《地理信息系统》第一讲-概论

《地理信息系统》第一讲冯增才GeographicalInformationSystem本次课的授课内容及重点难点（1）绪论（2）国内外GIS软件介绍（3）地理学知识地理学知识授课内容重点难点地理学知识应了解国内外常用的GIS软件；掌握地理学的基本知识第一章绪论第二章国内外GIS软件介绍第三章地理学知识什么是地理信息系统？地理信息系统，简称GIS（GeographicInformationSystem）。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。一般来说，GIS可定义为：“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术”。从GIS系统应用角度，可进一步定义为：“GIS由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务”（陈述彭，1999）。

第一章绪论GIS的应用领域（1）环境评价与监测

环境影响评价、噪声分析、污染评价、灌溉适宜评价、灾害监测（森林火灾、洪水灾情、救灾抢险等）、生态系统研究、生物圈遗迹管理和自然资源管理等。（2）土地资源评价

土地管理、水资源清查、矿产资源评价（矿产预测、矿产评价、工程地质、地质灾害）。（3）市政工程建设

公共供应网络（电、气、水、废水）、电信网络、交通控制管理、城市规划、道路工程。第一章绪论(4)为政府或企业提供管理、规划和决策工具

企业生产经营管理、税收、地籍管理、宏观规划、开发评价管理、交通工程、公共设施使用，公共卫生管理、经济发展和赈灾服务。在民航的应用

（1）机场

土地规划、机场选址、机场净空管理、跑道设计、基础设施建设、机场基础设施管理（水、电、通信、排污），机场环境保护（噪声监测评价、垃圾处理、居民健康调查）、机场特种车辆监控、机场后期运营管理。GIS的应用领域第一章绪论在民航的应用

(2)空管部门

空域规划与划分、空域管理（航图、航路、流量控制）、飞行追踪、气象管理、无线电波管理、应急搜救。（3）航空公司

飞机飞行监控、航线管理、VIP、常旅客管理、票务管理GIS的应用领域第一章绪论国外GIS的发展概况

1．20世纪50年代的萌芽状态

1963年，加拿大测量学家R．F．Tomlinson首先提出了“地理信息系统”这一术语，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)。稍后，美国哈佛大学研制出SYMAP系统软件。

2．20世纪60年代开拓发展阶段

60年代中后期，地理信息系统发展的另一显著标志是许多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(URISA)，1969年又建立州信息系统全国协会(NASIS)，国际地理联合会(IGU)于1968年设立了地理数据收集和处理委员会(CGDSP)。第一章绪论国外GIS的发展概况（续）3．20世纪70年代巩固阶段由于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(硬盘)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。此外，探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视4．20世纪80年代突破阶段随着计算机软、硬件技术的发展和普及，地理信息系统也逐渐走向成熟。这一时期是地理信息系统发展的重要时期。这一时期，很多国家制定了本国的地理信息系统发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构，如美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心(NCGIA)，英国于1987年成立了地理信息协会。第一章绪论5．20世纪90年代社会化阶段进入20世纪90年代，随着计算机和WINDOWS的迅速发展，以及图形工作站性能价格比的进一步提高，计算机在全世界迅速普及。一些基于WINDOWS和WINDOWSNT的桌面GIS，如MapInfo、ArcGIS、等软件以其界面友好、易学好用的独特风格，使GIS在很多行业得到了很好的应用国外GIS的发展概况（续）第一章绪论国内GIS的发展概况1．20世纪70年代的起步阶段

20世纪70年代初期，我国开始推广电子计算机在测量、制图和遥感领域中的应用。1977年诞生了第一张由计算机输出的全要素地图。所有这些为GIS的研制和应用作了技术上的准备。2．20世纪80年代的试验阶段进入80年代之后，我国执行“六五”、“七五”计划，国民经济全面发展，很快对“信息革命”做出热烈响应。在大力开展遥感应用的同时，GIS也全面进入试验阶段。1985年，中国科学院建立了“资源与环境信息系统国家级重点实验室”，1988年和1990年原武汉测绘科技大学(现武汉大学)先后建立了“信息工程专业”和“测绘遥感信息工程国家重点实验室”。

第一章绪论3．90年代的全面发展阶段

80年代末到90年代以来，随着社会主义市场经济的全面发展，我国的GIS步入快速发展阶段。中国GIS基础软件与国外的差距迅速缩小，涌现出若干能参与市场竞争的地理信息系统软件，如MAPGIS（中地），SUPERMAP（超图）,VRMAP（灵图）,CITYSTAR（北大），GEOSTAR（吉奥之星,武汉大学）等。国内GIS的发展概况（续）第一章绪论地理信息系统的相关学科1．地理学它为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为地理信息系统的基础理论依托。地理学研究的是地球表面这个同人类息息相关的地理环境，地理学者曾用地理壳、景观壳、地球表层等术语称呼地球表面。它是地球各个层圈——大气圈、岩石圈、水圈、生物圈和人类圈相互交接的界面，具有一定的面积和厚度。在地球表面，各种自然现象和人文现象组成一个宏大的地表综合体。

