Unit-2-地理信息系统与科学概述

1、第2单元 地理信息系统与科学概述 Unit 2 Introduction of Geographical Information System and Science,1.地理信息 2.地理信息系统 3.地理信息技术与工程 4.地理信息科学,1.地理信息 Chapter 1 Geographic Information,1.1 地理信息(Geographic information，GI)的概念 有关地理空间实体或现象的性质、特征和状态的表征与一切有用信息的总称。 地理数据是地理信息的具体表达。 定期和适时地采集、识别、转换、存储、传输、显示、控制应用地理信息是现代地理学的重要任务。,1.2

2、地理信息的基本特征 (1)空间特征 又称几何特征，拓扑特征。描述事物或现象所在空间位置以及空间相互关系。 (2)属性特征 描述事物或现象的性质和数量特征。 (3)时间特征 描述事物或现象随时间的变化。 地理空间位置、属性特征、时序特征是地理信息的重要内涵，也是地理空间分析的三大要素。,1.3 地理信息的获取、传输与表达 (1)获取 将现有地图、实测成果、遥感数据、实体纹理、文本资料、统计数据、多媒体资料和已有系统数据等信息转换成可以处理与接受的数据形式。 (2)传输 传输是地理信息获取、表达和应用的纽带。 地图是人类最早的空间信息传播工具；现代空间信息传输还包括图像、视频、音频、三维仿真和虚拟

3、现实等。 (3)表达 通过各种类型的地图表达，实现从制图的客观地理环境到用户认知地理环境之间的信息传递。,1.4 地理信息的时空尺度 度量客体或过程空间维和时间维大小程度的量。 GI的时空尺度的特性 对应性(correspondence)； 协调性(coordination)； 规律性(regularity)； 不可推绎性(upscaling)。 不可推绎性：指在一个尺度上定义的格局或变异性会随着观测尺度的改变而改变，一种尺度上得到的概括性结论不能推广到另一种尺度上去。, 地球系统过程的时空尺度(据ESSC，1988), 山地生态系统管理的尺度对应(据侯扶江等，2001),2.地理信息系统 C

4、hapter 2 Geographic Information System,2.1 地理信息系统的概念 从技术角度的定义(狭义的GIS)：用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统(陈述彭，2000)。 从科学角度的定义(广义的GIS)：集计算机科学、地理科学、测绘科学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科(黄杏元，2000)。,2.2 地理信息系统的组成 网络 计算机硬件 计算机软件 地理数据 程序 使用者, GIS的组成,2.2.1 网络 (1)Internet Internet，又称因特网，或(国际)互联网，以相互交流信息资源为目

5、的，基于一些共同的协议，通过许多路由器和公共互联网而成，是一个信息资源和资源共享的集合。 Internet已经成为信息社会的基石，在技术、科学和社会各方面广泛应用并产生了深刻影响。, 全球Internet用户 数量(2008),(2)WebGIS 地理学家们很快看到了Internet的价值：连接到Internet的用户只要在自己的桌面上使用WWW浏览器和简单的鼠标点击，就能够放大、缩小地图，或者移动到地图的其它地方，而不需要安装专门的软件或下载大量的数据。 WebGIS指基于Internet平台，客户端应用软件采用网络协议，运用在Internet上的地理信息系统。 Internet和移动通讯技

6、术推动了分布式GIS的发展，将位于不同地理位置的计算机硬件、软件、数据、应用程序和用户通过网络联系起来。 地理信息系统的最新发展已经与互联网紧密地联系在一起。,2.2.2 计算机硬件 (1)计算机主机 由中央处理器(CPU，控制器运算器)、主存储器(内存)、总线(bus，连接计算机有关部件的公共信号线)组成。 根据计算机处理能力，可分为巨型计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机、微型计算机。在市场也有一些跨界的产品，如超小型机、图形工作站等。, 电子计算机发明人阿坦纳索夫 和第一台电子计算机ABC,(2)输入输出和存储设备 输入设备：包括扫描数字化仪、手扶跟踪数字化仪、键盘、鼠标等。, 手

