GIS教案：第1章概论

1、第1章 概 论当今信息技术突飞猛进，信息产业空前发展，信息资源爆炸式扩张。多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题时所必须的重要信息资源。系统论、信息论、控制论的形成，计算机技术、通信技术、遥感技术等空间技术、自动化技术的应用，为信息资源的科学管理展示了广阔的前景。地理信息系统顺时而生，它是集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘学、遥感、环境科学、城市科学、空间信息科学等为一体的新兴边缘学科。地理信息系统的迅速发展不仅为地理信息现代化管理提供了契机，而且有利于其他高新技术产业的发展。本章就地理信息的基本概念、功能、组成、类型、应用范畴、发展

2、历程作系统阐述。1.1 GIS基本概念1.1.1 信息与地理信息1. 数据和信息数据（Data）是人类在认识世界和改造世界过程中，定性或定量对事物和环境描述的直接或间接原始记录，是一种未经加工的原始资料，是客观对象的表示。数据可以以多种方式和存储介质存在，前者如数字、文字、符号、图像等，后者如记录本、地图、胶片、磁盘等，不同数据存储介质和格式可相互转换。信息（Information）是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息具有客观性、适用性、可传输性和

3、共享性等特征。信息来源于数据，是数据内涵的意义和对数据的内容和解释。信息是一种客观存在，而数据是客观对象的一种表示，其本身并不是信息。数据所蕴含的信息不会自动呈现出来，需要利用一种技术如统计、解译、编码等对其解释，信息才能呈现出来。例如从实地或社会调查数据中通过分类和统计可获取到各种专门信息，从测量数据中通过量算和分析可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息，从遥感图像数据中通过解译可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。2. 地理数据和地理信息地理信息是有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释，而地理数据

4、则是各种地理特征和现象间关系的数字化表示。地理特征和现象的数据描述包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。空间位置数据描述地理对象所在位置，这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的相邻、包含等。由于绝大部分地理数据具有明显的几何特点，因而有时又称之为几何数据。属性数据有时又称非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标，如公路的等级、宽度、起点、终点等。时域特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。时域数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本

5、要素。地理数据具有空间上的分布性、数据量上的海量性、载体的多样性和位置与属性的对应性等特征。空间上的分布性是指地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分布或更新也应是分布式；数据量上的海量性反映地理数据的巨大性，地理数据既有空间特征，又有属性特征，另外，地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。这必然对数据处理与分析带来很大压力；载体的多样性指地理信息的第一载体是地理实体和地理现象的物质和能量本身，除此之外，还有描述地

6、理实体和地理现象的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。对于地图来说，它不仅是信息的载体，也是信息的传播媒介；地理实体和地理现象具有明确的位置特征和属性特征，两者之间是相互对应的和关联的，也就是说二者相互依赖，缺一不可，有位置则有属性，反之亦然。3. 地理信息的特征作为信息的一种，地理信息具备信息的基本特征，即信息的客观性、信息的适用性、信息的可传输性和信息的共享性；但从其本身而言，地理信息还具有一些独特的特性，他们包括： （1）空间相关性：任何地理事物是相关的，并且在空间上相距越近则相关性越大，空间距离越远则相关性越小，同时地理信息的相关性具有区域性特点。（

7、2）空间区域性：区域性是地理信息的天然特性，不仅体现在数据上的分区组织，而且在应用也是面向区域的，即一个部门或专题必然也是面向所管理或服务的区域的。（3）空间多样性：在不同地方或区域上，地理数据的变化趋势是不同的，地理信息的多样性意味着地理信息的分析结果需要依赖于其位置，才能得出合乎逻辑的解释。地理信息的多样性也体现在不同区域对地理信息的需求也不一样，特别是对于地理信息服务，信息的生产、信息的存储和信息的使用安排需要考虑不同地方对信息的需求。（4）空间层次性：地理信息的层次性首先体现在同一区域上的地理对象具有多重属性，例如某区的土壤侵蚀研究，相关因素包括该地区的降雨、植被覆盖、土壤类型等；其次

8、是空间尺度上的层次性，不同空间尺度数据具有不同的空间信息特征。1.1.2 信息系统1. 信息系统信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。在计算机时代信息系统都部分地或全部地由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。另外，智能化的信息系统还包括知识。 计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备；软件是支持数据信息的采集、存贮加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统；数据则是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；用户是信息系统所服务的对象。信息系统的基本特征是其对数据的加工和信息提取能力。一个信息系统的优劣应当根据它所提供的信息质量和数量来判断，而这又取决于信息系

