1、地理信息系统原理,Geographical Information System,引言,典型的问题 导航问题 房屋拆迁补偿 超市选址 无线通讯基站的布局 紧急事件的处理，如化学品泄露的人员疏散。 这些问题，都与空间位置有关 GIS能解决这些问题。,引言,全球问题 面临的挑战-人口过剩, 污染, 自然灾害-都具有地理属性. 局部问题 指出救护车的最短路径,局部问题也具有地理属性,教学内容,1.1 地理信息系统的概念 1.2 GIS的组成 1.3 GIS的功能 1.4 GIS的类型 1. GIS的发展,1.1 地理信息系统概念,1 数据 2 信息 3 数据处理过程 4 地理信息 5 地理信息显著特
2、征 6 GIS定义 7 GIS在信息系统中的地位,1.1地理信息系统基本概念,数据与信息 数据：对客观事物进行定性，定量描述的原始材料，是记录下来可以被识别的符号。 信息：客观事物在人脑中的反映，是经过加工后有用的数据。 数据与信息的关系：数据是信息的载体，信息是数据的内涵，二者不可分离； 地理信息系统应具有收集和处理数据的功能。,1.1地理信息系统基本概念,数据处理过程 数据的收集、筛选、排序、归并、存储、检索、计算、分析、传输、模拟、预测、使用。,1.1地理信息系统基本概念,地理信息 地理信息： 指与研究对象的空间地理分布有关的信息。指表征地理圈或地理环境固有要素或物质（地理实体）的数量、
3、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称。 地理信息组成：属性信息空间信息 地理信息特征：空间定位、多维结构和动态变化。 人类的信息80与空间位置有关。,GIS定义,GIS定义,GIS定义,GIS： Geographic(al) Information Systems, 地理信息系统。 GIS定义：GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、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。 美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）,GIS的其他定义,地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学
4、和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以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。,GIS的其他定义,GIS学科 是跨越地球科学、信息科学和空间科学的综合性边缘学科。 它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等； GIS的操作对象是空间数据,空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势
5、是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等；,空间数据,属性数据,空间数据和属性数据的综合体,能让你轻易找到工业园5公里内 和20年以上寿命的所有桥梁,GIS 是,G,IS,地理信息系统（GIS）是什么？,GIS的概念框架和构成,对GIS的理解,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 GIS的技术优势在于它的空间分析能力 GIS与地理学、测绘学等联系紧密,对GIS的理解,Geographical Information,System,Science,Service,GIS在信息系统中的地位与分类,1.2 GIS的基本构
6、成, GIS基本构成的结构图 GIS的基本构成要素 GIS的硬件配置模式 GIS的软件 应用模型,1.2 GIS的基本组成,GIS基本构成的结构图: 专业人员人是地理信息系统最重要的部分，人必须开发过程和定义 GIS将要完成的工作. 基础设施有效的和准确的数据影响了查询和分析的结果。 硬件硬件影响到处理能力、使用方便性、和输出的类型. 软件这不仅包括GIS 软件, 而且包括数据库、绘图、统计、图像和其他软件. 应用模型GIS 分析需要定义完好的 、可靠的方法来处理需要重复处理的结果(程序),1.2 GIS的基本组成,GIS基本构成的结构图,GIS基本构成的结构图,应用模型,GIS的基本构成要素
