第5章-地理信息系統(tǒng)概述

1、第五章 地理信息系統(tǒng)概述,5.1 地理信息系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展,一、GIS產(chǎn)生的背景,世界上第一個地理信息系統(tǒng)： 加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS） 1963年,二、GIS的發(fā)展,1. 計算機技術的發(fā)展,1946年第一臺電子管計算機誕生,高性能PC、工作站、PC Cluster,2. 空間技術的發(fā)展,衛(wèi)星定位技術,衛(wèi)星定位的特點: 1.全球地面無縫覆蓋，全天候定位。 2.定位精度高，實時定位速度快。 3.觀測時間短。 4.提供三維坐標。 5.使用簡便。,GNSS: Global Navigation Satellite System 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng),GPS系統(tǒng),美國于19781993年發(fā)射，共24顆

2、衛(wèi)星。其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星（6個軌道面）。 GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送用于導航定位的調制波，它含有：載波（L1和L2）、測距碼（C/A碼和P碼）和數(shù)據(jù)碼（導航電文）。,C/A碼偽距，精度約為20米左右（民用） P碼偽距，精度約為2米左右（軍用）,“伽利略”系統(tǒng),30顆衛(wèi)星組成 歐空局和歐盟合作于1999年啟動（3個軌道面） 。,2005年12月28日，首顆試驗衛(wèi)星Glove-A成功發(fā)射；最初預計2008年底前全部發(fā)射入軌，后來由于資金和技術方面等問題，幾經(jīng)推遲，預計延長到2014年投入運營。,民用信號精度：1米,GLONASS系統(tǒng) (格洛納斯) (Global Navigation Sa

3、tellite System）,前蘇聯(lián)于20世紀70年代開始建設，并于1993年啟用（3個軌道面） 。 由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設備三部分組成。,星座由24顆衛(wèi)星組成：工作衛(wèi)星21顆，在軌備用衛(wèi)星3顆 (1996年1月完成設計衛(wèi)星數(shù)),2011年11月，格洛納斯第二次實現(xiàn)全球覆蓋。目前，格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)共有衛(wèi)星31顆，包括用于傳輸信號衛(wèi)星24顆、備用衛(wèi)星3顆及4顆用于維修和飛行測試的衛(wèi)星。 2013年7月2日一箭三顆“格洛納斯”衛(wèi)星發(fā)射失敗。,單點定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。,“北斗”系統(tǒng),“北斗1號”： 20002003年發(fā)射3顆靜止軌道試驗導航衛(wèi)星，組成了“北斗

4、”區(qū)域導航系統(tǒng)（2顆工作衛(wèi)星、1顆備用衛(wèi)星）。,“北斗1號”試驗導航衛(wèi)星,定位精度：水平精度100米,“北斗1號”衛(wèi)星的位置,北斗2號： 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System） 空間端、地面端和用戶端三部分組成。 空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。 3種軌道設計地球同步靜止軌道、傾斜地球同步軌道和中圓軌道（3個軌道面） 2007年4月14日，發(fā)射第1顆北斗導航衛(wèi)星。 2012年2月25日，發(fā)射第11顆北斗導航衛(wèi)星。,2011年12月27日北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式提供試運行服務。服務區(qū)為東經(jīng)84度到160度，南緯5

5、5度到北緯55度之間的大部分區(qū)域；位置精度可達平面25米、高程30米；測速精度達到每秒0.4米；授時精度達50納秒。 2020年左右，將建成由30余顆衛(wèi)星組成的北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導航和授時服務。 定位精度為10米。,衛(wèi)星遙感技術,衛(wèi)星遙感的特點： 能夠快速、大范圍獲取 地面影像和地表專題數(shù)據(jù),青島市南區(qū)（Landsat TM 15米分辨率）,青島市南區(qū)（Spot 5 2.5米分辨率）,羅馬梵蒂岡大教堂（Quickbird 0.6米分辨率）,2003年,2008年,2009年,2011年,SRTM計劃,航天飛機雷達地形測繪任務（2000年） Shuttle

