GIS系统设计与实现 01 第一章引论PPT课件

第一章引论 GIS设计与实现 教程 教学提纲 第一节什么是GIS第二节GIS的规范化与标准化第三节关于GIS设计 第一节什么是GIS 一 GIS概述二 GIS构成三 GIS发展四 GIS应用 第一节什么是GIS 第一节什么是GIS 一 GIS概述GIS定义GIS研究内容GIS特点GIS与其他学科的关系 一 GIS概述 GIS定义 地理信息系统 GeographicInformationSystem 简称GIS 作为信息处理技术的一种 是以计算机技术为依托 以具有空间内涵的地理数据为处理对象 运用系统工程和信息科学的理论和方法 集采集 存储 显示 处理 分析 输出地理信息于一体的计算机系统 一 GIS概述 GIS定义 GIS用来研究如何利用计算机技术来管理和应用地球表面的空间信息 由计算机硬件 软件 地理数据和人员组成的有机体 高效地采集 存储 更新 处理 分析和显示各种类型的地理信息 为规划 管理和决策提供信息来源和技术支持 一 GIS概述 GIS研究内容 数据采集纸质地图的数字化是GIS常用的数据采集方法 遥感数据已经成为GIS的重要数据来源 全球定位系统可以准确 快速地定位地球表面的任何地点 数据存储地理数据存储是GIS中最底层和最基本的技术 GIS数据存储包括空间数据的存储和属性数据的存储 一 GIS概述 GIS研究内容 数据处理和分析数据处理和分析是GIS提供的对空间数据的一系列操作 以获取相关信息 通过GIS提供的空间处理和分析功能 可以从已知的海量地理数据挖掘出隐含的重要知识 数据输出将查询统计的结果或是数据处理和分析的结果以指定的形式输出是GIS问题求解过程的最后一道工序 输出形式 在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出 一 GIS概述 GIS特点 新兴边缘学科横跨计算机科学 信息学 遥感科学 测量学 地图学 地理学 资源学 环境学等学科 特点一 GIS的处理对象是地理数据利用空间坐标来表达实体的空间位置是GIS数据管理的基本思想 空间数据库技术是GIS技术的核心 一 GIS概述 GIS特点 特点二 提供了一系列的工具基于空间数据库技术 GIS提供了地理数据采集 存储 显示 操作 分析 建模 输出等工具 利用这些工具可以实现一些其它信息系统无法实现的功能 如空间位置的表达 工业选址 最佳路径选择 趋势分析 工程影响预测等 特点三 实现了地图实体与属性数据库的关联通过建立地图实体与属性数据的关联关系 可以实现图形数据与属性数据的同步查询 统计和分析 这是GIS与其它制图系统的主要区别之一 一 GIS概述 GIS与其他学科的关系 GIS与地图学地图学与GIS都是地理信息的载体 具有存储 分析和显示地理信息的功能 地图是GIS的主要数据来源 也是GIS的产品之一 地图学成熟的理论 方法与功能是GIS发展的基础 GIS是地图学在信息时代的发展 一 GIS概述 GIS与其他学科的关系 GIS与计算机制图计算机制图是GIS的雏形 制图功能是GIS的基本功能 在制图功能的基础上 GIS又增加了计算机的空间查询 统计 处理和分析功能 包括定性 定量以及定位分析等 一 GIS概述 GIS与其他学科的关系 GIS与地理学地理空间是两者共同的研究范畴 地理学的理论方法及其对自然规律和自然过程的研究结果既是GIS进行空间分析和建模的主要依据 也是GIS进行预测 预报和辅助决策的理论基础 GIS的发展为地理学提供了一种高效 精确和全新的技术工具 一 GIS概述 GIS与其他学科的关系 GIS与计算机辅助设计 CAD 共同点 对图形图象进行加工处理 区别空间数据库存储的是地理数据 数据量远远大于CAD 数据存储方式也不相同 GIS是以空间数据库为核心的 它强调对图形数据和属性数据的同步处理 而CAD是以辅助绘图为中心的 第一节什么是GIS 二 GIS构成硬件软件数据人员 二 GIS构成 硬件 数据采集 输入设备数据采集设备包括测绘仪器和遥感设备 数据输入设备包括数字化仪 扫描仪以及计算机的输入设备 数据存储和处理设备数据存储设备包括磁盘 磁带机等磁存储介质以及一些光存储介质 处理设备包括计算机 图像处理器 网络设备等 输出设备输出设备通常是标准的计算机外围设备 包括打印机 绘图仪 投影仪 3D立体镜 实时三维图形卡等 二 GIS构成 软件 GIS软件分类 GIS软件 工具型软件 应用型软件 GIS平台软件 AM FM专用开发平台软件 其它工具型软件 如扫描数字化软件等 资源调查 制图软件 信息管理 空间分析与预测 空间建模 辅助决策 二 GIS构成 数据 实质指以地球表面空间位置为参照 描述自然 社会和人文景观等的数据 即地理数据 