邬伦《地理信息系统-原理、方法和应用》笔记和典型题详解

郭伦《地理信息系统一原理、方法

和应用》笔记和典型题详解

第1篇基本概念和理论

第1章地理信息系统概论

一、地理信息系统的基本概念

1.信息、数据、地理数据与地理信息

(1)信息

①信息的含义

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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。

②信息的特点

a.客观性

客观性是信息的正确性和精确度的保证，任何信息都是与客观事实紧密

相关的。

b.实用性

信息系统通过将地理空间的巨大数据流收集、组织和管理起来，并经过

处理、转换和分析将其转变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用

信息，从而对决策产生重要影响。

c.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。

d.共享性

信息可以传输给多个用户，为多个用户所共享，而其本身并无损失。

(2)数据

①数据的含义

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。

②数据和信息的关系

a.数据是信息的载体；

b.信息是数据的内涵。

③与数据相比，信息具有以下特征

a.数据是原始事实，信息是数据处理的结果；

b.对一个人是信息对其他人可能是数据；

c.信息必须是有意义或有用的；

d,使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。

(3)地理信息和地理数据

①地理数据的含义

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。

②地理信息的含义

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，是对地理数据的解释。

③地理信息的特性

a.区域性

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；

b.多维结构特性

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；

C.动态变化

地理信息具有时序特征，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、超长期的等。

④地埋数据的组成

a.空间位置

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,

也可以定义为地物间的相对位置关系；

b.属性特征

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；

c.时态特征

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。

2.信息系统及其类型

(1)信息系统

①信息系统的含义

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。

②信息系统的组成

a.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。

b.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。

c.数据

是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础。

d.用户

是信息系统所服务的对象。用户的作用在于输入数据、使用信息和操作

信息系统以及参与建立信息系统。

(2)信息系统的类型

①事物处理系统(TPS,TransactionProcessSystem)

事物处理系统主要用以支持操作层人员的日常活动。

②管理信息系统(MIS,ManagementInformationSystem)

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。MIS能提供信息帮

助制定决策。

③决策支持系统(DSS,DecisionSupportSystem)

决策支持系统能是一组处理数据和进行推测的分析程序，它能从管理信

息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策。

④人工智能和专家系统(

ESrExpertSystem)

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。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。专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。

二、地理信息系统及其类型

1.地理信息系统

(1)地理信息系统的定义

地理信息系统(GIS,GeographicalInformationSystem)是一种决

策支持系统，地理信息系统的定义是由两个部分组成的。

①一方面，地理信息系统是一门描述、存储、分析和输出空间信息的理

论和方法的新兴的交叉学科；

②另一方面，地理信息系统是一个以地理空间数据库为基础，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）地理信息系统的特征：

①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；

②计算机相关技术对地理信息系统建设具有重要意义；

③地理信息系统能快速、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。

（4）地理信息系统和4M

①4M的具体内涵：

a.观察并量测（Measure）环境参数；

b.制作地图（M叩）描述了地球的特征；

c.监测（Monitor）周围环境的变化；

d.对影响环境的过程和活动建立模型（Model）。

②4M与GIS

通过应用GIS技术，量测，地图制作，监测以及模型建立都可以得到改

善和提高。

2.地埋信息系统的类型

(1)专题地理信息系统

专题地理信息系统是为特定的专门目的服务的具有有限目标和专业特

点的地理信息系统。

(2)区域信息系统

区域信息系统是指主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标的地

理信息系统。

(3)地理信息系统工具或地理信息系统外壳

地理信息系统工具或地理信息系统外壳是一组具有图形图像数字化、存

储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软

件包。

3.地理信息系统的构成

(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。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"呆存数据以备

现在或将来使用；将处理得到的结果或信息提供给用户。

(2)计算机软件系统

计算机软件系统是指必需的各种程序。对于GIS应用而言，通常包括:

①计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户使用计算机提供方便的程序系统。

②地理信息系统软件和其他支持软件

包括通用的GIS软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件

包、计算机图像处理系统、CAD等，用于支持对空间数据输入、存储、

转换、输出和与用户接口。

③应用分析程序

是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种

特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。

(3)系统开发、管理和使用人员

GIS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。

(4)空间数据

①空间数据的定义

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，是

系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性

内容。

②空间数据的内容

a.某个已知坐标系中的位置

即几何坐标，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入

时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。

b.实体间的空间关系

第一，度量关系

两个地物之间的距离远近；

第二，延伸关系(或方位关系)

定义了两个地物之间的方位；

第三，拓扑关系

定义了地物之间连通、邻接等关系。其中包括了网络结点与网络线之间

的枢纽关系(图1-1(a)),边界线与面实体间的构成关系(图1-1

(b)),面实体与岛或内部点的包含关系(图(c))等。

c.与几何位置无关的属性

即非几何属性或简称属性，是与地理实体相铁系的地理变量或地理意义。

属性分为定性和定量两种。

三、地理信息系统的功能概述

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。目前可用于地理信息系统数据

采集的方法与技术很多，有些仅用于地理信息系统，如手扶跟踪数字化

仪；目前，自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。

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。数据的格式化是指

不同数据结构的数据间变换；数据转换包括数据格式转化、数据比例尺

的变化等。目前数据概括功能极弱。

3.数据存储与组织

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。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。

4.空间查询与分析

地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次。

(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。

"空间索弓「是空间检索的关键技术。

(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以及要素属性在空间上的连

接。空间拓扑叠加本质是空间意义上的布尔运算。

(3)空间模型分析

其研究可分三类：

①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

助于其他软件。

②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，发展适用于问题解决

模型的宏语言。

③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。

5.图形与交互显示

地理信息系统为用户提供了许多工具用于地理数据的表现，这些工具的

形式多种多样，

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。

四、地理信息系统的研究内容

1.研究内容

(1)地理信息系统基本理论研究

①研究地理信息系统的概念、定义和内涵；

②地理信息系统的信息论研究；

③建立地理信息系统的理论体系；

④研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；

⑤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。

(2)地理信息系统技术系统设计

①地理信息系统硬件设计与配置；

②地理空间数据结构及表示；

③输入与输出系统；

④空间数据库管理系统；

⑤用户界面与用户工具设计；

⑥地理信息系统工具软件研制；

⑦微机地理信息系统的开发；

⑧网络地理信息系统的研制等。

(3)地理信息系统应用方法研究

①应用系统设计和实现方法；

②数据采集与校验；

③空间分析函数与专题分析模型；

④地理信息系统与遥感技术结合方法；

⑤地学专家系统研究等。

2.地理信息系统相关学科

(1)地理学

地理学研究中空间分析的理论和方法为地理信息系统提供了有关空间

分析的基本观点与方法。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。

(2)地图学

地图是记录地理信息的一种图形语言形式。

地理信息系统源于地图。GIS是地图信息的又一种新的载体形式，计算

机制图为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持；同时，地图仍

是目前地理信息系统的重要数据来源之一。但二者又有本质之区别：地

图强调的是数据分析、符号化与显示，而地理信息系统更注重于信息分

析。

(3)计算机科学

20世纪60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。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(Computer

