地理信息系統(tǒng)課本講義第一部分

1、地理信息系統(tǒng)原理遙感信息工程學(xué)院李建松 TEL: 主要參考資料：參考書：1、地理信息系統(tǒng)（上卷）原理與技術(shù)，譯著，唐中實(shí)等，電子工業(yè)出版社； 2、地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論，譯著，陳建飛等，科學(xué)出版社。練習(xí)軟件：ArcGIS 9.2;資料下載： 學(xué)習(xí)方法與要求要求： 1、掌握GIS的基本概念、基本理論、基本操作方法（即原理與技術(shù)）； 2、理解GIS的基本建設(shè)內(nèi)容和過程； 3、了解GIS最新發(fā)展趨勢(shì)和方向； 4、按時(shí)完成布置的作業(yè)或任務(wù)，不缺課。學(xué)習(xí)方法： 1、認(rèn)真聽課，做好筆記。理解每節(jié)課的內(nèi)容； 2、注意參考資料的閱讀； 3、動(dòng)手實(shí)踐（基于軟件）； 4、重視課堂討論課，并做好準(zhǔn)備。成績(jī)考核期末考試：7

2、0；平時(shí)成績(jī)：10；平時(shí)測(cè)驗(yàn)：20（兩次，各10）。第一部分 地理信息系統(tǒng)的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)第一章 地理信息系統(tǒng)概述第二章 地理信息系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)第三章 地理信息系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)第四章 地理信息系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)第一章 地理信息系統(tǒng)概述世界各地的人每天都會(huì)提出以下一些問題：種植園的土壤有什么特征（農(nóng)場(chǎng)主）？下一個(gè)服裝店應(yīng)該設(shè)在哪里（零售商）？應(yīng)該在道路的何處開挖，才能迅速找到煤氣總管（煤氣工程師）？臭氧洞在過去十年有何變化（氣候?qū)W家）？有預(yù)測(cè)意大利未來地震趨勢(shì)的模型嗎（地質(zhì)學(xué)家）？在過去的兩次人口普查中，城鄉(xiāng)人口在分布上有何變化（規(guī)劃師）？在這里配備武器裝備和人員，會(huì)遭到誰(shuí)襲擊（軍事指揮員）？將冰箱送

3、到客戶家里，如何走最好（配送管理員）？前12個(gè)月，這個(gè)城市買掉的土地和財(cái)產(chǎn)總值是多少（城市會(huì)計(jì)師）？如果霧天發(fā)生火災(zāi)，大火將向何方擴(kuò)展，將有多少木材被燒掉（林務(wù)官）？若大量污水排入井內(nèi)，污水將如何擴(kuò)散，對(duì)飲水者產(chǎn)生何影響（水文學(xué)家）？ 等等諸如此類的問題。這些問題的共同特點(diǎn)都是與地理環(huán)境和地理過程密切相關(guān)的。 地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域的專家都很清楚，要回答這些問題，需要訪問多維（空間維、時(shí)間維）、大容量和高處理費(fèi)用特征的地理信息，同時(shí)即使回答簡(jiǎn)單的地理學(xué)問題，也要求按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)集成多種數(shù)據(jù)源。因此，關(guān)于什么是GIS的第一個(gè)定義是：地理信息系統(tǒng)（Geographical Information Syst

4、em 簡(jiǎn)稱GIS）是用于回答地理學(xué)問題的藝術(shù)、科學(xué)、工程和技術(shù)的統(tǒng)稱，是一種用計(jì)算機(jī)創(chuàng)建和描述地表的數(shù)字表達(dá)方法。這是對(duì)GIS的一個(gè)廣義的定義。從20世紀(jì)60年代至今，GIS已經(jīng)迅速發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)特的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，并形成一個(gè)全球性的重要行業(yè)。成為IT的主流。第一節(jié) GIS發(fā)展概況GIS并不是一項(xiàng)新生事物，上世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)已用于存儲(chǔ)和處理地理數(shù)據(jù)。其早期的工作例子有: 1 、愛丁堡大學(xué)的計(jì)算機(jī)制圖，哈佛實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)制圖SYMAP； 2、加拿大的土地詳查和其后的CGIS； 3、馬里蘭大學(xué)的柵格系統(tǒng)MANS; 4、奧地利的地籍系統(tǒng) 5、美國(guó)人口普查局的DIME等。第一節(jié) GIS發(fā)展概況其發(fā)

5、展共經(jīng)歷的幾個(gè)階段：1、195060年代為GIS的開拓期，注重于空間數(shù)據(jù)的地學(xué)處理。 資源普查、人口統(tǒng)計(jì)、地理管理、土地規(guī)劃等的應(yīng)用。2、1970年代為GIS的鞏固發(fā)展時(shí)期，注重空間地理信息的管理。三個(gè)主要原因:（1）資源開發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)問題，是這個(gè)時(shí)期政府的首要解決難題，需要一種分析處理地理信息的技術(shù)、方法和系統(tǒng)； （2）計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，軟件、硬件技術(shù)發(fā)展； （3）專業(yè)人才增加。 3、1980年代為GIS大發(fā)展時(shí)期，注重于空間決策支持分析。涉及的學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。 土地利用、土地規(guī)劃，與遙感的結(jié)合，GIS開始解決全球性問題，如沙漠化、可居住區(qū)域評(píng)價(jià)、氣候變化、核擴(kuò)散、環(huán)境檢測(cè)等。 4

6、、1990年代為GIS的用戶時(shí)代。一方面，GIS已成為許多機(jī)構(gòu)必備的工作系統(tǒng)，一些部門一定程度上受GIS的影響，改變了現(xiàn)行的運(yùn)行方式、機(jī)構(gòu)設(shè)置和工作計(jì)劃。另一方面，社會(huì)對(duì)GIS的認(rèn)識(shí)普遍提高，需求大幅增加，從而導(dǎo)致GIS應(yīng)用的擴(kuò)大和深化。 5、21世紀(jì)初期為GIS的空間信息網(wǎng)格（Spatial Information Grid，SIG）時(shí)代。隨著GIS技術(shù)更加廣泛和深入的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的地理空間信息分布式存取、共享與交換、互操作、系統(tǒng)集成等成為新的發(fā)展亮點(diǎn)。 地理信息系統(tǒng)在技術(shù)發(fā)展導(dǎo)引和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)兩大動(dòng)力因素作用下，得到了快速的發(fā)展。這主要?dú)w因于三個(gè)因素，1、是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，2、是空間技術(shù)

7、（特別是遙感技術(shù)）的發(fā)展，牽引著GIS的發(fā)展，3、是對(duì)海量空間數(shù)據(jù)處理、管理和綜合空間決策分析應(yīng)用的推動(dòng)，驅(qū)使著GIS向前發(fā)展。GIS的發(fā)展淵源 1、作為數(shù)據(jù)分析與顯示工具。 有一些早期的代表人物或機(jī)構(gòu)： 瑞典氣象學(xué)家用計(jì)算機(jī)輔助制作氣候圖； Terry Coppock 用計(jì)算機(jī)分析農(nóng)業(yè)地理數(shù)據(jù)； 倫敦大學(xué)分析農(nóng)業(yè)人口普查數(shù)據(jù)； Roger Tomlinson 用計(jì)算機(jī)完成加拿大土地詳查數(shù)據(jù)的分析； 美國(guó)西北大學(xué)的Duane Marble 解決城市交通問題等。 2、作為制圖的工具。 David Bickmore 是地圖自動(dòng)生產(chǎn)者的最初創(chuàng)新者。建立了數(shù)字地圖牛津系統(tǒng)。美國(guó)的軍事部門也開始了漫長(zhǎng)、

