第01章-GIS原理-绪论

地理信息系统原理与应用地理信息系统原理与应用第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望地理信息系统基本原理第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望1、信息(Information)狭义信息论将信息定义为“两次不定性之差”，即指人们获得信息前后对事物认识的差别；广义信息论认为，信息是指主体（人、生物或机器）与外部客体（环境、其他人、生物或机器）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。一般认为：信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体物理设备形式的改变而改变。地理信息系统基本原理GeographicInformationSystem，GIS-------------地理信息系统一、基本概念信息具有以下特点：客观性：任何信息都是与客观事实紧密相关的，这是信息正确性和精确度的保证；实用性：信息对决策是十分重要的，信息系统将地理空间的巨大数据流收集、组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息；传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备（包括远程终端）和以一定的形式或格式提供给有关用户，也包括信息在系统内各个子系统之间的流转和交换，如网络传输技术；共享性：信息与实物不同，信息可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。地理信息系统基本原理一、基本概念2、数据数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。数据是用以载荷信息的物理符号，数据本身并没有意义。如数字“1”。信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。地理信息系统基本原理一、基本概念3、数据与信息的关系：数据加工处理信息地理信息系统基本原理一、基本概念4、地理信息的定义：地理信息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，它是对地理数据的解释。在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性：地理信息系统基本原理一、基本概念区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识；多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构；地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。5、信息系统的定义：信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。信息系统也需要人的参与。地理信息系统基本原理一、基本概念1）计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在短时间内处理大量数据、存储信息和快速获得帮助；2）软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统，它接受有效数据，并正确地处理数据；在一定的时间内提供适用的、正确的信息；并存储信息为将来所用；3）数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；4）用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的，在系统中总是包含一些人的复杂因素，人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统，建立信息系统。6、地理信息系统（GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统的核心在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。地理信息系统的定义：

一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（GeospatialDatabase）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统基本原理一、基本概念地理信息系统基本原理一、基本概念（1）地图观：认为GIS是一个地图处理和显示系统。在该系统中，每个数据集被看成是一张地图、或一个图层（layer）、或一个专题(theme)、或覆盖(coverage)。利用GIS的相关功能对数据集进行操作和运算，就可以得到新的地图。（2）数据库观：强调数据库理论和技术方法对GIS设计、操作的重要性。（3）空间分析观：强调空间分析和模拟的重要性。实际上，GIS的空间分析功能是它与CAD、MIS等系统的主要区别之一，也是GIS理论和技术方法发展的动力。（1）面向数据处理过程的定义：地理信息系统是一个具有输入、存储、查询、分析和输出地理数据的计算机系统。（2）面向专题应用的定义：根据处理信息的类型来定义地理信息系统，如房地产管理信息系统，土地管理信息系统，城市交通管理信息系统，资源开采管理信息系统等。（3）工具箱定义：这种定义基于软件系统分析的观点，认为地理信息系统包括各种复杂的处理空间数据的计算机程序和各种算法。工具箱定义系统地描述了地理信息系统应具备的功能，这为软件系统的评价提供了基本的技术指标。（4）数据库定义：强调分析工具与数据库管理系统的联接。一个通用的地理信息系统可以看成是许多特殊的空间分析方法与数据库管理系统的结合。

地理信息系统基本原理一、基本概念

地理信息系统是由计算机软硬件、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的采集、输入、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为工程设计、土地利用、资源管理、城市管理、环境监测、管理决策等应用服务的计算机系统，是计算机科学、遥感与航测技术、计算机图形学、计算机辅助设计、应用数学、地理学、地质学等学科综合发展的产物。地理信息系统基本原理一、基本概念构成功能应用与其它学科的联系7、GIS的特征：

第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

地理信息系统基本原理一、基本概念地理信息系统基本原理第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能1.数据输入、预处理2.数据编辑3.数据存储与管理4.数据查询与检索5.数据分析6.数据显示与结果输出7.数据更新地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能1．数据输入、预处理

空间数据只有加工为适合的形式才能被GIS利用，将空间数据输入计算机的过程称为数字化。最新扫描技术使大规模自动数字化成为可能，中小型作业仍可使用手工数字化；GIS软件提供强大的数据转换功能，可从CAD(DMG文件格式)、文本、关系数据库等各种形式转人数据。地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能2．数据编辑

数据编辑主要包括属性编辑和图形编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整理、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能3．数据存储与管理

数据存储就是将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存贮介质上。其存储方式与数据文件的结构相关，关健在于建立记录的逻辑顺序。GIS既能采用普通文件结构构造数据，又能通过大型数据库系统进行有效严格的组织管理。在关系型数据库中，不同表格间通过主码与外码相互连接，提供GIS高度的可扩展性和灵活的配置能力。地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能4．数据查询与检索

数据查询与检索就是指从数据文件、数据库或存储装置中，查找和选取所需数据。其中查询是指根据用户提出的问题．确定查找方向和步骤，从而得到需要的信息；检索是指从数据文件中，提取所需要的数据。地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能5．数据分析

