地理信息系统课本讲义第一部分

1、地理信息系统原理遥感信息工程学院李建松 TEL: 主要参考资料：参考书：1、地理信息系统（上卷）原理与技术，译著，唐中实等，电子工业出版社； 2、地理信息系统导论，译著，陈建飞等，科学出版社。练习软件：ArcGIS 9.2;资料下载： 学习方法与要求要求： 1、掌握GIS的基本概念、基本理论、基本操作方法（即原理与技术）； 2、理解GIS的基本建设内容和过程； 3、了解GIS最新发展趋势和方向； 4、按时完成布置的作业或任务，不缺课。学习方法： 1、认真听课，做好笔记。理解每节课的内容； 2、注意参考资料的阅读； 3、动手实践（基于软件）； 4、重视课堂讨论课，并做好准备。成绩考核期末考试：7

2、0；平时成绩：10；平时测验：20（两次，各10）。第一部分 地理信息系统的科学和技术基础第一章 地理信息系统概述第二章 地理信息系统的科学基础第三章 地理信息系统的理论基础第四章 地理信息系统的技术基础第一章 地理信息系统概述世界各地的人每天都会提出以下一些问题：种植园的土壤有什么特征（农场主）？下一个服装店应该设在哪里（零售商）？应该在道路的何处开挖，才能迅速找到煤气总管（煤气工程师）？臭氧洞在过去十年有何变化（气候学家）？有预测意大利未来地震趋势的模型吗（地质学家）？在过去的两次人口普查中，城乡人口在分布上有何变化（规划师）？在这里配备武器装备和人员，会遭到谁袭击（军事指挥员）？将冰箱送

3、到客户家里，如何走最好（配送管理员）？前12个月，这个城市买掉的土地和财产总值是多少（城市会计师）？如果雾天发生火灾，大火将向何方扩展，将有多少木材被烧掉（林务官）？若大量污水排入井内，污水将如何扩散，对饮水者产生何影响（水文学家）？ 等等诸如此类的问题。这些问题的共同特点都是与地理环境和地理过程密切相关的。 地理信息系统领域的专家都很清楚，要回答这些问题，需要访问多维（空间维、时间维）、大容量和高处理费用特征的地理信息，同时即使回答简单的地理学问题，也要求按统一的标准集成多种数据源。因此，关于什么是GIS的第一个定义是：地理信息系统（Geographical Information Syst

4、em 简称GIS）是用于回答地理学问题的艺术、科学、工程和技术的统称，是一种用计算机创建和描述地表的数字表达方法。这是对GIS的一个广义的定义。从20世纪60年代至今，GIS已经迅速发展成为一个独特的研究和应用领域，并形成一个全球性的重要行业。成为IT的主流。第一节 GIS发展概况GIS并不是一项新生事物，上世纪60年代，计算机已用于存储和处理地理数据。其早期的工作例子有: 1 、爱丁堡大学的计算机制图，哈佛实验室的计算机制图SYMAP； 2、加拿大的土地详查和其后的CGIS； 3、马里兰大学的栅格系统MANS; 4、奥地利的地籍系统 5、美国人口普查局的DIME等。第一节 GIS发展概况其发

5、展共经历的几个阶段：1、195060年代为GIS的开拓期，注重于空间数据的地学处理。 资源普查、人口统计、地理管理、土地规划等的应用。2、1970年代为GIS的巩固发展时期，注重空间地理信息的管理。三个主要原因:（1）资源开发利用和环境保护问题，是这个时期政府的首要解决难题，需要一种分析处理地理信息的技术、方法和系统； （2）计算机技术发展，软件、硬件技术发展； （3）专业人才增加。 3、1980年代为GIS大发展时期，注重于空间决策支持分析。涉及的学科和应用领域迅速扩大。 土地利用、土地规划，与遥感的结合，GIS开始解决全球性问题，如沙漠化、可居住区域评价、气候变化、核扩散、环境检测等。 4

6、、1990年代为GIS的用户时代。一方面，GIS已成为许多机构必备的工作系统，一些部门一定程度上受GIS的影响，改变了现行的运行方式、机构设置和工作计划。另一方面，社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅增加，从而导致GIS应用的扩大和深化。 5、21世纪初期为GIS的空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）时代。随着GIS技术更加广泛和深入的应用，网络环境下的地理空间信息分布式存取、共享与交换、互操作、系统集成等成为新的发展亮点。 地理信息系统在技术发展导引和应用驱动两大动力因素作用下，得到了快速的发展。这主要归因于三个因素，1、是计算机技术的发展，2、是空间技术

7、（特别是遥感技术）的发展，牵引着GIS的发展，3、是对海量空间数据处理、管理和综合空间决策分析应用的推动，驱使着GIS向前发展。GIS的发展渊源 1、作为数据分析与显示工具。 有一些早期的代表人物或机构： 瑞典气象学家用计算机辅助制作气候图； Terry Coppock 用计算机分析农业地理数据； 伦敦大学分析农业人口普查数据； Roger Tomlinson 用计算机完成加拿大土地详查数据的分析； 美国西北大学的Duane Marble 解决城市交通问题等。 2、作为制图的工具。 David Bickmore 是地图自动生产者的最初创新者。建立了数字地图牛津系统。美国的军事部门也开始了漫长、