8、艱辛的地圖自動(dòng)化工作。地圖數(shù)字化儀、顯示器、繪圖儀是這個(gè)時(shí)期應(yīng)用的創(chuàng)新成果。 3、其他淵源。 景觀建筑和環(huán)境敏感性規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用。 景觀建筑和環(huán)境敏感性規(guī)劃觀點(diǎn)揭示了地表環(huán)境由一組相對(duì)獨(dú)立的層組成，每層代表地表環(huán)境的特定組成，并形成了所關(guān)心的地表環(huán)境。地表環(huán)境的這些層可以包括地下水、自然植被或土壤。這些觀點(diǎn)，形成的層的模型，后來被許多GIS采用。 GIS的產(chǎn)生與遙感科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)。遙感技術(shù)刺激了GIS的發(fā)展。遙感數(shù)據(jù)成為GIS的重要數(shù)據(jù)源。 GIS的產(chǎn)生與城市學(xué)、人口統(tǒng)計(jì)學(xué)密切相關(guān)。 GIS與地理學(xué)、制圖學(xué)、測(cè)繪學(xué)等密切相關(guān)。結(jié)論：GIS與諸多明顯獨(dú)立的學(xué)科密切關(guān)聯(lián)，并融為一體，形成了GIS

9、。從而成為一門嶄新的、多學(xué)科的、關(guān)注空間表達(dá)概念和空間計(jì)算的交叉學(xué)科。第二節(jié) 地理信息系統(tǒng)的定義 關(guān)于GIS概念的爭(zhēng)論在關(guān)于GIS概念的爭(zhēng)論中，出現(xiàn)了對(duì)GIS概念的不同理解。其中，典型的一種觀點(diǎn)認(rèn)為GIS是一種工具。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，GIS是一種社會(huì)實(shí)踐。 爭(zhēng)論的根源來自于GIS自身的一些變化。從事GIS的一些企業(yè)由過去從事軟件開發(fā)轉(zhuǎn)換為GIS應(yīng)用研究、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究、可視化技術(shù)研究的企業(yè)。GIS成為日常生活與學(xué)術(shù)研究普遍關(guān)注的一個(gè)研究領(lǐng)域。也迫使我們重新思考有特殊作用的GIS的內(nèi)涵究竟是什么?這種爭(zhēng)論涉及到兩個(gè)問題，一是GIS的定位問題。學(xué)科定位，即是一個(gè)特殊的應(yīng)用軟件，還是一門學(xué)科。二是學(xué)術(shù)術(shù)

10、語(yǔ)問題。 所已知的事實(shí)是：地理信息系統(tǒng)與地理學(xué)密切相關(guān)。但在千百萬GIS用戶中，僅有極少部分出身于地理學(xué)。規(guī)劃人員、管理人員（森林、土地、設(shè)施）、自然科學(xué)家、社會(huì)科學(xué)家、市場(chǎng)咨詢?nèi)藛T、運(yùn)輸人員等以及其他使用GIS的人員，都不會(huì)太多地思考GIS中的“G”表示什么意義。明顯地，“Geography”引入了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過學(xué)科界線的一些內(nèi)容。地理學(xué)有兩大類特殊概念，并且大多數(shù)人要么通過專業(yè)活動(dòng)熟悉它們，要么通過日常生活熟悉它們。 一是地理學(xué)尺度的地理實(shí)體和地理現(xiàn)象； 地理實(shí)體是指相對(duì)永久存在的地表物體。這些實(shí)體可以小到一個(gè)村莊、一個(gè)井的位置，大到整個(gè)星球。它們都是地理尺度觀點(diǎn)覆蓋的范圍。典型的地理實(shí)體是山地

11、、河流、城市、道路等。地理現(xiàn)象是偶然發(fā)生的地理事件，而不是已有的地理景觀。如火災(zāi)、天氣系統(tǒng)、洪水、干旱、土壤侵蝕、城市發(fā)展等。 “實(shí)體”是指現(xiàn)實(shí)世界中的事物，“對(duì)象”是指數(shù)字世界中的事物，數(shù)字對(duì)象及其相關(guān)的屬性和值的大小用來表達(dá)地理實(shí)體的性質(zhì)。實(shí)體和對(duì)象間的差異在于表達(dá)方法的不同。 GIS最有用的應(yīng)用是通過地理實(shí)體自身的發(fā)展，對(duì)相對(duì)精止的地理實(shí)體和動(dòng)態(tài)地理現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)雜的交叉研究。 二是地理尺度的時(shí)空可用性，特別是地理實(shí)體和地理現(xiàn)象的時(shí)空特征和時(shí)空關(guān)聯(lián)特性。 關(guān)于這個(gè)概念常用的問題是“何時(shí)何地”的問題?！昂蔚亍笔顷P(guān)于地理空間的經(jīng)典地理學(xué)問題。盡管這個(gè)問題與它可能存在的答案之間乍一看就了解的東西，

12、但實(shí)際并非這樣。 “何地”可以指陸地，也可以指精確的地理坐標(biāo)或地址、或指在什么方向、多遠(yuǎn)、與什么為鄰等多種答案。 類似地，關(guān)于地理實(shí)體和地理現(xiàn)象的時(shí)間維的問題也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過簡(jiǎn)單的有關(guān)時(shí)鐘和日期是“何時(shí)”的提問，如何時(shí)變化、變化多快、怎樣引起、同時(shí)發(fā)生了別的什么？什么先出現(xiàn)等。 地理信息系統(tǒng)地名字是通過地理學(xué)兩類概念演繹出來的。既不是地圖所列的內(nèi)容，也不是空間信息系統(tǒng)。BEN 9.6目前，GIS術(shù)語(yǔ)傾向于用在操縱數(shù)字地理信息的環(huán)境中。因此，計(jì)算機(jī)制圖、計(jì)算機(jī)地理信息分析以及計(jì)算機(jī)地理過程模型對(duì)地理過程未來的預(yù)測(cè)都可以表述為GIS。 在前面的概述中，對(duì)GIS有了一個(gè)廣義的定義。所涵蓋的內(nèi)容超出了本課程

13、講授的范疇。就全面理解GIS概念來講，應(yīng)使用這個(gè)定義。關(guān)于GIS的第二個(gè)定義：GIS是關(guān)于數(shù)字式表達(dá)空間和時(shí)間的技術(shù)科學(xué)，主要包括數(shù)字式數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、操作和輸出。這個(gè)定義給大多數(shù)GIS用戶提供了如何理解GIS的主要框架。這個(gè)定義回答了GIS不僅僅是一個(gè)特殊的軟件，是一門學(xué)科。是一個(gè)相對(duì)通俗的定義。但就本課程講授的內(nèi)容，給出關(guān)于GIS的第三個(gè)定義：是相對(duì)第一個(gè)定義狹義的定義。但具體的多。作為一種特定的、十分重要的空間型信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System, GIS）可定義為： 在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空

14、間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、計(jì)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。其目的是為土地利用、自然資源管理、環(huán)境、交通、城市市政設(shè)施以及其它管理內(nèi)容的規(guī)劃和管理等領(lǐng)域提供決策支持。地理信息系統(tǒng)具有以下4個(gè)的特征： 1、地理信息系統(tǒng)的外殼是計(jì)算機(jī)化的技術(shù)系統(tǒng)，它又有若干相互關(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)、圖象處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品輸出子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱，直接影響在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)地理信息系統(tǒng)軟件和開發(fā)方法的選型。2、地理信息系統(tǒng)操作的對(duì)象是地理空間數(shù)據(jù)，即由點(diǎn)、線、面這三類基本要素組成的地理實(shí)體。地理空間數(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

