地理信息系统概论教案

地理与生命科学学院地理信息系统概论一、课程意义二、课程安排三、参考教材四、开始学习1、当前时代特点的要求2、GIS发展势头迅猛3、专业要求2）信息资源的科学管理和充分利用

由于社会进步，人类开始觉悟到对资源的利用不能简单掠夺，而应当合理地管理利用，把开发和保护结合起来。其表现为：兴起城市规划，污水、环境资源管理与利用，灾害监测系统，三峡工程等。

3）信息产业的形成与壮大

信息产业的发展日益迅猛，已成为当代经济发展的重要特点。例如：1990年世界信息产业的产值达1489亿美圆，到90年代中期已突破1万亿美圆，成为跃居传统产业之上的最大产业之一。现代发达国家信息产业的产值率占国民生产总值的40%-60%，年增长是传统产业的3-5倍。

约80%信息与空间分布有关，使得地理信息系统的发展更为迅猛。1、信息时代特点1）信息的巨大物化力量

由于信息爆炸，人们的工作重点从单纯的物质生产转移到对信息的处理上来，因为对信息的合理管理和利用会产生巨大的经济效益。如股市信息

一、课程意义2、地理信息系统发展趋势前所未有目前，GIS在科学界、技术界和商业界，在社会、经济和管理部门全面发展和推广应用，其标志为：---投入使用的GIS系统，每2-3年翻一翻；---GIS市场的年增长率为35%以上，目前从事GIS的厂家数目急增，主要厂家年销售量增长均在100%以上；---愈来愈多的地区性和国际性会议以GIS为主题，讨论GIS理论及各种应用；---愈来愈多的学术刊物和论文采用GIS为标题；---愈来愈多的学科如地理、工程学、森林学、城乡规划、计算机科学、测量与制图学、航测与遥感学等，将GIS作为其发展方向加以强调；---愈来愈多的大学增加关于GIS的课程，对GIS感兴趣的人愈来愈多；---……总之，包括GIS在内的信息技术正不断渗入到各行各业，并将彻底改变人们的工作方式、生活环境。3、专业要求在上述大环境下，社会急需GIS专业人才。地理科学专业需要该课程作为主干课程，GIS是地理科学的现代化。接触GIS的程度不同，对GIS的理解不同；为了正确理解GIS，掌握GIS基本理论和方法，共同学习本课程。二、课程安排什么是GIS？GIS能作什么？第一章

导论:GIS概念,与相关学科关系,GIS组成,GIS的功能与应用等

如何实现？第二至五章：GIS数据结构、数据输入、数据处理、数据管理和空间分析等

如何应用第六至八章：GIS应用模型、GIS的设计与评价、GIS产品的输出理论课：

[1]地理信息系统-原理、方法与应用，乌伦等，北京大学出版社[2]地理信息系统基础，龚健雅，科学出版社

[3]地理信息系统原理与方法，吴信才，电子工业出版社

[4]地理信息系统，汤国安，科学出版社GIS实验课：[1]ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程,汤国安，杨昕著,科学出版社[2]ArcGIS9地理信息系统应用与实践（上下册）,吴秀芹等著,清华大学出版社[3]

Arcgis实验-杨克诚编写三、参考教材主要网站////bbs///////各大学的BBS网站课程考核平时成绩（20%）实验（20%）考试成绩（80%）闭卷考试GIS专业课程体系GIS类地理信息系统基础GIS软件应用（ArcGISDesktop）空间数据库GIS应用开发（ArcObjects、C#）GIS软件工程GIS高级教程计算机类计算机辅助制图基础（CAD）数据库原理及Oracle应用面向对象程序设计（C#）数据结构计算机图形学测绘类测量学地图学概论摄影测量学GPS原理与应用遥感类遥感概论遥感图像处理原理与方法遥感图像处理软件应用地理类自然地理学其它教学目标《地理信息系统概论》是地理科学本科专业的核心、基础课程，课程总学时为54，分理论课与实验课两部分。通过本课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本概念、空间数据的采集、处理与存储组织、GIS空间分析的原理方法、空间数据符号化方法等内容，并了解常用GIS软件的操作，为后续其它GIS课程的学习打下基础。如何为一公园选择合理位置？依山傍水；交通方便，较安静；空气清新……要求方案2条件2方案1条件1处理、分析空间分析算法现实世界获取水系信息地形信息道路信息植被信息等+++空间数据库存储例子第一章导论第一章导论进入21世纪，人类社会已经全面进入信息时代。3S：