其主要表现形式包括数字 文字 图形 图像和表格等 来源外业测量普通地图遥感影像其它图形软件的输出数据其它相关的数据资料 二 GIS构成 数据 分类属性数据 表征空间实体属性信息的数据 空间数据 表征空间实体位置的数据 栅格数据结构 用网格单元的行和列作为位置标识符描述地理实体的位置信息 矢量数据结构 使用一系列X Y坐标作为位置标识符来描述地理实体的位置信息 不规则三角网 TIN 近几年获得广泛的应用 二 GIS构成 人员 人员是GIS的重要构成因素需要人进行系统的组织 管理和维护 进行数据更新 系统维护 应用程序开发 以及利用地理分析模型提取有用信息等 作用对GIS软件进行开发 维护和升级 对空间数据进行搜集 入库和管理 应用GIS进行生产生活实践 实现GIS的价值 三 GIS发展 GIS软件技术的发展 据钟耳顺 1998 三 GIS发展 集成式GIS将这些分散的功能模块集成为具有多种功能的综合性GIS 缺陷 结构过于复杂 成本较高 模块式GIS着眼于系统整体结构 按功能的关联度 将GIS划分为不同的功能模块 缺陷 没有解决与其它系统的集成问题 三 GIS发展 核心式GIS将GIS功能封装成动态链接库 DLL 通过应用程序接口 API 访问 以此来实现与其它系统的集成 缺陷 开发难度大 不易被开发人员掌握 不利于GIS社会化和大众化的发展 组件式GIS将GIS功能划分为不同的功能模块 这些模块之间以及与其它系统之间通过标准的通信接口实现交互 组件式GIS开发是目前GIS开发的主流 三 GIS发展 WebGISInternet用户可以通过万维网浏览空间数据 制作专题图以及进行各种空间检索 WebGIS不仅是信息发布的工具 更可以实现用户社会化 集成 志愿式的参与 三 GIS发展 GIS发展的各阶段特点 三 GIS发展 移动GIS集合GIS GPS 移动通讯 GSM GPRS CDMA 三大技术于一体 移动GIS利用GPS定位跟踪 利用PDA获取数据 利用GIS完成空间数据管理和分析 借助移动通信技术传输图形 文字 声音等数据 移动GIS能够提供基于位置的服务 LocationBasedService LBS 和移动位置服务 MobileLocationService MLS 应用前景十分广泛 四 GIS应用 加拿大地理信息系统 CGIS 1962年 世界上第一个地理信息系统 根据GIS应用的层次可以将GIS应用分为 地图制图空间数据管理空间统计分析空间分析评价与模拟预测建模辅助宏观决策 四 GIS应用 地图制图 地图制图是GIS的主要功能之一利用GIS建立地图数据库 可以达到一次投入 多次产出的效果 可以根据用户需要输出全要素图或是各种专题图 如行政区划图 土地利用图 道路交通图等 可以利用GIS的三维功能进行立体显示与制图 四 GIS应用 空间数据管理 空间数据管理是GIS最基本的职能空间数据管理的目的是对地理数据进行组织和管理 并提供有效地更新 维护和快速查询检索的方法和手段 以最佳方式输出地理信息 供规划 管理和决策使用 以地籍管理信息系统为例 地籍数据涉及到土地的位置 房地界 名称 面积 类型 等级 权属 质量 地价 税收等诸多方面信息 不仅土地的权属可能发生变化 而且土地的空间特性也在不断改变 应用GIS对地籍数据进行管理 不仅方便了数据的快速查询 统计与存档 而且方便了对它们进行日常的更新和维护 提高了地籍管理的效率 同时为其它业务提供了数字化的信息来源 四 GIS应用 空间统计分析 空间统计分析功能叠置分析缓冲区分析拓扑空间查询空间集合分析网络分析 四 GIS应用 空间统计分析 空间统计分析应用在城市规划过程中 对城市中救护车 救火车的分布位置以及行车路线和行车控制进行规划 如何安排多路警车交通路线 以保证在紧急时刻 在任意地方应至少能有一辆警车在事发后最短时间内赶到出事地点 在环境保护方面 对水土流失导致环境恶化进行评价 在区域环境质量现状评价过程中 对整个区域的环境质量进行客观全面的评价 四 GIS应用 空间分析评价与模拟预测建模 GIS可以对现实世界进行分析评价归纳总结出分析评价的因子和方法 将这些方法和因子定量化 建立空间分析评价模型 例如土地适宜性评价模型 并进行验证 四 GIS应用 空间分析评价与模拟预测建模 GIS可以对现实世界的发展趋势进行模拟预测其原理是将自然过程 决策转化成命令 函数和分析模拟程序等形式 结合相关数据 模拟这些过程的发生发展 得到未来的结果 从而预知自然过程的结果 达到辅助决策的目的 例如我国大兴安岭地区的研究 通过普查分析火灾实况 统计计算十几万个气象数据 从中筛选出气象要素 春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个指标因子 