第5章地理信息系统概述

1、第五章 地理信息系统概述 5.1 地理信息系统的产生与发展 一、一、GIS产生的背景产生的背景地地图图绘绘制制手工制图：计算机制图20世纪50年代计算机技术的发展地理学： 研究人类活动与自然环境之间关系及其发展规律自然地理学经济地理学人文地理学获取并研究与地理位置地理位置相关的信息存储载体地图地图二、二、GIS的发展的发展1. 计算机技术的发展计算机技术的发展1946年第一台电子管计算机诞生晶体管集成电路大规模集成电路高性能PC、工作站、PC Cluster趋势：趋势：大存储容量大存储容量高运算速度高运算速度2. 空间技术的发展空间技术的发展卫星定位技术GPSGLONASS“北斗” GALIL

2、EO卫星定位的特点:1.全球地面无缝覆盖，全天候定位。2.定位精度高，实时定位速度快。3.观测时间短。4.提供三维坐标。5.使用简便。GNSS: Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统 GPS系统系统美国于19781993年发射，共24颗卫星。其中21颗工作卫星，3颗备用卫星（6个轨道面）。GPS卫星向用户发送用于导航定位的调制波，它含有：载波（L1和L2）、测距码（C/A码和P码）和数据码（导航电文）。C/A码伪距，精度约为码伪距，精度约为20米左右（民用）米左右（民用）P码伪距，精度约为码伪距，精度约为2米左右（军用）米左右（军用）“伽利略伽利

3、略”系统系统30颗卫星组成欧空局和欧盟合作于1999年启动（3个轨道面） 。2005年12月28日，首颗试验卫星Glove-A成功发射；最初预计2008年底前全部发射入轨，后来由于资金和技术方面等问题，几经推迟，预计延长到2014年投入运营。民用信号精度：民用信号精度：1米米NoImageGLONASS系统(格洛纳斯)(Global Navigation Satellite System） 前苏联于20世纪70年代开始建设，并于1993年启用（3个轨道面） 。 由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。 星座由星座由24颗卫星组成颗卫星组成：工作卫星21颗，在轨备用卫星3颗 (1996年

4、1月完成设计卫星数) 2011年11月，格洛纳斯第二次实现全球覆盖。目前，格洛纳斯卫星导航系统共有卫星31颗，包括用于传输信号卫星24颗、备用卫星3颗及4颗用于维修和飞行测试的卫星。 2013年7月2日一箭三颗“格洛纳斯”卫星发射失败。单点定位精度定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。“北斗北斗”系统系统 “北斗1号”： 20002003年发射3颗静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域导航系统（2颗工作卫星、1颗备用卫星）。“北斗1号”试验导航卫星 定位精度：水平精度100米“北斗北斗1号号”卫星的位置卫星的位置北斗2号： 北斗卫星导航系统 （BeiDou（COMPASS）Naviga

5、tion Satellite System） 空间端、地面端和用户端三部分组成。 空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。 3种轨道设计地球同步静止轨道、倾斜地球同步轨道和中圆轨道（3个轨道面） 2007年4月14日，发射第1颗北斗导航卫星。 2012年2月25日，发射第11颗北斗导航卫星。 2011年12月27日北斗卫星导航系统正式提供试运行服务。服务区为东经84度到160度，南纬55度到北纬55度之间的大部分区域；位置精度可达平面25米、高程30米；测速精度达到每秒0.4米；授时精度达50纳秒。2020年左右，将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度

6、、高可靠的定位、导航和授时服务。 定位精度为10米。卫星遥感技术卫星遥感技术Landsat 8Spot 5NOAA Quickbird卫星遥感的特点：卫星遥感的特点： 能够快速、大范围获取地面影像和地表专题数据青岛市南区（Landsat TM 15米分辨率）青岛市南区（Spot 5 2.5米分辨率）罗马梵蒂冈大教堂（Quickbird 0.6米分辨率）2003年2008年2009年2011年SRTM计划航天飞机雷达地形测绘任务（2000年） Shuttle Radar Topography Mission 覆盖范围在北纬60度至南纬56度之间。10天内，有99.968%被一次覆盖，94.59%

7、两次，49.25%三次，24.1%四次。 DEM高程数据间隔为1弧秒，约30米，所包含的信息内容相当于1 5万地形图奋进号航天飞机外观图SRTM由三部分组成：主雷达天线、桅杆、机外雷达天线（Outboard radar antenna）SRTM 陆 地 表 面 覆 盖 图 （平 面）由SRTMC波段获取DEM再与TM图像叠加的结果现代GIS的相关技术GIS地理学遥感技术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（相关应用学科）地理信息系统的应用以及相关学科5.2 GIS的相关概念1、数据、数据是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示，如