9、统中的数据分析功能和数据分析模型。智能化的信息系统是当今信息系统的发展趋势。2. 信息系统的类型信息系统根据数据处理对象可分为空间信息系统和非空间信息系统，前者主要处理带有位置特征的数据（包括属性数据），而后则只有一般的事务性数据（不含空间特征）；从应用层次上，信息系统有事务处理系统、管理信息系统、决策支持系统等系统。地理信息系统在处理对象上属空间信息系统，在应用层次上则属决策支持系统。1.1.3 地理信息系统1. 地理信息系统定义地理信息系统（Geographic Information System或GeoInformation System，简称GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源

10、与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统，是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）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。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理实体和地理现象数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的地理线实体、现象及过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。简言之，地理信息系统是对空间数据进行采集、编辑、存储、分析和输出的计算机信息系统。通过上述的分析和定义可得出GIS的基本内涵如下：（1） GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关

11、联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的结构及其优劣程度直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。（2） GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体和地理现象。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。（3） GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测

12、。（4） GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为

13、地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言用数字形式来描述空间实体。2. 地理信息系统基本特征与一般信息系统相比，地理信息系统具有如下的基本特征：（1）数据的空间定位特征：地理数据的三要素中，除属性和时间外，空间位置特征是地理空间数据有别于其他数据的本质特征。一般信息信息系统仅包括属性和时间特征，而只有空间位置特征是地理数据所特有的，没有位置数据不能称为地理数据。地理信息系统要具有对空间数据管理、操纵和表示的能力。（2）空间关系处理的复杂性：地理信息的属性数据或属性信息，是除空间位置及关系外的所有的描述地理对象或人文属性的定性或定量的数据信息，这相当于一般信息系统所

14、处理的数据和信息，或者说，GIS系统中的属性信息处理就相当于一个普通的事务性信息处理系统。此可看出，地理信息系统除要完成一般信息系统的工作外，还要处理与之对应的空间位置和空间关系，以及与属性数据的一一对应处理。图形操作本身就是一个比较复杂的问题，何况在处理空间问题的同时还要处理属性数据，因此，GIS中的空间数据处理的复杂性是一般信息系统中前所未有的技术难题。空间关系处理的复杂性另一技术难点是数据的管理。一般事务性数据都是定长数据，而空间数据是不定长的，例如一个多边形，少则几个顶点，多则成百上千个顶点。而且新的空间数据及其关系在空间分析过程能中不断的产生。存储和管理这些空间数据是GIS数据库设计

15、必须面对的问题。（3）海量数据管理能力：地理信息系统海量数据特征来自两个方面，一是地理数据，地理数据是地理信息系统的管理对象，其本身就是海量数据；另外则来自空间分析，GIS在执行空间分析的过程中，不断地产生新的空间数据，这些数据也具备海量特征。地理信息系统的海量数据，带来的是系统运转、数据组织、网络传输等一系列的技术难题，这也是地理信息系统比其他信息系统复杂的又一个因素。1.1.4 地理信息系统外延GIS是计算机、测绘、地理等学科的综合体，在短短的四十余年发展过程中，GIS在内定义、术语和内涵等运用上，呈现出很大的弹性，具体体现在以下几个方面：1. 地理信息系统术语地理信息系统简称GIS，多数

16、人认为是Geographical Information System（地理信息系统），也有人认为是Geo-information System（地学信息系统）等等（表1.1）。现行国际上发行的两种主要GIS专业杂志International Journal of Geographical Information Science和Geo-informatics就采用不同的全称，前者是英国出版的季刊的全称，后者是德国出版的季刊的全称；澳大利亚称为Land Information System；在我国通常称为Resource and Environmental Information System

17、；另外还有从学科、技术、系统等角度给出GIS的全称。实际上，尽管GIS在全称上有所区别，但基本上都强调了：（1）GIS处理的是空间数据和空间信息；（2）处理过程是基于计算机的；（3）强调学科的综合和空间数据的继承处理。由此可看出，GIS一词本身并不重要，重要的是对GIS内涵的理解。表1.1 GIS同义词美国术语欧洲术语测绘专业（加拿大术）基于技术的术语基于学科的术语非地理学术语基于系统的术语地理信息系统（Geographical Information System）地理信息系统（Geographical Information System）地球信息科学（Geomatique）地学相关的信息

