第一章 导 论.ppt

地理信息系统Geographicinformationsystems GIS 李晓峰xfengli 交通运输学院信息系轨道交通控制与安全国家重点实验室 主要目标 通过本课程的学习 全面了解并掌握地理信息系统的基本概念与基本原理 空间数据的采集与处理方法 空间数据库的基本建库方法 常用的空间分析技术 以及开发地理信息系统应用软件的基本思路和方法 培养学生从时间和空间的角度来思考 分析 解决问题的能力 在计算机学科与交通运输学科之间建立一座新的桥梁 为学生将来从事交通运输规划 设计 建设 运营 管理等实际工作或研究工作提供一个重要工具 教材 黄杏元 马劲松编著 地理信息系统概论 第三版 高等教育出版社参考资料 Kang tsungChang 陈健飞译 地理信息系统导论 第五版 科学出版社宋小冬等著 GIS及其在城市规划与管理中的应用 科学出版社陈述彭编著 地理信息系统导论 科学出版社邬伦等编著 地理信息系统 科学出版社陈俊等编著 实用地理信息系统 科学出版社龚健雅 地理信息系统基础 科学出版社 地理信息系统在当今科学中的位置 2004年8月起 地理信息系统与纳米技术 生物技术一起 被美国劳工部列为最重要的三大新兴领域 目前 地理信息系统已经广泛的应用在我们身边 第一章GIS导论 地图与空间信息 地图是人类活动无法离开的工具 当今面临世界的最主要的挑战是 人口过多 环境污染 森林破坏 自然疾病等 这些问题都与地理因素有极强的关联 不论是从事一种新的职业 还是寻找生长香蕉的最合适的土壤 或是为救护车计算最佳的行车路线 这些局部问题也都有地理因素 据美国有关部门统计 人们日常所接触到的数据80 以上与地理属性有关 对有些特殊的部门 例如铁路 公路 环保 市政等等 其办公数据的空间属性更强 例 铁路系统办公数据具有很强的空间特性 根据对目前我国铁路部门常用MIS系统数据结构的初步分析 约90 以上的数据记录含有 起点里程 终点里程 中心里程 设置处所 等等具有空间位置属性的字段 桥梁数据库 坡度数据库 曲线数据库 另外 人们从一幅图上所获得的信息可能是上千条语句所表达不出的 这种客观事物所普遍具有的空间分布特性以及地理图件表达信息的高效性与可视性 决定了现代办公系统将越来越多地要求具备存储和处理地理空间数据的能力 如果缺乏空间模型的构建 诸如城市规划建设管理办公系统 交通运输管理系统等涉及大量空间数据的 系统的设计与建立几乎是不可能的 传统的地图制作和管理方法已无法适应当前迅速变化的人类社会活动和经济活动的需求 传统上 人们首先制作通用的或标准的地图 一般多为地形图 来供各行各业使用 但通用地形图往往不够用 例如在农业规划方面 除地形外 还要地表植被 地下水 土壤成分的分布情况 在公共卫生方面 不同疾病在不同地区的发生率 死亡率常常和生活习惯 居住条件 自然环境有密切的关系 在公共安全方面 事故 犯罪在地理上的分布是救援 防范的重要依据 诸如此类 都要对一些特定事物在空间上的分布情况进行描述 分析 并把信息储存起来重复利用 为此 通常的解决办法是制作专题地图 专题地图很难或无法标准化 通用化 事先还需要大量的准备工作 如作土壤 岩石的分类图必须先对很多指标作分类统计 绘制城市规划用的人口密度图必须分别在地图上量算面积和查阅人口统计资料 这些工作费时费力 稍有不慎还要返工 另外靠一两张专题地图来分析空间事物还是不够 人们还要进一步从专题地图上获取信息 如工程建设中的土方量估计 需要在等高线地图上量算各种设计方案的填挖方位置和数量 因此 以纸片或胶片为媒介的专题地图有很大的局限 主要原因有 原始数据必须简化 分类后才便于表达 理解 但很多有用的信息在分类中被丢失 为了减少信息丢失 必须绘得非常细致 精确 这就导致工作量很大 制作复杂 而过分精细反而不便于观察 精确而复杂的地图不得不分成一张张 一幅幅 同时要观察几张 几幅时 很不方便 而且不连续 分类完毕后 若要换一种方式重新分类 又得从头做起 在图上查找 检索 量算很不方便 误差大 要加入新的信息 或要建立起不同专题地图之间的联系非常困难 计算机科学的迅速发展催产了GIS的诞生地理学数学与统计学计算机图形学计算机地图制图航空摄影测量与遥感 GIS数字图象处理数据库管理系统 GIS的相关学科 地理学 GIS 遥感技术 摄影测量学 数学和统计学 制图技术 计算机科学 专家系统 计算机图形学 计算机辅助设计 数据库技术 软件工程 课程大纲 第一章地理信息系统概论第二章地理信息系统的数据结构第三章空间数据处理第四章地理信息系统空间数据库第五章空间数据分析的原理与方法第六章地理信息系统的应用模型第七章地理信息系统应用软件的设计与评价第八章常用GIS平台软件介绍 第一章地理信息系统概论 第一节地理信息系统基本概念第二节地理信息系统的基本构成第三节地理信息系统的功能简介第四节地理信息系统的发展概况 