【培训课件】空间数据的管理技术

空间数据的管理(guǎnlǐ)技术物流活动常处于运动的和非常分散的状态，因此地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)等技术能够(nénggòu)将物品移动的空间数据进行有效的管理。本章对GIS和GPS，从概述、定义、分类、特征、组成与功能、运行机理和在物流信息系统中的作用进行介绍，使读者了解空间数据管理的实用技术的原理。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一页，共125页。第一节地理信息系统一、地理信息系统(GIS)概述(一)地理信息系统(GIS)的产生GIS萌芽于20世纪60年代初，美国麻省理工学院首次提出计算机图形学术，并证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而显示出这一科学分支的独立(dúlì)地位。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第二页，共125页。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第三页，共125页。(二)地理信息系统(GIS)与其他学科的关系空间(kōngjiān)分析的理论学方法为GIS提供了有关空间(kōngjiān)分析的根本观点与方法，成为GIS的根底。而GIS的开展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段，地学数据处理系统是以地学数据的搜集、存储、加工、集成、再生成等数据处理为目标，为GIS提供符合一定标准和格式数据的信息系统。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第四页，共125页。GIS与相关(xiāngguān)学科地理学遥感制图学CAD与计算机图形学测量与摄影测量GIS经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五页，共125页。地学数据的处理分为两个层次：1．以数据格式、数据量、存在介质、精度、空间表示法等为特征的GIS外部数据处理，其目的是为GIS利用数据做准备，如遥感数字图像的校正(jiàozhèng)、图像增强、图像分类；2．在GIS内部数据的处理，它包括水平方向的专题层内部数据处理、垂直方向上的专题层之间的数据处理、适于不同比例尺需要的变焦数据处理、用于动态分析的四维数据处理、用于网络分析的运筹法数据处理。数据处理系统的数据包括具有统计性质的空间数据、遥感数据、地学专题空间数据等。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第六页，共125页。地图是记录地理信息的一种图形语言形式。GIS脱胎于地图，并成为地图信息的又一种新的载体形式，它具有存储、分析、显示等功能，尤其是计算机制图为地图的数字表示、操作和显示提供了成套方法(fāngfǎ)，为GIS的图形输出设计提供了技术支持。同时，地图仍是目前GIS的重要数据来源之一。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第七页，共125页。两者间有着一定的差异：地图强调的是数据分析、符号化与显示，而GIS那么注重于信息分析。从GIS的开展过程可以看出，GIS的产生、开展与制图信息系统存在着密切的联系，两者的相通之处是其于空间数据的空间信息表达、显示和处理(chǔlǐ)。从系统组成和功能上，一个GIS拥有机助制图系统的所有组成和功能，并且GIS还有数据处理(chǔlǐ)的功能。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八页，共125页。随着电子制图系统(EMS：Electronicmappingsystem)的出现和开展，产生了电子图集，它有许多新的特征：1．图文和数据多媒体集成，把图形的直观性、数字的准确性、声音的引导性和亲切感相结合，充分利用了读者的各种感官；2．查询检索和分析决策功能，能够支持(zhīchí)从地图图形到非空间数据和从非空间数据到图形的双向检索；3．图形动态变化功能，从开窗缩放、浏览阅读等根本功能到地图动画功能、多维动画的图形模拟等；4．具有良好的用户界面，使读者介入地图的生成过程；5．多级比例尺之间的相互转换，由于计算机屏幕幅面的限制和计算机潜在计算机功能和巨大的存储能力，要求具有多级比例尺不同程度的制图综合功能。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第九页，共125页。数据库管理系统(DBMS)主要(zhǔyào)设计用于存储、管理和查询非空间的非空间数据，并具备一些根本的统计分析功能，它是现代GIS不可缺少的重要组成局部之一，它所具有的功能是GIS有关数据操作功能的重要组成局部。但是，一般DBMS在处理空间数据时缺乏空间分析能力。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十页，共125页。计算机图形理论是现代GIS的技术理论之一，计算机图形学提供了图形处理、显示的软、硬件(yìnɡjiàn)以及技术方法。人工智能的开展给GIS的技术进步也带来了积极的影响，虽然目前GIS还没有充分利用人工智能的各种技术，但它提供了智能化技术系统的设计技术与方法。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十一页，共125页。计算机网络技术的开展那么(nàme)为GIS的构件技术的形成提供了新的机遇，为使地理作系统开展成为社会信息根底设施的重要组成局部奠定了根底。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十二页，共125页。遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源与数据更新途径。遥感图像处理系统包含(bāohán)假设干复杂的解析函数，并有许多方法用于信息的增强与分类，但遥感系统本身的空间分析能力有限，并难与DBMS系统相连。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十三页，共125页。大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，尤其是全球定位系统(GPS)可快速、廉价地获取地表特征的数字位置信息。航空相片及其精确测量方法的应用(yìngyòng)使得摄影测量成为GIS主要的地形数据来源。遥感是GIS的主要数据源与更新手段，同时，GIS的应用(yìngyòng)又进一步支持遥感信息的综合开发与利用。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十四页，共125页。(三)GIS的开展GIS与地理空间信息的表示、处理、分析和应用手段的不断开展紧密相连。