Graphics)等有着密切的联系。

(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。

遥感信息就是地理信息系统十分重要的信息源；GIS中的数据可以作为

遥感影像分析的一种辅助数据。

(5)管理科学

有一类管理信息系统是以具有空间分析功能的地理信息系统为支持、以

管理为目标的信息系统，它利用地理信息系统的各种功能实现对具有空

间特征的要素进行处理分析以达到管理区域系统的目的，如城市交通管

理信息系统、城市供水管理信息系统、节水农业管理信息系统等。

五、地理信息系统发展简史

1.60年代开拓发展阶段

(1)60年代初，机助制图迅速发展。

(2)60年代中期，对地图讲行综合分析和输出的系统日益增多。

(3)60年代中后期，许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立并开展工

作，相继组织了一系列地理信息系统的国际讨论会。

被认为是国际上最早建立的、较为完善的大型使用的地理信息系统——

加拿大地理信息系统(CGIS),于1963年开始研制实施，到1971年

投入正式运行

(4)60年代末期，针对GIS一些具体功能的软件技术有了较大进展。

①栅格-矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等方

法得以发展，开辟了分别处理图形和属性数据的途径；

②具有属性数据的单张或部分图幅可以与其他图幅或部分在图边自动

拼接，从而构成一幅更大的图件，使小型计算机能够分块处理较大空间

范围(或图幅)的数据文件；

③采用命令语言建立空间数据管理系统，对属性再分类、分解线段、合

并多边形、改变比例尺、测量面积、产生图和新的多边形、按属性搜索、

输出表格和报告以及多边形的叠加处理等。

2.70年代巩固阶段

(1)计算机硬件和软件技术的发展促使GIS朝着使用方向迅速发展。

(2)一些发达国家先后建立了各具特色的地理信息系统。

(3)探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视,

(4)人机图形交互技术快速发展。

3.80年代突破阶段

(1)地理信息系统技术全面推向应用。

(2)开展工作的国家和地区更为广泛，国际合作日益加强。

(3)地理信息系统技术进入多种学科领域，发展为多功能的、共享的

综合性信息系统，并向智能化发展，新型的地理信息系统将运用专家系

统知识，进行分析、预报和决策。

(4)微机地理信息系统蓬勃发展。

(5)我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。以1980年中国

科学院遥感应用研究所成立的全国第一个地理信息系统研究室为标志,

4.90年代社会化阶段

(1)地理信息系统应用得到扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信

息系统成为公众关注的问题。

(2)90年代起，中国地理信息系统步入快速发展阶段。同时地理信息

系统的研究和应用正逐步走向产业化。

六、GIS的发展展望

1.GIS理论研究中亟待解决的问题

（1）GIS理论发展的需求

①技术导向性

GIS在技术上所关注的是：数据采集；数据建模；数据的精度和系统回

答问题的可信度；数据量；数据存取与保密；数据分析；用户接口；成

本与效益；GIS系统的寿命；GIS系统工作的组织问题。

②应用导向性

GIS是一门以应用为目的的信息技术，具有实际应用并创造价值的广阔

市场。GIS的应用可以深入到各个领域、各个机构。

③集成化和智能化

a.图形数据和属性数据的结合；

b.GIS与RS的结合。

遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。相反，GIS则是

遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。GIS

与RS可能的结合方式包括：

第一，分开但是平行的结合（不同的用户界面、不同的工具库和不同的

数据库）；

第二，表面无缝的结创同一用户界面，不同的工具库和不同的数据库）；

第三，整体的结合(同一个用户界面、工具库和数据库)。未来要求的

是整体的结合。

c.GIS与GPS和CCD技术的结合

GPS是全球定位系统。GPS与GIS相结合可以实现电子导航，用于交

通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作GIS实时更新。如果再加上

CCD摄像机实时摄像和配以影像处理则可以形成实时GIS运行系统,

用于公路、铁路线路状况的自动监测和管理，以及作战指挥系统等。

d.GIS与专家系统的结合

自动采集和处理数据，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的

决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。从这个意义GIS与

