地理信息系統 第一部分.ppt

1、主講：唐雪華,地理信息系統原理,課程內容概要,引言 地理信息系統的基本概念 地圖投影和坐標系統 數據模型及數據輸入 空間數據庫 空間查詢及數據分析 數據顯示與地圖制圖 GIS模型與建模 GIS的發(fā)展,講義結構,本章的主題 主要內容安排 主體內容講解 要點復習及重要概念和術語重現,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 數字地球的相關概念 GIS、地球信息科學與數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 以紙質形式存儲數據 數據的獨立存儲和使用,信息時代 技能熟練工作 信息產業(yè)的繁榮 基于網絡及衛(wèi)星的全

2、球信息共享 數據分析 數據的整合及數據挖掘,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聯通，實現各國之間的信息共享，建立全球性的信息系統框架。 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， 由通信網絡、計算機、數據庫以及日用電子產品組成的完備的網絡系統。 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、數據、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號總統令，宣布建立NSDI，由聯邦數據委員會協調開發(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、體系結構和人力資源。,SDI的定義,指為描述地球上地理要素或現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、體系結構和人力資源等內容。,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 計算機與數據庫技術 通訊技術,中國的NSDI建設,四個層次 國家級 省級 市級 縣級,中國地理空間數據框架建設（DCGF）的內容： 數據集 技術 法律支持及標準 協調機制 設施,3、數字地球(DE),1998年1月:在OGC年會，戈爾作

5、了 “數字地球：21世紀理解我們行星的方式”的演講，第一次提出了“數字地球”的概念。,數字地球的定義,是一個以地理坐標(經緯網)為依據的，具有多分辨率的、海量數據的和多維顯示的虛擬系統。 數字地球是指以地球為對象，以地理坐標為依據的，具有多分辨率的，海量數據的和多種數據的融合，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、數字化、智能化、可視化特征的技術系統。,數字地球的框架結構,數字地球與SDI的關系,SDI是數字地球的重要基礎和建設內容； SDI提供了統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。,數字地球的技術要求,空間化：高精度的定點、定位; 數字化：信息的數字化以便于量化處理; 網絡化：實現信息資源的共享與合理利用,實現互操作; 智能化：與DSS、ES 及人工智能相結合,利用生物神經網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形式.,1.高分辨率衛(wèi)星遙感數據快速獲取與處理,數字地球的數據獲取的主要手段：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)星數據的快速處理。 解決關鍵： 遙感數據處理技術 地球信息綜合應用,數字地球的關鍵技術,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,地球空間海量數據的存取管理技術,主要問題：海量數據的快速存儲和檢索。 解決關鍵：能夠將獲得的遙感數據直接通過計算機進 行各種處理，并進行人機交互分類。 具體方法： 超大型計算機：數萬億次速度。 分布式數據庫及分布式存儲建設：不同部門、地區(qū)、行業(yè)分別建立自己的數據庫。,數字地球的關鍵技術,超媒體分布式空間信息系統技術,數字地球的主要目的之一：實現數據或信息的共享和發(fā)布。 技術關鍵：互操作。 具體方法： 網絡GIS：針對同構系統； Open IS：針對異構系統。,數字地球的關鍵技術,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據庫之間實現信息的互操作。,數字地球的關鍵技術,5.無級比例尺的信息綜合技術,無級比例尺GIS：以一個大比例尺數據庫為基礎數據源，在一定區(qū)域內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與比例尺自適應的一信息處理技術。 存在問題：矢量空間數據隨比例尺變化而產生的信息量增減問題。 解決關鍵：實現GIS制圖綜合自動化。,數字地球的關鍵

9、技術,空間數據倉庫技術,空間數據倉庫的概念： 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 地球數據的集合，是數據倉庫的一種特殊形式。,數字地球的關鍵技術,空間數據庫、面向空間對象的數據庫、空間數據倉庫的區(qū)別:,空間數據庫：將大量的各種專題地圖、遙感影像、設計和規(guī)劃圖及音頻、視頻等數據集成到關系數據庫或文件系統中存儲和管理。 面向對象數據庫：面向對象模型把真實世界中的物體表示為對象 。 空間數據倉庫： 根據一定的主題內容集成來自不同數據庫中的數據，數據在結構上具有綜合性； 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)應用系統的數據；實現了面向數據和面向模型的分析方法的統一。,7.空間數據的重組、融合、挖掘技術,空間數據挖掘目標,數字地球的關鍵技術,空間數據挖掘的概念,在空間數據庫或空間數據倉庫的基礎上， 綜合匯集利用多門學科的理論技術， 從海量空間數據中挖掘事先未知、潛在有用、最終可理解的可信新知識， 揭示出蘊含在空間數據中的客觀世界的本質規(guī)律、內在聯系和發(fā)展趨勢， 實現知識的自動獲取，提供技術決策與經營決策的依據。,融合與重組,融合：指多種數據經合成后，不再保留原來數據的單個特征，而是產生一種新的綜合數據。 重組：是指多種數據的疊加，疊加產生的數據仍保存著原來的數據的特征(如影像地圖)沒有產生根本的

