第一章 地理信息系统导论

遥感与地理信息系统资源与城乡规划系王丹妮课程说明

通过本课程的学习，掌握地理信息系统的基本原理、方法与技术，包括：空间数据结构、空间数据库、空间数据处理、空间分析的原理与方法，GIS产品输出设计等内容，熟练操作常用的GIS软件，掌握GIS技术在土地适宜性评价、城市规划管理等领域的应用与实践，并了解遥感的基本概念和一般原理，掌握遥感图像的数字处理方法，为今后其他专业课程和软件的学习打下坚实的基础。课堂教学：36课时上机实践：36课时课程考核与评价：平时成绩占40%+期末成绩占60%平时成绩：课堂表现+出勤率+上机实践完成情况+上机考试身边的GIS卫星导航接收机导航仪地图卡接收轨道参数输出位置取地图数据地图投影手机地图的热潮第一章导论（1）掌握地理信息系统的定义，地理信息的特征;（2）理解数据与信息的关系，地理信息系统的基本构成和功能；（3）了解地理信息系统的发展概况和其他学科之间的关系。教学目标重点：地理信息的特征、地理信息系统的定义、基本构成及基本功能第一节地理信息系统基本概念数据与信息地理信息信息系统地理信息系统一、数据与信息数据：通过数字化并记录下来的可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况。不仅数字是数据，而且文字、符号、图像和声音等也可以是数据。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。如数字“1”。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随存储它的物理设备的形式而改变。一、数据与信息信息：指主体与外部客体之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普遍形式。信息：向人们或机器提供关于现实世界新的事物的知识，是数据、消息的意义，不随存储它的物理设备形式的改变而改变。信息：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。一、数据与信息数据与信息的关系：数据是信息的表达形式，是信息的载体，而信息则是数据中所蕴含的事物的含义，是数据的内容。数据只有通过解释才有意义，才能成为信息。一、数据与信息数据处理：对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算，以及分析、模拟和预测等操作。一、数据与信息信息的特性：客观性适用性传输性共享性二、地理信息与地理信息系统地理数据：是与地理环境要素有关的物质的数量、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：是地理数据所蕴含和表达的地理含义。二、地理信息与地理信息系统地理信息的特征特征空间特征时序特征属性特征二、地理信息与地理信息系统地理信息的特征——空间特征地理信息具有空间特征，属于空间信息，其数据是与确定的空间位置联系在一起的，这是地理信息区别与其他类型信息的一个最显著的标志。空间信息描述地物所在位置，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，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等；二、地理信息与地理信息系统地理信息的特征——属性特征地理信息具有属性特征，通常在二维空间的定位基础上，按专题来表达多维（即多层次）的属性信息。

这对地理环境中的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈及其内部的复杂交互作用进行综合性的研究提供了可能性，为地理环境多层次属性数据的分析提供了方便。二、地理信息与地理信息系统地理信息的特征——时序特征

地理信息具有时序特征，通常按照时间的尺度来区分地理信息。超短期：台风、森林火灾短期：江河洪水、作物长势中期：土地利用、作物估产长期：水土流失、城市化超长期：火山活动、地壳变形二、地理信息与地理信息系统信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。更简单地讲，信息系统是基于数据库问题的回答系统。二、地理信息与地理信息系统信息系统的概念

信息系统的基本特征是对其数据的加工和信息的提取能力。由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。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），而后者只是一般的事务性数据（不包含空间特征）；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。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。二、地理信息与地理信息系统美国学者parker认为“地理信息系统是一种存储、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。MichaelGoodchild认为“地理信息系统是采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。加拿大PogerTomlinson认为“地理信息系统是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。PeterBurroughs认为“地理信息系统是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”。俄罗斯学者认为“地理信息系统是一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。。。。。。。地理信息系统的定义：地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计来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。二、地理信息与地理信息系统二、地理信息与地理信息系统GIS中“S”含义的演变GeographicalInformationSystemScienceStudyService二、地理信息与地理信息系统地理信息系统的分类体系第二节地理信息系统的基本构成GIS功能的实现需要一定的环境支持，GIS运行环境包括系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。第二节地理信息系统的基本构成系统硬件：由数据输入设备、数据处理设备、数据输出设备组成，用于存储、处理、传输和显示地理或空间数据。系统软件：是整个地理信息系统的核心，用来执行地理信息系统功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库系统、空间分析和数据输出等。空间数据：是地理信息系统的操作对象，它具体描述地理现象的空间特征、属性特征和时间特征。应用人员：包括系统开发人员和地理信息系统的最终用户，他们的业务素质和专业知识是地理信息系统工程及应用成败的关键。应用模型：是为某一特定的实际工作而建立的运用地理信息系统的解决方案，其构建和选择也是系统应用成败至关重要的。第二节地理信息系统的基本构成系统硬件第二节地理信息系统的基本构成系统软件GIS应用软件GIS基础软件平台数据库系统软件系统库（编程语言、数学库等）操作系统（系统调用、设备运行、网络管理等）GIS功能软件基础支撑软件操作系统软件ArcGIS，MapInfo,SurperMap,GeostarSDE，Oracle,MicrosoftSQLServerWindows,Linux,MacOS第二节地理信息系统的基本构成空间数据地理数据空间数据矢量数据点线面（多边形）栅格数据平面曲面属性数据名称类型数量时态数据描述对象时空变化的状态、特点和过程第二节地理信息系统的基本构成应用人员人是GIS中的重要构成因素。GIS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。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的GIS，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。第二节地理信息系统的基本构成应用模型

