环境地理信息系统的发展及应用省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

地理信息系统发展及应用第1页地理信息系统概念及其特点地理信息系统概念

地理信息系统(GeographicInformationSystems，简称GIS)是指在计算机硬件、软件系统支持下，对现实世界(资源与环境)各类空间数据及描述这些空间数据特征属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述技术系统，它是作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体新兴边缘学科而快速兴起和发展起来。地理信息系统中。“地理”概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参考系统中坐标数据、属性数据以及以此为基础演绎出来知识。第2页信息系统非空间空间管理信息系统（MIS）非地理(CAD)GIS第3页第4页地理信息系统特点GIS特点。

为了满足GIS对地球表面、空中和地下若干要素空间分布和相互关系研究。GIS必须具备以下基本特点：1.公共地理定位基础。全部地理要素要按经纬度或者特有坐标系统进行严格空间定位。才能使含有时序性、多维性、区域性特征空间要素进行复合和分解，将隐含其中信息变为显示表示，形成空间和时间上连续分布综合信息基础，支持空间问题处理与决议。2.标准化和数字化。将多信息源空间数据和统计数据进行分级、分类、规格化和标准化，使其适应于计算机输入和输出要求，便于进行社会经济和自然资源、环境要素之间对比和相关分析。3.多维结构。在二维空间编码基础上，实现多专题第三维信息结构组合，并按时间序列延续。从而使其含有信息存贮、更新和转换能力，为决议部门提供实时显示和多层次分析服务(这显然是常规二维或二维半地形图所不具备)。4.含有丰富信息。GIS数据库中不但包含丰富地理信息，还包含与地理信息相关其它信息，如，人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等，国外曾经对其数据库进行了调查，发觉有80％以上信息为地理信息或是与地理信息相关。第5页环境地理信息系统发展GIS产生。

20世纪50年代，伴随电子计算机科学兴起和它在航空摄影测量学与地图制图学中应用，以及政府部门对土地利用规划与资源管理要求。人们开始有可能用电子计算机来搜集、存贮、处理各种与空间和地理分布相关图形和有属性数据，并经过计算机对数据分析来直接为管理和决议服务，这促成了当代意义上地理信息系统问世。

第6页GIS在国际上发展。

60年代为地理信息系统开拓期，重视于空间数据地学处理。比如，处理人口统计局数据（如美国人口调查局建立DIME）、资源普查数据（如加拿大统计局GRDSR）等。许多大学研制了一些基于栅格系统软件包，如哈佛SYMAP、马里兰大学MANS等。综合来看，早期地理信息系统发展动力来自于很多方面，如学术探讨、新技术应用、大量空间数据处理生产需求等。对于这个时期地理信息系统发展来说，教授兴趣以及政府推进起着主动引导作用，而且大多地理信息系统工作限于政府及大学范围，国际交往甚少。第7页

70年代为地理信息系统巩固发展期，重视于空间地理信息管理。地理信息系统真正发展应是70年代事情。这种发展应归结于以下几方面原因：一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要处理之疑难，而这些都需要一个能有效地分析处理空间信息技术、方法与系统。二是计算机技术快速发展，数据处理加紧，内存容量增大，超小型、多用户系统出现，尤其是计算机硬件价格下降，使得政府部门、学校以及科研机构、私营企业也能够配置计算机系统；在软件方面，第一套利用关系数据库管理系统软件问世，新型地理信息系统软件不停出现，据IGU调查，70年代就有80多个地理信息系统软件。第三，专业化人才不停增加，许多大学开始提供地理信息系统培训，一些商业性咨询服务企业开始从事地理信息系统工作，如美国环境系统研究所（ESRI）成立于1969年。这个时期地理信息系统发展总体特点是：地理信息系统在继承60年代技术基础之上，充分利用了新计算机技术，但系统数据分析能力依然很弱；在地理信息系统技术方面未有新突破；系统应用与开发多限于某个机构；教授个人影响减弱，而政府影响增强。第8页

