地理信息系統(tǒng)的基本概念和理論

關于地理信息系統(tǒng)的基本概念和理論第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三結構組織GIS的基本概念GIS的基本組成GIS軟件功能GIS的相關學科GIS與其他系統(tǒng)的區(qū)別GIS的發(fā)展及趨勢第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS的基本概念

第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三信息和地理信息

信息的定義：是用文字、數(shù)字、符號、語言、圖象、圖形等介質來表達事件、事物或現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量和特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供的關于現(xiàn)實世界新的事實和知識。信息的特征：客觀性適用性可傳輸性共享性數(shù)據(jù)的定義：是一種未加工的原始資料。用文字、數(shù)字、符號、語言、圖象、圖形等都是數(shù)據(jù)。信息與數(shù)據(jù)的關系：數(shù)據(jù)是信息表示的載體，信息是數(shù)據(jù)表示的內(nèi)容。信息第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三信息和地理信息

地理信息的定義： 地理信息是關于地理實體、現(xiàn)象或關系的本質、特征及其運動狀態(tài)、規(guī)律的表征和一切有用的知識。地理數(shù)據(jù)的定義： 各種地理特征、現(xiàn)象和關系的符號化表示。包括空間位置及其關系、屬性特征和時域特征三部分。稱為空間數(shù)據(jù)的基本特征。地理信息的特征除了具備信息的一般特征外，還有以下特征：空間分布性數(shù)據(jù)量大信息載體多樣性時序性地理信息第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三信息和地理信息

矢量數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)ZipCodeCentroid9410294103地理數(shù)據(jù)的類型第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三柵格數(shù)據(jù)矢量數(shù)據(jù)信息和地理信息

第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)的定義：信息系統(tǒng)是具有采集、管理、分析和表達數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)。在計算機時代，信息系統(tǒng)都部分或全部由計算機系統(tǒng)支持，并由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。智能化的系統(tǒng)還應包括知識。分為事務處理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三用戶計算機硬件計算機軟件知識數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的概念模型可由下圖描述：信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GIS）的定義：

是以采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關的的數(shù)據(jù)的計算機空間信息系統(tǒng)。第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三

GIS對于不同的部門和不同的應用目的，其定義也不盡相同。例如，美國學者Parker認為“GIS是一種存貯、分析和顯示空間與非空間數(shù)據(jù)的信息技術”。Goodchild把GIS定義為“采集、存貯、管理、分析和顯示有關地理現(xiàn)象信息的綜合系統(tǒng)”。加拿大的RogerTomlinson認為“GIS是全方位分析和操作地理數(shù)據(jù)的數(shù)字系統(tǒng)?！盉urrough認為“GIS是屬于從現(xiàn)實世界中采集、存儲、提取、轉換和顯示空間數(shù)據(jù)的一組有力的工具”。俄羅斯學者也把GIS定義為“一種解決各種復雜的地理相關問題，以及具有內(nèi)部聯(lián)系的工具集合”。對地理信息系統(tǒng)的不同視點信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三地圖的使用者：他們需要從地圖上查找感興趣的東西。地圖生產(chǎn)者：編輯各種專題或綜合信息地圖。地圖出版者：需要高質量的地圖輸出產(chǎn)品。地圖分析員：他們需要根據(jù)位置和空間關系完成分析任務。數(shù)據(jù)錄入人員：完成數(shù)據(jù)編輯。數(shù)據(jù)庫設計者：需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。開發(fā)者：需要實現(xiàn)GIS的軟件功能。與地理信息系統(tǒng)相關的角色（人）信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三