15、理坐標(biāo)進(jìn)行編碼（地理編碼），實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位、定性和定量描述。只有在地理信息系統(tǒng)中，才實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的空間位置、空間屬性和時(shí)態(tài)三種基本要素的統(tǒng)一。3、地理信息系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于它的數(shù)據(jù)綜合、模擬和空間分析評(píng)價(jià)能力，可以得到常規(guī)方法或普通信息系統(tǒng)難以得到的重要信息，實(shí)現(xiàn)地理空間過程的演化和預(yù)測(cè)。4、地理信息系統(tǒng)的成功應(yīng)用更強(qiáng)調(diào)組織體系和人的因素的作用。這是由地理信息系統(tǒng)的復(fù)雜性和多學(xué)科交叉性所要求的。分類1、地理信息系統(tǒng)按照范圍大小可分為全球的、區(qū)域的和局部的三種，分別適用于所研究對(duì)象的特征、內(nèi)容以及所要解決的問題的性質(zhì)。2、按照表達(dá)空間數(shù)據(jù)維數(shù)，可分為2維、2.5維和布滿整個(gè)三維空間的真三維地理信

16、息系統(tǒng)，以及考慮時(shí)間維的時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)，或4維地理信息系統(tǒng)。3、按照地理空間數(shù)據(jù)模型或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可分為地理相關(guān)模型、地理關(guān)系模型、面向?qū)ο蟮哪Ｐ偷牡乩硇畔⑾到y(tǒng)。4、按照內(nèi)容來分，可以分為專題地理信息系統(tǒng)、綜合地理信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)工具。 第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念一、信息和數(shù)據(jù) 信息（Information）是用文字、數(shù)字、符號(hào)、語(yǔ)言、圖形、圖象等介質(zhì)或載體，表示事件、事物、現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量或特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界新的事實(shí)和知識(shí)，作為生產(chǎn)、建設(shè)、經(jīng)營(yíng)、管理、分析和決策的依據(jù)。 第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念信息具有的特點(diǎn)： 客觀性 適用性 可傳輸性 共享性 第三

17、節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念 數(shù)據(jù)（Data）是指對(duì)某一事件、事務(wù)、現(xiàn)象進(jìn)行定性、定量描述的原始資料，包括文字、數(shù)字、符號(hào)、語(yǔ)言、圖形、圖象以及它們能轉(zhuǎn)換成的形式。 信息和數(shù)據(jù)是密不可分的。信息來源于數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是信息的載體，但并不就是信息。只有理解了數(shù)據(jù)的含義，對(duì)數(shù)據(jù)做出解釋，才能提取數(shù)據(jù)中所包含的信息。信息處理的實(shí)質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在這個(gè)意義上，信息處理和數(shù)據(jù)處理是可以不加區(qū)分的。 第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念二、地理信息和地理數(shù)據(jù) 地理信息（Geographic Information） 是一些與地球表面（包括與地表非接近的地區(qū)、亞地表、海洋與大氣圈）空間位置數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的信息。 地理信息

18、是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表征和一切有用的知識(shí)，它是對(duì)表達(dá)地理特征和地理現(xiàn)象之間關(guān)系的地理數(shù)據(jù)的解釋。第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念 地理數(shù)據(jù)（Geographic Data）是各種地理特征和現(xiàn)象之間關(guān)系的符號(hào)化表示。包括空間位置特征、屬性特征及時(shí)態(tài)特征三個(gè)基本特征部分。 空間位置數(shù)據(jù)描述地理實(shí)體所在的空間絕對(duì)位置以及實(shí)體間存在的空間關(guān)系的空間相對(duì)位置。空間位置可由定義的坐標(biāo)參照系統(tǒng)描述， 空間關(guān)系可由拓?fù)潢P(guān)系，如鄰接、關(guān)聯(lián)、連通、包含、重疊等來描述。 第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念 屬性特征有時(shí)又稱為非空間特征，是屬于一定地理實(shí)體的定性、定量指標(biāo)，即描述了地理信息的非空間組成成分

19、，包括語(yǔ)義數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。 時(shí)態(tài)特征是指地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)刻或時(shí)段。時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境模擬分析非常重要，正受到地理信息系統(tǒng)學(xué)界的重視。 地理信息的空間位置、屬性特征和時(shí)態(tài)特征是地理信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的根本點(diǎn)，也是支持地理空間分析的三大基本要素。盡管原理上“地理的”一詞比“空間”的一詞更適合描述地表結(jié)構(gòu)信息，但“地理的”、“空間的”常常用作同義詞。進(jìn)來“地理空間”一詞在歐美非常流行，這個(gè)術(shù)語(yǔ)在一些重要的報(bào)告中經(jīng)常使用。第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念 地理信息除了具有信息的一般特性外，還具有以下獨(dú)特特性： 空間分布性（地方性）、數(shù)據(jù)量大、多維結(jié)構(gòu)和時(shí)序特征。空間分布性是指地理信息具有空間定

20、位的特點(diǎn)。 不像后面講到的GIS軟件，地理信息在很多方面有獨(dú)特特性，但它們并沒有體現(xiàn)在軟件的操作中。Anelin L認(rèn)為：就空間而言，空間有兩個(gè)方面的特殊性，即：1、Tober著名的“第一地理規(guī)律”，即所有的地理事物是相關(guān)的，并且在空間上相距愈近相關(guān)性愈大，反之相關(guān)性愈小。這個(gè)空間依賴性或空間自相關(guān)性對(duì)地理數(shù)據(jù)而言是具有地方性的，與基于大量經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和用于描述地表無限復(fù)雜的地理獨(dú)立性規(guī)律相對(duì)立。2、第二個(gè)空間特性是空間的多樣性。即不同的地方，其地理數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)是不同的。在統(tǒng)計(jì)上，這一概念符合非穩(wěn)定性，這一概念也是非常有名的地理統(tǒng)計(jì)原理的基礎(chǔ)。 實(shí)際上，這一概念意味著任何地理分析結(jié)果都依賴于所確

21、定研究區(qū)域的地理界線。3、綜合上述空間兩大特性，可以得到非常適合GIS的第三大空間特征。即將地理實(shí)體或現(xiàn)象表述為具有獨(dú)一無二特性的“層”（道路、河流、土地、人口分布、降雨等）。從地理統(tǒng)計(jì)學(xué)上看，每個(gè)“層”對(duì)整個(gè)地理可變性的描述都有自己獨(dú)立的貢獻(xiàn)?！皩印敝g幾乎總是具有很高的相關(guān)性。4、第四個(gè)空間特征，即地理信息的地方性。這是一個(gè)值得深入討論的特征。因?yàn)楫?dāng)信息社會(huì)向依賴于分布式計(jì)算環(huán)境變化時(shí)，這個(gè)特征顯得更加重要。三、地理信息原型(連續(xù)要素，離散要素) 有兩個(gè)地理信息原型，一個(gè)是域信息，另一個(gè)是離散實(shí)體信息。（Goodchild） 在域信息描述中，地理空間被設(shè)想為一組空間連續(xù)的函數(shù)，每個(gè)函數(shù)在空

