地理信息系統(tǒng)概論第一章

地理信息系統(tǒng)概論

尹靜秋 南京信息工程大學(xué)遙感學(xué)院參考書目龔健雅.地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，2001鄔倫等.地理信息系統(tǒng)-原理、方法和應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2001湯國(guó)安等.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實(shí)驗(yàn)教程.北京：科學(xué)出版社，2007吳信才等.地理信息系統(tǒng)原理與方法.北京：電子工業(yè)出版社，2002參考書目第一章導(dǎo)論第一節(jié)地理信息系統(tǒng)基本概念第二節(jié)地理信息系統(tǒng)的基本構(gòu)成第三節(jié)地理信息系統(tǒng)的功能簡(jiǎn)介第四節(jié)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展透視第一節(jié)地理信息系統(tǒng)基本概念數(shù)據(jù)與信息兩者在詞義上的差別：數(shù)據(jù)是信息的表達(dá)，信息則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容；數(shù)據(jù)是客觀對(duì)象的表示，只有當(dāng)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)體行為產(chǎn)生影響時(shí)才成為信息；信息是當(dāng)代社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。地理信息地理信息是指表征地理圈或地理環(huán)境固有要素或物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、聯(lián)系和規(guī)律等的數(shù)字、文字、圖像和圖形等的總稱；地理信息屬于空間信息，它具有空間定位特征、多維結(jié)構(gòu)特征和動(dòng)態(tài)變化特征。第一節(jié)地理信息系統(tǒng)基本概念地理信息的特征（1）空間特征（2）時(shí)間特征（3）屬性特征（4）海量特征（5）信息載體多樣化特征地理信息系統(tǒng)的特征

（與一般的管理信息系統(tǒng)相比）

（1）空間數(shù)據(jù)的管理為核心（2）空間分析為特色（3）人為系統(tǒng)建設(shè)為關(guān)鍵地理信息系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱GIS)GIS是跨越地球科學(xué)、信息科學(xué)和空間科學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它研究關(guān)于地理空間信息處理和分析過程中提出一系列基本問題，如空間對(duì)象表達(dá)與建模、空間關(guān)系及推理機(jī)制、空間信息的控制基準(zhǔn)、空間信息的認(rèn)知與分析、GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)GIS應(yīng)用模型與可視化、空間信息的政策與標(biāo)準(zhǔn)等；GIS的操作對(duì)象是空間數(shù)據(jù),空間數(shù)據(jù)的主要特點(diǎn)是按統(tǒng)一的地理坐標(biāo)編碼，并實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位、定性、定量和拓?fù)潢P(guān)系的描述,由此而形成GIS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是有效的地理實(shí)體表達(dá)、獨(dú)特的時(shí)空分析能力、強(qiáng)大的圖形創(chuàng)造手段和可靠的科學(xué)預(yù)測(cè)與輔助決策功能等；GIS是管理和分析空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用工程技術(shù)，該工程技術(shù)系統(tǒng)由六個(gè)子系統(tǒng)組成；GIS為地理學(xué)解決復(fù)雜的規(guī)劃與管理問題提供了有效的手段，而地理學(xué)則為GIS提供了重要的基礎(chǔ)理論依托；GIS的科學(xué)定義：地理信息系統(tǒng)既是管理和分析空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用工程技術(shù)，又是跨越地球科學(xué)、信息科學(xué)和空間科學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。其技術(shù)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和相關(guān)的方法過程所組成，用以支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)概念GIS——GeographicalInformationSystemGIS——GeoinfomaticsGIS——GeographicInformationScienceGIS——Globe,ImageAnalysis,SatelliteGIS——Gentlemanlike,Intelligence,Smile地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)概念地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)概念地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)概念有85%的信息具有地理空間特征國(guó)家省市郵政編碼電話號(hào)碼街道家庭住址地理信息系統(tǒng)及其相關(guān)概念地理空間數(shù)據(jù)源其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)文字多媒體地圖數(shù)據(jù)道路水系居民地地籍OracleSpatialGeocodeDigitize

遙感數(shù)據(jù)航天遙感數(shù)據(jù)航空遙感數(shù)據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)（GPS）LoadGIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1.GIS與地圖學(xué)?

