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地理信息系统概论 Geographical Information Systems,黄杏元 马劲松 汤 勤 编著高等教育出版社，2003,地理信息系统课程简介,地理信息系统是一门综合性较强的课程，知识点多，具有学科与技术的统一性、发展与内容更新的快速性、多学科集成（地理学、地图学、测绘学、遥感科学、计算机科学、数据库、信息科学等）、渗透性较强、空间抽象性强、研究对象的空间尺度变化大，应用范围广等特点。课程讲述的主要内容包括空间信息基础、空间数据结构、空间数据库、空间数据采集与处理、GIS空间分析原理与方法、地理信息系统产品输出、地理信息系统设计与标准化、GIS新技术等。其中，空间数据结构、空间数据处理、GIS空间分析原理与方法和地理信息系统产品输出等为课程的中心内容。,地理信息系统课程特点,要掌握相关学科的知识。要重视技能训练，重点掌握ArcInfo等基础GIS软件的操作和使用要经常阅读有关的文献资料，掌握GIS学科的发展趋势，努力更新自己的知识，不断提高自己的能力。,地理信息系统课程的要求,掌握地理信息系统的基本原理：包括空间数据的语义学基础、GIS的科学定义、空间关系和空间对象的表达、空间数据结构和类型、空间分析原理和地学模型方法等；掌握地理信息系统的基本技术和方法：具有应用相关软件从事空间数据的采集、存储与管理、处理、分析和图形创建的基本技能；初步具有应用GIS技术开展地学研究的能力：包括地学应用模型的构建，应用型GIS的设计，主要GIS软件系统的使用和评价等。,陆守一，地理信息系统，高等教育出版社，2004陈健飞译，地理信息系统导论，科学出版社，2003陈述彭，地理信息系统导论，科学出版社，2002吴信才，地理信息系统设计与实现，电子工业出版社，2000龚健雅，地理信息系统基础，科学出版社,1998张 超，地理信息系统，高等教育出版社，1995邬 伦，地理信息系统教程，北京大学出版社，1994汤国安，ArcGIS 地理信息系统空间分析实验教程，科学出版 社，2006,地理信息系统课程主要参考书,第一节 GIS的基本概念 第二节 GIS的基本构成第三节 GIS的功能第四节 GIS研究内容第五节 GIS与相关学科第六节 GIS发展透视,本章重点：地理信息系统的定义、构成及功能。,第一章 导论,本章内容,数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料。包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。,1、数据,数据的特点：数据格式依赖计算机系统，可以进行转换，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。,第一节 GIS基本概念,一、数据与信息,一、数据与信息,2、信息 信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。,第一节 GIS基本概念,信息的特点：客观性 实用性 共享性 传输性,(1)信息与数据是不可分离的；(2)信息是内涵，数据是载体；(3)数据的形式多样，但其中包含的信息内容不变；(4)信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变；(5)数据是原始事实，而信息是数据处理的结果；(6)不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。,3.信息与数据的联系与区别,第一节 GIS基本概念,地理信息 是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。,4 地理信息与GIS,地理数据 是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时域特征三部分。,第一节 GIS基本概念,英文名称：Geographic Information System，简称GIS 由于研究和应用领域的不同，人们对地理信息系统的定义仍存在分歧。一般可分为3种观点：,二、地理信息系统定义,第一节 GIS基本概念,地图学观,空间分析观,数据库观,1、地图观：来自于制图学派，强调GIS是一个地图处理和显示系统。在系统中，每个数据集被看成一张地图，或者一个图层（Layer），或者一个专题（Theme），或者覆盖（Coverage），利用GIS的相关功能对数据集进行操作和运算，就可以得到新的地图。