GIS、RS、GPS地理信息系统（GIS）：

是管理和分析空间数据的科学技术。

它及时而又准确的向地球科学工作者、各类管理和分析部门提供有关区域分析、方案优选、战略决策等方面可靠的地理信息。一、数据与信息

一、基本概念数据：是通过数字化并记录下来可以被识别的符号用以定性或定量地描述事物的特征和状况。包括数字、文字、符号、图形、图像和声音等数据本身没有意义。信息：

狭义信息论定义：两次不定性只差，即指人们获取信息前后对事物认识的差别；

广义信息论：主体与外部客体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。地理信息系统中的信息是广义的信息概念，不随数据形式的改变而改变数据与信息的关系：数据是信息的表达形式，是信息的载体；信息是数据中蕴含的事物的含义，是数据的内容。信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、现象等的内容、数量或特征，以便向人们提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。信息来源于数据（Data）。数据是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图像都是数据。数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。

例如，从实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息； 从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息；从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。数据处理与解释数据处理和解释用于从数据中得到信息数据处理：

是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算，以及分析、模拟和预测等操作数据处理的目的：把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式把数据加工成对正确管理和决策有用的数据把数据编辑后存储起来，以供后续使用数据解释：

数据处理是为了数据解释服务的;

数据解释需要人类的智慧，包括学识和经验;

同一数据，不同人的解释不同.信息的特点客观性适用性传输性共享性二、地理信息与地理信息系统一、地理信息1、地理信息与地理数据的概念地理信息：

是地理数据所蕴含和表达的地理含义地理数据：

与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称地理信息的特征：

空间特征：地理实体的空间位置及其相互关系，表现为多维结构，是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志；

属性特征：表示地理实体的名称、类型和数量等；

时序特征：指实体随时间而发生的相关变化的信息（属性数据或空间数据的变化）

数据量大：地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。地理信息系统GIS--GeographicInformationSystemGIS–-Geo-InformationScienceGIS–-Geo-InformationService地理信息系统是一种特定的十分重要的空间信息系统。不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的定义：1）美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。2）加拿大的RogerTomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。3）Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。4）Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”。5）俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。6）美国国家地理信息与分析中心给出的定义：“GIS为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统”。7）英国教育部认为：“GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。8）美国联邦数字地图协调委员会认为：“GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题”。我们认为：地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来支持空间数据的采集、存储、管理、处理、分析、显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

GIS与一般MISGIS区别于其它信息系统的一个显著标志是具有空间分析功能。GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、检索等都是GIS广泛使用的核心技术。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信地理信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。GIS与CAD/CAM管理了图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如计算机辅助设计(ComputerAdidedDesign，CAD)，计算机辅助制图(ComputerAdidedMapping，CAM)地理信息系统分类地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统 以某一专业、领域或工作为主要内容， 包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统 也就是GIS工具软件包，如ArcGIS等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等GIS基本功能。（1）专题地理信息系统（ThematicGIS） 是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。 如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。（2）区域信息系统（RegionalGIS） 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、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开发的人力、物力、财力，缩短系统建立周期，提高系统技术水平，而且使地理信息系统技术易于推广，并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。第2节GIS的基本构成完整的GIS主要由五个部分构成系统硬件系统软件地理空间数据应用人员应用模型一、系统硬件输入设备专用设备常规设备GPS全数字摄影测量工作站解析和数字摄影测量仪器遥感与遥感图象处理系统全站仪扫描仪数字化仪键盘、鼠标处理设备工作站服务器硬盘阵列存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备绘图仪终端打印机系统硬件用来存储、处理传输和显示地理或空间数据。数据处理设备与数据输入、输出设备连接构成地理信息系统的硬件环境。1、数据处理设备 图形工作站 个人计算机 客户机/服务器（Client/Server，简称C/S）2、数据输入设备 图形手扶跟踪数字化仪 大幅面图形扫描仪，也称为工程扫描仪 数字测量设备：数字摄影工作站、全球定位系统

