地理信息系统概论课件

概论

如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。

----陈述彭

简单的说，地理信息系统是回答如下问题的信息系统——“哪里”。

----HenryTom1．地理信息系统的基本概念1．1信息、数据、地理数据与地理信息1．1．1信息（Information）1）信息的含义信息是指主体（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。2）信息的特点客观性、实用性、传输性、共享性1．1．2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符号，数据本身并没有意义。

信息与数据是不可分离的。1．地理信息系统的基本概念数据包含原始事实，信息是把数据处理成有意义的和有用的形式。人的知识、经验作用到数据上，可以得到信息，而获得信息量的多少，与人的知识水平有关*。（图1-1）1．地理信息系统的基本概念图1-1：数据和信息1．地理信息系统的基本概念1．1．3地理信息和地理数据

地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。

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。1．地理信息系统的基本概念1）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；2）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；3）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、短期的、中期的、长期的、超长期等。1．地理信息系统的基本概念

地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。

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，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等；

属性数据又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标，即描述了信息的非空间组成部分，包括语义与统计数据等；

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，越来越受到地理信息系统学界的重视。1．地理信息系统的基本概念1．2信息系统及其类型

系统是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计算机而言，系统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关系联系起来进行工作的集合体，内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及其相互之间的联系方式所决定。

1．地理信息系统的基本概念1．2．1信息系统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。一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。1．地理信息系统的基本概念1）计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在非常短的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，建立信息系统也需要人的参与。1．地理信息系统的基本概念在基于计算机的信息系统中，处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系（图1-2）。图1-2：信息系统的组成1．地理信息系统的基本概念

1．2．2信息系统的类型

信息的需要完全取决于管理的层次，设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需要，这种系统是很复杂的，因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预知的。在组织中将信息系统分成三个管理层次：操作层（底层）、战术层（中间层）和战略层（顶层）。操作层包括的人员如会计师、销售人员和商店监理，他们执行日常工作和上级管理所做的计划；战术层包括组织中的高级管理人员和参与最高管理的中层管理人员；而管理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题，大多数组织建立不同类型的系统来满足他们的需要，见信息系统类型图（图1-3）：1．地理信息系统的基本概念图1-3：信息系统的类型1．地理信息系统的基本概念1）事物处理系统主要用以支持操作层人员的日常活动。它主要负责处理日常事务。2）管理信息系统需要包含组织中的事务处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围的数据。1．地理信息系统的基本概念3）决策支持系统能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者制定决策。它是基于计算机的交互式的信息系统，由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决策效果。4）人工智能和专家系统是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围，使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。专家系统由五个部分组成：知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获得系统。1．地理信息系统的基本概念2．地理信息系统及其类型2．1地理信息系统地理信息系统（GeographicalInformationSystem，GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别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。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。地理信息系统的定义是由两个部分组成的。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。2．地理信息系统及其类型地理信息系统具有以下三个方面的特征：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。2．地理信息系统及其类型

地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。2．地理信息系统及其类型地理信息系统和4M对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言，他们观察并量测（Measure）环境参数，并制作地图（Map）描述了地球的特征；他们监测（Monitor）周围环境的变化，对影响环境的过程和活动建立模型（Model）。这四项活动（4M），通过应用GIS技术，都可以得到改善和提高。2．地理信息系统及其类型2．2地理信息系统的类型地理信息系统按其内容可以分为三大类：1）专题地理信息系统（ThematicGIS）2）区域信息系统（RegionalGIS）3）地理信息系统工具（GISTools）2．地理信息系统及其类型2．3地理信息系统的构成与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映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。系统构成如图1-4所示。2．地理信息系统及其类型图1-4：地理信息系统的构成2．地理信息系统及其类型2．3．1计算机硬件系统

计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳。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由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件*）等，这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务。图1-5表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。2．地理信息系统及其类型

图1-5：计算机标准外设和GIS使用的外设2．地理信息系统及其类型2．3．2计算机软件系统对于GIS应用而言，通常包括：1）计算机系统软件2）地理信息系统软件和其他支持软件3）应用分析程序2．地理信息系统及其类型

图1-6：地理信息系统软件的功能框架2．地理信息系统及其类型

2．3．3系统开发、管理和使用人员

人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系统软硬件和数据还不能构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。2．地理信息系统及其类型2．3．4空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。在GIS中，空间数据主要包括：1）某个已知坐标系中的位置2）实体间的空间关系3）与几何位置无关的属性2．地理信息系统及其类型图1-7：几种典型的拓扑关系

