地理信息系统

地理信息系统 谢元礼 xieyuanli@sohu.com 西北大学城市与资源学系GIS教研室西北大学城市与资源学系谢元礼

空间数据输入与转换 空间数据库管理系统空间查询与分析制图与输出图形与属性数据编辑 GIS 第一章绪论西北大学城市与资源学系谢元礼

第一节基本概念 信息和数据地理信息地理信息的特征信息系统地理信息系统地理信息系统的特征西北大学城市与资源学系谢元礼

狭义信息论将信息定义: • 为人们获得信息前后对事物认识的差别；广义信息论将信息定义: • 信息是指主体(人、生物和机器)与外部客体 (环境、其它人、生物和机器)之间相互联系的一种形式。是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征的一种普遍形式。本书定义：信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。西北大学城市与资源学系谢元礼

信息的特点： • 信息的客观性,与客观事物紧密相联系的； • 信息的适用性，信息对决策是十分重要； • 信息的传输性。信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备(包括远程终端)，和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。 • 信息的共享性。信息与实物不同，它可以传输给多个户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。西北大学城市与资源学系谢元礼

数据：（Data) 通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。西北大学城市与资源学系谢元礼

数据的特点： • 数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。例如：“1”和“0”，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有(1表示)无(0表示)的信息。 • 地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。对同一数据每个人的解释可能不同，因而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。 • 信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载体。西北大学城市与资源学系谢元礼

地理信息 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。或者定义为：表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。它脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能。西北大学城市与资源学系谢元礼

地理信息的特点: • 空间分布性属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。 • 具有多维结构的特征即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。 • 时序特征十分明显可以按照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。这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据很重要。 • 具有丰富的信息 GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。西北大学城市与资源学系谢元礼

什么是GIS？ 地理信息系统（GIS , Geographic Information System）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展起来。 GIS重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。西北大学城市与资源学系谢元礼

A Definition of GIS • GIS is a System of computer software, hardware and data, and personnel to help manipulate, analyze and present information that is tied to a spatial location. -- A method to visualize, manipulate, analyze, and display spatial data -- “Smart Maps” linking a database to the map 西北大学城市与资源学系谢元礼

What is NOT GIS • GPS – Global Positioning System • A static map – paper or digital – Maps are often a “product” of a GIS – A way to visualize the analysis • A software package 西北大学城市与资源学系谢元礼

北美、欧洲：Geographical Information System • 加拿大：Geomatigue • 中国：Resource and Environmental Information System • 技术内涵：Geo-relational Information System • 信息科学：Spatial Information System • 应用类型：Natural Resources Information System Land Information System Transportation Geographical Information System • 地学应用： GeoScience • 专业杂志：Geographical Information Science(英国) Geo-Information System （德国）西北大学城市与资源学系谢元礼

用户界面 系统和数据库管理数据输入数据库建立空间数据处理空间数据分析产品生成产品输出西北大学城市与资源学系谢元礼

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地理信息系统的特点 • 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力； • 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能产生高层次的地理信息。 • 具有公共的地理定位基础，所有的地理要素，要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位，才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策。 • 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。 • 地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵确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，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。西北大学城市与资源学系谢元礼

地理信息系统按其内容分为三大类： • 专题地理信息系统（Subject GIS）：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。 • 区域地理信息系统（Regional GIS）：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国家级、地区级、市级或县级等。 • 地理信息系统工具(GIS—Tools）：它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。西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS与其它系统的区别 • GIS有别于DBMS（数据库管理系统），GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，因此，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。 • GIS有别于MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。 • GIS有别于地图数据库，地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。 • GIS有别于CAD系统，二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。西北大学城市与资源学系谢元礼

比较项目 GIS MIS 数据类型有空间分布特性,由点、线、面及相互关系构成主要为属性数据和统计分析数据数据源图形图像及地理特征属性表格、统计数据、报表输出结果图形图像产品、统计报表、文字报告、表格表格、报表、报告硬件配置外设：数字化仪、扫描仪、绘图仪、打印机、磁带机主机：要求高档微机或工作站打印机、键盘、一般微机软件要求高，价格昂贵如：ARC/INFO、微机版约3.0万,工作站版约5-10万要求低、便宜，标准规格统一，如ORACAL、FOXBASE 等处理内容（采用目的或分析内容）用于系统分析、检索、资源开发利用或区域规划，地区综合治理，环境监测，灾害预测预报查询、检索、系统分析、办公管理。如OS 工作方式人机对话，交互作用程度高人为干预少两者均以计算机为核心，数据量大而复杂（共同点）地理信息系统（GIS）与管理信息系统（MIS）西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS在信息系统中的位置 信息系统非空间信息系统管理信息系统空间信息系统非地理信息系统 CAD/CAM 研究范围地理信息系统研究内容全球GIS 专题地理信息系统地籍GIS 交通GIS 数据模型区域GIS 综合地理信息系统资源与环境GIS 规划与管理GIS 矢量GIS 栅格GIS 矢-栅GIS 西北大学城市与资源学系谢元礼