22、間的任何地方都有獨(dú)一無二的值（連續(xù)要素）；而在離散實(shí)體信息描述中，設(shè)想離散實(shí)體被無序的其它空間幾何對(duì)象占據(jù)，并被賦予屬性。這樣空間上的任意一點(diǎn)可以存在無數(shù)的離散體（離散要素）。地理信息域與離散實(shí)體的二分法已經(jīng)用于地理信息系統(tǒng)的許多領(lǐng)域，包括地理信息的數(shù)據(jù)模型、地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量、地理信息分析以及地理信息模擬。盡管GIS軟件的版本發(fā)生了重大改變，但二分法的概念卻始終未變。第三節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念四、信息系統(tǒng)及其類型 信息系統(tǒng)是具有采集、管理、分析和表達(dá)數(shù)據(jù)能力，并能回答用戶一系列問題的系統(tǒng)。 在計(jì)算機(jī)信息時(shí)代，信息系統(tǒng)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。 第三

23、節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念計(jì)算機(jī)科學(xué)意義上的信息系統(tǒng) 第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的基本概念信息系統(tǒng) 第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成 完整的地理信息系統(tǒng)主要有五個(gè)部分組成，即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間分析模型和系統(tǒng)管理人員、系統(tǒng)開發(fā)人員和數(shù)據(jù)處理及分析人員。 第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成一、硬件系統(tǒng) 1、GIS的單機(jī)系統(tǒng)模式（1）基于主機(jī)的系統(tǒng)（大型機(jī)、小型機(jī)系統(tǒng)，共享I/O存儲(chǔ)設(shè)備，用戶通過終端進(jìn)行系統(tǒng)操作）集中式計(jì)算環(huán)境限制了大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和信息系統(tǒng)的應(yīng)用。數(shù)據(jù)集中管理和控制，用戶增多，系統(tǒng)性能下降。（2）基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的獨(dú)立系統(tǒng)，個(gè)人獨(dú)立完成數(shù)據(jù)處理和管理的一切事務(wù)。但數(shù)據(jù)共享成為問題。

24、單層結(jié)構(gòu)第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成2、GIS企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)系統(tǒng)模式二層結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)計(jì)算）915邏輯拓?fù)錂C(jī)架設(shè)置圖第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成3、GIS因特網(wǎng)系統(tǒng)模式三層結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)分布式計(jì)算）913安裝SOC以及ArcGIS Server組件，SDE,ORACAL等安裝SOM，ArcCatalog安裝ADF安裝DESKTOP,AO、AE開發(fā)軟件安裝WEB BROWSER用戶混合結(jié)構(gòu)4、基于域的無線系統(tǒng) 通過無線發(fā)射設(shè)備和傳輸接收設(shè)備，以及無線終端，如便攜式計(jì)算機(jī)、PDA、手機(jī)等，通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)入企業(yè)網(wǎng)的域用戶，構(gòu)成無線GIS，或移動(dòng)GIS。和GPS的集成，形成今天占巨大市場(chǎng)份額的LBS（基

25、于位置的服務(wù)）服務(wù)。（Local-Based Service）本第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成二、軟件系統(tǒng)GIS與用戶的接口、通信軟件（用戶界面、通信軟件）GIS應(yīng)用軟件（二次開發(fā)）GIS基本功能軟件（商業(yè)化的GIS工具或平臺(tái)）標(biāo)準(zhǔn)軟件（圖形圖象處理、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、系統(tǒng)庫(kù)、程序設(shè)計(jì)等）網(wǎng)絡(luò)管理軟件，工具軟件操作系統(tǒng)高低操作系統(tǒng)：UNIX系統(tǒng)，WINDOWS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理：TCP/IP,HTTP,HTML,XML,GML等標(biāo)準(zhǔn)軟件：ERDAS,PCI,NV; ORACLE,SQL SERVER,DB2; ,C#; GIS基本功能軟件（商業(yè)軟件）環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）：ArcInfo，ArcView，

26、ArcGIS；AutoDesk 公司：AutoCAD Map；得克薩斯Baylor大學(xué)：GRASS；克拉克實(shí)驗(yàn)室：IDRISI；荷蘭國(guó)際航空航天測(cè)量與地球科學(xué)學(xué)會(huì)：ILWIS；MapInfo 公司：MapInfo；ThinkSpace 公司：MFworks；Intergraph 公司：MGE，GeoMedia；PCI Geomatics：PAMAP；Bentley System 公司：Microstation；TYDAC公司：SPANS；Caliper公司：TransCAD，Maptitude；Northwood 技術(shù)有限公司：Vertical Mapper。GIS應(yīng)用軟件（二次開發(fā)） 一般來

27、講，商業(yè)化的GIS軟件提供對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的基本和通用的操作功能。但并不適合特定的GIS用戶的需要。解決這個(gè)問題的方法就是依據(jù)商業(yè)軟件提供的開發(fā)環(huán)境，進(jìn)行二次開發(fā)。也稱為客戶化。 如ArcGIS提供的開發(fā)環(huán)境： 1、AML 2、MapObject 3、ArcObject 4、ArcEngine 再如，MapInfo提供的開發(fā)環(huán)境：MapX 917第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成GIS基本功能軟件組成 第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成1、空間數(shù)據(jù)輸入與格式轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理 它涉及地理要素（點(diǎn)、線、面）的位置、空間關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)如何構(gòu)造和組織等。主要由特定的數(shù)據(jù)模型或數(shù)據(jù)結(jié)

28、構(gòu)來描述構(gòu)造和組織的方式，由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）進(jìn)行管理。在GIS的發(fā)展過程中，數(shù)據(jù)模型經(jīng)歷了由層次模型、網(wǎng)絡(luò)模型、關(guān)系模型、地理關(guān)系模型、地理相關(guān)模型和面向?qū)ο蟮哪Ｐ?，它們分別代表著空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的構(gòu)造和組織形式。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成3、圖形與屬性的編輯處理 GIS系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是由特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述的，圖形元素的位置必須符合系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的要求，所有元素必須處于統(tǒng)一的地理參照系中，并經(jīng)過嚴(yán)格的地理編碼和數(shù)據(jù)分層組織，因此需要進(jìn)行拓?fù)渚庉嫼屯負(fù)潢P(guān)系的建立，進(jìn)行圖幅接邊、數(shù)據(jù)分層、進(jìn)行地理編碼、投影轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、屬性編輯等操作。除此之外，它們一方面還要修改數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，另一方面

29、還要對(duì)圖形進(jìn)行修飾，設(shè)計(jì)線型、顏色、符號(hào)、進(jìn)行注記等。這些都要求GIS提供數(shù)據(jù)編輯處理的功能。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成4、數(shù)據(jù)分析與處理 提供了對(duì)一個(gè)區(qū)域的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)綜合分析利用的能力。通過提供矢量、柵格、DEM等空間運(yùn)算和指標(biāo)量測(cè)，達(dá)到對(duì)空間數(shù)據(jù)的綜合利用的目的。如基于柵格數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、聚類運(yùn)算等，提供柵格分析；通過圖形的疊加分析、緩沖區(qū)分析、統(tǒng)計(jì)分析、路徑分析、資源分配分析、地形分析等，提供矢量分析。并通過誤差處理、不確定性問題的處理等獲得正確的處理結(jié)果。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成6、數(shù)據(jù)輸出與表示 它是將GIS內(nèi)的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過系統(tǒng)分析、轉(zhuǎn)換、重組后以某種用戶可以理

30、解的方式提交給用戶。它們可以是地圖、表格、決策方案、模擬結(jié)果顯示等形式。當(dāng)前GIS可以支持輸出物質(zhì)信息產(chǎn)品和虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真產(chǎn)品。第二節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成6、用戶接口 主要用于接收用戶的指令、程序或數(shù)據(jù)，是用戶和系統(tǒng)交互的工具，主要包括用戶界面、程序接口和數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)通過菜單方式或解釋命令方式接收用戶的輸入。由于地理信息系統(tǒng)功能復(fù)雜，無論是GIS專業(yè)人員，或者非專業(yè)人員，提供操作友好的界面可以提高操作效率。當(dāng)前，Windows風(fēng)格的菜單界面幾乎成了GIS的界面標(biāo)準(zhǔn)。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成三、地理空間數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù)是GIS的操作對(duì)象，是GIS的血液，它包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)組織和管理質(zhì)

