地理信息系统导论-01

1、地理信息系统导论构建基于地理信息系统（GIS）的环境科学应用 曾星舟eeszx片由中国载人飞船拍摄第一章 绪论中国在3S(RS、GIS、GPS)地理信息技术的最近进展：2014年2月23日，“嫦娥三号”着陆器和“玉兔号”月球车搭载的有效载荷（月基光学望远镜和极紫外相机）重新开机，按计划开展了科学探测工作。回传的数据，搭载的全景相机、测月雷达状态良好，红外成像光谱仪的红外波段数据正常，但“玉兔号”此前出现的机构控制异常问题仍未排除。2012年有24颗地球观测卫星(分属13个国家和组织)发射入轨。自2007年以来，中国第四次成为发射遥感卫星最多的国家2012年发射了8颗

2、遥感卫星2012-12-28 北斗二号卫星导航系统开通服务。北斗是我国独立自主的卫星导航系统，系统建成是国家和军队信息化的重要里程碑，意义重大，影响深远。北斗导航系统将扩展为具30颗卫星的导航系统，由区域走向覆盖全球。（注：实现全球导航，打破依赖美国GPS局面。北斗导航系统、美国GPS、俄罗斯GLONASS及欧洲伽利略系统，目前并称全球四大卫星导航定位系统 ）2014年，北斗系统通过国际海事组织的认证，作为继美国GPS、俄罗斯GLONASS后的全球第3套卫星导航系统。中国载人航天工程、空间实验室“天宫一号”我国计划用10年15年时间建立测绘遥感卫星体系，包括光学立体测图卫星、干涉雷达卫星、激光

3、测高卫星、重力测量卫星等。具备每天获取全球任一点最新影像数据的能力。此系统的资源三号卫星于2012年1月9日成功发射。首次实现我国民用遥感卫星多角度、多光谱综合立体成像，首次使我国卫星的影像质量及测图精度达到国际先进水平，首次实现了我国超高码速率遥感数据传输的国际领先水平。首次实现遥感卫星5年长寿命设计2012年1月日，我国在太原卫星发射中心成功将“资源三号”卫星送入轨道。“资源三号”卫星高度约公里、倾角约度的太阳同步轨道。过去，我国90%以上的卫星遥感数据依赖国外卫星数据进口。测绘遥感卫星体系有助于改变局面截至2013年2月19日，资源三号测绘卫星在轨运行 409 日 已存档卫星影像数据共

4、300075 景 存档数据 16.94 TB 正视数据 80367 景 前视数据 69803 景 后视数据 70468 景 多光谱数据 79437 景“资源三号”卫星是我国首颗高精度民用立体测绘卫星：前视、后视相机:3.5m 正视相机:2.1m 多光谱相机:5.8m 覆盖宽度: 前视、后视相机:52km 正视相机: 50km 多光谱相机: 52km 2008 年 8 月初，“地质一体化（OneGeology）”计划的首张数字地质图问世。该计划的宗旨是在网络上以 1：100 万的比例对全球开放已有的最佳地质数据 。它向人们展现了所有植物、土壤、水和人造建筑被剥离后的地球的样子。该地质图采用的绘图

5、方法与谷歌绘制地球表面的方法十分类似，整张地图花费了一年多的时间。共计 79 个国家，大约 1.5 万名地质学和电脑技术专家参与了这一项目，他们从 2007 年 3 月 12 日起就开始拼接这张地图。数字地图制作过程中，用各种颜色区别岩石，根据岩石的特点，就能较容易地确定矿产资源。 国内已发展MapGIS、SuperMap等地理信息系统。国家测绘局等发展了“天地图”的地图及导航系统，一些方面可以超过或具备美国“GoogleMap”的性能。国内越来越多的大学开办了GIS专业，如武汉大学（武测）等具有很高的水平。2008年以来，中国已研制成功依托于中国北斗导航系统的“危化品运输监控指挥系统”，并开

