地理信息系统(2006去图).ppt

1、一、地理信息系统,概述 空间数据 GIS功能 GIS发展展望,GIS定义,地理信息系统（Geographical Information System，GIS）的定义： 地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，提供多种地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 简练的定义是：地理信息系统是地理空间数据输入、管理、分析和输出的计算机系统。,1,GIS与其他系统的关系,信息系统分类,GIS与MIS（管理信息系统，Management Information System） GIS与MIS有许多相似之处，它们都能管理、存储大量的数据和分析系统中的数据。G

2、IS提供的是更完美的空间技术手段，它能回答许多MIS较难胜任的空间性的问题。 GIS与CAD （计算机辅助设计系统，Computer Aided Design System） GIS和CAD共同点是二者都有坐标参考系统，但GIS处理非图形数据、描述与分析图形单元间拓扑关系的功能明显强于后者。,GIS组成,完整的GIS主要由4个部分构成： 计算机硬件系统 计算机软件系统 地理数据 系统管理操作人员,2,计算机硬件系统,计算机硬件系统是GIS的物理外壳，是计算机系统中所有物理装置的总称。GIS的规模、精度、速度、功能、形式及使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，并受硬件指标的支持或制约。 最基本的

3、硬件是主机（包括显示器），完善的系统还应包括输入设备、输出设备、存储设备以及传输设备。,GIS的硬件配置,计算机软件系统,系统软件 GIS平台软件 数据库软件 GIS应用分析软件。,系统软件主要是指计算机操作系统，当今使用的操作系统主要有：Windows、Unix、Linux等。它们关系到GIS软件和开发语言使用的有效性。,GIS平台软件具有GIS基本功能，可以在此基础上开发出专业的应用系统。常用的GIS平台软件有： ArcGIS Desktop（美国ESRI公司） ArcView（美国ESRI公司） MapInfo Professional（美国MapInfo公司） MGE（美国Interg

4、raph公司） SICAD（德国SIMENS公司） MapGIS（中国地质大学） GeoStar（武汉测绘科技大学） 用户也可以通过GIS组件（如MapObjects、MapX、SuperMap等）开发自己的GIS平台软件。,GIS平台软件能满足一般的数据库管理，但对大型的GIS来说，需要满足数据快速检索、多用户并发和数据安全保障等要求，这时，通常要利用专业商业数据库软件，如Oracle、Sybase、SQL Server、DB2等。目前，也有一些商业数据库软件具有空间数据管理功能。,GIS平台软件提供了空间分析的基本工具，应用分析软件是针对特定目标，根据应用模型所开发出的软件，如土地利用适宜

5、性模型、公园选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型等。,地理空间数据,数据是记录下来的某种可以识别的符号，具体形式多种多样，包括图形、图像、表格、文字和数字等。 数据是信息的载体，但并不是信息。只有理解了数据的含义，对数据作出解释，才能得到数据中所包含的信息。,系统管理操作人员,GIS不同于地图，它是一个动态的地理模型，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新。一个周密规划的地理信息系统项目应该包括负责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统客户化的应用工程师以及最终运行系统的用户。,GIS的发展,起步阶段（1960年代） 发展阶段 （1970年代） 推广阶段 （1980年代） 社会化

6、阶段 （1990年代以来）,3,起步阶段,20世纪60年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析与制作。 1963年，加拿大政府针对加拿大土地调查所获得的大量数据开始研制实施加拿大地理信息系统（CGIS），1971年，该系统正式投入运行，被认为是国际上建立最早、较为完善并且被实际应用的地理信息系统。 特点：侧重机助制图，地学分析功能比较简单。实现了利用手扶跟踪的数字化方法，可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅地图的自动拼接。,发展阶段,进入20世纪70年代，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。显示设备的发展增强了人机对

7、话和高质量图形显示功能，使GIS应用迅速发展。一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。,美国森林调查局开发了全国林业统一使用的资源信息显示系统； 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，较典型的有GIRAS； 日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统，存储、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，为国家和地区土地规划服务；,瑞典在中央、区域和市三级上建立了许多地理信息系统，比较典型的有区域统计数据库、道路数据库、土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等；