地理信息系统的研究内容 西北大学城市与资源学系谢元礼

本课程的教学目的和要求 • 掌握GIS的概念，了解GIS组成和基本功能；概念框架、理解，GIS组成、基本功能 • 掌握GIS的数据处理流程采集、编辑、组织、管理、分析、输出； • 熟悉GIS空间分析基本技术和方法，具有用GIS解决本专业相关问题的能力； • 了解GIS的发展与趋势通过该门课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本原理、基本方法与常用GIS软件的操作，为GIS的开发应用打下理论基础。西北大学城市与资源学系谢元礼

本课程教学内容 • 第一章绪论（2学时） • 第二章空间信息基础（4 学时） • 第三章空间数据结构（4学时） • 第四章空间数据库（6学时） • 第五章空间数据采集与处理（4学时） • 第六章 GIS空间分析原理与方法（14学时） • 第七章地理信息系统产品输出（2学时） • 第八章地理信息系统设计与标准化（14学时） • 第九章 GIS新技术与数字地球简介(2学时) • 总结全课程（2学时）西北大学城市与资源学系谢元礼

主要参考文献 核心教材：汤国安等，地理信息系统，2000，科学出版社参考文献： • 龚健雅地理信息系统基础，2001，科学出版社 • 王家耀空间信息系统原理，2001，科学出版社 • 乌伦等，地理信息系统-原理、方法与应用，2001，北京大学出版社 • 汤国安，计算机地学制图与分析，1994，西北大学出版社 • 汤国安等，ArcView地理信息系统空间分析方法， 2002，科学出版社 • 刘良明， ArcView基础教程，2001，测绘出版社 • 《测绘学报》、《地理学报》、《遥感学报》、《武汉大学学报（信息版）》、《测绘通报》、《中国图形图像学报》、《计算机辅助图形学报》等相关期刊西北大学城市与资源学系谢元礼

主要网站 • http://www.gischina.com/ • http://www.gisky.com/ • http://www.gisempire.com/ • http://www.digitalearth.net.cn/ • http://www.digitalearth.gov/ • http://www.othermap.com/ • http://www.honox.com/ 西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS课程特点 • 学科与技术的统一体 GIS是一门学科，用以描述一切与地理（广义的地理概念）相关的内容，GIS集空间数据采集、存储、管理和分析于一体，是由计算机科学、测绘科学、遥感技术、信息科学、管理科学和应用学科组成的新兴交叉边缘学科。同时GIS又是一个技术系统，即以空间数据为处理对象，以空间数据组织和处理为基础，采用地学模型分析方法，及时提供多种空间地理信息和动态地理信息，为研究环境过程、分析发展趋势、预估规划决策等服务的计算机技术系统。学科发展促成GIS理论体系的形成，而技术系统发展则加强了GIS的应用范围。西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS课程特点 • 发展与内容更新的快速性短短的40余年发展历史，GIS却经历了以空间数据地学处理为主的开拓发展期、注重地理信息管理的巩固发展期、以空间决策与支持分析为特点的理论和技术突破阶段以及广泛应用的社会化阶段。其技术发展、内容更新之快，非其他学科可比，特别是在90年代以来，随着计算机技术的快速发展，地理信息系统表现得异常活跃，在内容上从地理信息到地理信息科学再到地球信息科学的形成，技术上则从地理信息系统到组件式地理信息系统再到开放式地理信息系统、网络地理信息系统等。目前GIS正朝着以系统为中心向以数据为中心转变、从面向地图处理向面向客观空间实体与关系处理的转变、由单纯的二维处理向多维处理的转变和从管理型向分析决策型转变的方向发展西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS课程特点 • 多学科集成、渗透性较强地理信息系统是多学科、多技术交叉的空间信息系统。在理论上依托于地理学、测绘学、数学等基础性学科；在技术上取决于计算机软硬件技术、航空航天技术、遥感与雷达技术等的进步；在应用上则依赖于具体应用学科如交通、城市规划、资源管理等理论和技术的发展。西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS课程特点 • 空间抽象性地理信息系统中的数据，无论是可见的还是不可见的，都是自然环境的一种表现模式，是数字化的现实世界，这是建立在对自然环境的抽象和描述基础上。由于计算机的数字化特征，空间对象须离散化的表达，即把空间对象抽象表达为点、线、面、体等具有位置和属性特征的地理实体。西北大学城市与资源学系谢元礼

第二节 GIS的发展概况 地理信息系统的产生 • 现代科学方法 • 系统论、信息论、控制论 • 现代高新技术 • 计算机技术、空间技术和自动化技术现代科学方法和现代高新技术的形成与应用为GIS的产生提供了先决条件，也预示信息时代的到来。西北大学城市与资源学系谢元礼

