地理信息系統(tǒng) 第一部分.ppt

1、主講：唐雪華,地理信息系統(tǒng)原理,課程內(nèi)容概要,引言 地理信息系統(tǒng)的基本概念 地圖投影和坐標系統(tǒng) 數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)輸入 空間數(shù)據(jù)庫 空間查詢及數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)顯示與地圖制圖 GIS模型與建模 GIS的發(fā)展,講義結(jié)構(gòu),本章的主題 主要內(nèi)容安排 主體內(nèi)容講解 要點復習及重要概念和術語重現(xiàn),第一部分 引言GIS與信息時代,社會信息化的發(fā)展 NII的概念 SDI的概念及發(fā)展 數(shù)字地球的相關概念 GIS、地球信息科學與數(shù)字地球三者間的關系,第一節(jié) 社會信息化的發(fā)展,工業(yè)時代: 勞動型的低技能工作 重工業(yè)的繁榮 以紙質(zhì)形式存儲數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)的獨立存儲和使用,信息時代 技能熟練工作 信息產(chǎn)業(yè)的繁榮 基于網(wǎng)絡及衛(wèi)星的全

2、球信息共享 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)的整合及數(shù)據(jù)挖掘,全球空間信息化建設的三步曲,NII SDI DE,第二節(jié) NII,1981年，戈爾在美國科學與電視藝術的一次演講中提出了“信息高速公路”新概念； 1991年9月，科學美國人首次提出； 1993年9月，戈爾正式提出，“國家信息基礎設施”成為“信息高速公路”的正式稱呼； 1994年9月，美國提出了GII計劃(全球信息基礎設施)。GII計劃建議把各國的NII聯(lián)通，實現(xiàn)各國之間的信息共享，建立全球性的信息系統(tǒng)框架。 1995年2月，歐盟在布魯塞爾召開的“西方七國集團信息技術部長級會議”，提出了“全球信息社會”的總體目標。,NII的定義(美國政府定義),一個能

3、夠給用戶隨時提供大容量信息的， 由通信網(wǎng)絡、計算機、數(shù)據(jù)庫以及日用電子產(chǎn)品組成的完備的網(wǎng)絡系統(tǒng)。 NII能使所有美國人享用信息，并在任何時間和地點，通過聲音、數(shù)據(jù)、圖形和圖像相互傳遞信息。,NII的主要目的,建設高速信息通信網(wǎng)絡 光纖 衛(wèi)星 微波 程控電話 無線移動,2、NSDI,1994年4月： 美國第12906號總統(tǒng)令，宣布建立NSDI，由聯(lián)邦數(shù)據(jù)委員會協(xié)調(diào)開發(fā)； 1997年： 正式被國際社會接受。,NSDI的定義,一個國家描述地球上地理要素和現(xiàn)象的分布和屬性的所有地理信息的組合， 以及對這些信息的獲取、處理、存儲、分發(fā)、使用、集成、融合以及相互操作， 建立一個共享的空間信息框架所需的設備

4、、技術、政策、標準、體系結(jié)構(gòu)和人力資源。,SDI的定義,指為描述地球上地理要素或現(xiàn)象的分布及其屬性的所有地理信息組合， 以及對這些地理信息的獲取、處理、存儲、分發(fā)、使用、集成、融合以及互操作等目的， 建立一個共享的空間信息框架的建設計劃所需的設備、技術、政策、標準、體系結(jié)構(gòu)和人力資源等內(nèi)容。,SDI的四個層次,關鍵技術,衛(wèi)星定位技術 衛(wèi)星遙感技術 地理信息系統(tǒng) 計算機與數(shù)據(jù)庫技術 通訊技術,中國的NSDI建設,四個層次 國家級 省級 市級 縣級,中國地理空間數(shù)據(jù)框架建設（DCGF）的內(nèi)容： 數(shù)據(jù)集 技術 法律支持及標準 協(xié)調(diào)機制 設施,3、數(shù)字地球(DE),1998年1月:在OGC年會，戈爾作

