地理信息系統(tǒng)(GIS)的基本概念和理論

1、地理信息系統(tǒng)（GIS）概述結(jié)構(gòu)組織nGIS的基本概念nGIS的發(fā)展及趨勢nGIS的基本組成nGIS軟件功能nGIS的相關(guān)學(xué)科nGIS與其他系統(tǒng)的區(qū)別GIS的基本概念的基本概念 1. 信息和地理信息信息和地理信息 信息的定義信息的定義： 是用文字、數(shù)字、符號、語言、圖象、圖形等介質(zhì)來表達事件、事物或現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量和特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供的關(guān)于現(xiàn)實世界新的事實和知識。信息的特征信息的特征：n客觀性n適用性n可傳輸性n共享性1. 信息和地理信息信息和地理信息 地理信息的定義：地理信息的定義：地理信息是關(guān)于地理實體、現(xiàn)象或關(guān)系的本質(zhì)、特征及其運動狀態(tài)、規(guī)律的表征和一切有用的知識。地理信息的

2、特征除了具備信息的一般特征外，還有以下特征特征：n空間分布性n數(shù)據(jù)量大n信息載體多樣性n時序性 柵格數(shù)據(jù)柵格數(shù)據(jù)矢量數(shù)據(jù)矢量數(shù)據(jù)1. 信息和地理信息信息和地理信息 2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) 信息系統(tǒng)的定義信息系統(tǒng)的定義： 信息系統(tǒng)是具有采集、管理、分析和表達數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)。在計算機時代，信息系統(tǒng)都部分或全部由計算機系統(tǒng)支持，并由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。智能化的系統(tǒng)還應(yīng)包括知識。分為事務(wù)處理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)（地理信息系統(tǒng)（GIS）的定義：的定義：是以采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表

3、面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的的數(shù)據(jù)的計算機空間信息系統(tǒng)。GIS對于不同的部門和不同的應(yīng)用目的，其定義也不盡相同。例如，美國學(xué)者Parker認為“GIS是一種存貯、分析和顯示空間與非空間數(shù)據(jù)的信息技術(shù)”。Goodchild把GIS定義為“采集、存貯、管理、分析和顯示有關(guān)地理現(xiàn)象信息的綜合系統(tǒng)”。加拿大的Roger Tomlinson認為“GIS是全方位分析和操作地理數(shù)據(jù)的數(shù)字系統(tǒng)。”Burrough認為“GIS是屬于從現(xiàn)實世界中采集、存儲、提取、轉(zhuǎn)換和顯示空間數(shù)據(jù)的一組有力的工具”。俄羅斯學(xué)者也把GIS定義為“一種解決各種復(fù)雜的地理相關(guān)問題，以及具有內(nèi)部聯(lián)系的工具集合”。 對地理信

4、息系統(tǒng)對地理信息系統(tǒng) 的不同視點的不同視點2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) 地圖的使用者：地圖的使用者：他們需要從地圖上查找感興趣的東西。地圖生產(chǎn)者：地圖生產(chǎn)者：編輯各種專題或綜合信息地圖。地圖出版者：地圖出版者：需要高質(zhì)量的地圖輸出產(chǎn)品。地圖分析員：地圖分析員：他們需要根據(jù)位置和空間關(guān)系完成分析任務(wù)。數(shù)據(jù)錄入人員：數(shù)據(jù)錄入人員：完成數(shù)據(jù)編輯。數(shù)據(jù)庫設(shè)計者：數(shù)據(jù)庫設(shè)計者：需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。開發(fā)者：開發(fā)者：需要實現(xiàn)GIS的軟件功能。與地理信息系統(tǒng)相關(guān)的角色（人）與地理信息系統(tǒng)相關(guān)的角色（人）2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) GIS的物理外殼是計算機化的

5、技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)又由若干個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成，如數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析子系統(tǒng)、可視化表達與輸出子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)的構(gòu)成直接影響著GIS的硬件平臺、系統(tǒng)功能和效率、數(shù)據(jù)處理的方式和產(chǎn)品輸出的類型。地理信息系統(tǒng)的特點地理信息系統(tǒng)的特點2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) GIS的操作對象是地理實體或空間數(shù)據(jù)。 地理實體:指的是在人們生存的地球表面附近的地理圖層(大氣圖、水圖、巖石圖、生物圖)中可相互區(qū)分的事物和現(xiàn)象，即地理空間中的事物和現(xiàn)象。 空間數(shù)據(jù):即以點、線、面方式編碼并以(X、Y)坐標(biāo)串儲存管理的離散型空間數(shù)據(jù)，或者以一系列柵格單元表達的連續(xù)型空間

