《GIS開發(fā)與應(yīng)用》第一講

1、GIS開發(fā)與應(yīng)用開發(fā)與應(yīng)用第一講 馮增才Geographical Information System Development and Application本次課的授課內(nèi)容及重點(diǎn)難點(diǎn)緒論國內(nèi)外GIS軟件介紹地理學(xué)知識地理學(xué)知識授課內(nèi)容重點(diǎn)難點(diǎn)地理學(xué)知識應(yīng)了解國內(nèi)外常用的GIS軟件；掌握地理學(xué)的基本知識l第一章 緒論l第二章 國內(nèi)外GIS軟件介紹l第三章 地理學(xué)知識什么是地理信息系統(tǒng)？ 地理信息系統(tǒng)，簡稱GIS（Geographic Information System）。顧名思義，地理信息系統(tǒng)是處理地理信息的系統(tǒng)。地理信息是指直接或間接與地球上的空間位置有關(guān)的信息，又常稱為空間信息。一般來說

2、，GIS可定義為：“用于采集、存儲、管理、處理、檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。從GIS系統(tǒng)應(yīng)用角度，可進(jìn)一步定義為：GIS由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成，通過對地理數(shù)據(jù)的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源評價(jià)與管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市規(guī)劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃、管理決策服務(wù)（陳述彭，1999）。 第一章第一章 緒論緒論GIS的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域GIS的應(yīng)用領(lǐng)域： 資源管理，資源配置，城市規(guī)劃和管理，土地信息系統(tǒng)和地籍管理，生態(tài)和環(huán)境管理與模擬，應(yīng)急響應(yīng)，地學(xué)研究

3、與應(yīng)用，商業(yè)與市場，基礎(chǔ)設(shè)施管理，選址分析，網(wǎng)絡(luò)分析，可視化應(yīng)用，分布式地理信息應(yīng)用。 第一章第一章 緒論緒論國外國外GIS的發(fā)展概況的發(fā)展概況l 120世紀(jì)世紀(jì)50年代的萌芽狀態(tài)年代的萌芽狀態(tài) 60年代末，加拿大建立了 世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)。稍后，美國哈佛大學(xué)研制出 SYMAP系統(tǒng)軟件。l 220世紀(jì)世紀(jì)60年代開拓發(fā)展階段年代開拓發(fā)展階段 1963年，加拿大測量學(xué)家RFTomlinson首先提出了“地理信息系統(tǒng)”這一術(shù)語，并建立了世界上第一個(gè)實(shí)用的地理信息系統(tǒng)加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)。 60年代中后期，地理信息系統(tǒng)發(fā)展的另一顯著標(biāo)志是許多有關(guān)的組織和

4、機(jī)構(gòu)紛紛建立，例如1966年美國成立城市和區(qū)域信息系統(tǒng)協(xié)會(URISA)，1969年又建立州信息系統(tǒng)全國協(xié)會(NASIS)，國際地理聯(lián)合會(IGU)于1968年設(shè)立了地理數(shù)據(jù)收集和處理委員會(CGDSP)。 第一章第一章 緒論緒論國外國外GIS的發(fā)展概況（續(xù)）的發(fā)展概況（續(xù)）l320世紀(jì)世紀(jì)70年代鞏固階段年代鞏固階段 由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是大容量存取設(shè)備(硬盤)的使用，為空間數(shù)據(jù)的錄入、存儲、檢索和輸出提供了強(qiáng)有力的手段。 此外，探討以遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的地理信息系統(tǒng)逐漸受到重視 l420世紀(jì)世紀(jì)80年代突破階段年代突破階段 隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和普 及，地理信息系統(tǒng)

