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地理信息系统导论

1/95地理信息系统概念地理信息系统内部关系（研究、技术和产业）地理信息系统和3S关系地理信息系统应用现实状况地理信息系统发展前景2/95一、地理信息系统概念3/95与GIS相伴一天动力来自能源企业。能源企业全部生产设施、如输电设备、建筑物等经过GIS来管理；自来水企业利用GIS及相关模型对辖区内用户用水量进行预测，确保用户正惯用水；上班途中利用GIS来计算最正确线路；利用人口GIS、统计GIS准确锁定目标群体，针对性营销。商业购物，商业选址、物流安排等。提升效益。购房、旅游等。4/95公园选址辅助决策什么是GIS5/95地理信息定义：地理信息是指与研究对象空间地理分布相关信息,它表示地理系统诸要素数量、质量、分布特征，相互联络和改变规律图、文、声、像等总称。6/95什么是GIS？地理信息系统(GIS,GeographicInformationSystem)是一个基于计算机工具，它能够对在地球上存在东西和发生事件进行成图和分析。GIS技术把地图这种独特视觉化效果和地理分析功效与普通数据库操作（比如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使GIS与其它信息系统相区分，从而使其在广泛公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中含有实用价值。7/95什么是GIS？由计算机系统、地理数据和用户组成，经过对地理数据集成、存放、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新知识，为工程设计和规划、管理决议服务。

--陈说彭等（1999，地理信息系统导论）

Geographic

InformationSystemGSI8/9591.2GIS与地图地图是GIS原型。GIS以计算机技术为基础。GIS中地理要素和描述它属性相联络。地理要素与属性间联络是动态。9/951.3地理信息系统与其它系统区分和联络10/95（1）、GIS与普通MISGIS离不开数据库技术。数据库中一些基本技术，如数据模型、数据存放、数据检索等都是GIS广泛使用关键技术。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而普通MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）优化存放与查询，即使存放了图形，也是以文件形式存放，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功效也很有限。如电话查号台是一个普通MIS，只能回答用户问询电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户地理分布、空间密度、最近邮局等空间关系信息。11/95（2）、GIS与CAD/CAM

管理了图形数据和非空间属性数据系统不一定是GIS，如计算机辅助设计(ComputerAdidedDesign，ＣＡＤ)，计算机辅助制图(ComputerAdidedMap，ＣＡＭ)。12/9513/9514/95151.4GIS能处理问题定位(Location)：对象在何处？条件(Condition)：哪些地方符合……特定条件？趋势(Trends)：从何时起发生了哪些改变？模式(Patterns)：对象分布存在何种空间模式？模拟(Modeling)：假如……将怎样？15/95

地理信息系统主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存放、提取以及管理和分析过程中提出一系列基本问题，包含：1）分布式计算；2）地理信息认知；3）地理信息互操作；4）百分比尺；5）空间信息基础设施未来；6）地理数据不确定性和基于GIS分析；7）GIS和社会；8）地理信息系统在环境中空间分析；9）空间数据获取和集成等等。研究什么16/95中国地质大学信息工程学院晁怡1.5GIS组成硬件软件数据人员方法17/95硬件数字化、解析测图仪、扫描仪遥感处理设备、GPS、测绘仪器等

计算机硬盘光盘等存贮处理

打印机绘图仪显示终端等输出

服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络输入

功效硬件配置18/95GIS基本组成软件GIS软件提供所需存放、分析和显示地理信息功效和工具。主要软件部件有：输入和处理地理信息工具数据库管理系统(DBMS)支持空间查询、分析和可视化工具使用这些工具图形化界面(GUI)

19/95操作系统（系统调用、设备运行、网络管理等）（Windows，Unix，Linux）系统库（编程语言、数学库等）（mfc，math.h）数据库系统软件（Oracle，Sybase，SQLSever）GIS基础软件平台GIS应用软件平台操作系统软件基础支撑软件GIS功效软件20/9521/95GIS基本组成方法即使GIS为处理各种现实问题提供了有效基本工具，但对于某一专门应用目标处理，必须构建专门方法。比如土地利用适宜性、公园选址、洪水预测、水土流失等。这些方法是GIS技术产生社会经济效益关键所在，也是GIS生命力主要确保，所以在GIS技术中占有十分主要地位。