18、系统（Georelational Information System）自然资源信息系统（Natural resources information system）地球科学或地质信息系统（Geoscience or geological information system）空间信息系统（spatial information system）空间数据分析系统（Spatial data analysis system）2. 地理信息系统定义如上所述，由于学科背景、应用目的以及应用部门的差异，GIS在全称上不尽相同，这也导致对GIS所做出的定义也不同。当前对GIS的定义一般有四种观点：即面向数据处

19、理过程的定义、面向专题应用的定义、面向工具箱的定义和面向数据库的定义。面向数据处理过程的定义是从GIS的数据流程角度来定义GIS，即将GIS定义为对空间数据的采集、存储、管理和分析的技术系统；面向专题应用的定义是在面向过程定义的基础上，强调GIS所处理的数据类型，如土地利用GIS、交通GIS等；工具箱定义是基于软件系统的，认为GIS是处理复杂地理空间数据工具的集合；数据库则是在工具箱定义的基础上，更加强调分析工具和数据库间的连接，GIS是空间分析方法和数据管理系统的结合。3. GIS中“S”含义的演变在地理信息系统的简称“GIS”中，“S”的含义包含两层意思：一是系统（System），是从技术

20、层面的角度论述地理信息系统的，即面向区域、资源、环境等规划、管理和分析，处理地理数据的计算机技术系统，但更强调的其对地理数据的管理和分析能力；另一则是科学（Science），是广义上的地理信息系统，常称之为地理信息科学，是一个具有理论和技术的科学体系。例如早期的国际地理信息系统杂志（International Journal of Geographical Information System）现已改名为国际地理信息科学杂志（International Journal of Geographical Information Science），美国测绘学会刊物地图学与地理信息系统（Cartogr

21、aphy and Geographical Information System）也改名为地图学与地理信息科学（Cartography and Geographical Information Science）。遥感等信息技术、互联网技术、计算机技术等的应用和普及，“S”一词的含义也发生了变化，地理信息系统已经从单纯的技术型和研究型逐步向地理信息服务层面转移。如导航需要催生了导航GIS的诞生，著名的搜索引擎Google也增加了Google Earth功能，GIS成为人们日常生活中的一部分指日可待。在这一层面上，“S”一词代表着服务（Service）。当同时论述GIS技术、GIS科学或GIS服务

22、时，为避免混淆，一般用GIS表示技术，GIScience或GISci表示地理信息科学，GIService或GISer表示地理信息服务。图1.1 GIS名词演绎作为地理信息系统概论型教材，本书将地理信息系统仍然限制在技术层面，即从系统的角度进行GIS基本理论和技术方法的阐述，对地理信息系统的定义也采用目前较为通用的面向数据处理过程的定义，其简称GIS即地理信息系统。1.2 GIS功能地理信息系统将现实世界从自然环境转移到计算机环境，其作用不仅仅是真实环境的再现，更主要的是GIS能为各种分析提供决策支持。也就是说，GIS实现了对空间数据的采集、编辑、存储管理、分析和表达等加工处理，其目的是从中获得

23、更加有用的地理信息和知识。这里“有用的地理信息和知识“可归纳为位置、条件、趋势、模型和模拟等五个基本问题，GIS的价值和作用就是通过地理对象的重建和空间分析工具，实现对这五个基本问题的求解。1.2.1 基本功能需求1、 位置位置问题回答“某个地方有什么？”，一般通过地理对象的位置（坐标，街道编码等）进行定位，然后利用查询获取其性质，如建筑物的名称、地点、建筑时间、使用性质等。位置问题是地学领域最基本的问题，反映在GIS中，则是空间查询技术。2、 条件条件问题即“符合某些条件的地理对象在哪里”的问题，它通过地理对象的属性信息列出条件表达式，进而查找满足该条件的地理对象的空间分布位置。在GIS中，

24、条件问题虽也是查询的一种，但是较为复杂的查询问题。3、 趋势趋势即某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程。它要求GIS能根据已有的数据（现状数据、历史数据等），能够对现象的变化过程做出分析判断，并能对未来做出预测和对过去做出回溯。例如土地地貌演变研究中，可以利用现有的和历史的地形数据，对未来地形做出分析预测，也可展现不同历史时期的地形发育情况。4、 模式模式问题即地理对象实体和现象的空间分布之间的空间关系问题。例如，城市中不同功能区的分布与居住人口分布的关系模式；地面海拔升高、气温降低，导致山地自然景观呈现垂直地带分异的模式等。5、 模拟模拟即某个地方如果具备某种条件会发生什么问题，是在模