5、也逐漸走向成熟。這一時(shí)期是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的重要時(shí)期。這一時(shí)期，很多國家制定了本國的地理信息系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，啟動了若干科研項(xiàng)目，建立了一些政府性、學(xué)術(shù)性機(jī)構(gòu)，如美國于1987年成立了國家地理信息與分析中心(NCGIA)，英國于1987年成立了地理信息協(xié)會。 第一章第一章 緒論緒論l520世紀(jì)世紀(jì)90年代社會化階段年代社會化階段 進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)和WINDOWS的迅速發(fā)展，以及圖形工作站性能價(jià) 格比的進(jìn)一步提高，計(jì)算機(jī)在全世界迅速普及。一些基于WINDOWS和WINDOWS NT的 桌面GIS，如MAPINFO、ARCVIEW、GEOMEDIA等軟件以其界面友好、易學(xué)好用的獨(dú)特風(fēng)格

6、，使GIS在很多行業(yè)得到了很好的應(yīng)用 國外國外GIS的發(fā)展概況（續(xù)）的發(fā)展概況（續(xù)）第一章第一章 緒論緒論國內(nèi)GIS的發(fā)展概況l120世紀(jì)世紀(jì)70年代的起步階段年代的起步階段 20世紀(jì)70年代初期，我國開始推廣電子計(jì)算機(jī)在測量、制圖和遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用。1977年誕生了第一張由計(jì)算機(jī)輸出的全要素地圖。所有這些為GIS的研制和應(yīng)用作了技術(shù)上的準(zhǔn)備。 l220世紀(jì)世紀(jì)80年代的試驗(yàn)階段年代的試驗(yàn)階段 進(jìn)入80年代之后，我國執(zhí)行“六五”、“七五”計(jì)劃，國民經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展，很快對“信息革命”做出熱烈響應(yīng)。在大力開展遙感應(yīng)用的同時(shí)，GIS也全面進(jìn)入試驗(yàn)階段。1985年，中國科學(xué)院建立了“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國

7、家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，1988年和1990年原武漢測繪科技大學(xué)(現(xiàn)武漢大學(xué))先后建立了“信息工程專業(yè)”和“測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”。 第一章第一章 緒論緒論l390年代的全面發(fā)展階段年代的全面發(fā)展階段 80年代末到90年代以來，隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，我國的GIS步入快速發(fā)展階段。中國GIS基礎(chǔ)軟件與國外的差距迅速縮小，涌現(xiàn)出若干能參與市場競爭的地理信息系統(tǒng)軟件，如MAPGIS（中地），SUPERMAP（超圖）,VRMAP（靈圖）,CITYSTAR（北大），GEOSTAR（吉奧之星,武漢大學(xué)）等。 國內(nèi)GIS的發(fā)展概況（續(xù)）第一章第一章 緒論緒論地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科的

8、相關(guān)學(xué)科l1地理學(xué)地理學(xué)它為地理信息系統(tǒng)提供了有關(guān)空間分析的基本觀點(diǎn)與方法，成為地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論依托。地理學(xué)研究的是地球表面這個(gè)同人類息息相關(guān)的地理環(huán)境，地理學(xué)者曾用地理殼、景觀殼、地球表層等術(shù)語稱呼地球表面。它是地球各個(gè)層圈大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈和人類圈相互交接的界面，具有一定的面積和厚度。在地球表面，各種自然現(xiàn)象和人文現(xiàn)象組成一個(gè)宏大的地表綜合體。 第一章第一章 緒論緒論l2地圖學(xué)地圖學(xué)地圖學(xué)是研究有關(guān)地圖的理論體系和技術(shù)系統(tǒng)，及其應(yīng)用的學(xué)科。在地圖學(xué)的發(fā)展歷史中，逐步形成了地圖學(xué)史、地圖投影學(xué)、地圖美學(xué)、地圖制圖學(xué)等若干分支學(xué)科和領(lǐng)域。 l3計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)地理信息系統(tǒng)技