6、始应用推广。目前中国有危险化学品运输车辆11万多台。近年来，危化品运输过程中各类事故不时发生，已成为重大安全隐患。这一系统可对危化品运输车辆进行全程安全监控，从而大大降低运输过程中的潜在危险和事故危害，提高危化品运输的科学化和智能化管理水平。第一期监控容量为1万台车辆，第二期将超过10万台。届时，这一系统能够在为中国所有危化品运输车辆提供安全监控服务的同时，覆盖周边国家和地区。1、教材及教学方式教材：KT Chang, Introduction to Geographic Information Systems,地理信息系统， 5rd中文版，清华大学出版社，最新第7版（2014年中文版）进度：

7、约一周1至2章，前16章时间分配：课本内容介绍、软件介绍、预留时间完成每章的练习2、学习目标最终目的，课程结束后达到：1. 掌握GIS的基本原理、算法、用途和使用方法2. 会使用一种以上的软件绘制地图、分析和查询数据3. 对应用和开发的途径有初步的了解4. 环境遥感技术初步4、地图发展的历程地图的发明，是世界重大发明之一。离开地图，基本上无法准确表达与地理位置有关的信息，尤其是各要素的相互位置关系。准确的地图，精确的测量是实现的前提。大比例尺地图只是在近年才逐步解密，中国的多数地图，包括摄影或遥感获取的影响地图仍然属保密范畴。我们再来看现代的地图（卫星影像）绪论何种技术可以有效地组织基于地图的

8、数据？应用于森林管理、救急车辆路径分析、移动电话通信网络设计、城市管理、道路设计和提供饥荒救助？区域污染分析？根据美国关于新兴领域的阐述，它就是地理空间( geospatial)技术。从2004年8月起，地理空间技术被美国劳工部列为最重要的三大新兴领域之一，与其并列的是纳米技术和生物技术。地理空间技术覆盖许多领域，其中包括遥感、地图制图、测绘和摄影测量。但是，若要在地理空间技术中将这些不同领域的数据整合，则需依靠地理信息系统。1.1 什么是GIS 地理信息系统(GIS)是用于采集、存储、查询、分析和显示地理参照数据的计算机系统。地理参照数据又称地理空间数据，是用于描述位置和空间要素属性的数据，

9、例如道路、宗地和地球表面的植被覆盖。GIS这种处理和分析地理参照数据的能力使其有别于其他信息系统。正是该能力使GIS成为一种应用广泛的重要技术5、什么是地理信息系统地理信息系统(GIS)是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。像任何其他信息系统一佯，GlS可分为如下四个部分:（1）计算机系统。计算机系统包括运行系统的计算机和操作系统。常见的选择是采用Window，操作系统(如Windows2000，WindowsXP)的个人电脑或用UNIX操作系统的工作站。附属设备包括用于显示的显示器，用于空间数据输入的数字化仪或扫描仪和用于硬拷贝数据显示的打印机和绘图仪。（2）GIS软件。G

10、lS软件包括用于驱动硬件的程序和用户界面。GlS中的常见的用户界面是菜单、图标和命令。（3）智囊(Brainware）：与计算机硬件和软件同等重要，涉及系统使用的是目的和目标，并为使用GlS提供动机和理由。（4）设施。设施指的是GlS操作必需的物质、组织、管理和文化环境，包括必需的技能、数据标准、数据交换中心和常规组织模式。GIS集成输入、存储、查询、分析、显示地理数据的计算机系统。基本上由输入、存储、查询、分析、显示共五大功能构成，能处理、表达和管理地理相关数据的计算机信息系统。说通俗一点、简单一点，GIS是在地图上建立的信息系统。环境信息系统，则是面向环境专业的GIS。1.1.1 GIS应