31、量，直接影響GIS操作的有效性。在地理數(shù)據(jù)的生產(chǎn)中，當(dāng)前主要是4D產(chǎn)品，即數(shù)字線劃數(shù)據(jù)（Digital Line Graph, DLG）、數(shù)字柵格數(shù)據(jù)（Digital Raster Graph, DRG）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DOM）、數(shù)字正射影象（Digital Ortho Map, DOM）。空間數(shù)據(jù)質(zhì)量通過準(zhǔn)確度、精度、不確定性、相容性、一致性、完整性、可得性、現(xiàn)勢(shì)性等指標(biāo)度量。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成 GIS的空間數(shù)據(jù)均在統(tǒng)一的地理參照框架內(nèi)，對(duì)整個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行了空間無縫拼接，即在空間上是連續(xù)的，不再具有按圖幅分割的跡象。空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)

32、進(jìn)行了地理編碼、分類編碼和建立了空間索引，以支持精確的、快速的定位、定性、定量檢索和分析。其數(shù)據(jù)組織按工作區(qū)、工作層、邏輯層、地物類型等方式進(jìn)行。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成 地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)是地理數(shù)據(jù)組織的直接結(jié)果，并提供數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。通過數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度、更新、維護(hù)、并發(fā)控制、安全、恢復(fù)等提供服務(wù)。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)容和用途，可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（框架數(shù)據(jù)庫(kù)）和專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，前者反映基礎(chǔ)的地理、地貌等基礎(chǔ)地理框架信息，如地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、影象數(shù)據(jù)庫(kù)、土地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)等，后者反映不同專業(yè)領(lǐng)域的專門地理信息，如水資源數(shù)據(jù)庫(kù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦產(chǎn)分布數(shù)據(jù)庫(kù)等。 第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成 由于測(cè)繪和

33、數(shù)據(jù)綜合技術(shù)的原因，當(dāng)前GIS只能對(duì)多比例尺測(cè)繪的地圖數(shù)據(jù)分別建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于上述原因，在一個(gè)地理信息系統(tǒng)中，可能存在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)庫(kù)之間還要經(jīng)常進(jìn)行相互訪問，因此會(huì)形成多數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。又由于地理信息的分布性，還會(huì)形成分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。為了支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)共享和交換，并支持海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，需要使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化存取系統(tǒng)、及數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)管理方案。第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成四、空間分析模型 GIS空間分析模型的建立和選擇是地理信息系統(tǒng)成功應(yīng)用的重要因素，這是地理信息系統(tǒng)功能和目的所決定的。雖然GIS為解決各種現(xiàn)實(shí)問題提供了有效的基本工具，但對(duì)于某一專門應(yīng)用目的的解決，必須

34、通過構(gòu)建專門的應(yīng)用分析模型，例如土地利用適宜性模型、選址模型、洪水預(yù)測(cè)模型、人口擴(kuò)散模型、森林增長(zhǎng)模型、水土流失模型、最優(yōu)化模型和影響模型等才能達(dá)到目的。 第四節(jié) 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成五、人1、地圖的使用者。他們需要從地圖上查找感興趣的東西。2、地圖生產(chǎn)者。編輯各種專題或綜合信息地圖。3、地圖出版者。需要高質(zhì)量的地圖輸出產(chǎn)品。4、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)。5、數(shù)據(jù)錄入人員。完成數(shù)據(jù)編輯。6、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)者。需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。7、開發(fā)者。需要實(shí)現(xiàn)GIS的軟件功能。第五節(jié) 地理信息系統(tǒng)的功能 地理信息系統(tǒng)作為空間信息的處理、管理和分析系統(tǒng)，其功能遍歷數(shù)據(jù)采集、分析、決

35、策應(yīng)用的全部過程，并能回答和解決以下五類問題：第五節(jié) 地理信息系統(tǒng)的功能1、位置問題。解決在特定的位置有什么或是什么的問題。位置可表示為絕對(duì)位置和相對(duì)位置，前者由地理坐標(biāo)確定，后者由空間關(guān)系確定。如河流、道路、房屋的位置問題由坐標(biāo)確定，某個(gè)省相鄰的省有哪些？某個(gè)閥門連接了哪些管道？從某地出發(fā)可否到達(dá)另一地點(diǎn)？等，可由空間關(guān)系解決。第五節(jié) 地理信息系統(tǒng)的功能2、條件問題，解決符合某些條件的地理實(shí)體在哪里的問題。例如在某個(gè)地區(qū)尋找面積不小于1 000平米的不被植被覆蓋的，且地下條件適合于大型建筑的區(qū)域問題。3、變化趨勢(shì)問題。利用綜合數(shù)據(jù)分析，識(shí)別已發(fā)生或正在發(fā)生的地理事件或現(xiàn)象，或某個(gè)地方發(fā)生的某

36、個(gè)事件隨時(shí)間變化的過程。第五節(jié) 地理信息系統(tǒng)的功能4、模式問題。分析已發(fā)生或正在發(fā)生事件的相關(guān)因素（原因）。例如，某個(gè)交通路口經(jīng)常發(fā)生交通事故，某個(gè)地區(qū)犯罪率經(jīng)常高于其它地區(qū)，生物物種非正常滅絕等問題，分析造成這種結(jié)果的因果關(guān)系如何。5、模擬問題。某個(gè)地區(qū)如果具備某種條件，會(huì)發(fā)生什么的問題。主要是通過模型分析，給定模型參數(shù)或條件，對(duì)已發(fā)生或未發(fā)生的地理事件、現(xiàn)象、規(guī)律進(jìn)行演變、推演和反演等。如對(duì)洪水發(fā)生過程、地震過程、沙塵暴過程等模擬。第六節(jié) 著名的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和組織美國(guó)測(cè)量與制圖學(xué)會(huì)（ACSM）；自動(dòng)制圖與設(shè)施管理GIS專業(yè)委員會(huì)（AM/FM）;國(guó)際攝影測(cè)量與遙感協(xié)會(huì)（ISPRS）；美國(guó)攝影測(cè)量

37、與遙感協(xié)會(huì)GIS專業(yè)委員會(huì)（ASPRS）;美國(guó)大學(xué)地理信息委員會(huì)系統(tǒng)科學(xué)協(xié)會(huì)GIS專業(yè)委員會(huì)（UCGIS）；美國(guó)城市與區(qū)域信息系統(tǒng)協(xié)會(huì)GIS專業(yè)委員會(huì)（URISA）；英國(guó)地理信息聯(lián)合會(huì)（AGI）;歐洲地理信息系統(tǒng)組織（EUROGI）；中國(guó)GIS專業(yè)協(xié)會(huì)（CPGIS）；英國(guó)GIS研究聯(lián)合會(huì)（GISRUK）；歐洲地理信息實(shí)驗(yàn)室協(xié)會(huì)（AGILE）;歐洲城市數(shù)據(jù)管理協(xié)會(huì)（UDMS）；OpenGIS協(xié)會(huì)（OGC）；國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO-TC211）；美國(guó)國(guó)家地理信息系統(tǒng)與分析中心（NCGIA）第二章 地理信息系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)前面講過，GIS與許多明顯獨(dú)立的學(xué)科密切關(guān)聯(lián)，并融為一體，形成了GIS。 其中一

