地理信息系统概论(第一章)

任课教师：王晓燕tel:18203216359 地科系地质教研室二教504Email:sharon_ 地理信息系统 20世纪90年代以来，人类社会从工业经济迈向知识经济，一场以信息技术为核心的革命正深刻的改变着人类生活，地理信息系统作为信息化浪潮的重要组成部分日益引起各界的广泛关注，尤其是地理信息系统、遥感技术和全球定位技术（3s）三者的有机结合，构成科学地理学日臻完善的技术系统，这引起了世界各国的普遍重视。地理信息系统是管理和分析空间数据的科学技术，它及时准确地向地学工作者、各级管理和生产部门提供有关区域综合、方案优选、战略决策等方面可靠的地理或空间信息，这就是地理信息系统的主要职能。第一章 地理信息系统概述数据、信息和信息系统数据、信息和信息系统地理信息系统基本概念和本质特征地理信息系统基本概念和本质特征地理信息系统的组成及功能地理信息系统的组成及功能地理信息系统发展和应用地理信息系统发展和应用1.数据、信息和信息系统v系统系统具有特定的功能，保持相对的动态稳定，特定条件下发生突变。系统是开放的，系统内部、系统与环境之间有着物质、能量及信息的交互。系统通过相互协调来获得最好的整体功能。信息系统是一种采集、输入数据或低级信息，按照人们的指令进行加工处理、提取、输出有用信息乃至知识的系统。输入 系统的环境功能及其运作系统一般组成示意图输出1.数据、信息和信息系统v数据和信息数据（Data）：是人类在认识世界过程中，定性或定量描述认识目标的直接记录或原始资料。信息（Information）：信息是通过对数据进行解释、运用和解算后产生的对人类认识有意义的消息或因素。对人类认识有意义的消息或因素。特征：客观性、适用性、传输性和共享性数据和信息的关系 数据是信息的载体（表达），是人类认识过程的直接记录或原始素材；信息是潜在于数据中的意义（内容），是对数据的解释，是对数据加工后的有认识意义的结果1.数据、信息和信息系统v信息系统：信息系统是采集、输入数据或低级信息，进行加工处理，输出有用信息的系统信息系统的本质特征：从数据中提取和发掘有用信息基于计算机的信息系统（数据库）信息系统的构成要素：数据及信息、软件、硬件和人员信息和信息系统的层次性数据挖掘和知识发现（data ming and knowledge discovery，简称DM 和 KD）：认证合理的、新的结构特征，以形成更深层次的知识。输入数据或 输出信息 低级信息 乃至知识处理功能（存贮显示分析等）信息系统示意图2.地理信息系统基本概念和本质特征v地理空间数据和信息地理空间数据和信息地理空间数据：符号化表示的、地球表层空间地理现象和事务的直接记录。地理空间信息：表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、运动状态、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等，以及一切有关知识的总称。（它是对地理空间数据的解释）2.地理信息系统基本概念和本质特征地理空间数据和信息的三个基本特征空间位置特征 属性特征（多维结构）时态特征 地理空间数据=空间特征数据+属性数据+时态数据地理空间数据区别于一般计算机数据的本质特征空间位置特征空间特征数据和属性数据之间的一一对应的关系或链接关系2.地理信息系统基本概念和本质特征v地理信息系统定义（据FICCDC）GIS（Geographical Information System）是由计算机硬件、）是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。管理问题。用户界面系统和数据库管理数据库建立和数据输入空间数据处理和分析产品生成和输出 GIS的物理外壳是计算机化的技术系统 GIS的操作对象是空间数据 坐标串形式存储的离散型空间数据 栅格单元表达的连续型空间数据 混合数据结构、数据集成、地理空间分析、定位、查询、表达和决策支持功能（GIS的技术优势）GIS与地理学和测绘学关系密切2.地理信息系统基本概念和本质特征2.地理信息系统基本概念和本质特征v地理信息系统区别于一般信息系统的主要特点地理空间数据和信息的特殊复杂性必须具备科学可视化功能区域性和多层次数据量大注重空间分析2.地理信息系统基本概念和本质特征v 地理信息系统与计算机科学技术的关系地理信息系统与计算机科学技术总体的关系 吸收计算机技术 作出一定的贡献 GIS正在融入计算机主流地理信息系统与各计算机具体分支技术的关系 数据库技术 图形图像技术 网络技术 OA技术（办公自动化）人工智能、专家系统地理信息系统与CAD系统的区别 空间分析 图形处理2.地理信息系统基本概念和本质特征v地理信息系统与其他学科的关系3.