地理信息系统概论

地理信息系统概论 提纲 第一部分 自我介绍第二部分 课程说明第三部分 地理信息系统概论 第一部分 自我介绍 主要学习工作经历 课程定位 地理信息系统 GIS 课程是地理信息系统本科专业的核心课程 同时又是地理科学 资源 环境 规划等相关专业的重要专业基础课程 地理信息系统 课程是地理学科的特色和优势课程 是一门兼有很强学科理论性和应用技能性的专业技术类课程 体现了传统地理学的现代化方向 授课与考核方式 授课方式 1 课程讲授 上机实习 考核方式 上机实习 平时表现 50 期末考试 50 主要参考资料 参考文献 地理学报 遥感学报 测绘学报 武汉大学学报 信息版 中国图形图像学报 计算机辅助图形学报 等相关期刊 小的插曲 后来医生约翰 斯诺 JohnSnow 将霍乱病患者的居住地点标记在绘有道路 房屋 饮用水井等基本地理要素的地图上 发现患者主要集中分布在 布洛多斯托 水井的周围 1854年秋 英国伦敦宽街爆发了霍乱病 当时医学界未能找出发病的原因 根据该分析 当地政府立即禁止这个水井的使用 此后宽街再也没有出现新的霍乱患者 斯诺医生利用患者与固定地理要素之间的空间关系找出了霍乱病的发病根源 一口被污染的水井 这为当时欧洲的公共卫生事业做出了巨大的贡献 小的插曲 霍乱事件 告诉我们 地理位置 和 空间分布信息 是相当重要的 世界上任何物体都具有空间特性 我们日常生活中的大部分信息都与地理空间位置有关 可以说空间问题是解决很多实际问题的关键 而GIS就是在地理空间信息的基础上利用空间分析解决空间问题的一种有效的方法 技术和手段 GIS能够为零售商选择销售的最佳地点 可以协助规划部门进行土地利用规划 可以为灾害监测提供救援决策等 GIS的重要性 据统计 在军事 自然资源管理 土地和城市管理 电力 电信 石油和天然气 城市规划 交通运输 环境监测和保护 110和120快速反应系统等国防 经济建设 日常生活中 有80 与GIS密切相关 目前国内GIS市场总额 包括软件 应用和服务 约10亿 15亿元人民币 到成熟期将超过200亿 可见 GIS已经深入到了人们的日常生活中 因此 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 80 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 地理信息系统是IT的支柱性产业 大规模交易处理 分布式计算 多用户数据接口 RowLocking 第一讲GIS概论 1 1地理信息系统的起因与发展 1 2地理信息系统的基本功能1 3地理信息系统的组成1 4地理信息系统与相关学科的关系1 5地理信息系统的主要应用1 6地理信息系统分类1 7地理信息系统发展的未来趋势 1 1地理信息系统的起因与发展 起因从古代文明到现代社会 地理工作者 测绘工作者 航海家都致力于空间数据的收集整理 制图工作者则以地图形式表示这些数据 地图作为空间数据的载体长期为航海 军事以及现代经济建设服务 50年代以来 随着计算机技术的发展 地学家逐渐产生利用计算机汇总各种来源的数据 借助计算机处理和分析这些数据 最后通过计算机输出系列结果 作为决策过程的有用信息 1 1地理信息系统的起因与发展 起步阶段 60年代 注重空间数据的地学处理1963年 加拿大测量学家R T Tomlinson首先提出GIS这一术语 建立加拿大地理信息系统 CGIS 1969年 ESRI 环境系统研究所 建立1969年 Integraph公司建立发展阶段 70年代 注重空间地理信息的管理 受到政府部门 商业公司和大学的普遍重视1978年 ERDAS成立 推广应用阶段 80年代 注重空间决策支持分析1981年 ESRIARC INFOGIS发布1985年 GPS成为可运行系统1986年 MapInfo建立1986年 SPOT卫星首次发射1987年 地理信息系统的国际杂志出版1988年 美国人口调查局第一次公开发布TIGER1988年 GISWorld首次发行1989年 Ingegraph发布MGE 用户时代 90年代后 注重GIS的社会应用与服务GIS技术迅猛发展控件式GIS成为GISTools的发展方向WebGIS蓬勃发展三维GIS崭露头角 我国的GIS始于20世纪80年代 以中科院遥感所成立的第一个GIS研究室为标志 1980 1985年是最初的起步阶段 1981年 