2．地理信息系统及其类型对于GIS的定义，有三种观点，即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义侧重于制图有关的内容，因此GIS被视为一个地图分析与处理系统；数据库观点的GIS定义则侧重于数据库设计与实现的完美性，一个复杂的数据库管理系统被视为GIS不可分割的一部分；持空间分析观点的定义侧重于分析和建模，GIS被视为一门空间信息科学而不仅是一门技术。2．地理信息系统及其类型3．地理信息系统的功能概述

地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模型。1）位置（Locations）即在某个特定的位置有什么。2）条件（Conditions）即什么地方有满足某些条件的东西。3）变化趋势（Trends）该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。4）模式（Patterns）该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。地理信息系统将现有数据组合在一起，能更好地说明正在发生什么，找出发生事件与哪些数据有关。5）模型（Models）该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。3．地理信息系统的功能概述

为了完成上述的地理信息系统的核心任务，需要采用不同的功能来实现它们。尽管目前商用GIS软件包的优缺点是不同的，而且它们在实现这些功能所采用的技术也是不一样的，但是大多数商用GIS软件包都提供了如下功能：数据的获取（DataAcquisition）、数据的初步处理（PreliminarydataProcessing）、数据的存储及检索（StorageandRetrieval）、数据的查询与分析（SearchandAnalysis）、图形的显示与交互（DisplayandInteraction）。3．地理信息系统的功能概述

图1-8：GIS功能概述（椭圆）以及它们的表现（矩形）3．地理信息系统的功能概述

空间信息处理和分析的六个组成部分1）空间操作，如地图的并、交、差运算，缓冲区计算，选择等等；2）空间统计分析，用于描述和分析空间数据的关系，如空间自相关分析；3）空间模型，注重于空间现象、空间结构、空间关系和空间位置的分析，如网络分析和水系生成等等；3．地理信息系统的功能概述

4）空间表现/可视化，侧重于表达空间信息；5）空间数据库管理，包括空间数据库设计，空间数据结构，空间数据管理和空间查询。6）空间模型库管理，包括为空间决策支持系统提供模型的管理等等。3．地理信息系统的功能概述3．1数据采集、监测与编辑主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。3．2数据处理初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。3．地理信息系统的功能概述

3．3数据存储与组织这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。3．地理信息系统的功能概述

3．4空间查询与分析空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次。

3．地理信息系统的功能概述

3．4．1空间检索包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关键技术，如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息，将影响地理信息系统的分析能力；另一方面，空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分。3．地理信息系统的功能概述

3．4．2空间拓扑叠加分析空间拓扑叠加实现了输入要素属性的合并（Union）以及要素属性在空间上的连接(Join)。空间拓扑叠加本质是空间意义上的布尔运算。3．地理信息系统的功能概述

3．4．3空间模型分析其研究可分三类：第一类是地理信息系统外部的空间模型分析，将地理信息系统当作一个通用的空间数据库，而空间模型分析功能则借助于其它软件；第二类是地理信息系统内部的空间模型分析，试图利用地理信息系统软件来提供空间分析模块以及发展适用于问题解决模型的宏语言，这种方法一般基于空间分析的复杂性与多样性，易于理解和应用，但由于地理信息系统软件所能提供空间分析功能极为有限，这种紧密结合的空间模型分析方法在实际地理信息系统的设计中较少使用；第三类是混合型的空间模型分析，其宗旨在于尽可能地利用地理信息系统所提供的功能，同时也充分发挥地理信息系统使用者的能动性。3．地理信息系统的功能概述

3．5图形与交互显示地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。3．地理信息系统的功能概述

4．地理信息系统的研究内容4．1研究内容地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生，地理信息系统的应用使技术系统不断完善，并逐渐发展了地理信息系统的理论；理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统，并不断拓宽其应用领域，加深应用的深度；地理信息系统的应用，又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。这三个方面的研究内容是相互联系相互促进的。4．地理信息系统的研究内容图1-9：地理信息系统内容体系4．地理信息系统的研究内容

4．1．1地理信息系统基本理论研究包括研究地理信息系统的概念、定义和内涵；地理信息系统的信息论研究；建立地理信息系统的理论体系；研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探讨地理信息系统发展方向等理论问题。4．地理信息系统的研究内容