5、了 “數(shù)字地球：21世紀理解我們行星的方式”的演講，第一次提出了“數(shù)字地球”的概念。,數(shù)字地球的定義,是一個以地理坐標(經(jīng)緯網(wǎng))為依據(jù)的，具有多分辨率的、海量數(shù)據(jù)的和多維顯示的虛擬系統(tǒng)。 數(shù)字地球是指以地球為對象，以地理坐標為依據(jù)的，具有多分辨率的，海量數(shù)據(jù)的和多種數(shù)據(jù)的融合，并可用多媒體和虛擬技術進行多維的(即立體的和動態(tài)的)表達，具有空間化、數(shù)字化、智能化、可視化特征的技術系統(tǒng)。,數(shù)字地球的框架結(jié)構(gòu),數(shù)字地球與SDI的關系,SDI是數(shù)字地球的重要基礎和建設內(nèi)容； SDI提供了統(tǒng)一的空間載體和定位框架，使得用戶能夠按照地理坐標檢索和展示各類信息； SDI可以分析各類信息的空間分布特征、運行狀

6、態(tài)、變化態(tài)勢等。,數(shù)字地球的技術要求,空間化：高精度的定點、定位; 數(shù)字化：信息的數(shù)字化以便于量化處理; 網(wǎng)絡化：實現(xiàn)信息資源的共享與合理利用,實現(xiàn)互操作; 智能化：與DSS、ES 及人工智能相結(jié)合,利用生物神經(jīng)網(wǎng)絡技術進行模擬與分析; 可視化：信息資源的可視化,在輸入、過程、輸出等方面的直觀表現(xiàn)形式.,1.高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)快速獲取與處理,數(shù)字地球的數(shù)據(jù)獲取的主要手段：衛(wèi)星遙感 高分辨率 快速獲?。盒⌒l(wèi)星系列（衛(wèi)星的分類） 主要問題：海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)的快速處理。 解決關鍵： 遙感數(shù)據(jù)處理技術 地球信息綜合應用,數(shù)字地球的關鍵技術,按衛(wèi)星重量分類（國際宇航科學院）,小衛(wèi)星：小于1000kg 微衛(wèi)

7、星：小于100kg 納衛(wèi)星：小于10kg 皮衛(wèi)星：小于1kg,地球空間海量數(shù)據(jù)的存取管理技術,主要問題：海量數(shù)據(jù)的快速存儲和檢索。 解決關鍵：能夠?qū)@得的遙感數(shù)據(jù)直接通過計算機進 行各種處理，并進行人機交互分類。 具體方法： 超大型計算機：數(shù)萬億次速度。 分布式數(shù)據(jù)庫及分布式存儲建設：不同部門、地區(qū)、行業(yè)分別建立自己的數(shù)據(jù)庫。,數(shù)字地球的關鍵技術,超媒體分布式空間信息系統(tǒng)技術,數(shù)字地球的主要目的之一：實現(xiàn)數(shù)據(jù)或信息的共享和發(fā)布。 技術關鍵：互操作。 具體方法： 網(wǎng)絡GIS：針對同構(gòu)系統(tǒng)； Open IS：針對異構(gòu)系統(tǒng)。,數(shù)字地球的關鍵技術,地理信息的分布式計算技術,地理信息的分布式特征： 空間

8、上的分布性 基礎性和綜合性：地理信息滲透到自然和社會的多個學科，地理信息的各種屬性分布在不同的部門和學科中。 分布式計算技術：確定不同的分布式計算平臺(DCP)上需要建立哪些通用的地理信息服務功能。進一步在不同的分布式計算平臺之間及不同的數(shù)據(jù)庫之間實現(xiàn)信息的互操作。,數(shù)字地球的關鍵技術,5.無級比例尺的信息綜合技術,無級比例尺GIS：以一個大比例尺數(shù)據(jù)庫為基礎數(shù)據(jù)源，在一定區(qū)域內(nèi)空間對象的信息量隨比例尺變化自動增減，從而使得GIS空間信息的壓縮和復現(xiàn)與比例尺自適應的一信息處理技術。 存在問題：矢量空間數(shù)據(jù)隨比例尺變化而產(chǎn)生的信息量增減問題。 解決關鍵：實現(xiàn)GIS制圖綜合自動化。,數(shù)字地球的關鍵