80年代为地理信息系统大发展时期，重视于空间决议支持分析。地理信息系统应用领域快速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，包括到了许多学科与领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。许多国家制订了本国地理信息发展规划，开启了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点试验室，美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA），英国于1987年成立了地理信息协会。同时，商业性咨询企业，软件制造商大量涌现，并提供系列专业性服务。这个时期地理信息系统发展最显著特点是商业化实用系统进入市场。第9页

90年代为地理信息系统用户时代。首先，地理信息系统已成为许多机构必备工作系统，尤其是政府决议部门在一定程度上因为受地理信息系统影响而改变了现有机构运行方式、设置与工作计划等。另首先，社会对地理信息系统认识普遍提升，需求大幅度增加，从而造成地理信息系统应用扩大与深化。国家级乃至全球性地理信息系统已成为公众关注问题，比如地理信息系统已列入美国政府制订“信息高速公路”计划；同美国副总统戈尔提出“数字地球”战略、我国“二十一世纪议程”和“三金工程”也包含地理信息系统。毫无疑问，地理信息系统将发展成为当代社会最基本服务系统。第10页GIS在国内发展 我国地理信息系统方面工作自80年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统研究和应用奠定了基础。20世纪80年代末，武汉测绘科技大学在摄影测量与遥感专业基础上设置了信息工程专业，使我国GIS基本人才培养纳人了正轨。1994年4月，我国专门成立了“中国GIS协会”。今后又成立了“中国GIS技术应用协会”。加强了国内各种GIS学术交流．研制推出了Geostar、Citystar、MapGIS等含有自主版权GIS软件。第11页

地理信息系统进入发展阶段标志是第七个五年计划开始。地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标科学研究、应用试验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。如全国性地理信息系统（或数据库）实体建设、区域地理信息系统研究和建设、城市地理信息系统、地理信息系统基础软件或专题应用软件研制和地理信息系统教育培训。经过近五年努力，在地理信息系统技术上应用开创了新局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决议中取得了实际效益。第12页地理信息系统应用（一）城市环境地理信息系统

城市在国民经济和社会发展中起着举足轻重作用，城市化及城市环境已成为人们关注热点。到，全世界将有二分之一人生活和工作在城镇地域；同时，另二分之一人生存也将愈加依赖于城镇。信息技术正在从根本上改变着人们生产、生活和相互交往方式，影响着城市结构、交通结构和生态环境，给城市带来了巨大冲击，城市环境问题变得日渐关注和重视。

城市环境地理信息系统主要包含城市环境质量（大气、水、噪声、固废）、污染源（工业污染源、生活污染源、交通污染源等）、建设项目管理、城市定量考评几部分内容。系统所用信息技术包含数据仓库、OLAP、数据挖掘、Web技术、GIS技术等。新系统模式见图7-8。第13页（二）国家基础地理信息数据库

我们国家从1980年代起就开始建设多尺度国家基础地理信息数据库，内容包含矢量关键要素数据库（DLG）、数字高程模型数据库（DEM）、数字栅格地图（DRG）、数字影像地图（DOM）、地名数据库、土地覆盖数据库。迄今为止，已建成了全国1：400万、1：100万、1：25万地形和地名数据库；1：50万地理底图数据库；1：5万DRG、DEM和地名数据库；国家大地测量数据库；覆盖全国来自各种航空和航天影像源正射影像数据库。

第14页第15页（三）路径规划

路径分析是GIS中最基本功效，它是一个用于模拟两个或两个以上地点之间资源流动路径寻找过程。当选择了起点、终点和路径必须经过若干中间点后，就能够经过路径分析功效按照指定条件寻找最优路径，其关键是对最正确路径求解。最正确路径求解方法有几十种，当前被GIS广泛采取是Dijkstra算法。第16页确定送货地点得出最正确路径最正确路径提醒第17页（四）基于数据空间分析