GIS能分析所定区域内的各种现象和过程。这一分析功能可在系统操作运算功能的支持下或建立专门的分析软件来实现，包括信息采集与分析、统计分析、多要素综合分析等。地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能6．数据显示与结果输出

数据显示就是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，包括图形数据的数字化与编辑以及操作分析过程的显示。通常以人机对话方式来选择显示的对象与形式，如数据显示、统计图形显示、空间数据的图形图像显示等。结果输出有专题地图、图表、数据、表格、报告等多种类型。屏幕显示也是结果输出的一个方面。输出设备有显示器、彩色绘图仪、打印机等。地理信息系统基本原理二、地理信息系统的功能7．数据更新

数据更新就是以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录。它是通过删除、修改、再插入等一系列操作来实现的。数据库应具有更新能力。数据更新是地理信息系统建立地理数据的时间序列，满足动态分析的前提。数据更新分全面更新和局部更新两种。数据更新的关键在于建立遥感与地理信息系统的接口，提高不同数据结构数据转换的精度和效率，以及提高遥感数据的几何精度和分类精度。地理信息系统基本原理第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望地理信息系统基本原理三、地理信息系统的应用地理逻辑绘图绘图机构地质测绘环保机构地方政府人口局税务部门旅游服务业公用事业公司企业教育交通运输部门地理信息系统基本原理三、地理信息系统的应用GIS应用系统一般来说，GIS应用系统通常可从以下几种角度来划分：以研究对象的性质和内容分类以研究区的区域范围分类以系统用途分类地理信息系统基本原理三、地理信息系统的应用1．以研究对象的性质和内容分类综合性地理信息系统：按统一标准存储、管理一定范围内的各种自然和社会经济综合数据的地理信息系统。如加拿大国家地理信息系统，中国自然环境综合信息系统等。专题性地理信息系统：具有有限目标和专业特点的地理信息系统，系统数据项的选择和操作功能设计是为特定的目的服务，如红壤资源信息系统、土地资源信息系统、水资源管理信息系统、农作物估产信息系统等。地理信息系统基本原理三、地理信息系统的应用2．以研究区的区域范围分类全球性地理信息系统：这种系统研究区域范围往往涉及全球范围。如全球人口资源地理信息系统。区域性地理信息系统：主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、省级的、市(地)级和县级等相各不相同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或以流域为单位的区域信息系统。如加拿大国家信息系统、我国黄河流域信息系统等。地理信息系统基本原理三、地理信息系统的应用3．以系统用途分类

（1）城市信息系统；（2）资源调查与评价信息系统；（3）规划信息系统；（4）辅助决策信息系统等。地理信息系统基本原理三、地理信息系统的应用(1)专题地图制图——地形测量、人口、社会经济指标统计图(2)矿产资源评价——地质制图、地质灾害、品位估算与预测(3)环境评价与监测——环境影响评价、污染评价(4)土地、水资源调查与管理——土地管理、道路设计、文物保护、水质评价等；(5)资源开采——生产图形的绘制与修改、开采技术参数的评价与预测、基础数据的管理等；(6)管网、交通模拟模型——煤气管道、污水管道、输电线路铁路、公路的网络模型研究；(7)导航系统——空中管制、海图制作等；(8)城市规划——居民点、商业网点、道路的设计，各种管网

工程的设计与管理，各种城市景观的规划与设计；(9)教练与模拟——基于GIS和虚拟现实（VirtualReality简称VR）地理信息系统基本原理第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望地理信息系统的组成地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成完整的GIS应包括4个主要部分：一、GIS的硬件设备二、GIS的软件三、数据四、GIS人员地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成1、GIS的硬件设备

GIS的硬件设备构成GIS的物理外壳。其配置一般包括以下几个部分磁带/光盘遥感/GPS扫描仪数字化仪工作站网络设备服务器绘图仪电子地图PC/NCIntranetInternet

输入设备处理设备输出设备图

GIS硬件设备配置地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成(1)计算机主机：它可以是单机，也可以组成计算机网络来实现。(2)数据输入设备：用于将系统所需要的各种数据输入计算机，并将模拟数据转换成数字化数据。通常有数字化仪、扫描仪、图像处理系统、GPS(全球卫星定位系统)接收机、解析和数字摄影测量仪等，它们将以图形、图像、文件、报表等不同形式显示数据的分析处理结果。地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成(3)数据存储设备：主要指存储数据的磁盘、磁带、光盘及相应的驱动设备。(4)数据输出设备：它包括图形终端显示设备、绘图仪、打印机、可擦写光盘以及多媒体输出装置等。(5)数据通讯传输设备：包括网卡、网络系统连线及其他网络专门设施。GIS可以通过网络交流信息或共享数据。地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成2、GIS的软件

