地理信息系统概述材料（4学时）ppt课件

地理信息系统 原理与方法 课程简介课程简介 陈占龙陈占龙 TelTel：1329663008713296630087 QQQQ：3318456933184569 我的联系方式我的联系方式 l l 必修，学时数必修，学时数:48 :48 （112112周）周） l l 成绩评定办法及考试方式成绩评定办法及考试方式 : l l 平时成绩占总评成绩的比例在平时成绩占总评成绩的比例在20%20% uu 课堂开卷课堂开卷+ +提交提交报告报告 地理信息系统 原理与方法 （第一章 绪论） 。 掌握基本概念、基础理论、基本原理、方法 学会空间数据的获取、编辑、可视化及专题图 的制作 学会GIS的空间分析方法及应用工具 教学目的与要求 主要参考书 核心教材： 吴信才，地理信息系统原理与方法(第二 版)，2009，电子工业出版社 参考书籍： （1）龚健雅，地理信息系统基础，2001，科学出版社 （2）唐中实等，地理信息系统原理与技术，2004，电子 工业出版社 （3）王家耀 ，空间信息系统原理，2001，科学出版社 （4）陈正江,地理信息系统设计与开发,2005,科学出版 社 （5）张新长,地理信息系统数据库,科学出版社,2005 （6）吴立新，地理信息系统原理与算法，科学出版社， 北京，2005 第一章、绪论 1.1GIS概论 1.1.1GIS基本概念 1.1.2GIS发展过程 1.1.3系统组成 1.1.4GIS软件类型 1.1.5GIS功能 1.2 GIS技术基础 1.2.1 GIS技术发展 1.2.2GIS基本技术 1 .2.3 GIS技术结构 1.3地理信息系统学科基础 1.3.1地理信息系统科学基础 1.3.2地理信息系统相关学科 1.4GIS应用领域 1.1GIS概论 1.1.1 GIS基本概念 1.1.2 GIS基本内容 1.1.3 GIS发展过程 1.1.4 系统组成 1.1.5 GIS软件类型 1.1.6 GIS功能 1.1.1 GIS基本概念 1.数据与信息 数据是客观事物的属性、数量、位置及其相 互关系等的抽象表示，随载荷它的物理设备的形 式而改变。 信息是向人们或机器提供关于现实世界各种 事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它 不随载体的物理形式的改变而改变。 以一定的形式或格式在用 户间传输 客观性 适用性 传输性共享性 正确和精确性 信息能提供并发应用 经处理分析有价值 信息的特点： 2.空间数据（Spatial Data) 单个地或群体地以空间位置为参照的数据， 空间信息包括位置信息、属性信息和时间信息。 3.信息系统 能对数据和信息进行采集存贮、加工、再现 、并能回答用户一系列问题的系统。 decision-oriented effective processing of data effective management of data adequate flexibility satisfying user environment 4.GIS概念 地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支 持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述 空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并 回答用户问题等为主要任务的技术系统。 GIS物理外壳 影响着GIS的硬件平台、软件环境。 GIS操作对象 地理数据属性数据、几何数据、时间数 据。GIS对空间数据的管理和操作，是GIS区别于 其它信息系统的根本标志，也是技术难点之一。 GIS技术过程 数据采集、数据管理、数据处理和分析、 可视化表达与输出等。 之一。 GIS解决问题 1.1.2GIS基本内容 1.1.3 GIS发展阶段 1.地理信息系统的发展的四个阶段 （）起始发展阶段(60年代) （）发展巩固阶段(70年代) （）推广应用阶段(80年代) （）蓬勃发展阶段(90年代以后) 2.市场前景 3.GIS在我国的发展 4.GIS发展的阶段特点 1.地理信息系统的发展的四个阶段： （）起始发展阶段(60年代) 1963年由加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出 并建立的世界上第一个地理信息系统是称为加 拿大地理信息系统(CGIS)。 1963年美国哈佛大学城市建筑和规划师Howard T.Fisher设计和建立了SYMAP系统软件。 1966年美国成立了城市和区域信息系统协会 (URISA)，1968年国际地理联合会(IGU)设立了 地理数据收集委员会(CGDSP)。 （）发展巩固阶段(70年代) 70年代，GIS朝实用方向发展。各国对GIS的 研究均投入了大量人力、物力、财力。不同规模 、不同专题的信息系统得到很大发展。从1970年 到1976年美国地质调查局发展了50多个地理信息 系统。