在四川渡口二滩进行实验 以航空遥感资料为基础 进行了数据采集和数据库模型设计 1984年起 国家测绘局着手组建国土基础信息系统 1985年 国家资源与环境信息系统实验室成立 1986年 1993年为初步发展阶段 地理信息系统软件平台被列入国家 七五 攻关课题 取得了重要进展和实际效益 1994年以来为软件商品化阶段 伴随着国外成熟GIS软件的大量涌入 国产GIS平台的产业化进程也渐渐开始步入正轨 国家遥感中心 中国地理信息系统协会 中国海外GIS协会对国产GIS平台实施的每年一次的测评工作 极大地推动了国产GIS的发展 国内用户的热心支持 意见反馈以及建议和批评 更加促进了GIS平台厂商的优胜劣汰 促进了GIS公司从科研机构到企业化运作的转型 加快了GIS的产业化进程 在我国 GIS发展的推动力 已经从科研探索和政府推动 转变成了目前社会单位团体广泛而急切的需求 社会的需求比十所大学更能推动科技进步 恩格斯 1 2基本概念 数据与信息地理信息与地图地理信息系统与地理系统 数据与信息 数据是未经加工的原始资料信息用数字 文字 符号 语言 图像等介质表示事件 事物 现象等的内容数量或特征的 从而向人们提供关于现实世界新的事实和知识 作为生产 建设 经营 管理 分析和决策的依据 信息的特点 具有客观性 适用性 传输性和共享性两者关系 信息与数据是不可分离的 数据是信息的表达 信息是数据的内涵 数据本身并没有意义数据只有对实体行为产生影响时才成为信息 地理信息与地图 地理信息是指表示地理环境诸要素的数量 质量 分布特征及其相互联系和变化规律的数字 文字 图象和图形等的总称 地理信息的特点 属于空间信息 具有多维结构的特征 时序特征十分明显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 两者的关系 地图是地理信息载体地图是地理信息的传统数据源地图是GIS的查询与分析结果的表示方法 2 地理信息的特征 地理信息特点 空间性 专题性 属性 动态性 时间性 信息与坐标位置联系在一起 使信息具有空间维 二维 三维 随时间而动态变化 时间维 地理信息具有专题属性 属性维 分布性 地理信息分布在不同区域具有分布性 网络 地理系统与地理信息系统 地理系统是一个多层次的巨系统 它具有多层次的结构和泛目标的功能 需要多学科的知识结构和多种形式技术体系的支持 地理系统是认识地理圈的事物 现象和发生发展过程 理解物质迁移与能量转换内外循环的规律 认识地理规律 掌握地理信息 以调控资源与环境为目的的逻辑思维过程 什么是地理信息系统 数据库的角度 GIS是一种特殊的地理数据库 它是地理学的信息系统 地图的角度 GIS是一系列可以显示各种地表特征关系的智能地图和视图 可以交互式的进行查询 编辑和分析信息 模型的视角 GIS是一组信息转换工具 可以从已存在的数据库按需要经过变换产生新的数据库 空间数据 属性数据 空间数据和属性数据的综合体 GIS是 G IS GIS的定义 地理信息系统 GeographicInformationSystem 是以地理空间数据库为基础 在计算机软硬件的支持下 运用系统工程和信息科学的理论 科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据 以提供管理 决策等所需信息的技术系统 简单的说 地理信息系统就是采集 存储 管理 表达和分析处理空间信息的一种技术系统 Goodchild GIS的定义 ESRI公司从软件开发者的角度给GIS下了以下定义 GIS是一种基于计算机的工具 它能够对地球上存在的东西和发生的事情进行成图和分析 GIS技术就是将普通的数据库操作 如查询与统计分析等 与地图独特的可视化效果集成在一起 使与其他信息系统相区别 在广泛的公共和个人事业中解释现状 预测未来和规划战略中具有实用价值 美国国家航空航天局 NASA 给的定义是 GIS是计算机硬件 软件和操作人员集成的系统 用于处理具有空间特征的地质地形 人口分布统计和图形图像等数据资源 现实世界的抽象 我们所面对的现实世界 现实世界 自然界 河流 植被 地质 现实世界 人类活动 人口分布 经济发展指标 土地开发度 道路交通等 对实体的描述手段 实体 属性对空间实体的描述手段 图层 图层 空间实体 属性 空间实体的表达形式 点 比如居民点 线 比如公路 面 比如湖泊 GIS如何组织地理数据 