地理信息系統(tǒng)脫胎于地圖，并成為地圖信息的又一種新的載體形式，它具有存儲(chǔ)、分析、顯示和傳輸?shù)墓δ?它為地圖特征的數(shù)字表示、操作和顯示提供了成套方法;?地圖仍是目前地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源之一，地圖學(xué)理論與方法對(duì)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展有著重要的影響，并成為地理信息系統(tǒng)發(fā)展的根源之一；?地圖強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)分析、符號(hào)化與顯示，而地理信息系統(tǒng)則注重于信息分析。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系2.GIS與計(jì)算機(jī)制圖系統(tǒng)（1）計(jì)算機(jī)制圖為地圖特征的數(shù)字表示、操作和顯示提供了成套方法，為地理信息系統(tǒng)的圖形輸出設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持；（2）計(jì)算機(jī)輔助制圖系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)的一部分；地理信息系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展與制圖信息系統(tǒng)存在著密切的聯(lián)系，兩者的相通之處是基于空間數(shù)據(jù)庫的空間信息的表達(dá)、顯示和處理。（3）一個(gè)地理信息系統(tǒng)擁有機(jī)助制圖系統(tǒng)的所有組成和功能，并且地理信息系統(tǒng)還有數(shù)據(jù)處理的功能。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系3.GIS與計(jì)算機(jī)科學(xué)

計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展對(duì)地理信息系統(tǒng)的發(fā)展有著深刻的影響。（1）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)主要設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)、管理和查詢非空間的屬性數(shù)據(jù)，并具備一些基本的統(tǒng)計(jì)分析功能，它是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分之一，它所具有的功能是地理信息系統(tǒng)有關(guān)數(shù)據(jù)操作功能的重要組成部分,但是，一般DBMS在處理空間數(shù)據(jù)時(shí)缺乏空間分析能力。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系3.GIS與計(jì)算機(jī)科學(xué)（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)提供了數(shù)據(jù)輸入、顯示與表達(dá)的軟件與方法。（3）計(jì)算機(jī)圖形理論是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)的技術(shù)理論之一，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)提供了圖形處理、顯示的軟、硬件以及技術(shù)方法。（4）人工智能的發(fā)展給地理信息系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步也帶來了積極的影響，雖然目前地理信息系統(tǒng)還沒有充分利用人工智能的各種技術(shù)，但它提供了智能化技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)與方法。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系3.GIS與計(jì)算機(jī)科學(xué)

(5)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展則為地理信息系統(tǒng)的構(gòu)件化技術(shù)的形成提供了新的機(jī)遇，為使地理信息系統(tǒng)發(fā)展成為社會(huì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分奠定了基礎(chǔ)。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系4.GIS與CAD的區(qū)別

CAD采用了一種最簡(jiǎn)單的矢量模型。這種模型沒有采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來描述空間目標(biāo)之間的關(guān)系，只是為數(shù)字制圖和圖形要素顯示提供很好的功能。這種方式下每個(gè)圖形對(duì)象僅僅存儲(chǔ)一次，相對(duì)節(jié)約了空間，但是不能進(jìn)行空間查詢和分析。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系5.GIS與遙感

遙感作為空間數(shù)據(jù)采集手段，已成為地理信息系統(tǒng)的主要信息源與數(shù)據(jù)更新途徑。地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用又進(jìn)一步支持遙感信息的綜合開發(fā)與利用。（1）遙感圖像處理系統(tǒng)包含若干復(fù)雜的解析函數(shù)，并有許多方法用于信息的增強(qiáng)與分類，但遙感系統(tǒng)本身的空間分析能力頗為有限，并難與DBMS系統(tǒng)相連。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系5.GIS與遙感

（2）大地測(cè)量為地理信息系統(tǒng)提供了精確定位的控制信息，尤其是全球定位系統(tǒng)(GPS)可快速、廉價(jià)地獲取地表特征的數(shù)字位置信息。（3）航空照片及其精確測(cè)量方法的應(yīng)用使得攝影測(cè)量成為地理信息系統(tǒng)主要的數(shù)據(jù)來源。GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系6.GIS與MIS

（1）傳統(tǒng)意義上的管理信息系統(tǒng)是以管理為目的。這類信息系統(tǒng)的最大特征是它處理的數(shù)據(jù)沒有或者不包括空間特征。（2）另一類管理信息系統(tǒng)是以具有空間分析功能的，以地理信息系統(tǒng)為支持、以管理為目標(biāo)的信息系統(tǒng)，它利用地理信息系統(tǒng)的各種功能實(shí)現(xiàn)對(duì)具有空間特征的要素進(jìn)行處理分析以達(dá)到管理區(qū)域系統(tǒng)的目的。第二節(jié)GIS的基本構(gòu)成系統(tǒng)硬件

由主機(jī)、外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)組成，用于存儲(chǔ)、處理、傳輸和顯示空間數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件