11、用 从一开始，GIS就在自然资源管理领域显示其重要性，包括土地利用规划、自然灾害评估、野生生物栖息地分析、河滨带监控和森林管理。以下是互联网上的一些例子： 美国地质调查局的“国家地图( Na- tional Map)”项目，该项目提供全美 范围的地理空间数据，应用于自然灾害、风险评估、安全和许多其他领域( http：/)。 美国人口普查局 “在线地图资源(On-line Mapping Resources)”网站，互联网用户可以在该网站绘制美国各个地域公共地理数据的地图( http:/www. census. gov/geo/www/maps/CP_OnLineMapping.htm)。中国“

12、天地图”、国土资源部门的电子地图美国“GoogleEarth”、“GoogleMap”GIS与全球定位系统(GPS)、遥感（RS）、无线技术和互联网的结合也已导致一些新的应用。以下是一些例子。 基于位置服务( LBS)技术可确定移动用户的位置并接收位置信息 互动制图网站可让用户选择图层显示，并编制他们自己的地图。 导航系统可寻找出发地与目的地之间的最短路径，并提供导航服务，邻近服务如附近的自动取款机和餐馆。 精细农业促进定位耕作活动，如除草剂和肥料施用等。1.1.2 GIS组成类似其他信息技术，GIS需要下列4个组成，对地理参照数据进行操作。（1）计算机系统：计算机系统包括计算 机硬件设备和可

13、运行GIS软件的操作系统。典型的选择是使用Windows操作系统(如：Windows 7，Windows XP)的个人计算机或使用UNIX的工作站，或Linux操作系统。外设：包括用于显示的显示器，用于空间数据输入的数字化仪和扫描仪，GPS接收器和野外工作的移动设备，以及打印机和绘图仪。（2）GIS软件：GIS软件包括程序和用 于驱动硬件的用户界面。GIS中的普通用户界面是菜单、图标、命令行和脚本。（3）智囊( Brainware)：与计算机软硬件一般重要，智囊是指应用GIS的目的和目标，以及动机和理由。（4）基础设施：基础设施是指支持GIS 运作所必需的物质的、组织的、行政的和文化的环境。基

14、础设施包括必备的技能、数据标准、数据交换中心和通用的组织模式。1.2 GIS简史从1960年代以来计算机就已用于存储和处理地理参照数据。从1960年代末到70年代，与GIS相关的早期工作例子如下。 -爱丁堡大学的计算机制作地图，哈佛 计算机图形实验室和试验制图单位加拿大土地勘查和其后的加拿大地理信息系统CGIS的发展( Tomlinson，1984)多年来GIS被看作是一个难学、昂贵和只有少数人拥有的软件，然而在1990年代后，随着图形用户界面(GUI)、功能强大、较便宜的软硬件和公共数字化数据的出现，已经拓宽了GIS应用的范围并使GIS进入主流应用。GIS软件生产商及其主要产品： 各种商业报

15、告提示ESRI公司和Intergraph公司在软件市场和软件收入方面居于GIS产业的主导地位。6、GIS发展历程 GIS并不是一项新生的事物。20世纪60年代后期计算机已用于存储和处理地理数据，与GIS有关的工作的早期例子如下: (1)爱丁堡大学的计算机制图 (Coppock，l988)，哈佛实验室的计锦机制图(Chrisman l988)和试验制图单元(Rhind 1988）。 (2)加拿大土地调查和其后的加拿大地理信息系统的发展(Tomlinson 1984)。 (3)Ian McHarg的自然设计(Design with Nature)的出版(McHarg 1969)和地图叠加方法。 (

16、4)美国人口普查局的DIME(二值独立地图编码)系统中引入带有拓扑关系的城市街道网络(Broome等 1990)。 尽管多年来GIS被看做是难学、昂贵和只有少数人拥有的软件，然而图形用户界面GUI）、功能强大、能支付得起的软硬件和公共数字化数据的出现，已经拓宽了GlS应用的范围并使GIS进入主流应用。GIS软件生产者及其主要产品环境系统研究所（ESRl ）（wwwesricom）：ArcGIS，ArcInfo，ArcView，Maplnfo公司(wwwmapinfocom/):MapInfo开源软件: GRASSAutodesk公司(wwwautodeskcom）:AutoCAD Map克拉克

