地理信息系统及其应用.ppt

三地理信息系统及其应用 3 1地理信息系统概述3 2GIS的数据组织管理3 3GIS的基本功能3 4GIS软件平台简介3 5GIS的发展趋势3 6GIS在精细农业中的应用 3 1地理信息系统概述 3 1 1地理信息与地理信息系统地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息 它表示地球表层物体及环境所固有的数量 质量 分布特征 相互联系和变化规律 地理信息系统 GeographicInformationSystem或Geo informationSystem GIS 有时又称作 地学信息系统 或 资源与环境信息系统 它是计算机软 硬件系统支持下 对整个或部分地球表层 包括大气层 空间中的有关地理分布数据进行采集 储存 管理 运算 分析 显示和描述的技术系统 3 1 2GIS的特征及分类一 GIS的特征与一般的管理信息系统相比 GIS具有如下特征 具有采集 管理 分析和输出多种地理空间信息的能力 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 由计算机系统支持进行空间地理数据管理 使其能够快速 精确 综合的对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析二 GIS分类地理信息系统常常又被分为以下三种 专题地理信息系统 区域地理信息系统 通用地理信息系统工具软件系统 3 1 3GIS的组成一个典型的地理信息系统应包括三个基本部分 计算机系统 硬件 软件 地理数据库系统 应用人员与组织机构 Geographicinformationsystems 1计算机系统计算机系统又可分为硬件系统 软件系统 地理信息系统的硬件部分包括执行程序的中央处理器 保存数据和程序的存储设备 用于数据输入 如数字化仪等数字化设备 显示和输出的外围设备 如绘图仪 显示器 磁带机等 地理信息系统的软件系统由核心软件和应用软件组成 其中核心软件包括数据处理 管理 地图显示和空间分析等部分 通常包括了以下5个基本模块 Dataentryandprocessingmodule Datastorageandmanagement Dataanalysisanddataquery Datashowsandoutput Theuserinterface2地理数据库系统地理信息系统的地理数据分几何数据和属性数据 他们的数据表达可以采用栅格和矢量两种形式 几何数据表现了地理空间实体的位置 大小 形状 方向以及拓扑几何关系 地理数据库系统由数据库实体和地理数据库管理系统组成 地理数据库管理系统主要用于数据维护 操作和查询检索 地理数据库是地理信息系统应用项目重要的资源与基础 他的建立和维护是一项非常复杂的工作 涉及到许多步骤 需要很高的技术和经验 投入大量人力及开发资金 是地理信息系统应用项目开展的瓶颈技术之一 3地理信息系统的应用人员和组织机构对于合格的系统设计 运行和使用 地理信息系统专业人员是地理信息系统应用成功的关键 而强有力的组织是系统顺利运行的保障 一个周密规划的地理信息系统项目应包括负责系统设计和执行的项目经理 信息管理的技术人员 系统用户化的应用工程师以及最终运行系统的用户 缺乏合格地理信息系统专业人员是当今地理信息系统技术应用中最为突出的问题之一 3 2GIS的数据组织管理 数据是GIS的 血液 没有数据的GIS是没有生命力的 在GIS中 数据既有空间位置及图形信息 也有与之相对应的属性信息 GIS数据的特点就是数据源多 数据量大 同时系统对数据的要求也高 所以数据是GIS中最重要的部分 3 2 1GIS的空间数据表示数据结构是指数据记录的编码格式及数据间的关系的描述 不同类型的数据 只有按照一定的数据结构进行组织 并将它映射到计算机存储器中去 才能进行存储 检索 处理和分析 在地理信息系统中 地理空间数据常用的数据结构有两种 栅格 Raster 数据结构和矢量 Vector 数据结构 3 2 1 1栅格数据栅格数据结构由像元阵列构成 每个像元用网格单元的行和列来确定 空间实体的栅格 矢量数据结构表示 它的位置 常用于表示地质 气候 土地利用或地形等面状要素 任何面状的对象 如土地利用 土壤类型 地势起伏 环境污染等 都可以用栅格数据来表示 栅格数据的获取方法比较简单 即在专题地图上均匀地划分网格 相当于将一透明的方格纸覆盖在地图上 网格的尺寸大小依要求设定 根据单位网格交点归属法 中心点法 单位网格面积占优法 长度占优法 重要性法等方法 直接获取相应的栅格数据 这类方法称为手工栅格数据编码法 它适用于区域范围不大或栅格单元的尺寸较大的情况 但是当区域范围较大或者栅格单元的分辨率较高时 需要采用数据类型转换方法 即由矢量数据向栅格数据作自动转换 3 2 1 2矢量数据矢量数据结构使另一种最常见的图形数据结构 地理实体用一系列x