8、艰辛的地图自动化工作。地图数字化仪、显示器、绘图仪是这个时期应用的创新成果。 3、其他渊源。 景观建筑和环境敏感性规划领域的应用。 景观建筑和环境敏感性规划观点揭示了地表环境由一组相对独立的层组成，每层代表地表环境的特定组成，并形成了所关心的地表环境。地表环境的这些层可以包括地下水、自然植被或土壤。这些观点，形成的层的模型，后来被许多GIS采用。 GIS的产生与遥感科学技术密切相关。遥感技术刺激了GIS的发展。遥感数据成为GIS的重要数据源。 GIS的产生与城市学、人口统计学密切相关。 GIS与地理学、制图学、测绘学等密切相关。结论：GIS与诸多明显独立的学科密切关联，并融为一体，形成了GIS

9、。从而成为一门崭新的、多学科的、关注空间表达概念和空间计算的交叉学科。第二节 地理信息系统的定义 关于GIS概念的争论在关于GIS概念的争论中，出现了对GIS概念的不同理解。其中，典型的一种观点认为GIS是一种工具。另一种观点认为，GIS是一种社会实践。 争论的根源来自于GIS自身的一些变化。从事GIS的一些企业由过去从事软件开发转换为GIS应用研究、数据结构研究、可视化技术研究的企业。GIS成为日常生活与学术研究普遍关注的一个研究领域。也迫使我们重新思考有特殊作用的GIS的内涵究竟是什么?这种争论涉及到两个问题，一是GIS的定位问题。学科定位，即是一个特殊的应用软件，还是一门学科。二是学术术

10、语问题。 所已知的事实是：地理信息系统与地理学密切相关。但在千百万GIS用户中，仅有极少部分出身于地理学。规划人员、管理人员（森林、土地、设施）、自然科学家、社会科学家、市场咨询人员、运输人员等以及其他使用GIS的人员，都不会太多地思考GIS中的“G”表示什么意义。明显地，“Geography”引入了远远超过学科界线的一些内容。地理学有两大类特殊概念，并且大多数人要么通过专业活动熟悉它们，要么通过日常生活熟悉它们。 一是地理学尺度的地理实体和地理现象； 地理实体是指相对永久存在的地表物体。这些实体可以小到一个村庄、一个井的位置，大到整个星球。它们都是地理尺度观点覆盖的范围。典型的地理实体是山地

11、、河流、城市、道路等。地理现象是偶然发生的地理事件，而不是已有的地理景观。如火灾、天气系统、洪水、干旱、土壤侵蚀、城市发展等。 “实体”是指现实世界中的事物，“对象”是指数字世界中的事物，数字对象及其相关的属性和值的大小用来表达地理实体的性质。实体和对象间的差异在于表达方法的不同。 GIS最有用的应用是通过地理实体自身的发展，对相对精止的地理实体和动态地理现象进行复杂的交叉研究。 二是地理尺度的时空可用性，特别是地理实体和地理现象的时空特征和时空关联特性。 关于这个概念常用的问题是“何时何地”的问题。“何地”是关于地理空间的经典地理学问题。尽管这个问题与它可能存在的答案之间乍一看就了解的东西，

12、但实际并非这样。 “何地”可以指陆地，也可以指精确的地理坐标或地址、或指在什么方向、多远、与什么为邻等多种答案。 类似地，关于地理实体和地理现象的时间维的问题也远远超过简单的有关时钟和日期是“何时”的提问，如何时变化、变化多快、怎样引起、同时发生了别的什么？什么先出现等。 地理信息系统地名字是通过地理学两类概念演绎出来的。既不是地图所列的内容，也不是空间信息系统。BEN 9.6目前，GIS术语倾向于用在操纵数字地理信息的环境中。因此，计算机制图、计算机地理信息分析以及计算机地理过程模型对地理过程未来的预测都可以表述为GIS。 在前面的概述中，对GIS有了一个广义的定义。所涵盖的内容超出了本课程

13、讲授的范畴。就全面理解GIS概念来讲，应使用这个定义。关于GIS的第二个定义：GIS是关于数字式表达空间和时间的技术科学，主要包括数字式数据的输入、存储、操作和输出。这个定义给大多数GIS用户提供了如何理解GIS的主要框架。这个定义回答了GIS不仅仅是一个特殊的软件，是一门学科。是一个相对通俗的定义。但就本课程讲授的内容，给出关于GIS的第三个定义：是相对第一个定义狭义的定义。但具体的多。作为一种特定的、十分重要的空间型信息系统。地理信息系统（Geographical Information System, GIS）可定义为： 在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空

14、间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、计算、分析、显示和描述的技术系统。其目的是为土地利用、自然资源管理、环境、交通、城市市政设施以及其它管理内容的规划和管理等领域提供决策支持。地理信息系统具有以下4个的特征： 1、地理信息系统的外壳是计算机化的技术系统，它又有若干相互关联的子系统构成，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、图象处理子系统、数据产品输出子系统等。这些子系统功能的强弱，直接影响在实际应用中对地理信息系统软件和开发方法的选型。2、地理信息系统操作的对象是地理空间数据，即由点、线、面这三类基本要素组成的地理实体。地理空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地