38、些學(xué)科的研究理論和方法直接影響了GIS的形成和發(fā)展，并成為GIS理論與技術(shù)的一部分。同時(shí)GIS技術(shù)也改變著這些學(xué)科研究的方法和手段。它們與GIS之間既有交叉，又有不同。 就大的學(xué)科領(lǐng)域來講，這些學(xué)科是： 1、地球系統(tǒng)科學(xué)（Earth System Science）是研究地球系統(tǒng)的科學(xué)。地球系統(tǒng)，是指由大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈（包括人類自身）等四大圈層組成的作為整體的地球。它包括了自地心到地球的外層空間的十分廣闊的范圍，是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。 就解決人類當(dāng)前面臨的人與自然的問題而言，如氣候變暖、臭氧洞的形成和擴(kuò)大、沙漠化、水資源短缺、植被破壞和物種大量消失等，已不在是局部或區(qū)域性問題。就學(xué)

39、科內(nèi)容而言，它已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單一學(xué)科的范疇，而涉及大氣、海洋、土壤、生物等各類環(huán)境因子，又與物理、化學(xué)和生物過程密切相關(guān)。因此，只有從地球系統(tǒng)的整體著手，才有可能弄清這些問題產(chǎn)生的原因，并尋找到解決這些問題的辦法。從科學(xué)技術(shù)的發(fā)展來看，對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，特別是由全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）組成的對(duì)地觀測(cè)與分析系統(tǒng)，提供了對(duì)整個(gè)地球進(jìn)行長(zhǎng)期的、立體監(jiān)測(cè)能力，為收集、處理和分析地球系統(tǒng)變化的海量數(shù)據(jù)，建立復(fù)雜的地球系統(tǒng)的虛擬模型或數(shù)字模型提供了科學(xué)工具。 由于地球系統(tǒng)科學(xué)面對(duì)的是綜合性問題，應(yīng)該采用多種科學(xué)思維方法，這就是大科學(xué)思維方法，包括系統(tǒng)方法、分析與綜合方法

40、、模型方法。 1、系統(tǒng)方法，是地球系統(tǒng)科學(xué)的主要科學(xué)思維方法。這是因?yàn)榈厍蛳到y(tǒng)科學(xué)本身就是將地球作為整體系統(tǒng)來研究的。這一方法體現(xiàn)了在系統(tǒng)觀點(diǎn)指導(dǎo)下的系統(tǒng)分析和在系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上的系統(tǒng)綜合的科學(xué)認(rèn)識(shí)的過程。 2、分析與綜合統(tǒng)一的方法，從地球系統(tǒng)科學(xué)的概念和所要解決的問題來看，這也是地球系統(tǒng)科學(xué)的科學(xué)思維方法。包括從分析到綜合的思維方法和從綜合到分析的思維方法，實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)方法的擴(kuò)展和具體化。3、模型方法，針對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)所要解決的問題及其特點(diǎn)，建立正確的數(shù)學(xué)模型，或地球的虛擬模型、數(shù)字模型，是地球系統(tǒng)科學(xué)的主要科學(xué)思維方法之一。這對(duì)研究地球系統(tǒng)的構(gòu)成內(nèi)容的描述、過程推演、變化預(yù)測(cè)等是至關(guān)重要的。

41、 關(guān)于地球系統(tǒng)科學(xué)的研究?jī)?nèi)容，目前得到國(guó)際公認(rèn)的主要包括氣象和水系、生物化學(xué)過程、生態(tài)系統(tǒng)、地球系統(tǒng)的歷史、人類活動(dòng)、固體地球、太陽(yáng)影響等。 綜上所述，可以認(rèn)為，地球系統(tǒng)科學(xué)是研究組成地球系統(tǒng)的各個(gè)圈層之間的相互關(guān)系、相互作用機(jī)制、地球系統(tǒng)變化規(guī)律和控制變化的機(jī)理，從而為全球變化預(yù)測(cè)，解決人類面臨的問題建立科學(xué)基礎(chǔ)，并為地球系統(tǒng)科學(xué)管理提供依據(jù)。2、地球信息科學(xué) 地球信息科學(xué)（Geo-Informatics, 或Geo Information Science, 簡(jiǎn)稱GISci）是地球系統(tǒng)科學(xué)的組成部分，是研究地球表層信息流的科學(xué)，或研究地球表層資源與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的綜合信息流的科學(xué)。就地球信

42、息科學(xué)的技術(shù)特征而言，它是記錄、測(cè)量、處理、分析和表達(dá)地球參考數(shù)據(jù)或地球空間數(shù)據(jù)學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)。地球信息科學(xué)屬于邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科或綜合學(xué)科。它的基礎(chǔ)理論是地球科學(xué)理論、信息科學(xué)理論、系統(tǒng)理論和非線性科學(xué)理論的綜合，是以信息流作為研究的主題，即研究地球表層的資源、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等一切現(xiàn)象的信息流過程，或以信息作為紐帶的物質(zhì)流、能量流，包括人流、物流、資金流等等的過程。這些都被認(rèn)為是由信息流所引起的。 這個(gè)術(shù)語(yǔ)在歐美測(cè)繪工程領(lǐng)域和大地測(cè)量學(xué)領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可。信息流程都明顯表示為： 信息獲取存儲(chǔ)檢索分析加工最終視覺產(chǎn)品 在信息時(shí)化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代 ：信息獲取存儲(chǔ)檢索分析加工最終視覺產(chǎn)品信息服務(wù) 國(guó)內(nèi)外的

43、許多著名專家都認(rèn)為，地球信息科學(xué)的主要技術(shù)手段包括遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、和全球定位系統(tǒng)（GPS）等高新技術(shù)，即所謂的“3S”技術(shù)。或者說，地球信息科學(xué)的研究手段，就是由RS、GIS和GPS為技術(shù)核心構(gòu)成的立體對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。其運(yùn)作特點(diǎn)是，在空間上是整體的，而不是局部的；在時(shí)間上是長(zhǎng)期的，而不是短暫的；在時(shí)序上是連續(xù)的，而不是間斷的；在時(shí)相上是同步的、協(xié)調(diào)的，而不是異相的、分屬于不同歷元的；在技術(shù)上不是孤立的，而是由RS、GIS和GPS三種技術(shù)集成的。它們共同組成對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)。 在對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中，遙感技術(shù)為地球空間信息的快速獲取、更新提供了先進(jìn)的手段，并通過遙感圖象處理軟

44、件、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量軟件等提供影像的解譯信息和地學(xué)編碼信息。地理信息系統(tǒng)則對(duì)這些信息加以存儲(chǔ)、處理、分析和應(yīng)用，而全球定位系統(tǒng)則在瞬間提供對(duì)應(yīng)的三維定位信息，作為遙感數(shù)據(jù)處理和形成具有定位定向功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、具有導(dǎo)航功能的地理信息系統(tǒng)的依據(jù) 3、地理信息科學(xué) 地理信息科學(xué)（Geographic Information Science）是信息時(shí)代的地理學(xué)，是地理學(xué)信息革命和范式演變的結(jié)果。它是關(guān)于地理信息的本質(zhì)特征與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)，它研究的對(duì)象是地理信息，是地球信息科學(xué)的重要組成成分。經(jīng)典地理學(xué)數(shù)量革命信息革命計(jì)量地理學(xué)地理信息科學(xué)以人力測(cè)繪為基礎(chǔ)的對(duì)地球表層形態(tài)進(jìn)行描述以數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)地表現(xiàn)象

