第三讲 地理信息系统.ppt

1、第三讲 地理信息系统,基本概念 地理信息系统的起因与发展 地理信息系统的基本内容 地理信息系统的构成 地理信息系统与其他系统的差别 地理信息系统的分类,引例：,沃尔玛超市选址问题： 选址条件： 1、必须邻近城市居民区 2、500年内没有洪水淹没记录 3、超市周围200米内必须要有主要道路 4、超市周边的人口素质：人年均收入在3万元以上、犯罪率低（犯罪指数小于2）、人口密度没平方英里超过1000人、高消费群体的年龄低于40岁等 5、超市需要占地5000平方米 6、在上述条件满足的情况下，选择地价最低的地段 需要的数据： 土地利用，洪水淹没区，道路，人口，犯罪率，土地价格，地籍数据 利用地理信息系

2、统如何解决该问题？ 需要用到地理信息系统叠置分析、缓冲区分析、图形匹配、数据转换等功能。,1、基本概念,数据 信息 地理信息 信息系统 地理信息系统,信息和数据,信息（Information）：是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，信息向人们（或系统）提供关于现实世界的知识，作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。 数据（Data）：是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，它们以数字、文字、符号、声音、图象等形式被输入到计算机被存储和处理的。 数据本身并没有意义。数据的格式往往与具体的计算机系统和应用需求有关。,信息和数据,两者关系： 信息来

3、自数据，数据是未加工的原始资料 数据是信息的载体和表达，信息是数据的内涵，两者是形与质的关系。 数据只有在具体的语境下才有意义，成为信息。例如：80 信息需要依赖正确的数据形式才能够正确表达和应用。同样的信息可以采用不同的数据形式来表达。,地理信息（Geographic Information 简称GI）,地理信息是指地理环境中各地理实体固有的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律等信息的总称。 地理信息是对表达地理实体特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。从地理实体到地理数据，再到地理信息的发展，反映了人类认识的巨大飞跃。 地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，它具有

4、区域性。地理信息又具有多维结构特征，即在同一XY位置上具有多个专题和属性的信息结构。例如在一个地面点位上，可取得高度、地耐力、噪声、污染、交通等多种信息。而且，地理信息有明显的时序特征，即动态变化的特征，这就要求及时采集和更新它们，并根据多时相的数据和信息来寻找随时间变化的分布规律，进而对未来作出预测或预报。地理信息除了描述地理实体的空间位置外，还包含与位置有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。 一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。它脱胎于地图，地图是地理信息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能。,信息系统（Information System）,系统：由

5、相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体 信息系统：指能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统，具有数据采集、管理、分析和表达等功能 信息系统是基于数据库的问答系统 ：,信息系统（Information System）,信息系统信息系统是具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为企业、部门或组织的决策过程提供有用的信息。通常包括经营信息系统、企业管理信息系统、金融信息系统、交通运输信息系统、空间信息系统和其它信息系统等。其中的空间信息系统是一种十分特别而重要的信息系统，它要采集、管理、处理和更新空间信息。 信息系统的构成：,用户是信息系统

6、所服务的对象，是信息系统的主人。用户分一般用户和从事系统建立、维护、管理和更新的高级用户 硬件包括各类计算机处理机及其终端设备 软件是支持数据与信息的采集、存贮、加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统 数据则包括定量和定性数据 知识是智能信息系统的重要组成部分，用于指导系统的智能化运行,地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）,陈述彭院士认为“地理信息系统可简单定义为用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统” 美国科学院院士Prof.Goodchild把GIS定义为“采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统

7、” 武汉大学龚健雅教授定义“地理信息系统（GIS）是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统” 在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间信息和非空间信息两个组成部分 地理信息系统是集计算机科学、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于一体的新兴边缘学科 地理信息系统中包括空间数据和属性数据两大类数据，前者描述地理实体的空间位置，后者描述地理实体的特征。空间数据有时又被称为图形数据。,GIS：Geographical

8、Information System 地理信息系统 GIS是在计算机硬件、软件系统支持下，对整个或部分地区表层（大气层）空间中的有关地理分布数据进行收集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。,2、地理信息系统的起因与发展,地图作为空间数据的载体长期为航海、军事以及现代经济建设服务 二十世纪立体航空摄影测量和遥感成象技术的发展提高了空间数据的精度，加速了空间数据获取速度 五十年代，测绘工作者和地理工作者开始利用计算机汇总各种空间数据，并进行处理和分析，其结果成为决策过程的有用信息 六十年代末，加拿大建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划；