第一节地理信息系统基本概念 数据与信息数据 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 视觉数据等信息 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 以一定规则组织在一起的事实的集合 两者在词义上的差别 数据是信息的表达 信息则是数据的内容 数据是客观对象的表示 只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息 信息是当代社会发展的一项重要任务 数据与信息 一切信息都可图形化 信息和数据的关系 信息 数据 说明数据是信息的载体 数据处理与解释 数据处理是指对数据进行收集 筛选 归并 转换 存储 检索 计算以及分析 模拟和预测等操作 数据处理的目的是 1 把数据转化为便于观察 分析 传输或进一步处理的形式 2 把数据加工成对正确的管理和决策有用的的数据 3 把数据编辑后存储起来 以供后用 信息的特点 1 信息的客观性2 信息的实用性3 信息的传输型4 信息的共享性 信息系统 信息系统是具有数据采集 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 一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件 软件 数据和用户四大要素 信息系统分类 Cont 事务处理系统 TransactionProcessSystem 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 ManagementInformationSystem 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 DecisionSupportSystem 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 人工智能和专家系统专家系统 ExpertSystem ES 能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统 空间和地理空间 Space从数学 物理学 哲学 认知心理学可以有不同的定义地理空间一般指上至大气电离层 下至地壳与地幔交界的莫霍面之间的空间区域 地理信息是指表征地理圈或地理空间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 图像和图形等的总称 地理信息属于空间信息 它具有空间特征 属性特征和时序特征 它是对地理数据的解释 地理信息的最主要的特点 所有的信息都具有地理位置参照人类社会中80 的信息具有空间特性 地理信息 地理信息系统 GIS 是什么 空间数据 属性数据 空间数据和属性数据的综合体 能让你轻易找到工业园5公里内和20年以上年轮属性的所有桥梁 GIS是 G IS 地理信息系统 简称GIS GIS是跨越地球科学 信息科学和空间科学的应用基础学科 它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题 如空间对象表达与建模 空间关系及推理机制 空间信息的控制基准 空间信息的认知与分析 GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化 空间信息的政策与标准等 GIS的操作对象是空间数据 空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码 并实现对其定位 定性 定量和拓扑关系的描述 由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达 独特的时空分析能力 强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等 GIS是管理和分析空间数据的应用工程技术 该工程技术系统由若干个子系统组成 GIS为地理学解决复杂的规划与管理问题提供了有效的手段 而地理学则为GIS提供了重要的基础理论依托 GIS的科学定义 地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术 又是跨越地球科学 信息科学和空间科学的应用基础学科 其技术系统由计算机硬件 软件和相关的方法过程所组成 用以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 例 森林管理 救急车辆路径分析 移动电话通信网络设计 城市管理 道路设计和提供饥荒救助等等 