地理信息系统 第一章.ppt

1、第一章 导论,本章重点： 1：几个基本概念 2：地理信息系统的构成 3：地理信息系统功能及应用 4：地理信息系统的发展,第一节 地理信息系统的基本概念,1、数据与信息,数据：关于现实世界事物、现象的描述、表现，是可以被鉴别的符号，本身没有意义，包括数字、文字、符号、图形、图像等。 信息：向人们提供关于现实世界各种新的事实的知识，是对数据的解释、运用、与解算。,信息的基本特征：客观性、适用性、传输性、共享性。 数据与信息的关系：数据是信息的表达信息是数据的内涵信息来自于数据处理,地理信息：地理信息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、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等

2、的总称；地理信息属于空间信息，具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征,2、地理信息与地理信息系统,地理信息系统：是反映人们赖以生存的现实世界的现势和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性数据，在计算机软、硬件支持下，以一定格式输入、存储、检索、显示、分析、输出应用的技术系统。（集计算机科学、信息科学、测绘科学、地理科学、空间科学、环境科学和管理科学等为一体的新兴边缘学科。）,3、空间数据与地图,空间数据：以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。 地图：表示客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型，是反映地理实体的图形，是对地理实体的简化

3、和再现。 地图是空间数据的一种表示方法。,以研究对象的性质和内容分类：(1)综合性地理信息系统：按统一标准存储、管理一定范围内的各种自然和社会经济综合数据的地理信息系统。如加拿大国家地理信息系统，中国自然环境综合信息系统等。(2)专题性地理信息系统：具有有限目标和专业特点的地理信息系统，系统数据项的选择和操作功能设计是为特定的目的服务。如水资源管理信息系统等。,4、地理信息系统的分类：,以研究区的区域范围分类：(1)全球性地理信息系统：这种系统研究区域范围往往涉及全球范围。如全球人口资源地理信息系统。(2)区域性地理信息系统：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

4、的、省级的、市(地)级和县级等相各不相同级别行政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或以流域为单位的区域信息系统。如我国黄河流域信息系统等。,以应用功能划分：(1)工具型地理信息系统：为地理信息系统的使用者提供一种技术支持，使用户能借助地理信息系统工具中的功能直接完成应用任务，或者利用工具型地理信息系统，加上专题模型完成应用任务。(2)应用型地理信息系统：一类是借助工具型地理信息系统开发的，另一类是为某专业部门应用自行开发的，针对性明确，专业性强。,以其数据结构类型划分：(1)矢量数据结构地理信息系统(2)栅格数据结构地理信息系统，(3)混合数据结构地理信息系统,第二节 地理信息系统的基本构

5、成,硬件系统,软件系统,应用模型,GIS,用户,空间数据,DBMS,磁带/光盘,遥感/GPS,扫描仪,数字化仪,工作站,网络设备,服务器,绘图仪,电子地图,PC/NC,Intranet,Internet,输入设备 处理设备 输出设备GIS硬件设备配置,一、GIS的硬件设备,硬件：计算机主机、数据输入设备、数据存储设备、数据输出设备、数据通讯传输设备等等。,二 、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。（GIS的软件是指GIS运行所必需的各种程序，它们构成GIS的核心部分，关系到GIS的功能。）,这些软件通

6、常由4部分组成：(1)计算机系统软件：主要指为用户使用计算机提供方便的程序系统，包括操作系统、汇编系统、编译程序、诊断程序、库程序等。这些是GIS正常运行所必需的。(2)GIS系统软件：指GIS基本功能软件包，以完成对数据进行采集、加工、存储、管理、 分析、查询、显示再现和与用户接口。,(3)应用分析程序：是系统开发人员或用户为某种特定应用任务而开发的程序，对系统功能具有扩充作用。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上

7、决定着系统的优劣和成败。(4)其他支持软件：用于对GIS系统软件提供支撑或功能上的一些补充。包括数据库管理系统、图像处理系统、计算机图形软件包等。,数据是GIS的管理内容和操作对象。 它是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和经济的数据。 这些数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。 它们由系统研制者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他输人设备输入到GIS中，也可以通过其他系统的通讯接口直接输入GIS。 GIS正是通过对这些数据的采集、管理、分析，提取其信息内容构成信息模型，根据用户的要求来模拟现实世界，其相应的区域信息包括位置信息、属性信息和空间关系等。,三、空间数据库,GIS是