GIS受到政府、商业和学校的普遍重视。 （）推广应用阶段(80年代) 80年代，GIS在全世界范围内全面推广应用 ，应用领域不断扩大，开始用于全球性的问题。 开展GIS工作的国家更为广泛，国际合作日益加 强。GIS软件开发具有突破性的进展，仅1989年 市场上有报价的软件达70多个。代表性的有 ARC/INFO（美国）、ArcView （美国） 、 GENAMAP（澳大利亚）、SPANS（拿加大）、 MAPINFO（美国）、MGE（美国）、System9（瑞 士/美国）、ERDAS（美国）。 （）蓬勃发展阶段(90年代以后) 90年代，从美国的 “国家信息基础设施行动计划（ National Information Infrastructure ,简称NII）” 建 设到数字地球的提出，由“数字地球”细化到“数字中国”、 “数字省区”、“数字城市” 、“虚拟现实”等众多的信息化 领域的工作已全面铺开。随着地理信息产生的建立和数字 化信息产品在全世界的普及，GIS已成为确定性的产业，投 入使用的GIS系统，每23年就翻一番。GIS已渗透到各行 各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作 中不可缺少的工具和助手。 2.市场前景 根据统计，在经济建设、日常生活活动所涉及的信 息中，有80%与地理信息密切相关。如今，GIS已经 深入到人们的日常生活领域中。GIS被公认为是21世 纪的支柱性产业，是信息产业的重要组成部分。 “GIS产业是关系到国民经济增长、社会发展和国家 安全的战略性产业，它不仅为国家创造直接经济利 益，而且是其他众多产业的推动力，对众多经济领 域具有辐射作用，能在国民经济的发展中起到倍增 器的效果，其渗透作用已深刻影响到国民经济的各 个方面。”徐冠华 院士 据统计，目前国内GIS市场总额（包括软件、应用和 服务）1000多亿人民币。 准备阶段：1978年到1980年，进行舆论准备，正式提出 倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。 起步阶段：1981年到 1985年，理论探索和区域性实验 研究。并在此基础上制定国家地理信息系统规范。 初步发展阶段：1986年到90年代。地理信息系统的研究 被列入我国“七 五”攻关课题，并且作为一个全国性的 研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重 要进 展和实际应用效益。 快速发展阶段： 90年代末到现在。理论日趋成熟，应 用日益广泛，三维GIS、WEBGIS走向应用，GIS市场开始 形成。 3.GIS在我国的发展 桌面软件 开发平台 面向服务 数字制图 组件式 嵌入式 4.GIS发展的阶段特点 GIS为中心 信息为中心 部部 门门 GISGIS 企业化企业化 GISGIS 社会化社会化 GISGIS 超大数据量 大用户数 开放性需求 快速响应 较小数据量 少数用户共享数据 无须开放 响应要求不高 项项 目目 GISGIS 人员人员 PeoplePeople 硬件硬件 HardwareHardware 软件软件 SoftwareSoftware 数据数据 DataData 方法方法 MethodsMethods GISGIS 1.1.4 GIS系统组成 1. GIS硬件组成 输入设备 专用设备 常规设备 GPS 全数字摄影 测量工作站 解析和数字 摄影测量仪器 遥感与遥感 图象处理系统 全站仪 扫描仪 数字化仪 键盘、鼠标 处理设备 工作站服务器 硬盘阵列 存储设备 活动硬盘光盘机磁带机 输出设备 绘图仪 终端 打印机 （1）单机模式 基本外设、 处理设备 和输出设 备构成 适用于小 型GIS建设 数据传输 与资源共 享不方便 高档微机或服务器 打印机 绘图仪 扫描仪 因特网 Hub UPS 电源 防火墙 光盘刻录机 移动外接硬盘 光盘塔 磁盘阵列 （2）局域网模式 部门或单位内部GIS建设专线连接资源共享较方便 输 出用户组1 输 入 GIS中央 数据库与网管 Intranet 用户组n （3）广域网模式 用户分布地域广 泛，不适合专线 连接 公共通讯连接 资源共享方便 局部范围为局域 网，通过若干通 道与广域网连接 输入 GIS中央 数据库 （服务器） 图象 处理系统 局域网 用户组 输出 多媒体 系统 用户用户 主 干 网 Internet 2.GIS软件组成 操作系统 （系统调用、设备运行、网络等） 系统库 （编程语言、数学库等） 标准软件 （图形、数据库等） GIS基本功能软件 GIS应用软件应用软件 GIS软件 系统软件 GIS （1）系统软件 系统软件主要是计算机的操作系统以及 各种标准外设的驱动软件，目前流行的有 DOS、Windows、UNIX/LINUX等。系统软件关 系到GIS软件和开发语言使用的有效性，是 GIS软硬件环境的重要组成部分。 （2）基础软件 数据库软件 用来管理空间数据，包括图形数据和属 性数据。