8、数字、文字、符号、图形等。2、信息、信息是向人们或机器提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义。它不随载体的物理形式的变化而改变。数据与信息的关系 数据是信息的载体 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能成为信息 B=36L=120 数据只有通过解释、解算才能成为信息使用者的知识背景(1)信息的客观性 任何信息都是与客观事物紧密相关的信息正确性与精确度的保证。(2)信息的适用性 不同的信息适用于与之相关的领域。(3)信息的传输性 信息在传输时，其原始意义并不改变。(4)信息的共享性 信息的使用对其本身无损失。信息的特点：信息的特点：3、系统、系

9、统具有特定功能的、相互有机联系的若干要素构成的一个整体。计算机系统图书管理信息系统商业服务信息系统4、信息系统、信息系统具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为人们的决策提供正确、有用的信息。要素的功能系统功能5、地图、地图 将地理环境诸要素按照一定的数学法则，运用符号系统并经过制图综合缩绘于平面上的图形。（萨里谢夫） 依据特定的数学法则，通过科学的概括，并运用符号系统将地理信息表示在一定载体上的图形。（毛赞猷） a 由数学决定的结构 b 特定的符号系统 c 现象表示的取舍和概括6、地理信息、地理信息 是指表示地理环境诸要素的数量、质量、分布特征及其相互联系和变化规律的数字、文字、图象和图形

10、等的总称。(1)定位特征 通过地理坐标实现空间位置的识别(2)多维结构的特征 除地理位置外，还有多个专题和属性(3)时序特征 随时间的变化而变化，需及时采集和更新地理信息的特征地理信息的特征地图是地理信息的载体地图是地理信息的传统数据源地图是GIS的查询与分析结果的表示方法地图与地理信息的关系5.3 地理信息系统的概念 地理信息系统是一门学科 是研究采集、管理、分析地理数据和输出地理信息的理论和方法的新兴、交叉学科。 地理信息系统是一种决策支持系统 在计算机软、硬件系统计算机软、硬件系统的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理管理和和综合分析分析具有空间内涵空间内涵的地理数据的地理数据

11、，以提供管理、决策、规划等所需地理信息地理信息的技术系统。 GIS Geographical Information System(英国) Geographic Information System（美国） Geo-Information System（德国） 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绎出来的知识。GIS概念的不同理解：显示GIS概念的不同理解：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

12、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) 是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和输出等地理信息系统基本功能的软件包。地理信息系统的分类按内容分类应用型GIS工具型GIS按功能分类：GIS与其它系统的区别 GIS与与DBMS（数据库管理系统）数据库管理系统）的区别的区别 1 . DBMS缺乏空间实体定义能力 2 . DBMS缺乏空间关系查询能力 3 . GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必

13、须包含DBMS。 GIS与与MIS（管理信息系统）管理信息系统）的区别的区别 1. 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； 2. 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。GIS与其它系统的区别 GIS与与地图数据库地图数据库的区别的区别 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与与CAD系统系统的区别的区别 1 . 二者虽然都有参考坐标系统，都能描述图

14、形，但CAD系统主要处理几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。 2. CAD的坐标不具有直接的地理意义，不能进行地理坐标转换。 3. CAD的数据可为GIS提供基础数据。1.起步阶段（1960s），注重空间数据的地学处理。相关组织机构纷纷成立。 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。 2.发展阶段（1970s），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。 一、国外一、国外GIS的发展的发展5.

15、4 GIS的发展历史3.推广应用阶段（1980s），注重空间决策支持分析。应用领域迅速扩大，与RS结合，参与解决全球性问题。 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； 1989年，Ingegraph 发布MGE； 1989年全球有报价的GIS软件达70多个。4.用户时代（1990至今）, 注重GIS社会应用与服务商业决策和政府管理 GIS技术迅猛发展GIS产业化。 控件式GIS成为GISTools的发展方向; WebGIS蓬勃发展; 三

16、维GIS崭露头角。5.国外主流GIS软件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）ARCGIS GENAMAP（澳大利亚） MGE（Modular GIS Environment） MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、MapXtreme、 SpatialWare） ERDAS 二、我国二、我国GISGIS的发展的发展 1.准备阶段（1970后期） 舆论准备、提出倡议、组建队伍、组织个别实验研究。 1980年中科院遥感所成立第一个GIS研究室 2.试验阶段（1981-1985） 理论探索和区域性研究; 制定国家地理信息系统规范。 1:100万