45、空間分布特征進(jìn)行描述以信息科學(xué)技術(shù)和語(yǔ)言描述和模擬地表信息機(jī)理發(fā)展：地理信息科學(xué)主要研究在應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)地理信息進(jìn)行處理、存貯、提取以及管理和分析過程中所提出的一系列基本理論和技術(shù)問題，如數(shù)據(jù)的獲取和集成、分布式計(jì)算、地理信息的認(rèn)知和表達(dá)、空間分析、地理信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、地理數(shù)據(jù)的不確定性及其對(duì)于地理信息系統(tǒng)操作的影響、地理信息系統(tǒng)的社會(huì)實(shí)踐等。并在理論、技術(shù)和應(yīng)用三個(gè)層次，構(gòu)成地理信息科學(xué)的內(nèi)容體系， 地球空間信息科學(xué)（范疇小于前面的地球信息科學(xué)） 地球空間信息科學(xué)(Geo Spatial Information Science簡(jiǎn)稱Geomatics)是以全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系

46、統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)為主要內(nèi)容，并以計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)為主要技術(shù)支撐，用于采集、量測(cè)、分析、存貯、管理、顯示、傳播和應(yīng)用與地球和空間分布有關(guān)數(shù)據(jù)的一門綜合和集成的信息科學(xué)和技術(shù)。 地球空間信息科學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)前沿領(lǐng)域，是地球信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，是以“3S”技術(shù)為其代表，包括通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的新興學(xué)科。其理論與方法還處于初步發(fā)展階段，完整的地球空間信息科學(xué)理論體系有待建立，一系列基于“3S”技術(shù)及其集成的地球空間信息采集、存貯、處理、表示、傳播的技術(shù)方法有待發(fā)展。地球空間信息科學(xué)作為一個(gè)現(xiàn)代的科學(xué)術(shù)語(yǔ)，是80年代末90年代初才出現(xiàn)的。而作為 一門新興的交叉學(xué)科，由于人們對(duì)它的

47、認(rèn)識(shí)又各不相同，出現(xiàn)了許多相互類似，但又不完全一致的科學(xué)名詞，如：地球信息機(jī)理(Geo Informatics)、圖像測(cè)量學(xué)(Iconicmetry)、圖像信息 學(xué)(Iconic Informatics)、地理信息科學(xué)(Geographic Information Science)、地球信息科學(xué)(Geo Information Science)等。這些新的科學(xué)名詞的出現(xiàn)，無一不與現(xiàn)代信息技術(shù),如遙感、數(shù)字通信、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展密切相關(guān)。地理信息科學(xué)與地球空間信息科學(xué)關(guān)系 地球空間信息科學(xué)與地理空間信息科學(xué)在學(xué)科定義和內(nèi)涵上存在重疊。甚至人們認(rèn)為是對(duì)同一個(gè)學(xué)科內(nèi)容，從不同角度給出的科

48、學(xué)名詞。 從測(cè)繪的角度理解，地球空間信息科學(xué)是地球科學(xué)與測(cè)繪科學(xué)、信息科學(xué)的交叉學(xué)科。 從地理科學(xué)的角度理解，地球空間信息科學(xué)是地理科學(xué)與信息科學(xué)的交叉學(xué)科，即被稱之為地理空間信息科學(xué)。 地球空間信息科學(xué)的概念要比地理信息科學(xué)要廣，它不僅包含了現(xiàn)代測(cè)繪科學(xué)的全部?jī)?nèi)容，也包含了地理空間信息科學(xué)的主要內(nèi)容，而且體現(xiàn)了多學(xué)科、技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域知識(shí)的交叉與滲透，如測(cè)繪學(xué)、地圖學(xué)、地理學(xué)、管理科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、圖形圖象學(xué)、互連網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真技術(shù)等以及規(guī)劃、土地、資源、環(huán)境、軍事等領(lǐng)域。研究的重點(diǎn)與地球信息科學(xué)接近，但它更側(cè)重于技術(shù)、技術(shù)集成與應(yīng)用，更強(qiáng)調(diào)“空間”的概

49、念。 GIS在發(fā)展中曾使用的名稱： -Land Information System (LIS)- AM/FM-Automated Mapping and Facilities Management- Environmental Information System (EIS)- Resources Information System- Planning Information System- Spatial Data Handling System GIS=Geographic Information System (+Remote Sensing=Geospatial-Informati

50、cs ,Geomatics,Geoinfomatics) 極大增強(qiáng)了GIS的作用 GIS=Geographic Information Science OR GIS=Geo-spatial Information Science 新的模式 GIS=Geographic Information Service +Internet=New Service Web ServiceSystem，Science，Service之關(guān)系GISERVICEGISCIENCEGISYSTEM對(duì)環(huán)境和空間的認(rèn)識(shí)對(duì)人文與自然信息流的建模知識(shí)創(chuàng)造監(jiān)測(cè)、感知、觀測(cè)、領(lǐng)域應(yīng)用（RS+GIS）模擬、演進(jìn)、規(guī)律認(rèn)識(shí)分發(fā)、分布

51、、政策制定公眾決策目的方法GIS現(xiàn)在作為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科，被命名為：Geomatics, Geoinformatics; or Geospatial Information Science地球空間信息科學(xué)就下面具體的學(xué)科來講，GIS直接產(chǎn)生于它們。研遙感學(xué)科和地理學(xué)科對(duì)GIS的影響是巨大的，這在前面已有部分論述。遙感作為GIS不可替代的觀測(cè)數(shù)據(jù)源，刺激了GIS的發(fā)展；為了將遙感信息與其它信息結(jié)合起來，越來越多的綜合GIS技術(shù)變得更加重要。今天的GIS增加了廣泛的圖像處理功能。地理學(xué)科對(duì)GIS的貢獻(xiàn)在于對(duì)地理實(shí)體或現(xiàn)象及其規(guī)律的認(rèn)知理論的形成；計(jì)算機(jī)科學(xué)是GIS得以形成和發(fā)展的基礎(chǔ)；其技術(shù)的每一步

52、創(chuàng)新發(fā)展，都影響著GIS的創(chuàng)新發(fā)展。地圖學(xué)對(duì)GIS的影響是最強(qiáng)的和久遠(yuǎn)的；以至于人們現(xiàn)在也很難將數(shù)字地圖系統(tǒng)與GIS加以明顯區(qū)分。在用二維坐標(biāo)系統(tǒng)表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的觀點(diǎn)中，在不通的幾何投影下，對(duì)地理坐標(biāo)系統(tǒng)的表述與操縱，以及對(duì)具有特殊（x,y）坐標(biāo)（地理編碼）關(guān)聯(lián)的屬性信息的表達(dá)與操縱，是GIS的核心內(nèi)容，也是地圖學(xué)的核心內(nèi)容。第三章 地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論 地理信息系統(tǒng)是在實(shí)踐中產(chǎn)生和發(fā)展的空間數(shù)據(jù)管理和分析應(yīng)用技術(shù)。它的產(chǎn)生和發(fā)展具有技術(shù)導(dǎo)引和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的兩大特點(diǎn)，它們之間相互作用，共同促進(jìn)GIS的發(fā)展。在它的產(chǎn)生之初，并沒有完善、系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論作為技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)。但隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的深入發(fā)