6、 Radar Topography Mission,覆蓋范圍在北緯60度至南緯56度之間。10天內，有99.968%被一次覆蓋，94.59%兩次，49.25%三次，24.1%四次。 DEM高程數(shù)據(jù)間隔為1弧秒，約30米，所包含的信息內容相當于15萬地形圖,奮進號航天飛機外觀圖,SRTM由三部分組成：主雷達天線、桅桿、機外雷達天線（Outboard radar antenna）,SRTM 陸 地 表 面 覆 蓋 圖 （平 面）,由SRTMC波段獲取DEM再與TM圖像疊加的結果,現(xiàn)代GIS的相關技術,（相關應用學科）,地理信息系統(tǒng)的應用以及相關學科,5.2 GIS的相關概念,1、數(shù)據(jù) 是客觀事物的

7、屬性、數(shù)量、位置及其相互關系等的抽象表示，如數(shù)字、文字、符號、圖形等。 2、信息 是向人們或機器提供關于現(xiàn)實世界各種事實的知識，是數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義。它不隨載體的物理形式的變化而改變。,數(shù)據(jù)與信息的關系 數(shù)據(jù)是信息的載體 信息是數(shù)據(jù)的內涵 數(shù)據(jù)本身并沒有意義，數(shù)據(jù)只有對實體行為產(chǎn)生影響時才能成為信息 B=36L=120 數(shù)據(jù)只有通過解釋、解算才能成為信息 使用者的知識背景,(1)信息的客觀性 任何信息都是與客觀事物緊密相關的信息正確性與精確度的保證。 (2)信息的適用性 不同的信息適用于與之相關的領域。 (3)信息的傳輸性 信息在傳輸時，其原始意義并不改變。 (4)信息的共享性 信息的使

8、用對其本身無損失。,信息的特點：,3、系統(tǒng) 具有特定功能的、相互有機聯(lián)系的若干要素構成的一個整體。,4、信息系統(tǒng) 具有處理、管理和分析數(shù)據(jù)功能的系統(tǒng)，它能為人們的決策提供正確、有用的信息。,5、地圖 將地理環(huán)境諸要素按照一定的數(shù)學法則，運用符號系統(tǒng)并經(jīng)過制圖綜合縮繪于平面上的圖形。（薩里謝夫） 依據(jù)特定的數(shù)學法則，通過科學的概括，并運用符號系統(tǒng)將地理信息表示在一定載體上的圖形。（毛贊猷） a 由數(shù)學決定的結構 b 特定的符號系統(tǒng) c 現(xiàn)象表示的取舍和概括,6、地理信息 是指表示地理環(huán)境諸要素的數(shù)量、質量、分布特征及其相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖象和圖形等的總稱。,(1)定位特征 通過地理

9、坐標實現(xiàn)空間位置的識別 (2)多維結構的特征 除地理位置外，還有多個專題和屬性 (3)時序特征 隨時間的變化而變化，需及時采集和更新,地理信息的特征,地圖是地理信息的載體 地圖是地理信息的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源 地圖是GIS的查詢與分析結果的表示方法,地圖與地理信息的關系,5.3 地理信息系統(tǒng)的概念,地理信息系統(tǒng)是一門學科 是研究采集、管理、分析地理數(shù)據(jù)和輸出地理信息的理論和方法的新興、交叉學科。,地理信息系統(tǒng)是一種決策支持系統(tǒng) 在計算機軟、硬件系統(tǒng)的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策、規(guī)劃等所需地理信息的技術系統(tǒng)。,GIS Geographi

10、cal Information System(英國) Geographic Information System（美國） Geo-Information System（德國）,GIS概念的不同理解：,顯示,GIS概念的不同理解：,專題地理信息系統(tǒng)(Thematic GIS) 是具有有限目標和專業(yè)特點的地理信息系統(tǒng)。為特定的專門的目的服務，如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)、環(huán)境管理信息系統(tǒng)等。 區(qū)域地理信息系統(tǒng)(Regional GIS) 主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務為目標。如國家級、地區(qū)級、市級或縣級等。 地理信息系統(tǒng)工具(