9、術(shù)的創(chuàng)立和發(fā)展是與地理空間信息的表達(dá)、處理、分析和應(yīng)用手段的不 斷發(fā)展分不開的。20世紀(jì)60年代，在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)化的數(shù)字地圖。 計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制圖和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等與地理信息系統(tǒng) 有著密切的聯(lián)系 地理信息系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科（續(xù)）地理信息系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科（續(xù)）l4遙感技術(shù)（遙感技術(shù)（Remote Sensing ）遙感是一種不通過直接接觸目標(biāo)物而獲得信息的一種新型的探測技術(shù)。它通常是指獲取和處理地球表面的信息，尤其是自然資源與人文環(huán)境方面的信息，并最后反映在像片或數(shù)字影像上的技術(shù)。遙感作為一種獲取和更新空間數(shù)據(jù)的強(qiáng)有力手段，能及時(shí)地提供準(zhǔn)確、綜合和大范

10、圍內(nèi)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的各種資源與環(huán)境數(shù)據(jù)，因此遙感信息就成為地理信息系統(tǒng)十分重要的信息源。 地理信息系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科（續(xù)）地理信息系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科（續(xù)）lMapInfo公司的軟件 MapInfo公司是美國著名的桌面GIS開發(fā)平臺，GIS產(chǎn)品主要有：MapInfo Professional、MapBasic、MapX、MapXtreme、Vertical Map等 。lESRI公司的軟件 ESRI是美國“環(huán)境系統(tǒng)研究機(jī)構(gòu)”的簡稱， 它的產(chǎn)品統(tǒng)稱為ArcGIS（最初叫ARC/INFO) ArcGIS由四部分組成： 1、ArcGIS Desktop一個(gè)專業(yè)GIS應(yīng)用的完整套件 2、ArcGIS Engine

11、為定制開發(fā)GIS應(yīng)用的嵌入式開發(fā)組件 3、服務(wù)端GISArcSDE，ArcIMS和ArcGIS Server 4、移動GISArcPad第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹 lAutoDesk公司的軟件 AutoDesk公司是世界著名的輔助設(shè)計(jì)軟件和三維動畫軟件的制造商如AutoCAD 3ds Max,盡管AutoCAD功能強(qiáng)大，但不具有GIS功能。最近幾年，該公式進(jìn)軍GIS市場， 產(chǎn)品： Autodesk MapGuide Studio(基礎(chǔ)平臺） Autodesk MpaGuide Enterprise （開發(fā)web GIS) AutoCAD 3D (三維） 第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹（續(xù)） l

12、北京SuperMap公司的軟件 SuperMap Deskpro 2008 開放式桌面平臺產(chǎn)品； SuperMap SDX+ 大型空間數(shù)據(jù)庫引擎； SuperMap iServer 2008 服務(wù)式GIS開發(fā)平臺； SuperMap Objects 2008 組件式GIS開發(fā)平臺； SuperMap IS .NET 2008網(wǎng)絡(luò)信息開發(fā)平臺； SuperNavigation Engine 2008 導(dǎo)航開發(fā)平臺； eSuperMap 2008 嵌入式GIS開發(fā)平臺；第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹（續(xù)） l武漢中地?cái)?shù)碼集團(tuán)的軟件MAPGIS 中地?cái)?shù)碼集團(tuán)以中國地質(zhì)大學(xué)吳信才教授為技術(shù)核心，自20世

13、紀(jì)80年代末開始從事GIS教學(xué)、科研和應(yīng)用，走出了一條中國人GIS發(fā)展之路主要產(chǎn)品有： 1、MAPCAD彩色地圖編輯出版系統(tǒng) 2、基礎(chǔ)平臺MapGIS7.0 新一代全組件化地理信息系統(tǒng)，除了包含MAPCAD的所有功能外，還有如下功能：高性能的數(shù)據(jù)庫管理；DTM分析；實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)分析；多源圖象分析 ；方便的二次開發(fā) 。l3、MAPGIS-IMS（Internet Map Server) 開發(fā)web GISl4、MapSuv測圖系統(tǒng) MAPGIS Digital Surveying And Mapping 第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹（續(xù)） l北京靈圖公司系列軟件產(chǎn)品介紹主要產(chǎn)品有： 三維地理信息軟

