地理信息系统 第一部分.ppt

1、主讲：唐雪华,地理信息系统原理,课程内容概要,引言 地理信息系统的基本概念 地图投影和坐标系统 数据模型及数据输入 空间数据库 空间查询及数据分析 数据显示与地图制图 GIS模型与建模 GIS的发展,讲义结构,本章的主题 主要内容安排 主体内容讲解 要点复习及重要概念和术语重现,第一部分 引言GIS与信息时代,社会信息化的发展 NII的概念 SDI的概念及发展 数字地球的相关概念 GIS、地球信息科学与数字地球三者间的关系,第一节 社会信息化的发展,工业时代: 劳动型的低技能工作 重工业的繁荣 以纸质形式存储数据 数据的独立存储和使用,信息时代 技能熟练工作 信息产业的繁荣 基于网络及卫星的全

2、球信息共享 数据分析 数据的整合及数据挖掘,全球空间信息化建设的三步曲,NII SDI DE,第二节 NII,1981年，戈尔在美国科学与电视艺术的一次演讲中提出了“信息高速公路”新概念； 1991年9月，科学美国人首次提出； 1993年9月，戈尔正式提出，“国家信息基础设施”成为“信息高速公路”的正式称呼； 1994年9月，美国提出了GII计划(全球信息基础设施)。GII计划建议把各国的NII联通，实现各国之间的信息共享，建立全球性的信息系统框架。 1995年2月，欧盟在布鲁塞尔召开的“西方七国集团信息技术部长级会议”，提出了“全球信息社会”的总体目标。,NII的定义(美国政府定义),一个能

3、够给用户随时提供大容量信息的， 由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备的网络系统。 NII能使所有美国人享用信息，并在任何时间和地点，通过声音、数据、图形和图像相互传递信息。,NII的主要目的,建设高速信息通信网络 光纤 卫星 微波 程控电话 无线移动,2、NSDI,1994年4月： 美国第12906号总统令，宣布建立NSDI，由联邦数据委员会协调开发； 1997年： 正式被国际社会接受。,NSDI的定义,一个国家描述地球上地理要素和现象的分布和属性的所有地理信息的组合， 以及对这些信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及相互操作， 建立一个共享的空间信息框架所需的设备

4、、技术、政策、标准、体系结构和人力资源。,SDI的定义,指为描述地球上地理要素或现象的分布及其属性的所有地理信息组合， 以及对这些地理信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及互操作等目的， 建立一个共享的空间信息框架的建设计划所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源等内容。,SDI的四个层次,关键技术,卫星定位技术 卫星遥感技术 地理信息系统 计算机与数据库技术 通讯技术,中国的NSDI建设,四个层次 国家级 省级 市级 县级,中国地理空间数据框架建设（DCGF）的内容： 数据集 技术 法律支持及标准 协调机制 设施,3、数字地球(DE),1998年1月:在OGC年会，戈尔作

5、了 “数字地球：21世纪理解我们行星的方式”的演讲，第一次提出了“数字地球”的概念。,数字地球的定义,是一个以地理坐标(经纬网)为依据的，具有多分辨率的、海量数据的和多维显示的虚拟系统。 数字地球是指以地球为对象，以地理坐标为依据的，具有多分辨率的，海量数据的和多种数据的融合，并可用多媒体和虚拟技术进行多维的(即立体的和动态的)表达，具有空间化、数字化、智能化、可视化特征的技术系统。,数字地球的框架结构,数字地球与SDI的关系,SDI是数字地球的重要基础和建设内容； SDI提供了统一的空间载体和定位框架，使得用户能够按照地理坐标检索和展示各类信息； SDI可以分析各类信息的空间分布特征、运行状

