地理信息系统原理

1、WWW . SDJTU . EDU.CN地理信息系统原理地理信息系统原理Geographical Information System引言l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。l这些问题，都与空间位置有关lGIS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l1.1 地理信息系统的概念l1.2 GIS的组成l1.3 GIS的功能l1.4 GIS的类型l1. GIS的发展1.1 地理信息系统概念l1 数据l2 信息l3 数据处理过

2、程l4 地理信息l5 地理信息显著特征l6 GIS定义l7 GIS在信息系统中的地位1.1地理信息系统基本概念l数据与信息数据数据：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l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l地理信息地理信息： 指与研究对象的

3、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、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l地理信息系统既是

4、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

5、、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势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；空间数据空间数据属性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能让你轻易找到工业园5公里内公里内和和20年以上寿命的所有桥梁年以上寿命的所有桥梁地理信息系统（GIS）是什么？GIS的概念框架和构成用户界面系统和数据库管理产品生成产品输出空间数据处理空间数据分析数据输入数据库建立对GIS的理解lGIS的物理外壳是计算机化的技术系统lGIS的操作对象是空间数据lGIS的技术优势在于它的空间分析能力lGIS与地理学、测绘学等联系紧密对GIS的

6、理解Geographical InformationSystemScienceServiceGIS在信息系统中的地位与分类信息系统非空间信息系统专题地理信息系统地理信息系统非地理信息系统管理信息系统综合地理信息系统CAD/CAM空间信息系统地籍GIS交通GIS资源与环境GIS规划与管理GIS数据模型矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS研究范围全球GIS区域GIS研究内容1.2 GIS的基本构成lGIS基本构成的结构图lGIS的基本构成要素lGIS的硬件配置模式lGIS的软件l应用模型 1.2 GIS的基本组成lGIS基本构成的结构图: l专业人员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

7、和定义 GIS将要完成的工作. l基础设施基础设施有效的和准确的数据影响了查询和分析的结果。l硬件硬件硬件影响到处理能力、使用方便性、和输出的类型. l软件软件这不仅包括GIS 软件, 而且包括数据库、绘图、统计、图像和其他软件.l应用模型应用模型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(程序程序)1.2 GIS的基本组成lGIS基本构成的结构图GIS基本构成的结构图 系 统 软 件 系 统 硬 件空间数据用户应用模型GIS的基本构成要素l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。l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

8、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。l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。l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.硬件输入设备输入设备专用设备常规设备GPS全数字摄影测量工作站解析和数字摄影测量仪器遥感与遥感图象处理系统全站仪扫描仪数字化仪键盘、鼠标处理设备处理设备工作站服务器硬盘阵列存储设备存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备输出设备绘图仪终端打印机(1)基本配置基本配置(2)硬件配置模式a.单机模式单机模式： 由基本外设、处理 设备和输出设备构成

9、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.局域网模式局域网模式： 部门或单位内部GIS建设 专线连接 资源共享较方便输 出用户组1输 入GIS中央数据库与网管Intranet用户组n(2)硬件配置模式c.广域网模式广域网模式： 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主 干干 网网Internet2.软件操作系统（系统调用、设备运行、网络等）系统库（编程语言、数学库等）标准软件（图形、数据库等）GIS基本功能软件GIS应用软件用

10、户界面GIS软件基础软件系统软件GIS（1）.软件层次软件层次（2）GIS软件功能分类空间数据输入与转换空间数据库管理系统图形与属性数据编辑制图与输出空间查询与分析GIS3.空间数据栅格结构矢量结构 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南川市 南川市 李渡区 李渡区 长寿县 长寿县 垫江县 垫江县 渝中区 渝中区 丰都县 丰都县 彭水苗族土家族自治县 彭水苗族土家族自治县 南岸区 南岸区 沙坪坝区 沙坪坝区 江北区 江北区 九龙坡区 九龙坡区 大渡口区 大渡口区 巴

