数据是空间分析中另外一种常用的数据格式。栅格数据具有结构简单、利于计算等优势方便进行空间分析。栅格数据的空间分析是GIS空间分析的重要组成部分，也是GIS空间分析模块的核心内容。相比较矢量数据空间分析，栅格数据空间分析功能更强大、数据处理能力更强，是空间分析中不可或缺的
栅格数据由于自身数据结构的特点，在空间分析过程中主要使用数字矩阵的方式作为数据分析的基础，处理方法灵活多样，过程相对简单。

栅格计算器

栅格计算器工具用于在工具中创建和运行地图代数表达式，允许用户对栅格数据进行数学运算和逻辑操作。

  • 基本算数运算（加减乘除）
  • 统计运算（均值、最小值、最大值等）
  • 逻辑运算（AND、OR、NOT）
  • 三角函数（sin、cos、tan等）
  • 条件运算（条件语句IF-THEN-ELSE）

地形因子计算

提取地形因子是地形分析中的一项重要工作，它涉及从数字高程模型（DEM）等数据源中提取各种描述地形特征的参数。地形因子按照其所表述的区域空间范围分为微观地形因子和宏观地形因子， 这二者具有不同的计算原理和方法。微观地形因子一般是通过在局部邻域内建立数学模型得到。宏观地形因子一般是基于局部邻域内栅格数据点的统计特征得到。

填挖方

填挖方分析用于量化两个栅格数据集（即填挖方前与填挖方后栅格数据集）之间的体积和面积变化，其中“填方”指地表物质的增加，“挖方”则指地表物质的减少。填挖方分析的目的是计算两个地形表面之间的体积差异，以确定需要填土或挖土的量。填挖方计算如下：
填挖方分析通常涉及两个高程表面：现状地形：表示当前的地形高程。目标地形：表示目标的地形高程，通常是经过规划和设计后的地形。

  1. 计算每个像元的高程差异
  2. 计算每个像元的填方和挖方体积

可视域分析

可视域分析，也被称为通视分析或视域分析，是指在栅格数据或三维空间数据的表面上，基于一个或多个观察点，通过考虑地形起伏、建筑物遮挡等因素，分析并提取这些观察点在一定长度范围和方向范围内所能看到的区域。
计算步骤：

  1. 视线检查
  2. 视线高度计算
  3. 可见性判定

等值线提取

等值线的分布反映了栅格表面上值的变化，等值线分布越密集的地方，表示栅格表面值的变化比较剧烈。

  1. 栅格数据准备
  2. 选择等值线间隔
  3. 应用等值线提取算法
  4. 处理边界和特殊情况
  5. 生成矢量结果

剖面生成

剖面表示表面高程沿某条线（截面）的变化。
剖面生成的具体步骤和过程：

  1. 确定剖面线
  2. 提取剖面线上的栅格数据值
  3. 生成剖面图
  4. 结果分析

曲率计算

曲率计算是用于评估地形表面的弯曲程度的一种方法。曲率可以揭示地形的凹凸状况，对理解地形特征、土壤侵蚀、径流路径等具有重要意义。曲率计算主要分为两类：剖面曲率和平面曲率。
曲率计算的具体过程：

  1. 剖面曲率是沿坡度方向的曲率，反映水流加速或减速的程度。正剖面曲率表示凸面，水流加速； 负剖面曲率表示凹面，水流减速。
  2. 平面曲率是垂直于坡度方向的曲率，反映水流汇聚或分散的程度。正平面曲率表示凸面，水流分散；负平面曲率表示凹面，水流汇聚。

8.3 GIS空间分析与开发

空间数据导入

GIS系统的栅格数据格式有很多种，有卫星影像、数字高程模型、数字正射影像、扫描文件、数据栅格图形、图形文件等。

矢量数据导入

QGIS可以支持多种的矢量数据，如常见的Shapefile和MapInfo MIF、TAB； 另外QGIS亦支持在PostgreSQL数据库中的PostGIS图层；以及提供CSV(delimited text)纯文本导入。

空间数据分析

一、栅格数据分析

  1. 栅格数据裁剪拼接
  2. 栅格像计算器
  3. 等值线提取

二、矢量数据分析

  1. 缓冲区分析
  2. 空间裁剪分析
  3. 邻域分析

第九章 地图服务

地图服务：一种基于网络，给用户提供地图信息的数据服务方式。它将地理数据、空间信息和地图可视化等技术结合起来，为用户提供定位、导航、搜索、查询以及其他与地理位置有关的功能和服务。

地图数据存储

  • 矢量数据存储：矢量数据以点、线、面等几何要素的形式表示地物信息，通常存储在GIS数据库中
  • 栅格数据存储：栅格数据以像素网格的形式表示地图信息，适用于遥感影像和数字地图等数据类型
  • 文件系统存储：地图数据可存储在文件系统中，以文件或文件夹的形式进行管理。小规模的地图数据集或临时数据存储需求。
  • 云存储：随着云计算和大数据技术的发展，越来越多的地图服务提供者选择将地图数据存储在云存储平台。

开源GIS服务器：QGIS server、Geoserver

地图服务的类型：