流行数据库软件主要有Oracle、 Sybase、Informix、DB2、SQL Server、 MySQL等。目前GIS软件中采用商用数据库管 理属性数据，一个有发展前景的模型是面向 对象数据模型，可实现图形和属性数据的联 合管理。 图形平台 某些GIS软件中图形处理平台。如 AutoDesk公司开发的基于AutoCAD的AutoMap GIS软件、Intergraph公司的基于 MicroStation的MGE GIS软件 （3）GIS基本功能软件 数据输入和检验 数据存储和管理 数据变换 数据输出和表示 用户接口 数据输出数据变换 数据存储用户接口 数据输入 数据输入和检验 数据库 数据输入 交互 终端 数字 化仪 文本 文件 扫描 仪 磁带磁 盘 地图数据遥感数据统计数据文字报告 数据存储和管理 数据组织和管理质量，直接影响GIS操作的有效 性。在地理数据的生产中，当前主要是4D产品，即数 字线划数据（Digital Line Graph, DLG）、数字栅 格数据（Digital Raster Graph, DRG）、数字高程 模型（Digital Elevation Model, DOM）、数字正射 影象（Digital Ortho Map, DOM）。 检索数据变换 地理数据库 位置坐标 空间数据 属性数据 数据输入 询问输入 应用和分析维护 变换 数据变换 提供了对一个区域的空间数 据和属性数据综合分析利用 的能力。通过提供矢量、栅 格、DEM等空间运算和指标 量测，达到对空间数据的综 合利用的目的。如基于栅格 数据的算术运算、逻辑运算 、聚类运算等，提供栅格分 析；通过图形的叠加分析、 缓冲区分析、统计分析、路 径分析、资源分配分析、地 形分析等，提供矢量分析。 数据输出 输出 显示终端打印机绘图仪磁带磁盘 地图图像表格文字 用户接口 用于接收用户的指令和程序或数据，是用户 和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接 口与数据接口。用户界面（或人机界面）是地理 信息系统应用的重要组成部分，它通过菜单技术 、用户询问语言的设置，还可采用人工智能的自 然语言处理技术与图形界面等技术，提供多窗口 和光标或鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出 操作指令提供方便。程序接口和数据接口可分别 为有用户联接各自特定的应用程序模块和使用非 系统标准的数据文件提供方便。 3.空间数据 GIS的操作对象为空间数 据 空间数据特征：几何、属 性、时间数据； 空间数据组织：矢量结构 、栅格结构； 空间数据管理： 几何数据：文件 属性数据：关系数据库 栅格结构 矢量结构 4.系统开发、管理和使用人员 咨询 管理 信息管理 数据整理 GIS的开发是以人为本 的系统工程。 业务素质与专业知识 是GIS工程及应用成功 的关键。 不但对GIS的技术和功 能有足够的了解，而且 要具备组织管理管理的 能力。 技术培训、硬件维护与 更新、系统升级、数据 更新、文档管理、数据 共享建设等。 1.1.5 GIS软件类型 专业GIS（Professional GIS） 桌面GIS（Desktop GIS） 手持GIS（Hand-Held GIS） 组件GIS（Component GIS） GIS Viewer 网络GIS（Internet GIS） 其它（基于CAD的GIS） 1.1.6地理信息系统功能 1.数据采集与输入 数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部 的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部 格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。主要 有图形数据输入，如管网图输入；栅格数据输入， 如遥感图像的输入；测量数据输入，如全球定位系 统（GPS）数据的输入；属性数据输入,如数字和文 字的输入。 2.数据编辑与更新 目的：保证数据在入库时在内容上的完整性， 逻辑上的一致性。 方法：数据编辑与处理、错误修正： 数据格式转化：矢量、栅格转化，不同数据格式转化； 数据比例转化：平移、旋转、比例、纠正 投影变换：投影方式 数据概化：平滑、特征集结 数据重构：几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构） 误差校正: 地理编码：拓扑结构 3.数据存贮与管理 属性数据管理一般直接利用商用关系数据库软 件，如ORACLE、ACCESS、FoxBase、FoxPro等 进行管理。空间数据管理是GIS数据管理的核 心，各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构 存放在空间数据库中。 4.空间查询与分析 空间查询与分析是GIS核心，主要包括数据操作运算、 数据查询检索与数据综合分析。