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陈雪龙chenxl dg 大连理工大学管理科学与工程学院信息与决策技术研究所 地理信息系统概论 教学大纲简介 课程特点和基本要求教学内容考核方式参考书目与主要网站 课程特点与基本要求 课程特点GIS是一门典型的交叉性学科GIS是一门实践性很强的学科GIS是一门迅速发展中的学科空间抽象性 基本要求了解地理信息系统的基本原理 包括GIS的科学定义 空间关系和空间对象的表达 空间数据结构和类型 空间分析原理和地学模型方法等 掌握地理信息系统的基本技术和方法 包括空间数据的采集 存储与管理 处理 分析和图形创造的基本技能 初步具有应用GIS技术开展地学研究的能力 包括应用型GIS的设计 主要GIS软件系统的使用和评价 地学应用模型的构建等 教学内容 第1章导论第2章地理空间基础与空间数据结构第3章空间数据库第4章空间数据的采集与处理第5章GIS空间分析原理与方法第6章地理信息系统产品输出第7章地理信息系统设计与标准化第8章GIS新技术与数字地球简介补充材料与应用案例 考核方式 本课程的教学应坚持理论与实践相统一的原则 考核方式包括平时提问 期末考试等 本课程采用结构化考核和评分方法 学生的总成绩 100分 出勤和平时提问成绩 20分 期末考试成绩 80分 参考书目汤国安 赵牡丹 地理信息系统 北京 科学出版社 2000黄杏元等 地理信息系统概论 修订版 北京 高等教育出版社 2001陈述彭等 地理信息系统导论 北京 科学出版社 1999邬伦等 地理信息系统 原理 方法和应用 北京 科学出版社 2000胡鹏等 地理信息系统教程 武汉 武汉大学出版社 2002 参考书目与主要网站 主要网站 参考书目与主要网站 第一章导论 学习目标理解GIS的相关概念 GIS和相关学科的关系掌握GIS的特点 类型与组成了解GIS的基本功能和用途了解GIS的发展概况重点 GIS的基本概念 组成及功用 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透视第五节地理信息系统有关学科第六节地理信息系统理解歧意 主要内容 第一节地理信息系统基本概念 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 信息具有 客观性 适用性 传输性和共享性 第一节地理信息系统基本概念 数据与信息两者不可分割且在含义上有所差别 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 地理信息地理信息是指表征地理圈或地理环境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 它具有空间定位特征 多维结构特征和动态变化特征 第一节地理信息系统基本概念 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的一系列基本问题 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 该工程技术系统由多个相互联系的子系统组成 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 地理信息系统的分类 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 地理信息系统与其他系统的区别 GIS有别于DBMS GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力 而不是简单的数据管理 这种能力使用户能得到关于数据的知识 因此 GIS是能对空间数据进行分析的DBMS GIS必须包含DBMS GIS有别于MIS GIS要对图形数据和属性数据库共同管理 分析和应用 GIS的软硬件设备要复杂 系统功能要强 MIS则只有属性数据库的管理 即使存贮了图形 也是以文件形式管理 图形要素不能分解 查询 没有拓扑关系 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 地理信息系统与其他系统的区别 GIS有别于地图数据库 地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来 不注重分析和查询 不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析 提供辅助决策的信息 它只是GIS的一个数据源 GIS有别于CAD系统 二者虽然都有参考系统 都能描述图形 但CAD系统只处理规则的几何图形 属性库功能弱 更缺乏分析和判断能力 第二节GIS的基本构成 用户 第二节GIS的基本构成 硬件系统由主机 外设和网络组成 用于存储 处理 传输和显示空间数据 软件系统由系统软件 数据库软件和基础GIS软件组成 用于执行GIS功能的数据采集 存储 管理 处理 分析 建模和输出等操作 空间数据库由数据库实体和数据库管理系统组成 用于空间数据的存储 管理 查询 检索和更新等 用户由系统开发人员 使用人员及管理者共同构成了系统的用户群 第二节GIS的基本构成 硬件系统 第二节GIS的基本构成 软件系统 第二节GIS的基本构成 空间数据 第二节GIS的基本构成 用户 第三节GIS的功能简介 基本功能数据采集与编辑主要用于获取数据 保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性 数值逻辑一致性与正确性等 数据存储与管理这是建立地理信息系统数据库的关键步骤 涉及到空间数据和属性数据的组织 栅格模型 矢量模型或栅格 矢量混合模型是常用的空间数据组织方法 数据处理和变换初步的数据处理主要包括数据格式化 转换 概括 数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换 数据转换包括数据格式转化 数据比例尺的变化等 第三节GIS的功能简介 基本功能空间分析和统计空间分析是地理信息系统的核心功能 也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别 在地理信息系统支持下 分析和解决现实世界中与空间相关的问题 是地理信息系统应用深化的重要标志 产品制作与显示一个好的地理信息系统应能提供一种良好的 交互式的制图环境 以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图 