9、技術,空間數(shù)據(jù)倉庫技術,空間數(shù)據(jù)倉庫的概念： 支持管理和決策過程的 面向主題的 集成的 隨時間而變化的 持久的 具有空間坐標的 地球數(shù)據(jù)的集合，是數(shù)據(jù)倉庫的一種特殊形式。,數(shù)字地球的關鍵技術,空間數(shù)據(jù)庫、面向空間對象的數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)倉庫的區(qū)別:,空間數(shù)據(jù)庫：將大量的各種專題地圖、遙感影像、設計和規(guī)劃圖及音頻、視頻等數(shù)據(jù)集成到關系數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)中存儲和管理。 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫：面向?qū)ο竽Ｐ桶颜鎸嵤澜缰械奈矬w表示為對象 。 空間數(shù)據(jù)倉庫： 根據(jù)一定的主題內(nèi)容集成來自不同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)上具有綜合性； 在時間上包括了從瞬態(tài)到區(qū)段、直到全體等不不同時間尺度上的信息； 在屬性上包括多個部門或

10、專業(yè)應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；實現(xiàn)了面向數(shù)據(jù)和面向模型的分析方法的統(tǒng)一。,7.空間數(shù)據(jù)的重組、融合、挖掘技術,空間數(shù)據(jù)挖掘目標,數(shù)字地球的關鍵技術,空間數(shù)據(jù)挖掘的概念,在空間數(shù)據(jù)庫或空間數(shù)據(jù)倉庫的基礎上， 綜合匯集利用多門學科的理論技術， 從海量空間數(shù)據(jù)中挖掘事先未知、潛在有用、最終可理解的可信新知識， 揭示出蘊含在空間數(shù)據(jù)中的客觀世界的本質(zhì)規(guī)律、內(nèi)在聯(lián)系和發(fā)展趨勢， 實現(xiàn)知識的自動獲取，提供技術決策與經(jīng)營決策的依據(jù)。,融合與重組,融合：指多種數(shù)據(jù)經(jīng)合成后，不再保留原來數(shù)據(jù)的單個特征，而是產(chǎn)生一種新的綜合數(shù)據(jù)。 重組：是指多種數(shù)據(jù)的疊加，疊加產(chǎn)生的數(shù)據(jù)仍保存著原來的數(shù)據(jù)的特征(如影像地圖)沒有產(chǎn)生根本的

11、變化。,8.仿真與虛擬現(xiàn)實技術,虛擬現(xiàn)實技術：指運用計算機技術生成一個逼真的、具有視覺、聽覺、觸覺的感觀世界，人可以直接對這個虛擬世界進行考察和模擬。,數(shù)字地球的關鍵技術,相關的技術,高級三維圖形技術 問題求解工具 多媒體技術 網(wǎng)絡通信技術 數(shù)據(jù)庫 信息系統(tǒng) 專家系統(tǒng) 面向?qū)ο蠹夹g 智能決策支持,仿真與虛擬現(xiàn)實技術,9.元數(shù)據(jù)庫技術,元數(shù)據(jù)的概念：指對空間數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)進行描述的數(shù)據(jù)，用以說明數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式、質(zhì)量、空間及時間范圍屬性、生產(chǎn)者、聯(lián)系地址等。,數(shù)字地球的關鍵技術,10.高速計算機信息網(wǎng)絡技術,有線網(wǎng)絡 無線網(wǎng)絡,數(shù)字地球的關鍵技術,第二節(jié) GIS、地球信息科學與數(shù)字地球,GIS

12、 的發(fā)展是數(shù)字地球重要的形成背景 GIS 的發(fā)展趨勢代表著數(shù)字地球的發(fā)展方向 GIS 的研究和應用領域都包容在數(shù)字地球的研究和應用領域之中 數(shù)字地球更具有應用性及更為廣泛的研究內(nèi)容 地球信息科學是GIS 和數(shù)字地球的基本理論,1.GIS 的發(fā)展是數(shù)字地球重要的形成背景,GIS 的快速發(fā)展,徹底改變了地球空間信息的獲取方法; OpenGIS、WebGIS 的發(fā)展對信息資源共享、交互、互操作及實時傳輸與發(fā)布有重大影響; Intelligent GIS、3DGIS 及多維GIS 與多媒體技術等的發(fā)展,使VR 的實現(xiàn)成為可能。 所有這些構(gòu)成了數(shù)字地球形成的重要背景。 沒有GIS 的發(fā)展,不可能提出數(shù)字

