GIS 原理与应用

1. GIS原理与应用 2011.2-2011.6 龙岳红

2. 第一章 地理信息系统概论 • 1 基本概念 • 2 GIS的分类 • 3 GIS的功能概述 • 4 GIS的研究内容 • 5 GIS的发展简史 • 6 GIS的发展展望

3. 目的要求：通过本章，掌握地理信息系统的基本概念和定义，能分析其与其他系统的不同。掌握GIS的基本构成。了解GIS基本类型。了解GIS基本类型、功能，对地理信息系统的研究内容有个大致的认识，并对地理信息系统发展、研究动态以及与其他学科的关系有个基本了解。目的要求：通过本章，掌握地理信息系统的基本概念和定义，能分析其与其他系统的不同。掌握GIS的基本构成。了解GIS基本类型。了解GIS基本类型、功能，对地理信息系统的研究内容有个大致的认识，并对地理信息系统发展、研究动态以及与其他学科的关系有个基本了解。 • 教学重点：基本概念的讲解 地理信息系统的特点 构成，地理信息系统的功能 • 教学难点：信息、数据的区别和联系 、GIS的概念；地理信息系统的特点及与信息系统的区别和联系 • 教学课时：3 课时 • 教学方法：理论讲授

4. 1.1.1 信息 信 息(information)是向人们或机器提供关于现 实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含 的意义，它不随载体物理设备形式的改变而改变。 狭义：为人们获得信息前后对事物认识的差别 广义：信息是指主体(人、生物和机器)与外部客体(环境、其它人、生物和机器)之间相互联系的一种形式。 信息是以一定规则组织在一起的事实的集合。 信息的特点： 客观性，适用性 ，传输性，共享性

5. 1.1.1 信息 信息的特点 信息的客观性：与客观事物紧密相联系的； 信息的适用性：信息对决策是十分重要； 信息的传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备(包括远程终端)，和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。 信息的共享性：信息与实物不同，它可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。

6. 1.1.2 数据 • 数据:指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。 • 原始事实 • 如：员工姓名， • 数据可以有数值、图形、声音、视觉数据等 • 数据的特点： • 数据只有对实体行为产生影响时才成为信息 例如：1和0 • 数据到信息要经过一些数据处理

7. 1.1.2 数据 • 数据处理:即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。——提取信息 ①把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式； ②把数据加工成对正确管理和决策有用的数据； ③把数据编辑后存储起来，以供不断使用。

8. 1.1.2 数据 • 信息和数据的关系：

9. 1.1.2 数据 信息和数据的关系： • 信息与数据是不可分离的。信息= 数据 + 说明（或规则） • 信息是与物理介质有关的数据表达。数据是信息的载体。数据中所包含的意义就是信息。 • 数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。 • 信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。 • 数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。 • 不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。

10. 1.1.3 地理数据与地理信息 • 地理数据：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形的总称。 • 是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。

11. 1.1.3 地理数据与地理信息 • 空间位置数据（空间数据或几何数据）描述地物所在位置，相对位置或绝对位置 • 属性数据（非空间数据）属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标 • 时态特征数据是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段，该数据对环境模拟分析非常重要。 • 空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。

12. 1.1.3 地理数据与地理信息 • 地理信息：是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，是对地理数据的解释。 • 地理信息的特征 空间特征：其位置的识别是与数据联系在一起的。 多维特征：即在二维空间的基础上实现多专题的第三 维结构。 时序特征：可以按照时间尺度划分地理信息，对地理 事物进行预测、预报，从而为科学决策提 供重要依据。

13. 1.1.3 地理数据与地理信息 地图与地理信息、地理数据的关系 地图：是将地理环境诸要素按照一定的数学法则，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形，以传递各种自然和社会现象的数量与质量的空间分布和联系以及随时间的发展变化。 显然地图均具有空间性质，地图所表示的内容也都具有时间和属性特性。 地图与地理信息、地理数据的关系 • 地图是传统的表达和存储地理数据的工具，是地理信息的传统数据源 • 地理信息是对地理数据的解释，地图是地理信息载体 • 地图是地理信息系统查询与分析结果的表示方法

14. 1.2.1 信息系统 • 系统：是具有特定功能的、相互联系的许多要素所构成的一个整体。 • 信息系统(Information System ):是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。

