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(shì)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(hào)、語言、圖象、圖形等介質(zhì)來表達(dá)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(shí)世界新的事實(shí)和知識(shí)。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(shí)體、現(xiàn)象或關(guān)系的本質(zhì)、特征及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、規(guī)律的表征和一切有用的知識(shí)。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(shí)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(dá)數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)時(shí)代，信息系統(tǒng)都部分或全部由計(jì)算機(jī)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(shí)。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(chǔ)、管理、分析和描述整個(gè)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(jì)算機(jī)空間信息系統(tǒng)。GIS對(duì)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(guó)學(xué)者Parker認(rèn)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(rèn)為“GIS是全方位分析和操作地理數(shù)據(jù)的數(shù)字系統(tǒng)?！盉urrough認(rèn)為“GIS是屬于從現(xiàn)實(shí)世界中采集、存儲(chǔ)、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(duì)地理信

4、息系統(tǒng)對(duì)地理信息系統(tǒng) 的不同視點(diǎn)的不同視點(diǎn)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(jì)者：數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者：需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。開發(fā)者：開發(fā)者：需要實(shí)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(jì)算機(jī)化的

5、技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)又由若干個(gè)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(dá)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(tái)、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(diǎn)地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)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(duì)象是地理實(shí)體或空間數(shù)據(jù)。 地理實(shí)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(diǎn)、線、面方式編碼并以(X、Y)坐標(biāo)串儲(chǔ)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(dá)的連續(xù)型空間

6、數(shù)據(jù)。 地理實(shí)體數(shù)據(jù)的最根本特點(diǎn)是每一個(gè)數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標(biāo)進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位、定性、定量和拓?fù)潢P(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(diǎn)地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)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(shì)在于數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評(píng)價(jià)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(qiáng)大的圖形創(chuàng)造和可視化表達(dá)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(diǎn)地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)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(cè)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(dòng)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(diǎn)與方法，成為GIS的基礎(chǔ)理論依托。 測(cè)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(diǎn)地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)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(chǔ)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(dá)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(gè)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(chǔ)時(shí)間尺度，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。如果考慮時(shí)間維度，也稱為時(shí)態(tài)GIS或動(dòng)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(shì)的發(fā)展及趨勢(shì) .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(cè)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(yùn)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(guó)際雜志出版； 1988年，美國(guó)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(shí)代（用戶時(shí)代（90年代后），注重年代后），注重GIS社會(huì)應(yīng)用與社會(huì)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(guó)外主流國(guó)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(yàn)階段（80年代）全面發(fā)展階段（90年代）國(guó)產(chǎn)主流國(guó)產(chǎn)主流GIS軟件軟件GeoStar MapGISSuperMap CityStar2. 我國(guó)我國(guó)GIS的發(fā)展的發(fā)展GIS與遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）進(jìn)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(qiáng)；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(jìn)一步加強(qiáng)，并形成新的產(chǎn)業(yè)；3. GIS的發(fā)展趨勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì)GIS的基本組成的基本組成 1. 單機(jī)模式的硬件組成單機(jī)模式的硬件組成 主要由高

12、檔計(jì)主要由高檔計(jì)算機(jī)（高檔微算機(jī)（高檔微機(jī)、工作站或機(jī)、工作站或小型機(jī)）、數(shù)小型機(jī)）、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(chǔ)設(shè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備組成。備組成。 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)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(jī)打印機(jī)刻錄機(jī)刻錄機(jī)磁盤陣列磁盤陣列磁帶機(jī)磁帶機(jī)活動(dòng)硬盤活動(dòng)硬盤輸出設(shè)備輸出設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)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(jī)模式的基礎(chǔ)上增加主要在單機(jī)模式的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如服務(wù)器、客戶機(jī)、路由器、交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如服務(wù)器、客戶機(jī)、路由器

13、、交換機(jī)、集線器、傳輸介質(zhì)等。機(jī)、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(tái)（如平臺(tái)（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(dòng)態(tài)分段動(dòng)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(chǔ)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(duì)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(chǔ)與管理模塊：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊：主要將地理要素（通常是點(diǎn)、線、面）的位置、空間拓?fù)潢P(guān)系和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理。包括對(duì)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(jī)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(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行空間分析運(yùn)算和預(yù)處理運(yùn)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(jì)報(bào)表輸出、方案選擇、可視化表示等。（6）用戶