15、理坐标进行编码（地理编码），实现对其定位、定性和定量描述。只有在地理信息系统中，才实现了空间数据的空间位置、空间属性和时态三种基本要素的统一。3、地理信息系统的技术优势在于它的数据综合、模拟和空间分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程的演化和预测。4、地理信息系统的成功应用更强调组织体系和人的因素的作用。这是由地理信息系统的复杂性和多学科交叉性所要求的。分类1、地理信息系统按照范围大小可分为全球的、区域的和局部的三种，分别适用于所研究对象的特征、内容以及所要解决的问题的性质。2、按照表达空间数据维数，可分为2维、2.5维和布满整个三维空间的真三维地理信

16、息系统，以及考虑时间维的时态地理信息系统，或4维地理信息系统。3、按照地理空间数据模型或数据结构，可分为地理相关模型、地理关系模型、面向对象的模型的地理信息系统。4、按照内容来分，可以分为专题地理信息系统、综合地理信息系统和地理信息系统工具。 第三节 地理信息系统的基本概念一、信息和数据 信息（Information）是用文字、数字、符号、语言、图形、图象等介质或载体，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。 第三节 地理信息系统的基本概念信息具有的特点： 客观性 适用性 可传输性 共享性 第三

17、节 地理信息系统的基本概念 数据（Data）是指对某一事件、事务、现象进行定性、定量描述的原始资料，包括文字、数字、符号、语言、图形、图象以及它们能转换成的形式。 信息和数据是密不可分的。信息来源于数据，数据是信息的载体，但并不就是信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能提取数据中所包含的信息。信息处理的实质是对数据进行处理，在这个意义上，信息处理和数据处理是可以不加区分的。 第三节 地理信息系统的基本概念二、地理信息和地理数据 地理信息（Geographic Information） 是一些与地球表面（包括与地表非接近的地区、亚地表、海洋与大气圈）空间位置数据相关联的信息。 地理信息

18、是有关地理实体的性质、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和地理现象之间关系的地理数据的解释。第三节 地理信息系统的基本概念 地理数据（Geographic Data）是各种地理特征和现象之间关系的符号化表示。包括空间位置特征、属性特征及时态特征三个基本特征部分。 空间位置数据描述地理实体所在的空间绝对位置以及实体间存在的空间关系的空间相对位置。空间位置可由定义的坐标参照系统描述， 空间关系可由拓扑关系，如邻接、关联、连通、包含、重叠等来描述。 第三节 地理信息系统的基本概念 属性特征有时又称为非空间特征，是属于一定地理实体的定性、定量指标，即描述了地理信息的非空间组成成分

19、，包括语义数据和统计数据等。 时态特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。时态数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界的重视。 地理信息的空间位置、属性特征和时态特征是地理信息系统技术发展的根本点，也是支持地理空间分析的三大基本要素。尽管原理上“地理的”一词比“空间”的一词更适合描述地表结构信息，但“地理的”、“空间的”常常用作同义词。进来“地理空间”一词在欧美非常流行，这个术语在一些重要的报告中经常使用。第三节 地理信息系统的基本概念 地理信息除了具有信息的一般特性外，还具有以下独特特性： 空间分布性（地方性）、数据量大、多维结构和时序特征。空间分布性是指地理信息具有空间定

20、位的特点。 不像后面讲到的GIS软件，地理信息在很多方面有独特特性，但它们并没有体现在软件的操作中。Anelin L认为：就空间而言，空间有两个方面的特殊性，即：1、Tober著名的“第一地理规律”，即所有的地理事物是相关的，并且在空间上相距愈近相关性愈大，反之相关性愈小。这个空间依赖性或空间自相关性对地理数据而言是具有地方性的，与基于大量经典统计和用于描述地表无限复杂的地理独立性规律相对立。2、第二个空间特性是空间的多样性。即不同的地方，其地理数据的变化趋势是不同的。在统计上，这一概念符合非稳定性，这一概念也是非常有名的地理统计原理的基础。 实际上，这一概念意味着任何地理分析结果都依赖于所确

21、定研究区域的地理界线。3、综合上述空间两大特性，可以得到非常适合GIS的第三大空间特征。即将地理实体或现象表述为具有独一无二特性的“层”（道路、河流、土地、人口分布、降雨等）。从地理统计学上看，每个“层”对整个地理可变性的描述都有自己独立的贡献。“层”之间几乎总是具有很高的相关性。4、第四个空间特征，即地理信息的地方性。这是一个值得深入讨论的特征。因为当信息社会向依赖于分布式计算环境变化时，这个特征显得更加重要。三、地理信息原型(连续要素，离散要素) 有两个地理信息原型，一个是域信息，另一个是离散实体信息。（Goodchild） 在域信息描述中，地理空间被设想为一组空间连续的函数，每个函数在空

22、间的任何地方都有独一无二的值（连续要素）；而在离散实体信息描述中，设想离散实体被无序的其它空间几何对象占据，并被赋予属性。这样空间上的任意一点可以存在无数的离散体（离散要素）。地理信息域与离散实体的二分法已经用于地理信息系统的许多领域，包括地理信息的数据模型、地理信息数据质量、地理信息分析以及地理信息模拟。尽管GIS软件的版本发生了重大改变，但二分法的概念却始终未变。第三节 地理信息系统的基本概念四、信息系统及其类型 信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力，并能回答用户一系列问题的系统。 在计算机信息时代，信息系统部分或全部由计算机系统支持，并由硬件、软件、数据和用户四大要素组成。 第三