,第一节 GIS基本概念,第一节 GIS基本概念,2、数据库观 来自于计算机学派，强调数据库理论和技术方法对GIS设计、操作的重要性。,第一节 GIS基本概念,3、空间分析观 来自于地理学派，强调空间分析和模拟的重要性。实际上，GIS空间分析功能是它与CAD、MIS系统的主要区别之一，也是GIS理论和技术方法发展的动力。,定义：GIS是由计算机硬软件、地理数据和用户组成，通过对地理数据的采集，输入、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理数据，从而为工程设计、土地利用、资源管理、城市管理、环境监测、管理决策等应用服务的计算机系统。,第一节 GIS基本概念,其他参考定义,GIS概念框架,第一节 GIS基本概念,GIS概念框架,三、地理信息系统分类,第一节 GIS基本概念,四、GIS与一般信息系统的区别,第一节 GIS基本概念,管理信息系统：只有属性数据的管理，既使存储了图形，也往往以文件形式来存储，不能进行有关的空间数据操作，如空间查询、检索、相邻分析等，更无法进行复杂的空间分析。非地理信息系统：具有处理空间信息的能力，但仍然不能进行复杂的空间分析。地理信息系统：在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用；,不同信息系统之间的关系,第一节 GIS基本概念,第一节 GIS基本概念,GIS的基本构成,GIS的基本构成,第二节 地理信息系统的基本构成,1、系统硬件,第二节 地理信息系统的基本构成,第二节 地理信息系统的基本构成,2、系统软件,常用的GIS软件,第二节 地理信息系统的基本构成,空间特征：是指地理实体的空间位置及相互关系；属性特征：表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征：指实体随时间而发生的相关变化。,3、空间数据,地理信息系统的操作对象是地理数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。,根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线和面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量或者栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。,包括系统开发人员，GIS技术的最终用户。,应用模型的构建和选择是系统应用成败的重要因素，虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一个专门应用问题的解决，仍然必须通过构件专门的应用模型。如：土地利用适宜性模型，公园选址模型，洪水预测模型，森林增长模型等。,第二节 地理信息系统的基本构成,5、应用模型,4、应用人员,第三节 地理信息系统的功能,GIS功能,GIS应用功能,城乡规划,灾害监测,.,环境管理,辅助决策,定位服务,1、数据采集与编辑,第三节 地理信息系统的功能,一、GIS基本功能,DBMS,第三节 地理信息系统的功能,2、数据存储与管理,第三节 地理信息系统的功能,3、数据处理与变换,第三节 地理信息系统的功能,4、空间分析,几何量测,空间数据,集合分析,空间数据,叠加分析,空间数据,缓冲区分析,网络分析,空间数据,地形分析,空间数据,空间数据,统计分析,空间数据,GIS产品制作与显示,5、产品制作与显示,第三节 地理信息系统的功能,6、二次开发与编程 为使GIS技术广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用需求，它必须具备二次开发功能。,第三节 地理信息系统的功能,二、GIS应用功能,国土监测,资源清查管理,城乡规划,定位导航,辅助决策,GIS,地理信息系统,第四节 GIS研究内容,GIS基本理论,GIS技术问题,GIS应用方法,概念、定义、内涵理论体系、特点、功能、任务发展历史、发展方向,硬件配置，数据结构GIS工具，输入输出系统空间数据库管理系统，用户界面,应用系统设计，专题分析模型数据采集与校验地学专家系统,第四节 GIS研究内容,GIS研究方向,第五节 GIS 与相关学科,一、与地理学 地理学是一门研究人类生存空间的学科，为GIS提供了一些空间分析的方法和观点，成为GIS的理论依托。