GIS可以回答的问题 1 位置 Locations 即在某个特定的位置有什么 2 条件 Conditions 即什么地方有满足某些条件的东西 3 变化趋势 Trends 该类问题需要综合现有数据 以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象 4 分布规律 Patterns 该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素 如交通事故 地点 与时间有关 是不是在特定的路口 在这些路口有什么 5 模型 建模 Models 假如 该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案 如超市 警察局选址问题 地理信息系统的组成 数据输入 数据存储 信息输入 系统操作 系统支持 地理分析 硬件系统 地理数据 软件系统 用户 地理数据库 对GIS的理解 GIS的物理外壳是计算机化的技术系统由若干个相互关联的子系统组成 包括数据采集系统 数据管理系统 数据处理和分析系统 可视化表达与输出系统等 它们影响着GIS硬件平台 系统效率和功能 数据处理方式和产品类型 GIS的操作对象是空间数据地理数据 属性数据 几何数据 时间数据 GIS对空间数据的管理与操作 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的技术优势在于它的空间分析能力GIS独特的地理空间分析能力 快速的空间定位搜索和复杂的查询功能 强大的图形处理和表达 空间模拟和空间决策支持等 可产生常规方法难以获得的重要信息 这是GIS的重要贡献 GIS与地理学 测绘学联系紧密地理学是GIS的理论依托 为GIS提供有关空间分析的基本观点和方法 测绘学为GIS提供各种定位数据 其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理 GIS引入地学界 如同Fortran语言引入计算机科学界一样重要 美国学者K I 兰菲尔 1 2地理信息系统的基本功能 数据的采集 检验与编辑 数据获取 数据的格式化 转换 概化 数据操作 数据的组织与管理数据分析 其中空间分析是地理信息系统的核心功能 显示 基本功能的实现 数据的采集 检验与编辑 数据的采集与编辑主要用于获取数据 保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性 数据的采集 其它数据源航空航天遥感 数字化输入纸质地图 栅格图的扫描相片等数据 手工录入属性数据 数据的采集 数据编辑变换与处理 GIS的数据格式化与数据转换 数据格式化 Dataformation 是指不同格式数据之间的变换 尤其是矢量数据与栅格数据之间的转化数据转换 Datatransfer 涉及到数据比例尺的缩放 平移 旋转等方面 其中最主要的是投影变换 矢量数据 栅格数据 数据的格式转换 空间数据在不同投影之间的转换 等积伪圆柱投影 伪圆柱投影 等距圆柱投影 多圆锥投影 GIS数据的组织与管理 数据的存储与组织是一个数据集成的过程 也是建立GIS数据库的关键步骤 涉及到空间数据和属性数据的组织在数据的组织与管理中 最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体 空间数据管理的主要任务是在空间数据之间建立拓扑关系 属性数据的组织方式有文件系统 层次结构 网络结构及关系数据库管理系统等 目前被广泛采用的主要是关系数据库系统 将空间数据与属性数据融合为一体 GIS的分析功能 分析功能包括查询 检索 统计分析 空间分析 模型分析等方面 查询 检索 统计分析是GIS以及许多数据信息系统应具备的最基本的分析功能空间分析功能是GIS的核心 也是GIS与其它系统区别的重要标志模型分析是指GIS支持下处理分析问题的方法体现 是GIS应用深化的重要体现 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 某个特定位置有什么 位置查属性例 国家属性查询 满足给定条件的地理对象分布属性查位置例 客户分布 根据属性查询 空间叠加分析 网络分析 网络分析 NetworkAnalysis 是地理信息系统 GeographicInformationSystem 中一个重要的基于拓扑信息的高级分析功能 