7、,系统硬件 由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。 系统软件 由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。 空间数据由数据和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。 应用模型 由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。,1.硬件,(1)基本配置,(2)硬件配置模式,a.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,(2)硬件配置模式,b.局域网模式： 部门或单位内部GIS建设
8、专线连接 资源共享较方便,(2)硬件配置模式,c.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 干 网,Internet,2.软件,（1）.软件层次,（2）GIS软件功能分类,3.空间数据,地理数据：空间数据、属性数据、时态数据； GIS的操作对象为空间数据 空间数据组织：矢量结构、栅格结构； 空间数据管理：几何数据：文件属性数据：关系数据库,空间数据,矢量图,栅格图,4. 人员,5.应用模型,目前市场上出售的GIS
9、和运行的GIS大多数属于GIS工具，虽然这些GIS能够提供点线面覆盖叠加模型，网络分析模型等抽象模型，但是这些模型远远不能够解决众多的具体的地学问题。在实际应用中使用者往往需要做许多二次开发工作来满足实际应用需要开发应用模型。 应用模型举例 公园选址模型 土地利用适用性模型 洪水预测模型 人口扩散模型,1.3 GIS的功能简介, 基本功能 GIS功能实现过程 GIS应用领域,1.3 GIS的功能,基本功能 数据采集 数据编辑（数据处理和变换）； 数据存储与管理； 空间分析、查询和统计； 产品制作与显示（数据输出）； 二次开发和编程。,1.GIS功能实现过程,文件图表,数据采集,原始数据,存储检
10、索,空间查询 空间分析,数据编辑 投影变换,数据输出,制图、表格,交互展示,结构化数据,空间 数据库,数据存储 管理,2.GIS功能：空间数据获取,3. GIS功能：数据编辑与处理,目的：保证数据在入库时在内容上的完整性， 逻 辑上的一致性。 方法：数据编辑与处理、错误修正：数据格式转化：矢量、栅个格转化，不同数据格式转化；数据比例转化：平移、旋转、比例、纠正投影变换：投影方式数据概化：平滑、特征集结数据重构：几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构）地理编码：拓扑结构,4.数据存储与管理,采用数据库技术存储与管理数据 数据的集成过程 几何数据与属性数据组织数据结构矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结
11、构决定着GIS的数据分析能力、效率和精度数据管理层次模型、网络模型、关系模型、 混合管理模式,5. 分析与查询,空间检索 空间分析,空间分析,地形分析 网络分析 缓冲区分析 几何量测 地图分析 叠置分析 统计分析 决策分析,位置查询 属性查询 拓扑查询,空间查询,空间分析与查询,位置（Locations） 条件（Conditions） 趋势（Trends） 模式（Patterns） 模型（Models）,GIS的功能需求位置,某个特定位置有什么？ 几何查属性 例：国家属性查询,GIS的功能需求条件,满足给定条件的地理对象分布 属性查位置 例：客户分布,GIS的功能需求趋势,地理对象随时间的变化
12、 例：人口变化趋势,GIS的功能需求模式,空间对象的分布模式问题 揭示空间对象的空间关系 例：商业服务竞争,GIS的功能需求模型,解决问题方案 基于模型的 例：公园选址,6.数据输出,统计表格制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图 数据交换,7.用户界面,.二次开发,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VC+ 、VB、Delphi等组件开发：如MapInfo的MapX；,GIS的应用领域,应用领域 资源管理； 区域规划； 国土
13、监测； 辅助决策； 定位服务。,全球问题 面临的挑战-人口过剩, 污染, 自然灾害-都具有地理属性. 局部问题 指出救护车的最短路径,局部问题也具有地理属性,GIS应用领域,资源清查是GIS的最基本的职能 包括:1）土地资源的清查、管理；2）森林资源的清查、管理；3）矿产资源的清查、管理；4）土地利用规划；5）野生动物的保护,GIS应用举例,GIS在区域和城乡规划中的应用包括：1）城镇总体规划；2）公共设施配置；3）道路交通规划；4）城市环境动态监测；5）城市环境选质量评价；6）城市建设用地适宜性评价； ,GIS应用举例,GIS应用举例,GIS方法和多时相的遥感数据，用于: 森林火灾的预测预报