基于数据空间分析其理论基础是空间统计学，是从统计学角度来分析空间数据特征。通常包含空间分布特征指标分析、空间关系分析、空间过程分析、空间决议分析等。第18页计算水网分布密度（空间分布特征指标分析）第19页美国哥伦比亚地域各区域犯罪率情况（空间自相关分析）

第20页全局空间自相关分析结果，Z值到达了5.63，显著性非常强。这说明哥伦比亚地域相邻区域犯罪率有着很高空间正相关性，即有着较高犯罪率集聚性区域可能性。第21页（五）基于事件机理分析

依据各种自然现象形成和发展机理，来构建反应现象特征和改变模型，如水动力模型、大气污染扩散模型、交通模型等。基于大气污染扩散模型分析上海市大气污染源空间分布第22页（五）3S（GIS，RS，GPS）在环境中应用

3S是未来发展趋势。GPS主要用于实时、快速地提供目标空间位置；RS用于实时、快速地提供大面积地表物体及其环境几何与物理信息和各种改变；GIS则是对各种起源时空数据综合处理分析和应用平台。3S技术将在大范围内对改进和控制农业生态环境、土地沙漠化、森林资源、草原生态环境发挥巨大作用。第23页地理信息系统应用实例美国森林调查局开发了全国林业统一使用资源信息显示系统；美国地质调查局开发了多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息，较经典有GIRAS；日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统，存放、处理和检索测量数据、航空影像信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息，为国家和地域土地规划服务；第24页GIS发展方向GIS正朝着一个可运行、分布式、开放、网络化方向发展。第25页

（1）基于因特网WebGIS是下阶段GIS发展主流。从GIS发展历程来看，GIS每一次大发展都与计算机发展水平相关，今后仍将是这么。如今，伴随计算机网络兴起和快速发展、信息高速公路建设等，为GIS发展铺设了通畅无阻金光大道。因为地理信息和大量空间数据都是以文字、数字、图形和影像方式表示，将它们数字化．送人电子计算机．便可方便、快速和及时地将地理信息传送到需要地方去，以发挥地理信息在国民经济建设、国防建设和文化教育等行业中应用价值。而GIS工作者则需研制一个万维网上GIS和GIS浏览器(即视窗GIS)，使亿万网民随时依据需要来查询GIS。第26页（2）GIS与其它学科结合愈加紧密。应用愈加广泛。3s(地理信息系统GIS、遥感RS、球定位系统GPS)或5S(前面3S加上数字摄影测量系统DPS、教授系统Es)集成，使得测绘、遥感、制图、地理、管理和决议科学相互融合，成为快速而实时空间信息分析和决议支持工具，使GIS广泛用于交通、环境保护规划、公安侦破、车船自动驾驶、大田农作物因地施肥、科学耕种和海上打鱼等。在3S和5S集成概念中。“3”和“5”已不是一个确切数字．而是泛指多个系统。3s和5s强调是“1+1>2”．有了这个观念。我们就能够将GIS与其它能够结合任何学科进行集成研究，输出方式更直观．以满足人们生产、生活各种需求，使人们能够合理利用资源、保护环境，实现人类可连续发展。实际上，GIS已包括到社会科学、自然科学许多领域，必将发展成为集社会科学、自然科学于一体全球性、综合性巨型软科学。第27页

（3）空间数据基础设施建设。“数字地球”一词已在世界广为提及．但很多人并不了解它真正含义．仅仅把它了解成全球各零碎数字信息在因特网上流通。按照美国副总统戈尔在阐述“数字地球”概念时所举例子来了解．它实际上就是一个GIS。要实现地球数字化必须有数据基础，数字地球基础是空间数据基础设施。空间数据基础设施建设包含空间数据服务体系、空间数据交换网站、数字地球空间数据框架和空间数据标准体系建立。要在今后做到“秀才不出门，便知天下事”，做到网上“逛商场”，空间数据基础设施建设必须要搞好。第28