它在搜索最优路径 查找最近设备及确定服务范围等方面可以为用户提供强有力的决策支持 就其数学本质而言 网络分析是一个典型的多维 不连续 高度非线性的组合优化问题 统计分析 趋势分析 地理对象随时间的变化例 人口变化趋势 模式分析 空间对象的分布模式问题揭示空间对象的空间关系例 商业服务竞争 模型分析 基于模型的解决问题的方案例 公园选址 GIS的可视化功能 用户利用地理信息系统的显示功能不仅可以观察查询和分析的结果 而且还可以进行信息的输出 用户界面 数据输出 统计表格专题地图 影象地图 统计地图 地形图 二次开发 GIS的空间分析技术与手段是有限的 而实际应用模型是无可枚举的 因此 任何GIS都应提供二次开发工具 定制菜单 程序与可视化界面等GIS二次开发环境 专用工具 如Arc Info的AML语言 通用语言 如VC VB Delphi等组件开发 如MapInfo的MapX 1 4GIS与相关学科 地理信息系统是一门介于信息科学 空间科学 管理科学之间的一门新兴交叉学科 是传统科学与现代技术相结合的产物 相关学科树 GIS与CAD CAM 相同点均可处理非图形的属性数据都可以对空间数据建立空间相关关系 对所描述对象的拓扑关系进行处理不同点CAD CAM不能建立地理坐标系统和完成地理坐标转换GIS的数据量要比CAD和CAM的数据量大得多 数据结构 数据类型更为复杂 数据间联系紧密CAD CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能 CAD computer aideddesign CAM computerAidedManufacturing GIS与MIS 管理信息系统 GIS与RS处理系统 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 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 面向位置的特征遥感图象处理系统不能看作是GIS GIS与机助制图系统 地图数据库 GIS的主要技术基础强调空间数据的处理 显示与表达 具有很强的空间分析能力GIS包含数字制图系统的全部功能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 GIS用于全球环境变化动态监测1987年联合国开始实施一项环境计划 UNEP 其中包括建立一个庞大的全球环境变化监测系统 GEMS 全球森林监测和森林生态变化有关项目 1990年对亚马逊地区原始森林的砍伐状况进行了调绘 1991年编制了全球热带雨林分布图 海岸线及海岸带资源与环境动态变化的监测 全球性大气环流形势和海况预报等 1 5GIS的应用 2 GIS用于自然资源调查与管理在资源调查中 提供区域多条件下的资源统计和数据快速再现 为资源的合理利用 开发和科学管理提供依据 可应用于不同层次和不同领域的资源调查与管理 例农业资源 林业资源 渔业资源 3 GIS用于监测 预测借助于遥感 RS 和航测等数据 利用GIS对森林火灾 洪水灾情 环境污染等进行监视 例如 1998年长江流域发生特大洪水灾害期间 制作洪水淹没动态变化趋势影像图 为管理部门提供了有效的决策依据 利用数字统计方法 通过定量分析进行预测 如加拿大金矿带的调查 分析不宜再行开采的存在储量危机的矿山 优选出新的开采矿区 并作出了综合预测图 4 GIS用于城市 区域规划和地籍管理GIS技术能进行多要素的分析和管理 可以实施城市和区域的多目标开发和规划 包括总体规划 建设用地适宜性评价 环境质量评价 道路交通规划 公共设施配置等 城市和区域规划研究 研究城市地理信息系统的标准化 城市与区域动态扩展过程中的数据实时获取 城市空间结构的真三维显示 数字城市等 地籍管理 土地调查 登记 统计 评价和使用 5 GIS的军事应用反映战场地理环境的空间结构 完成态势图标绘 选择进攻路线 合理配置兵力 选择最佳瞄准点和打击核心 分析爆炸等级 范围 破坏程度 射击诸元等 例海湾战争中 美国利用GIS模拟部队和车辆机动性 估算了化学武器扩散范围 模拟烟雾遮蔽战场的效果 提供水源探测所需点位 评定地形对武器性能的影响 为军事行动提供决策依据 美国陆军测绘工程中心还在工作站上建立了GIS和RS的集成系统 及时地 不超过4小时 