地理信息系统的组成及功能 GIS的基本构成的基本构成 一个实用的一个实用的GIS，要支持对空间数据，要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其基本构成包括以下等功能，其基本构成包括以下5个主要部分：个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。员和应用模型。3.地理信息系统的组成及功能vGIS的基本构成的基本构成硬件主机输入、输出设备网络设备3.地理信息系统的组成及功能输入设备输入设备专用设备常规设备GPS全数字摄影测量工作站解析和数字摄影测量仪器遥感与遥感图象处理系统全站仪扫描仪数字化仪键盘、鼠标处理设备处理设备工作站服务器硬盘阵列存储设备存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备输出设备绘图仪终端打印机3.地理信息系统的组成及功能 输入、数据采集（输入、数据采集（数字化仪、扫描仪数字化仪、扫描仪）建库、数据管理（建库、数据管理（服务器、工作站服务器、工作站）查询、空间分析（查询、空间分析（服务器、工作站服务器、工作站）决策支持、上网（决策支持、上网（服务器、工作站、服务器、工作站、）制作专题图（制作专题图（服务器、工作站）服务器、工作站）输出（输出（绘图仪绘图仪）3.地理信息系统的组成及功能单机模式单机模式：由基本外设、处理 设备和输出设备构成 适用于小型GIS建设 数据传输与资源共享不方便3.地理信息系统的组成及功能局域网模式局域网模式：部门或单位内部GIS建设 专线连接 资源共享较方便输 出用户组1输 入GIS中央数据库与网管Intranet用户组n3.地理信息系统的组成及功能广域网模式广域网模式：用户分布地域广泛，不适合专线连接 公共通讯连接 资源共享方便 局部范围为局域网，通过若干通道与广域网连接输入GIS中央数据库（服务器）图象处理系统局域网用户组输出多媒体系统用户用户主主 干干 网网Internet3.地理信息系统的组成及功能软件GIS专业软件 数据输入和编辑 空间数据管理 数据处理和分析 数据输出 用户界面 系统二次开发能力3.地理信息系统的组成及功能数据库软件 Oracle SQL Server SDE(Spatial Database Engine空间数据引擎)系统管理软件 Unix Windows3.地理信息系统的组成及功能操作系统（系统调用、设备运行、网络等）系统库（编程语言、数学库等）标准软件（图形、数据库等）GIS基本功能软件GIS应用软件用户界面GIS软件基础软件系统软件GIS3.地理信息系统的组成及功能 地理空间数据和信息 地理信息系统的操作对象是空间数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间数据以结构化的形式储存在计算机中，称数据库。在GIS数据库中存储的有空间数据和属性数据 数据库管理系统对两者的关系处理的3种方法：混合式 扩展式 开放式3.地理信息系统的组成及功能系统开发、管理和使用人员咨询管理信息管理数据整理GIS的开发是以人为本的系统工程。业务素质与专业知识是GIS工程及应用成功的关键。不但对GIS的技术和功能有足够的了解，而且要具备组织管理的能力。技术培训、硬件维护与更新、系统升级、数据更新、文档管理、数据共享建设等。3.地理信息系统的组成及功能 系 统 软 件 系 统 硬 件空间数据人员应用模型（客户端计算机）各种GIS软件（包）数据输入输出、处理分析等功能模块操作系统等系统软件面向用户的功能模块分析模型专家系统用户界面用户（服务器计算机）GIS服务器软件GIS数据库观测记录遥感数据传统地图电子地图声像数据键盘数字化仪扫描仪光磁盘机媒体设备输入不同形式输入数据 输入设备显示器绘图仪打印机激光照排媒体设备地图图像表格文字 声音输出输出设备 不同形式输出3.地理信息系统的组成及功能vGIS的功能的功能3.地理信息系统的组成及功能采集数据3.地理信息系统的组成及功能管理各行业数据测绘测绘 勘测勘测 规划规划 土地土地 交通交通 管线管线 农林农林 水利水利 环保环保 油田油田 地质地质 军事军事3.地理信息系统的组成及功能管理海量数据管理海量数据3.地理信息系统的组成及功能查询浏览3.地理信息系统的组成及功能专业分析3.地理信息系统的组成及功能路径分析3.地理信息系统的组成及功能地图整饰3.地理信息系统的组成及功能动态分段3.地理信息系统的组成及功能断面分析3.地理信息系统的组成及功能格网分析3.地理信息系统的组成及功能生成数字高程模型3.地理信息系统的组成及功能三维地下体分析3.