11、GIS Tools) 是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。,地理信息系統(tǒng)的分類,按內容分類,GIS與其它系統(tǒng)的區(qū)別,GIS與DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）的區(qū)別 1 . DBMS缺乏空間實體定義能力 2 . DBMS缺乏空間關系查詢能力 3 . GIS是能對空間數(shù)據(jù)進行分析的DBMS，GIS必須包含DBMS。 GIS與MIS（管理信息系統(tǒng)）的區(qū)別 1. GIS要對圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)庫共同管理、分析和應用，GIS的軟硬件設備要復雜、系統(tǒng)功能要強； 2. MIS則只有屬性數(shù)據(jù)庫的管理，即使存貯了圖形，也是以文件形式管理，圖形要素不能分解、查詢、沒

12、有拓撲關系。,GIS與其它系統(tǒng)的區(qū)別,GIS與地圖數(shù)據(jù)庫的區(qū)別 地圖數(shù)據(jù)庫僅僅是將數(shù)字地圖有組織地存放起來，不注重分析和查詢，不可能去綜合圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行深層次的空間分析，提供輔助決策的信息，它只是GIS的一個數(shù)據(jù)源。 GIS與CAD系統(tǒng)的區(qū)別 1 . 二者雖然都有參考坐標系統(tǒng)，都能描述圖形，但CAD系統(tǒng)主要處理幾何圖形，屬性庫功能弱，更缺乏分析和判斷能力。 2. CAD的坐標不具有直接的地理意義，不能進行地理坐標轉換。 3. CAD的數(shù)據(jù)可為GIS提供基礎數(shù)據(jù)。,1.起步階段（1960s），注重空間數(shù)據(jù)的地學處理。相關組織機構紛紛成立。 1963年，加拿大測量學家R. T. Tomli

13、nson首先提出GIS 這一術語，建立加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）； 1969年，ESRI （環(huán)境系統(tǒng)研究所）建立； 1969年， Integraph公司建立。 2.發(fā)展階段（1970s），注重空間地理信息的管理，受到 政府部門、商業(yè)公司和大學的普遍重視。,一、國外GIS的發(fā)展,5.4 GIS的發(fā)展歷史,3.推廣應用階段（1980s），注重空間決策支持分析。應用領域迅速擴大，與RS結合，參與解決全球性問題。 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

14、國際雜志出版； 1989年，Ingegraph 發(fā)布MGE； 1989年全球有報價的GIS軟件達70多個。,4.用戶時代（1990至今）, 注重GIS社會應用與服務商業(yè)決策和政府管理 GIS技術迅猛發(fā)展GIS產(chǎn)業(yè)化。 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。 5.國外主流GIS軟件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）ARCGIS GENAMAP（澳大利亞） MGE（Modular GIS Environment） MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、MapXtreme、 Spatial

15、Ware） ERDAS,二、我國GIS的發(fā)展 1.準備階段（1970后期） 輿論準備、提出倡議、組建隊伍、組織個別實驗研究。 1980年中科院遙感所成立第一個GIS研究室 2.試驗階段（1981-1985） 理論探索和區(qū)域性研究; 制定國家地理信息系統(tǒng)規(guī)范。 1:100萬國土基礎信息系統(tǒng)和全國土地信息系統(tǒng) 1 :400萬全國資源和環(huán)境信息系統(tǒng),3.初步發(fā)展階段（1986至20世紀末） 地理信息系統(tǒng)的研究被列入我國“七 五”攻關課題，并且作為一個全國性的研究領域，已逐步和國民經(jīng)濟建設相結合，并取得了重要進 展和實際應用效益。 4.快速發(fā)展階段( 20世紀末到現(xiàn)在） 理論日趨成熟，應用日益廣泛，三