8、 法国建立了地理数据库GITAN系统和深部地球物理信息系统等。,由于这一时期GIS的需求增加，许多团体、机构和公司开展了GIS的研制工作，推动了GIS软件的发展。根据IGU地理数据遥测和处理小组委员会1976年的调查，处理空间数据的软件已有600多个，完整的GIS有80多个。 特点：在发达国家，建立了多个各种类型的GIS。在地图数字化输入方面，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工作效率。,推广阶段,20世纪80年代是GIS推广应用阶段。微机的出现为计算机的普及应用创造了条件。一些商业化的GIS平台软件相继推出，如ARC/INFO（1981年发布）、GENAMAP、MICROSTATION、

9、SYSTEM9等，使GIS的应用与开发更加方便。 地理信息系统技术的应用由发达国家推向发展中国家，包括中国。,我国地理信息系统方面的工作自20世纪80年代初开始。以1980年的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，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配置、软件研制、规范制定、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，为全国范围内开展地理信息系统的研制和应用奠定了基础。 特点：商业化GIS软件出现，微机GIS迅速发展。,社会化阶段,网络技术的发展，出现了WebGIS，使更多用户可以利用GIS。 组件GIS技术的发展使G

10、IS系统的开发更加容易。 与数据库技术的结合，实现海量数据存储与处理，可以在更高层面上建设GIS系统（数字城市、数字地球等）。,自20世纪90年代起，中国地理信息系统步入快速发展阶段。力图使地理信息系统从初步发展时期的实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据，同时地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。 特点：许多部门利用GIS改进原有工作流程， GIS应用向大众化方向发展，产业化发展加快。,GIS应用领域,信息技术的发展极大地推动了社会和经济的发展，目前，人类已进入信息时代，信息技术已渗透到社会的各个领域。 由于人们所接触的信息中，80%

11、以上与空间有关，因此，地理信息系统也得到广泛的应用，应用的对象也从最初政府管理部门，扩大到企业、个人。,4,应用领域,政府管理部门 土地管理、城市规划、防灾救灾等。 企业 商业选址、物流管理、管线设计等。 科研部门 全球变化、生态保护、传染病扩散等。 公共服务 定位服务、设施查找、最佳路径分析等。,概述 空间数据 GIS功能 GIS发展展望,地理实体信息的数据表示,空间数据是对地球表面各种地理实体空间分布信息的描述，地理实体的信息包括位置信息、属性信息以及空间拓扑信息。 地理实体信息转化成GIS中空间数据需要如下几个过程： 对地理实体进行抽象，得到抽象的实体目标； 选择一种数据模型来得到记录实

12、体目标信息的数据； 选择一种数据结构来组织数据。,1,地理实体的抽象,地球是由各种地理实体所组成。各种地理实体的空间分布形式是多种多样的，但可以将其抽象为点、线、面三种基本实体。点、线、面的定义是相对的，而不是绝对的。 地图是地理实体抽象的一个例子。,点、线、面示意图,数据模型,GIS中，最常用的数据模型是栅格数据模型和矢量数据模型。 栅格模型是将研究区域划分为均匀的网格，每个网格位置由所在行、列行号确定，网格的代码表示网格内空间实体的属性类型。 矢量模型是通过记录坐标的方式，表示点、线、面各种地理实体。,栅格方式,矢量方式,数据组织,栅格方式,直接编码,压缩编码,游程长度编码,四叉树编码,链

13、式编码,矢量方式,坐标序列编码,索引编码,拓扑编码,GIS数据源,地理信息系统的数据源是多种多样的。 从表现形式上，可分为图形图像数据和文字数据两大类。其中，文字数据包括各类调查报告、文件、统计数据、野外调查数据等。图形图像数据包括地图、工程图、规划图、照片、遥感图像等。 从记录的形式来分，可分为数字的和非数字的两种，随着信息技术的发展和人们对空间信息需求的增加，许多国家和城市目前纷纷对原有空间数据进行数字化，并加紧建设空间数据库。,2,地图数据,各种类型的地图是GIS最主要的信息源。,普通地图是用相对平衡的详细程度来表示地球表面的地貌（地形）、水系、土质植被、居民点、交通网、境界线等自然地理