6、數(shù)據(jù)。 地理實體數(shù)據(jù)的最根本特點是每一個數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標(biāo)進行編碼，實現(xiàn)對其定位、定性、定量和拓撲關(guān)系的描述，即空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為地理數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)的特點地理信息系統(tǒng)的特點2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) GIS的技術(shù)優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規(guī)方法難以得到的重要信息。地理空間分析能力重要信息（核心）快速的空間定位搜索復(fù)雜的查詢功能強大的圖形創(chuàng)造和可視化表達手段地理過程的演化模擬空間決策支持功能等。地理信息系統(tǒng)的特點地理信息系統(tǒng)的特點2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) GIS與測繪學(xué)和地理學(xué)密切相關(guān)。 地理學(xué)是一門研

7、究人地相互關(guān)系的科學(xué)，研究各自然界面的生物、物理、化學(xué)過程，以及探求人類活動與資源環(huán)境間相互協(xié)調(diào)的規(guī)律，這為GIS提供了有關(guān)空間分析的基本觀點與方法，成為GIS的基礎(chǔ)理論依托。 測繪學(xué)不但為GIS提供各種不同比例尺和精度的定位數(shù)據(jù)，而且其理論和算法可直接用于空間數(shù)據(jù)的變換和處理。地理信息系統(tǒng)的特點地理信息系統(tǒng)的特點2. 信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng) u地理信息系統(tǒng)按存儲數(shù)據(jù)的范圍大小，可劃分為全球的、區(qū)域的和局部的三種。u地理信息系統(tǒng)按表達空間維數(shù)，分為2維和3維。通常GIS研究地球表層的若干要素的分布，屬22.5 維GIS，布滿整個三維空間建立的GIS，才是真三維GIS。一般

8、也將數(shù)字位置模型（2維）和數(shù)字高程模型（1維）的結(jié)合稱為2+1維或2.5 維GIS。u按是否直接存儲時間尺度，分為靜態(tài)和動態(tài)。如果考慮時間維度，也稱為時態(tài)GIS或動態(tài)GIS。否則為靜態(tài)。u按事件處理內(nèi)容和方式，分為事務(wù)處理或管理GIS和決策支持GIS。3. 地理信息系統(tǒng)的分類地理信息系統(tǒng)的分類 GIS的發(fā)展及趨勢的發(fā)展及趨勢 .起步階段（起步階段（60年代），注重空間數(shù)據(jù)的地年代），注重空間數(shù)據(jù)的地學(xué)處理學(xué)處理。u1963年，加拿大測量學(xué)家R. T. Tomlinson首先提 出GIS這一術(shù)語，建立加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）；u1969年，ESRI （環(huán)境系統(tǒng)研究所）建立；u1969年，

9、Integraph公司建立； 發(fā)展階段（發(fā)展階段（70年代），注重空間地理信息的年代），注重空間地理信息的管理，受到政府部門、商業(yè)公司和大學(xué)的普管理，受到政府部門、商業(yè)公司和大學(xué)的普遍重視。遍重視。1. GIS的發(fā)展概況的發(fā)展概況 推廣應(yīng)用階段（推廣應(yīng)用階段（80年代），注重空間決策支年代），注重空間決策支持分析持分析1981年，ESRI ARC/INFO GIS發(fā)布； 1985年，GPS成為可運行系統(tǒng)； 1986年，MapInfo建立； 1986年，SPOT衛(wèi)星首次發(fā)射； 1987年，地理信息系統(tǒng)的國際雜志出版； 1988年，美國人口調(diào)查局第一次公開發(fā)布TIGER； 1988年，GIS Wo

10、rld 首次發(fā)行； 1989年，Ingegraph 發(fā)布MGE；1. GIS的發(fā)展概況的發(fā)展概況 用戶時代（用戶時代（90年代后），注重年代后），注重GIS社會應(yīng)用與社會應(yīng)用與服務(wù)，服務(wù)，GIS技術(shù)迅猛發(fā)展技術(shù)迅猛發(fā)展 控件式GIS成為GISTools的發(fā)展方向； WebGIS蓬勃發(fā)展； 三維GIS嶄露頭角； 國外主流國外主流GIS軟件軟件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS） GENAMAP MGE（Modular GIS Environment）（GeoMedia） MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、MapXtreme、Spati

11、alWare） ERDAS1. GIS的發(fā)展概況的發(fā)展概況準(zhǔn)備階段（70年代）試驗階段（80年代）全面發(fā)展階段（90年代）國產(chǎn)主流國產(chǎn)主流GIS軟件軟件GeoStar MapGISSuperMap CityStar2. 我國我國GIS的發(fā)展的發(fā)展GIS與遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）進一步結(jié)合，構(gòu)成日趨完善的技術(shù)體系；空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)管理的研究更加深入；GIS應(yīng)用模型開發(fā)日趨加強；GIS智能化；GIS網(wǎng)絡(luò)化；三維GIS的研究不斷深入；宏觀與微觀應(yīng)用進一步加強，并形成新的產(chǎn)業(yè)；3. GIS的發(fā)展趨勢的發(fā)展趨勢GIS的基本組成的基本組成 1. 單機模式的硬件組成單機模式的硬件組成 主要由高