GIS的物理外殼是計算機化的技術系統(tǒng)。該系統(tǒng)又由若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)構成，如數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析子系統(tǒng)、可視化表達與輸出子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)的構成直接影響著GIS的硬件平臺、系統(tǒng)功能和效率、數(shù)據(jù)處理的方式和產(chǎn)品輸出的類型。地理信息系統(tǒng)的特點信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS的操作對象是地理實體或空間數(shù)據(jù)。所謂地理實體指的是在人們生存的地球表面附近的地理圖層(大氣圖、水圖、巖石圖、生物圖)中可相互區(qū)分的事物和現(xiàn)象，即地理空間中的事物和現(xiàn)象。在地理信息系統(tǒng)中，所操作的只能是實體的數(shù)據(jù)，它們都有描述其質量、數(shù)量、時間特征的屬性數(shù)據(jù)，也有其非屬性的數(shù)據(jù)——空間數(shù)據(jù)，即以點、線、面方式編碼并以(X、Y)坐標串儲存管理的離散型空間數(shù)據(jù)，或者以一系列柵格單元表達的連續(xù)型空間數(shù)據(jù)。地理實體數(shù)據(jù)的最根本特點是每一個數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標進行編碼，實現(xiàn)對其定位、定性、定量和拓撲關系的描述，即空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為地理數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)的特點信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三

GIS的技術優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規(guī)方法難以得到的重要信息。獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的查詢功能、強大的圖形創(chuàng)造和可視化表達手段，以及地理過程的演化模擬和空間決策支持功能等。其中，通過地理空間分析可以產(chǎn)生常規(guī)方法難以獲得的重要信息，實現(xiàn)在系統(tǒng)支持下的地理過程動態(tài)模擬和決策支持，這既是GIS的研究核心，也是GIS的重要貢獻。地理信息系統(tǒng)的特點信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三

GIS與測繪學和地理學密切相關。地理學是一門研究人—地相互關系的科學，研究各自然界面的生物、物理、化學過程，以及探求人類活動與資源環(huán)境間相互協(xié)調的規(guī)律，這為GIS提供了有關空間分析的基本觀點與方法，成為GIS的基礎理論依托。測繪學不但為GIS提供各種不同比例尺和精度的定位數(shù)據(jù)，而且其理論和算法可直接用于空間數(shù)據(jù)的變換和處理。地理信息系統(tǒng)的特點信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)

第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三地理信息系統(tǒng)按存儲數(shù)據(jù)的范圍大小，可劃分為全球的、區(qū)域的和局部的三種。地理信息系統(tǒng)按表達空間維數(shù)，分為2維和3維。通常GIS研究地球表層的若干要素的分布，屬2~2.5維GIS，布滿整個三維空間建立的GIS，才是真三維GIS。一般也將數(shù)字位置模型（2維）和數(shù)字高程模型（1維）的結合稱為2+1維或2.5維GIS。按是否直接存儲時間尺度，分為靜態(tài)和動態(tài)。如果考慮時間維度，也稱為時態(tài)GIS或動態(tài)GIS。否則為靜態(tài)。按事件處理內(nèi)容和方式，分為事務處理或管理GIS和決策支持GIS。地理信息系統(tǒng)的分類第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS的基本組成

第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三單機模式的硬件組成

主要由高檔計算機（高檔微機、工作站或小型機）、數(shù)據(jù)輸入設備、數(shù)據(jù)輸出設備和數(shù)據(jù)存儲設備組成。

計算機數(shù)字化儀掃描儀手寫筆光筆輸入設備繪圖儀打印機刻錄機磁盤陣列磁帶機活動硬盤輸出設備存儲設備第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三網(wǎng)絡模式的GIS硬件組成（多用戶模式）

網(wǎng)絡模式的GIS主要在單機模式的基礎上增加網(wǎng)絡設備，如服務器、客戶機、路由器、交換機、集線器、傳輸介質等。

第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS軟件組成

主要由系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡軟件等）、數(shù)據(jù)庫軟件（如Oracal、Sybase、SQLServer等）、GIS軟件平臺（如Arc/Info、MapInfo等）、應用軟件（GIS二次開發(fā)軟件、GIS組件庫等）組成。GIS平臺軟件數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)軟件GIS應用軟件計算機硬件第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS軟件功能