地理信息系统特点 地理信息系统是一种决策支持系统 它具有信息系统的各种特点 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 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 总结 GIS系统是将描述 在什么地方 的信息与描述 这是什么 的信息相链接的制图软件 与画在纸上的地图不同 GIS是 所见即所得 的 一个GIS地图关联许多不同的层信息 GIS分类 1 根据研究范围 全球系统 区域系统和国家系统 2 根据研究内容 专题系统和混合系统 3 根据使用的数据类型 矢量系统 栅格系统 矢栅混合系统 GIS分类体系 缺少地理信息系统中的空间分析功能 第二节GIS的基本构成 地理信息系统是一个计算机系统一个实用的地理信息系统 要支持对空间数据的采集 管理 处理 分析 建模和显示 因此一个实用的GIS系统有系统硬件 系统软件 空间数据 应用模型 应用人员五部分构成 GIS 地理信息系统构成示意图 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 地理数据库 用户 输入设备 专用设备 常规设备 处理设备 工作站 服务器 第二节GIS的基本构成 系统硬件由数据处理设备 数据输入设备 数据输出设备等构成 用于存储 处理 传输和显示空间数据 数据处理设备 图形工作站 个人计算机 客户机 服务器系统 c s 数据输入设备 图形手扶跟踪数字化仪 大幅面图形扫描仪 数字测试设备 数据输出设备 绘图仪 显示器等 系统软件GIS功能软件可分为基础软件平台和应用软件两类诸如ESRI公司的ArcGIS Mapinfo的Mapinfo等软件平台 具有GIS专业功能 包含了处理分析地理数据的各种基本功能 可作为其他GIS应用软件系统建设平台 基础软件平台功能 空间数据的输入与编辑 空间数据管理 空间数据处理与分析 空间数据的输出 图形用户界面以及系统二次开发 GIS应用软件是利用GIS基础软件平台上提供的GIS数据处理与分析功能开发的应用软件 目前GIS通常采用在商用关系型数据库系统中存储空间按数据 如ESRI公司的SDE GIS基础支撑软件包含诸如C 运行的库和编译系统和数据库系统提供复杂空间数据的存储和管理功能的数据库软件 Oracle等 操作系统软件 空间数据 GIS的操作对象是地理数据 它具体描述地理现象的空间特征 属性特征和时间特征 空间特征是指地理现象的空间位置及其相互关系 其数据称为空间数据 属性特征表示地理现象的名称 类型和数量等 其数据称为属性数据 时间特征指地理现象随时间而发生变化 其数据称为时态数据 数据是GIS的核心问题 地理信息系统的一个重要部分就是数据 数据类型 在开发一个特定的GIS时 要根据应用需求确定对各类数据的要求 数据获取 随着GIS产业化的深入发展 越来越多的数据资料被不同数据生产部门数字化 数据质量 数据质量是指数据适用于不同应用的能力 地理数据的种类 应用模型 地理信息系统应用模型是为某一特定的实际工作而建立的运用地理信息系统的解决方案 虽然地理信息系统为解决各种地理相关的问题提供了有效的基本工具 但对于某一特定的应用目的 必须通过构建相应专业的的应用模型才能达到目标 如土地利用适宜性评价模型 场站选址模型 洪水预测模型 人口扩散模型 森林增长模型 水土流失模型 最优化模型等 应用模型是地理信息系统技术产生社会效益的关键所在 在地理信息系统技术中占十分重要的地位 应用人员开发人员和最终用户 GIS基本构成的结构图 第三节GIS的功能简介 基本功能数据采集与编辑 数据存储与管理 数据处理和变换 空间分析和统计 产品制作与显示 二次开发和编程 应用功能资源管理 区域规划 国土监测 辅助决策 定位服务 第三节GIS的功能简介 GIS最基本的功能是将分散收集到的各种空间 属性信息输入到计算机中 建立起有相互联系的数据库 当外界情况变化时 只要更改局部的数据 就可维持数据库的有效性和现势性 将数据储存到计算机中的目的是分析和输出 查询 分类是GIS最简单也是最常用的分析功能 更高级一些 GIS可从空间位置的相互关系上进行综合分析 例 人们可以将道路网定义为一组线 某个区域定义为一个面 把线的有关数据和面叠合到一起时 面内的每公顷路网长度 总的交通流量 进入或出去的交通流量等 均可用文字报告的形式输出 定义一条道路的中心线和规划红线宽度 并和房屋空间数据叠合 可得到在红线范围内有多少房屋可能拆除 大致有多少居民要动迁等等 对于不规则的地形 可在地图上 或实测 获得一些关键点的坐标和标高 然后推算出整个区域大致的三维地形表面 绘出等高线图 三维网状地面透视图等 这一方法可用于水电站的坝高 坝址的选择 对水库容量 淹没范围 迁移人口进行估算 