15. 决定方向的 战略决策者 用户 战略层（顶层） 硬件 高中层的 管理人员 战术层（中间层） 软件 数据（知识） 操作层（底层） 操作员 1.2.2 信息系统的类型 组成信息系统的四大要素 信息系统的三个管理层次

16. 1.2.2 信息系统的类型 1) 信息系统 按功能分类 • 事务处理系统(Transaction Process System, TPS)主要用以支持操作层人员的日常活动。它主要负责处理日常事务。 • 管理信息系统(Management Information System, MIS):需要包含组织中的事务处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围的数据。 • 决策支持系统(Decision Support System, DSS)是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者制定决策。包括分析决策模型、MIS中的信息和决策者的推测。

17. 1.2.2 信息系统的类型 • 人工智能和专家系统(Expert System, ES)能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统。包括知识库、推理机、解析系统、用户接口和知识获得系统。 MIS能提供信息帮助制定决策，DSS能帮助改善决策的质量，专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。

18. Pc机为平台 单机信息系统 工作站为平台 C/S结构 网络信息系统 B/S结构 1.2.2 信息系统的类型 2)信息系统按结构分类

19. 2.1地理信息系统 • 地理信息系统(Geographical Information System, GIS)是一种决策支持系统，具有一般信息系统的特点。顾名思义，地理信息系统是处理地理信息的系统。 • 在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少有空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。 • 而地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。

20. 2.1地理信息系统 那么究竟什么是GIS? • 1 美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。 • 2 Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。 • 3 加拿大的Roger Tomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。” • 4 Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”。 • 5 俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。

21. 2.1地理信息系统 GIS是什么? • 6 美国联邦数字地图协调委员会(FICCDC)关于GIS的定义认为“GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题”。 ——《地理信息系统概论》（黄杏元） • 7 陈述彭把GIS定义为：“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术”。 （1999） • 8 地理信息系统是一种重要的空间信息系统，它是以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。 《地理信息系统基础》（龚健雅）

22. 2.1地理信息系统 GIS是什么? • 9、李德仁——“地理信息系统是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的空间信息的系统(1995)。” • 10、《地理信息系统原理与技术》一书中总结了对GIS 的概念定义的三个方面的观点，认为GIS：是工具箱，其中包含一套用于采集、存储、管理、处理、分析和显示地理数据的计算机软件工具。是信息系统的特例，除了具有处理地理编码数据的特殊性外，地理信息系统具备一般信息系统的共同特点。并强调其社会作用，认为GIS 从根本上改变了一个组织或部门（如国土部门，政府规划部门）运做方式。

23. 2.1地理信息系统 GIS是什么? • 11 David Maguire 总结了对GIS的三种观点：即地图、数据与空间分析的观点（1991），他们的侧重点各不同。(P12)

24. 2.1地理信息系统 GIS是什么? • 12 本书的定义：地理信息系统的定义由两部组成。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

25. 2.1地理信息系统 • 地理信息系统的特点 • 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力。 • 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。 • 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息。 • 地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。

26. 专题地理信息系统(Thematic GIS) 区域地理信息系统(Regional GIS) 地理信息系统工具(GIS Tools) 按内容分类 城市信息系统 自然资源查询信息系统 规划与评估信息系统 土地管理信息系统等。 按用途分类 2.2地理信息系统的类型 地理信息系统的分类：（还可以根据以下依据划分） 研究范围（全球性、区域性、局部）、 数据模型（矢量、栅格和混合型）、 功能（应用型和工具型）等等

27. GIS • 用 户 • GUI • 硬件系统 • 软件系统 • 空间数据 • DBMS • 应用模型 2.3 地理信息系统的构成 地理信息系统的构成：

28. 2.3 地理信息系统的构成 一、 GIS的计算机硬件系统的组成 1、计算机主机； 2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、鼠标、通讯端口等； 3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等； 4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。

29. 输 出 设 备 数字化仪 喷墨绘图仪 喷墨打印机 激光打印机 输 扫描仪 入 计算机 设 备 手写笔 光盘刻录机 磁盘阵列 光盘塔 活动硬盘 光笔 存 储 设 备 2.3 地理信息系统的构成 GIS的计算机硬件系统组成 图4 GIS硬件系统的组成

30. 2.3 地理信息系统的构成 二、 GIS的计算机软件系统 图5 GIS的计算机软件系统的层次

31. 2.3 地理信息系统的构成 GIS的计算机软件系统包括 1、计算机系统软件 通常包括操作系统、汇编程序、编译程序等，是GIS日常工作所必需的。 2、地理信息系统软件和其他支撑软件 可以是通用的GIS软件，也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。 3、应用分析程序 是系统开发人员或用户根据专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。