GIS的存在与开展已历经30余年，尤其是北美地区，可将GIS开展分为以下(yǐxià)几个阶段：经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十五页，共125页。1．20世纪60年代为GIS开拓期，注重于空间数据的地学处理。2．20世纪70年代为GIS的稳固开展期，注重于空间地理信息的管理。3．20世纪80年代为GIS技术(jìshù)大开展时期，注重于空间决策支持分析。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第十六页，共125页。目前对GIS的认识可归为三个相互独立又相互关联的观点。一是地图观点，强调GIS作为信息载体与传播媒介的地图功能，认为GIS是一种地图数据处理与显示系统，因此，每个地理数据集可看成是一张地图，通过地图代数实现数据的操作与运算，其结果仍然再现为一张具有新内容的地图。测绘及各专题地图部门(bùmén)非常重视GIS的快速生产高质量地图的能力。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十七页，共125页。第二种观点称为数据库观点，强调数据库系统在地理信息系统中的重要地位，认为一个(yīɡè)完整的DBMS是任何一个(yīɡè)成功的GIS不可缺少的局部。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十八页，共125页。第三种观点那么是分析工具观点，强调GIS的空间(kōngjiān)分析与模型分析功能，认为GIS是一门空间(kōngjiān)信息科学。第三种观点普遍地为GIS界所接受，并认为这是区分GIS与其他地理数据自动化处理系统的惟一特征。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第十九页，共125页。二、地理信息系统(GIS)的定义(dìngyì)、分类和特征(一)定义GIS可定义为由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储检索、操作和分析(fēnxī)，生成并输入各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策效劳。GIS可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析(fēnxī)和表达地理空间数据的计算机信息系统。它是有关空间数据管理和空间信息分析(fēnxī)的计算机系统。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第二十页，共125页。GIS定义(dìngyì)—定义(dìngyì)类型面向数据处理过程(guòchéng)定义面向专题应用定义面向工具箱定义面向数据库定义经济(jīngjì)与管理实验教学中心第二十一页，共125页。GIS定义—作用(zuòyòng)与地位地图观点：地图数据处理与显示数据库观点：计算机角度分析工具(gōngjù)观点：空间分析与空间建模经济(jīngjì)与管理实验教学中心第二十二页，共125页。GIS定义(dìngyì)—术语北美、欧洲：GeographicalInformationSystem加拿大：Geomatigue中国(zhōnɡɡuó)：ResourceandEnvironmentalInformationSystem技术内涵：Geo-relationalInformationSystem信息科学：SpatialInformationSystem应用类型：NaturalResourcesInformationSystemLandInformationSystemTransportationGeographicalInformationSystem地学应用：GeoScience专业杂志：GeographicalInformationScience(英国)Geo-InformationSystem〔德国〕经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第二十三页，共125页。GIS定义(dìngyì)GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、管理、处理、分析(fēnxī)、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。—美国联邦数字地图协调委员会〔FICCDC〕经济(jīngjì)与管理实验教学中心第二十四页，共125页。GIS定义—概念(gàiniàn)框架用户界面(yònɡhùjièmiàn)系统(xìtǒng)和数据库管理产品生成产品输出空间数据处理空间数据分析数据输入数据库建立经济与管理实验教学中心第二十五页，共125页。GIS定义(dìngyì)—对GIS的理解GIS的物理外壳是计算机化的技术系统数据采集系统、数据管理系统、数据处理和分析系统、可视化表达与输出系统等组成，影响着GIS硬件平台、系统效率和功能、数据处理方式和产品类型。GIS的操作对象是空间数据地理数据—属性数据、几何数据、时间(shíjiān)数据。GIS对空间数据的管理好操作，是GIS区别于其它信息系统的根本标志，也是技术难点之一。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第二十六页，共125页。GIS定义(dìngyì)—对GIS的理解〔续〕GIS的技术优势在于它的空间分析能力GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空间模拟(mónǐ)和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得的重要信息，这是GIS的重要奉献。GIS与地理学、测绘学联系紧密地理学是GIS的理论依托，为GIS提供有关空间分析的根本观点和方法。测绘学为GIS提供各种定位数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。GIS引入地学界，如同Fortran语言引入计算机科学界一样重要。美国学者K.I.兰菲尔经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第二十七页，共125页。GIS定义(dìngyì)—GIS在信息系统中的位置信息系统非空间信息系统专题地理信息系统地理信息系统非地理信息系统管理信息系统综合地理信息系统CAD/CAM空间信息系统地籍GIS交通GIS资源与环境GIS规划与管理GIS数据模型矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS研究范围全球GIS区域GIS研究内容经济(jīngjì)与管理实验教学中心第二十八页，共125页。(二)分类信息系统按照是否含空间信息分为非空间信息系统(一般指管理信息系统)和空间信息系统。空间信息系统分为非GIS(一般CAD／CAM)和GIS。