7、扶跟踪数字化仪及其工作原理, 扫描数字化仪及其工作原理, 输出设备：包括绘图仪、打印机、显示器等。 存储设备：包括光存储、磁存储、电子存储设备等。, 大幅面工程绘图仪,(3)移动设备 移动设备是掌上GIS(Hand-Held GIS)和移动地理信息服务(如位置服务：Location Based Services，LBS)的基本组成单元。 PDA(Personal Digital Assistant)； Tablet PC； GPS data logger； Cellphone； Wearable computer； , 利用GPS data logger采集数据,2.2.3 计算机软件系统 (

8、1)系统软件 操作系统(Windows，Unix等)；开发工具(VB，VC+，C#等)；网络管理软件，系统安全软件等。 (2)GIS软件 GIS software is the processing engine and a vital component of an operational GIS。 专题地理信息系统(thematic GIS) 区域地理信息系统(regional GIS) 地理信息系统工具软件(GIS tools software) GIS工具软件是一组具有GIS基本功能的软件包，目前常见的有ArcGIS、MapInfo、SuperMap、MapGIS等。, GIS软件的3

9、个主要组成部分： 用户界面(the user interface) 工具(the tools or functions) 数据管理器(the data manager) All three parts may be located on a single computer or they may be spread over multiple machines in a departmental or enterprise configuration. GIS系统架构的4种主要类型： 桌面(desktop) 客户端/服务器(client/server) 集中化桌面(centralized de

10、sktop) 集中化服务器(centralized server), 引领GIS软件发展的商业GIS开发商及其产品 ESRI(ArcGIS) Intergraph(Intergraph MGE) Autodesk(Autodesk Map) GE Energy(Small World) Mapinfo(MapInfo), GIS软件市场占有率 (2003), 常见GIS工具软件(ArcGIS)介绍 美国环境系统研究所(Environmental System Research Institute，ESRI)研制的GIS软件，也是全球应用最广的GIS软件之一。 1978年第一个产品Arc/Inf

11、o于正式发布； 1991年发布ArcView 1.0； 1997年发布ArcView 3.2，是一个非常成功的桌面GIS版本，得到广泛应用； 2001年发布ArcGIS 8.1，将Arc/Info和ArcView整合在统一的平台； 2004年发布ArcGIS 9.0，目前广泛使用的是ArcGIS 9.2。, ArcGIS产品体系 Desktop ArcGIS： ArcView ArcEdit ArcInfo ArcExplore ArcBrowser Arc Pad Arc WAP Phone Arc SDE Arc IMS,2.2.4 地理数据(Geo-data) (1)概述 地理数据是GI

12、S的核心； 收集和分析地理数据是地理学重要的任务之一； 地理数据是科学研究、经济管理、军事行动、日常生活等诸多人类活动必不可少的信息资源。 实用GIS必须建立在地理数据库基础之上。地理数据库是GIS系统中仅次于人的重要组成部分。 在地理信息系统建设中，计算机硬件系统、软件系统和地理数据库的建设费用比例一般在1:2:7。 需求、成本、可获得性和时间范围是地理数据采集必须关注的重要问题。,(2)地理数据源 地图数据：地形图、普通地图及各种专题地图； 遥感与GPS数据； 实测数据：通过野外实地测量所获取的数据； 统计普查信息：有空间位置的统计数据； 实验数据：通过模拟真实地理世界中的地理实体及其演变

13、过程中所产生的数据； 理论推测与估算数据：利用科学理论和推算方法获取的数据； 历史数据：在历史文献中记录的各种数据； 集成数据：已有各种地理数据在GIS中，经过合并、提取、布尔运算和过滤等操作所得到的新数据。,(3)地理数据质量标准与评价 数据情况说明：地理数据来源，数据内容及处理； 定位精度(位置精度)：空间实体坐标数据与实体真实位置的接近程度，包括数学基础精度，平面精度，高程精度，接边精度，形状再现精度，像元定位精度； 属性精度：空间实体属性值与其真值相符的程度，包括分类与代码的正确性，要素属性值的准确性，要素名称的正确性等； 时间精度：数据更新时间和频率； 逻辑一致性：地理数据关系上的可