23、节 地理信息系统的基本概念计算机科学意义上的信息系统 第四节 地理信息系统的基本概念信息系统 第四节 地理信息系统的构成 完整的地理信息系统主要有五个部分组成，即硬件系统、软件系统、地理空间数据库、空间分析模型和系统管理人员、系统开发人员和数据处理及分析人员。 第四节 地理信息系统的构成一、硬件系统 1、GIS的单机系统模式（1）基于主机的系统（大型机、小型机系统，共享I/O存储设备，用户通过终端进行系统操作）集中式计算环境限制了大部分数据处理和信息系统的应用。数据集中管理和控制，用户增多，系统性能下降。（2）基于个人计算机的独立系统，个人独立完成数据处理和管理的一切事务。但数据共享成为问题。

24、单层结构第四节 地理信息系统的构成2、GIS企业内部网系统模式二层结构（实现企业级计算）915逻辑拓扑机架设置图第四节 地理信息系统的构成3、GIS因特网系统模式三层结构（实现企业级分布式计算）913安装SOC以及ArcGIS Server组件，SDE,ORACAL等安装SOM，ArcCatalog安装ADF安装DESKTOP,AO、AE开发软件安装WEB BROWSER用户混合结构4、基于域的无线系统 通过无线发射设备和传输接收设备，以及无线终端，如便携式计算机、PDA、手机等，通过调制解调器进入企业网的域用户，构成无线GIS，或移动GIS。和GPS的集成，形成今天占巨大市场份额的LBS（基

25、于位置的服务）服务。（Local-Based Service）本第四节 地理信息系统的构成二、软件系统GIS与用户的接口、通信软件（用户界面、通信软件）GIS应用软件（二次开发）GIS基本功能软件（商业化的GIS工具或平台）标准软件（图形图象处理、数据库系统、系统库、程序设计等）网络管理软件，工具软件操作系统高低操作系统：UNIX系统，WINDOWS系统网络管理：TCP/IP,HTTP,HTML,XML,GML等标准软件：ERDAS,PCI,NV; ORACLE,SQL SERVER,DB2; ,C#; GIS基本功能软件（商业软件）环境系统研究所（ESRI）：ArcInfo，ArcView，

26、ArcGIS；AutoDesk 公司：AutoCAD Map；得克萨斯Baylor大学：GRASS；克拉克实验室：IDRISI；荷兰国际航空航天测量与地球科学学会：ILWIS；MapInfo 公司：MapInfo；ThinkSpace 公司：MFworks；Intergraph 公司：MGE，GeoMedia；PCI Geomatics：PAMAP；Bentley System 公司：Microstation；TYDAC公司：SPANS；Caliper公司：TransCAD，Maptitude；Northwood 技术有限公司：Vertical Mapper。GIS应用软件（二次开发） 一般来

27、讲，商业化的GIS软件提供对地理空间数据的基本和通用的操作功能。但并不适合特定的GIS用户的需要。解决这个问题的方法就是依据商业软件提供的开发环境，进行二次开发。也称为客户化。 如ArcGIS提供的开发环境： 1、AML 2、MapObject 3、ArcObject 4、ArcEngine 再如，MapInfo提供的开发环境：MapX 917第四节 地理信息系统的构成GIS基本功能软件组成 第四节 地理信息系统的构成1、空间数据输入与格式转换子系统第四节 地理信息系统的构成2、数据存储与管理 它涉及地理要素（点、线、面）的位置、空间关系和属性数据如何构造和组织等。主要由特定的数据模型或数据结

28、构来描述构造和组织的方式，由数据库管理系统（DBMS）进行管理。在GIS的发展过程中，数据模型经历了由层次模型、网络模型、关系模型、地理关系模型、地理相关模型和面向对象的模型，它们分别代表着空间数据和属性数据的构造和组织形式。第四节 地理信息系统的构成3、图形与属性的编辑处理 GIS系统内部的数据是由特定的数据结构描述的，图形元素的位置必须符合系统数据结构的要求，所有元素必须处于统一的地理参照系中，并经过严格的地理编码和数据分层组织，因此需要进行拓扑编辑和拓扑关系的建立，进行图幅接边、数据分层、进行地理编码、投影转换、坐标系统转换、属性编辑等操作。除此之外，它们一方面还要修改数据错误，另一方面

29、还要对图形进行修饰，设计线型、颜色、符号、进行注记等。这些都要求GIS提供数据编辑处理的功能。第四节 地理信息系统的构成4、数据分析与处理 提供了对一个区域的空间数据和属性数据综合分析利用的能力。通过提供矢量、栅格、DEM等空间运算和指标量测，达到对空间数据的综合利用的目的。如基于栅格数据的算术运算、逻辑运算、聚类运算等，提供栅格分析；通过图形的叠加分析、缓冲区分析、统计分析、路径分析、资源分配分析、地形分析等，提供矢量分析。并通过误差处理、不确定性问题的处理等获得正确的处理结果。第四节 地理信息系统的构成6、数据输出与表示 它是将GIS内的原始数据，经过系统分析、转换、重组后以某种用户可以理

