1、第一讲 GIS工程概论,程承旗 北京大学遥感与地理信息系统研究所 13701024649,62751963 ,GIS工程课程的基本内容,第一讲、地理信息系统工程概论 第二讲、地理信息系统工程设计原理与方法综述 第三讲、GIS工程立项、可行性分析与需求分析 第四讲、GIS工程总体设计与详细设计 第五讲、GIS工程面向对象的设计方法 第六讲、GIS工程实施、测试与维护 第七讲、GIS工程质量控制 第八讲、GIS工程计划与管理 第九讲、GIS工程组织与管理 第十讲、GIS工程标准化与文档管理 第十一讲、GIS工程数据组织与管理 第十二讲、 GIS网络工程 第十三讲、WebGIS设计原理与方法 附一、
2、国内外主要GIS软件特点及其工程解决方案 附二、地理信息系统工程主要文档,GIS工程概论,GIS工程的基本概念 GIS工程的基本构成 GIS工程的学科基础 GIS工程学的发展沿革 在大学开设GIS工程学的必要性 GIS工程课程设计,一、GIS工程的基本概念,GIS工程学是应用系统工程的原理和方法，研究有效组织和管理GIS工程规划、设计、实施、评价、维护和业务运行的学问。GIS工程学是在GIS应用不断深入和系统思想逐渐引入的基础上，由地理信息科学、地理学、地球系统学、管理学、经济学、市场学、GIS技术、遥感技术、全球定位技术、电子计算机技术和通讯技术等科学技术相互渗透而发展起来的一门新兴边缘学科
3、。,研究对象、学科定位、思想原则、科学基础、理论框架和方法论,作为一门独立的学科，GIS工程学具有自己独特的研究对象、学科定位、思想原则、科学基础、理论框架和方法论。GIS工程学的研究对象是GIS工程建设与管理。大型GIS建设是一涉及计算机软件、硬件、数据和人力资源的复杂工程。因此，必须运用系统工程学的理论和方法，立足于整体，通观全局，将系统分析和系统综合有机地结合起来，采取定性和定量相结合的方法，充分借鉴和吸取其它领域工程化建设的经验与成果，探讨出一条适合分析和解决地理相关问题，具有GIS特色的工程化建设、管理的模式与法则，建立系统化、理论化的GIS工程学，以指导需求不断增长、规模不断扩大的
4、作为全球信息化重要的内容的GIS工程建设实践。,GIS工程学的特点,1）以空间型的信息系统工程优化为主要目的。GIS工程往往涉及海量的多层次空间相关数据，包括图形图象数据、坐标数据、拓扑数据和属性数据。属性数据又包括文本数据、表格数据、关系数据库、声音、录象、动画等多种媒质数据。这些数据均按照统一的地理坐标进行关联和索引。主要处理和应用空间数据的特点，决定了GIS工程在系统设计、数据管理、功能组织和流程安排上都必须遵循和依据自身固有的逻辑和准则，也就决定了GIS工程学必须去研究和发掘这种其它学科所没能或不能完全阐明的客观规律。,2）横跨多学科的边缘领域。GIS工程学由计算机科学、测绘遥感学、地
5、理学、地图学、信息学、人工智能等多门学科组成的边缘学科。 3）应用领域广泛，是国家或区域信息基础设施建设的基本内容。GIS工程包括土地、城市、资源与环境管理、人口与经济发展、全球变化、灾害监测、区域可持续发展众多领域的信息能力建设。因此，GIS工程学是直接面向决策，为持续发展提供决策支持的学问。,4）产、学、研一体化。大学、研究机构和企业界的积极参与和技术创新一直是而且仍将是GIS工程学科学活动的主要内容。GIS工程学既是理论体系，又是现实的生产力。因此，必须从产、学、研究互动的高度把握我国GIS工程学的发展。 5）GIS工程建设以业务化运行和产品商品化共享为归属。GIS工程建设将以GIS管理
6、海量空间数据和进行空间分析、模拟、决策的强大能力，为各种组织、机构和全社会提供经常性的业务处理和信息共享服务。,GIS工程学本质上是系统工程方法论与GIS建设实践相结合的产物，是GIS工程设计和实施工作中一般性法则的抽象和概括，是GIS工程建设的组织管理技术，是GIS工程建设中的科学方法论，是跨越各门学科的方法性、综合性的应用学科。GIS工程学的出现也是GIS应用中劳动分工和学科演化的结果。,二、GIS工程的基本构成,GIS工程学体系主要由任务、基础理论和方法论三方面组成。它的基本任务是运用系统工程的理论和方法，实现GIS工程的最优设计、最优管理和最优运行，以求得系统总体最优化。其基础理论主要
7、包括：地理信息科学、系统工程学、软件工程学等。方法论是根据这些理论而形成的一套程序化的基本工作技术与方法，也就是为了达到预期目标，运用系统工程思想和最优化技术解决问题的工作程序和步骤。,GIS工程的霍尔三维结构,三维结构是系统工程创始者之一的美国学者霍尔（A.D.Hall）提出的，它是目前论证比较全面、影响较大的一种系统工程基本方法。它将系统工程活动的方法体系分为前后紧密衔接的七个步骤和七个阶段，并同时考虑到为完成各个步骤和阶段所需的各种专业知识。这就为分析、设计、控制规模较大、结构复杂、涉及因素众多的系统工程提供了一个宏观的分析框架。,三、GIS工程学的学科基础,GIS工程学来源于GIS建设