8、一个动态的地理模型，是一个复杂的人-机系统。它必须处于相应的机构或组织环境内，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等工作。因此，系统的管理、维护和使用人员是GIS中的重要构成因素。 GIS人员既包括从事GIS系统开发的专业人员，也包括采用GIS完成日常工作的终端用户。,四、系统使用管理和维护人员,五、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。,第三节 地理信息系统的功能介绍,1、基本功能,数据采集与编辑 数据存储与管理 数据处理和变换 空间分析和统计 产品制作与现实 二次开发与编程,一、GIS功能：,资源管理：资源清查、资源配

9、置、资源管理、生态、环境管理与模拟等。区域规划：城乡规划、基础设施管理等。国土监测：土地调查灾害监测、应急响应等。辅助决策：地学研究与应用、商业与市场。,2、应用功能,二、数字地球：,数字地球：是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现与认识。是一个在全球范围内建立的一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统。数字地球是地理信息系统的延伸，核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源。,数字地球的特点：,多源、多比例尺、多分辨率数据无缝集成的网络信息系统。 面向全社会公众开放的网络信息系统。 虚拟现实技术支持下的多维网络信息系统。,数字地球的意义：,在当前以工农业经济为

10、主体的经济建设中，数字地球将成为国家可持续发展和创新工程的依托，国家和民族安全的保障以及国民经济建设新的增长点。 在即将到来的以数字化信息为主要资源的知识经济时代中，数字地球作为对地球认识的数字化描述与表达，是重要的信息资源。,第四节 地理信息系统的发展,起始发展阶段(60年代)：1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson博士，建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统(CGIS)。这一时期，许多与地理信息系统有关的组织机构纷纷建立。 发展巩固阶段(70年代)：很多国家政府开始关心、支持GIS。 推广应用阶段(80年代)：在林业、资源管理等方面进入应用阶段。 蓬勃发展阶段(90

11、年代以后)：GIS趋于成熟，计算机、网络、数据库技术、商业化的GIS软件大量出现。,一、发展简史,以时间发展为序列，综合考虑GIS发展的特点，可将GIS分为4个发展阶段：即20世纪60年代起始发展阶段70年代巩固发展阶段80年代推广应用阶段90年代的全面发展阶段,国外发展趋势,地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，但发展势头迅猛。我国GIS的发展至今只有20多年的历史，经历了从无到有、从研究到实用，并逐步走向产业化的过程。 20世纪70年代的准备阶段80年代的试验阶段90年代的全面发展和应用阶段。,国内发展概况,二、发展态势：GIS已成为一门综合性技术； GIS产业化的发展势头强劲； GIS

12、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。,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。如：地理学；测绘学及其分支学科；计算机技术；数学等等。,三、基础理论,webGIS海量数据管理高分辨率遥感图像与GIS结合三维GIS与虚拟现实技术,四、当代GIS的几个热点问题,相关扩展内容,160年代起始发展阶段 世界上最早的GIS源于北美，是由加拿大测量学家R.F.TomUnMn提出并建立的，称为加拿大地理信息系统(Canada Geographic

13、 Information System，CGIS)，主要用于自然资源的管理和规划。 稍后，美国哈佛大学Howard TFisher 设计和建立了SYMAP系统软件。 但由于当时计算机技术水平不高，存储量小，磁带存取慢，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极为简单。,国外：,当时的系统能实现手扶跟踪数字化地图，进行地图数据的拓扑编辑，分幅数据的拼接，并发展了基于栅格的操作方法。 这一时期GIS发展的另一显著特点是许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立。例如，1966年美国成立城市和区域信息系统协会(Urban Regional Information System Association

14、，URISA)，1969年又建立起州信息系统全国协会(National Association of States Information System，NASIS)。这些组织和机构的建立，为传播GIS知识和推动GIS技术的发展，起到了重要的作用。,270年代巩固发展阶段 进入20世纪70年代，随着计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存取设备磁盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝实用方向迅速发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的GIS在世界各地纷纷研制，美国、加拿大、英国、德

15、国、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力和物力。例如， 1970一1976年，美国地质调查局就建成了50多个专业性的地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；,1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息； 瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。 其他一些国家也先后建立了许多专业性的地理信息系统。 与此同时，一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎。 据统计，在70年代大约有300多个系统投入使用。 这期间许多大学