6、态、变化态势等。,数字地球的技术要求,空间化：高精度的定点、定位; 数字化：信息的数字化以便于量化处理; 网络化：实现信息资源的共享与合理利用,实现互操作; 智能化：与DSS、ES 及人工智能相结合,利用生物神经网络技术进行模拟与分析; 可视化：信息资源的可视化,在输入、过程、输出等方面的直观表现形式.,1.高分辨率卫星遥感数据快速获取与处理,数字地球的数据获取的主要手段：卫星遥感 高分辨率 快速获取：小卫星系列（卫星的分类） 主要问题：海量卫星数据的快速处理。 解决关键： 遥感数据处理技术 地球信息综合应用,数字地球的关键技术,按卫星重量分类（国际宇航科学院）,小卫星：小于1000kg 微卫

7、星：小于100kg 纳卫星：小于10kg 皮卫星：小于1kg,地球空间海量数据的存取管理技术,主要问题：海量数据的快速存储和检索。 解决关键：能够将获得的遥感数据直接通过计算机进 行各种处理，并进行人机交互分类。 具体方法： 超大型计算机：数万亿次速度。 分布式数据库及分布式存储建设：不同部门、地区、行业分别建立自己的数据库。,数字地球的关键技术,超媒体分布式空间信息系统技术,数字地球的主要目的之一：实现数据或信息的共享和发布。 技术关键：互操作。 具体方法： 网络GIS：针对同构系统； Open IS：针对异构系统。,数字地球的关键技术,地理信息的分布式计算技术,地理信息的分布式特征： 空间

8、上的分布性 基础性和综合性：地理信息渗透到自然和社会的多个学科，地理信息的各种属性分布在不同的部门和学科中。 分布式计算技术：确定不同的分布式计算平台(DCP)上需要建立哪些通用的地理信息服务功能。进一步在不同的分布式计算平台之间及不同的数据库之间实现信息的互操作。,数字地球的关键技术,5.无级比例尺的信息综合技术,无级比例尺GIS：以一个大比例尺数据库为基础数据源，在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减，从而使得GIS空间信息的压缩和复现与比例尺自适应的一信息处理技术。 存在问题：矢量空间数据随比例尺变化而产生的信息量增减问题。 解决关键：实现GIS制图综合自动化。,数字地球的关键

9、技术,空间数据仓库技术,空间数据仓库的概念： 支持管理和决策过程的 面向主题的 集成的 随时间而变化的 持久的 具有空间坐标的 地球数据的集合，是数据仓库的一种特殊形式。,数字地球的关键技术,空间数据库、面向空间对象的数据库、空间数据仓库的区别:,空间数据库：将大量的各种专题地图、遥感影像、设计和规划图及音频、视频等数据集成到关系数据库或文件系统中存储和管理。 面向对象数据库：面向对象模型把真实世界中的物体表示为对象 。 空间数据仓库： 根据一定的主题内容集成来自不同数据库中的数据，数据在结构上具有综合性； 在时间上包括了从瞬态到区段、直到全体等不不同时间尺度上的信息； 在属性上包括多个部门或

10、专业应用系统的数据；实现了面向数据和面向模型的分析方法的统一。,7.空间数据的重组、融合、挖掘技术,空间数据挖掘目标,数字地球的关键技术,空间数据挖掘的概念,在空间数据库或空间数据仓库的基础上， 综合汇集利用多门学科的理论技术， 从海量空间数据中挖掘事先未知、潜在有用、最终可理解的可信新知识， 揭示出蕴含在空间数据中的客观世界的本质规律、内在联系和发展趋势， 实现知识的自动获取，提供技术决策与经营决策的依据。,融合与重组,融合：指多种数据经合成后，不再保留原来数据的单个特征，而是产生一种新的综合数据。 重组：是指多种数据的叠加，叠加产生的数据仍保存着原来的数据的特征(如影像地图)没有产生根本的