地理信息系统的组成及功能基本功能数据采集与编辑 保证各层实体的地物要素按顺序转化为x，y坐标及对应的代码输入到计算机中。数据存储与管理 GIS数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。数据处理和变换数据变换（投影变换、辐射纠正、比例尺缩放等）数据重构（数据拼接、数据截取、数据压缩等）数据抽取（类型选择、窗口提取）3.地理信息系统的组成及功能空间分析和统计 确定地理要素之间新的空间关系（技术优势）拓扑叠合 缓冲区建立 数字地形分析 空间集合分析产品制作与显示 GIS产品是指经由系统处理和分析，产生新的感念和内容。3.地理信息系统的组成及功能 二次开发和编程 GIS的空间分析技术与手段是有限的，而实际应用模型是无可枚举的，任何GIS都应提供二次开发工具，定制菜单、程序与可视化界面等 GIS二次开发环境：专用工具：如Arc/Info的AML语言；通用语言：如Vfp、C+、VB、Delphi等 组件开发：如MapInfo的MapX；3.地理信息系统的组成及功能 应用功能资源管理区域规划国土监测辅助决策3.地理信息系统的组成及功能4.地理信息系统发展和应用v地理信息系统的产生与发展强劲的需求导致GIS的产生GIS的产生和发展地理信息系统的开拓期（60年代）地理信息系统的巩固发展期（70年代）地理信息系统技术大发展时期（80年代）地理信息系统的应用普及时代（90年代）4.地理信息系统发展和应用 GIS的国内发展状况 20世纪70年代准备阶段1980-1985起步阶段1986-1990发展阶段20世纪90年代快速发展阶段4.地理信息系统发展和应用vGIS的发展态势GIS已经成为一门综合性技术 3S集成 GIS信息共享措施的建立 多源空间数据的无逢集成 GIS图形与属性的无逢结合 空间数据交换格式的解决 空间数据仓库和元数据技术 多维和动态的数据模型4.地理信息系统发展和应用GIS的产业化的发展势头强劲 主要的主要的GIS产品供应商产品供应商国外国外ESRI19%Intergraph20%Landmark Graphics11%Siemens Nixdorf Info systeme9%Smallworld Systems4%Autodesk6%Bentley Systems4%MapInfo4%Other23%DataQuest 1997 GIS Market Share Worldwide,S/W Only,All Operating SystemsSource:DataQuest,Dec.1998INTERGRAPHESRIAutoDeskBSISmallworldMapInfoSeimensLandmarkOther4.地理信息系统发展和应用主要的主要的GIS产品供应商产品供应商国内国内MapGisGeoStarSuperMap4.地理信息系统发展和应用组件式GIS研制单位组件式GISESRIMapObjectsIntergraphGeomediaMapinfoMapX4.地理信息系统发展和应用GIS网络化已构成当今社会的热点浏览器嵌入式组件InternetWWW服务器应用服务器数据服务器元数据查询搜索引擎URLHTTPFTP研制单位Web GISESRIInternet Map ServerIntergraphGeomedia Web MapMapinfoMapXtremeAutoDeskMapGuideBentlyModel Server/Discovery中地公司MapGIS Web4.地理信息系统发展和应用Web GIS解决方案4.地理信息系统发展和应用 地理信息科学的产生和发展主体：地球信息机理手段：地理信息技术应用领域：全球变化与区域可持续发展4.地理信息系统发展和应用v地理信息系统的应用领域4.地理信息系统发展和应用v政府部门v企业和商业领域v民用农业：表现土地利用的卫星影像与厄尔逆诺的气象波动模型相结合可以预测对农业的影响。GPS（全球定位系统）接受器与便携式 GIS 软件相结合可以实时、准确地为农业生产提供某地化学物质的浓度。在加利福利亚的圣华金河流域，GIS被用来模拟非点源污染。生成的地图提供了土壤盐分的可视化显示。商业地理方面 一个公司利用GIS来评估其办公地点迁址将对员工变换工作（employees commute to work）的影响。魁北克一家面临竞争压力的小公司用GIS开发了它的客户数据库，并用以辨别客户的分布情况，加大邮件宣传的效率并提高客户的回头率。旧金山的一个组织用GIS来帮助小型商业公司寻找那些具有合适的商业、经济、人口和交通属性等内容的贸易空间 军事 美国空军利用 GIS 技术来管理、维护和可视化数以百万计的气候记录。