3、数据输出设备 绘图仪 打印机 计算机显示器 大屏幕投影仪二、系统软件

GIS软件是系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面(GUI)等。按照其功能分为：GIS专业软件、数据库软件、系统管理软件等GIS应用软件GIS硬件操作系统GIS专业平台软件GIS用户界面GIS数据库GIS软件层次一个完整的GIS需要多种软件协同工作，按功能可以分为：GIS功能软件、基础支撑软件和操作系统软件等1、GIS功能软件 GIS功能软件常分为：GIS基础软件平台和GIS应用软件两大类 （1）GIS基础软件平台 一般是指具有丰富GIS专业功能的通用型GIS软件 它包含了处理分析地理数据的各种基本功能，可以作为其他GIS应用软件系统建设的软件平台。

代表产品：ArcGIS、MGE、MAPINFO、MAPGIS、GEOSTAR等

GIS基础软件平台的功能： 空间数据输入和编辑 空间数据管理 空间数据处理和分析 图形用户界面 系统二次开发功能（2）GIS应用软件 是利用GIS基础软件平台上提供的GIS数据处理与分析功能开发的，针对某一具体应用的信息系统软件。 如，土地信息系统（landinformationsystem，LIS） 交通地理信息系统（transportationGIS，TGIS）2、基础支撑软件 主要包括：系统库软件和数据库软件等系统库软件提供基本的程序设计语言以及数学函数库等用户可编程功能，如C++运行库和编译系统等数据库系统提供复杂空间数据的存储和管理功能。 如ORACLE、SYBASE、INFORMIX、DB2、SQLServer、Ingress等目前，GIS通常采用在商用关系数据库系统中存储空间数据，如ESRI公司的SDE（SpatialDatabaseEngine）3、操作系统软件 是计算机系统中支撑应用程序运行环境以及用户操作环境的系统软件。 其功能包括对硬件的直接监管、对各种计算机资源（如内存、处理器时间等）的管理，以及提供诸如作业管理之类的面向应用程序的服务等。

目前，常用的操作系统有操作系统有：UNIX、Windows、Linix、MacOS等。4、空间数据 地理空间数据是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象， 它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征：是指地理现象的空间位置及其相互关系，其数据称为空间数据；属性特征：表示地理现象的名称、类型和数量等，其数据称为属性数据；时间特征：是指地理现象随时间而发生的变化，其数据称为时态数据。根据地理现象在空间上的几何图形表示形式，可将地理现象抽象为点、线、面三种类型。在逻辑上可以采用矢量和栅格两种数据组织形式来表达地理数据。分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。4、应用人员 人是GIS中的重要构成因素。 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。GIS应用人员包括系统开发人员和GIS的最终用户5、应用模型 GIS应用模型是为某一特定的实际工作而建立的运用GIS的解决方案、其构建和选择也是系统应用成败至关重要的因素。 土地利用适宜性评价模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型等。第3节GIS的功能简介

一个完整的GIS系统的基本功能应包括：数据采集与编辑数据存储与管理数据处理和变换空间查询和分析数据显示和输出功能1、数据采集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。一般而言，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多2、数据存储与管理由于GIS数据库具有数据量大，空间数据与属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能除了与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：空间数据库的定义、数据访问和提取、通过空间位置检索空间物体及其属性、按属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。3、数据处理和变换由于GIS涉及的数据类型多种多样，同一种类型数据的质量也可能有很大的差异。为了保证系统数据的规范和统一，使数据满足用户需求。数据处理的任务和操作内容有：①数据变换：指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等；②数据重构：指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、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的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。4、空间分析和统计空间分析和统计功能是GIS的一个独特研究领域，其主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系。常见的空间分析有： （1）叠加分析： 通过将同一地区若干个不同数据层相叠合，不仅建立新的空间数据，而且能将输入的属性数据予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和统计分析等。叠合（叠置）分析（2）缓冲区分析 是在点、线或面等不同实体周围建立一定宽度的缓冲区多边形，以确定不同地理要素的空间邻近性或其影响范围。（3）数字地形分析 数字地形是GIS中地形起伏的数字化表达和存储形式。 数字高程模型是常见的一种数字地形。GIS提供了构造数字地形及其有关地形分析的功能，包括分析地形和坡度、坡向、地表粗糙度等。5、产品制作与演示GIS产品是指经过GIS处理和分析的结果，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明。其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式6、二次开发和编程为能够被广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用需要，GIS必须具有二次开发环境，包括提供专用的脚本语言开发环境，可供用户在自己的编程环境中调用的GIS函数库，或者系统将某些功能做成组件形式供用户开发语言调用。二、应用功能1、资源管理 资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域。 包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划以及水资源的时空分布特征研究等。