9、著名的地理信息系统软件公司ESRI和Integraph相继成立 七十年代计算机硬软件技术的发展推动地理信息系统朝实用方向迅速发展，一些地理信息系统软件公司推出各自的应用系统，据统计，七十年代有300多个应用系统投入使用； 1972年第一本地理信息系统专著地理数据处理出版。许多大学开始培养GIS人才，创建了地理信息系统实验室。,八十年代是GIS普及和推广应用的阶段，GIS基础软件和应用软件的发展，使得GIS应用从解决基础设施的管理和规划（如道路、输电线）转向更复杂的区域开发，例如土地利用、城市化发展、人口规划与分布等，并涌现出一些有代表性的GIS软件，如 ARC/INFO，TIGRIS，MGE，

10、SICAD，GENAMAP，SYSTEM 9等，它们可在工作站或微机上运行。 此外， 1987年，“地理信息系统的国际杂志”出版； 1988年， GIS WORLD杂志首次发行 1988年，首次GIS/LIS国际会议召开 GIS WORLD is the worlds first and leading magazine devoted to serving the GIS industry. It is dedicated to the understanding and application of GIS technology worldwide.,八十年代,九十年代,从九十年代开始，地

11、理信息系统进入应用产业化阶段，随着微机和Windows的迅速发展 ，一些基于Windows和Windows NT的桌面GIS如MAPINFO、ARCView、GeoMedia等软件以其界面友好、易学好用的独特风格，将GIS带入到各行各业。因特网发展特别是九十年代万维网的发展，为地理信息系统在因特网上运行提供了必要的技术条件，各软件厂商争相研究出基于万维网的地理信息系统软件。比较典型的软件有：Autodesk公司的Map Guide、ESRI公司的MapObject IMS、Intergraph公司的GeoMdia Web Map、MapInfo公司的MapInfo ProServer和武汉测绘

12、科技大学吉奥信息工程公司的 GeoSurf等。 21世纪，地理信息系统进入网络化阶段，国家级及全球性的地理信息系统已经成为公众关注的问题。 以因特网为基础、以提供地理信息服务为目标的分布式地理信息系统成为目前地理信息系统行业的主要研究对象和发展方向。,我国地理信息系统,我国地理信息系统的发展大体上分为三个阶段： 准备阶段（70年代）： 推广电子计算机在测量、制图和遥感领域中的应用； 引进美国地球资源卫星图像，开展了遥感图像处理和解译工作 国家测绘局系统开展了一系列航空摄影测量和地形测图，为建立地理信息系统数据库打下了坚实的基础 1977年诞生了第一张由计算机输出的全要素地图 1978年，召开了

13、全国第一届数据库学术讨论会,我国地理信息系统,我国地理信息系统的发展大体上分为三个阶段： 试验阶段（80年代）：理论探索和区域性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系统规范 研究数据规范和标准、空间数据库建设、数据处理和分析算法及应用软件的开发 开展专题试验研究，如建立全国1:100万地图数据库系统和全国土地信息系统、1:400万全国资源和环境信息系统及1:250万水土保持信息系统 在学术交流和人才培养方面取得到大的发展。在国内召开了多次关于GIS的国际学术讨论会。 1985年，中科院建立了“资源与环境信息系统”国家级重点开放实验室 1990年武汉测绘科技大学建立了 “测绘遥感信息工程”国家

14、级重点开放实验室。,我国地理信息系统,我国地理信息系统的发展大体上分为三个阶段： 全面发展阶段（ 90年代以后）： 国家测绘局正在全国范围内建立数字化测绘信息产业。 1:100万地图数据库已公开发售，1:25万地图数据库也已完成建库，并开始了全国1:5万地图数据库生产与建库工作，各省测绘局正在抓紧建立省级1:1万基础地理信息系统 数字摄影测量和遥感为GIS源源不断地提供地形和专题信息。 国家科技部在“九五”科技攻关计划中，将“遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合应用”列入国家“九五”重中之重科技攻关项目 涌现出若干能参与市场竞争的地理信息系统软件，如GeoStar, MapGIS, City

15、Star, ViewGIS等 在国家重大科技项目的支持下，我国地理信息系统迅速向产业化方向发展，以满足经济建设的需求,地理信息系统技术的发展过程,3、GIS的基本内容,GIS的内容主要包括： 有关的计算机软、硬件； 空间数据的获取； 空间数据的表达及数据结构； 空间数据的处理； 空间数据的管理； 空间数据分析； 空间数据的显示与可视化； GIS的应用； GIS的项目管理、开发、质量保证与标准化； GIS机构设置与人员培训等。,GIS的研究内容,GIS,基本理论 技术系统 应用方法,概念、定义、内涵 理论体系构成、特点、功能和任务 发展历史及发展趋势,硬件配置 数据结构与数据可视化 输入、输出系