GIS依照其应用领域可分为土地信息系统、资源管理信息系统、地学信息系统等；根据其使用的数据模型，可分为矢量、栅格和混合型信息系统；根据其效劳对象，可分为专题(zhuāntí)信息系统和区域信息系统。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第二十九页，共125页。管理信息系统是以管理为目的，在计算机硬件和软件支持下具有存储、处理、管理和分析数据能力的信息系统，这类信息系统的最大特征是它处理的数据没有或者不包括空问特征。另一类管理信息系统是以具有空间分析功能的GIS为支持、以管理为目标的信息系统，它利用(lìyòng)GIS的各种功能实现对具有空间特征的要素进行处理分析以到达管理区域系统的目的，如城市交通管理信息系统。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第三十页，共125页。(三)特征与一般的管理信息系统相比，GIS具有(jùyǒu)以下特征：1．GIS使用了空间数据与非空间数据，并通过DBMS将两者联系在一起共同管理、分析和应用；而MIS只有非空间数据库的管理，即使存储了图形，也往往以文件形式等机械形式存储，不能进行有关空间数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等，不能进行复杂的空间分析。2．GIS强调空间分析，通过利用空间解析式模型来分析空间数据，GIS的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计。3．GIS的成功应用不仅取决于技术体系，而且依靠一定的组织体系(包括实施组成、系统管理员、技术操作员、系统开发设计者等)。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十一页，共125页。三、地理信息系统(GIS)的组成(zǔchénɡ)与功能(一)地理信息的组成地理信息是有关地理实体的性质、特征(tèzhēng)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(tèzhēng)与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据那么是各种地理特征(tèzhēng)和现象间关系的符号化表示，包括空间位、属性特征(tèzhēng)(简称属性)及时域特征(tèzhēng)三局部。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第三十二页，共125页。空间位置数据描述地物所在位置。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，如空间上的相邻、包含等；属性特征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。时域特征是指地理数据采集或地理现象(xiànxiàng)发生的时刻／时段。时间数据对环境模拟分析非常重要。空间位置、属性及时问是地理空间分析的三大根本要素。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十三页，共125页。(二)地理信息(xìnxī)的特征地理信息(xìnxī)除了具有信息(xìnxī)的一般特性，如共享性、客观性等外，还具有以下独特特性：1．地理信息(xìnxī)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，不可重叠，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。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十四页，共125页。2．数据量大地理信息既有空问特征，又有属性特征，并包括一个较长的开展时段，因此其数据量很大。如全国1：400万土地利用数据，经过一定的综合后，其ARC／INFO的Coverage格式数据量为8．2兆。尤其是随着全球对观测方案不断开展，我们每天都可以获得上万亿的关于地球资源、环境特征的数据。这必然(bìrán)对数据处理与分析带来很大压力。

经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十五页，共125页。3．信息载体的多样性地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述(miáoshù)地理实体的文字、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。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第三十六页，共125页。(三)GIS的组成一个典型(diǎnxíng)的GIS应包括三个根本局部：计算机系统(硬件、软件)、地理数据库系统、应用人员与组织机构。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十七页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—概论系统软件系统硬件空间数据GIS用户(yònghù)经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十八页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—硬件—根本配置输入设备专用设备常规设备GPS全数字摄影测量工作站解析和数字摄影测量仪器遥感与遥感图象处理系统全站仪扫描仪数字化仪键盘、鼠标处理设备工作站服务器硬盘阵列存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备绘图仪终端打印机经济(jīngjì)与管理实验教学中心第三十九页，共125页。GIS的组成—硬件(yìnɡjiàn)—应用模式单机模式：由根本外设、处理设备和输出设备构成(gòuchéng)适用于小型GIS建设数据传输与资源共享不方便经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十页，共125页。GIS的组成—硬件(yìnɡjiàn)—应用模式局域网模式：部门或单位内部GIS建设专线(zhuānxiàn)连接资源共享较方便输出用户组1输入……GIS中央数据库与网管Intranet用户组n经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十一页，共125页。