第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么管理海量數(shù)據(jù)第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么瀏覽查詢第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么專業(yè)性分析第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么路徑分析第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么地圖整飾第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么動態(tài)分段第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么斷面分析第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么格網(wǎng)分析第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS可以做什么生成數(shù)字地面模型第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三三維地下體分析GIS可以做什么第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)據(jù)存儲與管理數(shù)據(jù)輸入與轉換數(shù)據(jù)分析與處理圖形與屬性編輯數(shù)據(jù)輸出與表示用戶接口GIS軟件系統(tǒng)構成第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三各模塊功能（1）數(shù)據(jù)輸入模塊：將系統(tǒng)的外部原始數(shù)據(jù)（多種來源、多種形式的數(shù)據(jù)）傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉換為便于系統(tǒng)處理的內(nèi)部格式。主要由手扶跟蹤數(shù)字化的矢量跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化的光柵掃描數(shù)字化、以及鍵盤輸入等方式。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三各模塊功能（2）圖形與屬性編輯模塊：數(shù)據(jù)輸入完成后，對數(shù)據(jù)的分層、分類和編碼、編輯、坐標轉換、剪裁、接邊、屬性輸入和屬性聯(lián)接等。（3）數(shù)據(jù)存儲與管理模塊：主要將地理要素（通常是點、線、面）的位置、空間拓撲關系和屬性數(shù)據(jù)進行組織和管理。包括對數(shù)據(jù)的無縫圖層連接、分區(qū)、建立空間索引、設置數(shù)據(jù)訪問機制等。第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三各模塊功能（4）數(shù)據(jù)分析與處理模塊：主要是對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間分析運算和預處理運算。包括查詢和提取等操作、柵格疊加分析和矢量疊加分析、空間聚類、路徑分析、資源分配、地址匹配等基本空間操作功能。（5）數(shù)據(jù)輸出與表示模塊：主要是數(shù)據(jù)的專題制圖輸出、統(tǒng)計報表輸出、方案選擇、可視化表示等。（6）用戶接口模塊：主要提供用戶界面、程序接口、數(shù)據(jù)接口和開發(fā)環(huán)境等。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS相關的學科

第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三地理學GIS遙感技術攝影測量學數(shù)學和統(tǒng)計學制圖技術計算機科學專家系統(tǒng)計算機圖形學計算機輔助設計數(shù)據(jù)庫技術軟件工程第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS與其他系統(tǒng)的區(qū)別

第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三（1）與MIS系統(tǒng)的區(qū)別

管理信息內(nèi)容的不同（2）與制圖系統(tǒng)的區(qū)別

GIS強調數(shù)據(jù)的分析，制圖系統(tǒng)強調數(shù)據(jù)的表達（3）與CAD的區(qū)別

信息的分類和編碼系統(tǒng)?？臻g關系的重視第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三GIS的發(fā)展及趨勢

第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三.起步階段（60年代），注重空間數(shù)據(jù)的地學處理。1963年，加拿大測量學家R.T.Tomlinson首先提出GIS這一術語，建立加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）；1969年，ESRI（環(huán)境系統(tǒng)研究所）建立；1969年，Integraph公司建立；發(fā)展階段（70年代），注重空間地理信息的管理，受到政府部門、商業(yè)公司和大學的普遍重視。GIS的發(fā)展概況第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三推廣應用階段（80年代），注重空間決策支持分析

1981年，ESRIARC/INFOGIS發(fā)布；

1985年，GPS成為可運行系統(tǒng)；

1986年，MapInfo建立；

1986年，SPOT衛(wèi)星首次發(fā)射；

1987年，地理信息系統(tǒng)的國際雜志出版；

1988年，美國人口調查局第一次公開發(fā)布TIGER；

1988年，GISWorld首次發(fā)行；

1989年，Ingegraph發(fā)布MGE；GIS的發(fā)展概況第43頁，共47頁，2023年，2月20日，星期三用戶時代（90年代后），注重GIS社會應用與服務，GIS技術迅猛發(fā)展控件式GIS成為GI