GIS技术.ppt

1 GIS定义 地理信息系统（Geographical Information System)，GIS是六十年代开始迅速发展起来的地理学研究技术，是多种学科交叉的产物。 GIS是在计算机硬、软件环境的支持下，对空间数据进行采集、存取、编辑、处理、分析和显示的计算机应用系统 。 用户使用GIS时，面对的是空间数据组成的客观世界的一个抽象模型。它比地图所表达的自然世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各方面的内容，也可以提取这个模型所表达现象的各种空间尺度指标，更为重要的是，它可以将自然发生或人为规划的过程加在这个数据模型上，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策。,GIS技术,GIS的基本概念可以从下面几个方面来把握： (1)GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。 (2) GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述、这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。 (3)GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。,(4) GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言用数字形式来描述空间实体。,从GIS的外部来看，它表现为计算机软硬件系统； 从功能上看，GIS-获取、存取、编辑、处理、分析和显示地理数据的系统； 从内容上看，G1S-一个包含了计算机软、硬件、地理数据和专业人员的系统。 GIS-数字制图技术和数据库技术的结合； GIS-一种以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球(包括大气层在内)空间和地理分布有关的数据的空间信息系统；,GIS具有以下三个方面的特征： 具有采集、管理、分析和输出多种地理实间信息的能力，具有空间性和动态性； 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； 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。 地理信息统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵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。,(1)数据输入、预处理 (2)数据编辑 (3)数据存储与管理 (4)数据查询与检索 (5)数据分析 (6)数据显示与结果输出 (7)数据更新,2 GIS的功能,(1)数据输入、预处理 空间数据只有加工为适合的形式才能被GIS利用，将空间数据输入计算机的过程称为数字化。 最新扫描技术使大规模自动数字化成为可能，中小型作业仍可使用手工数字化； GIS软件提供强大的数据转换功能，可从CAD(DMG文件格式)、文本、关系数据库等各种形式转人数据。,(2)数据编辑 数据编辑主要包括属性编辑和图形编辑。 属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。 图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整理、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。,(3)数据存储与管理 数据存储就是将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存贮介质上。 其存储方式与数据文件的结构相关，关健在于建立记录的逻辑顺序。 GIS既能采用普通文件结构构造数据，又能通过大型数据库系统进行有效严格的组织管理。 在关系型数据库中，不同表格间通过主码与外码相互连接，提供GIS高度的可扩展性和灵活的配置能力。,(4)数据查询与检索 数据查询与检索就是指从数据文件、数据库或存储装置中，查找和选取所需数据。 其中查询是指根据用户提出的问题确定查找方向和步骤，从而得到需要的信息； 检索是指从数据文件中，提取所需要的数据。,(5)数据分析 GIS能分析所定区域内的各种现象和过程。 这一分析功能可在系统操作运算功能的支持下或建立专门的分析软件来实现，包括信息采集与分析、统计分析、多要素综合分析等。,(6)数据显示与结果输出 数据显示就是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，包括图形数据的数字化与编辑以及操作分析过程的显示。 通常以人机对话方式来选择显示的对象与形式，如数据显示、统计图形显示、空间数据的图形图像显示等。 结果输出有专题地图、图表、数据、表格、报告等多种类型。屏幕显示也是结果输出的一个方面。 输出设备有显示器、彩色绘图仪、打印机等。,(7)数据更新 数据更新就是以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录。 它是通过删除、修改、再插入等一系列操作来实现的。 数据库应具有更新能力。 数据更新是地理信息系统建立地理数据的时间序列，满足动态分析的前提。 数据更新分全面更新和局部更新两种。 数据更新的关键在于建立遥感与地理信息系统的接口，提高不同数据结构数据转换的精度和效率，以及提高遥感数据的几何精度和分类精度。,3 GIS软件平台 含义：GIS软件平台是专门为GIS的建立和开发而研制的通用软件系统，是一组系统化的具有GIS基本功能的软件包。 例如美国环境系统研究所的ARCINFO、澳大利亚GENASYS公司开发的GENAMAP、中国地质大学开发的MAPGIS等。,分类：GIS软件平台按其数据结构一般有以下3种类型： 矢量型：指基于多边型的，以X，Y坐标对来表示空间数据的点、线和面等图形的GIS。 栅格型：指基于网格的，以二维数组来表示空间各象元特征的GIS。 