y坐标来确定它们的位置 矢量数据坐标空间假定为连续空间 不像栅格数据结构那样需要进行量化处理 因此 能更精确地定义位置 长度和大小 即通过记录坐标的方式 尽可能地将点 线 面等地理实体表现得精确无误 3 2 1 3两种数据结构的比较 转换 栅格结构和矢量结构比较 空间数据的栅格数据结构和矢量数据结构是模拟地理信息的截然不同的两种方法 它们有各自的优点和局限性 两种数据结构的比较如下 从上述比较可以了解到栅格数据结构和矢量数据结构的适用范围 对于一个与遥感相结合的地理信息系统来说 栅格数据结构是必不可少的 因为遥感影像以像元为单位 可以直接将原始数据或经过处理的影像数据纳入栅格结构的地理信息系统 而对于地图数字化 拓扑检测 矢量绘图等 矢量数据结构又是必不可少的 时间证明 栅格结构和矢量结构在表示空间数据上可以是同样有效的 栅格数据结构和矢量数据结构的相互转换矢量结构与栅格结构的相互转换 一直是地理信息系统的技术难题之一 这主要是由于转换程序通常占用较多的内存 涉及复杂的数值运算 而难以在实用系统特别是微机地理信息系统中被采用 近年来已发展了许多高效的转换算法 适用于不同的环境 优点栅格数据结构 1 数据结构简单 2 空间数据的叠置和组合十分方便 3 各类空间分析都很易于进行 4 数学模拟方便 5 技术开发费用低 矢量数据结构 1 表示地理数据的精度较高 2 严密的数据结构 数据量小 3 用网络连接法能完整地描述拓扑关系 4 图形输出精确美观 5 图形数据和属性数据的恢复 更新 综合都能实现 缺点栅格数据结构 1 图形数据量大 2 用大像元减少数据量时 可识别的现象结构将损失大量信息 3 地图输出不精美 4 难以建立网络连接关系 5 投影变换花的时间多 矢量数据结构 1 数据结构复杂 2 矢量多边形地图或多边形网很难用叠置方法与栅格图进行组合 3 显示和绘图费用高 特别是高质量绘图 彩色绘图和晕线图等 4 数学模拟比较困难 5 技术复杂 多边形内的空间分析不容易实现 矢量格式向栅格格式转换A内部点扩散算法B复数积分算法C射线算法D扫描算法E边界代数算法 栅格格式向矢量格式转换栅格格式向矢量格式转换通常包括以下四个基本步骤 A多边形边界提取B边界线追踪C拓扑关系生成D去除多余点及曲线圆滑 3 2 1 4空间数据组织与编码 空间数据的组织我们通过设计分类方案来理解和描述一个现实世界的复杂关系 分类是以所要描述实体的共同特征为基础进行的 它能够帮助我们组织数据以建立观察世界的数据模型 而通过对这一数据模型实施数据编码 则能够将我们对现实世界的观察模型转换成地理信息系统可以接收的数据编码模型 空间特征数据的表达方式包括各种数据结构 并表现为点 线 面等各种图形符号信息 属性特征数据的表达方式包括基于地理特征 包括空间特征和属性特征 的多种分类关系的表格 地理信息系统正是通过建立空间特征数据的图形符号表达与属性特征数据的表格表达之间的联系 才具备了强大的空间分析能力 一个空间特征可以具有多个属性特征的描述 多边形拓扑关系表与多边形属性表之间的联系 2 空间数据的编码地理信息系统中的实体 对象 一般包括三种基本信息 语义信息 量度信息和关系结构信息 语义信息表明实体的类型 量度信息用于描述实体的形状和位置等几何属性 关系结构信息用于描述一个实体与其它实体的联系 而空间数据的编码则主要是指语义信息的数据化 它是建立在地理特征的分类及其等级组织基础之上的空间信息数据编码 3 2 2GIS的数据组织管理3 2 2 1GIS数据的地理基础 地理数据包含空间位置和坐标信息 所以其数据表示和规范是非常重要的 GIS数据的地理基础就是统一的地图投影系统 统一的地理网格坐标系统和统一的地理编码系统 3 3GIS的基本功能GIS数据的来源大致包括基础制图数据 自然资源数据 数字高程数据 调查统计数据 实地勘察数据和已有系统数据 数据获取的方法有数字化仪输入 扫描输入 键盘输入或直接从其他产生数字化信息的设备输入 比如数字卫星影像等等 3 3 1数据的输入 图形数据的输入 手工键盘输入A手工键盘输入矢量数据B手工键盘输入栅格数据 手扶跟踪数字化仪输入 自动扫描输入 解析测图仪法空间数据输入 已有数字形式空间数据的输入 属性数据的输入属性数据即空间实体的特征数据 属性数据一般采用键盘输入 GIS数据的编辑数据编辑的目的在于消除数据输人过程中引入的错误或误差 3 3 2GIS数据组织管理 1 数据格式的转换对于矢量数据来说 不同系统有不同的数据格式 如Maplnfo系统采用Maplnfo格式 ARC INFO系统采用ARC INFO格式 为了实现数据共享 要求GIS能把其他系统的格式转换为本系统适用的数据格式 2 空间数据与属性数据的连接空间和属性数据连接的较好方法是利用专用程序自动地把属性数据与空间实体数据连接起来 此时 只要求空间实体带有唯一的标识符即可 标识符可以用手工输人 也可以由程序自动生成并与图形实体的坐标存储在一起 3 