如果将地形标高换成环保监测数据 就可得出一定范围内大气污染 噪声的等值线图 以及对居民 生态的影响等等 三维地形显示 综上所述 对空间信息及其相关的属性信息的处理是GIS的基本功能空间信息的查询和分析是GIS和其他数据处理系统的主要区别 迅速 及时地更新数据库 大规模 综合性地管理与地理分布有关的信息是计算机方式和手工方式的根本区别 一个实用性的地理信息系统必须和实际应用结合到一起 有明确的目的和服务对象 必须生长在它所处的机构与组织环境之中 建立起自身的管理 维护体系 从使用者的角度看 GIS只是辅助管理 辅助决策的一种工具 开发人员只有准确理解用户的需求 然后把用户各种需求编制成符合用户使用习惯的应用软件模块 再把这些模块完美地集成在GIS平台之上 才能真正发挥GIS的作用 逐步推进GIS技术的普及和发展 选址 人口调查 风险分析 格网分析 线路规划 路径选择 土地利用 邻域分析 GIS的应用领域 地理逻辑绘图 绘图机构 地质测绘 环保机构 地方政府 人口局 税务部门 旅游服务业 公用事业公司 企业 教育 交通运输部门 GIS用户主要分布的行业 空间基础数据建设部门 勘测测绘 遥感等城市市政管理部门 规划 土地 房地产 市政水电气能源部门 石油 天然气 地质自然利用 农林 水利 环保公众服务部门 公安 消防 紧急救援金融服务部门 银行 保险社会经济部门 统计局 信息中心交通部门 铁路 公路 航空 水运 第四节GIS的发展概况 发展概况发展简史 发展态势 GIS已成为一门综合性技术 GIS产业化的发展势头强劲 GIS网络化已构成当今社会的热点 地理信息科学 geoinformatics 的产生和发展 基础理论地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科 因此它明显的体现出多学科交叉的特征 这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系 各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究 如美国国家自然科学基金委员会 NSF 支持成立了国家地理信息与分析中心 NCGIA 等 研究重点包括空间关系 空间数据模型 空间认知 空间推理 地理信息机理和地理信息不确定性等 应用发展过程 GIS 地理信息系统 GeographicInformationSystem 是六十年代中后期兴起的 一种在计算机硬 软设备支持下 实现地理空间数据输入 存储 管理 检索 处理和综合分析的技术系统 它是计算机技术与地球科学相结合的产物 经过近四十年的发展 目前已从信息存储 数据库建立 查询检索 统计分析和自动制图等基本功能的实现 转向建立多功能 多目标 多层次的专业化分析评价模型 实现智能化的专家系统和空间决策支持系统 随着技术的成熟和应用模式的扩展 已在发达国家形成一项大规模的信息产业 目前正在急剧发展之中 今天 GIS已是一个全球拥有数十万从业人员和数十亿美元的产业 GIS已在发达国家的中学 学院 大学里被讲授 在每个领域里的专家不断地意识到按地理的观点来思考和工作所带来的优越性 60年代为地理信息系统开拓期 注重于空间数据的地学处理 1963年加拿大测量学家R FTomlinson首先提出了地理信息系统这一术语 并建成世界上第一个GIS 加拿大地理信息系统CGIS 并用于自然资源的管理和规划 不久 美国哈佛大学提出了较完整的基于栅格系统的系统软件SYMAP 这可算是GIS的起步 综合来看 初期地理信息系统发展的动力来自于诸多方面 如学术探讨 新技术的应用 大量空间数据处理的生产需求等 对于这个时期地理信息系统的发展来说 专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用 并且大多地理信息系统工作限于政府及大学的范畴 国际交往甚少 R FTomlinson 罗杰 汤姆森 1996年地理信息系统世界终生成就奖获得者 70年代为地理信息系统的巩固发展期 注重于空间地理信息的管理 地理信息系统的真正发展应是70年代的事情 这种发展应归结于以下几方面的原因 一是资源开发 利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难 而这些都需要一种能有效地分析 处理空间信息的技术 方法与系统 二是计算机技术迅速发展 数据处理加快 内存容量增大 超小型 多用户系统的出现 尤其是计算机硬件价格下降 使得政府部门 学校以及科研机构 私营公司也能够配置计算机系统 在软件方面 第一套利用关系数据库管理系统的软件问世 新型的地理信息系统软件不断出现 据IGU调查 70年代就有80多个地理信息系统软件 第三 专业化人才不断增加 许多大学开始提供地理信息系统培训 