25、式和趋势的基础上，建立现象和因素之间的模型关系，从而发现具有普遍意义的规律。例如通过对某一城市的犯罪几率和酒吧、交通、照明、警力分布等基础上，对其他城市进行相关问题研究，一旦发现带有普遍意义的规律，即可将研究推向更高层次：建立通用的分析模型进行未来的预测和决策。1.2.2 GIS的基本功能为实现对上述问题的求解，GIS首先要重建真实地理环境，而地理环境的重建需要获取各类空间数据（数据获取），这些数据必须准确可靠（数据编辑与处理），并按一定的结构进行组织和管理（空间数据库），在此基础上，GIS还必须提供各种求解工具（称之为空间分析），以及对分析结果的表达（数据输出）。因此，一个GIS系统应该具备

26、以下基本功能。（1）数据采集功能：数据是GIS的血液，贯穿于GIS的各个过程。数据采集是GIS的第一步，即通过各种数据采集设备如数字化仪、全站仪、调查等来获取现实世界的描述数据，并输入GIS系统。GIS应该尽可能提供与各种数据采集设备的通讯接口。图1.2 GIS数据采集功能（2）数据编辑与处理（图1.3）：通过数据采集获取的数据称之为原始数据，原始数据不可避免的含有误差。为保证数据在内容、逻辑、数值上的一致性和完整性，需要对数据进行编辑、格式转换、拼接等一系列的处理工作。也就是说，GIS系统应该提供强大的、交互式的编辑功能，包括图形编辑、数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩、图形数据与属性数

27、据的关联等内容。 数 据 获 取数 据 入 库图1.3 数据编辑与处理（3）数据存储、组织与管理功能：计算机的数据必须按照一定的结构进行组织和管理，才能高效的再现真实环境和进行各种分析。由于空间数据本身的特点，一般信息系统的中数据结构和数据库管理系统并不适合管理空间数据，GIS必须发展自己特有的数据存储、组织和管理的功能。目前常用的GIS数据结构主要有矢量数据结构和栅格数据结构两种，而数据的组织和管理则有文件-关系数据库混和管理模拟模式、全关系型数据管理模式、面向对象数据管理模式等。栅格数据组织规则表格、多媒体等数据空间数据库图1.4 数据存储、组织与管理（4） 空间查询与空间分析功能：虽然数

28、据库管理系统一般提供了数据库查询语言，如SQL语言，但对于GIS而言，需要对通用数据库的查询语言进行补充或重新设计，使之支持空间查询。例如查询与某个乡相邻的乡镇穿过一个城市的公路、某铁路周围5km的居民点等，这些查询问题是GIS所特有的。所以一个功能强大的GIS软件，应该设计一些空间查询语言，满足常见的空间查询的要求。空间分析是比空间查询更深层次的应用，内容更加广泛，包括地形分析、土地适应性分析、网络分析、叠置分析、缓冲区分析、决策分析，等等。随着GIS应用范围扩大，GIS软件的空间分析功能将不断增加。空间数据（原料）GIS空间查询与空间分析（工具）如何造呢？图1.5 空间查询与空间分析要说明

29、的是，空间分析和应用分析是两个层面上的内容。GIS所提供的是常用的空间分析工具如查询、几何量算、缓冲区建立、叠置操作、地形分析等，这些工具是有限的，而应用分析却是无限的，不同的应用目的可能构建不同的应用模型。GIS空间分析为建立和解决复杂的应用模型提供了基本工具，因此GIS空间分析和应用分析是“零件”和“机器”的关系，用户应用GIS解决实际问题的关键，就是如何将这些零件搭配成能够用来解决问题的“机器”。（5） 数据输出功能：通过图形、表格和统计图表显示空间数据及分析结果是GIS项目的必须。作为可视化工具，不论是强调空间数据的位置还是分布模式乃至分析结果的表达，图形是传递空间数据信息最有效的工具

30、。GIS脱胎于计算机制图，因而GIS的一个主要功能就是计算机地图制图，包括地图符号的设计、配置与符号化、地图注记、图幅整饰、统计图表制作、图例与布局等项内容。此外对属性数据也要设计报表输出，并且这些输出结果需要在显示器、打印机、绘图仪或数据文件输出。GIS软件亦应具有驱动这些设备的能力。专题图 影像图 统计图表图1.6 GIS数据输出示例1.3 GIS组成GIS功能的实现需要一定的环境支持，GIS运行环境包括计算机硬件系统、软件系统、网络、空间数据和管理与应用人员。其核心部分是计算机软硬系统，空间数据反映了GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式（图1.7）。图1.