11、变化。,8.仿真与虚拟现实技术,虚拟现实技术：指运用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉的感观世界，人可以直接对这个虚拟世界进行考察和模拟。,数字地球的关键技术,相关的技术,高级三维图形技术 问题求解工具 多媒体技术 网络通信技术 数据库 信息系统 专家系统 面向对象技术 智能决策支持,仿真与虚拟现实技术,9.元数据库技术,元数据的概念：指对空间数据仓库中的数据进行描述的数据，用以说明数据的内容、格式、质量、空间及时间范围属性、生产者、联系地址等。,数字地球的关键技术,10.高速计算机信息网络技术,有线网络 无线网络,数字地球的关键技术,第二节 GIS、地球信息科学与数字地球,GIS

12、 的发展是数字地球重要的形成背景 GIS 的发展趋势代表着数字地球的发展方向 GIS 的研究和应用领域都包容在数字地球的研究和应用领域之中 数字地球更具有应用性及更为广泛的研究内容 地球信息科学是GIS 和数字地球的基本理论,1.GIS 的发展是数字地球重要的形成背景,GIS 的快速发展,彻底改变了地球空间信息的获取方法; OpenGIS、WebGIS 的发展对信息资源共享、交互、互操作及实时传输与发布有重大影响; Intelligent GIS、3DGIS 及多维GIS 与多媒体技术等的发展,使VR 的实现成为可能。 所有这些构成了数字地球形成的重要背景。 没有GIS 的发展,不可能提出数字

13、地球这一概念。,2.GIS 的发展趋势代表着数字地球的发展方向,GIS 的发展趋势: OpenGIS 3S 技术一体化 Intelligent GIS WebGIS 3DGIS 多维GIS,3.GIS 的研究和应用领域都包容在数字地球的研究和应用领域之中,GIS 的研究和应用领域: 全球气候变化 海平面变化 荒漠化 生态与环境 人口增长与社会发展 灾害预测与防御等问题的监测 综合分析与预测 区域规划 提高工农业生产力 解决国家间的争端,4.数字地球的应用性及研究内容更广泛,数字地球可以推进GIS的应用领域发展： 广泛性 实用性 可靠性 深度 GIS 发展研究 IT 技术 空间信息基础设施建设,

14、5. 地球信息科学是GIS 和数字地球的基本理论,地球信息科学是数字地球的数学基础和空间信息框架,并为数字地球提供技术支撑; 数字地球的研究和建设为地球信息科学的发展创造了条件。,本章重点,NII的概念 SDI的概念 数字地球的概念 数字地球和GIS的关系,第二部分 地理信息系统的基本概念,本章主题： 什么是地理信息系统？ 什么是空间数据？ 地理信息系统的基本功能是什么？ 地理信息系统的发展历程。 地理信息系统的相关学科有哪些？,一、什么是地理信息系统？,地理信息系统的定义 地理信息系统的组成 流行GIS软件的简介 关于空间数据和属性数据的基础知识,1、地理信息系统的定义,定义一：以采集、存储

15、、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的数据的计算机空间信息系统。 Definition: A computer-based technology and methodology for collecting, managing, analyzing, modeling, and presenting geographic data for a wide range of applications.,其它定义,定义3：“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。 定义4 ：“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。 定义5

16、 ：“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。”,定义6：“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”。 定义7： “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”。,其它定义,地理信息系统的组成,GIS系统的软件组成,系统管理软件：操作系统软件（如WindowsXP、Unix、Linux等 ） 数据库软件（如Oracle、Sybase、SQL、Server、Informix等） GIS平台软件(GIS专业软件) （如ARC/INFO、MapInfo、MapGIS、GeoStar等） 应用软件 (GIS二次开发软件、GIS组件库等),3、流

17、行GIS软件,环境系统研究所（ESRI):ArcGIS Autodesk公司:AutoCAD Map Balor大学：GRASS 克拉克实验室：IDRISI 荷兰国际航空航天测量与地球科学学会：ILWIS MapInfo公司： MapInfo,二、什么是空间数据？,信息和数据 地理信息和地理数据 空间数据的基本特征 空间数据模型,1、信息和数据,定义：用文字、数字、符号、语言、图形、图象等介质或载体，表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。 信息的特点： 客观性 适用性 可传输性 共享性,数据（