30、解的方式提交给用户。它们可以是地图、表格、决策方案、模拟结果显示等形式。当前GIS可以支持输出物质信息产品和虚拟现实与仿真产品。第二节 地理信息系统的构成6、用户接口 主要用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口和数据接口。系统通过菜单方式或解释命令方式接收用户的输入。由于地理信息系统功能复杂，无论是GIS专业人员，或者非专业人员，提供操作友好的界面可以提高操作效率。当前，Windows风格的菜单界面几乎成了GIS的界面标准。第四节 地理信息系统的构成三、地理空间数据库 数据是GIS的操作对象，是GIS的血液，它包括空间数据和属性数据。数据组织和管理质

31、量，直接影响GIS操作的有效性。在地理数据的生产中，当前主要是4D产品，即数字线划数据（Digital Line Graph, DLG）、数字栅格数据（Digital Raster Graph, DRG）、数字高程模型（Digital Elevation Model, DOM）、数字正射影象（Digital Ortho Map, DOM）。空间数据质量通过准确度、精度、不确定性、相容性、一致性、完整性、可得性、现势性等指标度量。第四节 地理信息系统的构成 GIS的空间数据均在统一的地理参照框架内，对整个研究区域进行了空间无缝拼接，即在空间上是连续的，不再具有按图幅分割的迹象。空间数据和属性数据

32、进行了地理编码、分类编码和建立了空间索引，以支持精确的、快速的定位、定性、定量检索和分析。其数据组织按工作区、工作层、逻辑层、地物类型等方式进行。第四节 地理信息系统的构成 地理空间数据库是地理数据组织的直接结果，并提供数据库管理系统进行管理。通过数据库系统，对数据的调度、更新、维护、并发控制、安全、恢复等提供服务。根据数据库存储数据的内容和用途，可分为基础数据库（框架数据库）和专业数据库，前者反映基础的地理、地貌等基础地理框架信息，如地图数据库、影象数据库、土地数据库等，后者反映不同专业领域的专门地理信息，如水资源数据库、水质数据库、矿产分布数据库等。 第四节 地理信息系统的构成 由于测绘和

33、数据综合技术的原因，当前GIS只能对多比例尺测绘的地图数据分别建立对应的数据库。由于上述原因，在一个地理信息系统中，可能存在多个数据库。这些数据库之间还要经常进行相互访问，因此会形成多数据库系统。又由于地理信息的分布性，还会形成分布式数据库系统。为了支持数据库的数据共享和交换，并支持海量数据的存储，需要使用数据存储局域网、数据的网络化存取系统、及数据中心等数据管理方案。第四节 地理信息系统的构成四、空间分析模型 GIS空间分析模型的建立和选择是地理信息系统成功应用的重要因素，这是地理信息系统功能和目的所决定的。虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解决，必须

34、通过构建专门的应用分析模型，例如土地利用适宜性模型、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、最优化模型和影响模型等才能达到目的。 第四节 地理信息系统的构成五、人1、地图的使用者。他们需要从地图上查找感兴趣的东西。2、地图生产者。编辑各种专题或综合信息地图。3、地图出版者。需要高质量的地图输出产品。4、地图分析员。他们需要根据位置和空间关系完成分析任务。5、数据录入人员。完成数据编辑。6、数据库设计者。需要实现数据的存储和管理。7、开发者。需要实现GIS的软件功能。第五节 地理信息系统的功能 地理信息系统作为空间信息的处理、管理和分析系统，其功能遍历数据采集、分析、决

35、策应用的全部过程，并能回答和解决以下五类问题：第五节 地理信息系统的功能1、位置问题。解决在特定的位置有什么或是什么的问题。位置可表示为绝对位置和相对位置，前者由地理坐标确定，后者由空间关系确定。如河流、道路、房屋的位置问题由坐标确定，某个省相邻的省有哪些？某个阀门连接了哪些管道？从某地出发可否到达另一地点？等，可由空间关系解决。第五节 地理信息系统的功能2、条件问题，解决符合某些条件的地理实体在哪里的问题。例如在某个地区寻找面积不小于1 000平米的不被植被覆盖的，且地下条件适合于大型建筑的区域问题。3、变化趋势问题。利用综合数据分析，识别已发生或正在发生的地理事件或现象，或某个地方发生的某

36、个事件随时间变化的过程。第五节 地理信息系统的功能4、模式问题。分析已发生或正在发生事件的相关因素（原因）。例如，某个交通路口经常发生交通事故，某个地区犯罪率经常高于其它地区，生物物种非正常灭绝等问题，分析造成这种结果的因果关系如何。5、模拟问题。某个地区如果具备某种条件，会发生什么的问题。主要是通过模型分析，给定模型参数或条件，对已发生或未发生的地理事件、现象、规律进行演变、推演和反演等。如对洪水发生过程、地震过程、沙尘暴过程等模拟。第六节 著名的学术机构和组织美国测量与制图学会（ACSM）；自动制图与设施管理GIS专业委员会（AM/FM）;国际摄影测量与遥感协会（ISPRS）；美国摄影测量

37、与遥感协会GIS专业委员会（ASPRS）;美国大学地理信息委员会系统科学协会GIS专业委员会（UCGIS）；美国城市与区域信息系统协会GIS专业委员会（URISA）；英国地理信息联合会（AGI）;欧洲地理信息系统组织（EUROGI）；中国GIS专业协会（CPGIS）；英国GIS研究联合会（GISRUK）；欧洲地理信息实验室协会（AGILE）;欧洲城市数据管理协会（UDMS）；OpenGIS协会（OGC）；国际标准化组织（ISO-TC211）；美国国家地理信息系统与分析中心（NCGIA）第二章 地理信息系统的科学基础前面讲过，GIS与许多明显独立的学科密切关联，并融为一体，形成了GIS。 其中一