31、7 GIS组成1.3.1 硬件系统计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS硬件系统包括输入设备、处理设备、存储设备和输出设备四部分。其中处理设备、存储设备和输出设备与一般信息系统并无差别，但由于GIS处理的是空间数据，其数据输入设备除常规的设备外，还包括空间数据采集的专用设备如全球定位系统（Global Position System，GPS）、全站仪、数字摄影测量等，如图1.8所示。绘图仪打印机终端解析 和 数字摄

32、影测量仪器全站仪全数字摄影测量工作站GPS遥感与图像处理系统数字化仪扫描仪键盘鼠标磁带机光盘机活动硬盘硬盘阵列处理设备专用设备常规设备输入设备服务器工作站存储设备输出设备图1.8 GIS硬件组成1.3.2 软件系统图1.9 GIS软件构成图1.10 GIS软件功能模块软件系统是指GIS系统运行所必需的各种程序（图1.9所示），通常包括以下GIS系统支撑软件、GIS系统平台软件和GIS系统应用软件三类。其中GIS支撑软件是指GIS系统运行所必需的各种软件环境，如操作系统、数据库管理系统、图形处理系统等；GIS系统平台软件包括GIS系统功能所必需的各种处理软件，一般包括空间数据输入与转换、空间数据

33、编辑、空间数据管理、空间查询与空间分析、制图与输出等五部分，称之为GIS五大子系统（如图1.10所示）；GIS应用软件一般是在GIS平台软件基础上，通过二次开发所形成的具体的应用软件，一般是面向应用部门的。1.3.3 网络GIS中网络的主要作用信息传输。由于GIS数据的海量特征，对网络的要求也比较高。GIS中的网络形式一般有：局域网、广域网、无线网络和Internet/Intranet/Extranet等几种（图1.11）。局域网（Local Area Network,LAN）由特定类型的传输媒体(如电缆、光缆和无线媒体)和网络适配器(亦称为网卡)互连在一起的计算机，并受网络操作系统监控的网络

34、系统，适合于小区、区业内部等的网络建设。广域网（Wide Area Network，WAN）是众多LAN的集合，其中有些LAN或者全部LAN使用跨越较长距离的点到点链路连接在一起，最大特点是计算机分布范围广，不受区域限制，广泛采用电话通道或卫星信道，但传输效率较低。无线网络主要是针对移动GIS而言的，采用无线通信方法解决信息的传输问题。Internet是一个由各种不同类型和规模的独立运行与管理的计算机网络组成的全球范围的计算机网络。组成Internet的计算机网络包括局域网（LAN）、城域网（MAN）以及大规模的广域网（WAN）等。Internet网络互连采用的基本协议是TCP/IP。Intr

35、anet是指一个企业内部各组织互连所形成的网络。它是在统一行政管理和安全控制管理之下，采用Internet的标准技术和应用系统建设成的网络，并使用与Internet相互协调的技术开发企业内部的各种应用系统。Extranet是在Internet和Intranet的基础上发展起来的，根据企业自身的体系结构和运作方式，使网络高层体系结构逐步与企业计算模式相协调。图1.11 网络1.3.4 空间数据地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等（如图1.12所示），由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统

36、程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS其地理空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的数据类型：图1.12 GIS数据（1）某个已知坐标系中的位置即几何坐标，标识地理实体和地理现象在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。（2）实体间的空间相关性即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换

37、、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。（3）与几何位置无关的属性即常说的非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体和地理现象相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级，定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体和地理现象至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量

38、算指标对系统的功能有较大的影响。地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。1.3.5 人员人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用，如图1.13所示。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。图1.13 GIS开发、管理与应用人员1.4 GIS类型GIS发展迅

39、速，应用广泛，GIS的类型划分也无一定之规。一般地，可根据GIS的研究内容、功能、作用等对GIS进行类型划分（如表1.2所示）。表1.2 GIS类型GIS功能应用功能工具型GIS应用型GIS专题GIS、区域GIS大众型GIS软件功能专业GIS（Professional GIS）桌面GIS（Desktop GIS）手持GIS（Hand-held GIS）组件GIS（Component GIS）GIS浏览器（GIS Viewer）数据结构矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS维数2D GIS3D GISTGIS（时态GIS）软件与支持环境GIS模块集成式GIS模块化GIS核心式GIS组件式GIS和 We