32. 2.3 地理信息系统的构成 地理信息系统软件 通用的GIS软件包 ，代表性产品有: • ArcInfo、ArcGIS、ArcView、MGE、MapInfo、MapGIS、GeoStar、CityStar等。 通常GIS除了自身支持的空间数据管理软件外，还包括以非空间属性数据为主的数据库系统，如Oracle、Sybase、Informix、SQL server、Access等

33. 2.3 地理信息系统的构成 GIS软件的核心功能 （1）数据输入 方式：①手扶跟踪数字化仪的矢量跟踪数字化 ②扫描数字化仪的光栅扫描数字化 ③键盘输入 、鼠标输入 （2）数据存贮与管理 （3）数据分析与处理 （4）数据输出与表示模块 （5）用户接口模块

34. 2.3 地理信息系统的构成 三、 地理空间数据 指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济 景观的数据。 地理信息系统的数据模型包括三个互相联系的方面 ： • 在某个已知坐标系中的位置：坐标 • 实体间的空间相关性：用拓扑关系(Topology)来表示。 • 与几何位置无关的属性（At tribute）：分为定性和定量的两种。 定性——包括名称、类型、特性等，如气候类型、土地利用等。 定量——包括数量和等级等，如面积、长度、土地等级。

35. 2.3 地理信息系统的构成 四、 应用人员 人是地理信息系统中重要构成因素。 GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型，仅有 系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要 人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完 善、应用程序开发，并采用地理分析模型提取多种信 息，为地理学研究和地理决策服务。

36. 2.3 地理信息系统的构成 五、应用模型 • GIS应用模型的构建和选择也是系统应用成败至关重要的因素。例如土地利用适宜性模型、公园选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型、影响模型等。 • 应用模型是GIS与相关专业连接的纽带。它的建立绝非是纯数学或计算机技术性问题，而必须以坚实而广泛的专业知识和经验为基础。 • 由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。

37. 地理信息系统组成图

38. 3 地理信息系统的功能概述 • GIS的核心问题 • 位置（Locations） ——即在某个特定的位置有什么。 • 条件（Conditions）——即什么地方有满足某些条件的东西。 • 变化趋势（Trends）——识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 • 模式（Patterns）——分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。 • 模型（Models）——该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。

39. 3 地理信息系统的功能概述 • GIS基本功能 • 1、数据采集、监测与编辑：手扶跟踪数字化不同的专题或层（GIS数据分层的概念） • 2、数据存储与管理：矢量栅格模型、数据库管理、空间数据库 （包括空间数据库的定义、数据访问和提取、从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。）

40. 3 地理信息系统的功能概述 数据采集流程图

41. 3 地理信息系统的功能概述 • 3、数据处理和变换： • 包括矢栅转换、制图综合、数据变换、数据重构、数据抽取等 • 数据变换：指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等。 • 数据重构：指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等 • 数据抽取：指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等

42. 3 地理信息系统的功能概述 • 4、空间查询、分析和统计： • 空间检索、空间拓扑叠合、缓冲区分析、数字地形分析、空间集合分析、空间模型分析 • 拓扑叠合：实现了输入要素属性的合并以及要素属性在空间上的连接。 • 缓冲区分析：用以确定不同地理要素的空间接近度或邻近性 • 数字地形分析：构造数字高程模型及有关地形分析的功能 • 空间集合分析：布尔逻辑运算 • 空间建模分析等

43. 3 地理信息系统的功能概述 • 5、产品制作与显示 • 产品为地图图像：符号图、动线图、点值图、晕线图、等值线图、立体图等。 • 产品制作与显示：设置显示环境、定义制图环境、显示地图要素、定义自行符号、字符大小与颜色、标注图名和图例以及绘图文件编辑。 • 6、二次开发和编程 • 开发语言：C，C++，VB，VC++，Delphi…）定制自己的菜单，可视化用户应用界面。

44. 数据采集

45. 用于大型GIS工程 应用领域： 测绘 勘测 规划 土地 交通 管线 农林 水利 环保 油田 地质 军事…… 数据管理

46. 海量数据管理

47. 浏览 查询

48. 路径分析

49. 地图整饰

50. 动态分段