GIS的组成—硬件—应用(yìngyòng)模式广域网模式：用户(yònghù)分布地域广泛，不适合专线连接公共通讯连接资源共享方便局部范围为局域网，通过假设干通道与广域网连接输入GIS中央数据库（服务器）图象处理系统局域网用户组输出多媒体系统用户用户主干网Internet经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十二页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—软件结构操作系统（系统调用、设备运行、网络等）系统库（编程语言、数学库等）标准软件（图形、数据库等）GIS基本功能软件GIS应用软件用户界面GIS软件基础软件系统软件GIS经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十三页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—软件—系统软件系统软件主要是计算机的操作系统(cāozuòxìtǒnɡ)以及各种标准外设的驱动软件，目前流行的有DOS、Windows98/Nnt/2000/XP、UNIX等。系统软件关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，是GIS软硬件环境的重要组成局部。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第四十四页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—软件—根底软件数据库软件用来管理空间(kōngjiān)数据，包括图形数据和属性数据。流行数据库软件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQLServer、Ingress等。目前GIS软件中采用商用数据库管理属性数据，一个有开展前景的模型是面向对象数据模型，可实现图形和属性数据的联合管理。Oracle、Informix、Ingress等关系数据库管理软件都相继增加了空间(kōngjiān)数据类型。而ESRI公司的SDE〔SpatialDatabaseEngine〕也是基于关系数据库的空间(kōngjiān)数据管理平台。图形平台某些GIS软件中图形处理平台。如AutoDesk公司开发的基于AutoCAD的AutoMapGIS软件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGEGIS软件经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十五页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—软件—GIS软件空间数据输入与转换空间数据库管理系统图形与属性数据编辑制图与输出空间查询与分析GIS经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第四十六页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—空间数据栅格结构矢量结构GIS的操作对象为空间数据(shùjù)空间数据(shùjù)特征：几何、属性、时间数据(shùjù)；空间数据(shùjù)组织：矢量结构、栅格结构；空间数据(shùjù)管理：几何数据(shùjù)：文件属性数据(shùjù)：关系数据(shùjù)库经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十七页，共125页。GIS的组成(zǔchénɡ)—管理人员GIS咨询管理信息管理数据整理GIS的开发是以人为本的系统工程。业务素质与专业知识是GIS工程及应用成功的关键(guānjiàn)。不但对GIS的技术和功能有足够的了解，而且要具备组织管理管理的能力。技术培训、硬件维护与更新、系统升级、数据更新、文档管理、数据共享建设等。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第四十八页，共125页。(四)地理信息系统(GIS)的功能(gōngnéng)

〔核心问题〕位置〔Locations〕条件(tiáojiàn)〔Conditions〕趋势〔Trends〕模式〔Patterns〕模型〔Models〕经济(jīngjì)与管理实验教学中心第四十九页，共125页。GIS的功能—根本(gēnběn)功能—位置某个特定位置有什么？几何(jǐhé)查属性例：国家属性查询经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五十页，共125页。GIS的功能—根本(gēnběn)功能—条件满足给定条件的地理对象(duìxiàng)分布属性查位置例：客户分布经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五十一页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—根本功能(gōngnéng)—趋势地理对象随时间(shíjiān)的变化例：人口变化趋势经济(jīngjì)与管理实验教学中心第五十二页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—根本功能(gōngnéng)—模式空间对象的分布模式问题揭示(jiēshì)空间对象的空间关系例：商业效劳竞争经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五十三页，共125页。GIS的功能—根本(gēnběn)功能—模型解决问题方案(fāngàn)基于模型的例：公园选址经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五十四页，共125页。GIS的功能—根本功能实现数据(shùjù)获取经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五十五页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—功能(gōngnéng)实现数据组织与管理数据的集成过程几何数据与属性数据组织数据结构(shùjùjiéɡòu)矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结构决定着GIS的数据分析能力、效率和精度数据管理：层次模型、网络模型、关系模型混合管理模式经济(jīngjì)与管理实验教学中心第五十六页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—功能(gōngnéng)实现检索与分析空间(kōngjiān)检索空间(kōngjiān)分析空间(kōngjiān)分析地形分析网络分析缓冲区分析几何量测地图分析叠置分析统计分析决策分析位置查询属性查询拓扑查询空间查询经济与管理实验教学中心第五十七页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—功能(gōngnéng)实现数据输出数据交换统计(tǒngjì)表格制图：专题地图、影象地图、统计(tǒngjì)地图、地形图经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第五十八页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—功能(gōngnéng)实现用户界面经济(jīngjì)与管理实验教学中心第五十九页，共125页。