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Lesson 1 Why GIS?现在，许多组织在地理信息系统和地理数据库方面花费大量的金钱。预言显示，在整个下一个十年，将有数十亿美元花费在这些上面。为什么在现今成为现实，而在仅仅几年前，GIS还是稀有之物？迅速下降的计算机硬件成本，使得能够负担得起GIS的人迅速增多，范围变广。更重要的是，我们终于认识到，地理学（和数据描述的地理学）是我们日常生活环境的部分：几乎我们所做的每一个决策都是被一些地学事实所限制，所影响，或是所支配的。我们派消防车以最快的速度，尽可能短的路径到达着火现场。我们的中央政府经常根据人口数量拨款物给地方政府。我们通过确认疾病的流行地区和传播速度来研究疾病。这种对地理信息的需求与对GIS的需要相吻合，解释了它迅速普及的原因。然而，如此概括不能够解释GIS为什么能帮助和怎样帮助你。首先，你必须知道GIS是什么和它能用来做什么。下面的主题将帮助你理解GIS。GIS是什么？在1980年代，GIS的使用显著地增长。现在，对企业、政府和学术界来说，运用GIS的许多不同的应用已是寻常之事。因而GIS的许多定义已经出现了。例如，翻到本书的词汇表，你将发现GIS被描述为：由计算机硬件、软件、地理数据和人员构成的有机集成，被设计来有效搜集、储存、更新、处理、分析和展示各种空间相关信息。尽管这个定义正确、全面、并被广泛接受，但它对初学GIS的人帮助不多。当你读完此工作手册，这个定义的含义将变得清晰，但目前，考虑一个更简单的定义：能够支持和使用数据描述地表区域的计算机系统。空间操作许多计算机程序，诸如spreadsheets, statistics packages, 或drafting packages能处理简单的地理或空间数据，那么，为什么他们不是通常所认为的是GIS呢？一个通常被接受的回答是，如果它允许对数据进行空间操作，这样的GIS才是GIS。作为一个例子，考虑下面的表格：Name Latitude longitude GIS PopulationLondon 51N 0 80Zurich 47N 8E 25Utrecht 52N 5E 40Santa Barbara 34N 119W 50Orono 45N 69W 30Buffalo 42N 78W 30这个表格表明，在所选择的活动中心，从事GIS某一方面工作者的大致数量。非空间查询问“在每一个位置，工作于GIS的平均人数是多少？”是一个非空间查询回答不需要储存的经度和纬度；它也不描述这些地方的相互位置关系。空间查询“在西欧的主要中心，有多少人工作于GIS？”“哪些中心相互之间的距离在1000英里之内？”经过所有这些中心的最短路径是什么？“这些是空间查询，他们只能用经度、纬度数据和其它信息诸如地球半径来回答。地理信息系统能容易的回答此类问题。数据链接通常，GIS能链接来自不同集合的数据。举一个例子，假设你需要知道每一个国家生产的全部粮食百分之多少用于出口？你已经找到了你需要的数据，但是每个国家的全部粮食产量被储存在一个计算机文件中，而粮食出口数据被存放在另一个文件中。为了解决这个问题，你必须把这些文件结合在一起，只要这些文件被链接在一起，让计算机进行算术运算得出答案，是一个简单的过程。Lesson 2 Questions a GIS Can Answer目前，GIS以两种方式被描述：（1）通过正式的定义（2）通过它的能力：执行空间操作，利用位置作为公用密码链接数据集。然而，你也能通过列出GIS能（或应该能）回答的问题的类型来识别GIS。对于任何应用，有5个共有的问题高级的GIS能回答。位置什么在？这些问题的第一个是试图弄清楚什么存在于特有的位置，一个位置可以许多方式被描述，例如，使用地方名称，邮政编码，或地理参照，诸如纬度和经度。条件它在哪儿？第二个问题是第一个问题的颠倒，需要空间分析来回答。代替确认在已知地点存在什么，你要找一个条件令人满意的地方。趋势从起什么已经变化了？第三个问题也许涉及前面两个问题，寻求找出一个地区随时间的变化的情况。模式存在什么空间模式？这个问题是更复杂的。你可能会问这个问题来确定是否在核电站附近的居民中，癌症是死亡的一个主要原因。正因为重要，你可能想要知道有多少异常不适合这个模式，这些异常在哪里。建模倘使将会怎样？“倘使，将会怎样”的问题被提出来确定，例如，如果一条新路被接道路网上，或如果有毒物渗入到当地地下供水系统，将会发生什么。回答这类问题需要地理的和其它的信息。GIS的构件GIS由下面几部分组成：GIS软件工具+数据库使用者抽象或简化现实世界输出结果每当进行诸如空间分析和建模等复杂分析时，GIS的使用者成为了GIS的组成。