14、要素和社会人文要素一般特征的地图。按比例尺和内容详细程度不同，分为地形图和地理图两种类型。,地形图通常是指比例尺大于1：100万，按照统一的数学基础、图示图例，统一的测量和编图规范要求，经过实地测绘或根据遥感资料，配合其他有关资料编绘而成的一种普通地图。 地形图按组织测绘的部门及服务对象的不同，可以分为两大类：一类是由国家测绘管理部门同意组织测绘，可作为国民经济建设、国防建设和科学研究基础资料的国家基本地形图；另一类是由部门或单位针对某一工程建设的规划设计和具体施工的特殊需要，在小范围内通过地面实际测量而成的大比例尺地形图。,国家基本地形图具有如下的特点： 具有统一的大地坐标系统和高程系统。我

15、国的国家基本地形图，统一采用“1980年中国国家大地坐标系”和“1985国家高程基准”。 具有完整的比例尺系列。国家基本地形图含1：5千、1：1万、1：2.5万、1：5万、1：10万、1：25万（原为1：20万）、1：50万、1：100万8种比例尺地形图，其中1：5千是1991年有关部门考虑城镇的迅速发展和客观需求而列如到国家基本地形图系列。 按统一规定的经差和纬差进行分幅，每幅图的内图廓皆由经线和纬线构成，并在国际百万分一地图分幅编号的基础上，建立了各级比例尺地形图的图幅编号系统。,依据统一的规范和图式 国家基本地形图是依据国家测绘管理部门统一制定的测量与编绘规范和地形图图式完成，能确保由各

16、地方测绘部门分别完成的地形图，在质量、规格方面的完全统一。,工程用小区域大比例尺地形图具有如下特点： 没有严格统一规定的大地坐标系和高程系统 有些工程用的小区域大比例尺地形图，是按照国家统一规定的坐标系统和高程系统测绘的；有的则是采用某个城市坐标系统、施工坐标系统、假定坐标系统及假定高程系统。 没有严格统一的地形图比例尺系列和分幅编号系统 有的地形图是按照国家基本比例尺地形图系列选择比例尺；有的则是根据具体工程需要选择适当比例尺。这类地形图多采用矩形分幅度、和数字顺序编号法。、 可以结合工程规划、施工的特殊要求，对国家测绘部门的测图规范和图式作一些补充规定。,地理图是以地形图作为基本资料经过取

17、舍、概括缩编而成。地理图虽然也表示水系、地形、居民点、交通线、境界线等，但不像地形图那样详细地表示地物的许多质量和数量特征，而是比较概括地表示制图区域的基本特征。地理图的地貌要素多以等高线加分层设色表示，有的还配以晕渲，加强立体感；地物因地图的概括程度比较高，多以抽象符号表示。一般来说，地理图的比例尺都小于1：100万，但也有中比例尺的地理图，包括省（区）图集中的分县图和省县挂图。,专题地图是突出而详细地表示一种或几种要素或现象，即集中表示一个主题内容的地图。专题地图按内容可分为四大类：表示自然现象主题的自然地图；表示社会经济现象主题的社会经济地图（人文地图）；反映环境状况的环境地图；其他专题

18、地图。,遥感数据,遥感数据包括固定数据源和非固定数据源。 固定数据源是指在较长时间内对地面进行连续观测，所获得的数据技术参数基本相同。传输型卫星遥感所得到的数据称为固定数据源。 非固定数据源是指为了实施某一个计划而对地面进行短期的成像，所获得的数据往往只是一个时相。返回型卫星以及航空遥感所得到的数据称为非固定数据源。,空间信息数据库,随着空间信息技术的发展，目前，空间数据的采集大都采用数字化方式，另外，已有的非数字化数据也陆续被数字化，在此基础上，建立了不同层面的空间信息数据库。,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的国家基础地理信息数据库，内容包括矢量核心要素数据

19、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1：4 00万、1：1 00万、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；覆盖全国的来自多种航空和航天影像源的正射影像数据库。,上海市目前已构建了比较完备的覆盖全上海的各种尺度的空间基础地理信息，包括： 中心城区8000幅1：500数字全要素地形图； 市郊城镇5400幅1：1 000数字全要素地形图； 全市1：2 000数字全要素地形图； 全市1：10 000数字全要素地形图； 全市