系统的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，GIS软件能在一个连续无缝的方式下管理大型的地理数据库，这种功能强大的数据环境允许集成各种应用，最终用户通过GIS的客户端软件可直接对数据库进行查询、显示、统计、制图以及提供区域多种组合条件的资源分析，为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。2、区域规划区域规划具有高度的综合性，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等诸多因素，但是要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式并不容易，规划人员需要切实可行的、实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供功能强大的工具。例如规划人员利用GIS对交通流量、土地利用和人口数据进行分析，预测将来的道路等级；工程技术人员利用GIS将地质、水文和人文数据结合起来，进行路线和构造设计；GIS软件帮助政府部门完成总体规划、分区、现有土地利用、空地、开发区和设施位置等分析工作，是实现城乡规划科学化和满足城市发展的重要保证。3、国土监测利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。1994年的美国洛杉机大地震，就是利用GIS进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。通过对横滨大地震的震后影响作出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建筑等图库。把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机构可以对象神户一样的大都市大地震作出快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。再如，据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达73%以上。

4、辅助决策地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。

例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通过利用地理信息系统和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。第4节GIS的发展概况国际发展状况国内发展状况GIS发展动态1、国际发展状况GIS的产生、发展已历经40余年。社会的需求、技术的进步，以及有关组织机构的建立等因素，深刻地影响着GIS的发展。综观GIS发展，可将其分为以下四个阶段：60年代为GIS开拓期70年代为GIS的巩固发展期80年代为GIS大发展时期90年代至今为GIS的应用普及时代60年代为GIS开拓期20世纪50年代，计算机技术的出现和发展，促使测绘和地理工作者产生利用计算机分析处理各种来源数据的设想。1956年，奥地利测绘部门利用计算机建立了地籍数据库。1963年，加拿大Tomlinson博士首次提出GIS术语，随后并建立了世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统（CGIS）。稍后，美国哈佛大学研制出SYMAP系统软件。这一阶段GIS的特征：表现在计算机存储能力小，磁带存取速度慢；机助制图能力较强，地学分析功能比较简单；实现了手扶跟踪数字化方法，可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅数据的自动拼接；发展了许多面向格网的系统。很多GIS研究组织和机构纷纷成立，这些组织机构的建立对传播GIS知识和发展GIS技术起着重要的指导作用。70年代为GIS的巩固发展期70年代，计算机发展到第三代，随着计算机技术迅速发展，数据处理速度加快，内存容量增大，而且输入、输出设备比较齐全，推出了大容量直接存取设备——磁盘，为地理数据的录入、存储、检索、输出提供了强有力的手段。许多大学和研究机构开始重视GIS软件设计和研究。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，70年代有300多个应用系统投入使用。先后召开了一系列GIS的国际讨论会。这个时期GIS发展的总体特点是：充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在GIS技术方面未有新的突破。80年代为GIS大发展时期80年代是GIS发展具有突破性的年代由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微机的出现为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。出现了DBMS，GIS应用领域迅速扩大。许多国家制定了本国的GIS发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。商业性的咨询公司、软件制造商大量涌现，并提供系列专业化服务。仅1989年市场上有报价的软件达70多个，并涌现出一些有代表性的GIS软件。GIS不再受国家界线的限制，开始用于解决全球性的问题。90年代至今为GIS的用户时代由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，GIS已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受GIS影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。社会对GIS认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致GIS应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的GIS已成为公众关注的问题，例如GIS已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划，美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略也包括GIS。毫无疑问，GIS将发展成为现代社会最基本的服务系统。2、国内发展状况我国地理信息系统的发展起步较晚，但发展较快，大体可分为下列几个阶段：准备阶段试验阶段发展阶段产业化阶段准备阶段70年代初，我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用。1972年开始研制制图自动化系统1974年引进美国地球资源卫星图像，开展了卫星图像的处理和信息解译工作随后召开了各种区域性遥感技术规划会议，先后开展了多项环境卫星系列数据与图像的接收、处理和应用的试验，如京津唐地区红