22/951.6地理信息系统功效由计算机技术与空间数据相结合而产生GIS这一高新技术，包含了处理信息各种高级功效，不过它基本功效是数据采集、管理、处理、分析和输出。GIS依靠这些基本功效，经过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发环境等，演绎出丰富多彩系统应用功效，被广泛地应用于资源管理、区域规划等领域，满足用户广泛需求。23/95基本功效24/95（1）、数据采集与编辑图1-3-4GIS数据采集流程图1-3-3GIS数据分层概念25/95GIS数据属性数据空间数据空间关系数据空间位置数据26/9527/95（2）数据存放与管理包括到空间数据和属性数据组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是惯用空间数据组织方法在地理数据组织与管理中，最为关键是怎样将空间数据与属性数据融合为一体。28/95（3）、数据处理和变换1)数据变换：指对数据从一个数学状态转换为另一个数学状态，包含投影变换、辐射纠正、百分比尺缩放、误差更正和处理等；2)数据重构：指对数据从一个几何形态转换为另一个几何形态，包含数据拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等；3)数据抽取：指对数据从全集合到子集条件提取，包含类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。29/95（4）空间查询和分析图1-3-5空间查询图1-3-6叠加分析30/95缓冲区建立

缓冲区分析是指以点、线、面实体为基础，自动建立其周围一定宽度范围内缓冲区多边形图层，然后建立该图层与目标图层叠加，进行分析而得到所需结果。它是用来处理邻近度问题空间分析工具之一。31/95网络分析网络模型是运筹学中一个基本模型32/95数字地形分析GIS提供了结构数字高程模型及相关地形分析功效模块，包含坡度、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，为地学研究、工程设计和辅助决议提供主要基础性数据。33/95空间分析矢量数据空间分析、栅格数据空间分析、三维分析、空间统计分析、水文分析以及空间分析建模、路径分析、拓扑分析34/955.数据显示与输出35/95二.GIS内部关系（科学和技术、产业）36/95地理信息系统（GIS）是在地理尺度范围内，对模式和过程进行描述、解释和预测。GIS是一门科学技术，也是一门处理问题学科和方法。将GIS作为一个通向科学和处理问题方法。（所谓GIS为地理信息系统和“科学”），而且将用于处理地理信息软件与指导应用科学原理相结合。GIS一直以来非常主要。原因是：数据往往为中心坐标，采取处理空间数据专业技术和空间分析方法，由地理信息（ＧＩ）处理引发很多特殊管理问题。37/95GIS已经成为一门专业技术，而且GIS基本操作已经成为对真实事件进行测量、制图和分析基础。地理信息科学为我们提供了基于GIS进行分析一个能力。从根本上讲，GIS是一个应用技术，而科学是其成功应用基础。地理信息价值表达在他所表现区域范围、多样化表现能力、定义真实性以及可用性。38/95GIS产业发展

应用领域已经包括国民经济各个行业；应用层次从数据管理、查询统计向辅助决议、智能化发展。GIS平台电子政务应抢救护导航定位

覆盖国民经济各行各业应用处理方案地理信息服务数据农业资源环境军事航天…………39/95国外主流GIS软件

ESRI:ArcGIS，ArcViewIntegraph:MGE(ModularGISEnvironment),GeoMediaMapInfoSmallWorld国内主流软件：中国地质大学（武汉）：MapGIS武汉大学：GeoStar中科院地理所：SuperMapGeoWay40/95技术驱动计算机技术发展应用驱动与地理原因相关事物多80％信息与空间位置相关数据驱动数据获取能力增强2.2GIS是怎样产生人口过剩环境污染森林破坏自然灾害流行疾病找工作寻找最适当某种作物生长土壤查找最正确行车路线……41/95利用计算机来对地图进行管理和应用软件系统42/95三.地理信息系统和3S关系43/95地球空间信息学范围44/95卫星定位与定轨遥感信息传输目标提取与识别(自动化、智能化)数据处理(高光谱、高分辨率、雷达)分发多源数据融合与集成遥感成像机理与模型用户各应用部门资料起源：李德仁院士汇报《21世纪遥感与GIS发展》45/95GIS有什么主要意义46/95第一次接触GIS人会问：地理信息为何会这么主要？为何空间位置含有特殊性？

一个主要原因，几乎全部人类活动和决议都包含了地理内容，而且地理内容还十分主要。另首先：地理信息工作中包含复杂、困难、甚至独一无二选择。47/95地理信息系统主要性(1)几乎全部事情发生都和位置相关。--几乎全部事情发生都有地点，知道某件事情发生地点十分主要。位置主要性使其成为必须处理问题之一。生活中与位置相关问题十分普遍，以至于我们忽略了他们存在。地理问题分为两类：一类是处理问题时需要位置信息，另一类是本身需要处理位置问题。中国地质大学信息工程学院晁怡48/95