8、实践中系统工程思想的引入，GIS工程学建立在系统理论和系统工程学的科学基础之上。,系统工程学,“系统工程”这个专用名词二十世纪四十年代由美国贝尔电话公司提出，后来逐渐发展成为一门组织管理技术。作为一门的新兴学科，国内外对于系统工程学的研究和论述很多，但至今仍没有关于这门学科的统一的定义。一般认为，系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按照一定的目标对其进行研究、设计、开发、管理和控制，以其达到总体效果最优的理论和方法。可见，在系统科学体系结构中，系统工程学属工程技术类，是一门应用性很强的学科。,系统工程具有下列特点,1）研究对象广泛。一般传统工程都有自己特定的工程物质对象，如机械工程研究机械、仪
9、器、电子工程研究元件、电路或集成电路等。而系统工程学研究的对象是一个表现为普遍联系、相互影响、规模和层次都极其复杂的大系统，既可以是自然系统，也可以是社会系统，既可以是物质系统，也可以是非物质系统。 2）多学科综合。传统工程的知识基础一般仅限于自己的专业领域，只要对本专业的知识有较深的研究，就基本上能解决工程建设问题。而系统工程不仅要用到数、理、化、生等自然学科，是自然科学和社会科学交叉的边缘学科。,3）工程评价准则不大相同，传统工程较多地限于技术上的合理性，以此考虑技术方案的工程实施。系统工程不是单纯从技术合理性出发，而是从总体最优出发，综合考虑经济、社会、环境的因素的制约，所采纳的衡量总体
10、效益的指标具有整体性和综合性。 4）在处理复杂问题时，采用定性与定量相结合的方法，不仅要有科学性，还要有艺术性和哲理性。,软件工程学,地理信息科学,地理信息科学（Ceographical Information Science），又称Geoinformatics或Geomatics，80年代中期作为测绘、遥感和地理信息系统及其相关研究领域和机构的称谓出现。它在构词法上体现着地理科学（Geo-sciences）和信息科学（Informatics）及其它相关科学的融合（fusion）。地理信息科学是关于地理信息的本质特征与运动规律的一门学科。其研究对象是地理信息。它通过对地理信息技术中的一般性问题
11、和规律进行研究，对地理信息工程学提供指导。,GIS工程学的发展方向、关键技术问题与应用前景,GIS应用的发展已经进入工程化与产业化阶段，这一阶段的主要问题：应用驱动与逻辑升化是两个基本课题GIS工程学和地理信息科学；工程思维和方法的引入及建立GIS工程学的重大意义：效率与持续性；,四、GIS工程学的发展沿革,GIS工程化的脉络,GIS是一门应用驱动的学问。它直接产生于地理相关问题的计算机解决途径的探索之中，又在应用实践中不断充实、扩展、系统化和理论化。随着GIS技术的成熟度与商品化程度不断提高，应用实践过程中的劳动分工不断细化，应用的广度、深度、复杂度与社会经济影响不断增加，如何优化配置各种资
12、源，有效地组织GIS建设过程中各个环节、各个部分相互的时序与协作关系，发挥GIS的综合功能和整体效益，越来越成为GIS建设中面临的重大问题。这样的实践问题提出了引入系统工程学思想和方法的客观需求，推动着GIS建设的工程化和GIS工程学发展进程。,国外地理信息系统的发展阶段,国外，尤其是西方地理信息系统的发展大致可以分为四个阶段,1）模拟地理信息系统阶段。,自19世纪以来就得到广泛应用的地图（包括地形图和专题图）模拟的图形数据库和描述地理的文献著作模拟的属性数据库相结合，构成了地理信息系统的基本概念模型。但是，这种模拟式的、基于纸张的信息系统和信息过程，使得空间相关数据的存贮、管理、量算与分析、
13、应用极为不规范、不方便和效率低下。随着计算机科学的兴起，数字地理信息的管理与使用成为必然。,2）学术探索阶段,50年代，由于电子技术的发展及其在测量与制图学中的应用，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属性数据。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，随后这一技术被各国广泛应用于土地测绘与地籍管理。1963年，加拿大测量学家自先提出地理信息系统这一术语，并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），用于资源与环境的管理和规划。稍后，北美和西欧成立了许多与GIS有关的组织与机构，如美国城市与区域信息系统协会（URIS