16、统 地理数据管理 用户界面 GIS工具软件研制 网络传输等,应用系统设计 数据采集与校验 专题分析模型 3S集成 地学专家系统等,4、地理信息系统构成,从计算机的角度看，地理信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成，这一点与其他信息系统一致。,数据则包括图形和非图形数据、定性和定量数据、影像数据及多媒体数据等 数据处于核心地位，用户通过软件和硬件操纵数据 在地理信息系统的构成中，硬件、软件和数据的比例通常为1:2:7 硬件寿命一般较短，计算机主机的寿命只有3-5年，软件寿命约为5-15年，而数据的有效寿命，短的只有1-2年，长的则可达到5-70年或更长,传统的构成 & 网络时代的构

17、成,传统的构成,网络时代,地理信息系统基本元素,硬件系统局域网模式,局域网（LAN-Local Area Network）是指小区域网的计算机互连网。局域网由于通讯距离较短，可以采用专用网线，因而有较高的数据传输速率和较低的误码率。,硬件系统单机模式,硬件系统广域网模式,广域网（WAN-wide Area Network）是在一个广泛范围内建立的计算机通信网，不受地区限制。广域网可与局域网互连，局域网可以是广域网的一个终端系统。广域网按照一定网络协议实现不同系统的互连和相互协同工作。,地理信息系统软件构成,高水平,低水平,GIS的软件层次。最下面两层为操作系统和系统库，它们是与硬件有关的，故称

18、为系统软件。再上一层为标准软件，以保证图形、数据库、Windows系统及GIS系统能够运行，故称为基础软件。上面三层包含GIS基础软件、应用软件和用户界面，代表了地理信息系统的能力和用途。对非单机版的GIS系统还需要网络通讯软件的支持。,地理信息系统基本功能,查询,分析,存储,显示,采集,输出,GIS基础软件：按照GIS的基本功能采集、存储、查询、分析、表达和输出，可将GIS基础软件分为五大子系统,GIS基础软件,数据输入子系统包括将现有地图、外业观测成果、航空像片、遥感数据、文本资料等转换成计算机兼容的数字形式的各种处理转换软件,数据输入子系统,数据输入,图形及属性编辑子系统负责数字化仪的数

19、据输入和图形编辑。一方面原始输入数据有错误，需要编辑修改，另一方面需要修饰图形，设计线型、颜色、符号、注记等，还要建立拓扑关系，图幅接边，输入属性数据等。,图形及属性编辑子系统,X,Y,Rows,Columns,实体,矢量格式:,栅格格式：,空间数据库管理系统: 地理数据库中存储地理要素或地理实体的位置、空间关系以及属性数据。数据库管理系统则是能够对地理空间数据进行语义和逻辑上的定义，提供必须的空间数据查询、检索和存取功能，能够空间数据进行有效的维护和更新的一套软件系统。,空间数据库管理系统,许多GIS软件采用关系数据库管理属性数据，而空间数据采用文件系统来管理。 目前，一些大型的商用关系数据

20、库如Oracle增加了空间数据类型，基于这类数据库实现GIS空间数据和属性数据的统一管理。,空间查询与空间分析子系统 :,空间查询与空间分析子系统,空间查询的实例,空间查询的实例 查找一个指定的要素 基于条件查找要素,人口数大于 300,000,Which parcels are within 50 feet of the road?,Well type Drilled Building owner Smith Soil type Sandy,空间分析实例,空间分析实例,相邻分析,叠加分析,网络分析,符号,颜色,注记,图框,图例,图 形,属 性,统计图表,报表设计,驱 动 软 件,显示终端,打

21、 印 机,照 排 机,绘 图 仪,磁带磁盘,制图与输出子系统 :,制图与输出子系统,地图,表格,图像,地理数据表达实例,地理数据表达实例,地理数据输出实例,地理数据输出实例,在90年代末期出现了组件式GIS设计思想，是基于组件式程序设计模式，采用相互独立的组件模块实现GIS的各种功能，遵循特定的接口规范，通过系统注册方式嵌入到GIS系统中，组件模块的更新不影响整个系统。,组件式GIS的构成,Internet GIS的构成,5、地理信息系统与其他系统的差别,GIS与计算机辅助制图（简称机助制图或数字制图）系统的区别与联系 ： 联系： 机助制图是地理信息系统的主要技术基础，它涉及到GIS中的空间数

22、据采集、表示、处理、可视化甚至空间数据的管理 GIS早期的技术都主要反映在机助制图方面 区别： 地理信息系统和数字制图系统的主要区别在于空间分析方面，：地理信息系统可以包含数字制图系统的所有功能，此外它还应具有丰富的空间分析功能。要建立一个决策支持型的GIS应用系统，需要对多层的图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，以提供对规划、管理和决策有用的信息，各种空间分析如缓冲区分析、叠置分析、地形分析、资源分配等功能是必要的,5、地理信息系统与其他系统的差别,GIS与数据库管理系统的区别与联系 ： 联系： 数据库管理系统目前一般指商用的关系数据库管理系统，通常是地理信息系统中数据管理的基础软件，特