（1）研究基础和手段 地理学研究中的空间分析理论为GIS提供了有关空间分析的基本方法，成为地理信息系统的基础理论依托；地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段。（2）数据处理 用地学处理方法得到的数据是GIS的数据源；GIS内部数据处理(分析)功能是地理学研究的主要技术方法。,第五节 GIS 与相关学科,二、与地图学 地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出提供技术支持。地图也是GIS的重要数据源。地图是GIS发展的根源之一。地图强调数据载体、符号化；GIS则注重于信息分析。,第五节 GIS 与相关学科,三、与计算机科学 为地理空间信息的表达、存储、处理、分析和应用提供了有利的工具。数据库技术提供数据的管理、更新、查询和维护功能；计算机图形学提供算法基础；CAD对于辅助设计提供支持；软件工程对于 GIS的系统设计提供科学的方法;网络技术为GIS发展成为社会信息设施的重要组成部分奠定了基础。,第五节 GIS 与相关学科,四 与遥感、摄影测量遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源和更新途径。大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，特别是GPS技术可快速、廉价地获取地表特征的数字位置信息，更具发展潜力。航空航天数字立体摄影测量技术是GIS主要的地形数据来源。,第五节 GIS 与相关学科,从古代文明到现代社会，地理工作者、测绘工作者、航海家都致力于空间数据的收集整理，制图工作者则以地图形式表示这些数据。地图作为空间数据的载体长期为航海、军事以及现代经济建设服务。20世纪60年代初，麻省理工学院首次提出计算机图形学，在此基础上出现了计算机数字地图；计算机技术开始用于地图量算、分析和制作。20世纪60年代中期，由于计算机技术在自然资源、环境数据处理中的应用迅速发展，致使计算机辅助制图和空间分析等领域得到极大的发展。最终导致地理信息系统技术的产生。,一、GIS发展的科学背景,第六节 GIS的发展透视,60年代开拓期 1963年，加拿大测量学家PFTomlinson首先提出了“地理信息系统”这一术语，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统加拿大地理信息系统(CGIS)；美国的Duane FMarble，在美国西北大学研究大规模城市交通，并提出建立GIS软件系统的思想；许多有关的组织和机构纷纷建立。,第六节 GIS的发展透视,二、GIS的发展阶段,70年代为GIS巩固发展期 20世纪70年代，美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。1972年出版了地理信息系统方面的第一本专著地理数据处理；许多大学培养GIS人才，创建了地理信息系统实验室。这一时期，世界上发展了许多具有一定功能的地理信息系统，大约有80多种，著名的ARC/INFO即是该时期的产品；出现了大量的数据库，但这些系统的分析功能和60年代相比，并没有得到很大的扩充，而且数据库的容量一般都比较小，因此说70年代为GIS巩固阶段。,第六节 GIS的发展透视,80年代为GIS技术大发展时期 20世纪80年代，计算机的迅速发展和普及，地理信息系统也逐步走向成熟。这一时期GIS注重于空间决策支持分析，并在资源管理、环境规划、商业服务等领域得到的广泛应用。许多国家制定了本国GIS发展规划，启动了若干科研项目。建立了一些政府性、学术性机构。我国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室。软件制造商开始出现，商业化的实用地理信息系统软件陆续进入市场。,第六节 GIS的发展透视,90年代为GIS的用户时代 20世纪90年代，由于计算机的软硬件均得到飞速发展，网络已进入千家万户，导致地理信息系统应用的扩大与深化。,GIS已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上受GIS影响而改变现有机构的运行方式、设置等；社会对GIS的认识普遍提高，需求大副度增加。如美国将GIS列入“信息高速公路”计划中，美国副总统科尔提出的“数字地球”战略也包括地理信息系统；我国的“三金工程”（金卡、金桥、金网）中也包含GIS。,第六节 GIS的发展透视,我国GIS的发展状况,第一阶段：从1978年到1980年为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。