这些分析通常需要从GIS工具箱中选择和使用工具的技能，也需要熟悉所使用的数据库。目前和即将到来的时代，多种用途的GIS将依靠使用者懂得他们正在做的一切按按钮是不够的。GIS不是什么GIS不仅仅是制作地图的计算机系统，虽然它能创制不同比例尺、不同投影和不同颜色的地图。GIS是分析性工具。它的主要优点是允许你确定地图要素之间的空间关系。GIS不以任何传统观念储存地图，也不储存某地理区域的特殊影像或（视）图。代之，GIS储存数据，使用这些数据，你能够画出适合特定目的的所希望的（视）图来。GIS用地图上特定要素的地理信息链接空间数据，此信息作为用图表表示的要素的属性被储存。例如，地图上代表道路的中心线并没有告诉你关于那条路的更多的信息，除了那条路的位置。要弄清楚那条路的宽度或铺路材料类型，你必须查询数据库。使用数据库中的信息，你能够根据所需要展示的信息的类型绘制用符号表示道路的地图。GIS也使用所储存的要素属性来获取有关地图特征的新信息。例如，计算具体路段的长度，或测定具体土地类型的总面积。地理数据库总之， GIS不保存地图或图片它保存数据库。数据库概念是GIS的中心，也是GIS与绘图或计算机制图系统的主要区别，后者仅能产生好的图文输出。所有的现代地理信息系统都包含数据库管理系统。如果你想超出制图，你要知道储存在计算机中的每一要素的三件事：它是什么，它在哪儿，它是如何与其它要素相关联的（例如，哪些路相连形成路网）。数据库系统提供了储存如此的多方面信息，和不必重编程序来更新信息的方法。在ARC/INFO中，ARC处理要素在哪里，而INFO处理要素描述和每一要素是如何与其它要素发生关系的。实质上，GIS给予你使信息与地图上要素联系起来的能力，也给予你如下能力：创建能够确定用于开发的不同地点的适用性的新关系，评估环境影响，计算收获量，为新设施找到最佳位置，等等。Lesson3 Basic Map Concepts(基本的地图概念)有两种基本类型的地图信息： 空间信息，它描述了地理要素的位置和形状及其相互之间的空间关系 有关地理要素的说明性信息地图要素地图用图示的地图组件描述要素来传达信息。点代表像井、电话杆等要素的位置信息；线描述线性要素如道路、河流和管线；而面则代表像湖、国家疆域和统计区等要素。点要素离散的位置，通常由特殊的符号或标记来描述，代表点要素。它所表示的地图目标的范围或形状太小了，以致于不能被作为线或面来表示。点也代表那些诸如山峰高程的没有面积要素的位置。线要素线要素是一组有序的坐标，当被连接时，描述了地图目标线性形状，这个对象太窄了以致于不能显示为面，或者它可能是一种没有宽度的要素，如等高线。通常，线被称为弧。面要素面要素是闭合图形，它的边界围成了一个同质的面，如国家、县或水体。空间关系地图也图示地描述地图要素之间的空间关系，但是要依靠地图阅读者去解读（它们）。例如，你可以查阅地图并能辨别一个城市是否与湖相邻；找到两个城市沿路的相对距离（和可以走的最短路径）；确认最近医院和驱车可达医院的街道；根据周围的等高线估计湖的高度；等等。地图不明确地描述这类信息。代之，你必须根据地图图形得出或解读这些空间关系。符号和注记描述说明性信息作为图形显示，地图有意义地描述要素位置及其特性，使得解读能容易获得。地图要素的特性（即它们的属性）被作为图形符号表示出来。例如道路以不同线宽、线型、线的颜色和注记代表不同类型被绘制出来；河流用蓝色的线条画出并标注它们的名称；医院的位置用特殊的符号“”来表示；湖被涂成蓝色；森林地区是绿色；等等，以这种方式，地理要素能与它们相联系的描述性数据一道被显示。Lesson 4What is topology什么是拓扑到目前为止，你已经学会了点、线和多边形能如何描述地图特征。然而，正如你在本课开始所学的一样（即基本的地图概念），你会用地图中要素之间的空间关系来说明另外的信息。例如，沿着街道图，你能找出从机场到酒店的路；同样地，你能找到相毗邻的两宗地及确定其沿街位置的街道。通过沿一定路径找出连接线段，通过围在这些线之内的限定的区域，通过找出邻近的区域，你解释这些关系。在数字地图中，如此的空间关系用拓扑来描述。拓扑是一个准确定义空间关系的数学程序。实际上，其原理是简单的。拓扑把空间结构的各种类型表示为要素表列。（例如，一个区域由组成它边界的弧段来界定）创建和储存拓扑关系的能力有许多优势。拓扑储存数据更有效率。这允许更大数据集的处理和更快的处理。当拓扑关系存在时，你能做如下的分析：通过连接网络中的线对其流建模，合并具有相似特征的相邻多边形，叠加地理要素。