用模糊数学方法建立数学模型 预报火险等级的准确率可达73 以上 四 GIS应用 辅助宏观决策 通过决策模型的构建和比较分析 提供辅助宏观决策GIS支持下的土地承载力研究可以解决土地资源与人口容量的规划 利用GIS的空间分析和空间建模方法可以辅助制定城市发展规划 利用GIS建立环境监测模型可以为三峡工程的宏观决策提供建库前后环境变化的数量 速度和演变趋势等可靠数据 第二节GIS的规范化与标准化 第二节GIS的规范化与标准化 一 GIS规范化和标准化的作用二 GIS软件的规范化三 GIS数据的标准化 一 GIS规范化和标准化的作用 GIS规范化与标准化是体现GIS软件开发 系统建立与运行质量的重要要素从技术的角度来看 GIS是建立在计算机 网络以及信息处理等多种技术标准之上的 离开了这些标准就无法开发哪怕是最基本的系统 从应用的角度来看 标准化是实现信息共享 推进GIS发展的最基本保障 一 GIS规范化和标准化的作用 地理信息技术标准化时代到来的标志美国开放地理信息系统协会 OpenGISConsortium 简称OGC 1994 国际标准化组织地理信息标准技术委员会 ISO TC211 1994 一 GIS规范化和标准化的作用 国内外正在制订标准和规范的重要的单位ISO TC211 国际标准化组织的地理信息 地球信息委员会FGDC 美国联邦地理数据委员会CEN TC287 欧洲标准化委员会OGC 美国OpenGIS协会 MEGRIN 欧洲地图事务组织 CGSD 加拿大标准委员会 CSBTS TC230 中国地理信息标准化技术委员会 一 GIS规范化和标准化的作用 我国的GIS规范化和标准化 七五 期间 开始推动地理信息系统技术的广泛应用 提出了34套信息技术标准和规范方案 1983年 第一部标准化文件 资源与环境信息系统国家规范研究报告 1984年 成立国家测绘局测绘标准化研究所 负责我国测绘标准的制修订工作 一 GIS规范化和标准化的作用 我国的GIS规范化和标准化1997年 成立全国地理信息标准化技术委员会 CSBTS TC230 积极参与ISO TC211工作 并结合国内实际情况 制订出相当数量的国家和行业标准 2004年 全国地理信息标准化技术委员会完成了地理信息国家标准修订项目83项的确认和评价工作 2010年 国家地理信息标准化 十二五 规划编制工作正式启动 预示着更进一步GIS软件规范化的开始 二 GIS软件的规范化 GIS软件规范化的意义避免简单重复的系统开发工作 直接在GIS所规范的体系结构基础上致力于高层次 专业化的应用开发 节省费用 提高效率和强化扩展 实现真正意义上的地理信息共享 为跨平台下的数据交换和互操作服务提供了便利 二 GIS软件的规范化 GIS软件设计的规范计算机软 硬件技术标准 它完全来自计算机界的规范 包括网络协议 软件设计 系统验收 软件评测及软件接口等方面的规范 数据库技术和图形 图像处理技术规范 其中包括各种操作规程的制定 文本编写 数据库安全等方面的规范标准 与地理信息系统数据共享有关的规范化工作 包括对数据重复使用 数据交换 网络安全等方面的界面 技术规范 例如数据模型规范 数据质量评定规范 元数据规范等 地图制图标准 GIS目前仍采用着许多来自计算机辅助制图的理论和方法 如点变换理论 GIS中矢量数据结构采用点 线 面的概念来理解空间地物 二 GIS软件的规范化 我国GIS软件相关规范 三 GIS数据的规范化 GIS数据标准化的主要内容 GIS相关的名词或术语标准化与空间数据库建设有关的标准化活动包括各种操作规程的制定 数据采集 数据分类与编码 数据字典 文本编写 数据库安全等方面的标准的制定与实践 与GIS数据共享有关的标准化工作包括对数据质量控制 数据重用 数据交换 网络安全等方面的技术标准 例如数据模型标准 数据质量评定标准 元数据标准等等 总得来说 应从地理信息标准和数据标准两个方面进行GIS数据标准化建设 第二节GIS规范化与标准化 三 GIS数据的标准化地理信息标准数据标准 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息反映地理实体空间分布特征和属性的信息地理信息的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的 即按照特定地区的经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置的识别 并可按照指定的区域系统进行信息的合并与分离 地理信息具有多维结构的特征 即在二维空间的基础上 实现多专题的第三维的信息表达 而各个专题型或专题型之间的联系是通过属性码进行的 