14、靠性； 数据完整性：数据范围、内容和结构的完整程度； 表达形式的合理性。,(4)地理数据库系统 目前常见的两种数据管理模式： 文件与关系数据库混合管理 采用文件系统管理几何图形数据，商用DBMS管理属性数据，图形数据与属性数据之间通过目标标识码连接。 全关系型空间数据库管理 将图形数据与属性数据统一用RDBMS(SQL Server，Oracle)和空间数据引擎(SDE)进行管理和调用。常见数据引擎有ArcSDE，Oracle Spatial，MapInfo Spatial Ware等。 地理数据库系统包括地理数据库、地理数据库管理系统和地理数据库应用系统。, 地理数据库的潜在数据规模,2.2

15、.5 程序 用于管理一个GIS各组成部分(网络、硬件、软件和数据)的程序，包括需求分析、报告流程、控制机制等，以确保GIS的质量和费用。 GIS管理学从管理和技术方面研究如何更好地开发和维护GIS工程的一门新兴学科。 计划管理原则用分阶段的生命周期计划：项目概要计划，里程碑计划，项目控制计划，产品控制计划，验证计划，运行维护计划； 坚持阶段评审原则错误发现的越晚，付出的代价越大； 产品控制原则基准配置管理。,2.2.6 用户 包括系统管理、维护和使用的各类人员和组织机构。 (1)一般技术人员 要求掌握某种GIS软件的基本操作，能够完成数据采集、编辑、常规处理和结果输出等日常工作。 (2)高级技

16、术人员 掌握GIS基本概念和原理，将GIS应用于特定专业或目标的科学研究人员； 掌握GIS理论并具有软件开发能力的GIS开发人员； 掌握GIS基本概念和基本操作技能的业务管理和市场联系人员。,2.3 地理信息系统的功能 2.3.1 数据采集与编辑 为建立地理数据库获取必要的数据。 。,2.3.2 数据存储与管理 建立和维护地理数据库。,2.3.3 数据处理与变换 为空间分析和地理制图进行的必要的准备，包括数据变换、数据重构和数据抽取。,2.3.4 空间统计与分析 利用空间统计计算和空间模型，分析和解决复杂的空间问题，为地理决策或地理研究提供高层次地理信息。, 缓冲区分析举例,2.3.5 数据显

17、示与输出 显示或输出查询、检索、统计、分析和制图结果。,3.地理信息技术与工程 Chapter 3 Geographic Information Technology and Engineering,3.1 科学与技术的区别 科学是一种最逼近真理的尽可能不包含自相矛盾的知识体系，是一项社会事业。 技术是人类为实现社会需要而创造和发展起来的手段、方法和技能的总和。,(1)科学的特征 可重复性，创新精神。 科学研究成果是新知识，形式是论文。一句古老的格言很适合当代科学研究：不发表，就淘汰。 科学研究成果不能立刻产生直接的经济效益，利益是科学声誉(引用率)。 在现代科学领域，取得博士学位，才算取得了

18、当科学家的证书。 科学家关注范围一般是很窄的特定课题，只需要了解其他人员在最近发表的科学论文，只需要关心由同行科学家所构成的那个圈内人数不多的“看不见的大学”。,(2)技术的特征 工艺技巧，劳动经验，信息知识，工具装备。 技术研究的成果是新产品或新工艺，形式是专利。 技术研究成果能迅速产生直接的经济效益，因此成果需要严格保密，或得到保护。 取得工程专业的大学文凭就可以担任职业工程师。 工程师需要研究解决的通常是涉及面很广的一系列难题，为找到解决问题的方案，涉及的因素经常是五花八门的，从准备必要的科学知识，到材料选择、漂亮的外观设计、制造工艺、成本和资金，直至营销，接触的产品用户更多的是政府、公

19、司和广大民众。,3.2 地理信息技术(Geographic Information Technology) 3.2.1 定义 泛指包括地图、遥感、全球定位系统、地理信息系统在内的所有与地理信息采集、处理、存储、传输、分析、表达和应用相关的技术。, 地面测绘, 遥感技术, GPS与位置服务, GIS与地图分析,3.2.2 地理信息技术的发展, 地理信息技术漂移(陈述彭，2000),3.2.3 现代地理信息技术体系 现代地理信息技术以空间技术、通讯技术、网络技术、遥感与遥测技术等为基础，构成了天地人机信息一体化网络体系。, 现代地理信息技术 的天地人机信息一 体化网络体系 (马蔼乃，2006),3