包括矢量数据叠合、 栅格数据迭加等操作、算术运算、关系运算、逻辑运 算、函数运算等。综合分析主要包括信息量测、属性 分析、统计分析、二维模型分析、三维模型分析、多 要素综合分析等。 空间检索 空间分析 空间分析 地形分析 网络分析 缓冲区分析 几何量测 地图分析 叠置分析 统计分析 决策分析 位置查询 属性查询 拓扑查询 空间查询 5.数据显示与输出 数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示 ，通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式 ，对于图形数据根据要素的信息量和密集程度， 可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素 地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题 图、各类统计图、图表及数据等。 GIS基本功能的实现过程 文件图表 数据获取 原始数据 存储检索 空间查询 空间分析 数据编辑 投影变换 数据输出 制图、表格 交互展示 结构化数据 空间 数据库 1.2 GIS技术基础 Michael Batty:认为计算机技术的发展是不可 预知的，计算机技术已成为数字化数据资源及相 关分析方法发展与繁荣的一个刺激因素。 Batty预言：大数据量计算、数据处理软件的分 散化、声音输入输出技术发展、网络技术发展、 虚拟现实技术发展给GIS带来革命性的冲击。 20世纪40年代：开始利用计算机制图功能，以一个 示波器监视器工作。 20世纪50、60年代：GIS制图输出通过附属在大型机 或小型机上的普通输出设备（行式打印机） 20世纪70年代：矢量绘图设备示波器的出现将制图 技术提高到了一个新的境界。 20世纪80年代：计算机内存成本降低促进制图技术 发展，可实现计算机制图和空间数据分析的集成， 激光绘图设备使交互式制图成为可能，这对GIS发展 具有巨大推动作用。但GIS更突出的功能是用于制图 数据操作。 1.2.1 GIS技术发展 20世纪80年代晚期：windows替代 DOS，桌面 GIS快速发展起来，在此之前GIS如PC- ARC/INFO是基于工作站版本的或是大型机版本 或是DOS版本的，标志桌面绘图时代来临。 20世纪90年代：1996年以前普遍认为软件向万 维网转移是不可能的事，但随着计算机技术与 通迅技术融合，桌面GIS向网络化方向发展。 网络技术、虚拟现实技术、多媒体技术发展， 给GIS技术的发展提供巨大空间，三维动画软 件与数字影像的结合使基于GIS的二维数据生 成三维显示结果成为可能。 1.2.2GIS基本技术 地理信息系统是一项多种技术集成的技术系统。 数据采集技术（包括遥感技术（RS）、全球定位 系统（GPS）、三维激光扫描技术、数字测图技 术等）、现代通信技术、计算机网络技术、软件 工程技术、虚拟现实与仿真技术、信息安全技术 、网络空间信息传输技术等构成了GIS技术体系 的主要技术。这些技术在这里进行简要介绍，而 地理信息系统技术则是本书的主要详细介绍的内 容。 计算机硬件技术 GIS 操作系统 空间数据库技术计算机图形技术遥感图象处理技术 网络通讯技术 数据组织管理技术 标 准 规 程 1.2.3 GIS技术结构 硬 件 其它应用软件 开发环境 操作系统 GIS 制约上层系性能和功能 为下层提供反馈 在理论层面：面向对象理论与方法日趋成熟并被广泛应用于 GIS设计与生产。 在操作系统层面：直接支持面向对象的分布式运算已是大的 趋势。 基于 CORBA（Common Object Request Broker Architecture) 和 DCOM(Distributed Component Object Model) 的系统软件陆续进入操作系统。如微软的ActiveX、IBM的 OpenDOC等。 CORBA和 DCOM为使用、组织和管理来 自不同平台的软件提供了完整有效机制。 在开发环境层面： 面向对象编程语言JAVA，综合性开发软 件工具不断完善。 应用软件层面：一是C/S和B/S模式成为GIS软件组织的主 要形式，二是万维网成为软件开发的中心，三是ODBC（ Open Database Connectivity）成为数据库管理系统 相互兼容的中心。 1.3地理信息系统学科基础 在人类认识自然、改造自然的过程中，人与自 然的协调发展是人类社会可持续发展的最基本条件 。从历史发展的角度看，人类活动对地球生态的影 响总体是向着变坏的方向发展，人口、资源、环境 和灾害是当今人类社会可持续发展所面临的四大问 题。人类活动产生的这种变化和问题，日益成为人 们关注的焦点。地球科学的研究为人类监测全球变 化和区域可持续发展提供了科学依据和手段。地球 系统科学、地球信息科学、地理信息科学、地球空 间信息科学是地球科学体系中的重要组成部分，也 是形成地理信息系统的科学基础。 1.3.1地理信息系统的科学基础 1 .地球系统科学 地球系统科学（Earth System Science）是研究 地球系统的科学。