GIS的功能(gōngnéng)—功能(gōngnéng)实现二次开发GIS的空间分析技术与手段是有限的，而实际应用模型是无可枚举的，任何GIS都应提供二次开发工具。定制菜单、程序与可视化界面等GIS二次开发环境：专用工具：如Arc/Info的AML语言；通用语言：如VC++、VB、Delphi等组件(zǔjiàn)开发：如MapInfo的MapX；经济(jīngjì)与管理实验教学中心第六十页，共125页。GIS特征(tèzhēng)GIS与CAD、CAMGIS与数据库管理系统〔DBMS〕GIS与管理信息系统〔MIS〕GIS与遥感信息处理系统〔RS〕GIS与机助制图(zhìtú)系统、地图数据库经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第六十一页，共125页。GIS特征(tèzhēng)〔续〕GIS与CAD、CAM：坐标参考系统处理图形、非图形数据；对空间对象的空间相关关系建立和处理CAD不能建立地理坐标统和完成地理坐标变换；CAD处理多为规那么图形，而GIS为非几何图形；CAD图形功能强而属性处理能力假设(jiǎshè)，而GIS图形与属性的操作比较频繁，且专业化特征比较强；GIS的数据量比CAD大得多，数据结构、数据类型复杂，数据之间联系紧密；CAD不具备地理意义上的查询和分析能力；经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第六十二页，共125页。GIS特征(tèzhēng)〔续〕GIS与MIS对属性数据进行管理和处理对图形数据进行存储GIS对图形和属性数据共同管理、分析和应用；MIS一般只处理属性数据，对图形数据以文件形式进行管理，图形要素(yàosù)不能分解、查询，图形与数据之间没有联系；管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第六十三页，共125页。GIS特征(tèzhēng)〔续〕GIS与RS处理系统遥感数据是GIS的重要信息源。经过遥感信息系统处理的遥感信息，或进入GIS系统作为制图的背静图象，或是与经过分类的信息协同GIS与遥感的集成分析。遥感图象信息处理系统是专门用于对遥感数据进行处理的软件，主要强调对遥感数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取，具有较强的制图功能，可设计(shèjì)丰富的符号和注记，虽有空间叠置分析空能，但由于缺少实体空间关系的描述，难以进行空间实体的空间关系查询、属性查询及网络分析等。面向位置的特征遥感图象处理系统不能看作是GIS。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第六十四页，共125页。GIS特征(tèzhēng)〔续〕GIS与机助制图系统、地图数据库GIS的主要技术根底强调空间数据的处理、显示与表达空间分析能力GIS包含数字制图系统的全部功能地图数据库假设(jiǎshè)空间分析能力较强，可升格为GIS，而GIS假设(jiǎshè)空间分析能力较弱，那么退化为地图数据库。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第六十五页，共125页。GIS软件(ruǎnjiàn)类型专业GIS〔ProfessionalGIS〕桌面GIS〔DesktopGIS〕手持GIS〔Hand-HeldGIS〕组件(zǔjiàn)GIS〔ComponentGIS〕GISViewer网络GIS〔InternetGIS〕其它〔基于CAD的GIS〕经济(jīngjì)与管理实验教学中心第六十六页，共125页。主要(zhǔyào)GIS软件经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第六十七页，共125页。GIS软件(ruǎnjiàn)性能分析经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第六十八页，共125页。四、地理信息系统(GIS)的运行(yùnxíng)机理(一)地理空间的定义(dìngyì)与数据的组织GIS中的空间概念常用“地理空间〞(Geo—spatial)来表述。一般来说，地理空间被定义(dìngyì)为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具空间属性特征的实体的集合，它是由不同实体之间的空间关系构成。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第六十九页，共125页。依据地理实体之间不同的特征(如公路和铁路的建造方式不同而将它们视为不同的类)、相似的特征(如公路和铁路都具有运输功能而将它们视为一类)以及不同地理实体的组合特征(如飞机跑道、出租车道、建筑楼群和停车场共同(gòngtóng)组成飞机场)来对地理特征进行分类，以实现空间数据的组织。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第七十页，共125页。在GIS中，对空间实体的数据描述分为空间特征和属性特征，属性特征是对于空间特征的描述，属性值包括数字值和非数值两种，例如描述道路实体的属性特征包括：道路类型：1表示高速公路，2表示主干道，3表示居民街道，5表示其他；路面(lùmiàn)物质构成：1表示水泥，2表示柏油，3表示碎石；道路宽度：M米；小巷数量：N个；道路名字：每条路的名字。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第七十一页，共125页。每一条道路都有一组属性对其进行描述，这样的表被称为属性表。空间(kōngjiān)特征数据的表达方式包括各种数据结构，并表现为点、线、面等各种图形符号信息；属性特征数据的表达方式包括基于地理特征(包括空间(kōngjiān)特征和属性特征)的多种分类关系的表格。GIS正是通过建立空间(kōngjiān)特征数据的图形符号表达与属性特征数据的表格表达之间的联系，才具备了强大的空间(kōngjiān)分析能力。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第七十二页，共125页。如何建立空间特征数据和属性特征数据之间的联系?空间特征是通过坐标值和拓扑关系来表达，属性特征又是组织成表格中一系列的记录。如果对于每一个具有拓扑关系的空间特征以及这个空间特征的一个描述记录赋予共同并且是惟一的标识符(Identifier)，那么，由于这个标识符保证了在空间特征和属性记录之间一一对应的关系，这样，就可以通过空间记录查找并显示属性信息，或者依据存储在属性表格中的属性生成具有地学(dìxué)分析意义的空间图形，如地图。一个空间特性可以具有多个属性特征描述集合。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第七十三页，共125页。