20、.3 地理信息工程与产业 3.3.1 几个概念 (1)工程：以设想的目标为依据，应用有关科学知识和技术手段，通过有组织的活动将某些现有实体转化为具有预期使用价值的人造产品的过程。 (2)服务：具有无形特征，却可给人带来某种利益或满足感，可供有偿转让的一种或一系列活动。 (3)产业(industry)：泛指一切生产物质产品和提供劳务活动的集合体。 工程和服务是技术的的延伸，是技术使用价值现实化的过程；产业是工程的具体实现。,3.3.2 地理信息工程与地理信息产业 (1)地理信息工程(Geographic Information Engineering) 应用地理信息科学知识和地理信息技术手段，通

21、过有组织的活动，为用户提供有使用价值的地理信息产品和地理信息服务的过程。 (2)地理信息产业(Geographic Information Industry) 从事地理信息资源的生产、开发、服务、经营活动，以及提供涉及这些活动的各种设备、技术、服务、产品的各类机构的集成。 地理信息产业涉及与地理信息相关的硬件装备制造、软件和系统开发、数据与产品生产、系统集成以及信息与技术服务等方面。,4.地理信息科学 Chapter 4 Geographic Information Science,4.1 地理信息科学产生的背景和基础 4.1.1 地理信息技术背景 地理信息科学是一门技术推动型的科学。 遥感技

22、术 全球定位技术 地理信息系统技术 计算机技术、网络技术和通讯技术,4.1.2 信息科学和系统科学基础 (1)信息科学 信息科学是研究信息及其运动规律的综合性科学。 研究对象信息； 研究内容信息的概念、度量、运动规律和应用方法等； 研究工具计算机等技术为主要； 主要目标扩展人类的信息功能。 地理信息科学是信息科学的一个分支学科，主要研究地球空间信息。信息科学的发展是推动地理信息科学形成和发展的直接动力，其中现代地理空间信息技术的作用尤其重要。,(3)系统科学 以系统思想为中心的一类新型的科学群，包括系统论、信息论、控制论、耗散结构论、协同论以及运筹学、系统工程、信息传播技术、控制管理技术等。

23、系统科学对地理信息科学形成和发展的影响 系统思想和系统方法对地球科学的思维模式和研究范式产生了重要影响； 受系统科学影响，地球科学分支学科都把研究对象看做一个系统，并导致地球系统科学的形成，扩展了地球系统信息流的研究领域，加快了地理信息研究的发展； 系统工程为地理信息工程的设计和建设提供了最优化运作程序和实施方案。,4.1.3 地球系统科学 地球系统科学(Earth System Science)是从行星角度出发，将地球大气圈、水圈、生物圈和固体地球看作一个相互联系的有机整体(地球系统)，综合研究该系统形成机制和变化规律，为区域可持续发展和全球变化研究提供理论依据和调控方法的学科。 1979年

24、，世界气候研究计划(world climate research program，WCRP)提出了气候系统(climate system)的概念，取代全球大气研究计划(global atmosphere research program，GARP)。1983年，在美国航空与航天管理局(NASA)顾问理事会的倡议下，成立了地球系统科学委员会(earth system science committee，ESSC)。, 地球系统科学研究的4个步骤 (1)地球系统观测：空间观测和地面观测； (2)分析与解释观测数据：根据地球科学知识和理论，对观测得到的数据进行必要的归类、换算、统计、对比、挖掘，去伪

25、存真，为开展地球系统数值模拟提供依据； (3)建立概念模式和数值模式：建立能够描述地球系统存在状态和演化规律的数值模式，是地球系统科学理论研究的最主要内容，也是最困难的环节； (4)验证模式并开展未来变化预测。 地理信息技术是地球系统科学研究的重要的手段和技术支持系统。,4.2 地理信息科学的基本问题 地理信息科学是一门研究地理信息的概念、机理、获取、处理、分析和表达的科学。 地理信息的基准、标准、分类、表达与测度； 地球圈层问信息传输机制、物理过程及其增益与衰减以及信息流的形成机制； 地理信息的空间认知及其不确定性与可预见性； 地理信息模拟物质流、能量流和人流相互作用关系的时空转换特征； 不