14、; 洪水灾情监测和淹没损失估算; 确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线; 为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。,GIS应用举例,GIS应用举例,GIS应用举例,GIS应用举例,地理逻辑 绘图,绘图机构,地质测绘,环保机构,地方政府,人口局,税务部门,旅游 服务业,公用事业 公司,企业,教育,交通运输 部门,GIS的应用部门,今天, GIS是几百亿美元的产业，在世界范围内雇佣了几百万人 GIS 已在世界各国的中学、大学教授 Internet -GIS用户 快速增长,GIS应用,GIS用户主要分布的行业,空间基础数据建设部门：勘测测绘、遥感等 城市市政管理部门：规划、土地、房
15、地产、市政水电气 能源部门：石油、天然气、地质 自然利用：农林、水利、环保 公众服务部门：公安、消防、紧急救援 金融服务部门：银行、保险 社会经济部门：统计局、信息中心,GIS 快速成长为各种尺度决策的关键工具。,结论,1.4 GIS的类型,根据GIS的研究内容、功能、作用等对GIS进行类型划分,GIS商品软件,MapGIS 中地数码 ： SuperMap 北京超图公司： GeoStar 武汉武大吉奥信息工程技术有限公司 ARCGIS ESRI公司: ，http:/www.esrichina- MapInfo 美国MapInfo公司地理信息系统 ：http:/,1.5 GIS的发展,一、国
16、际GIS的发展状况 1、60年代，探索时期， 1963,加拿大Tomlinson提出GIS概念,建立了世界上第一个GISCGIS，加拿大GIS 。人们关注什么是GIS，GIS能干什么。 2、70年代，巩固时期，研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理。 3、80年代，实破阶段，把GIS与RS结合来解决全球性问题。 4、90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。 5、 21世纪，网络IS,1.5 GIS的发展,我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段： 1、 70年代，准备阶段 2、
17、 80年代，试验起步阶段 3、 90年代，我国GIS发展阶段 4、 96年以来，是我国GIS产业化阶段。,1.5 GIS的发展,发展态势 GIS已成为一门综合性技术；3S GIS产业化的发展势头强劲； GIS网络化已构成当今社会的热点； 地理信息科学( geoinformatics )的产生和发展。 3DGIS、VR+ GIS 基础理论 地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘学科，因此它明显的体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系；,1.5 GIS的发展,各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会（NSF）
18、支持成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理和地理信息不确定性等；,1.5 GIS的发展,李德仁院士在空间信息系统的集成与实现一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题： 地球空间信息学的基准； 地球空间信息标准； 地球空间信息的时空变化理论； 地球空间信息的认知； 地球空间信息的不确定性； 地球空间信息的解译与反馈； 地球空间信息的表达与可视化。,GIS与相关学科,GIS与相关学科,地理学,GIS,遥感技术,摄影测量学,数学和统计学,制图技术,计算机科学,专家系统,计算机图形学,计算机辅助设计,数据库技术,软件工程
19、,总结-本章知识点,1.1 地理信息系统基本概念 1 数据 2 信息 3 数据处理过程 4 地理信息 5 地理信息显著特征 6 GIS定义 7 GIS在信息系统中的地位,总结-本章知识点,1.2 GIS的基本组成 GIS基本组成的结构图 GIS的基本组成要素 GIS的几种硬件配置模式 GIS的软件层次 应用模型 1.3 GIS的功能简介 基本功能 GIS功能实现过程 GIS应用领域,总结-本章知识点,1. GIS的类型 桌面GIS（Desktop GIS） 嵌入式GIS（eGIS） 组件GIS（Component GIS）Web GIS 互操作GIS ,总结-重点,GIS定义 GIS基本组成 GIS基本功能 GIS软件类型,专业术语,信息 地理数据 地理信息 地理信息系统 空间查询 空间分析 工具型GIS 应用型GIS 数字地球 网格GIS 虚拟现实GIS 移动GIS,作业,1.什么是GIS? 2.GIS组成部分是哪些？ 3.GIS有什么基本功能？ 4.GIS数据包括哪些内容？ 5. GIS可应用于哪些领域？ 6GIS按软件分为哪几类？,