(二)空间数据的编码GIS中的实体(shítǐ)(对象)一般包括三种根本信息，语义信息、度量信息和关系结构信息。语义信息说明实体(shítǐ)的类型；度量信息用于描述实体(shítǐ)的形状和位置等几何属性；关系结构信息用于描述一个实体(shítǐ)与其他实体(shítǐ)的联系；空间数据的编码那么主要是指语义信息的数据化，它是建立在地理特征的分类及其等级组织根底之上的空间信息数据编码。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第七十四页，共125页。空间数据的编码用于说明(shuōmíng)实体元素在数据分类分级中的层次关系和属性性质。编码由主码和子码共同组成的；主码表示实体元素的类别；子码那么是对实体元素的标识和描述，子码又可分为识别码的描述码(有时还需要有参数码)；识别码用于睢一地址标识具体的实体元素；描述码那么是对实体元素的进一步性质描述。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第七十五页，共125页。如果规定编码格式为，主码占3位，子码占5位，那么每个属性编码占1个字节。通常(tōngcháng)，可采用2字节的无符号整型数(范围为0～65535)记录属性编码。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第七十六页，共125页。从理论说，用无符号整型数可编码65536种不同的实体元素，足以表示现有地形而上学图标准和图式中的所有类别，且有扩充余地。为了(wèile)与有关标准进行相互转换，并将编码组织成树结构，可用无符号整型数的前二位(范围为0—64)记录主码，后三位(范围为0—999)记录子码(其中0。499表示识别码，500．999表示描述码)。这样的编码可表示65种主码，每种主码下可有1，000种子码，并且还有536种大于或等于65，000的特殊用途编码。这种属性编码仅占2字节，并且具有可扩充性。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第七十七页，共125页。(三)空间数据描述空间位置、专题特征以及时间是表达现实世界空间变化的三个根本要素(yàosù)。空间数据是有关空间位置、专题特征以及时间信息的符号记录。而数据质量那么是空间数据在表达这三个根本要素(yàosù)时，所能够到达的准确性、一致性、完整性，以及它们三者之间统一性的程度。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第七十八页，共125页。空间数据是对现实世界中空间特征和过程的抽象表达。由于现实世界的复杂性和模糊性，以及人类认识和表达能力的局限性，只能(zhīnénɡ)在一定程度上接近真值。在某些应用中，用户可能根据需要来对数据进行一定的删、减和扩充，这对数据记录本身来说是一种误差。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第七十九页，共125页。1．数据情况说明：要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等作出准确、全面和详尽的说明。2．位置精度或称定位精度：为空间实体的坐标数据与实体真实位置的接近程度，常表现为空间三维坐标数据精度。它包括数据根底精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度(形状保真度)、像元定位精度(图像分辨率)等。3．属性精度：指空间实体的属性与其真值相符的程度。通常取决于地理数据的类型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与代码的正确性、要素属性值的准确性及其名称(míngchēng)的正确性等。4．时间精度：可以通过数据更新的时间和频度来表现。5．逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据内容(包括空间特征、专题特征和时间特征)，以及拓扑性质上的内在一致性。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八十页，共125页。6．数据完整性：指地理数据在范围、内容及结构等方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完整性。7．表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表达与真实地理世界吻合(wěnhé)性，包括空间特征、专题特征和时间特征表达的合理性等。空间数据质量的评价，就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、专题和时间特征从世系(继承性)、位置精度、属性精度、逻辑一致性、完整性和表现形式准确性进行评价。数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从数字质量产生和扩散的所有过程和环节人手，分别用一定的方法减少误差。空间数据质量控制常见的方法有：传统的手工方法、元数据方法、地理相关法。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第八十一页，共125页。(四)地理(dìlǐ)空间数据库系统GIS数据库系统的变化表现(biǎoxiàn)为：1．面向对象模型的应用，使地理空间数据库系统具有更丰富的语义表达能力，并具有模拟和操纵复杂的地理对象的能力。2．多媒体技术的开展拓宽了地理空间数据库系统的应用领域。现在广义的地理信息不仅包括图形、图像和属性信息，而且还包括音频、视频、动画等多媒体信息。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八十二页，共125页。3．虚拟现实技术促进了地理空间数据库的可视化。这里地理空间数据被转换成一种虚拟环境，人们可以进入该数据环境中，寻找不同数据集之间的关系，感受数据所描述的环境。4．分布式处理和Client／Server模式的应用，使地理空间数据库具有Internet／Intranet连接(liánjiē)能力，实现分布式事务处理、透明存取、跨平台应用、异构网互联、多协议自动转换等功能。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第八十三页，共125页。影像地图的显示：传统意义上的地图是以纸质为载体记录了非数字形式的图形，因而地图被描述为“地球外表全部或某局部选定特征在平面上的图形表达〞。但是，任何图片或空间数据都可以表达为数字影像。在GIS中建立的数字影像与其他的影像(例如医疗影像)是有区别的：它们是地址(dìzhǐ)编码过的，即影像中的像元点具有准确的投影位置记录，并且一般能够显示几种空间数据类型及其注记。GIS中的影像在显示时，既表现出了传统地图的特性，又具有数字影像的特征，因此被成为制图影像。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第八十四页，共125页。