13、地球這一概念。,2.GIS 的發(fā)展趨勢代表著數(shù)字地球的發(fā)展方向,GIS 的發(fā)展趨勢: OpenGIS 3S 技術一體化 Intelligent GIS WebGIS 3DGIS 多維GIS,3.GIS 的研究和應用領域都包容在數(shù)字地球的研究和應用領域之中,GIS 的研究和應用領域: 全球氣候變化 海平面變化 荒漠化 生態(tài)與環(huán)境 人口增長與社會發(fā)展 災害預測與防御等問題的監(jiān)測 綜合分析與預測 區(qū)域規(guī)劃 提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力 解決國家間的爭端,4.數(shù)字地球的應用性及研究內(nèi)容更廣泛,數(shù)字地球可以推進GIS的應用領域發(fā)展： 廣泛性 實用性 可靠性 深度 GIS 發(fā)展研究 IT 技術 空間信息基礎設施建設,

14、5. 地球信息科學是GIS 和數(shù)字地球的基本理論,地球信息科學是數(shù)字地球的數(shù)學基礎和空間信息框架,并為數(shù)字地球提供技術支撐; 數(shù)字地球的研究和建設為地球信息科學的發(fā)展創(chuàng)造了條件。,本章重點,NII的概念 SDI的概念 數(shù)字地球的概念 數(shù)字地球和GIS的關系,第二部分 地理信息系統(tǒng)的基本概念,本章主題： 什么是地理信息系統(tǒng)？ 什么是空間數(shù)據(jù)？ 地理信息系統(tǒng)的基本功能是什么？ 地理信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程。 地理信息系統(tǒng)的相關學科有哪些？,一、什么是地理信息系統(tǒng)？,地理信息系統(tǒng)的定義 地理信息系統(tǒng)的組成 流行GIS軟件的簡介 關于空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的基礎知識,1、地理信息系統(tǒng)的定義,定義一：以采集、存儲

15、、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關的的數(shù)據(jù)的計算機空間信息系統(tǒng)。 Definition: A computer-based technology and methodology for collecting, managing, analyzing, modeling, and presenting geographic data for a wide range of applications.,其它定義,定義3：“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”。 定義4 ：“采集、存貯、管理、分析和顯示有關地理現(xiàn)象信息的綜合系統(tǒng)”。 定義5

16、 ：“GIS是全方位分析和操作地理數(shù)據(jù)的數(shù)字系統(tǒng)。”,定義6：“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”。 定義7： “一種解決各種復雜的地理相關問題，以及具有內(nèi)部聯(lián)系的工具集合”。,其它定義,地理信息系統(tǒng)的組成,GIS系統(tǒng)的軟件組成,系統(tǒng)管理軟件：操作系統(tǒng)軟件（如WindowsXP、Unix、Linux等 ） 數(shù)據(jù)庫軟件（如Oracle、Sybase、SQL、Server、Informix等） GIS平臺軟件(GIS專業(yè)軟件) （如ARC/INFO、MapInfo、MapGIS、GeoStar等） 應用軟件 (GIS二次開發(fā)軟件、GIS組件庫等),3、流

17、行GIS軟件,環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI):ArcGIS Autodesk公司:AutoCAD Map Balor大學：GRASS 克拉克實驗室：IDRISI 荷蘭國際航空航天測量與地球科學學會：ILWIS MapInfo公司： MapInfo,二、什么是空間數(shù)據(jù)？,信息和數(shù)據(jù) 地理信息和地理數(shù)據(jù) 空間數(shù)據(jù)的基本特征 空間數(shù)據(jù)模型,1、信息和數(shù)據(jù),定義：用文字、數(shù)字、符號、語言、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)）提供關于現(xiàn)實世界新的事實和知識，作為生產(chǎn)、建設、經(jīng)營、管理、分析和決策的依據(jù)。 信息的特點： 客觀性 適用性 可傳輸性 共享性,數(shù)據(jù)（

18、Data）,定義：是指對某一事件、事務、現(xiàn)象進行定性、定量描述的原始資料，包括文字、數(shù)字、符號、語言、圖形、圖象以及它們能轉(zhuǎn)換成的形式。 與信息間的關系： 信息來源于數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)是信息的載體。 理解了數(shù)據(jù)的含義，對數(shù)據(jù)做出解釋，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)換。 信息處理的實質(zhì)是對數(shù)據(jù)進行處理，在這個意義上，信息處理和數(shù)據(jù)處理是可以不加區(qū)分的。,2、地理信息和地理數(shù)據(jù),地理信息（Geographic Information）：有關地理實體的性質(zhì)、特征和運動狀態(tài)的表征和一切有用的知識，它是對表達地理特征和地理現(xiàn)象之間關系的地理數(shù)據(jù)的解釋。 地理信息的特性： 空間分布性 數(shù)據(jù)量大 多維結(jié)構(gòu) 時序特征,地理