38、些学科的研究理论和方法直接影响了GIS的形成和发展，并成为GIS理论与技术的一部分。同时GIS技术也改变着这些学科研究的方法和手段。它们与GIS之间既有交叉，又有不同。 就大的学科领域来讲，这些学科是： 1、地球系统科学（Earth System Science）是研究地球系统的科学。地球系统，是指由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈（包括人类自身）等四大圈层组成的作为整体的地球。它包括了自地心到地球的外层空间的十分广阔的范围，是一个复杂的非线性系统。 就解决人类当前面临的人与自然的问题而言，如气候变暖、臭氧洞的形成和扩大、沙漠化、水资源短缺、植被破坏和物种大量消失等，已不在是局部或区域性问题。就学

39、科内容而言，它已远远超出了单一学科的范畴，而涉及大气、海洋、土壤、生物等各类环境因子，又与物理、化学和生物过程密切相关。因此，只有从地球系统的整体着手，才有可能弄清这些问题产生的原因，并寻找到解决这些问题的办法。从科学技术的发展来看，对地观测技术的发展，特别是由全球定位系统（GPS）、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）组成的对地观测与分析系统，提供了对整个地球进行长期的、立体监测能力，为收集、处理和分析地球系统变化的海量数据，建立复杂的地球系统的虚拟模型或数字模型提供了科学工具。 由于地球系统科学面对的是综合性问题，应该采用多种科学思维方法，这就是大科学思维方法，包括系统方法、分析与综合方法

40、、模型方法。 1、系统方法，是地球系统科学的主要科学思维方法。这是因为地球系统科学本身就是将地球作为整体系统来研究的。这一方法体现了在系统观点指导下的系统分析和在系统分析基础上的系统综合的科学认识的过程。 2、分析与综合统一的方法，从地球系统科学的概念和所要解决的问题来看，这也是地球系统科学的科学思维方法。包括从分析到综合的思维方法和从综合到分析的思维方法，实质上是系统方法的扩展和具体化。3、模型方法，针对地球系统科学所要解决的问题及其特点，建立正确的数学模型，或地球的虚拟模型、数字模型，是地球系统科学的主要科学思维方法之一。这对研究地球系统的构成内容的描述、过程推演、变化预测等是至关重要的。

41、 关于地球系统科学的研究内容，目前得到国际公认的主要包括气象和水系、生物化学过程、生态系统、地球系统的历史、人类活动、固体地球、太阳影响等。 综上所述，可以认为，地球系统科学是研究组成地球系统的各个圈层之间的相互关系、相互作用机制、地球系统变化规律和控制变化的机理，从而为全球变化预测，解决人类面临的问题建立科学基础，并为地球系统科学管理提供依据。2、地球信息科学 地球信息科学（Geo-Informatics, 或Geo Information Science, 简称GISci）是地球系统科学的组成部分，是研究地球表层信息流的科学，或研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流的科学。就地球信

42、息科学的技术特征而言，它是记录、测量、处理、分析和表达地球参考数据或地球空间数据学科领域的科学。地球信息科学属于边缘学科、交叉学科或综合学科。它的基础理论是地球科学理论、信息科学理论、系统理论和非线性科学理论的综合，是以信息流作为研究的主题，即研究地球表层的资源、环境和社会经济等一切现象的信息流过程，或以信息作为纽带的物质流、能量流，包括人流、物流、资金流等等的过程。这些都被认为是由信息流所引起的。 这个术语在欧美测绘工程领域和大地测量学领域被广泛认可。信息流程都明显表示为： 信息获取存储检索分析加工最终视觉产品 在信息时化、网络化时代 ：信息获取存储检索分析加工最终视觉产品信息服务 国内外的

43、许多著名专家都认为，地球信息科学的主要技术手段包括遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、和全球定位系统（GPS）等高新技术，即所谓的“3S”技术。或者说，地球信息科学的研究手段，就是由RS、GIS和GPS为技术核心构成的立体对地观测系统。其运作特点是，在空间上是整体的，而不是局部的；在时间上是长期的，而不是短暂的；在时序上是连续的，而不是间断的；在时相上是同步的、协调的，而不是异相的、分属于不同历元的；在技术上不是孤立的，而是由RS、GIS和GPS三种技术集成的。它们共同组成对地观测系统的核心技术。 在对地观测系统中，遥感技术为地球空间信息的快速获取、更新提供了先进的手段，并通过遥感图象处理软

44、件、数字摄影测量软件等提供影像的解译信息和地学编码信息。地理信息系统则对这些信息加以存储、处理、分析和应用，而全球定位系统则在瞬间提供对应的三维定位信息，作为遥感数据处理和形成具有定位定向功能的数据采集系统、具有导航功能的地理信息系统的依据 3、地理信息科学 地理信息科学（Geographic Information Science）是信息时代的地理学，是地理学信息革命和范式演变的结果。它是关于地理信息的本质特征与运动规律的一门科学，它研究的对象是地理信息，是地球信息科学的重要组成成分。经典地理学数量革命信息革命计量地理学地理信息科学以人力测绘为基础的对地球表层形态进行描述以数学语言对地表现象

