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地理信息系统 （ Geographical Information System ， GIS ）

地理信息系统 （ Geographical Information System ， GIS ）. 黄 昆. 如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。 陈述彭 简单的说，地理信息系统是回答如下问题的信息系统 ——“ 哪里 ” 。 Henry Tom. 第一章 地理信息系统概论

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地理信息系统 （ Geographical Information System ， GIS ）

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  1. 地理信息系统（Geographical Information System，GIS） 黄 昆

  2. 如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。 陈述彭 简单的说，地理信息系统是回答如下问题的信息系统——“哪里”。Henry Tom • 第一章 地理信息系统概论 • 导读：本章介绍了地理信息系统的一些最基本的、但又是非常重要的概念，包括信息、数据、信息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念，如空间信息和空间数据，还将得到进一步的阐述，实际上，空间数据也是本书中描述GIS功能的核心。 • GIS既是一项技术，也是一门学科，本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学科，如地理学、地图学、遥感等的关系。 • 本章同时介绍了GIS的组成、分类、功能、发展历史和展望，这些将在后面的章节中更为详尽地被描述。

  3. 1．地理信息系统的基本概念 • 1．1信息、数据、地理数据与地理信息 • 1．1．1信息（Information） • 1）信息的含义 • 信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体物理设备形式的改变而改变。 • 2）信息的特点 • 信息具有以下特点： • 客观性 • 实用性 • 传输性 • 共享性

  4. 1．1．2数据 • 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、图像以及它们能转换成的数据等形式

  5. 数据与信息的关系 信息与数据是不可分离的，数据是信息的表达，信息是数据的内涵。数据本身并没有意义数据只有对实体行为产生影响时才成为信息

  6. 1．1．3地理信息和地理数据 • 地理数据 是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称 • 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，它是对地理数据的解释。 在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志 • 地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性： • 1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识； • 2）多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构； • 3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分 为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、 中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。 • 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、属性特征及时态特征三部分

  7. 1．2信息系统（Information System）及其类型 • 1．2．1信息系统 • 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息 • 一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素： • 1）计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在非常短的时间内处理大量数据、存储信息和快速获得帮助； • 2）软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统，它接受有效数据，并正确地处理数据；在一定的时间内提供适用的、正确的信息；并存储信息为将来所用； • 3）数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础； • 4）用户是信息系统所服务的对象。

  8. 在基于计算机的信息系统中，处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系在基于计算机的信息系统中，处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系 • 图：信息系统的组成

  9. 1．2．2信息系统的类型 • 1）事物处理系统（Transaction Process System ，TPS）主要用以支持操作层人员的日常活动。它主要负责处理日常事务。 • 2）管理信息系统（Management Information System ，MIS）需要包含组织中的事务处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围的数据。 • 3）决策支持系统（Decision Support System ，DSS）能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者制定决策。它是基于计算机的交互式的信息系统，由分析决策模型、管理信息系统中的信息、策者的推测三者相组合达到好的决策效果。 • 4）人工智能和专家系统 专家系统（Expert System ,ES）是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统。 MIS能提供信息帮助制定决策，DSS能帮助改善决策的质量，只有专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。专家系统由五个部分组成：知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获得系统。

  10. 2．地理信息系统及其类型 • 2．1地理信息系统 • 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科*，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

  11. 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。

  12. 地理信息系统具有以下三个方面的特征： • 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性； • 第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； • 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 • 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。

  13. 2．2地理信息系统的类型 • 地理信息系统按其内容可以分为三大类： • 1）专题地理信息系统（Thematic GIS），是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。 • 2）区域信息系统（Regional GIS），主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。 • 3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools），是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。

  14. 专题地理信息系统(Thematic GIS) 区域地理信息系统(Regional GIS) 地理信息系统工具(GIS Tools) 按功能分类 城市信息系统 自然资源查询信息系统 规划与评估信息系统 土地管理信息系统等。 按内容分类

  15. 2．3地理信息系统的构成 • 与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。

  16. 系统构成如图所示

  17. 2．3．1计算机硬件系统 • 构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件）等，这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务；保存数据以备现在或将来使用；将处理得到的结果或信息提供给用户。

  18. 下图表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备下图表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备

  19. 2．3．2计算机软件系统 • 计算机软件系统是指必需的各种程序。对于GIS应用而言，通常包括： • 1）计算机系统软件 • 2）地理信息系统软件和其他支持软件 • 3）应用分析程序

  20. 2．3．3系统开发、管理和使用人员 • 2．3．4空间数据 • 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等 。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。

  21. 在GIS中，空间数据主要包括： • 1）某个已知坐标系中的位置 • 2）实体间的空间关系 • 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近；延伸关系（或方位关系），定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系，是GIS分析中最基本的关系，其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系（图a），边界线与面实体间的构成关系（图b），面实体与岛或内部点的包含关系（图c）等。 • 3）与几何位置无关的属性

  22. 3．地理信息系统的功能概述 • 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容： • 1）位置（Locations） • 2）条件（Conditions • 3）变化趋势（Trends） • 4）模式（Patterns） • 5）模型（Models）