地球系统，是指由大气圈、水圈、岩 石圈和生物圈（包括人类自身）等四大圈层组成的作为 整体的地球。它包括了自地心到地球的外层空间的十分 广阔的范围，是一个复杂的非线性系统。 2. 地球信息科学 地球信息科学（Geo-Informatics, 或Geo Information Science, 简称GISci）是地球系统科 学的组成部分，是研究地球表层信息流的科学，或研究 地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流的科学 。就地球信息科学的技术特征而言，它是记录、测量、 处理、分析和表达地球参考数据或地球空间数据学科领 域的科学。 3. 地理信息科学 地理信息科学（Geographic Information Science）是信息时代的地理学，是地理学信息革命和 范式演变的结果。它是关于地理信息的本质特征与运动 规律的一门科学，它研究的对象是地理信息，是地球信 息科学的重要组成成分。 4.地球空间信息科学 地球空间信息科学(Geo Spatial Information Science简称Geomatics)是以全球定位系统（GPS ）、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)为主要内容，并以 计算机和通信技术为主要技术支撑，用于采集、量测、 分析、存贮、管理、显示、传播和应用与地球和空间分 布有关数据的一门综合和集成的信息科学和技术。 地球空间信息科学与地理空间信息科学在学科定义和 内涵上存在重叠。甚至人们认为是对同一个学科内容，从 不同角度给出的科学名词。 从测绘的角度理解，地球空间信息科学是地球科学与 测绘科学、信息科学的交叉学科。 从地理科学的角度理解，地球空间信息科学是地理科 学与信息科学的交叉学科，即被称之为地理空间信息科学 。 地球空间信息科学的概念要比地理信息科学要广，它 不仅包含了现代测绘科学的全部内容，也包含了地理空间 信息科学的主要内容，而且体现了多学科、技术和应用领 域知识的交叉与渗透，如测绘学、地图学、地理学、管理 科学、系统科学、图形图象学、互联网技术、通信技术、 数据库技术、计算机技术、虚拟现实与仿真技术等以及规 划、土地、资源、环境、军事等领域。研究的重点与地球 信息科学接近，但它更侧重于技术、技术集成与应用，更 强调“空间”的概念。 1.3.2地理信息系统相关学科 Christopher B.Jones在 “Geographical Information Systems and Computer Cartography” 一书中用一棵树的形式更为详细地 给出了地理信息科学与其他学科的关系。 在这棵树中，“树根”表示学科基础；“树 枝”表示应用，应用的需求和结果返回到“树根” ；“雨滴”则表示应用的数据来源。（可以在“邬 伦等，地理信息系统原理、方法和应用”一书 中得到这棵树。） 地理学 地图制图学 数据库理论 机助设计 软件工程 人工智能 城市规划 测量学 摄影测量 遥感 地理学 计算机科学 信息科学 资源管理 GIS GIS的相关学科技术 1.GIS与CAD lCAD不能建立地理坐标系统和完成地理坐 标变换； lCAD处理多为规则图形，而GIS为非几何 图形； lCAD图形功能强而属性处理能力弱，GIS 图形与属性的操作比较频繁，且专业化特征 比较强； lGIS的数据量比CAD大得多，数据结构、 数据类型复 杂，数据之间联系紧密； lCAD不具备地理意义上的查询和分析能力 ； 2.GIS与MIS lGIS对图形和属性数据共同管理、分析和应 用； lMIS一般只处理属性数据，对图形数据以文 件形式进行管理，图形要素不能分解、查询 ，图形与数据之间没有联系； l管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS ，MIS在概念上更接近DBMS。 3.GIS与RS处理系统 l 遥感数据是GIS的重要信息源。经过遥感信息系 统处理的遥感信息，或进入GIS系统作为制图的 背静图象，或是与经过分类的信息协同GIS与遥 感的集成分析。 l 遥感图象信息处理系统是专门用于对遥感数据进 行处理的软件，主要强调对遥感数据的几何处理 、灰度处理和专题信息提取，具有较强的制图功 能，可设计丰富的符号和注记，虽有空间叠置分 析空能，但由于缺少实体空间关系的描述，难以 进行空间实体的空间关系查询、属性查询及网络 分析等。 l 遥感图象处理系统不能看作是GIS。 4.GIS与机助制图系统、地图数据库 1. GIS的主要技术基础 l强调空间数据的处理、显示与表达 l空间分析能力 2. GIS包含数字制图系统的全部功能 l地图数据库若空间分析能力较强，可升格为 GIS，而GIS若空间分析能力较弱，则退化 为地图数据库。 1.4地理信息系统应用 Precision farming Mine Planning Environmental Monitoring & Rehabilitate Comunication