11、南区 巴南区 江津市 江津市 隆昌县 隆昌县 安岳县 安岳县 潼南县 潼南县 大足县 大足县 荣昌县 荣昌县 永川市 永川市 武胜县 武胜县 合川市 合川市 渝北区 渝北区 邻水县 邻水县 石柱土家族自治县 石柱土家族自治县 忠县 忠县 武隆县 武隆县 华蓥市 华蓥市 铜梁县 铜梁县 璧山县 璧山县 北碚区 北碚区 双桥区 双桥区 0.07.5 15.0 22.5 30.0 37.5 km区县区划图区县区划图河流河流机场机场区县界线区县界线主要公路主要公路县区政府驻地县区政府驻地西苑西苑颐和园颐和园西北望西北望玉泉山玉泉山卧佛寺卧佛寺香山香山八大处八大处西郊机场西郊机场黄庄黄庄五里坨五里坨BE

12、IJING1.BMP北京街区铁路水域城区边界Labels of 主要地名主要地名矢量图 栅格图4. 人员咨询管理信息管理数据整理5.应用模型l目前市场上出售的GIS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。l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l基本功能lGIS功能实现过程lGIS应用领域1.3 GIS的功能l基本功能数据采集数据编辑（数据处理和变换）； 数据

13、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 原始数据存储检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：数据编辑与处理数据获取数据入库目的：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

14、4.数据存储与管理l 采用数据库技术存储与管理数据l数据的集成过程几何数据与属性数据组织l 数据结构矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结构决定着GIS的数据分析能力、效率和精度l 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l位置（Locations）l条件（Conditions）l趋势（Trends）l模式（Patterns）l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

15、 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 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lGIS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。l定制菜单、程序与可视化界面等lGIS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

16、开发：如MapInfo的MapX；GIS的应用领域l应用领域资源管理； 区域规划；国土监测； 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 资源清查是资源清查是GISGIS的最基本的职能的最基本的职能包括包括: : 1 1）土地资源的清查、管理；）土地资源的清查、管理； 2 2）森林资源的清查、管理；）森林资源的清查、管理； 3 3）矿产资源的清查、管理；）矿产资源的清查、管理； 4 4）土地利用规划；）土地利用规划； 5 5）野生动物的保护）野生动物的保护 GIS应用举例GIS

17、GIS在区域和城乡规划中的应用包在区域和城乡规划中的应用包括：括： 1 1）城镇总体规划；）城镇总体规划； 2 2）公共设施配置；）公共设施配置； 3 3）道路交通规划；）道路交通规划； 4 4）城市环境动态监测；）城市环境动态监测； 5 5）城市环境选质量评价；）城市环境选质量评价； 6 6）城市建设用地适宜性评价；）城市建设用地适宜性评价；GIS应用举例GIS应用举例GISGIS方法和多时相的遥方法和多时相的遥感数据，用于感数据，用于: :森林火灾的预测预报森林火灾的预测预报; ;洪水灾情监测和淹没损洪水灾情监测和淹没损失估算失估算; ;确定泄洪区内人员撤退、确定泄洪区内人员撤退、财产转移

18、和救灾物资供财产转移和救灾物资供应的最佳路线应的最佳路线; ;为救灾抢险和防洪决策为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。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 GIS利用地理数利用地理数据库，通过一系列据库，通过一系列决策模型的构建和决策模型的构建和比较分析，可为国比较分析，可为国家宏观决策提供依家宏观决策提供依据。据。GIS应用举例GIS的应用部门l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lGIS 已在世界各国的中学、大学教授lInternet -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

19、城市市政管理部门：规划、土地、房地产、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l根据GIS的研究内容、功能、作用等对GIS进行类型划分 表1 GIS类型GIS功能应用功能工具型GIS应用型GIS专题GIS、区域GIS大众型GIS软件功能桌面GIS（Desktop GIS）嵌入式GIS（eGIS）组件GIS（Component GIS）Web GIS数据结构矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS维数2D GIS3D GISTG

20、IS（时态GIS）软件与支持环境GIS模块集成式GIS模块化GIS核心式GIS组件式GIS和 WebGIS互操作GISGIS商品软件lMapGIS中地数码 ：lSuperMap北京超图公司： lGeoStar武汉武大吉奥信息工程技术有限公司 lARCGISESRI公司: ，http:/www.esrichina- ：http:/1.5 GIS的发展l一、国际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

21、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IS1.5 GIS的发展l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、 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l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+ GISl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）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