40、bGIS互操作GIS1.4.1 按GIS功能从功能角度上，GIS可分为应用功能和软件功能两大类，前者强调GIS的社会服务功能，可再分为工具型GIS、应用型GIS和大众化GIS三类，后者侧重GIS软件自身功能，一般分为专业GIS、桌面GIS、手持GIS、组件GIS、GIS浏览器几类。1. 应用功能工具型地理信息系统也称之为地理信息系统开发平台或外壳，它是具有GIS的基本功能、供其他系统调用或用户进行二次开发的操作平台。GIS是一个复杂庞大的软件系统，而用GIS解决实际问题尚需用户进行一定程度的二次开发，如用户重复开发将会造成人力、物力和时间的浪费。工具型GIS为GIS用户提供一种技术支持，使用户

41、能借助GIS并加上专题应用模型完成相应的任务。目前比较流行的工具型GIS软件如ArcGIS、MapInfo、GeoStar、MapGIS等。应用型GIS是根据用户的需求和应用目的而设计的一类或多类专门型GIS，它一般是在工具型GIS的平台上，通过二次开发完成。应用型GIS除具备GIS的基本功能外，还具有解决与专业相关的模型构建和求解功能。应用型GIS按研究对象性质和能力又分为专题GIS和区域GIS两种类型。专题GIS，专题GIS是为特定专业服务的、具有很强专业特点的GIS，如交通GIS、水资源GIS、城市管网GIS、土地利用GIS等；区域GIS，区域GIS主要以区域综合研究和全面信息服务为目标

42、，按区域大小可以有国家级、地区、省级、市级等不同行政区域的GIS，如江苏省GIS；也可以按照自然分区或流域为单位的区域GIS，如黄河流域GIS。大众型GIS是一种面向大众、不涉及具体专业的GIS，使用者只需要有一般的计算机常识即可操作GIS，例如为普及和加强公众的环境意识而开发的环境教育信息系统。2. 软件功能按照GIS软件功能的强弱，GIS软件分为专业GIS、桌面GIS、手持GIS、组件GIS、GIS浏览器等，其中专业GIS功能最强，几乎具有所有的GIS功能，桌面GIS功能次之，GIS浏览器功能最为简单，主要是查询。随着GIS功能由强到弱，GIS的应用范围也逐步拓宽，服务对象从专业领域到整个

43、社会。 1.4.2 按数据结构从数据结构上，GIS可以分为矢量GIS、栅格GIS和矢量-栅格GIS三种类型，这种划分是以GIS系统的主要数据处理和管理对象为依据的。尽管一个GIS软件可以划归为某一类GIS类型如矢量GIS，但不代表该软件并不能处理其他空间数据，只是功能强弱的问题。1.4.3 按数据维数从数据维数的角度，GIS可分为2D GIS、3D GIS和时态GIS（Temporal GIS，TGIS）等类型。以平面制图和平面分析为主的GIS，称之为2D GIS，当增加了高程信息并将高程信息看作是属性时，以及可以构建数字高程模型或数字地形模型的GIS，称之为2.5D GIS。若平面位置和高程

44、信息相互独立，即形成所谓的3D GIS。时态GIS是将时间概念引入到GIS系统中，用以反映空间信息随时间变化的GIS。要说明的是，随着GIS从低维向高维的发展，空间维数特别是关于2.5D GIS和3D GIS之间一直是一个存在分歧和争议的问题。在2.5D GIS和3DGIS上，先后出现了一些新的名词，如2.75D GIS、表面3D GIS、3D城市模型、真3D GIS等等。实际上，不管是2.5 D、2.75 D、假3 DGIS，他们与真3D GIS的区别在于：前者描述的是三维空间实体的表面而不表达其内部属性，而后者不仅刻画实体表面，还表达实体内部的属性。其区别如表1.3所示。表1.3 GIS维

45、数分析2D GIS2.5D GIS表面3D GIS真3D GIS数学模型F = f (x, y)H = f (x, y)H = f (x, y, zi)F = f (x, y, zi)高程特征无高程信息高程为点的属性一点对应多个z值一点对应多个z值属性特征平面抽象表面抽象无体内属性有体内属性构模方式2D矢量或栅格2D矢量或栅格面元构模3D矢量，体元构模1.4.4按软件开发模式和支撑环境按软件开发模式和支撑环境，GIS软件可分为GIS模块、集成式GIS、模块化GIS、核心式GIS、组件式GIS和WebGIS以及互操作GIS等几种类型，这些类型实际代表了GIS软件开发和集成技术的发展历程。GIS模