12、檔計主要由高檔計算機（高檔微算機（高檔微機、工作站或機、工作站或小型機）、數(shù)小型機）、數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、據(jù)輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)輸出設(shè)備數(shù)據(jù)輸出設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲設(shè)和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備組成。備組成。 計算機計算機數(shù)字化儀數(shù)字化儀掃描儀掃描儀手寫筆手寫筆光光 筆筆輸入設(shè)備輸入設(shè)備繪圖儀繪圖儀打印機打印機刻錄機刻錄機磁盤陣列磁盤陣列磁帶機磁帶機活動硬盤活動硬盤輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲設(shè)備存儲設(shè)備2. 網(wǎng)絡(luò)模式的網(wǎng)絡(luò)模式的GIS硬件組成（多硬件組成（多用戶模式）用戶模式） 網(wǎng)絡(luò)模式的網(wǎng)絡(luò)模式的GIS 主要在單機模式的基礎(chǔ)上增加主要在單機模式的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如服務(wù)器、客戶機、路由器、交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如服務(wù)器、客戶機、路由器

13、、交換機、集線器、傳輸介質(zhì)等。機、集線器、傳輸介質(zhì)等。 3. GIS軟件組成軟件組成 主要由系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等）、數(shù)據(jù)庫主要由系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等）、數(shù)據(jù)庫軟件（如軟件（如OracalOracal、SybaseSybase、SQL ServerSQL Server等）、等）、GISGIS軟件軟件平臺（如平臺（如Arc/InfoArc/Info、MapInfoMapInfo等）、應(yīng)用軟件（等）、應(yīng)用軟件（GIS GIS 二二次開發(fā)軟件、次開發(fā)軟件、GISGIS組件庫等）組成。組件庫等）組成。GIS軟件功能軟件功能 GIS可以做什么可以做什么管理海量數(shù)據(jù)管理海量數(shù)據(jù)GIS可以

14、做什么可以做什么瀏覽瀏覽查詢查詢GIS可以做什么可以做什么路徑分析路徑分析GIS可以做什么可以做什么地圖整飾地圖整飾GIS可以做什么可以做什么動態(tài)分段動態(tài)分段GIS可以做什么可以做什么生成數(shù)字地面模型生成數(shù)字地面模型三三維維地地下下體體分分析析GIS可以做什么可以做什么數(shù)據(jù)存儲與管理數(shù)據(jù)輸入與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分析與處理圖形與屬性編輯數(shù)據(jù)輸出與表示用戶接口GISGIS軟件系統(tǒng)構(gòu)成軟件系統(tǒng)構(gòu)成各模塊功能各模塊功能（1）數(shù)據(jù)輸入模塊：數(shù)據(jù)輸入模塊：將系統(tǒng)的外部原始數(shù)據(jù)（多種來源、多種形式的數(shù)據(jù)）傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換為便于系統(tǒng)處理的內(nèi)部格式。主要由手扶跟蹤數(shù)字化的矢量跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字

15、化的光柵掃描數(shù)字化、以及鍵盤輸入等方式。各模塊功能各模塊功能（2）圖形與屬性編輯模塊：圖形與屬性編輯模塊：數(shù)據(jù)輸入完成后，對數(shù)據(jù)的分層、分類和編碼、編輯、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、剪裁、接邊、屬性輸入和屬性聯(lián)接等。（3）數(shù)據(jù)存儲與管理模塊：數(shù)據(jù)存儲與管理模塊：主要將地理要素（通常是點、線、面）的位置、空間拓撲關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)進行組織和管理。包括對數(shù)據(jù)的無縫圖層連接、分區(qū)、建立空間索引、設(shè)置數(shù)據(jù)訪問機制等。各模塊功能各模塊功能（4）數(shù)據(jù)分析與處理模塊數(shù)據(jù)分析與處理模塊：主要是對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間分析運算和預(yù)處理運算。包括查詢和提取等操作、柵格疊加分析和矢量疊加分析、空間聚類、路徑分析、資源分配、地址匹配等基本空間操作功能。（5）數(shù)據(jù)輸出與表示模塊：數(shù)據(jù)輸出與表示模塊：主要是數(shù)據(jù)的專題制圖輸出、統(tǒng)計報表輸出、方案選擇、可視化表示等。（6）用戶