混合型：指矢量数据结构和栅格数据结构并存的GIS。,4 GIS应用系统 一般来说，GIS应用系统通常可从以下几种角度来划分： 以研究对象的性质和内容分类 以研究区的区域范围分类 以系统用途分类,(1)以研究对象的性质和内容分类 综合性地理信息系统：按统一标准存储、管理一定范围内的各种自然和社会经济综合数据的地理信息系统。如加拿大国家地理信息系统，中国自然环境综合信息系统等。 专题性地理信息系统：具有有限目标和专业特点的地理信息系统，系统数据项的选择和操作功能设计是为特定的目的服务，如红壤资源信息系统、土地资源信息系统、水资源管理信息系统、农作物估产信息系统等。,(2)以研究区的区域范围分类 全球性地理信息系统：这种系统研究区域范围往往涉及全球范围。如全球人口资源地理信息系统。 区域性地理信息系统：主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、省级的、市(地)级和县级等相各不相同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或以流域为单位的区域信息系统。如加拿大国家信息系统、我国黄河流域信息系统等。,(3)以系统用途分类 城市信息系统； 资源调查与评价信息系统； 规划信息系统； 辅助决策信息系统等。,完整的GIS应包括4个主要部分： GIS的硬件设备 GIS的软件 数 据 GIS人员,5 地理信息系统的基本构成,磁带/光盘,遥感/GPS,扫描仪,数字化仪,工作站,网络设备,服务器,绘图仪,电子地图,PC/NC,Intranet,Internet,输入设备 处理设备 输出设备 GIS硬件设备配置,(1)GIS的硬件设备 GIS的硬件设备构成GIS的物理外壳。 其配置一般包括以下几个部分,计算机主机：它可以是单机，也可以组成计算机网络来实现。 数据输入设备：用于将系统所需要的各种数据输入计算机，并将模拟数据转换成数字化数据。 通常有数字化仪、扫描仪、图像处理系统、GPS(全球卫星定位系统)接收机、解析和数字摄影测量仪等，它们将以图形、图像、文件、报表等不同形式显示数据的分析处理结果。,数据存储设备：主要指存储数据的磁盘、磁带、光盘及相应的驱动设备。 数据输出设备：它包括图形终端显示设备、绘图仪、打印机、可擦写光盘以及多媒体输出装置等。 数据通讯传输设备：包括网卡、网络系统连线及其他网络专门设施。GIS可以通过网络交流信息或共享数据。,GIS的软件是指GIS运行所必需的各种程序，它们构成GIS的核心部分，关系到GIS的功能。 这些软件通常由4部分组成： 计算机系统软件 GIS系统软件 应用分析程序 其他支持软件,(2)GIS的软件,计算机系统软件:主要指为用户使用计算机提供方便的程序系统，包括操作系统、汇编系统、编译程序、诊断程序、库程序等。这些是GIS正常运行所必需的。 GIS系统软件：指GIS基本功能软件包，以完成对数据进行采集、加工、存储、管理、 分析、查询、显示再现和与用户接口。 应用分析程序：这是系统开发人员或用户为某种特定应用任务而开发的程序，对系统功具有扩充作用。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定着系统的优劣和成败。 其他支持软件：用于对GIS系统软件提供支撑或功能上的一些补充。包括数据库管理系统、图像处理系统、计算机图形软件包等。,数据是GIS的管理内容和操作对象。 它是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和经济的数据。 这些数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。 它们由系统研制者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他输人设备输入到GIS中，也可以通过其他系统的通讯接口直接输入GIS。 GIS正是通过对这些数据的采集、管理、分析，提取其信息内容构成信息模型，根据用户的要求来模拟现实世界，其相应的区域信息包括位置信息、属性信息和空间关系等。,(3)数 据,GIS是一个动态的地理模型，是一个复杂的人-机系统。仅仅有系统硬件、软件和数据还构不成一个完整的GIS。它必须处于相应的机构或组织环境内，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等工作。因此，系统的管理、维护和使用人员是GIS中的重要构成因素。 这里GIS人员既包括从事GIS系统开发的专业人员，也包括采用GIS完成日常工作的终端用户。,(4)GIS人员,6 GIS应用 (1)测绘与地图制图 地理信息系统技术源于计算机辅助制图。地理信息系统（GIS）技术与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）技术在测绘界的广泛应用，为测绘与地图制图带来了一场革命性的变化。 (2)资源管理 资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。如，美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地GIS。该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的土壤侵蚀模型，据此，探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的改良土壤方案，达到对土壤资源保护的目的。,(3)城乡规划 城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件(回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、0-l规划模型、系统动力学模型等)加以保证的。例如：北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线(包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线)以及测量控制网，规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统。