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的地理坐标系统统一的地图投影系统 考虑到数据的可获得性和数据交换的需要 一般建立系统时应结合数据获取 采用与国家基本地形图相适应的投影 如高斯 克吕格投影 并考虑投影的相互转换接口 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的地理坐标系统统一的地理格网系统 地理格网系统可分为地理坐标格网和直角坐标格网 地理坐标格网的优点是便于进行大区域乃至全球性的拼接 但格网所对应的实地大小不均匀 直角坐标格网则具有实地大小均匀的优点 适合于局部区域 我国目前主要采用100 100和40 60的地理坐标格网和直角坐标格网三种系统 并颁布了 地理格网 国家标准 如表1 3 开发人员可依据比例尺和用途需求的不同 选用合适的地理格网系统 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的地理坐标系统统一的地理格网系统 地理格网国家标准 GB12409 1990地理格网 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的地理坐标系统理空间定位的另一重要因素 用于确定各种自然和社会经济要素相对于某一起始高程平面的高度 即高程 他们可以在该平面上 也可以高于或低于该平面 高程控制系统与上述地理格网系统结合 用于正确反映真实世界中各种实体之间在空间的三维立体关系 高程坐标系统有全国统一高程系统和独立高程系统之分 独立高程系统与全国统一高程系统之间通过已知的高程改正参数 可以互相转换 设计GIS时 应当选定一个高程作为整个系统统一的高程控制基础 如果选用独立高程系统 亦应确定它与全国统一高程系统之间的高程转换参数 所有地形图 与高程有关的各种专题地图和数据均应归一到该统一的高程系统中 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的地理坐标系统统一的区域多边形或空间统计单元系统 区域 自然或是社会经济 是信息收集 存储和检索的重要基本单元 对区域多边形的选择和划分 应确立如下原则必须是历史形成的和长期稳定的必须与现行国家管理制度相一致要充分考虑国家今后开发资源 保护环境方面的需要必须与国家采用的格网系统相适应必须考虑其相对稳定性以及修改 合并和上下延伸的可能性需要顾及用户存储 查询和分析信息的方便程度及使用频率高低 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的空间信息分类和编码系统统一的空间信息分类和编码是系统建立的一项极为重要的基础工作 它直接影响整个系统的结构 数据组织与交换 不同系统间的转换与兼容等 一般应根据各类地理信息之间的相关关系 并按各相应专业领域的特性 划分出三级基本分级体系 在分类基础上 依照标准化 统一性 唯一性 一致性 灵活性 稳定性 可扩展性和重用性等多项原则 确定编码方案 我国已制订了多种用途的区位编码系统 如行政区划 邮政编码 公路 河流的国家标准编码均已制订或正在制订之中 这类标准可根据具体需要直接应用于GIS的建立 三 GIS数据的规范化 地理信息标准 地理信息标准统一的数据模型标准地理系统的计算机模拟的层次概念模型 将现实的地理系统映射为一定的信息结构和信息组织 逻辑模型 将信息结构和信息组织进一步映射成为一定的数据结构 物理模型 则依赖于一定的计算机环境 将数据结构映射为与硬件直接有关的文件结构和文件组织形式 对于GIS技术标准而言 数据模型的重要性在于它能为GIS开发人员及用户提供一种共同的视图 作为一种独立于各种计算环境的模型 概念 逻辑 它对于GIS技术标准和数据共享具有重要意义 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准数据交换空间数据交换的特征 边馥苓 1998 除能转换空间要素的图形数据外 还能交换与要素相关的属性 质量信息以及特征元数据 数据转换过程中 既不能丢失任何与空间目标相关的信息 更不能添加任何错误数据 数据转换必须绝对安全 可靠 数据转换独立于计算机系统 数据存储和传输介质 能兼容现有的各种相关标准 所使用的数据模型能包含所有用户数据 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准数据交换最主要的数据交换方法 直接交换和间接交换 直接交换 设计系统与每一种常用数据结构的接口 两两实现交换 这种方法虽然转换效率较高 但实现代价大 灵活性差 很难适应GIS技术发展的需要 间接交换一般是制订或采用公认的标准数据格式作为中间公共交换格式 系统应设计与这种中间格式的转换接口来达到数据共享的目的 