16、和研究机构也开始重视GIS软件设计及应用的研究，例如，美国纽约州立大学布法罗校区创建了GIS实验室。 总之，在这一时期，地理信息系统技术已受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为一个引人注目的领域。,380年代推广应用阶段 由于计算机的发展，推出了图形工作站和微型PC机等性能价格比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。 GIS系统软件和应用软件的发展，使系统的数据处理能力、空间分析功能、人机交互、地图输入、编辑和输出技术均有较大提高。从而使得它的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线)转向更复杂的区域开发，例如土地的农业利用，城市化的发展，人口规划与安置等。 同

17、时，由于计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。 与遥感技术相结合、GIS开始用于解决全球性问题，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料、全球变化与全球监测。 80年代，GIS软件的研制和开发也取得了很大成绩，涌现出一批有代表性的GIS软件， 如ARCINFO、IGDSMRS、TIGRIS、MGE、SYSTEM9、Microstation、MIPS、GENEMAP 等等,这一时期GIS在技术上有了很大的发展，主要表现在以下四个方面：(1)栅格扫描技术的发展，使数据输入更加方便，速度更快； (2)数据的存储技术和分析处理功能得到很大发展； (3)高性

18、能显示装置的发展以及大幅面彩色喷墨输出装置的发展，使系统数据和处理结果可以得到更有效地表达； (4)关系型数据库管理系统(Relational Database Management System，RDMS)的发展和应用，使GIS的数据管理得到很大改善，系统软件工具和应用软件工具的研制，使数据处理开始和数学模型、模拟等决策工具结合。,490年代全面发展阶段 随着计算机硬、软件技术突飞猛进的发展，GIS技术的不断完善，GIS产业逐渐趋于成熟，数字化信息产品正在全世界普及，GIS开始逐步深入到各行各业，成为人们生产和生活中不可缺少的工具。 这一时期，各工业化国家均投入了巨大的人力和财力在各行各业广

19、泛开展GIS的研究与应用:如美国海图系统、英国的Domesday计划、美国内务部土地管理局的自动土地与矿产资源系统(Automatic Land Mineral Research System，简称ALMRS)等纷纷建立。许多发展中国家也不同程度地开展了GIS的研究与应用。在联合国的许多组织中，如联合国发展署(United Nations Development Program，UNDP)、环境署（United Nations Environment Program，UNEP）、粮农组织（Food and Agricultural Organization,FAO）等机构均专设了GIS项目和培

20、训计划。GIS已经在国际范围普及和推广。,90年代GIS发展的一个重要特征是GIS的标准化工作，已从早期的由专门机构研制、发布实施发展成为标准研制部门和用户部门共同研制，从研制单个标准发展成为体系化标准研制，大大提高了标准本身的质量和应用效果。 90年代GIS发展的另一个重要特征是与其他先进技术的进一步结合，与遥感技术、GPS、网络通讯、人工智能等，使得GIS在空间信息管理与处理上更有效地发挥其作用，开辟了GIS应用的新领域，使GIS更加实用化。,170年代的准备阶段 19781980年，主要进行舆论准备，正式提出倡仪，并组建队伍、 组织个别实验研究。,国内：,280年代的试验阶段 20世纪8

21、0年代，中国开始引进国外的GIS技术，进行建立GIS的试验，研究数据规范和标准、空间数据库建设、数据处理和分析算法及通用GIS软件的设计与开发等。 虽然和世界先进国家相比起步晚了20年，但在短短的时间里，有了令人瞩目的进展。 例如，1984年由国家测绘科学研究所研究和建立的国土基础信息系统，就是起步较早、投资规模较大、发展较快的一个。它将全国1：100万比例尺地形图存入其中，建立起全国范围内的1：100万比例尺数字地面模型、地形要素数据库和地名数据库，可做多种空间分析。,我国除全国性的信息系统外，还有省、地和县一级的系统也在纷纷建立。 在GIS机构建设、人才培养和学术交流方面也取得较大的发展，

22、已经相继成立了一些专门的GIS研究实体，形成了具有一定规模的专业队伍。1980年1月，中国科学院成立了第一个GIS研究室，并于1985年2月建立“资源与环境信息系统”国家重点开放实验室。1990年，武汉测绘科技大学建立了测绘遥感信息工程国家重点开放实验室，这一时期，许多高等学校和科研院所开始开设GIS方面的课程和不同层次的讲习班，已经培养出一批从事GIS应用研究与教学的人才。国内多次召开关于GIS的国际学术讨论会。,390年代的发展与应用阶段 20世纪90年代以来，中国GIS进入全面发展阶段。 在标准化方面，1993年提出了地理网格标准、国土基础要素分类编码标准，以及专题要素中河流、林业资源、