从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理。为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。,(4)灾害监测 利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。 (5)环境保护 利用 GIS技术建立城市环境监测、分析及预报信息系统；为实现环境监测与管理的科学化自动化提供最基本的条件；在区域环境质量现状评价过程中，利用GIS技术的辅助，实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态；在野生动植物保护中的应用，世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能，帮助世界最大的猫科动物改变它目前濒于灭种的境地。都取得了很好的应用效果。,(6)国防 现代战争的一个基本特点就是“三S”技术被广泛地运用到从战略构思到战术安排的各个环节。它往往在一定程度上决定了战争的成败。如海湾战争期间，美国国防制图局为战争的需要在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术，处理卫星和高空侦察机实时获得的战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影影像叠加到数字地图上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时的实时服务。 (7）宏观决策支持 地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。 总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。,随着计算机和信息技术的发展，GIS迅速地发展变化着。同时，随着人类需求的增长，GIS的应用也将越来越广泛，越来越深入。 从总的系统角度看GIS的发展方向 从系统内部的角度看GIS的发展趋势,7 GIS的发展趋势,（1）从总的系统角度看GIS的发展方向 GIS标准化 GIS网络化 GIS全球化 GIS大众化 GIS数据商业化,(a)GIS标准化 在21世纪初的510年是GIS界的主要标准化制定时期。随着GIS的不断发展，人们不断意识到，只有对软件、硬件和数据进行必要的标准化，才能更有效、广泛地使用GIS。 GIS的标准化将在国际、国家、省、市、县和机构范围内多层次地进行，其内容可能包括到GIS的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软硬件系统等等。 其中数据的标准化是关键，数据标准化使GIS市场从单纯的系统驱动转向数据驱动，意味着支持GIS工作的数据结构及数据交换格式的标准化，提供GIS工作基础数据接口的标准化。 标准化的真正实现将使人们能在一个共同基础之上共享信息和资源。,(b)GIS网络化 计算机网络技术对GIS的发展能起到质变作用。它的发展使以往很多难以完成的事情得以实现，例如网络技术使得数据库在地理位置上以分布式的方式存在，这样做，各个数据库可以局部地进行生产、更新、维护和管理。而网络又使这些分布在局部的数据库相互之间可以连接起来实现共享使用。高速度的数据传输使得数据库之间的数据传输能够快速地实现。 万维网的发展给GIS数据在更大范围内的发布、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。地理数据不仅可以按照地理位置、专题内容、生产机构、使用价格等进行自动搜索，甚至可以直接在网上进行数据的各类空间操作，使用网络提供的各类模型进行模拟，直接产生新的数据结果，真正地实现“网络就是计算机”这一新的概念模式。,(c)GIS全球化 网络技术的发展使得世界空间缩小，人们之间的关系更加紧密； 世界经济的发展也在要求人们建立一个更稳定、和谐的环境。在这个环境中GIS越来越成为一种有效的工具来帮助他们所生存和依赖的自然条件状况和社会变化状况。 目前世界各国都在积极地发展和使用GIS、制定有关地理信息的政策、开展国家的GIS项目。,(d)GIS大众化 GIS不仅在国际舞台上已经越来越受到人们重视，甚至在人们日常生活中也在潜移默化地改变着人们的生活。 以往人们需要使用地图来定向、定位和导航，而现在地图已经存储在数据库中； 从一个地点到另一个地点的最佳路线轻而易举地就可以使用GIS系统得到； 到一个新地方，GIS可以作最好的向导。 有人曾经预测，GIS发展的将来就是“没有”GIS，意思是，当GIS发展到人人都使用，它已经成为人们生活和工作不可分离的一部分时，则人们就不必知道它是一种叫做“GIS”的技术了。,(e)数据商业化 目前，一场数据大战正在不断地进行着。 空间数据已经被作为一种商品，在普通零售商店都可以买到。 许多软件生产商，甚至将通用的数据，例如行政边界、水系网络、道路网络、邮政编码边界、人口分布、环境质量数据等随GIS软件的购买而免费赠送。 从国家来考虑，数据实际上是国家的一种资源。数据被电子化以后，这种资源更有使用价值。它可以帮助政府了解国家各种自然和人文资源的状况，辅助制定各类重要决策。 数据的商业化使得这些数据不断地、快速地得到开发、更新，同时根据市场要求，更合理地分配人力和财力资源来对最为需要的数据进行生产。,(2)从系统内部的角度看GIS的发展趋势 空间数据结构与数据管理 数据自动输入技术 与遥感技术的进一步结合 GIS的智能化 GIS应用模型开发 加强GIS教育,(a)空间数据结构与数据管理 传统的栅格和矢量结构各有特点，目前倾向于两种结构并存。需要设计高效的栅格一矢量相互转换算法来支持栅格和矢量统一的系统。特别是适用于微机地理信息系统更具有特殊意义。 满足建立大规模实用系统的需要，图形空间数据压缩技术也在发展。 空间数据库系统的研制，包括逻辑结构的设计和适合于地理实体表示的物理存储结构的研究正在从理论走向实用； 一种面向对象的数据模型由于更适合定义复杂的地理实体和对复杂事物的直接操作而被接受，实用的语言界面正