  23. 3．1数据采集、监测与编辑 • 主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。 • 3．2数据处理 • 初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。 • 3．3数据存储与组织 • 3．4空间查询与分析 • 空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。

  24. 地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次：地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次： • 3．4．1空间检索 • 3．4．2空间拓扑叠加分析 • 3．4．3空间模型分析 • 3．5图形与交互显示

  25. 4．地理信息系统的研究内容 • 4．1研究内容 • 地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生，地理信息系统的应用使技术系统不断完善，并逐渐发展了地理信息系统的理论；理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统，并不断拓宽其应用领域，加深应用的深度；地理信息系统的应用，又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。这三个方面的研究内容是相互联系相互促进的。地理信息系统研究的内容主要有以下三个方面 ： • 4．1．1地理信息系统基本理论研究 • 包括研究地理信息系统的概念、定义和内涵；地理信息系统的信息论研究；建立地理信息系统的理论体系；研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探讨地理信息系统发展方向等理论问题。

  26. 4．1．2地理信息系统技术系统设计 • 包括地理信息系统硬件设计与配置；地理空间数据结构及表示；输入与输出系统；空间数据库管理系统；用户界面与用户工具设计；地理信息系统工具软件研制；微机地理信息系统的开发；网络地理信息系统的研制等。 • 4．1．3地理信息系统应用方法研究 • 包括应用系统设计和实现方法；数据采集与校验；空间分析函数与专题分析模型；地理信息系统与遥感技术结合方法；地学专家系统研究等。 • 总之，地理信息系统的内容主要包括：有关的计算机软/硬件；空间数据的获取及计算机输入；空间数据模型及数字表达；数据的数据库存储及处理；数据的共享、分析与应用；数据的显示与视觉化；地理信息系统的网络化等等。

  27. 4．2地理信息系统相关学科

  28. GIS学科“树”

  29. 5．地理信息系统发展简史 • 5．1六十年代开拓发展阶段 • 注重空间数据的地学处理。 • 1963年，加拿大测量学家R. T. Tomlinson首先提出GIS • 这一术语，建立加拿大地理信息系统（CGIS）； • 1969年，ESRI （环境系统研究所）建立； • 1969年， Integraph公司建立。 • 5．2七十年代巩固阶段 • 注重空间地理信息的管理，受到 • 政府部门、商业公司和大学的普遍重视。 • 1978年，ERDAS成立。

  30. 5．3八十年代突破阶段注重空间决策支持分析。5．3八十年代突破阶段注重空间决策支持分析。 • 1981年，ESRI ARC/INFO GIS发布； • 1985年，GPS成为可运行系统； • 1986年，MapInfo建立； • 1986年，SPOT卫星首次发射； • 1987年，地理信息系统的国际杂志出版； • 1988年，美国人口调查局第一次公开发布TIGER； • 1988年，GIS World 首次发行； • 1989年，Ingegraph 发布MGE；

  31. 5．4九十年代社会化阶段 • 注重GIS社会应用与服务， • GIS技术迅猛发展。 • 控件式GIS成为GISTools的发展方向; • WebGIS蓬勃发展; • 三维GIS崭露头角。 • 国外主流GIS软件 • ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS） • GENAMAP • MGE（Modular GIS Environment）（GeoMedia） • MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、MapXtreme、 • SpatialWare） • ERDAS

  32. 二、我国GIS的发展 • 1.准备阶段（70年代） • 2.试验阶段（80年代） • 3.全面发展阶段（90年代） • 4.国产主流GIS软件 • GeoStar • MapGIS • SuperMap • CityStar

  33. 6．GIS的发展展望 • 6．1GIS理论研究中及待解决的问题 • 6．1．1GIS理论发展的需求 • 随着GIS理论的发展与完善，以及人们对空间信息需求量的增大，为了使得GIS系统得到可持续的发展，则必须使GIS向集成化和智能化方向发展，该方向包括以下几个方面： • 1）图形数据和属性数据的结合： • 2）GIS与RS的结合： • 4）GIS与专家系统（Expert System）的结合： • 3）GIS与GPS和CCD技术的结合：

  34. 6．1．2 GIS理论研究中及待解决的问题 • 1）GIS设计与实现的方法学问题 • 2）GIS的功能问题 • 3）多媒体地理信息系统的管理和操作的问题 • 4）GIS地理信息的深加工问题 • 5）空间信息可视化技术和虚拟现实技术（VR）

  35. 6．2地理信息系统的发展动态 • 6．2．1GIS软件中发展的热点 • 1）GIS中面向对象技术研究 • 2）时空系统 • 3）地理信息建模系统（GIMS-Geographic Information Modeling System） • 4）三维地理信息系统的研究

  36. 6．2．2实用地理信息系统发展趋势与展望 • 随着计算机和信息技术的发展，GIS迅速地变化着。在未来10年内的GIS发展用下面几个方面来概括： • 1）GIS网络化 • 2）GIS标准化 • 3）数据商业化 • 4）系统专门化 • 5）GIS企业化 • 6）GIS全球化 • 7）GIS大众化

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