23、别是属性数据的管理。目前大型的商用数据库如Oracle增加了管理空间数据的功能。 区别： 地理信息系统除需要空间数据的管理功能之外，还需要具有图形数据的采集，空间数据的可视化和空间分析等功能 GIS在硬件和软件方面均比一般事务数据库更加复杂，在功能上也比后者要多,GIS与CAD的区别与联系 ： 计算机辅助设计（CAD）是计算机技术用于机械、建筑、工程和产品设计的系统，它主要用于范围广泛的各种产品和工程的图形,5、地理信息系统与其他系统的差别,GIS与遥感图像处理系统区别与联系 ： 遥感图像处理系统是专门用于对遥感图像数据进行分析处理的软件。它主要强调对遥感栅格数据的几何处理、灰度处理和专题信息

24、提取 。 联系： 遥感数据是地理信息系统的重要信息源 遥感数据经过遥感图像处理系统处理之后，或是进入GIS系统作为背景影像，或是与经过分类的专题信息系统一道协同进行GIS与遥感的集成分析。 区别： 遥感图像处理系统主要处理栅格数据，而GIS可以处理栅格、矢量以及属性数据 GIS具有丰富的空间分析功能，能够表达地理实体之间的相互关系，而且具有属性数据管理与操作功能， 而遥感图像处理系统的空间分析功能相对较弱,5、地理信息系统与其他系统的差别,GIS与其它信息系统之间的联系和区别：,5、地理信息系统与其他系统的差别,信息系统（IS),非空间信息系统,空间信息系统（SIS）,管理信息系统（MIS）,

25、非地理信息系统,CAD/CAM,地理信息系统(GIS),专题GIS,地籍信息系统,城市管线信息系统,规划与管理IGS,资源与环境GIS,综合信息系统,综合信息系统,GIS是空间数据和属性数据的联合体,GIS,5、地理信息系统与其他系统的差别,管理信息系统（MIS）,CAD/CAM,GIS与其它信息系统之间的联系和区别：,返回,6、地理信息系统与相关学科,GIS学科树,GIS的功能,地图的利用和维护管理 信息的视觉化 空间解析 决策支持 综合化,GIS的应用,地点(Location)查询： 如“最近一家麦当劳在哪里？” 状况(Condition)查询： 如“广州市目前共有几家百佳？” 趋势(Tr

26、end)探讨： 如“过去三十年来，广东各县市人口增长趋势与分布情形为何？”,51,植被监测,农作物、森林等植被的叶片对太阳光的红光有强烈的吸收作用，对红外光有强烈的反射作用,52,洪涝监测,从气象卫星多通道彩色合成产品就可以清晰看到地表水体、植被、山体、海洋等地物，所以，利用发生水灾前后监测到的同一区域的水体，尤其是植被变化（因为，受灾后被淹区域地表光谱反射率发生明显变化），通过图象合成和模式计算，可以获得受灾区域分布及面积,53,火灾监测,1987年利用气象卫星监测到的大兴安岭火灾发生时的情况 当温度升高时，辐射峰值波长移向短波方向 。 当地表处于常温时，辐射锋值在传感器的4、5通道的波长范

27、围，而当地面出现火点等高温目标时，其峰值就移向通道3，使通道3的辐射率增大数百倍，利用这一原理，通过连续不断地观测，就可以及时发现火点,54,沙尘暴监测 目前，利用可见光和红外多光谱卫星通道信息判别沙尘暴仍是较好的方法之一,扬沙区,55,水污染监测 水污染主要是由于工业和生活废水排入城市周围的水体中，使水质发生变化，从而引起水的温度、密度、色度、透明度等物理性质的变化，以及化学组成和生物组成的改变，而导致水体发射波谱能量的变化，污水排放入江后的扩散特征，在遥感图像上极易识别,这些变化可以通过遥感手段监测到。,应用遥感数据调查水体的污染时，主要通过假彩色合成图像中水体的颜色色、色调以及相关位置进行解译,56,查询系统 北京指南 该系统集人文地理、公共交通、房地产、企事业单位、旅游于一体的公用地理信息查询系统，所有信息均可采用图形数据与属性数据的交互查询。,57,国家统计局人口统计系统 该系统是利用国家统计局关于全国第五次人口普查的结果，在GIS平台系统的基础上进行的二次开发。实时作出统计分析、动态制作统计图表，通过该系统用户可以在客户端实现对某年,某省的总人口、人口密度、出生率、死亡率、自然增长率等指标的查询，方便快捷而直观。,58,北京数字绿化带信息系统 该系统是北京市十五计划重点工程之一。该系统解决了大数据量