11、變化。,8.仿真與虛擬現實技術,虛擬現實技術：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 網絡通信技術 數據庫 信息系統 專家系統 面向對象技術 智能決策支持,仿真與虛擬現實技術,9.元數據庫技術,元數據的概念：指對空間數據倉庫中的數據進行描述的數據，用以說明數據的內容、格式、質量、空間及時間范圍屬性、生產者、聯系地址等。,數字地球的關鍵技術,10.高速計算機信息網絡技術,有線網絡 無線網絡,數字地球的關鍵技術,第二節(jié) GIS、地球信息科學與數字地球,GIS

12、 的發(fā)展是數字地球重要的形成背景 GIS 的發(fā)展趨勢代表著數字地球的發(fā)展方向 GIS 的研究和應用領域都包容在數字地球的研究和應用領域之中 數字地球更具有應用性及更為廣泛的研究內容 地球信息科學是GIS 和數字地球的基本理論,1.GIS 的發(fā)展是數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 的實現成為可能。 所有這些構成了數字地球形成的重要背景。 沒有GIS 的發(fā)展,不可能提出數字

13、地球這一概念。,2.GIS 的發(fā)展趨勢代表著數字地球的發(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 提高工農業(yè)生產力 解決國家間的爭端,4.數字地球的應用性及研究內容更廣泛,數字地球可以推進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 和數字地球的基本理論,地球信息科學是數字地球的數學基礎和空間信息框架,并為數字地球提供技術支撐; 數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 數字地球的概念 數字地球和GIS的關系,第二部分 地理信息系統的基本概念,本章主題： 什么是地理信息系統？ 什么是空間數據？ 地理信息系統的基本功能是什么？ 地理信息系統的發(fā)展歷程。 地理信息系統的相關學科有哪些？,一、什么是地理信息系統？,地理信息系統的定義 地理信息系統的組成 流行GIS軟件的簡介 關于空間數據和屬性數據的基礎知識,1、地理信息系統的定義,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）與空間和地理分布有關的的數據的計算機空間信息系統。 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據的信息技術”。 定義4 ：“采集、存貯、管理、分析和顯示有關地理現象信息的綜合系統”。 定義5

16、 ：“GIS是全方位分析和操作地理數據的數字系統?！?定義6：“GIS是屬于從現實世界中采集、存儲、提取、轉換和顯示空間數據的一組有力的工具”。 定義7： “一種解決各種復雜的地理相關問題，以及具有內部聯系的工具集合”。,其它定義,地理信息系統的組成,GIS系統的軟件組成,系統管理軟件：操作系統軟件（如WindowsXP、Unix、Linux等 ） 數據庫軟件（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、什么是空間數據？,信息和數據 地理信息和地理數據 空間數據的基本特征 空間數據模型,1、信息和數據,定義：用文字、數字、符號、語言、圖形、圖象等介質或載體，表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征，從而向人們（或系統）提供關于現實世界新的事實和知識，作為生產、建設、經營、管理、分析和決策的依據。 信息的特點： 客觀性 適用性 可傳輸性 共享性,數據（

18、Data）,定義：是指對某一事件、事務、現象進行定性、定量描述的原始資料，包括文字、數字、符號、語言、圖形、圖象以及它們能轉換成的形式。 與信息間的關系： 信息來源于數據； 數據是信息的載體。 理解了數據的含義，對數據做出解釋，就能實現數據到信息的轉換。 信息處理的實質是對數據進行處理，在這個意義上，信息處理和數據處理是可以不加區(qū)分的。,2、地理信息和地理數據,地理信息（Geographic Information）：有關地理實體的性質、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象之間關系的地理數據的解釋。 地理信息的特性： 空間分布性 數據量大 多維結構 時序特征,地理

19、數據（Geographic Data）,定義：各種地理特征和現象之間關系的符號化表示。 空間數據描述地理實體的位置的方式： 空間絕對位置：坐標參照系統； 實體間相對位置：空間關系。 距離 方向 拓撲,3、空間數據的基本特征,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”，如事物或現象的類別、等級、數量、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、空間數據模型和屬性

20、數據,矢量數據：用來表示離散要素。 柵格數據：適宜于連續(xù)要素的表示。,矢量數據,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據格式。 特點:適合于表示 離散的空間要素。,柵格數據,定義:用格網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.,空間數據的數據模型,屬性數據,定義:描述空間要素特征的數據。 常用管理方式：關系型數據庫管理,三、地理信息系統的基本功能,數據存儲與管理,數據輸入,數據分析與處理,數據轉換,數據輸出與顯示,GIS建模,數據的重現,數據庫的建立和管理,多源數據的輸入,數據的查詢等，得到新的信息,投影轉換等,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,數據的可視化,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：利用綜合數據分析，識別已發(fā)生或正在發(fā)生的地理事件或現象。 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：需要數學模型支持的問題。,四、地理信息系統的發(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、網絡GIS和因特網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、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)視數字化的操作，而且能很快看到制圖分析結果，進行實時編輯； 從1970-1976年，美國地質調查局建成了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，計算機網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、系統軟件、應用軟件產品開始成熟。數據處理和數學模型、模擬決策工具