19、數(shù)據(jù)（Geographic Data）,定義：各種地理特征和現(xiàn)象之間關系的符號化表示。 空間數(shù)據(jù)描述地理實體的位置的方式： 空間絕對位置：坐標參照系統(tǒng)； 實體間相對位置：空間關系。 距離 方向 拓撲,3、空間數(shù)據(jù)的基本特征,空間特征:對空間實體的分布位置、幾何特征和空間關系的定義。又稱幾何特征、定位特征。 屬性特征:對空間實體的屬性定義和說明信息。即用來說 明“是什么”，如事物或現(xiàn)象的類別、等級、數(shù)量、名稱等。 時間特征:空間實體的時間尺度。地理實體隨時間變化 的特征。,空間要素,離散要素：觀測值不連續(xù)的要素（道路和土地利用） 連續(xù)要素：觀測值連續(xù)的要素（降水量和高程）,4、空間數(shù)據(jù)模型和屬性

20、數(shù)據(jù),矢量數(shù)據(jù)：用來表示離散要素。 柵格數(shù)據(jù)：適宜于連續(xù)要素的表示。,矢量數(shù)據(jù),定義:用坐標對、坐標串和封閉的坐標串表示實體點、線、面的位置及其空間關系的一種數(shù)據(jù)格式。 特點:適合于表示 離散的空間要素。,柵格數(shù)據(jù),定義:用格網(wǎng)來表示要素的空間變化. 特點:適合于表示空間上連續(xù)要素的變化.,空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型,屬性數(shù)據(jù),定義:描述空間要素特征的數(shù)據(jù)。 常用管理方式：關系型數(shù)據(jù)庫管理,三、地理信息系統(tǒng)的基本功能,數(shù)據(jù)存儲與管理,數(shù)據(jù)輸入,數(shù)據(jù)分析與處理,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)輸出與顯示,GIS建模,數(shù)據(jù)的重現(xiàn),數(shù)據(jù)庫的建立和管理,多源數(shù)據(jù)的輸入,數(shù)據(jù)的查詢等，得到新的信息,投影轉(zhuǎn)換等,以用戶可以理解的方

21、式顯示，如地圖、表格、決策方案等。,對空間實體進行抽象，找出規(guī)律,數(shù)據(jù)的可視化,GIS的應用功能,1、位置問題：回答某個位置有什么或是什么的問題。 2、條件問題：回答什么位置有滿足某條件的問題(給定條件找出符合條件的位置)。 3、變化趨勢問題：利用綜合數(shù)據(jù)分析，識別已發(fā)生或正在發(fā)生的地理事件或現(xiàn)象。 4、模式問題：分析已發(fā)生或正在發(fā)生事件的相關因素(原因) 5、模型問題：需要數(shù)學模型支持的問題。,四、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程,1、GIS的開拓期(20世紀60年代) 2、GIS的鞏固發(fā)展時期(20世紀70年代) 3、GIS技術大發(fā)展時期(20世紀80年代) 4、GIS的應用普及時代(20世紀90年

22、代) 5、網(wǎng)絡GIS和因特網(wǎng)GIS時期(20世紀90年代中期至今),1、GIS的開拓期(20世紀60年代),有關機構(gòu)、組織的建立； 計算機得到了廣泛的應用，但存儲能力小，磁帶存取速度慢，機制制圖能力較弱，地學分析功能較簡單。,計算機發(fā)展到第三代，可通過屏幕直接監(jiān)視數(shù)字化的操作，而且能很快看到制圖分析結(jié)果，進行實時編輯； 從1970-1976年，美國地質(zhì)調(diào)查局建成了50多個GIS，加拿大、德國、日本也相應發(fā)展了GIS； 國際交流頻繁； GIS人才教育：美國紐約州立大學創(chuàng)建了GIS實驗室， 商業(yè)性公司開始從事GIS； 專家影響削弱，政府影響增強。,2、GIS的鞏固發(fā)展時期(20世紀70年代),第四代計算機(集成電路) ，微機和遠程通訊傳輸設備的出現(xiàn)，計算機網(wǎng)絡的建立合得地理信息的傳輸時效極大的提高； 軟件技術：DBMS、系統(tǒng)軟件、應用軟件產(chǎn)品開始成熟。數(shù)據(jù)處理和數(shù)學模型、模擬決策工具