46、块。GIS模块是早期GIS开发的主要模式，其特点是GIS软件往往只能满足于某些功能要求的一些模块，没有形成完整的系统，各个模块之间不具备协同工作的能力；集成式GIS。随着软件开发技术的发展，各种GIS模块走向集成，逐步形成大型GIS软件包，形成集成式GIS。他集成了GIS的各项功能并形成独立完善的系统，但系统复杂、庞大，从而导致成本高且难以与其他系统进行集成。模块化GIS。模块化GIS是把GIS按照功能划分为一系列模块，运行于同一的集成环境之上。模块化GIS具有较大的工程针对性，便于开发、维护和应用，但难以与管理信息系统、专业应用模型等进行无缝集成；核心式GIS。为解决集成式GIS与模块化GI

47、S的缺点，提出了核心式GIS的概念。核心式GIS提供一系列的GIS功能动态链接库，开发GIS应用系统时可以采用现有的高级编程语言，通过应用程序接口API访问和调用内核所提供的GIS功能。核心式GIS虽然可以与MIS集成，但开发过于底层，给应用开发者带来一定的难度；组件式GIS。组件式GIS基于标准的组件式平台，各个组件之间不仅可以自由灵活地重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口；因特网的发展为GIS发展带来了另外一个领域的发展，Web技术和GIS技术的结合产物就是WebGIS；互操作GIS。互操作GIS是指在计算机网络环境下，遵循一个公共的接口标准，能够实现空间数据和数据处理功能的共享

48、和相互操作的GIS，互操作GIS的前提是GIS组件化。1.5 GIS与其他学科的关系1.5.1 与相关学科关系GIS是现代科学技术发展和社会需求的产物。人口、资源、环境、灾害是影响人类生存与发展的四大基本问题。为了解决这些问题必须要自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合攻关。于是，许多不同的学科，包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科，参在寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理和显示输出从自然界和人类社会获取的各式各样数据、信息的强有力工具，其归宿就是地理信息系统，或称空间信息系统，资源与环境信息系统。因此，G

49、IS明显地具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的发展。尽管GIS涉及众多的学科，但与之联系最为紧密地还是地理学、制图学、计算机、测绘与遥感等（图1.14）。图1.14 GIS的相关科学技术地理学和测绘学是以地域单元研究人类居住的地球及其部分区域，研究人类环境的结构、功能、演化以及人地关系。空间分析是GIS的核心，地理学作为GIS的分析理论基础，可为GIS提供引导空间分析的方法和观点。测绘学和遥感技术不但为GIS提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。遥

50、感是一门60年代以后发展起来的新兴学科。由于遥感信息所具有的多源性，弥补了常规野外测量所获取数据的不足和缺陷，以及在遥感图像处理技术上的巨大成就，使人们能够从宏观到微观的范围内，快速而有效地获取和利用多时相、多波段的地球资源与环境的影像信息，进而为改造自然，造福人类服务。GPS卫星全球定位系统是新一代卫星导航和定位系统。美国已于1993年完成了整个系统的部署，达到全效能服务的阶段。它在测量和勘察领域可以取代常规大地测量来完成各种等级的定位工作，在航空摄影和遥感领域GPS遥感对地定位系统很有发展前途，在舰船、飞机、汽车的导航定位，导弹的精确制导方面应用更为广泛，在地球动力学、重力场、磁场等的研究

51、中也能发挥很大作用。此外，GIS最初是从机助制图起步的，早期的GIS往往受到地图制图中在内容表达、处理和应用方面的习惯影响。但是建立在计算机技术和空间信息技术基础上的GIS数据库和空间分析方法，并不受传统地图纸平面的限制。GIS不应当只是存取和绘制地图的工具，而应当是存取和处理空间实体的有效工具和手段，存取和绘制地图只是其功能之一。 再者，GIS与计算机科技、数学、运筹学、统计学、认知学等学科也密切相关。计算机辅助设计(CAD)为GIS担供了数据输入和图形显示的基础软件；数据库管理系统(DBMS)更是GIS的核心；数学的许多分支，尤其是几何学、图论、拓扑学、统计学、决策优化方法等被广泛应用于G

52、IS空间数据的分析。总之，遥感技术可以为资源检测和环境检测提供丰富、实时的宏观信息，并为计算机制图系统和GIS的数据更新提供可靠、快速的数据源。但遥感对浩如烟海的社会经济统计数据，人类活动的大量信息却无力获取。计算机制图技术可为地理信息的时空分布和产品输出提供先进的手段，但它本身无区域综合、分析和决策的功能；GPS技术、数字摄影测量和遥感技术可成为GIS数据采集和及时更新的主要技术手段和有力支撑；而GIS既能提供信息查询、检索服务，又能提供综合分析评价，它在资源和技术方面的博才与运筹帷幄的优势，是遥感、GPS和自动制图技术所不及的。因此，只有它们的有机结合，才能使遥感和GPS技术所获取的瞬时信