(2)对于任何GIS项目来说，地理细节尺度（scale）或层次（level）都非常主要性质。第一，从尺度上进行分类，或者说是从地理细节程度上进行分类。建筑设计能够表现为地理问题，就像灾害管理问题一样。但这个问题只发生在非常详细或局部范围内。完成这个建筑设计所需要信息也必须是局部。如土地尺寸或形状。建筑物高度和地下范围、地面倾斜度，以及常规和应急基础设施可用性。而03年“非典”（sars）传输和04年禽流感流行都是发生更大范围内问题，设计整个国家人口信息和全球交通传输信息。49/95第二：对地理问题基于不一样目标进行分类。

有些问题以因应用为目标，这些问题必须以最小投入尽快处理。而另一些问题表现出受人类求知欲望驱动特征。当地理数据用来验证大陆漂移理论、绘制冰川堆积物分布图以及分析人口迁移历史时，则是为了提升人类对世界认知，因而无须马上处理，这就是常说科学目标。50/95（3）GIS能够将普遍规律与详细应用有机结合，方便有效处理问题，这是GIS最主要价值之一。相对于特定知识而言，科学愈加重视普遍性知识，所以相对于形态知识而言，科学愈加重视过程知识。如：要想有效评定澳大利亚新南威尔士地域土壤侵蚀对农业影响。就要知道坡度是怎样影响土壤侵蚀，陡坡情况及其分布。新南威尔士地域进行土壤侵蚀评定就是很好例子。处理这一问题人GIS设计包含：以计算机地图形式存放新南威尔士地域坡度信息，以及表示坡度怎样影响土壤侵蚀GIS执行程序。GIS软件获取并应用普通性知识，GIS数据库表示了详细信息。GIS经过对两方面适应，处理了专题地理学和普通地理学之间争论。51/95四.地理信息系统发展52/95国际上GIS发展情况1.起步阶段（60年代），（GIS思想和技术方法探索）重视空间数据地学处理。图形、存放设备局限GIS概念提出、算法发展与完善1963年，开始建立加拿大地理信息系统（CGIS)1969年，ESRI（环境系统研究所）建立1969年，Integraph企业建立机助制图能力较强基于栅格操作方法60年代中后期，很多与GIS相关组织成立最初系统主要用于城市和土地利用，如最早GIS系统，加拿大CGIS于1963年开始实施，72年建成53/952.发展阶段（70年代），（空间数据处理算法，数据结构和数据库管理优化）磁盘出现为数据存放、检索和输出提供有力伎俩图形、图像卡发展增强了人机对话和显示功效出现GIS基础平台商品化软件开始大量GIS应用研究，国内外技术交流发达国家相继建设各种专题、规模、类型GIS

遥感开始纳入GIS54/953.推广应用阶段（80年代），（重视空间决议支持分析）应用愈加广泛，取得了一系列进展

1981年，ESRI企业ARC/INFOGIS公布1986年，SPOT卫星首次发射

1987年，地理信息系统国际杂志出版

1988年，美国人口调查局第一次公开公布TIGER1988年，《GISWorld》首次发行

1989年，Intergraph公布MGE

栅格扫描输入、遥感图像处理等技术取得突破

GIS走向发展中国家

GIS走向多学科领域微机地理信息系统蓬勃发展55/954.用户时代（90年代后），（重视GIS社会应用与服务）组件式GIS成为发展方向

WebGIS蓬勃发展三维GIS崭露头角高分辨率图形显示设备和高质量图形输出设备（高分辨率彩显、喷墨绘图仪）计算机及手机普及深入到各行各业国家级乃至全球性地理信息系统成为关注焦点56/95开拓起步机助制图CGISSYMAP巩固发展人机图形交互DIME编码资源环境应用茁壮发展PCArc/InfoNCGIA成立GIS软件商品化应用普及WebGISGIS互操作虚拟GIS社会服务网格GIS移动GIS发展历程20世纪60年代90年代年80年代70年代内涵演绎GIScienceGISystemGIService57/954.2地理信息系统应用伴随信息技术发展和GIS理论、技术方法进步，GIS应用早已渗透到人类生活许多方面。到当前为此，GIS在以下几个方面得到了普遍应用，取得了显著经济效益和社会效益。①专题地图制图②矿产资源评价③环境评价与监测④土地、水资源调查与管理58/95

⑤资源开采⑥管网、交通模拟模型⑦导航系统⑧城市规划⑨教练与模拟⑩辅助决议59/95（1）资源管理资源清查、管理和分析是GIS应用最广泛领域，也是当前趋于成熟主要应用领域，包含森林和矿产资源管理、野生动植物保护、土地资源潜力评价和土地利用规划以及水资源时空分布特征研究等。60/95（2）区域规划GIS软件帮助政府部门完成总体规划、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。61/95（3）