影像地图的构成：与空间对象关联的图形的要素，在显示(xiǎnshì)时，任意空间对象类型如点、线、不规那么多边形和像元，都可关联到图表要素上。常见空间对象类型的图形要素表达形式：点要素、线要素、不规那么多边形要素、像元点要素。在图形显示(xiǎnshì)中，后显示(xiǎnshì)的图形要素要覆盖先显示(xiǎnshì)的图形要素，所以在制图影像中不同类型的空间对象的显示(xiǎnshì)顺序是很重要的。一般的显示(xiǎnshì)顺序是：像元点数据、多边形数据，然后是线状和点数据。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八十五页，共125页。地图注记：地图影像的第二个主要内容是注记，注记通常最后绘制(huìzhì)，叠置在影像的地理要素之上。注记包括标志点、标题、文本框、图例、线状比例尺、方格网和指北箭头等。标志点一般与点状物体相对应，在地图上有特定的位置；在某些系统中，标志点随着地图比例尺的增大或缩小而自动变化。标题和文本框可放在特定位置，有与标志点相似的特征。控制点、格网线或分度张用于指示地理坐标或投影坐标。在某些系统特定的文本文件中，图例与空间物体的类别相对应。一般来说，地图注记的设计应尽可能灵活，这样才有助于生产高质量的地图影像。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八十六页，共125页。(五)GIS的地理信息(dìlǐxìnxī)构成和信息结构地理信息是对地理实体特征的描述，地理实体特征一般分为四类：1．空间特征，描述地理实体空间位置、空间分布及空间相对位置关系。2．属性特征，描述地理实体的物理属性和地理意义(yìyì)。3．关系特征，描述地理实体之间所有的地理关系，包括空间关系、分类关系、隶属关系等根本关系的描述，也包括对由根本地理关系所构成的复杂地理关系的描述。4．动态特征，描述地理实体的动态变化特征。地理信息对这些特征的描述，是以一定信息结构为根底的。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八十七页，共125页。(六)地理信息(dìlǐxìnxī)的分类与编码1．地理信息(xìnxī)的分类地理信息(xìnxī)分类一般采用线分类法。2．地理信息(xìnxī)的编码对地理信息(xìnxī)的代码设计是在分类体系根底上进行的，中国所编制的地理信息(xìnxī)代码中，以层次码为主。目前，已形成国家标准的地理信息(xìnxī)方面的分类及代码已有多个，例如，GB2260=80?中华人民共和国行政区划代码?，GB／T13923—92?国土根底信息(xìnxī)数据分类与代码?、GBl4804—93?1：500、1：1，000、1：200地形图要素分类与代码?、GB／T5660—1995?1：5，000、1：10，000、1：25，000、1：50，000、1：100，000地形图要素分类与代码?。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第八十八页，共125页。(七)地理信息(dìlǐxìnxī)标准及标准的制定制定地理信息技术标准(biāozhǔn)的主要对象、一般要求和编制标准(biāozhǔn)体系表是为促进全球地理信息资源的开发、利用和共享，国际标准(biāozhǔn)化组织在1994年3月的技术局会议上，决定成立地理信息／地球信息专业技术委员会。该技术委员会的工作范围为数字地理信息领域标准(biāozhǔn)化。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第八十九页，共125页。(八)GIS信息(xìnxī)共享一般GIS存在地理信息是封闭、独立的系统，没有统一的标准，不同的数据格式、数据存储和数据处理方法难以共享；GIS及其应用系统的开发都是基于具体、相互独立和封闭的平台，并且(bìngqiě)在数据语义无法直接进行应用系统之间的数据共享等问题。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第九十页，共125页。五、地理信息系统(GIS)在物流信息系统中的作用(zuòyòng)GIS应用于物流信息系统，可通过客户和详细(xiángxì)地址字符串，自动确定客户的地理位置(经纬度)和客户所在的中心站和分站。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第九十一页，共125页。通过基于GIS的查询、地图表现的辅助决策，实现对物流配送、投递路线的合理调度和安排客户投递排序，用地图符号在地图上表示客户的地理位置(dìlǐwèizhì)，不同类型的客户(如A、B、c类客户等)采用不同的标志。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第九十二页，共125页。物流地理信息系统主要应用包括以下几个功能：客户地址定位：地址定位就是系统由一个地理点的地址字符串确定(quèdìng)其地理位置，包括自动定位、交互定位两类。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第九十三页，共125页。自动定位：自动定位由业务系统调用，通过业务系统传来的业务点的地址字符串确定(quèdìng)其地理位置，并传回业务系统。交互定位：交互定位是指通过地理信息系统交互，在地图上漫游查找，直到确定(quèdìng)地理位置(经纬度)为止经济(jīngjì)与管理实验教学中心第九十四页，共125页。机构区域划分：用户基于综合评估模型和地理信息系统的查询、地图表现，实现(shíxiàn)对机构区域编辑。站点选址：由用户基于分站综合评估模型和地理信息系统的查询、地图表现，实现(shíxiàn)对业务机构的站点选址。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第九十五页，共125页。投递排序、路线编辑：通过(tōngguò)地理信息系统的地图表现，实现对送货投递路线的合理编辑(如：创立、删除、修改)和客户投递排序。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第九十六页，共125页。第二节全球定位系统一、全球定位系统的概述(ɡàishù)全球定位系统(GPS：GlobalPositioningSystem)。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第九十七页，共125页。系统的工作(gōngzuò)原理虽然GPS系统有着如此神奇的应用，工作原理却不神秘(shénmì)，它的计算根底是大家都熟知的三角计算法那么。下面通过一个最简单的例子来说明它的计算过程：经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第九十八页，共125页。某人在一个陌生城市迷路了，只好向别人问路，被告知此地距甲地625英里，由此推测(tuīcè)该人可能在以甲地为圆心，以625英里为半径的圆周上的任何一点，经济(jīngjì)与管理实验教学中心第九十九页，共125页。