第一章绪论2．地图学地图学是研究有关地图的理论体系和技术系统，及其应用的学科。在地图学的发展历史中，逐步形成了地图学史、地图投影学、地图美学、地图制图学等若干分支学科和领域。3．计算机科学地理信息系统技术的创立和发展是与地理空间信息的表达、处理、分析和应用手段的不断发展分不开的。20世纪60年代，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图。计算机的数据库技术、计算机辅助设计、计算机辅助制图和计算机图形学等与地理信息系统有着密切的联系地理信息系统的相关学科（续）4．遥感技术（RemoteSensing

）遥感是一种不通过直接接触目标物而获得信息的一种新型的探测技术。它通常是指获取和处理地球表面的信息，尤其是自然资源与人文环境方面的信息，并最后反映在像片或数字影像上的技术。遥感作为一种获取和更新空间数据的强有力手段，能及时地提供准确、综合和大范围内进行动态监测的各种资源与环境数据，因此遥感信息就成为地理信息系统十分重要的信息源。

地理信息系统的相关学科（续）MapInfo公司的软件

MapInfo公司是美国著名的桌面GIS开发平台，GIS产品主要有：MapInfoProfessional、MapBasic、MapX、MapXtreme、VerticalMap等。ESRI公司的软件

ESRI是美国“环境系统研究机构”的简称，它的产品统称为ArcGIS（最初叫ARC/INFO)

ArcGIS由四部分组成：

1、ArcGISDesktop――一个专业GIS应用的完整套件

2、ArcGISEngine――为定制开发GIS应用的嵌入式开发组件

3、服务端GIS――ArcSDE，ArcIMS和ArcGISServer4、移动GIS――ArcPad第2章国内外GIS软件介绍

AutoDesk公司的软件

AutoDesk公司是世界著名的辅助设计软件和三维动画软件的制造商如AutoCAD3dsMax,尽管AutoCAD功能强大，但不具有GIS功能。最近几年，该公式进军GIS市场，

产品：

AutodeskMapGuideStudio(基础平台）

AutodeskMpaGuideEnterprise（开发webGIS)AutoCAD3D(三维）

第2章国内外GIS软件介绍（续）

北京SuperMap公司的软件

SuperMap

Deskpro2008—开放式桌面平台产品；

SuperMapSDX+—大型空间数据库引擎；

SuperMap

iServer2008—服务式GIS开发平台；

SuperMapObjects2008—组件式GIS开发平台；

SuperMapIS.NET2008—网络信息开发平台；

SuperNavigationEngine2008—导航开发平台；

eSuperMap2008—嵌入式GIS开发平台；第2章国内外GIS软件介绍（续）

武汉中地数码集团的软件MAPGIS

中地数码集团以中国地质大学吴信才教授为技术核心，自20世纪80年代末开始从事GIS教学、科研和应用，走出了一条中国人GIS发展之路主要产品有：

1、MAPCAD彩色地图编辑出版系统

2、基础平台MapGIS7.0

新一代全组件化地理信息系统，除了包含MAPCAD的所有功能外，还有如下功能：高性能的数据库管理；DTM分析；实用的网络分析；多源图象分析；方便的二次开发。3、MAPGIS-IMS（InternetMapServer)

开发webGIS4、MapSuv测图系统MAPGISDigitalSurveyingAndMapping

第2章国内外GIS软件介绍（续）

北京灵图公司系列软件产品介绍主要产品有：三维地理信息软件VrMap，支持OPENGL和DirectX两种国际标准，提供了非常丰富、强大的场景制作功能，用户可以非常轻松、快速的利用各类GIS数据、模型数据、科学计算数据，快速建立三维应用。另外VRMap2.X在产品的应用中不断丰富了各类GIS分析工具、信息查询手段，与传统三维动画、仿真完全不同。灵图二维地理信息系统由以下几个部分组成：Sm@rtMap平台，Sm@rtMapX二次开发控件，Sm@rtExplorer进行二次开发也可以通过Sm@rtObjects底层平台进行开发。

Sm@rtIMS是基于WEB的GIS应用，使用户可以通过Web这种简单易用的方式得到地理信息服务。在旅游、公交、医疗、房地产、电子商务等等应用中，WebGIS可以使用户更加快速、准确地了与空间位置有关的信息第2章国内外GIS软件介绍（续）