18、Data）,定义：是指对某一事件、事务、现象进行定性、定量描述的原始资料，包括文字、数字、符号、语言、图形、图象以及它们能转换成的形式。 与信息间的关系： 信息来源于数据； 数据是信息的载体。 理解了数据的含义，对数据做出解释，就能实现数据到信息的转换。 信息处理的实质是对数据进行处理，在这个意义上，信息处理和数据处理是可以不加区分的。,2、地理信息和地理数据,地理信息（Geographic Information）：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，它是对表达地理特征和地理现象之间关系的地理数据的解释。 地理信息的特性： 空间分布性 数据量大 多维结构 时序特征,地理

19、数据（Geographic Data）,定义：各种地理特征和现象之间关系的符号化表示。 空间数据描述地理实体的位置的方式： 空间绝对位置：坐标参照系统； 实体间相对位置：空间关系。 距离 方向 拓扑,3、空间数据的基本特征,空间特征:对空间实体的分布位置、几何特征和空间关系的定义。又称几何特征、定位特征。 属性特征:对空间实体的属性定义和说明信息。即用来说 明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等。 时间特征:空间实体的时间尺度。地理实体随时间变化 的特征。,空间要素,离散要素：观测值不连续的要素（道路和土地利用） 连续要素：观测值连续的要素（降水量和高程）,4、空间数据模型和属性

20、数据,矢量数据：用来表示离散要素。 栅格数据：适宜于连续要素的表示。,矢量数据,定义:用坐标对、坐标串和封闭的坐标串表示实体点、线、面的位置及其空间关系的一种数据格式。 特点:适合于表示 离散的空间要素。,栅格数据,定义:用格网来表示要素的空间变化. 特点:适合于表示空间上连续要素的变化.,空间数据的数据模型,属性数据,定义:描述空间要素特征的数据。 常用管理方式：关系型数据库管理,三、地理信息系统的基本功能,数据存储与管理,数据输入,数据分析与处理,数据转换,数据输出与显示,GIS建模,数据的重现,数据库的建立和管理,多源数据的输入,数据的查询等，得到新的信息,投影转换等,以用户可以理解的方

21、式显示，如地图、表格、决策方案等。,对空间实体进行抽象，找出规律,数据的可视化,GIS的应用功能,1、位置问题：回答某个位置有什么或是什么的问题。 2、条件问题：回答什么位置有满足某条件的问题(给定条件找出符合条件的位置)。 3、变化趋势问题：利用综合数据分析，识别已发生或正在发生的地理事件或现象。 4、模式问题：分析已发生或正在发生事件的相关因素(原因) 5、模型问题：需要数学模型支持的问题。,四、地理信息系统的发展历程,1、GIS的开拓期(20世纪60年代) 2、GIS的巩固发展时期(20世纪70年代) 3、GIS技术大发展时期(20世纪80年代) 4、GIS的应用普及时代(20世纪90年

22、代) 5、网络GIS和因特网GIS时期(20世纪90年代中期至今),1、GIS的开拓期(20世纪60年代),有关机构、组织的建立； 计算机得到了广泛的应用，但存储能力小，磁带存取速度慢，机制制图能力较弱，地学分析功能较简单。,计算机发展到第三代，可通过屏幕直接监视数字化的操作，而且能很快看到制图分析结果，进行实时编辑； 从1970-1976年，美国地质调查局建成了50多个GIS，加拿大、德国、日本也相应发展了GIS； 国际交流频繁； GIS人才教育：美国纽约州立大学创建了GIS实验室， 商业性公司开始从事GIS； 专家影响削弱，政府影响增强。,2、GIS的巩固发展时期(20世纪70年代),第四代计算机(集成电路) ，微机和远程通讯传输设备的出现，计算机网络的建立合得地理信息的传输时效极大的提高； 软件技术：DBMS、系统软件、应用软件产品开始成熟。数据处理和数学模型、模拟决策工具