第二阶段：从1980年到1985年为起步阶段。这一阶段主要是对地理信息系统进行理论探索和区域性实验研究，并在此基础上制定国家地理信息系统规范。,从1984年开始，国家测绘局测绘科学研究所着手组建中国国土基础信息系统；1985国家资源与环境信息系统实验室成立；,第六节 GIS的发展透视,第三阶段：从1985年到1995年为发展阶段。GIS研究作为政府行为被列入国家攻关计划，并开始了有计划、有组织、有目标的科学研究。如“七五”国家攻关项目“三北防护林遥感调查”、“黄土高原遥感调查”等都开展了地理信息系统在资源管理方面的研究。“八五”期间国家攻关项目包括“重大自然灾害监测与评估系统”、“重点产粮区主要农作物估产”、“国家基础地理信息系统建设”。第四阶段：1995年至今为我国GIS产业化阶段。强调GIS的实用化、集成化和工程化，力图使GIS从发展阶段走向实用化和生产化。,第六节 GIS的发展透视,1、3S集成技术 GIS、RS、GPS无缝集成技术，使其具有更广阔的应用前景。2、网络GIS更加流行万维网的发展给GIS数据在更大范围内的发布、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。3、三维GIS更富有吸引力 DEM地形数据和地面正射影像纹理叠加在一起，形成三维的虚拟地形景观模型。在虚拟地形景观模型之上将地面建筑物竖起来，形成城市三维GIS真三维GIS。他不仅表达三维物体，也表达物体的内部,三、地理信息系统发展趋势,第六节 GIS的发展透视,1 空间数据库的准确性研究2 空间关系语言研究3 空间数据的多种表达方式研究4 地理信息的使用和价值研究5 海量空间数据库的结构体系研究6 空间决策支持系统7 空间信息的可视化研究8 地图制图的规范化研究9 地理信息数据共享的研究10 GIS中时空关系的研究,四、GIS发展热点,第六节 GIS的发展透视,11 遥感和GIS的集成研究12 GIS的用户接口研究13 GIS和空间分析研究14 GIS在全球变化中的作用研究15 法律、信息政策和空间数据库关系研究16 通过协作形成空间决策系统的研究17 在社会背景中，如何在GIS中表达人、空间与环境的研究18 地理信息系统的互操作研究19地理世界的规范化模式研究,四、GIS发展热点,第六节 GIS的发展透视,4.组件GIS进一步发展 GIS软件大多数都已经过渡到基于组件的体系结构，一般都采用COD/DCOM技术。组件体系结构为GIS软件工程化开发提供了强有力的保障，也为用户的二次开发提供了良好的接口。组件接口是二进制接口，它可以跨语言平台调用，即用C+开发的COM组件可以用VB，VC或Delphi语言调用。5.移动GIS将会更加推广 移动GIS系统主要由移动通信、地理信息系统、定位系统和移动终端4个部分组成。其特点包括：移动性、动态（实时）性。,第六节 GIS的发展透视,1、国外GIS产品美国：ESRI公司的ARC/INFO：第一个产品1978年推出。澳大利亚：Nenasys的Genamap。美国：Intergraph 公司的MGE（Mocular GIS Environment)。最近又推出新软件GeoMedia.美国：Mapinfo公司的Mapinfo：中小型的桌面GIS。,注：美国环境系统研究所公司（Enviromental System Research Institute,Inc.简称ESRI）成立于1969年，是世界最大的地理信息系统（Geography Information System,GIS）技术提供商。,五、GIS 主要商品化软件,第六节 GIS的发展透视,2、国内GIS产品：北大与三秦信息技术有限公司：城市之星（Citystar)，是spaceman的升级换代。可以把3s结合在一起。武测：吉奥之星Geostar，1986。是基于矢量栅格一体化的数据结构和面向对象的C+作为程序设计语言。中国地质大学：MapGIS，最初为MAPCAD，采用矢理与栅格混事的结构。,第六节 GIS的发展透视,国外相关网站（GIS）,/isotc 211/,第一章 思考题及作业,第一章总结,一、主要内容 GIS的基本概念、构成及功能；GIS研究内容；GIS与相关学科；GIS发展过程。二、需要掌握的知识要点1、信息和数据的概念、特点，并简述二者之间的区别与联系 2、GIS的基本定义、构成及功能,第一章 思考题及作业,作业：1、什么是地理信息系统（GIS）？它与一般的计算机应用系统有哪些异同点？2、GIS由哪几个主要部分组成？它的基本功能有哪些？,