53、展和廣泛應(yīng)用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，地理信息組織、管理以及分析利用，對(duì)地理環(huán)境過程的認(rèn)知、模擬、推演等方面，逐漸引入和完善了地理系統(tǒng)理論、地理信息理論和地理（地球）空間認(rèn)知理論。它們?yōu)檎_設(shè)計(jì)、研制、開發(fā)和建立地理信息系統(tǒng)提供了科學(xué)的認(rèn)識(shí)論和方法論。第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論一、地理系統(tǒng)定義 地理系統(tǒng)，指某一個(gè)特定時(shí)間和特定空間的，由兩個(gè)以上相互區(qū)別又相互聯(lián)系、相互制約的地理要素或過程所組成的，并具有特定的功能和行為，與外界環(huán)境相互作用，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)和具有自組織功能的整體。 第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論二、數(shù)學(xué)描述 數(shù)學(xué)形式描述為 。其中 ，表示系統(tǒng)各地理要素的集成， 為n個(gè)不同類型的地理要素； ，表示它們

54、之間的相互聯(lián)系、相互制約關(guān)系。 第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論三、特點(diǎn) 地理系統(tǒng)是一種宏觀范圍的時(shí)空有序結(jié)構(gòu)，具有自組織功能。地理系統(tǒng)的自組織（Self-organization），是指系統(tǒng)在無外界的強(qiáng)迫（制）條件下，系統(tǒng)自發(fā)形成的有序行為，能自身調(diào)節(jié)功能的行為。 地理系統(tǒng)形成之初，呈混沌狀態(tài)，研究這種狀態(tài)的理論是混沌理論。地理系統(tǒng)發(fā)展過程中，自組織行為的結(jié)果表現(xiàn)為地理系統(tǒng)的平衡狀態(tài)。 描述這種平衡狀態(tài)的有地理系統(tǒng)協(xié)同論、人與自然相互作用理論/人地系統(tǒng)論、整體性與分異性理論/地帶性規(guī)律、地理空間結(jié)構(gòu)與空間功能/區(qū)位理論等。 第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論 1、混沌理論 研究地理系統(tǒng)混沌狀態(tài)的理論稱為地理系統(tǒng)的混沌

55、理論，這是地理系統(tǒng)自組織的起點(diǎn)。所謂混沌（Chaos），又稱“混亂”、“紊亂”、“無規(guī)劃”等，它是研究事物的初始階段如何進(jìn)行自組織的理論。 自然和社會(huì)領(lǐng)域到處存在著雜亂無章的事物，飄忽不定的狀態(tài)，極不規(guī)則的行為。但是這些無規(guī)則現(xiàn)象的深處，都蘊(yùn)藏著一種奇異的秩序。 第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論2、地理系統(tǒng)協(xié)同論 按照協(xié)同論的觀點(diǎn)，地理系統(tǒng)的各要素或各子系統(tǒng)之間，既存在著相互聯(lián)系、相互依存、相互協(xié)調(diào)的一面，又存在著相互制約、相互排斥、相互競(jìng)爭(zhēng)的一面。既有協(xié)同性，又有制約性，這是普遍規(guī)律。 第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論3、人與自然相互作用理論/人地系統(tǒng)理論 在歷史上曾有過環(huán)境決定論、人定勝天論、人與環(huán)境協(xié)調(diào)理論等，

56、但最完備、最科學(xué)的還是現(xiàn)在的可持續(xù)發(fā)展理論?？沙掷m(xù)發(fā)展理論的核心，是資源、環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。地球的資源和環(huán)境的容量是有限的。人們對(duì)地球或自然界的索取，不能超過地球的承載力；人們對(duì)資源和環(huán)境的利用，必須遵循客觀規(guī)律。經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，既要滿足當(dāng)代人的需要，又要不影響后代人的需求。也就是不能以對(duì)資源和環(huán)境的破壞為代價(jià)來?yè)Q取社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。 第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論4、地理系統(tǒng)的整體性與分異理論/地帶性規(guī)律 這是地理系統(tǒng)的宏觀的、普遍規(guī)律。地理系統(tǒng)就是整體性與分異性的統(tǒng)一。地理空間的整體性（Geo-spatial Entirety），指任何地理系統(tǒng)或區(qū)域系統(tǒng)都是“人類自然環(huán)境綜合體”，都是資源

57、、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的綜合體；地理空間的分異性（Geo-spatial Differentitaion）或地帶性，指由于地球表層物質(zhì)和能量分布的不均勻性所造成的地理空間的分異性特征。第一節(jié) 地理系統(tǒng)理論八、地理空間結(jié)構(gòu)與空間功能/區(qū)位理論 地理空間結(jié)構(gòu)與空間功能具有區(qū)位特征。地理空間結(jié)構(gòu)（Geo-spatial Structure），指在一特定的空間范圍或區(qū)域內(nèi)，資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)諸要素的組合關(guān)系或耦合關(guān)系，及同一空間范圍內(nèi)的資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等的配套關(guān)系。地理空間結(jié)構(gòu)功能（Geo-spatial Structure Function），指區(qū)域所具有的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展?jié)摿Φ拇笮?、或可持續(xù)發(fā)

58、展的能力的大小。具有最佳地理空間結(jié)構(gòu)的地區(qū)，一定具有最強(qiáng)的空間結(jié)構(gòu)功能。地理空間區(qū)位（Geo-spatial Location），指一特定的空間范圍內(nèi)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有利部位。即使某個(gè)空間范圍的地理空間結(jié)構(gòu)有好有壞，功能有強(qiáng)有弱，也不能說明局部情況不能有差別。這完全取決于局部條件，這就是區(qū)位。第二節(jié) 地理信息理論 一、含義 地理信息理論（Geographic Information Theory），是地理科學(xué)理論與信息科學(xué)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。主要研究地理信息熵、地理信息流、地理空間場(chǎng)、地理實(shí)體電磁波、地理信息關(guān)聯(lián)等的理論。第二節(jié) 地理信息理論一、地理信息熵 地理信息熵（Geographic I

59、nformation Entropy），用來度量地理信息載體的信息能量，即地理信息載體的信息與燥聲之比，簡(jiǎn)稱“信燥比”，是評(píng)價(jià)地理信息載體的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 第二節(jié) 地理信息理論二、地理信息流 地理信息流（Geographic Information Flow）是由于物質(zhì)和能量在空間分布上存在著不均衡現(xiàn)象所產(chǎn)生的，它依附于物質(zhì)流和能量流而存在，也是物質(zhì)流、能量流的性質(zhì)、特征和狀態(tài)的表征和知識(shí)。地理信息流是地理系統(tǒng)的紐帶，有了地理信息流，地理系統(tǒng)才能運(yùn)轉(zhuǎn)。地理信息系統(tǒng)就是研究由于地理物質(zhì)和能量的空間分布不均衡性所造成的物質(zhì)流和能量流的性質(zhì)、特征和狀態(tài)的表征或知識(shí)，研究地理信息流的時(shí)空特征、地理信息傳輸

60、機(jī)理及其不確定性和可預(yù)見性。第二節(jié) 地理信息理論三、地理空間場(chǎng)理論 地理空間場(chǎng)理論（Theory of Geographic Spatial Feild）即地理能量場(chǎng)信息理論，按照這種理論，對(duì)于不同的地理實(shí)體，它們的物質(zhì)成分可能不同，這樣就可形成不同的地理空間或地理空間場(chǎng)；不同地理實(shí)體的地理空間，對(duì)人類具有不同的吸引力，這樣就可以形成某些特殊的地理空間或地理空間場(chǎng)；不同的地理空間或地理空間場(chǎng)，具有不同的物理參數(shù)量，也就具有不同的能量信息的空間分布特征。第二節(jié) 地理信息理論四、地理實(shí)體電磁波能量信息理論 作為地理信息系統(tǒng)的主要信息源的遙感信息的基礎(chǔ)理論是電磁波信息理論。遙感信息，指運(yùn)用傳感器（S