GIS的软件是指GIS运行所必需的各种程序，它们构成GIS的核心部分，关系到GIS的功能。这些软件通常由4部分组成：(1)计算机系统软件(2)GIS系统软件(3)应用分析程序(4)其他支持软件地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成1)计算机系统软件：主要指为用户使用计算机提供方便的程序系统，包括操作系统、汇编系统、编译程序、诊断程序、库程序等。这些是GIS正常运行所必需的。2)GIS系统软件：指GIS基本功能软件包，以完成对数据进行采集、加工、存储、管理、分析、查询、显示再现和与用户接口。地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成3)应用分析程序：这是系统开发人员或用户为某种特定应用任务而开发的程序，对系统功具有扩充作用。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定着系统的优劣和成败。4)其他支持软件：用于对GIS系统软件提供支撑或功能上的一些补充。包括数据库管理系统、图像处理系统、计算机图形软件包等。地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成三、数据数据是GIS的管理内容和操作对象。它是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和经济的数据。这些数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。它们由系统研制者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他输人设备输入到GIS中，也可以通过其他系统的通讯接口直接输入GIS。GIS正是通过对这些数据的采集、管理、分析，提取其信息内容构成信息模型，根据用户的要求来模拟现实世界，其相应的区域信息包括位置信息、属性信息和空间关系等。地理信息系统基本原理四、地理信息系统的构成四、GIS人员

GIS是一个动态的地理模型，是一个复杂的人－－机系统。仅仅有系统硬件、软件和数据还构不成一个完整的GIS。它必须处于相应的机构或组织环境内，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等工作。因此，系统的管理、维护和使用人员是GIS中的重要构成因素。这里GIS人员既包括从事GIS系统开发的专业人员，也包括采用GIS完成日常工作的终端用户。地理信息系统基本原理第一章：绪论1、地理信息系统的基本概念2、地理信息系统的功能3、地理信息系统的应用4、地理信息系统的构成5、地理信息系统的产生、发展及展望地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望一、国外发展概况

二、国内发展概况

三、GIS的发展趋势地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望以时间发展为序列，综合考虑GIS发展的特点，可将GIS分为4个发展阶段：20世纪60年代起始发展阶段70年代巩固发展阶段80年代推广应用阶段

90年代的全面发展阶段地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望1．60年代起始发展阶段

世界上最早的GIS源于北美，是由加拿大测量学家R.F.TomUnMn提出并建立的，称为加拿大地理信息系统(CanadaGeographicInformationSystem，CGIS)，主要用于自然资源的管理和规划。稍后，美国哈佛大学HowardT．Fisher设计和建立了SYMAP系统软件。但由于当时计算机技术水平不高，存储量小，磁带存取慢，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极为简单。地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望当时的系统能实现手扶跟踪数字化地图，进行地图数据的拓扑编辑，分幅数据的拼接，并发展了基于栅格的操作方法。这一时期GIS发展的另一显著特点是许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立。例如，1966年美国成立城市和区域信息系统协会(UrbanRegionalInformationSystemAssociation，URISA)，1969年又建立起州信息系统全国协会(NationalAssociationofStatesInformationSystem，NASIS)。这些组织和机构的建立，为传播GIS知识和推动GIS技术的发展，起到了重要的作用。地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望2．70年代巩固发展阶段

进入20世纪70年代，随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存取设备——磁盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝实用方向迅速发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的GIS在世界各地纷纷研制，美国、加拿大、英国、德国、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力和物力。例如，1970一1976年，美国地质调查局就建成了50多个专业性的地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息；瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。其他一些国家也先后建立了许多专业性的地理信息系统。与此同时，一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎。据统计，在70年代大约有300多个系统投入使用。这期间许多大学和研究机构也开始重视GIS软件设计及应用的研究，例如，美国纽约州立大学布法罗校区创建了GIS实验室。总之，在这一时期，地理信息系统技术已受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为一个引人注目的领域。地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望

3．80年代推广应用阶段

由于计算机的发展，推出了图形工作站和微型PC机等性能价格比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。GIS系统软件和应用软件的发展，使系统的数据处理能力、空间分析功能、人机交互、地图输入、编辑和输出技术均有较大提高。从而使得它的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线)转向更复杂的区域开发，例如土地的农业利用，城市化的发展，人口规划与安置等。同时，由于计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。与遥感技术相结合、GIS开始用于解决全球性问题，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料、全球变化与全球监测。80年代，GIS软件的研制和开发也取得了很大成绩，涌现出一批有代表性的GIS软件，如ARC／INFO、IGDS／MRS、TIGRIS、MGE、SYSTEM9、Microstation、MIPS、GENEMAP等等。地理信息系统基本原理五、地理信息系统的产生、发展及展望

这一时期GIS在技术上有了很大的发展，主要表现在以下四个方面：栅格扫描技术的发展，使数据输入更加方便，速度更快；数据的存储技术和分析处理功能得到很大发展；高性能显示装置的发展以及大幅面彩色喷墨输出装置的发展，使系统数据和处理结果可以得到更有效地表达；关系型数据库管理系统(RelationalDatabaseManagementSystem，RDMS)的发展和应用，使GIS的数据管理得到很大改善，系统软件工具