4．1．2地理信息系统技术系统设计包括地理信息系统硬件设计与配置；地理空间数据结构及表示；输入与输出系统；空间数据库管理系统；用户界面与用户工具设计；地理信息系统工具软件研制；微机地理信息系统的开发；网络地理信息系统的研制等。4．地理信息系统的研究内容

4．1．3地理信息系统应用方法研究包括应用系统设计和实现方法；数据采集与校验；空间分析函数与专题分析模型；地理信息系统与遥感技术结合方法；地学专家系统研究等。4．地理信息系统的研究内容

4．2地理信息系统相关学科地理学是一门研究人类生活空间的学科，地理学研究空间分析的传统历史悠久，它为GIS提供了一些空间分析的方法与观点，成为GIS部分理论的依托。地理学的许多分支学科，如地图学、大地测量学等都与GIS有着密切的相依关系。另一方面，地理信息系统也以一种新的思想和新的技术手段解决地理学的问题，使地理学研究的数学传统得到充分发挥。地理信息系统的相关学科见图1-10。4．地理信息系统的研究内容

图1-10：地理信息系统相关学科4．地理信息系统的研究内容

4．2．1地理学地理学是一门研究人类赖以生存的空间的科学。在地理学研究中，空间分析的理论和方法具有悠久的历史，它为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为地理信息系统的基础理论依托。而地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段，并使地理学研究的数学传统得到了充分地发挥。4．地理信息系统的研究内容

4．2．2地图学地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的角度来看，地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。4．2．3计算机科学地理信息系统与计算机的数据库技术(DBMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制图(CAM)和计算机图形学(ComputerGraphics)等有着密切的联系。但是它们却无法取代地理信息系统的作用。4．地理信息系统的研究内容

4．2．4遥感遥感是一种不通过直接接触目标物而获得其信息的一种新型的探测技术。它通常是指获取和处理地球表面的信息，尤其是自然资源与人文环境方面的信息，并最后反映在像片或数字影像上的技术。4．2．5管理科学传统意义上的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，如人才管理信息系统、财务管理信息系统、服务业管理信息系统等。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间特征。4．地理信息系统的研究内容

图1-11：GIS学科“树”

[Charistopher.B.Jones]4．地理信息系统的研究内容

正如上图所述，“树根”表示GIS的技术基础，如测量学、计算机科学与数学等；“树枝”表示GIS的应用，应用的结果与需求返回到“树根”；“雨滴”是每个应用中的数据来源，如各种测量如地形测量、环境测量等，并为它的发展提供了有效的手段，而地理信息系统的应用主要是在环境科学、地理学和社会科学等领域。5．地理信息系统发展简史

地图是地理学的第二代语言，而地理信息系统将成为地理学的第三代语言。二十世纪六十年代初，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图。1950年，麻省理工学院为它的旋风一号计算机制造了第一台图形显示器；1958年，美国的一公司在联机的数字记录仪的基础上研制成滚筒式绘图仪；1962年，麻省理工学院的一名研究生在其博士学位论文中，首次提出了计算机图形学的术语，并论证了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确立了这一科学分支的独立地位。在此基础上，地理信息系统发展起来。5．地理信息系统发展简史5．1六十年代开拓发展阶段这一时期的软件主要针对当时的主机和外设开发的，算法尚嫌粗糙，图形功能有限。5．2七十年代巩固阶段这一时期地图数字化输入技术有了一定的进展，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工作效率，扫描输入技术系统出现。图形功能扩展不大，数据管理能力也较小。这一时期软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。5．地理信息系统发展简史

5．3八十年代突破阶段由于计算机的发展，推出了图形工作站和个人计算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。随着计算机软、硬件技术的发展和普及，地理信息系统也逐渐走向成熟。这一时期是地理信息系统发展的重要时期。我国地理信息系统方面的工作自八十年代初开始。5．地理信息系统发展简史

5．4九十年代社会化阶段进入九十年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，地理信息系统将深入到各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。6．GIS的发展展望

6．1GIS理论研究中及待解决的问题6．1．1GIS理论发展的需求1）图形数据和属性数据的结合2）GIS与RS的结合3）GIS与GPS和CCD技术的结合4）GIS与专家系统的结合6．GIS的发展展望6．1．2GIS理论研究中及待解决的问题1）GIS设计与实现的方法学问题2）GIS的功能问题3）多媒体地理信息系统的管理和操作的问题4）GIS地理信息的深加工问题5）空间信息可视化技术和虚拟现实技术6．GIS的发展展望

6．2地理信息系统的发展动态近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提出的要求。另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工