GIS为解决各种地理相关的问题提供了有效的基本工具，对于某一特定的应用目的，须通过构建相应专业的应用模型才能达到目标。例如，土地利用适宜性评价模型、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。第二节地理信息系统的基本构成应用模型必须明确用GIS求解问题的基本流程根据模型的研究对象和应用目的，确定模型的类别、相关的变量、参数和算法，构建模型逻辑结构框图确定GIS空间分析方法模型运行结果的验证、修改和成果输出用GIS求解问题的基本流程第三节地理信息系统的功能介绍基本功能需求位置条件趋势模式模拟第三节地理信息系统的功能介绍基本功能数据采集与编辑数据存储与管理数据处理和变换空间分析和统计产品制作与演示二次开发和编程数据采集与编辑

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。第三节地理信息系统的功能介绍第三节地理信息系统的功能介绍数据采集与编辑GIS的数据通常归纳为不同性质的专题或层，数据采集与编辑功能就是把各层地理要素转化为空间坐标及属性对应的代码输入到计算机中。数据存储与管理

数据库是数据存储与管理的主要技术。空间数据库是地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。由于空间数据库具有数据量大，空间数据与属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间可以成拓扑结构等特点，因此空间数据库的管理功能，除了与属性数据有关的常规数据管理库系统功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：空间数据库的定义、数据访问和提取，通过空间位置检索空间物体及其属性、按属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。第三节地理信息系统的功能介绍数据处理和变换

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、数值上一致性和完整性，需要对数据进行格式转换、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、交互式的处理功能功能，包括数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩、图形数据与属性数据的关联等内容。第三节地理信息系统的功能介绍数据处理和变换数据变换：对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、几何纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等。数据重构：对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据裁剪、数据压缩、结构转换等。数据抽取：对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。第三节地理信息系统的功能介绍空间分析和统计空间分析和统计功能是GIS的一个独特研究领域，其主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系。它不仅成为区别于其他信息系统的一个重要标志，而且为用户提供了解决各类专门问题的有效工具。第三节地理信息系统的功能介绍第三节地理信息系统的功能介绍常用的空间分析方法：叠合分析：通过将同一地区若干个不同数据层相叠合，不仅建立新的空间数据，而且能将输入的属性数据予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和统计分析等。第三节地理信息系统的功能介绍常用的空间分析方法：缓冲区分析：在点、线或面等不同实体周围建立一定宽度的缓冲多边形，以确定不同地理要素的空间邻近性或其影响范围。如：规划拓宽一条道路，需要通知周围一定范围内的居民动迁；在林业规划中，需要按照距河流一定纵深范围来确定森林禁止砍伐区，以防止水土流失等。第三节地理信息系统的功能介绍常用的空间分析方法：数字地形分析：数字地形是GIS中对地形起伏的数字化表达和存储形式，其中数字高程模型（DEM）是常见的一种数字地形。GIS提供了构造数字地形及有关地形分析的功能，包括分析地形的坡度、坡向、地表粗糙度、山谷线、山脊线、日照强度。库容量、表面积、立体图、剖面图和通视分析等，为地球科学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础性数据。产品制作与演示GIS产品是指经由GIS处理和分析的结果，可以直接供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明，其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式，包括各种类型的点符号图、动线图、点值图、晕线图、等值线图和立体图等。第三节地理信息系统的功能介绍二次开发和编程