ARC/INFO的三个主要拓扑概念是：1、 弧段在结点相互连接（连通性）2、 连接包围一个区域的弧的定义一个多边形（区域定义）3、 弧段有方向、左侧和右侧（邻接性）连通性沿着弧的点（X、Y坐标对）被叫做顶点，规定了弧的形状。弧的端点被叫做结点。每一弧有两个结点，始结点和终结点。弧仅在结点连接。通过跟踪所有的在任意结点相遇的弧，ARC/INFO知道哪一些弧相连接。区域定义多边形被描述为一系列的X，Y坐标连接围成的区域。一些系统以这种格式储存多边形。然而，ARC/INFO储存界定多边形的弧段，而不是封闭的X、Y坐标对的集合。当必要时，组成每一多边形的弧的表格也被储存和被用来构造多边形（例如，画一个多边形）。虽然在弧表中的一条弧可用于多个多边形，但每一个弧仅被储存一次。储存每一个弧段仅一次减少了数据库中数据的量，也保证了相邻多边形的边界不重叠。邻接性因为每一条弧段都有方向（一个始结点和一个终结点），ARC/INFO以每一条弧的左、右多边形的方式保存多边形的表格。享用同一弧段的多边形相邻接。插图中多边形2在弧6的左边，而多边形5在其右边。所以，我们知道多边性2和多边形5是相邻接的。注意标注1的多边形在这个区域界线的外面。这个多边形被叫做外部多边形或全域（universe）多边形，它描述了在你的地图中所有多边形的外围背景地区。Lesson 5 Geographic Data Concepts地理数据概念组织地图信息到目前为止，你已经清楚地理数据是如何作为一系列的X、Y坐标对，被储存起来，这些坐标对是描述点、线和多边形的。你也清楚拓扑是如何在这些要素之间构造明确的关系。现在，让我们看看这些信息是如何被组合起来的。地图要素被逻辑的组织进层的集合或信息的主题中。一幅基础地图能被组织进诸如河流、土壤、井、行政区等等的层中。另外，较小的地区，一般地对应于纸质图幅，能够经常被整幅的拼接进更大的叫做研究区域的单元中。ARC/INFO的图层在ARC/INFO中，每一层被叫做一个图层。一个图层是由拓扑联系的地理要素和作为自动地图被储存的与他们相联系的描述数据组成的；例如我们已经讨论了弧段、结点和多边形。其它的图层要素还包括标记点和配准控制点。点要素与标记点在ARC/INFO中，点有两个功能。在点图层中，他们描述点要素如：井，学生，或犯罪事件。作为标识点，在多边形图层中，它们用于辨别每一多边形。标识点就是多边形与它相联系的属性之间的链接。配准控制点配准控制点是描述地球表层位置的点，这些点在现实世界的坐标是已知的。图层使用一个通用的配准控制点集合以便于层之间彼此配准和相邻图幅的层配准/定位。虽然弧段、结点、标识点和多边形出现的最频繁，但是仍有其它要素类别在图层中出现。在下页出现的表概括了这些类别的一部分。一个图层包含哪一个要素集合依靠被模型化的地理现象的类型。下面的表简单地描述了每一要素类别能模型化的现象的类型。特征类型应用和使用例子弧段线性特征街边、等高线、河流、污水管、电力线、天然气管线结点线性要素上的点管线阀、街道交叉口、电线杆、检查井盖标识点点位置井位、山峰多边形面要素土地单位，土地利用，宗地，建筑占地面积，森林用地，（土地）所有权配准控制点地理配准和控制为数字化配准注记特征标识在交通地图上街道名称、地方名称链接橡皮拉伸和调整地图图幅的边界匹配，要素snapping、基准调整路径线性要素街边、等高线、河流、污水管、电力线、街道地址线段定义路径要素图层范围界定图幅范围层要素一览表要素类别描述属性表例子弧段线由有序的x、y坐标的集合定义。描述了线性要素和多边形边界。AAT结点一条弧段的端点，或两条以上弧段相连接的点。NAT标识点由XY坐标定义的点代表了点要素或分配给多边形的用户ID。PAT多边形由弧段限定的区域，这些弧段组成了它的边界，其中包括定义其内部岛的弧段。标识点被用来分配用户ID。PAT配准控制点地理控制点，被用来配准和转换层中坐标。TIC注记描述地理要素的文本串。被用来定位和标注注记的定型点。TAT.subclass路径由一条或多条弧段，或弧段的部分组成的线性要素。RAT.subclass线段一条弧段或弧段的一部分，用来定义一条路径。路径的构成。SEC.subclasslesson 6 Geographic analysis项目总观通常，GIS项目能被组织进一系列的逻辑步骤中，每一步骤都建立在前一步骤的基础上。你承担的许多GIS项目将遵循相似的（步骤）顺序。但是，要注意许多需要考虑的事会影响具体项目的设计和实现。建立数据库设计数据库输入空间数据编辑和创建拓扑输入属性数据管理和处理数据分析数据显示分析的结果。第一步确定项目的目标开始，确定项目的目标。要考虑的重要问题是：什么是需要解决的问题？