14、件VrMap，支持OPENGL 和 DirectX 兩種 國際標(biāo)準(zhǔn)，提供了非常豐富、強(qiáng)大的場景制作功能，用戶可以非常輕松、快速的利用各類GIS數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)，快速建立三維應(yīng)用。另外VRMap 2.X 在產(chǎn)品的應(yīng)用中不斷豐富了各類GIS分析工具、信息查詢手段，與傳統(tǒng)三維動畫、仿真完全不同 。 靈圖二維地理信息系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：SmrtMap平臺，SmrtMapX二次開發(fā)控件，SmrtExplorer進(jìn)行二次開發(fā)也可以通過SmrtObjects底層平臺進(jìn)行開發(fā)。 SmrtIMS是基于WEB的GIS應(yīng)用，使用戶可以通過Web這種簡單易用的方式得到地理信息服務(wù)。在旅游、公交、醫(yī)療、

15、房地產(chǎn)、電子商務(wù)等等應(yīng)用中，WebGIS可以使用戶更加快速、準(zhǔn)確地了與空間位置有關(guān)的信息 第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹（續(xù)） l北京朝夕公司北京朝夕公司Mapengine系列軟件系列軟件產(chǎn)品有：產(chǎn)品有：MeDesk桌面系統(tǒng) 矢量化軟件MeX 二次開發(fā)基礎(chǔ)控件Mebase -二次開發(fā)高級組件 內(nèi)嵌mexMeIMS 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺MeGPS - GPS開發(fā)組件 第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹（續(xù)） l武大吉奧公司軟件介紹 GIS基礎(chǔ)軟件平臺專業(yè)版基礎(chǔ)軟件平臺專業(yè)版GeoStar Professional GIS基礎(chǔ)軟件平臺桌面系統(tǒng) GeoStar Desktop GIS基礎(chǔ)軟件平臺二次開發(fā)套件 Geo

16、Star ObjectsWebGIS平臺軟件平臺軟件 GeoSurf WebGIS平臺軟件GeoSurf客戶端WebGIS平臺軟件GeoSurf服務(wù)器端Wedgies二次開發(fā)套件 GeoSurf Beans 三維全球動態(tài)可視化軟件三維全球動態(tài)可視化軟件GeoGlobe 三維全球動態(tài)可視化軟件客戶端GeoGlobe三維全球動態(tài)可視化軟件服務(wù)器端GeoGlobe Server三維全球動態(tài)可視化軟件數(shù)據(jù)處理工具GeoGlobe Tools第2章 國內(nèi)外GIS軟件介紹（續(xù)） 橢球體模型橢球體模型就是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)建立起來的，在測量和制圖中我們用旋轉(zhuǎn)橢球來代替大地球體，這個(gè)規(guī)則的橢球體如圖3.1.1

17、。 圖3.1.1 地球橢球體橢球面方程為：，長半徑a，也叫赤道半徑，短半徑b，也叫極半徑，扁率=（a-b）/a，由于年代和技術(shù)等原因，目前世界上a，b取值并不唯一。1984年定義的世界大地坐標(biāo)系（WGS84）a=6378137.0m，b=6356752.3m。第3章 地理學(xué)知識 l地理空間坐標(biāo)系 第3章 地理學(xué)知識 建立地理坐標(biāo)系的目的是確定地面點(diǎn)的位置，也就是求出地面點(diǎn)對大地水準(zhǔn)面的關(guān)系，它包括地面點(diǎn)在大地水準(zhǔn)面上的平面位置和地面點(diǎn)到大地水準(zhǔn)面的高度。 確定地面點(diǎn)的位置，最直接了當(dāng)?shù)姆椒ň褪怯玫乩碜鴺?biāo)（緯度，經(jīng)度）來表示。地理坐標(biāo)系是以地理極（北極、南極）為極點(diǎn)。地理極是地軸(地球橢球體的旋