16、維GIS、WEBGIS走向應用，GIS市場開始形成。 5.國產(chǎn)主流GIS軟件 GeoStar（武測） CityStar（北大） MapGIS（地大） Supermap（北京超圖） TopMap （北京慧圖）,(1)GIS與遙感和全球定位系統(tǒng)進一步結合，構成地理學 日趨完善的技術體系3S技術 (2)空間數(shù)據(jù)結構與數(shù)據(jù)管理的研究更加深入 (3)GIS應用模型開發(fā)日趨加強 (4)GIS智能化與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡的結合 (5)GIS網(wǎng)絡化Web GIS (6)三維GIS 三維數(shù)據(jù)結構（數(shù)字表面模型、斷面、柱狀實體等）、可視化技術,三、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,在計算機軟、硬件系統(tǒng)的支持下，運用系統(tǒng)工程和

17、信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策、規(guī)劃等所需地理信息的技術系統(tǒng)。,5.5 GIS的組成,4、系統(tǒng)開發(fā)、管理與使用人員,3、地理空間數(shù)據(jù),2、計算機的軟件系統(tǒng),1、計算機的硬件系統(tǒng),一、 GIS 的 計算機硬件系統(tǒng),CPU 內存 顯卡,二、 GIS的計算機軟件系統(tǒng)及模塊劃分,系統(tǒng)開發(fā)人員或用戶根據(jù)地理專題或區(qū)域分析模型編制的用于某種特定應用任務的程序。 是系統(tǒng)功能的擴充與延伸。,（一）軟件的種類,（二）GIS軟件系統(tǒng)的模塊劃分,GIS的軟件系統(tǒng)根據(jù)其功能的特點，可以分為以下幾種軟件模塊： 1. 數(shù)據(jù)輸入與編輯模塊 2. 數(shù)據(jù)存儲與管理模塊 3. 數(shù)據(jù)變換

18、與分析模塊 4. 數(shù)據(jù)輸出與顯示模塊 5. 用戶接口模塊,各功能模塊之間的關系,（一）地理空間數(shù)據(jù)的定義,觀測地球某一位置的地物所得到的、以空間位置為參照的數(shù)據(jù)稱為地理空間數(shù)據(jù)。 地理空間數(shù)據(jù)描述的主體稱為地理實體 任何一種地理實體都可以用以下三種基本實體來抽象描述： 1）點實體 2）線實體 3）面實體,三、 地理空間數(shù)據(jù),點實體,有位置，無寬度和長度； 抽象的點 用坐標對表示 （x , y）（L , B）,美國佛羅里達洲地震監(jiān)測站2002年9月 該洲可能的500個地震位置,線實體,有位置、長度，但無寬度和高度 用來描述線狀實體，通常在網(wǎng)絡分析中使用較多 度量實體距離 用坐標對序列表示 （x1

19、 , y1），（x2 , y2）. （xn , yn）,香港城市道路網(wǎng)分布,面實體,有位置，具有特定的形狀、范圍 通常用來表示自然或人工的封閉多邊形 用坐標對序列表示的閉合線來表示,中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）,（二）地理空間數(shù)據(jù)的內容,地理空間數(shù)據(jù)一般包括三個方面的內容： 1、某個參考坐標系所確定的位置 2、實體間的空間相關性空間拓撲關系 3、與幾何位置無關的屬性,即幾何坐標，標識地理實體在某個已知坐標系（如大地坐標系、直角坐標系、極坐標系、自定義坐標系）中的空間位置。,表示點、線、面實體之間的空間聯(lián)系，如網(wǎng)絡結點與網(wǎng)絡線之間的樞紐關系，邊界線與面實體間的構成關系，面實體與島或內部點的包含關系等。,即非幾何屬性或簡稱屬性（Attribute），是與地理實體相聯(lián)系的地理變量或地理意義。 定性：名稱、類型、特性 定量：等級、數(shù)量,數(shù)據(jù)類型,地理空間數(shù)據(jù)三個