GIS数据管理 GIS数据库管理系统模型 GIS数据管理就是按照一定的数据模型对GIS的数据进行合理的组织 以高效地实现系统的应用要求 GIS数据库管理系统模型主要包括三种 混合数据模型 图3 9a 集成数据模型 图3 9b 和面向对象数据模型 图3 9c 3 3 3GIS数据更新许多地理数据会随着时间的变迁而发生变化 为了保持GIS中数据的时效性 应对GIS数据进行更新 即修改陈旧数据用新数据代替或补充 此时 必须进行多方面的调查与分析 了解现存于数据库中哪些空间数据发生了变化 变化程度多大 以确定更新的方法 空间实体更新的方法是 若变化程度不大 例直接使用图形编辑的方法进行 若变化区域面积大 则采用下列方法和步骤 如图3 10所示 l 重新数字化已经变化区域的空间实体 2 用新数据代替陈旧数据 空间实体数据的更新 3 4GIS软件平台介绍 GIS这一术语只是GIS软件的同意词 GISWORLD公司的GIS产业调查表明 在80年代末90年代初每年都有许多新的公司投人GIS产业的发展 目前 GIS技术已被广泛地用于环境保护 自然灾害 如震灾 水灾与火灾 的监测与预报 城市及交通规划 上地利用与土壤沙漠化 城市抗震防灾规划等领域 3 4 1MapInfoProfessional软件MapInfoProfessional的基本功能 MapInfoProfessional界面 Usingexistingdatamap managementoftheMapInfotable Drawandeditmaps Chooseandquerydata Createspecialmap Bufferanalysis Mapissued OtherfunctionsofMapInfoProfessional 3 4 2ArcView软件一 ArcView概况ArcViewGIS以项目 project 为一个基本应用单元 它由多种文挡 document 组成 这些文挡分别是 View 地图显示 信息查询 空间分析 Table 关系数据库管理 Chart 生成统计图形 Layout 设计输出图形组合 供输出打印 Script 面向对象的程序设计 开发 调试工具 ArcView界面 二 ArcView基本功能 项目视图 Datamodel Graphicsoperationandinformationquery Projectiontransformation Hotlink 项目数据管理 Datasources Function 统计图形 地图版面设计 脚本语言 object oriented Structurecomplete Communicationfunctionstrong SupportDLL Openstrong Portabilitystrong 三 ArcView扩展功能 ArcViewSpatialAnalyst ArcViewNetworkAnalyst ArcView3D分析 ArcView3DAnalyst Otherextensionmodule3 4 3其他GIS软件平台目前 全世界已有四百多种商业GIS软件 这些软件的侧重点都各有不同 如以加拿大地理信息系统CGIS 美国NASA国家空间实验室的ELAS信息系统 美国喷气推动实验室的VICAR fBIS遥感影像处理系统 日本国土信电系统和中国科学院地理所资源与环境信息系统实验室 北京大学计算机系 中国林业科学研究院资源信息研究所 中国科技大学无线电系 共同完成的三北防护林地区资源与环境信息系统等为代表的一批优秀的专用GIS系统相继投人使用 提高了用户处理事务的效率 初步展现了GIS系统在管理和分析空间数据方面的能力 3 5GIS的发展趋势 GIS GPS RS技术结合通常被称作3S技术 或3S集成 是指将RS 遥感 GPS 全球定位系统 以及多种地面测量资料和调查资料作为数据来源和快速准确的数据更新手段 将GIS 地理信息系统 作为一种搜集 管理和分析这些空间数据的灵活 高效 具有交互性和可视性的环境与平台 一 空间数据结构与数据管理技术的发展二 GIS已成为建立数字地球的关键性技术 Digitalearthframework 三 地理信息系统将成为物联网的关键基础支撑系统四 GIS的网络化技术迅速发展 WebGIS系统的概念是Internet技术应用于GIS领域的产物 基于Internet的WebGIS具有以下几个方面的特点 Thedevelopmentandapplicationoflowcostofmanagement Therealinformationsharing Theexpansionofthehugespace Cross platformcharacteristics 五 GIS基础理论研究及其科学体系的建立六 GIS产业化发展势头强劲 3 6GIS在精细农业中的应用 3 6 1概述目前地理信息系统已经进入了新的发展阶段 成为一种包括硬