14、A），国际地理联合会（IGU）地理数据收集和处理委员会（CGDPS），等等，极大地促进了地理信息系统知识与技术的传播和推广应用。,3）飞速发展和推广应用阶段,70年代以后，由于计算机技术的工业化、标准化与实用化，以及大型商用数据库系统的建立与使用，地理信息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。其结果是：a）一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统（LIS）和资源与环境信息系统（GIS），如1970年至1976年，美国地质调查局先后建50多个信息系统，其它国家也相继发展自己的GIS；b）关于GIS软件、硬件和项目开发的商业公司篷勃发展。到1989年，国际市场上有报价的GIS软件
15、达70多个，并出现一些有代表性的公司和产品，如美国环境系统研究所的ARC/INFO，Intergraph公司的MGE，及Genasys公司的Genamap等等。C）数字地理信息的生产标准化、工业化和商品化。如美国地质调查局（USGS）已经建立起数字地图生产技术体系，可定期向社会发布DLG、DEM等标准地理数据。D）各种通用和专用的地理空间分析模型得到深入研究和广泛使用，GIS的空间分析能力显著增强。E）有关GIS的具有技术权威和行政权威的行业机构和研究部门在GIS的应用发展中发挥引导和驱动作用。如美国国家科学基金会支持的国家地理信息和分析中心（NCGIA）每年都要制定GIS技术优先发展计划，以
16、促进全国GIS事业发展。,4）地理信息产业的形成和社会化地理信息系统（Social GIS）的出现,随着互联网络的发展及国民经济信化的推进，地理信息系统人大的地理信息中心，进入日常办公室和千家万户之中，从面向专业领域的项目开发到综合性城市与区域的可持续发展研究，从政府行为、学术行为发展到公民行为和信息民主，成为信息社会的重要技术基础。,我国地理信息系统应用发展状况,近二十年来，在各级政府和有关人士的大力呼吁和促动下，我国的地理信息系统事业突飞猛进，成绩巨大。按照中国科学院何建邦先生的观点，把我国GIS的发展分为四个阶段：,1）起步阶段（19781980年） 主要行动在于概念引入和知识传播，以及
17、关于遥感分析、机助制图和数字地面模型的 试验研究。2）准备阶段（19801985年）主要在理论体系的建立，软、硬件的引进，相应规范的研究局部系统或试验系统的开发上取得进步，为GIS的全面发展奠定基础。,3）加速发展阶段（19861995年）。GIS作为一个全国性的研究与应用领域，进行了有计划、有目标、有组织的科学试验与工程建设，取得一定的社会经济效益。主要表现在：（a）GIS教育与知识传播的热浪此起彼伏，GIS成为空间相关领域的热门话题；（b）GIS建设引起各级政府高度重视，其发展机制由学术推动演变为政府推动；（c）部分城市和沿海地区GIS建设率先进入实施阶段，并取得阶段性成果；（d）出现商品
18、化的国产GIS软件、硬件品牌；出现专门的GIS的管理中心、研究机构与公司；出现专门的GIS协会，涌现一批GIS专门人才；出现专门的刊物与展示会；初步形成全国性的GIS市场。（e）在应用模式、行业模式和管理方面作了有益的探索。,4）地理信息产业化阶段。（1995）目前，我国GIS的发展正处于向产业化阶段过渡的转折点。能否借助国际大气候的东风，倚重国内经济高速发展的大好形势，搭乘全球信息高速公路的快画，实现地理信息产业化和国民经济信息化，这是国内地理信息界人士面临的严重挑战和千载难逢的机遇。而在这一过程中，一方面需要探索建立一套政府宏观调控与市场机制相结合的地理信息产业模式，另一方面，则要充分总结
19、和借鉴国内外地理信息系统项目建设的经验和教训，建立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模式，推动地理信息系统在社会主义各项事业中更加深入和广泛的应用。,人,系统实现,模型实现,数据实现,GIS,技术,学科,1. 项目GIS2. 部门GIS3. 企业GIS4. 社会GIS,GIS的组成与发展阶段,地理信息系统是自60年代产生以来，经过大规模的科学试验、技术创新、数据积累和商品化、产业化，现在已经过入工程化应用阶段。,新阶段所面临的问题,1）地理信息系统越来越作为一组嵌入式部件被集成在更为综合的计算机系统中去，需要从更高的层次总体上把握和设计整体的技术解决方案，而不是象以前过分强调各个