53、息经过积累和延伸，才具有反映自然历史发展过程和人为影响的能力，并达到实时处理的功能，为科学管理、规划决策服务。这样，逐步形成了GIS与诸多学科之间互相有联系，也有挑战，彼此推动，共同发展的关系和局面。1.5.2 与其他信息系统区别与联系如上所述，计算机制图、计算机辅助设计、数据库管理系统、遥感图像处理技术奠定了地理信息系统的技术基础。地理信息系统是这些学科的综合，它与这些学科和系统之间既有联系又有区别，为更好的理解GIS，需要知道GIS与这些系统之间的区别。1. GIS与机助制图系统的区别与联系 机助制图是地理信息系统的主要技术基础，它涉及GIS中的空间数据采集、表示、处理、可视化甚至空间数据

54、的管理。无论是在国际，还是国内，GIS早期的技术都反映在机助制图方面。机助制图系统或者说数字地图系统，在概念和功能上有很大的差异，它涵盖了相当大的范围，从大比例尺的数字测图系统、电子平板，到小比例尺的地图编辑出版系统、专题图的桌面制图系统、电子地图制作系统及地图数据库系统。它们的功能主要强调空间数据的处理、显示与表达，有些数字制图系统包含空间查询功能。 地理信息系统和数字制图系统的主要区别在于空间分析方面。一个功能完善的地理信息系统可以包含数字制图系统的所有功能，此外它还应具有丰富的空间分析功能。当然在很多情况下，数字制图系统与地理信息自是很难区分的，但要建立一个决策支持型的GIS应用系统，需

55、要对多层的图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，以提供对规划、管理和决策有用的信息，各种空间分析如缓冲区分析、叠置分析、地形分析、资源分配等功能是必要的。2. GIS与数据库管理系统的区别与联系 数据库管理系统目前一般指商用的关系数据库管理系统，如Oracle，SyBase，SQLserver，Infomix，FoxPro等。它们不仅是一般事务管理系统，如银行系统、财务系统、商业管理系统、飞机订票系统等系统的基础软件，而且通常也是地理信息系统中属性数据管理的基础软件。目前甚至有些GIS的图形数据也交给关系数据库管理系统管理，而关系数据库管理系统也在向空间数据管理方面扩展，如Oracle，In

56、fomix，Ingres等都增加了管理空间数据的功能，今后有可能GIS中的图形数据和属性数据全部由商用关系数据库管理系统管理。 但是数据库管理系统和地理信息系统之间还存在着区别。地理信息系统除需要功能强大的空间数据的管理功能之外，还需要具有图形数据的采集、空间数据的可视化相空间分析等功能。所以，GIS在硬件和软件方面均比一般事务数据库更加复杂，在功能上也比后者要多得多。例如，电话查号台可看作一个事务数据库系统，它只能回答用户所查询的电话号码，而一个用于通讯的地理信息系统除了可查询电话号码外，还可提供所有电话用户的地理分布、电话空间分布密度、公共电话的位置与分布、新装用户距离最近的电信局等信息。

57、3. GIS与CAD的区别与联系 计算机辅助设计(CAD)是计算机技术用于机械、建筑、工程种产品设计的系统，它主要用于范围广泛的各种产品和工程的图形，大至飞机小到微芯片等。CAD主要用来代替或辅助工程师们进行各种设计工作，也可以与计算机辅助制造(CAM)系统共同用于产品加工中作实时控制。 GIS与CAD系统的共同特点是二者都有坐标参考系统，都能描述和处理图形数据及其空间关系，也都能处理非图形属性数据。它们的主要区别是，CAD处理的多为规则几何图形及其组合，图形功能极强，属性功能相对较弱。而GIS处理的多为地理空间的自然目标和人工目标，图形关系复杂，需要有丰富的符号库和属性库GIS需要有较强的空间分析功能，图形与属性的相互操作十分频繁，且多具有专业化的特征。此外，CAD一般仅在单幅图上操作，海量数据的图库管理的能力比GIS要弱。 但是由于CAD具有极强的图形处理能力，也可以设计丰富的符号相连接属性，许多用户都把它作为数字制图系统使用。有些软件公司为了充