一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信息系统工作 如美国环境系统研究所 ESRI 成立于1969年 这个时期地理信息系统发展的总体特点是 地理信息系统在继承60年代技术基础之上 充分利用了新的计算机技术 但系统的数据分析能力仍然很弱 在地理信息系统技术方面未有新的突破 系统的应用与开发多限于某个机构 专家个人的影响削弱 而政府影响增强 80年代为地理信息系统大发展时期 注重于空间决策支持分析 地理信息系统的应用领域迅速扩大 从资源管理 环境规划到应急反应 从商业服务区域划分到政治选举分区等 涉及到了许多的学科与领域 如古人类学 景观生态规划 森林管理 土木工程以及计算机科学等 许多国家制定了本国的地理信息发展规划 启动了若干科研项目 建立了一些政府性 学术性机构 如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室 美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心 NCGIA 英国于1987年成立了地理信息协会 同时 商业性的咨询公司 软件制造商大量涌现 并提供系列专业性服务 这个时期地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场 90年代为地理信息系统的用户时代 一方面 地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统 尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式 设置与工作计划等 另一方面 社会对地理信息系统认识普遍提高 需求大幅度增加 从而导致地理信息系统应用的扩大与深化 国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题 例如地理信息系统已列入美国政府制定的 信息高速公路 计划 数字地球 战略 毫无疑问 地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统 21世纪 地理信息正在开始走进千家万户 逐步进入地理信息系统应用的普及阶段 地理信息系统与互联网的结合 网络GIS地理信息系统与GPS 电信的结合 移动GIS GIS GeographicInformationSystem 地理信息系统 GIS GeographicInformationScience 地理信息科学 GIS GeographicInformationService 地理信息服务 我国GIS的发展我国GIS的发展虽然较晚 经历了四个阶段 起步 1970 1980 准备 1980 1985 发展 1985 1995 产业化 1996以后 阶段 GIS已在许多部门和领域得到应用 并引起了政府部门的高度重视 从应用方面看 地理信息系统已在资源开发 环境保护 城市规划建设 土地管理 农作物调查与结产 交通 能源 通讯 地图测绘 林业 房地产开发 自然灾害的监测与评估 金融 保险 石油与天然气 军事 犯罪分析 运输与导航 110报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用 一批地理信息系统软件已研制开发成功 如GeoSTAR CityStar MapGIS SuperMap等 一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科 一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立 此外 还成立了 中国GIS协会 和 中国GPS技术应用协会 等 我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始 以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志 在几年的起步发展阶段中 我国地理信息系统在理论探索 硬件配制 软件研制 规范制订 区域试验研究 局部系统建立 初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步 积累了经验 为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础 陈述彭院士 中国GIS事业创始人 地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划开始 地理信息系统研究作为政府行为 正式列入国家科技攻关计划 开始了有计划 有组织 有目标的科学研究 应用实验