45、空间分布特征进行描述以信息科学技术和语言描述和模拟地表信息机理发展：地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论和技术问题，如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等。并在理论、技术和应用三个层次，构成地理信息科学的内容体系， 地球空间信息科学（范畴小于前面的地球信息科学） 地球空间信息科学(Geo Spatial Information Science简称Geomatics)是以全球定位系统（GPS）、地理信息系

46、统(GIS)、遥感(RS)为主要内容，并以计算机和通信技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存贮、管理、显示、传播和应用与地球和空间分布有关数据的一门综合和集成的信息科学和技术。 地球空间信息科学是地球科学的一个前沿领域，是地球信息科学的一个重要组成部分，是以“3S”技术为其代表，包括通信技术、计算机技术的新兴学科。其理论与方法还处于初步发展阶段，完整的地球空间信息科学理论体系有待建立，一系列基于“3S”技术及其集成的地球空间信息采集、存贮、处理、表示、传播的技术方法有待发展。地球空间信息科学作为一个现代的科学术语，是80年代末90年代初才出现的。而作为 一门新兴的交叉学科，由于人们对它的

47、认识又各不相同，出现了许多相互类似，但又不完全一致的科学名词，如：地球信息机理(Geo Informatics)、图像测量学(Iconicmetry)、图像信息 学(Iconic Informatics)、地理信息科学(Geographic Information Science)、地球信息科学(Geo Information Science)等。这些新的科学名词的出现，无一不与现代信息技术,如遥感、数字通信、互联网络、地理信息系统的发展密切相关。地理信息科学与地球空间信息科学关系 地球空间信息科学与地理空间信息科学在学科定义和内涵上存在重叠。甚至人们认为是对同一个学科内容，从不同角度给出的科

48、学名词。 从测绘的角度理解，地球空间信息科学是地球科学与测绘科学、信息科学的交叉学科。 从地理科学的角度理解，地球空间信息科学是地理科学与信息科学的交叉学科，即被称之为地理空间信息科学。 地球空间信息科学的概念要比地理信息科学要广，它不仅包含了现代测绘科学的全部内容，也包含了地理空间信息科学的主要内容，而且体现了多学科、技术和应用领域知识的交叉与渗透，如测绘学、地图学、地理学、管理科学、系统科学、图形图象学、互连网技术、通信技术、数据库技术、计算机技术、虚拟现实与仿真技术等以及规划、土地、资源、环境、军事等领域。研究的重点与地球信息科学接近，但它更侧重于技术、技术集成与应用，更强调“空间”的概

49、念。 GIS在发展中曾使用的名称： -Land Information System (LIS)- AM/FM-Automated Mapping and Facilities Management- Environmental Information System (EIS)- Resources Information System- Planning Information System- Spatial Data Handling System GIS=Geographic Information System (+Remote Sensing=Geospatial-Informati

50、cs ,Geomatics,Geoinfomatics) 极大增强了GIS的作用 GIS=Geographic Information Science OR GIS=Geo-spatial Information Science 新的模式 GIS=Geographic Information Service +Internet=New Service Web ServiceSystem，Science，Service之关系GISERVICEGISCIENCEGISYSTEM对环境和空间的认识对人文与自然信息流的建模知识创造监测、感知、观测、领域应用（RS+GIS）模拟、演进、规律认识分发、分布

51、、政策制定公众决策目的方法GIS现在作为一个独立的学科，被命名为：Geomatics, Geoinformatics; or Geospatial Information Science地球空间信息科学就下面具体的学科来讲，GIS直接产生于它们。研遥感学科和地理学科对GIS的影响是巨大的，这在前面已有部分论述。遥感作为GIS不可替代的观测数据源，刺激了GIS的发展；为了将遥感信息与其它信息结合起来，越来越多的综合GIS技术变得更加重要。今天的GIS增加了广泛的图像处理功能。地理学科对GIS的贡献在于对地理实体或现象及其规律的认知理论的形成；计算机科学是GIS得以形成和发展的基础；其技术的每一步

52、创新发展，都影响着GIS的创新发展。地图学对GIS的影响是最强的和久远的；以至于人们现在也很难将数字地图系统与GIS加以明显区分。在用二维坐标系统表达现实世界的观点中，在不通的几何投影下，对地理坐标系统的表述与操纵，以及对具有特殊（x,y）坐标（地理编码）关联的属性信息的表达与操纵，是GIS的核心内容，也是地图学的核心内容。第三章 地理信息系统的基础理论 地理信息系统是在实践中产生和发展的空间数据管理和分析应用技术。它的产生和发展具有技术导引和应用驱动的两大特点，它们之间相互作用，共同促进GIS的发展。在它的产生之初，并没有完善、系统的基础理论作为技术发展的指导。但随着地理信息系统技术的深入发

53、展和广泛应用，在系统设计和软件开发，地理信息组织、管理以及分析利用，对地理环境过程的认知、模拟、推演等方面，逐渐引入和完善了地理系统理论、地理信息理论和地理（地球）空间认知理论。它们为正确设计、研制、开发和建立地理信息系统提供了科学的认识论和方法论。第一节 地理系统理论一、地理系统定义 地理系统，指某一个特定时间和特定空间的，由两个以上相互区别又相互联系、相互制约的地理要素或过程所组成的，并具有特定的功能和行为，与外界环境相互作用，并能自动调节和具有自组织功能的整体。 第一节 地理系统理论二、数学描述 数学形式描述为 。其中 ，表示系统各地理要素的集成， 为n个不同类型的地理要素； ，表示它们