20、系统的不同特征与相对独立性,2）涉及地理信息系统技术的各个要素，包括计算机硬件、软件、数据、网络、人力资源、相关政策等，以及它们之间相互联系更为复杂，使得具体的应用过程中对它们的品质和行为难以控制和维护,3）一个应用过程的若干施工阶段或工艺流程之间的有机联系与合理组织，非常困难； 4）地理信息系统资源的共享与重用，是个大问题； 5）网络环境下地理信息系统资源的合理分配、负责与安全性；,6）对地理信息过程中空间信息传播误差和不确定性难以把握； 7）由于对系统建设的技术控制和预算控制的不力，系统成本不断攀升，生命周期不断延长，系统建设难以为继； 8）技术系统革新对传统业务模式和工作制度的冲击，,上
21、述这些问题严重地影响一个技术系统的效率与可持续性。因此，急需在系统建设过程中推行工程化的思想，从大量应用实践中总结和发展一门称作“地理信息系统工程学”的学科，指导各类地理信息系统的应用。,GIS技术基础,1。地理信息系统概念 地理信息系统，是空间数据处理系统，或者说，是以计算机和其它的电子设备为手段，对各种空间数据或地理参考数据进行描述、输入、存储、查询、显示和综合分析应用的技术系统。它通过对客观地理世界进行描述和模拟，以支持人们对一些现实问题的研究和解决。 地理信息系统是空间信息的管理系统,2、地理信息系统的结构,一个可运行的地理信息系统包括硬件、软件、数据和人四个组成部分。 微机工作站1工
22、作站1工作站3工作站2网络网络服务器投影设备胶片记录机打印机绘图仪媒体制作其它外部设备光盘读写机磁带机大容量硬盘数字测图仪数字化仪扫描仪硬件是地理信息系统赖以运行的物理系统，一般包括图形输入、输出设备，数据存储设备，计算机主机及相关的辅助设备等。如下图：,GIS硬件组成,1）计算机主机在大型地理信息系统中往往是多台工作站或高档微机； 2）数据输入设备数字化仪、扫描仪、打印机、硬拷贝机等； 3）数据输出设备图形终端、绘图仪、打印机、硬拷贝设备等； 4）通讯传输设备在网络系统中用于数据传输和交换的光缆、电缆； 5）存储设备磁带机、光盘机等； 6）终端图形终端；,GIS软件组成,1）地理信息系统软件
23、平台是地理信息系统运行的基础软件，包括操作系统软件、网络管理软件、数据库管理软件、多媒体管理软件等等。它为空间数据的管理和处理提供了底层平台，其风格与性能直接关系到整个地理信息系统的选型、容量与处理速度等重要特征： 2）地理信息系统工具软件，是用来支持空间数据处理和管理的专门化软件。它包括数据录入、编辑、存储管理、分析和输出等基本工具。 3）地理信息系统二次开发软件。所谓二次开发，即根据不同系统目标和实际情况，对地理信息系统工具软件进行本土化，用户化和模式化的过程，一般包括建立本地或满足系统需要的空间数据库，实现具有本地特色的系统运行模式，开发适合本地习惯的用户界面等等。,五、在综合性大学开设
24、GIS工程课的重要性,GIS学科发展的需要 GIS人才培养的需要 信息工程建设的需要,GIS学科发展,GIS发展历史回顾 GIS发展现状与趋势 GIS教育概况,GIS工程实践面临的问题,GIS工程的特点 GIS工程的失败的原因GIS工程与软件工程的区别GIS工程需要专门人才,GIS人才培养问题,GIS的人才类型学者型开发型工程管理型 GIS的人才培养模式 GIS需要工程管理（复合型）人才,六、GIS工程课程的基本内容,第一讲、地理信息系统工程概论 第二讲、地理信息系统工程设计原理与方法综述 第三讲、GIS工程立项、可行性分析与需求分析 第四讲、GIS工程总体设计与详细设计 第五讲、GIS工程面
25、向对象的设计方法 第六讲、GIS工程实施、测试与维护 第七讲、GIS工程质量控制 第八讲、GIS工程计划与管理 第九讲、GIS工程组织与管理 第十讲、GIS工程标准化与文档管理 第十一讲、GIS工程数据组织与管理 第十二讲、 GIS网络工程 第十三讲、WebGIS设计原理与方法 附一、国内外主要GIS软件特点及其工程解决方案 附二、地理信息系统工程主要文档,六、GIS工程课程的基本内容,一、地理信息系统工程概论 二、地理信息系统工程设计原理与方法 三、地理信息系统工程数据组织与管理 四、地理信息系统工程计划与管理 五、地理信息系统工程系统集成 六、地理信息系统工程网络技术 七、地理信息系统工程软件开发方法 八、地理信息系统工程质量控制与维护 九、地理信息系统工程项目评估与监理 十、地理信息系统工程前沿技术 十一、 地理信息系统工程各论 附录一、国内外主要GIS软件特点及其工程解决方案 附录二、地理信息系统工程主要文档,GIS技术发展概述 GIS工程原理与方法的基本内容 GIS,