23、城市地理要素的分类分级标准，区域开发信息系统标准与规范等。 国家测绘局正在全国范围内建立数字化测绘信息产业，全国性的地图数字化工作正在大规模开展，目前已经完成全国1：25万地形图的数字化。 已经完成或正在进行GIS方面的一些重大项目，如投资近2亿元的中国生态研究网络(China Eco1ogical Research Net，简称CERN)已在实施，投资数百万至数千万元的城市信息系统正在海口、常州、沙市、洛阳、北海、上海、北京、天津、深圳等城市进行。,这一时期GIS主要在以下几个方面进行了试验和应用： (1)自然资源与环境调查、评估、利用决策：如土地资源评价信息系统；利用GIS对中国农业资源进

24、行宏观分析实验；红壤资源信息系统的研制与应用。 (2)灾害预警与损失评估：如黄河三角洲水冰险情预警信息系统研究等；洪水灾情评估信息系统；利用GIS建立营娥江上游洪泛区洪水演进模型等。 (3)城市规划与管理：如GIS支持下进行城市土地定级估价；土地利用总体规划信息系统的研制和应用；海口城市规划信息系统等。,GIS软件平台与应用系统 (一)GIS软件平台 (二)GIS应用系统,(一)GIS软件平台含义：GIS软件平台是专门为GIS的建立和开发而研制的通用软件系统，是一组系统化的具有GIS基本功能的软件包。例如美国环境系统研究所的ARCINFO、澳大利亚GENASYS公司开发的GENAMAP、中国地

25、质大学开发的MAPGIS等。,分类：GIS软件平台按其数据结构一般有以下3种类型： 矢量型：指基于多边型的，以X，Y坐标对来表示空间数据的点、线和面等图形的GIS。 栅格型：指基于网格的，以二维数组来表示空间各象元特征的GIS。 混合型：指矢量数据结构和栅格数据结构并存的GIS。,(二)GIS应用系统,随着计算机和信息技术的发展，GIS迅速地发展变化着。同时，随着人类需求的增长，GIS的应用也将越来越广泛，越来越深入。（一）从总的系统角度看GIS的发展方向(二) 从系统内部的角度看GIS的发展趋势,（一）从总的系统角度看GIS的发展方向1GIS标准化 2GIS网络化 3GIS全球化 4GIS大

26、众化 5GIS数据商业化,1GIS标准化 在21世纪初的510年是GIS界的主要标准化制定时期。随着GIS的不断发展，人们不断意识到，只有对软件、硬件和数据进行必要的标准化，才能更有效、广泛地使用GIS。 GIS的标准化将在国际、国家、省、市、县和机构范围内多层次地进行，其内容可能包括到GIS的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软硬件系统等等。 其中数据的标准化是关键，数据标准化使GIS市场从单纯的系统驱动转向数据驱动，意味着支持GIS工作的数据结构及数据交换格式的标准化，提供GIS工作基础数据接口的标准化。 标准化的真正实现将使人们能在一个共同基础之上共享信息和资源。,2GIS网络化

27、 计算机网络技术对GIS的发展能起到质变作用。它的发展使以往很多难以完成的事情得以实现，例如网络技术使得数据库在地理位置上以分布式的方式存在，这样做，各个数据库可以局部地进行生产、更新、维护和管理。而网络又使这些分布在局部的数据库相互之间可以连接起来实现共享使用。高速度的数据传输使得数据库之间的数据传输能够快速地实现。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。地理数据不仅可以按照地理位置、专题内容、生产机构、使用价格等进行自动搜索，甚至可以直接在网上进行数据的各类空间操作，使用网络提供的各类模型进行模拟，直接产生新的数据结果，真正地实现“网络就是计算机”

28、这一新的概念模式。,3GIS全球化 网络技术的发展使得世界空间缩小，人们之间的关系更加紧密； 世界经济的发展也在要求人们建立一个更稳定、和谐的环境。在这个环境中GIS越来越成为一种有效的工具来帮助他们所生存和依赖的自然条件状况和社会变化状况。 目前世界各国都在积极地发展和使用GIS、制定有关地理信息的政策、开展国家的GIS项目。,4GIS大众化 GIS不仅在国际舞台上已经越来越受到人们重视，甚至在人们日常生活中也在潜移默化地改变着人们的生活。 以往人们需要使用地图来定向、定位和导航，而现在地图已经存储在数据库中； 从一个地点到另一个地点的最佳路线轻而易举地就可以使用GIS系统得到； 到一个新地