其表现形式既可以是计算机屏幕显示 也可以是诸如报告 表格 地图等硬拷贝图件 二次开发和编程为满足各种不同的应用需求 GIS必须具备的另一个基本功能是二次开发环境 包括专用语言开发环境和控件 第三节GIS的功能简介 基本功能实现过程 应用功能资源管理区域规划灾害监测环境保护道路交通管理国防辅助决策 第三节GIS的功能简介 资源管理资源管理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 由资源管理进一步引出数字城市管理应用 第三节GIS的功能简介 资源管理城市土地利用信息系统 第三节GIS的功能简介 区域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 第三节GIS的功能简介 区域规划建设用地规划 第三节GIS的功能简介 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 由灾害监测进一步引出应急管理应用 第三节GIS的功能简介 灾害监测 第三节GIS的功能简介 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 第三节GIS的功能简介 环境保护包头市大气二氧化硫分布图 第三节GIS的功能简介 道路交通管理近年来 GIS在交通方面的应用得到了广泛的重视 并形成了专门的交通地理信息系统GIS T 以满足道路交通管理方面的要求 第三节GIS的功能简介 道路交通管理铁路地理信息系统 第三节GIS的功能简介 国防由军事技术革命引发的数字化战场建设已成为未来战场发展的主流 建设数字化战场和数字化部队已成为21世纪军队发展的大趋势 引起了各国的普遍关注 数字化战场的一个基本特点就是 3S 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 第三节GIS的功能简介 辅助决策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 为宏观决策提供依据 第三节GIS的功能简介 第四节GIS的发展透视 20世纪60年代的开拓20世纪70年代的发展20世纪80年代的突破20世纪90年代的社会化21世纪10年代的新发展 第四节GIS的发展透视 20世纪60年代的开拓RogerF Tomlinson 加拿大 和DuaneF Marble 美国 于20世纪60年代处首次提出 地理信息系统 1962年 Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据 并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统 CGIS 以实现专题图的叠加 面积量算等 到1972年 CGIS全面投入运行与使用 成为世界上第一个运行型的地理信息系统 特点 注重空间数据的地学处理 以专家兴趣与大学研究为主 第四节GIS的发展透视 20世纪70年代的发展 1 资源开发利用 环境保护成为政府重要关注问题 需要GIS的空间分析技术 方法 2 计算机技术的迅速发展 如人机图形交互技术 第一套利用关系数据库管理系统的软件问世等 3 专业化人才的增加 许多大学开始提供GIS培训 4 一些商业性咨询服务公司开始从事GIS工作 如美国环境系统研究所 ESRI 特点 注重空间地理信息的管理 以机构开发与政府推动为主 第四节GIS的发展透视 20世纪80年代的突破 1 GIS应用领域迅速广大 2 许多国家指定了有关GIS的发展规划 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 3 商业性咨询公司 软件制造商大量涌入 特点 注重空间决策支持分析 商业化实用系统开始进入市场 第四节GIS的发展透视 20世纪90年代的社会化 1 GIS已经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GIS影响而改变了现有机构的运行方式 设置与工作计划等 2 社会对GIS认识普遍提高 需求大幅度增加 导致GIS应用的扩大与深化 3 国家级乃至全球级GIS成为公众关注问题 特点 GIS行业化 产业化 成为现代人类社会最基本的服务系统 第四节GIS的发展透视 21世纪10年代的新发展新一代GIS的研究与开发 特点 网络化多级客户 服务器体系 标准化开放式机制 对象组件式架构 中间件与智能体技术 提供按需所求的GIS软件网络注册使用申请与应用服务能力 第五节GIS的相关学科 地理学地图学计算机科学遥感科学测绘科学 第五节GIS的相关学科 地理学地理学是一门研究人类赖以生存的环境空间的科学 在地理学研究中 空间分析的理论与方法具有悠久的传统历史 它为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法 成为GIS的基础理论依托 而GIS的发展也为地理问题的研究与解决提供了全新的技术手段 使地理学的空间分析与综合传统得到充分发挥 第五节GIS的相关学科 地图学地图作为记录地理信息的一种图形语言形式 最为古老 久负盛誉 从历史发展看 GIS脱胎于地图 并成为地图信息的又一种新的载体形式 它具有存储 分析 显示和传输的功能 计算机制图为地图特征的数字表示 操作和显示提供了成套方法 为GIS的图形输出设计提供了技术支持 同时 地图仍是目前GIS的重要数据来源之一 但二者间有着一定的差别 地图强调的是数据载体 符号化与显示 而GIS则注重于信息分析 同时 地图学理论与方法对GIS的发展有重要的影响 并成为GIS发展的根源之一 第五节GIS的相关学科 计算机科学计算机科学的发展对GIS的发展有着深刻的影响 数据库管理系统 DBMS 是现代GIS不可缺少的重要组成部分之一 计算机辅助设计 CAD 提供了数据输入 显示与表达的软件与方法 计算机图形学提供了图形处理 显示的技术方法 是现代GIS的技术理论之一 人工智能的发展给GIS的技术进步带来了积极影响 尽管目前GIS还没有充分利用已有人工智能的各种技术 但人工智能为GIS提供了智能化技术系统的设计与方法 计算机网络技术则为GIS的构件化技术的形成了提供了新的机遇 为使GIS发展成为社会基础设施的重要组成部分奠定了基础 第五节GIS的相关学科 遥感科学遥感作为空间数据采集手段 已成为GIS的主要信息源与数据更新途径 遥感图像处理系统包含若干复杂的解析函数 并有许多方法用于信息的增强与分类 但遥感系统本身的空间分析能力颇为有限 并难与DBMS系统