GIS为了能够被广泛应用与各个领域，满足各种不同的应用需要，它必须具备的另一个重要基本功能是二次开发环境，包括提供专用的脚本语言开发环境，可供用户在自己的编程环境中调用的GIS函数库，或者系统将某些功能做成组件式供用户开发语言调用等。这样，用户可以方便地编制自己的GIS应用程序，生成可视化的用户界面，完成GIS的各项应用功能的开发。第三节地理信息系统的功能介绍第三节地理信息系统的功能介绍应用功能资源管理区域规划国土监测辅助决策第三节地理信息系统的功能介绍资源管理

资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源利用评价，以及水资源的时空分布特征研究等。第三节地理信息系统的功能介绍区域规划城市与区域规划具有高度的综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、金融等因素。GIS能为规划人员提供功能强大的工具。例如对交通流量、土地利用和人口数量进行分析，预测将来的道路等级；工程人员利用GIS将地质、水文和人文数据结合起来，进行路线和构造设计；GIS软件帮助政府部分完成总体规划、分区，现有土地利用、分区一致性，空地、开发区和设施位置等分析工作。GIS在规划中的优势主要体现在：（1）改善地图制作。更容易获得地图，提高现势性，缩短制作周期，降低存储费用。（2）更有效地查询、检索。（3）快速、广泛地获取相关信息，在更大范围内探讨多种方案的可能。（4）增强分析能力。（5）便于和公众、非专业人员交流、沟通。（6）提高服务质量，缩短工作周期。例如，在建设申请、审批中快速查找相关资料，及时作出答复。第三节地理信息系统的功能介绍国土监测利用GIS功能结合多时相的遥感数据，可以有效用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。

例如，黄河三角洲地区的防洪减灾研究表明，在GIS支持下，通过建立大比例尺数字地形模型和获取有关的空间数据和属性数据，利用GIS的叠合分析等功能，可以计算出若干个泄洪区域内被淹没的土地利用类型及其面积，比较不同泄洪区内房屋和财产损失等，可以确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线，确保以最快的速度有效应付突发事件的发生。第三节地理信息系统的功能介绍辅助决策GIS拥有的数据和互联网传输技术，可以深化电子商务的应用，满足企业决策多维性的需求。利用GIS迅速有效管理空间数据，进行空间可视化，确定商业中心位置和潜在市场的分布，寻找商业地域规律，研究商机时空变化的趋势，不断为企业创造新的商机，GIS和互联网已成为最佳的决策支持系统和威力强大的商战武器。地图上以热力图形式表现消费者对某种商品的关注度;从绿色到红色消费者逐渐增多第四节地理信息系统的发展概况文本语言：“……又东五百里，曰发爽之山，无草木，多水，多白猿。汎水出焉，而南流注于渤海。又东四百里，至于旄山之尾。其南有谷，曰育遗，多怪鸟，凯风自是出。又东四百里，至于非出山之首，其上多金玉，无水，其下多蝮虫。

又东五百里，曰阳夹之山，无草木，多水。又东五百里，曰灌湘之山，上多木，无草；多怪鸟，无兽。……”

——《山海经》地图、图形、图像语言：第四节地理信息系统的发展概况地图——早期的“地理信息系统”宋代的地理图碑

绘制了我国境内的河流、山川、长城和地名，以及宋代地方行政机构——路、府、州、军、监的位置等。第四节地理信息系统的发展概况地图——早期的“地理信息系统”第四节地理信息系统的发展概况计算机地图制图——GIS的准备阶段草图数据处理自动输出数字化图形化第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统第四节地理信息系统的发展概况加拿大地理信息系统

20世纪60年代中期，加拿大政府对全国的土地资源进行调查，在此基础上进行评价、规划。首次尝试用电子计算机来处理地图，对地图进行数字化试验，取得初步成功，取名为加拿大地理信息系统（CGIS，CanadaGeographicInformationSystem），主要成果是土地分类、面积量算，虽然完成这项调查所花的时间比手工处理更长，但是获得的经验在后续业务中能持续发挥作用，从长远看是提高了工作效率。

加拿大地理信息系统（CGIS）是为处理加拿大土地调查获得的大量数据建立的，该系统由加拿大组织于1963年开始研制实施，到1971年投入正式运行，被认为是国际上最早建立的、较为完善的大型使用的地理信息系统。第四节地理信息系统的发展概况第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统开拓起步阶段（20世纪60年代）第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统巩固发展阶段（20世纪70年代）第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统茁壮发展阶段（20世纪80年代）第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统茁壮发展阶段（20世纪80年代）第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统应用普及阶段（20世纪90年代）第四节地理信息系统的发展概况地理信息系统社会服务阶段（21世纪至今）基础理论GIS与其他学科的关系：第四节地理信息系统的发展概况第四节地理信息系统的发展概况基础理论GIS与相关学科的关系：GIS与地理学GIS与测绘学GIS与