国土监测GIS方法能够有效地用于森林火灾预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态改变分析和环境质量评定研究等。62/95（4）

辅助决议利用GIS快速有效管理空间数据，进行空间可视化分析，确定商业中心位置和潜在市场分布，寻找商业地域规律，研究商机时空改变趋势，不停为企业创造新商机。63/95

经典应用领域表明了GIS应用范围：1)政府和公共服务。2)商业和服务规划。3)物流和交通4)环境64/95政府和公共服务65/95财产清单应用（在地图上点击来确定资产信息，台全部权、税收评定等）政策分析应用（如每个地域特征数量与土地利用靠近度、从口统计特征与地质特征相关性）管理/政策制订应用（如更有效道路设计、模型选择，预测未来需求，进行工作安排）经济发展主要企业位置和它们首要资源需求对当地潜在供给商提供资源进行分析把当地供给商可用性信息通知企业运输和线路服务按地域确定环卫卡车路线、容量和职员；确定垃圾掩埋和循环回收点分析一些地域发展潜在容量压力；依据地点类型分析事故模式依据诸如已经有运输能力等标准，确定理想高密度发展区住宅编制住宅信息清单：如使用年限、条件、状态（公共、私人、租赁）、耐用性、人口统计信息等分析地域住宅公共支持，从低收入区到所需服务设施驾车时间等住宅增值投资分析，相关公共设施定位；依据人口增加预计规划住宅资金投资基础设施对道路、人行道、桥梁、公用设施编制清单（如位置、名称、情况、建筑和最近维护等）依据人口统计变量如收入和人口改变等，来分析基础设施情况分析维护和扩展计划健康含有特定健康问题人群分布位置疾病传输时空分析；环境条件对疾病作用分析并查明可能疾病源税收地图利用土地标识识别全部权数据依据离市中心不一样距离土地利用，来分析税收收入评定因为土地利用改变引发税收收入改变公共服务对存在多个社会风险地域编制清单；用来应对这些风险现有设施和服务定位对服务设施数量和公共事业需要及附近居民数量之间匹配情况进行分析设施定位、公交路线安排、项目规划以及基于位置社会服务表2-1地方政府中GIS应用（来自O’Looney简化版）66/95法律执行警局位置、犯罪、资产、罪犯和受害人等资料编制；巡查区划分和巡查车路线安排；警报和安全系统定位警察可见度和到场分析；依据犯罪活动密度配置警员；关于市民人口受害模式分析；警察经验和指挥职责匹配把警察资源和设施重分配到最能发挥效率和作用地域；建立随机路线图以降低对警察巡查路线预见性土地利用规划编制土地利用清单，如范围、漫滩、工业园、土地使用情况、树木、绿地等每种类别土地利用百分比、各地域密度水平、对居住区适宜性威胁、当地多出土地可能利用依据附近人口统计特征评定土地利用规划（如工业工厂是否建在呼吸病医院上风处？）公园和休闲场所公园财产/游玩景点，路线等总量分析人们去公园和休闲场所几率、年纪与游玩景点相关度依据人口增加预计未来休闲需求以及游玩景点使用环境监测依据包括主要资源（如地下水）对环境危害总量；非点状污染源层次分析分析传输速率和累计污染水平；分析某个地域因为环境危害造成寿命降低年数建模分析环境灾害对特定区域危害；分析详细地方多层次减污计划应急管理紧急疏散路线规划，疏散路线交通容量及主要危险点（如对地震而言可能是桥梁）分布分析不一样规模紧急事件对疏散路线、交通流量等潜在影响建模分析在特定位置设置相关设施作用及分析特定区域对应能力居民信息和地理人口统计特定人口统计特征人群位置，比如投票模式、服务使用和偏好、往返路线、职业等分析特定地域投票特征建模分析在特定位置建立信息亭作用67/954.3国内外GIS专业课程设置介绍GIS教育机构大学全球有500多所学院和大学开设了GIS课美国约有300多所大学设有地理系我国约有100所高校开设GIS专业研究所大学联合体欧洲UNIGISUCGIS（美国GIS大学联盟）我国高校GIS论坛（教育部科技司与十所高校联合主办，每两年一届）68/95UNIGIScoursesSpatialDataDatabaseTheoryGeodataSourcesGISandOrganisationsSpatialThinkingVisualisationofSpatialDataProjectManagementApplicationsDevelopmentRemoteSensingGISandModellingEnvironmentalImpactAnalysis69/95开设GIS课主要大学一览表美国纽约州立大学巴弗罗分校、俄冈州立大学、加里福尼亚大学巴巴拉分校、俄亥俄州立大学、梅恩大学，威斯辛大学、加拿大卡尔加里大学、诺瓦斯夏省大学、不列颠哥伦比亚技术研究所、西安大略大学德国几乎全部大学日本东京大学、日本大学、Keio大学、Tsukuba大学、Rissho大学、奈良大学澳大利亚墨尔本大学、新南威尔士大学、塔斯马尼亚大学、澳大利亚国家大学、科廷科技大学、昆士兰大学70/95奥地利维也纳农业大学、维也纳技术大学、萨尔斯堡大学、阿姆斯特丹自由大学瑞士苏黎世大学、洛桑技术大学、日内瓦大学西班牙奥克兰大学、奥塔哥大学新西兰Extremadura大学、马德里自治大区大学、巴塞罗纳自治大区大学、AlcaladeHenares大学、马德里Compul-tense、瓦伦西区Politecnica大学、马德里Politecnica中国武汉大学、南京大学、中国地质大学、北京大学、西北大学、华东师范大学、解放军测绘学院、北京师范大学，南京师范大学71/95GIS教育发展现实状况我国高校GIS专业侧重点测量学武汉大学同济大学中国矿业大学地理学北京大学南京大学南京师范大学北京师范大学计算机科学中国地质大学（武汉）清华大学其它中科院地理所中科院遥感所72/95GIS计算机科学数据库理论软件工程计算机图形学图象处理人工智能网络计算数学几何学拓扑学统计分析地理学、测绘学、地学地图学RS、GPS其它应用科学GIS与其它相关学科关系73/95GIS学科树地理统计学地形测量环境测量社会、经济测量