由系統(tǒng)管理軟件、數(shù)據(jù)庫軟件和基礎(chǔ)GIS軟件組成，用于執(zhí)行GIS功能的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、處理、分析、建模和輸出等操作。空間數(shù)據(jù)庫

由數(shù)據(jù)庫實(shí)體和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成，用于空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、查詢、檢索和更新等。應(yīng)用模型

由數(shù)學(xué)模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突旌夏Ｐ徒M成，用于解決某項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用問題，獲取經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。用戶界面

由菜單式、命令式或表格式的圖形用戶界面所組成，是用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的工具。GIS基本構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)應(yīng)用模型GIS用戶GUI空間數(shù)據(jù)DBMS計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)§2地理信息系統(tǒng)及其構(gòu)成硬件系統(tǒng)：GIS主機(jī)GIS外部設(shè)備GIS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

輸入、數(shù)據(jù)采集（數(shù)字化儀、掃描儀）建庫、數(shù)據(jù)管理（服務(wù)器、工作站）查詢、空間分析（服務(wù)器、工作站）決策支持、上網(wǎng)（服務(wù)器、工作站、）制作專題圖（服務(wù)器、工作站）輸出（繪圖儀、打印機(jī)）計(jì)算機(jī)（GIS）軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)：GIS軟件是系統(tǒng)的核心，用于執(zhí)行GIS功能的各種操作，包括數(shù) 據(jù)輸入、處理、數(shù)據(jù)庫管理、空間分析和圖形用戶界面等。按照其功能分為：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件：主要指計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，如：Unix,WindowsNT等。GIS軟件：指具有豐富功能的通用GIS軟件，如：ARC/INFO,MapInfo等。數(shù)據(jù)庫軟件：主要是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如：Oracle,SQLSever等。應(yīng)用分析程序：是系統(tǒng)開發(fā)人員或用戶根據(jù)地理專題或區(qū)域分析模型編制 的用于某種特定應(yīng)用任務(wù)的程序，是系統(tǒng)功能的擴(kuò)充與延伸。地理空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)庫的組成（1）圖形（幾何）數(shù)據(jù)庫（2）屬性數(shù)據(jù)庫（3）元數(shù)據(jù)庫

空間特征屬性特征時(shí)間特征ZipCodeCentroid9410294103空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)點(diǎn)線面矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)矢量圖柵格圖GIS數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的解決方案：1、混合式2、擴(kuò)展式3、開放式應(yīng)用人員與組織機(jī)構(gòu)第三節(jié)GIS的功能簡(jiǎn)介基本功能數(shù)據(jù)采集與編輯；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理；數(shù)據(jù)處理和變換；空間分析和統(tǒng)計(jì)；產(chǎn)品制作與顯示；二次開發(fā)和編程。地理信息系統(tǒng)的功能地理信息系統(tǒng)的功能遍歷數(shù)據(jù)采集—分析—決策應(yīng)用的全部過程，并能回答和解決以下五類問題：

(1)位置，即在某個(gè)地方有什么的問題。

(2)條件，即符合某些條件的實(shí)體在哪里的問題。(3)趨勢(shì)，即某個(gè)地方發(fā)生的某個(gè)事件及其隨時(shí)間的變化過程。

地理信息系統(tǒng)的功能(4)模式，即某個(gè)地方存在的空間實(shí)體的分布規(guī)律的問題。

(5)模擬，即某個(gè)地方如果具備某種條件會(huì)發(fā)生什么的問題。

地理信息系統(tǒng)的空間分析功能（1）空間檢索分析,包括從空間位置檢索空間物體及其屬性和從屬性條件集檢索空間物體?！翱臻g索引”是空間檢索的關(guān)鍵技術(shù)。（2）空間拓?fù)潢P(guān)系分析，空間拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了輸入特征的屬性的合并以及特征屬性在空間上的連接。（3）空間模擬分析，空間模擬分析剛剛起步，目前多數(shù)研究工作著重于如何將地理信息系統(tǒng)與空間模型分析相結(jié)合。3.1.1數(shù)據(jù)的采集與編輯

§3GIS的功能簡(jiǎn)介3.1基本功能.主要用于獲取數(shù)據(jù)，建設(shè)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)在GIS中抽象為不同的專題或?qū)印＃ㄒ娤聢D）采集方法：鍵盤、數(shù)字化儀、掃描儀、遙感數(shù)據(jù)等等。數(shù)據(jù)處理和操作的內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)變換：數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)重構(gòu)：數(shù)據(jù)幾何形態(tài)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)抽?。簲?shù)據(jù)從全集合到子集的條件抽取。3.1.2數(shù)據(jù)處理與變換