17、实验室(wwwclarklabsorg/)，IDRISl荷兰国际航空航天测量与地球科学学会(wwwitcnl):ILWISESRI公司的主要软件产品是ArcGIS，它包括ArcView、ArcEditor和Arclnfo三种不同级别版本。这3种版本均可在Windows平台上运行并共享相同的应用软件和扩展模块桌面。不同点在于其功能差异。ArcView有数据综合、查询、显示和某些分析功能。ArcEditor增加了数据编辑功能。Arclnfo比ArcView和ArcEditor具有更多数据转换和分析功能。GIS软件包是用扩展模块和单机使用程序来拓展其功能。Intergraph公司wwwintergr

18、aphcom:MCE，GeoMediaCaliper (wwwcalipercom）：TransCAD，Maptitude有些GIS软件包是针对某些用户的。例如，TransCAD是专为运输专业人员设计的GIS软件包国内：SuperMap（北京超图地理信息技术公司）, MapGIS（中国地质大学-中地数码集团）, GeoStar（武汉大学，原武汉测绘技术大学-武汉吉奥信息工程公司）, MapStar, MirageGIS, Geowindows, CCGISGRASS开源、免费。GRASS最初由美国工程兵建筑工程研究室开发，目前由多所大学维护GDAL, ORG开源、免费（）Microsoft的M

19、apPoint是针对需要分析地理数据并绘成地图的商业分析(http:/ www. microsoft. com)Oracle Spatial可储存、获取和管理Oracle关系数据库管理系统中的空间数据(http：/www.oracle. com/) 1.3地理参照数据 地理参照数据使GIS有别于其他信息系统。因此，在讨论GIS操作之前，我们必须对地理参照数据的本质有所理解。描述一条道路，我们会提及它的位置（坐标）和它的特征（例如，长度、名称、限速和方向），如图1.1所示。位置，又称几何或形状，代表空间数据，而特征是属性数据。因此，道路如同任何地理参照数据，具有空间数据和属性数据两种组分1.3.

20、1 空间数据 空间数据描述空间要素的空间位置，可以是离散的或连续的。离散要素是指观测值不连续的要素，形成分离的实体，并可单个地识别。离散要素包括点要素（如井）、线要素（如道路）和面要素（如土地利用类型）。连续要素指观测值连续的要素，降水量、高程即是连续要素的例子GIS将这些地球表面的空间要素以地图要素展现在平面上。这个转换涉及两个要点：空间参照系统和数据模型基于以经纬度表示的地理坐标系统。而地图要素的位置是基于以x、y坐标表示的平面坐标系统投影过程将地球的球面（地理坐标系）转换成平面（地图坐标系），在两个空间参照系统之间架起桥梁。但是投影转换总是涉及一些变形，数百种的平面坐标系统被采用来保持某

21、些空间性质不变或少变形在GIS操作中，为丁使各个空间数据相互协调匹配，它们的地图图层必须基于相同的坐标系统。因此，理解投影和坐标系统对于空间数据使用者来说非常重要数据模型定义了在GIS中空间数据如何表示矢量数据模型使用点及其x、y坐标来构建点、线、面空间要素。栅格数据模型使用格网和格网像元来表示要素的空间变异。这两种空间数据模型的差别在于：矢量数据适用于表示离散要素，而栅格数据适用于表示连续要素使用不同的数据系统分别存储空间数据和属性数据，通常称之为地理相关模型。而基于对象数据模型则将空间数据和属性数据存储在同一数据组合中。近来的趋势表明GIS商家在其软件开发中已采纳了基于对象数据模型。例如，ESRI公司在ArcGIS中推出的Geodatabase数据模型