瑞典军队为改善军事计划，在这一方面做过更深入的工作，他们把军用和民用目标用不同的符号分别表示出来。加拿大军队则有定制的 GIS 软件并将其与陆军的命令系统结合起来应用。生态和环保 哥伦比亚正在建立一个 GIS 数据库以对那些预留出来作为国家公园的土地进行优先次序排序。在肯尼亚，通过 GIS 可以显示出大型哺乳动物在雨季都散布在热带稀疏草原上，而在旱季则集中在盆地里。理解哺乳动物的季节迁移模式对于管理野生动物和牲畜的水资源分配非常重要。在加利福利亚的Santa Catalina岛，GIS被用来评估生态成本和泥土路的效益。道路虽然为生态管理提供通路，但同是又破坏了生态景观，因此在生态环境方面它的存在与否很难做决断。电力和煤气（AM/FM）贝鲁特正在利用GIS分析它的电力线路以减少损失、提高电压。GIS用来模拟能达到最优电力效益的设施布置措施。新墨西哥州也正在利用GIS来管理其公众服务设施布局、正常运转并维护长达2500英里的电力输送。关注的主要问题是防止对环境有损害的活动。丹麦能源部正在建立全国每幢建筑中能源用量的数据库。这种信息对于规划发电站和设计分布体系非常重要。紧急情况处理和公共安全 1977年，探测土星的卡西尼太空船发射。GIS被用来评估甲板上钚发生器出现意外的风险情况。意大利国家地震调查局正在建立一种综合的信息系统以对主要的地震事件生成实时的表格报告和运作图。环境管理 在朝鲜，国家公园的分区按照风景质量、高程、坡度、自然状况等标准进行分析。分析发现一些公园无法进行正确的分区。土耳其建立了一个大型水坝。GIS用来对大坝建成后对灌溉、水力发电、卫生、采矿教育、旅游以及电讯等方面产生的影响进行全面的评估。在巴伐利亚，生态平衡与GIS软件相结合为环境管理提供有利的工具。这种信息通过网络进行发布。林业 在森林覆盖的盆地，公路的修建和使用将极大地增加沉积物的沉积作用。林业公司正在建立一个公路沉积物模型以确定一个维护计划。美国渔业和野生动植物组织已经在发现濒临灭绝的红翎啄木鸟的地方确定了一个管理森林的指导方针。GIS用来计算它们的活动范围和觅食区域。卫生保健 加利福利亚州要求县政府报告门诊病人卫生保健中产生的文化和种族问题。GIS用来表现地理、社会经济、人口统计以及卫生保健设施的数据。大学里的研究人员也利用GIS来分析罕见疾病的流行情况，并估计个人感染的环境危险系数。在科罗拉多州，体重过轻婴儿的百分比高出了全国平均值。GIS用来调查其原因，如年龄、种族、教育、高程以及对公共卫生服务设施的获取情况。采矿和地理科学 西维吉尼亚利用GIS来监测酸矿井排水进入地表水的情况。高程、水文、矿区面积、水质数据都综合起来进行监测。采矿服务公司利用GIS为核废弃物贮藏地、矿产勘探计划和地下水监测生成三维数据库。电讯 在哥伦比亚，光纤干线网络通过GIS数据库可以很容易地查看。在该数据库中，每一个网络部件要素都被记录在案。在印度尼西亚，用GIS研究广播站的位置、听众人数以及设备的维护等，并以此来管理广播电话。电讯咨询公司使用土地利用与土地覆盖数据来预测无线通讯系统信号衰减情况。运输 在韩国，GIS用来实时监测交通状况，从而减轻高速公路上的交通瓶颈。在乔治亚州，GIS技术用来管理车道路面状况。在此基础上，对基于负载破裂的公路段等级进行了研究。水资源与水资源分布 埃及人口增长和农业扩张对水资源管理提出了新的要求。政府正在建立一个对尼罗河水道、运河、排水沟和泵站进行管理的系统。在佛罗里达，水压计算模型用来减轻公共厕所下水道水量溢出的情况。当大量暴雨来临时，卫星影像用来估计降雨量并对下水道泵站的工作提供必要的帮助。在加拿大，水力污染运输模型被用来模拟不同情况下多污染源的影响。思考题：1.什么是数据？什么是信息？数据和信息的关系？2.信息有哪些特征？3.什么是地理信息系统？与一般的计算机应用系统有什么不同？4.地理信息系统的主要操作对象是什么？简述它的三个基本特征？5.地理信息系统有哪几部分组成？它可以实现哪些功能？6.简述gis的在国内的几个发展阶段，举例说明各阶段的代表性产品。应用界面空间处理属性处理空间数据管理属性数据管理(RDBMS)空间数据库属性数据库ID混合式数据库管理系统应用界面空间处理属性处理空间数据管理层RDBMS空间与属性数据库扩展式数据库管理系统应用界面空间处理属性处理专门的DBMS空间与属性数据库开放式数据库管理系统 数据（data）：是人类在认识世界过程中，定性或定量描述认识目标的直接记录或原始资料 信息（Information）：信息是通过对数据进行解释、运用和解算后产生的对人类认识有意义的消息或因素。GIS（Geographical Information System）:是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。