17、国土基础信息系统和全国土地信息系统 1 :400万全国资源和环境信息系统 3.初步发展阶段（1986至20世纪末） 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。 4.快速发展阶段( 20世纪末到现在） 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。 5.国产主流GIS软件 GeoStar（武测） CityStar（北大） MapGIS（地大） Supermap（北京超图） TopMap （北京慧图） (1)GIS与遥感和全球定位系统进一步结合，构成地理学 日趋完善

18、的技术体系3S技术(2) 空间数据结构与数据管理的研究更加深入(3) GIS应用模型开发日趋加强(4) GIS智能化与专家系统、神经网络的结合(5) GIS网络化Web GIS(6) 三维GIS 三维数据结构（数字表面模型、断面、柱状实体等）、可视化技术三、地理信息系统的发展趋势三、地理信息系统的发展趋势在计算机软、硬件系统计算机软、硬件系统的支持下，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空间内涵的地理数据，以提供管理、决策、规划等所需地理信息的技术系统。5.5 GIS的组成GIS的概念GIS的组成4、系统开发、管理与使用人员3、地理空间数据2、计算机的软件系统

19、1、计算机的硬件系统一、 GIS 的 计算机硬件系统光盘读写器光盘读写器磁 带 机磁 带 机硬 盘 阵 列硬 盘 阵 列硬盘硬盘数 字 化 仪数 字 化 仪扫描仪扫描仪键键 盘盘鼠标鼠标解析测图仪数 字 摄 影测 量 仪 器显显 示示 器器绘绘 图图 仪仪打打 印印 机机存储设备存储设备输入设备输入设备输 出 设 备输 出 设 备 计算机主机计算机主机CPU内存显卡数据通讯传设备数据通讯传设备网卡网卡调制解调器调制解调器其他专用设备其他专用设备二、 GIS的计算机软件系统及模块划分计 算 机 系 统 软 件计 算 机 系 统 软 件操 作 系 统操 作 系 统汇 编 程 序汇 编 程 序编 译

20、 程 序编 译 程 序库程序库程序使 用 手 册使 用 手 册程 序 说 明程 序 说 明 通用的通用的GIS软件包软件包 数据库管理系统 （DBMS)图形、图像处理系统 系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序。是系统功能的扩充与延伸。 （一）软件的种类GIS软件软件和和其他支持软件其他支持软件应 用 分 析 软 件应 用 分 析 软 件（二）GIS软件系统的模块划分GIS的软件系统根据其功能的特点，可以分为以下几种软件模块：1. 数据输入与编辑模块2. 数据存储与管理模块3. 数据变换与分析模块4. 数据输出与显示模块5. 用户接口模块各功能模块之间的关

21、系空间数据(SDB)数据库管理系统（DBMS）用户接口（GUI）数据变换与分析数据输出与显示数据输入和编辑（一）地理空间数据的定义观测地球某一位置的地物所得到的、以空间位置为参照的数据称为地理空间数据。地理空间数据描述的主体称为地理实体任何一种地理实体都可以用以下三种基本实体来抽象描述： 1）点实体 2）线实体 3）面实体三、 地理空间数据点实体 有位置，无宽度和长度； 抽象的点用坐标对表示 （x , y）（L , B） 美国佛罗里达洲地震监测站2002年9月该洲可能的500个地震位置线实体 有位置、长度，但无宽度和高度 用来描述线状实体，通常在网络分析中使用较多 度量实体距离用坐标对序列表示

22、 （x1 , y1），（x2 , y2）. （xn , yn）香港城市道路网分布面实体 有位置，具有特定的形状、范围 通常用来表示自然或人工的封闭多边形 用坐标对序列表示的闭合线来表示中国土地利用分布图（不连续面）（二）地理空间数据的内容地理空间数据一般包括三个方面的内容：1 1、某个参考坐标系所确定的位置、某个参考坐标系所确定的位置 2 2、实体间的空间相关性、实体间的空间相关性空间拓扑关系空间拓扑关系 3 3、与几何位置无关的属性、与几何位置无关的属性 即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置。表示点、线、面实体之间的空间联系

23、，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。即非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。 定性：名称、类型、特性 定量：等级、数量1、某个参考坐标系所确定的位置 必需的 2、实体间的空间相关性空间拓扑关系 可有可无 3、与几何位置无关的属性 必需的数据内容数据类型 空间数据（图形数据） 属性数据q地理空间数据三个方面的内容可分为两种数据类型数据类型：（三）空间拓扑关系地理实体间的空间相关性，即点、线、面之间的空间关系称为空间拓扑关系。“拓 扑”源于希腊文，原意：形状的研究“拓扑学”（Topology）几何学的分支，研究内容：图形在拓扑变换时能够保持不变的几何属性拓扑属性将橡皮拉伸或压缩不能扭