国外不少人认为，19世纪以来普遍应用的地图和专题图就是一种模拟式的地理信息系统。照此定义，我国的地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理图碑，它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全国各级行政机构，是宋代的中国地图。国外不少人认为，19世纪以来普遍应用的地图和专题图就是一种模拟式的地理信息系统。照此定义，我国的地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理图碑，它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全国各级行政机构，是宋代的中国地图。到本世纪50年代，随着电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量学与地图制图学中的应用以及政府部门对土地利用规划与资源管理的要求，使人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数据，并通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务，这才导致了现代意义上的地理信息系统的问世。西北大学城市与资源学系谢元礼

1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统（LIS）用于地籍管理。1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统（LIS）用于地籍管理。 1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息这一术语，并于1971年建立了世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。稍后，美国哈佛大学研究出SYMAP系统软件。由于当时计算机水平的限制，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极为简单。与此同时，国外许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立，例如，美国1966年成立了城市和区域信息系统协会（URISA），1969年又建立起州信息系统全国协会（NASIS）；国际地理联合会（IGU）于1968年设立了地理数据收集和处理委员会（CGDSP）。这些组织和机构的建立为传播GIS知识，发展GIS技术起了重要的推动作用。西北大学城市与资源学系谢元礼

地理信息系统的发展的四个阶段 60年代起源于北美：加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调查资料，于60年代开始建立地理信息系统（CGIS），于70年代初投入产品生产；同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室，建立通用的制图软件包，竭力发展空间分析模型和软件。 70年代是GIS发展的巩固阶段：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。 80年代为地理信息系统的大发展阶段：计算机的迅速发展和普及，地理信息系统也逐步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段。 90年代至今为地理信息系统的应用普及时代：由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息系统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由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。从美国的 “国家信息基础设施：行动计划（National Information Infrastructure ,简称NII）” 建设到数字地球的提出，由“数字地球”细化到“数字中国”、“数字省区”、“数字城市” 、“数字小区”直到“企业信息化”、“电子商务”、“数字通讯”、“虚拟现实”等众多的信息化领域的工作已全面铺开。西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS在我国的发展 • 准备阶段：1978年到1980年，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。 • 起步阶段：1981年到 1985年，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。 • 初步发展阶段：1986年到90年代。地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。 • 快速发展阶段： 90年代末到现在。理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS走向应用，GIS市场开始形成。西北大学城市与资源学系谢元礼

系统软件系统硬件空间数据 GIS 第三节地理信息系统的构成用户西北大学城市与资源学系谢元礼

GPS 磁带机光盘机活动硬盘硬盘阵列全站仪解析和数字摄影测量仪器存储设备专用设备全数字摄影测量工作站绘图仪遥感与遥感图象处理系统输入设备处理设备输出设备打印机数字化仪终端扫描仪服务器工作站常规设备键盘、鼠标计算机硬件系统西北大学城市与资源学系谢元礼

用户界面 GIS应用软件 GIS软件 GIS基本功能软件标准软件（图形、数据库等）基础软件 GIS 系统库（编程语言、数学库等）系统软件操作系统（系统调用、设备运行、网络等）计算机软件系统西北大学城市与资源学系谢元礼

栅格结构 矢量结构地理空间数据定位拓扑关系属性西北大学城市与资源学系谢元礼

管理咨询信息管理 GIS 数据整理系统开发、管理和使用人员西北大学城市与资源学系谢元礼

系统的应用模式（单机式） 西北大学城市与资源学系谢元礼

输出 用户组1 …… 用户组n Intranet GIS中央数据库与网管输入系统的应用模式（局域网模式）西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS中央 数据库（服务器）局域网用户组输入主干网图象处理系统多媒体系统输出 Internet 用户用户系统的应用模式（广域网模式）西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS的基本功能 • 输入 • 查询 • 编辑 • 分析 • 输出西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS基本功能的实现过程 数据获取文件图表数据编辑投影变换原始数据结构化数据空间查询空间分析数据输出空间数据库交互展示存储检索制图、表格西北大学城市与资源学系谢元礼

GIS软件类型 • 专业GIS（Professional GIS） • 桌面GIS（Desktop GIS） • 手持GIS（Hand-Held GIS） • 组件GIS（Component GIS） • GIS Viewer • 网络GIS（Internet GIS） • 其它（基于CAD的GIS）西北大学城市与资源学系谢元礼

主要GIS软件 西北大学城市与资源学系谢元礼

第四节 GIS与相关学科与技术的关系 地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的特点，这些交叉的学科包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科。目前数据库技术(DBMS)、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制图(CAM)和计算机图形学(Computer Graphics)软件包已被许多GIS研究者所采用，但这些系统不是为地理意义而设计的，无法取代GIS的作用. 西北大学城市与资源学系谢元礼

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第五节地理信息系统的应用 所谓地理信息系统的应用就是人们应用GIS对地球表层人文经济和自然资源及环境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系和空间过程的演变规律，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展服务。西北大学城市与资源学系谢元礼

测绘与地图制图 • 资源调查与管理 • 城乡规划 • 灾害监测 • 环境保护 • 国防 • 宏观决策支持西北大学城市与资源学系谢元礼

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