18、轉(zhuǎn)軸即短軸)與橢球面的交點(diǎn)，如圖3.1.2所示，P為北極，P1為南極。所有含有地軸的平面，均稱為子午面。子午面與地球橢球體的交線，稱為子午線或經(jīng)線。經(jīng)線是長半徑為a，短半徑為b的橢圓。所有垂直于地軸的平面與橢球體面的交線，稱為緯線。緯線是不同半徑的圓。赤道是其中半徑最大的緯線。 設(shè)橢圓球面上有一點(diǎn)A(圖），通過A點(diǎn)作橢圓球面的垂線，稱之為過A點(diǎn)的法線。法線與赤道面的交角，叫做A點(diǎn)的緯度，通常以字母表示。緯度從赤道起算，在赤道上緯度為0，往北稱北緯，=090；往南稱南緯，=0-90(取負(fù)值)。過A點(diǎn)的子午面與通過英國格林尼治天文臺的子午面所夾的二面角，叫做A點(diǎn)的經(jīng)度，通常以字母表示。國際規(guī)定通過

19、英國格林尼治天文臺的子午線為本初子午線(或叫首子午線)，作為計(jì)算經(jīng)度的起點(diǎn)(經(jīng)度為0)。往東稱東經(jīng)，=0180；往西稱西經(jīng)，=0-180(取負(fù)值)。l高斯-克呂格投影 第3章 地理學(xué)知識 圖3.2.2 高斯-克呂格投影從幾何概念上分析，高斯投影是一種等角橫切橢圓柱投影。如圖3.2.2所示，我們把地球看成是地球橢球體，假想用一個(gè)橢圓筒套在其上，使筒與地球橢球體的某一經(jīng)線相切，橢圓筒的中心軸位于赤道上，按等角條件將地球表面投影到橢圓筒上，然后將橢圓筒展開成平面。 高斯投影有以下性質(zhì)：（1）中央經(jīng)線(橢圓筒和地球橢球體的切線)和赤道投影成垂直相交的直線。（2）投影后沒有角度變形（即經(jīng)緯線投影后仍正交

20、）。（3）中央經(jīng)線上沒有長度變形，等變形線為平行于中央經(jīng)線的直線。上述性質(zhì)可以具體描述為：（1）在同一條緯線上，離中央經(jīng)線越遠(yuǎn)變形越大。（2）在同一條經(jīng)線上，緯度越低，變形越大。第3章 地理學(xué)知識 以上性質(zhì)說明，投影變形最大值在赤道和投影邊緣經(jīng)線的交點(diǎn)上。為了控制投影變形不致于過大，保證地形圖的經(jīng)度，高斯投影采用分帶投影的方法，即將投影范圍的東西界加以限制，使其變形不超過一定的限度，我國規(guī)定:1:2.5萬1:50萬地形圖均采用經(jīng)差6分帶，大于等于1：1萬比例尺地形圖采用經(jīng)差3分帶。l地圖的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第3章 地理學(xué)知識 圖3.3.1 河流的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（a）（b）（c）地圖的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要分為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如圖3.3.1（a）是一條河流，為了在計(jì)算機(jī)中顯示這條河流，可用柵格數(shù)據(jù)（圖3.3.1（b）或矢量數(shù)據(jù)表示（圖3.3.1（c）。l地圖的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（續(xù)） 第3章 地理學(xué)知識 柵格結(jié)構(gòu)和矢量結(jié)構(gòu)是模擬地理信息的兩種不同的方法。l 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型（圖3.3.1（b）具有“屬性明顯、位置隱含”的特點(diǎn)，它易于實(shí)現(xiàn)，且操作簡單，有利于基于柵格的空間信息模型的分析，如在給定區(qū)域內(nèi)計(jì)算多面形面積時(shí)，柵格結(jié)構(gòu)可以很快算得結(jié)果，而采用矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則麻煩的多，但柵格