29、方，GIS可以作最好的向导。 有人曾经预测，GIS发展的将来就是“没有”GIS，意思是，当GIS发展到人人都使用，它已经成为人们生活和工作不可分离的一部分时，则人们就不必知道它是一种叫做“GIS”的技术了。,5数据商业化 目前，一场数据大战正在不断地进行着。 空间数据已经被作为一种商品，在普通零售商店都可以买到。 许多软件生产商，甚至将通用的数据，例如行政边界、水系网络、道路网络、邮政编码边界、人口分布、环境质量数据等随GIS软件的购买而免费赠送。从国家来考虑，数据实际上是国家的一种资源。数据被电子化以后，这种资源更有使用价值。它可以帮助政府了解国家各种自然和人文资源的状况，辅助制定各类重要决

30、策。数据的商业化使得这些数据不断地、快速地得到开发、更新，同时根据市场要求，更合理地分配人力和财力资源来对最为需要的数据进行生产。,(二)从系统内部的角度看GIS的发展趋势 1空间数据结构与数据管理2数据自动输入技术 3与遥感技术的进一步结合 4GIS的智能化 5GIS应用模型开发 6加强GIS教育,1空间数据结构与数据管理 传统的栅格和矢量结构各有特点，目前倾向于两种结构并存。需要设计高效的栅格一矢量相互转换算法来支持栅格和矢量统一的系统。特别是适用于微机地理信息系统更具有特殊意义。 满足建立大规模实用系统的需要，图形空间数据压缩技术也在发展。 空间数据库系统的研制，包括逻辑结构的设计和适合

31、于地理实体表示的物理存储结构的研究正在从理论走向实用； 一种面向对象的数据模型由于更适合定义复杂的地理实体和对复杂事物的直接操作而被接受，实用的语言界面正在开发。,2数据自动输入技术 图形和属性数据的输人历来是GIS建立的一个“瓶颈”，自动输入技术的发展将最终解决这个问题。GIS自动输入包括对属性表格的扫描和识别、图形扫描和追踪、拓扑关系的自动生成、图例符号的自动标识等。,3与遥感技术的进一步结合 GIS与遥感结合主要采用两种方式:一种是通过软件接口完成数据结构的相互转换，将图像处理的结果输入GIS，或将GIS专题信息传人遥感图像处理系统进行信息复合及辅助信息分类；另一种是将GIS与遥感处理系

32、统组成一个统一的软件系统，以完成信息复合、交互查询、自动分类、更新等GIS功能。这是GIS与遥感结合的高级形式。,4GIS的智能化 以专家经验式知识为基础的GIS，具有更强的分析和表达复杂地学问题的能力，引起了普遍重视。这种系统并不十分完善，主要是由于GIS所面临问题的复杂性，以及地理专家知识还没有计算机化，智能化的GIS代表着一个令人鼓舞的重要发展方向。,5GIS应用模型开发 应用模型不足，是阻碍GIS实用化的原因之一，目前应用模型的开发已受到较大的重视。比较引人注目的是：引进空间化的数理统计和系统分析方法；通过实例研究，建立专业模型，如水土流失、森林火灾预报、土地评价、旅游资源评价、环境污

33、染评价等，作为模型工具提供用户使用。在GIS应用中，应用模型是联系GIS应用系统与常规专业研究的纽带，模型的建立绝不是纯数学或技术性的问题、它必须以广泛深入的专业知识为基础。专业研究深入程度决定了所建模型的质量与效果。事实上正是地理模型把GIS应用系统和常规专业研究紧密地结合在一起了。因此，应用模型是今后研究的重点和发展的主要方向之一。,6加强GIS教育 为了发展和推广GIS应用系统，必须采取多种形式，加强GIS的宣传教育，在一些高等学校开设GIS课程，系统讲授GIS的内容，对在职技术人员和领导干部可以办短训班或讲座，专门介绍某个软件工具或应用系统，从而提高广大管理人员的素质，使GIS真正转化为实际生产力，有效地推动区域经济的发展和社会的进步。,