数学运算研究

统计学认知科学计算机科学测量遥感摄影测量学制图学可视化符号学信息存放数据库模式识别计算几何计算机图形学人工智能旅游业航运市场资产管理产业/商业矿产开发设施维护公共信息查询公共管理考古学人文地理学社会科学健康护理规划流行病学环境科学地貌学土壤科学森林学地质学生态学水文学气象学74/95GIS与其它相关学科关系地理学地图学测绘科学计算机科学75/95地理学

地理学是一门研究人类生存空间学科，为GIS提供了一些空间分析方法和观点，成为GIS理论依靠。（1）研究基础和伎俩

地理学研究中空间分析理论为GIS提供了相关空间分析基本方法，成为地理信息系统基础理论依靠；地理信息系统发展也为地理问题处理提供了全新技术伎俩。（2）数据处理

用地学处理方法得到数据是GIS数据源；GIS内部数据处理(分析)功效是地理学研究主要技术方法。GIS相关学科76/95地图学

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发展有着主要影响。计算机制图为地图特征数字表示、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统图形输出提供技术支持。地图也是GIS主要数据源。地图是GIS发展根源之一。地图强调数据载体、符号化；GIS则重视于信息分析。GIS相关学科77/95地图投影？78/95计算机科学为地理空间信息表示、存放、处理、分析和应用提供了有利工具。数据库技术提供数据管理、更新、查询和维护功效；计算机图形学提供算法基础；软件工程为GIS系统设计提供科学方法;网络技术为GIS发展成为社会信息设施主要组成部分奠定了基础。……GIS相关学科79/95测绘科学大地测量为GIS提供了准确定位控制信息，尤其是GPS技术可快速、廉价地获取地表特征数字位置信息，更具发展潜力。遥感作为空间数据采集伎俩，已成为GIS主要信息源和更新路径。航空航天数字立体摄影测量技术是GIS主要地形数据起源。GIS相关学科80/95全球定位系统GPS美国GLONASS俄罗斯Galilio欧盟北斗中国81/95卫星所属国家发射时间空间分辨率LandSet美国1972年80米LandSet-4美国1982年30米SPOT法国1986年10米ISR系列印度1979年－5.8－189米Ikonos美国1999年1米Quickbird美国0.61米资源一号中国1999，，20，80，160，260m资源二号中国2m82/95中国资源二号全色波段图像（3米）83/95罗马斗兽场（0.7米，真彩色）84/95五.地理信息系统发展前景85/95GIS面临十个巨大挑战这些挑战是最能代表GIS在现阶段面临最主要、最紧迫问题。我们将在五年之内逐一地攻破这些挑战。86/95全球数据没有数据，GIS不能处理任何问题。在过去100年中，我们对于全球数据搜集进行了很多尝试。与世界其它国家相比，美国能够取得更高分辨率数据，这不但是一