将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上 数据直接送到前线指挥部和五角大楼 为军事决策提供24小时服务 科索沃战争中 利用3S高度集成技术 使打击目标更精准有效 6 GIS用于辅助决策7 其他GIS还在金融业 保险业 公共事业 社会治安 运输导航 考古 医疗救护等领域得到了广泛的应用 GIS的应用领域 基于地理信息系统的滑坡风险评价示例 滑坡分析及评价结果 滑坡分布信息 水土保持管理信息系统 坡度信息 土地利用信息 坡向信息 植被覆盖信息 地形信息 产出分布 GIS在农业中的应用 农作物估产 地形估计 肥料用量估计 全球植被分布NOAA AVHRR绿色为植被 沙漠为棕黄色 水为蓝色 海洋渔业GIS 研制海洋渔业GIS基础软件建设海洋渔业综合数据库开发海洋渔业模型库系统 海洋渔业地理信息系统总体构成图 技术层TechnologicLevel 支撑层SupportLevel 用户层UserLevel 盐度分布 温度分布 海底地貌 渔捞数据 东海鱼类资源状况及变动分析 城市交通GIS 目的是建立广泛的实时数字交通信息用户服务体系 使交通流处于最佳状态 公众能够高效地使用公路交通设施和能源 北京市车辆智能导航系统数字地图 时间最短路径算法运行结果 北京高速公路地理信息系统 基于Web的GPS车辆监控系统 最短路径分析 车辆轨迹实时监控 车辆监控与轨迹回放参数设置 司机信息查询界面 车辆状态控制 短信发送 返回信息发送结果 能够快速地进行海量地图的浏览显示突破传统网络系统的功能局限 实现网上最短与最佳路径分析WebGIS技术与短信服务技术无缝集成 实现车辆的实时监控与跟踪提供远程数据库修改 更新功能 可以快速获取最新信息 GIS在土地管理中应用 GIS在城市规划管理中的应用 数字深圳 西气东输选线 局部观察 规划管理信息系统 资源与环境网络服务系统 国土房管局办公信息系统 GIS在旅游中的应用 旅游信息系统 电信资源管理 铁路地理信息系统 公安警用地理信息系统 属性查询 位置查询 专题图 作战指挥 地图切换 医疗机构信息询 GIS应用 军事 防汛指挥决策支持系统 模拟四种蓄水高程时的库区景观 倒影方式 库区虚拟现实模型 卫生部SARS疫情发布系统 国家广播电视光缆传输干线网地理 大众化应用Go2map 北大周边公交车站 无线设备应用 1 6GIS分类 专题地理信息系统 ThematicGIS 区域地理信息系统 RegionalGIS 地理信息系统工具 GISTools 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 专题地理信息系统 SubjectGIS 具有有限目标和专业特点的地理信息系统 为特定的专门的目的服务 如水资源管理信息系统 矿产资源信息系统 农作物估产信息系统 草场资源管理信息系统 水土流失信息系统 环境管理信息系统等 区域地理信息系统 RegionalGIS 主要以区域综合研究和全面信息服务为目标 如国家级 地区级 市级或县级等 地理信息系统工具 GIS Tools 它是一组具有图形图像数字化 存储管理 查询检索 分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包 主要GIS商用软件 ArcGIS软件 空间数据的互操作 MapInfo软件 MapGIS软件 GoogleEarth 1 7GIS的发展历史与未来趋势 地理信息系统发展简史地理信息系统的发展趋势理论发展趋势技术发展趋势应用趋势 地理信息系统的挑战 孤立的 各自为政的部门专有的数据 程式化的编程语言昂贵的软硬件平台工具使用的艰难 地理信息系统的发展趋势 向非GIS用户发送空间数据GIS走向网络化提供快速的数据接入维护准确的 无缝连接的实时数据GIS GPS RS一体化方便地在更大的信息系统中集成空间信息GIS工程化 理论发展趋势 地理空间信息认知研究 地理空间数据规范标准及集成 数据仓库 数字地球战略 网络服务 信息共享 地学信息图谱 地球信息机理 GIS理论的发展必须借助其它理论的进展 GIS新技术 数据仓库 对地观测技术 GIS新技术 网络技术 分布式技术 数据挖掘 海量数据存储和压缩技术 面向对象技术 第四代GIS技术 支持 数字地球 或 数字城市 概念的实现 从二维向多维发展 从静态数据处理向动态发展 具有时序数据处理能力 基于网络的分布式