26、同类型地理信息的提取与转换机制； 地理信息的尺度效应； 地理信息获取与处理的应用基础理论。, 地理信息流与地球内部物质流、能量流和人口流的关系, 地球科学通过研究地球系统的信息流来认识和理解地球系统的物质流、能量流和人口运动规律，通过对地球系统信息流的模拟获得人地关系调控的科学依据。,4.3 地理信息科学学科体系 一门独立的(成熟的)科学，应该具备： 特有的理论体系； 特有的技术和方法论体系； 特有的实验手段； 特有的应用领域。 地理信息科学萌芽于1970年代末(法国人Bernard Dubussion：geomatique)，经过1980年代的发展(geo-spatial informati

27、on science，geoinformatics，spatial information science，etc.)，到1990年代初步形成(美国人F.Goodchild：geographic information science，)，学科体系尚在不断完善之中。, 地理信息科学的学科体系(陈述彭，2000), 瓦伦纽斯计划与地理信息科学体系(F.Goodchild，2000),Reading：One day of life with GISPanl A.Longley，etc.：Geographic Information Systems and Science，2005, One day

28、 of life with GIS 7:00 My alarm goes off The energy to power the alarm comes from the local energy company，which uses a GIS to manage all its assets(e.g.，electrical conductors，devices，and structures) so that it can deliver electricity continuously to domestic and commercial customers. 7:05 I jump in

29、 the shower The water for the shower is provided by the local water company which uses a hydraulic model inked to its GIS to predict water usage and ensure that water is always available to its valuable customers.,7:35 I open the mail A property tax bill comes from a local government department that

30、 uses a GIS to store property data and automatically produce annual tax bills. This has helped the department to peg increases in property taxes to levels below retail price inflation. There are also a small number of circulars addressed to me，sometimes called junk mail. We spent our vacation in Sou

31、thlands and Santatol 1ast year，and the holiday company uses its GIS to market similar destinations to its customer base - there are good deals for the Gower and Northampton this season.,The second item is a special offer for properly insurance，from a firm that uses its GIS to target neighborhoods wi

32、th low past-claims histories. We get less junk mail than we used to (and we dont want to opt out of all programs)，because geodemographic and lifestyles GIS is used to target mailings more precisely， thus reducing waste and saving time. 8:00 The other half leaves for work He teaches GIS at one of the

33、 city community colleges. As a lecturer on one of the colleges most popular classes he has a full workload and likes to get to work early.,8:15 I walk the kids to the bus stop 0ur children attend the local middle school that is three miles away. The school district administrators use a GIS to optimi

34、ze the routing of school buses. Introduction of this service enabled the district to cut their annual school busing costs by 16 and the time it takes the kids to get to school has also been reduced., 用于优化校车路线的GIS,8:45 I catch a train to work At the station the current location of trains is displayed

35、 on electronic maps on the platforms using a real-time feed from global positioning(GPS) receivers mounted on the trains. The same information is also available on the Internet so I was able to check the status of trains before I 1eft the house. 9:15 I read the newspaper on the train The paper for t

36、he newspaper comes from sustainable forests managed by a GIS. The forestry information system used by the forest products company indicates which areas are available for logging， the best access routes，and the likely yield., 森林管理GIS,9:30 I arrive at work I am GIS Manager for the local City governmen

37、t. Today I have meetings to review annual budgets，plan for the next round of hardware and software acquisition，and deal with a nasty copyright infringement claim. 12:00 I grab a sandwich for lunch The price of bread fell in real terms for much of the past decade. In some small part this is because o

38、f their creasing use of GIS in precision agriculture. This has allowed real-time mapping of soil nutrients and yield，and means that farmers can apply just the right amount of fertilizer in the right location and at the right time.,6:30 Shop till you drop After work we go shopping and use some of the discount coupons that were in the morning mail. The promotion is to entice customers back to the renovat