ES相结合,形成智能化的高度集成GIS系统。

(2)GIS理论研究中亟待解决的问题

①GIS设计与实现的方法学问题

由于缺乏严格的工程管理和好的分析设计方法支持，GIS软件系统的可

靠性和可维护性差。

②GIS的功能问题

当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS,还不能完全

满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的

要求。

③多媒体地理信息系统的管理和操作的问题

如何实现对各类数据的随意操作和有效管理，是现今信息媒体多元化新

时代的突出问题。

④GIS地理信息的深加工问题

a.对GIS地理信息进行深加工，提供经过深加工的结论性成果对用户

更直接和更有利；

b.深加工的结果，可以是结论性专题地图，也可以是结论性专题数据

集。前者提供结论性图形信息，后者提供结论性数字信息。

⑤空间信息可视化技术和虚拟现实技术（VR）

a.可视化技术已经进入了在动态、时空变换、多维的可交互的地图条

件下探索视觉效果和提高视觉工具功能的阶段；

b.GIS可视化方面的研究主要集中在以下几个方面：

第一，运用动画技术制作动态地图，可用于涉及时空变化的现象或概念

的可视化分析；

第二，运用VR技术进行地形环境仿真，真实再现地景，用于交互式地

观察和分析，提高对地形环境的认知效果；

第三，运用图形显示技术进行空间数据的不确定性和可靠性的检查，把

抽象数据可视化，由此发现规律；

第四，运用图形界面和交互式手段进行地图设计和编辑，以直观的方式

完成地图设计制作(如地图颜色的可视化设计)；

第五，可视化技术用于视觉感受及空间认知理论的研究。

2.地理信息系统的发展动态

(1)GIS软件中发展的热点

①GIS中面向对象技术研究

a.面向对象的GIS已成为GIS的发展方向,因为面向对象的方法为描

述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、组织有序的方法；

b.面向对象的GIS较之传统的GIS有下列优点：

第一，所有的地物以对象形式封装，而不是以复杂的关系形式存储，使

系统组织结构良好、清晰；

第二，以对象为基础，消除了分层的概念；

第三，面向对象的T殳一特殊结构和整体一部分结构使GIS可以直接定

义和处理复杂的地物类型；

第四，根据面向对象后期绑定的思想，用户可以在现有抽象数据类型和

空间操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方法，增强系统的开

发性和可扩充性；

第五，基于图标的面向对象的用户界面，便于用户操作和使用。

c.面向对象的GIS存在的问题：

第一，大对象的操作仍受硬件条件的限制；

第二，对象的独立性与粒度问题；

第三，矢量和栅格数据统一的、支持动态拓扑结构和复合对象表示的面

向对象的数据结构问题。

②时空系统

a.时空系统是对GIS中时态特性的研究。

b.GIS的时间维可分成

第一，处理时间维

处理时间又称数据库时间或系统时间，它指在GIS中处理发生的时间;

第二，有效时间维

有效时间亦称事件时间或实际时间，它指在实际应用领域事件出现的时

间。

C.时空系统研究内容

时空系统主要研究时空模型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时

空分析。

d.时空系统研究方法

目前比较流行的作法是在现有数据模型基础上扩充，如在关系模型的元

组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。在这种扩充的基础上如何

解决从表示到分析的一系列问题仍有待进一步研究。

③地理信息建模系统（GIMS）

a.GIMS产生的背景

GIS成功应用到专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模

型，但二次开发工具过于困难。

b.GIMS的研究动向

第一，面向对象在GIS中的应用；

面向对象技术用对象（实体属性和操作的封装）、对象类结构（分类和

组装结构）、对象间的通讯来描述客观世界，为描述复杂的三维空间提

供了一条结构化的途径；

第二，基于图标的用户建模界面。

c.GIMS的优势

第一，建模过程中的对象和空间分析操作均以图标形式展示给用户，用

户亦可以自定义图标。用户对图标的定义、选择和操作中完成模型的定

义和检验。这种方法较之AML这类宏语言要方便和直观得多；

第二，GIS与其他的模型和知识库的结合。

④三维地理信息系统的研究

a.真三维GIS支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维

空间数据库，解决三维空间操作和分析问题。

b.主要研究的方向

第一，三维数据结构的研究

主要包括数据的有效存储、数据状态的表清口数据的可视化；三维数据

的生成和管理；

第二，地理数据的三维显示

主要包括三维数据