54、之间的相互联系、相互制约关系。 第一节 地理系统理论三、特点 地理系统是一种宏观范围的时空有序结构，具有自组织功能。地理系统的自组织（Self-organization），是指系统在无外界的强迫（制）条件下，系统自发形成的有序行为，能自身调节功能的行为。 地理系统形成之初，呈混沌状态，研究这种状态的理论是混沌理论。地理系统发展过程中，自组织行为的结果表现为地理系统的平衡状态。 描述这种平衡状态的有地理系统协同论、人与自然相互作用理论/人地系统论、整体性与分异性理论/地带性规律、地理空间结构与空间功能/区位理论等。 第一节 地理系统理论 1、混沌理论 研究地理系统混沌状态的理论称为地理系统的混沌

55、理论，这是地理系统自组织的起点。所谓混沌（Chaos），又称“混乱”、“紊乱”、“无规划”等，它是研究事物的初始阶段如何进行自组织的理论。 自然和社会领域到处存在着杂乱无章的事物，飘忽不定的状态，极不规则的行为。但是这些无规则现象的深处，都蕴藏着一种奇异的秩序。 第一节 地理系统理论2、地理系统协同论 按照协同论的观点，地理系统的各要素或各子系统之间，既存在着相互联系、相互依存、相互协调的一面，又存在着相互制约、相互排斥、相互竞争的一面。既有协同性，又有制约性，这是普遍规律。 第一节 地理系统理论3、人与自然相互作用理论/人地系统理论 在历史上曾有过环境决定论、人定胜天论、人与环境协调理论等，

56、但最完备、最科学的还是现在的可持续发展理论。可持续发展理论的核心，是资源、环境、社会和经济的协调发展。地球的资源和环境的容量是有限的。人们对地球或自然界的索取，不能超过地球的承载力；人们对资源和环境的利用，必须遵循客观规律。经济和社会的发展，既要满足当代人的需要，又要不影响后代人的需求。也就是不能以对资源和环境的破坏为代价来换取社会经济的增长。 第一节 地理系统理论4、地理系统的整体性与分异理论/地带性规律 这是地理系统的宏观的、普遍规律。地理系统就是整体性与分异性的统一。地理空间的整体性（Geo-spatial Entirety），指任何地理系统或区域系统都是“人类自然环境综合体”，都是资源

57、、环境、经济和社会的综合体；地理空间的分异性（Geo-spatial Differentitaion）或地带性，指由于地球表层物质和能量分布的不均匀性所造成的地理空间的分异性特征。第一节 地理系统理论八、地理空间结构与空间功能/区位理论 地理空间结构与空间功能具有区位特征。地理空间结构（Geo-spatial Structure），指在一特定的空间范围或区域内，资源、环境、经济和社会诸要素的组合关系或耦合关系，及同一空间范围内的资源、环境、经济和社会等的配套关系。地理空间结构功能（Geo-spatial Structure Function），指区域所具有的经济和社会发展潜力的大小、或可持续发

58、展的能力的大小。具有最佳地理空间结构的地区，一定具有最强的空间结构功能。地理空间区位（Geo-spatial Location），指一特定的空间范围内，对社会经济发展的有利部位。即使某个空间范围的地理空间结构有好有坏，功能有强有弱，也不能说明局部情况不能有差别。这完全取决于局部条件，这就是区位。第二节 地理信息理论 一、含义 地理信息理论（Geographic Information Theory），是地理科学理论与信息科学理论相结合的产物。主要研究地理信息熵、地理信息流、地理空间场、地理实体电磁波、地理信息关联等的理论。第二节 地理信息理论一、地理信息熵 地理信息熵（Geographic I

59、nformation Entropy），用来度量地理信息载体的信息能量，即地理信息载体的信息与燥声之比，简称“信燥比”，是评价地理信息载体的质量标准。 第二节 地理信息理论二、地理信息流 地理信息流（Geographic Information Flow）是由于物质和能量在空间分布上存在着不均衡现象所产生的，它依附于物质流和能量流而存在，也是物质流、能量流的性质、特征和状态的表征和知识。地理信息流是地理系统的纽带，有了地理信息流，地理系统才能运转。地理信息系统就是研究由于地理物质和能量的空间分布不均衡性所造成的物质流和能量流的性质、特征和状态的表征或知识，研究地理信息流的时空特征、地理信息传输

60、机理及其不确定性和可预见性。第二节 地理信息理论三、地理空间场理论 地理空间场理论（Theory of Geographic Spatial Feild）即地理能量场信息理论，按照这种理论，对于不同的地理实体，它们的物质成分可能不同，这样就可形成不同的地理空间或地理空间场；不同地理实体的地理空间，对人类具有不同的吸引力，这样就可以形成某些特殊的地理空间或地理空间场；不同的地理空间或地理空间场，具有不同的物理参数量，也就具有不同的能量信息的空间分布特征。第二节 地理信息理论四、地理实体电磁波能量信息理论 作为地理信息系统的主要信息源的遥感信息的基础理论是电磁波信息理论。遥感信息，指运用传感器（S