可是究竟是哪一点却不得而知。只好再次询问，得知此地(cǐdì)同时距乙地650英里，综合这两条信息，范围被缩小到相交的小区域。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百页，共125页。第三次询问得知该处距丙地615英里，这时便能很清楚地知道(zhīdào)自己的所在位置。由此看来根据三角计算法那么，只要知道(zhīdào)某未知地距其他三个地的距离，就可以推算处该处精确的二维位置，再加上一个空间高度的值便能很容易确定它在三维空间的位置。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一百零一页，共125页。GPS之所以能够定位导航，是因为每台GPS接收机无论在任何时刻、在地球上任何位置都可以同时接收到最少4颗GPS卫星发送(fāsònɡ)的空间轨道信息。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一百零二页，共125页。二、全球定位系统(GPS)的定义(dìngyì)与分类(一)GPS定义全球卫星定位系统(xìtǒng)是利用卫星星座(通信卫星)、地面控制局部和信号接收机对对象进行动态定位的系统(xìtǒng)。GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反响空间信息。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百零三页，共125页。(二)GPS分类(fēnlèi)GPS接收机的分类有多种分类方法：1．按接收机的用途分类(1)导航型接收机：此类接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时(shíshí)给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C／A码伪距测量，单点实时(shíshí)定位精度较低，一般为±25m，有SA影响时为±100m。这类接收机价格廉价，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一百零四页，共125页。车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用(shànɡyònɡ)的接收机要求能和达应高速运动。星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度达7km／s以上，因此对接收机的要求更高。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百零五页，共125页。(2)测地型接收机：测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格(jiàgé)较贵。(3)授时型接收机：这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百零六页，共125页。2．按接收机的载波(zàibō)频率分类(1)单频接收机：单频接收机只能接收L，载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线(<15kin>)的精密定位。(2)双频接收机：双频接收机可以(kěyǐ)同时按收L，L2载波信号。利用双频对电离层延迟不一样的精性，可以(kěyǐ)消除电离层对电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百零七页，共125页。3．按接收机通道(tōngdào)数分类GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了别离接收到的不同卫星信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类(zhǒnglèi)可分为：多能道接收机、序贯穿道接收机、多路多用通道接收机。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一百零八页，共125页。4．按接收机工作原理(yuánlǐ)分类(1)码相关型接收机：是利用码相关技术得到伪距观测值。(2)平方型接收机：平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过(tōngguò)相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。(3)混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。(4)干预型接收机：这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干预测量方法，测定两个测站间距离。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一百零九页，共125页。三、全球定位系统(GPS)的组成(zǔchénɡ)与功能(一)GPS的组成GPS系统包括三大局部：空间局部一GPS卫星星座；地面控制局部一地面监控系统；用户(yònghù)设备局部一GPS信号接收机。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百一十页，共125页。1．GPS工作卫星及定位星座GPS工作卫星及定位星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记做(21+3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角度为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角(jiāojiǎo)距相差90度，轨道平面的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。经济与管理(guǎnlǐ)实验教学中心第一百一十一页，共125页。在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须(bìxū)观测4颗GPS卫星，称为定位星座。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百一十二页，共125页。GPS工作卫星的编号和试验卫星根本相同。其编号方法有：按发射先后次序编号；按PRN(卫星所采用的伪随机噪声码)的不同编号；NASA编号(美航空(hángkōng)航天局对GPS卫星的编号)；国际编号(第一局部为该星发射年代，第二局部表示该年中发射卫星的序号，字母A代表发射的有效负荷)；按轨道位置顺序编号等。在导航定位测量中，一般采用PRN编号。经济(jīngjì)与管理实验教学中心第一百一十三页，共125页。在GPS系统中，GPS卫星