§3GIS的功能簡(jiǎn)介3.1基本功能.數(shù)據(jù)變換——投影變換數(shù)據(jù)重構(gòu)——數(shù)據(jù)拼接數(shù)據(jù)重構(gòu)——結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)矢量結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)抽取——空間內(nèi)插3.1.3數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理

§3GIS的功能簡(jiǎn)介3.1基本功能.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理是建立GIS數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵步驟，涉及到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織。

空間數(shù)據(jù)主要指圖形數(shù)據(jù)；

屬性數(shù)據(jù)主要指空間實(shí)體的特征數(shù)據(jù)，一般包括名稱、等級(jí)、數(shù)量、代碼等多種形式。§3GIS的功能簡(jiǎn)介3.1基本功能.3.1.4空間查詢與分析

空間查詢是地理信息系統(tǒng)應(yīng)具備的最基本的分析功能，它包括從空間位置檢索空間物體及其屬性和從屬性條件檢索空間物體。

空間分析是比空間查詢更深層的應(yīng)用，內(nèi)容更加廣泛。空間查詢位置查詢屬性查詢拓?fù)洳樵儭臻g分析地形分析網(wǎng)絡(luò)分析疊置分析緩沖分析決策分析……

1.單擊【查詢｜圖形查詢｜點(diǎn)查詢】菜單項(xiàng)或查詢工具條按鈕，如左圖；2.在圖形窗口中用鼠標(biāo)左鍵選擇地物。若當(dāng)前點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵能找到多個(gè)地物，系統(tǒng)會(huì)列出所有查詢結(jié)果如右圖；3.屬性表中單擊其中某一記錄，該記錄對(duì)應(yīng)的目標(biāo)將會(huì)顯示在圖形窗口的中央，雙擊可以修改屬性記錄。1．單擊【查詢｜拓?fù)潢P(guān)系查詢｜包含查詢】菜單項(xiàng)或查詢工具條按鈕，如左圖；2．在圖形窗口中單擊鼠標(biāo)左鍵，系統(tǒng)會(huì)查詢出該面對(duì)象中包含的所有當(dāng)前地物類，得出查詢結(jié)果，如右圖所示窗口：3.單擊窗口中某一記錄，該記錄對(duì)應(yīng)的目標(biāo)將會(huì)顯示在圖形窗口的中央，雙擊可以修改屬性記錄。

疊置分析允許您對(duì)兩個(gè)不同的地物進(jìn)行空間疊合運(yùn)算。1．單擊【空間分析｜疊置分析…】菜單項(xiàng)，彈出“疊置”對(duì)話框：2．默認(rèn)為當(dāng)前地物類的所有地物；3．在“疊置地物類”的下拉列表框中選擇用于疊置的地物類。該列表框列出了所有當(dāng)前地物類外所有其它面地物類；4．在“疊置選擇集”下拉列表框選擇用于疊置的地物。該列表框列出了疊置地物類的所有選擇集。默認(rèn)的選擇集為所有地物；5．在“生成的目標(biāo)地物類”框中輸入地物類名稱和編碼，如不輸入代碼，系統(tǒng)將指定一個(gè)編碼；6．選擇合適的疊置方式（交、差、并）；緩沖區(qū)分析§3GIS的功能簡(jiǎn)介3.1基本功能.3.1.5產(chǎn)品制作與顯示

圖形符號(hào)顏色注記圖框圖例顯示終端打印機(jī)繪圖儀磁帶/磁盤地圖表格圖像屬性統(tǒng)計(jì)圖表報(bào)表設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)軟件§3GIS的功能簡(jiǎn)介3.2應(yīng)用功能.3.2.1資源管理

主要任務(wù)是將各種來源的數(shù)據(jù)匯集在一起，并通過系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和覆蓋分析功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計(jì)和進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的快速再現(xiàn)。3.2.2區(qū)域規(guī)劃

GIS數(shù)據(jù)庫將多種數(shù)據(jù)信息歸并到同一個(gè)系統(tǒng)中，最后進(jìn)行區(qū)域中多個(gè)目標(biāo)的開發(fā)和規(guī)劃。3.2.3國(guó)土監(jiān)測(cè)

GIS方法和多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以有效地用于森林火災(zāi)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、洪水災(zāi)情監(jiān)測(cè)等等。3.2.4輔助決策

GIS利用擁有的數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，通過一系列決策模型的構(gòu)建和比較分析，可以為國(guó)家或企業(yè)的宏觀決策提供依據(jù)。土地利用類型區(qū)域規(guī)劃國(guó)土監(jiān)測(cè)應(yīng)用功能測(cè)繪與地圖制圖資源管理