20、1：50 000数字全要素地形图。,为了更好地满足上海城市建设和城市信息化的迅猛发展对基础地理信息现势性的要求，从2002年起上海市对现有数据更新机制作进一步补充和完善，采用动态修测与周期更新相结合的办法，实现“重大工程竣工测绘、外环以内动态修测、环线以外周期更新”，并利用航天遥感技术缩短中小比例尺基础地理信息的更新周期。,数据输入,不同类型的数据源，需要采用不同输入与处理方法，使其成为地理信息系统中有用的数据。,3,地图数字化,地图数字化是把纸质地图转换成电子地图。地图数字化的方法包括： 在地图上读取数据并通过键盘输入（矢量地图和栅格地图）； 手扶跟踪数字化仪输入（矢量地图）； 扫描输入（栅

21、格地图）； 扫描矢量化输入（矢量地图）。,手扶跟踪数字化仪输入利用数字化仪和相应软件把地图上的相关要素输入到计算机中。在进行数字化之前，首先要确定哪些要素需要数字化。目前大多数GIS软件对空间数据采用分层管理，所以要确定输入哪些图层，以及每个图层包含的具体内容。 选择特征点数字化，避免采样点不够或过多（不够会降低数据精度，过多则增加数据量及数字化工作量。,扫描矢量化输入也称屏幕数字化，首先扫描地图产生栅格数据并在屏幕上显示，然后通过屏幕数字化软件跟踪数字化，产生矢量数据，是目前常用的数字化方法。 栅格数据转换成矢量数据分为手工矢量化和半自动矢量化两种方法。,遥感数据的输入,遥感采集的数据包括模

22、拟数据和数字数据两种。 通过摄影方式得到的遥感胶片和像片称为模拟数据，模拟数据输入到系统中需要用扫描仪进行A/D（模数）变换，然后转换成系统能兼容的数据格式。 通过扫描方式得到的遥感数据直接记录在计算机存储介质上，称为数字数据，一般情况下，也需要通过数据转换转成系统能打开的图像格式。,文字数据输入,文字数据一般采用键盘输入。可以利用GIS软件直接输入，也可以利用其它软件输入后加载到GIS系统中。,数据格式转换,由于GIS软件的多样性，每种GIS软件都有自己特定的数据模型，造成数据存储格式和结构的不同。因此，对其它格式的数据，往往需要进行格式转换，才能被系统所应用。 目前，不同GIS软件使用的空

23、间数据格式主要有：ESRI公司的Coverage、Shapefile、E00格式；Autodesk公司的DXF和DWG格式；MapInfo公司的TAB和MIF格式；Intergraph公司的DGN格式等。,数据格式转换主要有以下几个方法： 基于交换格式的转换 基于数据标准的转换 基于专用软件的转换,基于交换格式的转换 大多数GIS软件的内部数据格式是不公开的，但一般都提供交换格式，如ESRI公司的E00格式、MapInfo公司的MIF格式等。由于交换格式是文本格式，因此，其它的GIS软件可以把交换格式的数据转换成自己的格式数据。如MapInfo公司的TAB格式数据要转换成ESRI公司的Shap

24、efile格式数据，先要在MapInfo软件中把TAB转成MIF格式，然后，在利用ArcView的MIF To Shape命令把MIF格式的文件转换成Shapefile文件。,基于数据标准的转换 这种方法是采用一种空间数据的转换标准来实现不同格式GIS数据的整合。例如，美国国家空间数据委员会指定的空间数据格式规范SDTS（spatial data transformation standard），包括几何坐标、投影、拓扑关系、属性数据、数据字典等标准。根据SDTS，目前许多GIS软件提供了与标准空间数据交换格式转换的模块，如ARCGISDE、 STDSIMPOR和SDTSEXPORT，可供其它