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准数据交换目前的数据交换方法可能带来信息损失 如数据丢失 精度降低 符号丢失 空间数据表达方式改变 拓扑关系丢失 属性丢失等 美国与欧洲已分别制订了空间数据转换标准 SDTS 和地理数据文件 GDF 我国也已出台了空间数据交换格式 NSDTF 标准 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准空间元数据标准元数据就是对数据集现势性 精度 内容 组织形式 属性 来源 适用性等多种信息的表述 空间数据元数据标准的建立是空间数据标准化的前提和保证 只有建立起规范的空间元数据才能有效地利用空间数据 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准空间元数据标准 现有的空间元数据标准 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准数据质量数据质量是对空间数据在表达空间位置 空间关系 专题特征以及时间等要素时 所能达到的准确性 一致性 完整性以及它们之间统一性的度量 一般描述为空间数据的可靠性和精度 用误差来表示 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准数据质量误差的分类数据获取阶段产生的源误差 包括遥感数据 测量数据 属性数据 GPS测量数据 数字化数据 转换数据等 这些数据在其产生阶段都会因为硬件或是人为的因素等出现一定的误差 数据处理阶段的处理误差 例如 几何纠正 坐标转换和比例尺变换 几何数据的编辑 属性数据的编辑 空间分析 图形简化 数据压缩和曲线光滑 数据格式转换 数据内插 计算机截断等处理过程都有可能产生误差 数据使用阶段的使用误差 如使用或用途不当造成的误差 数据解释造成的误差 数据集的完备程度 时间的有效性 即现势性 拓扑关系的正确性等 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准数据质量空间数据质量标准由一系列元素包括位置精度 属性精度 逻辑一致性 完整性 现势性和数据说明等组成 在GIS系统开发时 应根据现有质量标准和工作特点制订相应质量控制文档 一般来说 应建立标准的元数据文档来跟踪和控制空间数据质量 空间数据的质量元素 三 GIS数据的规范化 数据标准 数据标准GIS数据产品标准GIS的空间数据产品包括数字形式 电子地图 标准数据集 和非数字形式 如纸质专题地图 作为产品 它应具备独立性 易用性 安全性及一定的外包装形式 一GIS数据产品标准 标准的数据格式 主要指通用数据格式 方便使用和交换 标准的概念模式 同一领域的空间数据产品应该基于相同的概念模型 以利于在数据产品应用中的准确性 标准的外包装 包括数据安装 使用界面 浏览界面等标准的用户界面 第三节关于GIS设计 第二节关于GIS设计 一 GIS设计的含义二 GIS设计的目标三 GIS设计的内容四 GIS设计的特点 一 GIS设计的含义 GIS设计是在GIS开发整体过程进行工程化规范的方法体系遵循一般软件工程的原理和方法符合GIS开发的特点 特殊规律和要求对GIS软件从系统定义 系统总体设计 系统详细设计 空间数据库和地理模型库设计 GIS实施 GIS软件测试与评价 直到GIS维护的各个阶段进行工程化规范 二 GIS设计的目标 避免软件危机保证GIS开发质量提高开发效率降低开发成延长系统生命周期 二 GIS设计的目标 软件危机如何开发软件 以满足对软件日益增长的需要 如何维护数量不断膨胀的已有软件 随着GIS软件数量的飞速增长和软件规模的扩大 GIS软件危机情况也已日益严重 软件危机的主要内容 三 GIS设计的内容 GIS设计的基本原则 GIS设计与一般信息系统设计的差异 三 GIS设计的内容 GIS设计的内容软件设计数据库设计 三 GIS设计的内容 GIS软件设计的意义通过进行系统的工程管理 保证系统建设的进度和软件质量 确保系统的用户接受度和系统功能设置的合理性 确保软件开发风格的统一和各功能模块之间的有机联系 三 GIS设计的内容 软件设计 瀑布模型最常用的软件过程模型将软件过程分为可行性分析 需求分析 总体设计 详细设计 编码 系统运行和维护六个阶段 并规定了它们自顶向下逐步细化 相互衔接的固定次序 三 GIS设计的内容 软件设计 瀑布模型 三 GIS设计的内容 软件设计 瀑布模型各阶段任务划分情况表 瀑布模型的缺陷缺乏灵活性软件模块重用性差开发周期长修改困难难以维护其他软件过程模型快速原型模型 增量模型 螺旋模型等 三 GIS设计