25、系统调用。,基于专用软件的转换 目前已有专用的数据格式转换软件，如加拿大saft software公司为ArcView、MapInfo等软件开发了数据转换的模块插件FME Suite，可以在这些GIS软件环境中直接进行数据格式的转换。网上有测试版的FME Suite软件供下载（）。,概述 空间数据 GIS功能 GIS发展展望,GIS功能可归纳为三个方面： 数据管理 数据可视化 空间分析,数据管理,包括数据输入与存储、数据编辑、数据查询、数据统计与汇总等。,1,数据存储,GIS 可以输入与存储各种类型数据。 GIS中数据的存储有两种方式：文件方式和数据库方式。 采用文件方式存储，各种类型数据存储

26、在不同的文件中。数据库方式是所有统一存贮在数据库中。,数据编辑,GIS可以对存储在系统中的数据进行各种编辑，包括增加要素、删除要素、修改要素（改变要素形状、要素分割、要素合并）、编辑属性值等。,数据查询,根据条件查询符合要求的数据，包括： 搜索数据文件（或数据表）。 在数据文件（或数据表）中搜索记录。,设置搜索条件搜索数据文件（或数据表）,搜索结果显示,在数据文件（或数据表）中搜索记录有几种方式： 条件查询； 区域查询； 空间拓扑查询。,设置查询条件,查询结果,定制条件查询对话框,区域查询 用户在地图上利用图形工具确定区域，区域内的空间对象将被选中。可以按矩形、圆形、多边形等图形进行查询。,在

27、地图画一个范围,显示该范围内的要素,空间拓扑查询 空间拓扑查询包括邻接查询、包含查询、被包含查询、相交查询以及空间距离查询。,邻接查询,被包含查询,相交查询,距离查询,空间数据可视化,以各种形式的地图、图表、三维显示模型、动态显示模型以及虚拟现实等方法显示数据。,2,地图,图表,地形三维显示,洋山港全景三维显示,大洋山三维显示,小洋山三维显示,建筑物三维显示,真三维模型（剖面显示）,空间分析,GIS的空间分析是指以地理事物的空间位置和形态特征为基础，通过一系列空间分析技术，来提取和产生新的空间信息。 GIS与一般的计算机辅助制图（CAC/CAD）系统的主要区别在于GIS具有空间分析功能，因此，

28、空间分析功能是GIS的主要特征和评价GIS软件的主要指标之一。,3,空间分析的方法主要有： 基于地图的空间分析技术 基于数据的空间分析，也称空间统计分析； 基于事件机理的分析，有水文模型、空间价格竞争模型、空间选址模型等。,基于地图的空间分析,以图形操作为主，主要有缓冲区分析、叠置分析、网络分析等，在现有的GIS软件中比较成熟。,缓冲区分析是对一组或一类地物按缓冲的距离条件，建立缓冲多边形，常用于分析地理空间目标的影响范围或服务范围。缓冲区有点缓冲区、线缓冲区和面缓冲区等三种类型。,在建立缓冲区时，有时需要根据空间地物的特性，建立不同距离的缓冲区。例如，沿河流给出的环境敏感区的宽度应根据河流的

29、类型而定。不同的工厂、飞机场和其他设施所产生的噪声污染，其影响的范围和在噪声源处的噪声级别并不一致；或者人们可能只是想对选出的某些地物建立缓冲区，而不是对所有空间地物都建立缓冲区。这时人们可以扩展属性表，给定一项缓冲区距离的内容。,大部分GIS软件是以分层的方式组织地理景观。空间叠置分析就是把同一地区的两个或多个图层重叠在一起进行图形运算和属性运算（关系运算），产生新的空间图形和属性的过程。 叠置分析的目的 产生一个新图层，新图层融合各个叠置图层的属性； 对同一地区、不同时相的图层进行动态分析； 不同图层属性信息传递。,多边形与多边形的叠置是指将两个不同图层的多边形要素相叠置，产生输出层的新多边形要素，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的模拟分析、地理特征的动态变化分析，以及图幅要素更新、相邻图幅拼接、区域信息提取等 。,空间分布的动态分析是通过对相同类型、不同时相的图层（点与点、线与线、多边形与多边形）之间的叠置，得到专题现象动态分布图。如污染点的分布变化、河流水系的分布变化、土地利用的变化等。,在动态分析时，需要考虑到叠置图层中特征的位置误差，以避免分析结果所造成的假变化。通常采用设置距离容差、设置最小多边形面积等方法。,2000和1995