北京朝夕公司Mapengine系列软件产品有：MeDesk─桌面系统矢量化软件MeX–二次开发基础控件Mebase-二次开发高级组件内嵌mexMeIMS

–网络开发平台MeGPS-GPS开发组件第2章国内外GIS软件介绍（续）

武大吉奥公司软件介绍

GIS基础软件平台专业版GeoStarProfessional

GIS基础软件平台桌面系统GeoStarDesktop

GIS基础软件平台二次开发套件GeoStarObjectsWebGIS平台软件GeoSurf

WebGIS平台软件GeoSurf客户端

WebGIS平台软件GeoSurf服务器端

Wedgies二次开发套件GeoSurfBeans

三维全球动态可视化软件GeoGlobe

三维全球动态可视化软件客户端GeoGlobe

三维全球动态可视化软件服务器端GeoGlobeServer

三维全球动态可视化软件数据处理工具GeoGlobeTools第2章国内外GIS软件介绍（续）

椭球体模型椭球体模型就是以大地水准面为基准建立起来的，在测量和制图中我们用旋转椭球来代替大地球体，这个规则的椭球体如图3.1.1。图3.1.1地球椭球体椭球面方程为：，长半径a，也叫赤道半径，短半径b，也叫极半径，扁率α=（a-b）/a，由于年代和技术等原因，目前世界上a，b取值并不唯一。1984年定义的世界大地坐标系（WGS84）a=6378.1370km，b=6356.7523km。第3章地理学知识

地理空间坐标系第3章地理学知识

第3章地理学知识

建立地理坐标系的目的是确定地面点的位置，也就是求出地面点对大地水准面的关系，它包括地面点在大地水准面上的平面位置和地面点到大地水准面的高度。确定地面点的位置，最直接了当的方法就是用地理坐标（纬度，经度）来表示。地理坐标系是以地理极（北极、南极）为极点。地理极是地轴(地球椭球体的旋转轴即短轴)与椭球面的交点，如图3.1.2所示，P为北极，P1为南极。所有含有地轴的平面，均称为子午面。子午面与地球椭球体的交线，称为子午线或经线。经线是长半径为a，短半径为b的椭圆。所有垂直于地轴的平面与椭球体面的交线，称为纬线。纬线是不同半径的圆。赤道是其中半径最大的纬线。设椭圆球面上有一点A(图），通过A点作椭圆球面的垂线，称之为过A点的法线。法线与赤道面的交角，叫做A点的纬度，通常以字母φ表示。纬度从赤道起算，在赤道上纬度为0°，往北称北纬，φ=0～90°；往南称南纬，φ=0～-90°(取负值)。过A点的子午面与通过英国格林尼治天文台的子午面所夹的二面角，叫做A点的经度，通常以字母λ表示。国际规定通过英国格林尼治天文台的子午线为本初子午线(或叫首子午线)，作为计算经度的起点(经度为0°)。往东称东经，λ=0～180°；往西称西经，λ=0～-180°(取负值)。高斯-克吕格投影第3章地理学知识

第3章地理学知识

从几何概念上分析，高斯投影是一种等角横切椭圆柱投影。我们把地球看成是地球椭球体，假想用一个椭圆筒套在其上，使筒与地球椭球体的某一经线相切，椭圆筒的中心轴位于赤道上，按等角条件将地球表面投影到椭圆筒上，然后将椭圆筒展开成平面。高斯投影有以下性质：（1）中央经线(椭圆筒和地球椭球体的切线)和赤道投影成垂直相交的直线。（2）投影后没有角度变形（即经纬线投影后仍正交）。（3）中央经线上没有长度变形，等变形线为平行于中央经线的直线。上述性质可以具体描述为：（1）在同一条纬线上，离中央经线越远变形越大。（2）在同一条经线上，纬度越低，变形越大。第3章地理学知识

以上性质说明，投影变形最大值在赤道和投影边缘经线的交点上。为了控制投影变形不致于过大，保证地形图的经度，高斯投影采用分带投影的方法，即将投影范围的东西界加以限制，使其变形不超过一定的限度，我国规定:1:2.5万～1:50万地形图均采用经差6°分带，大于等于1：1万比例尺地形图采用经差3°分带。地图的空间数据结构第3章地理学知识

图3.3.1河流的栅格数据结构和矢量数据结构（a）（b）（c）地图的空间数据结构主要分为矢量数据结构和栅格数据结构。如图3.3.1（a）是一条河流，为了在计算机中显示这条河流，可用栅格数据（图3.3.1（b））或矢量数据表示（图3.3.1（c））。地图的空间数据结构（续）第3章地理学知识

栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的两种不同的方法。栅格数据结构类型（图3.3.1（b））具有“属性明显、位置隐含”的特点，它易于实现，且操作简单，有利于基于栅格的空间信息模型的分析，如在给定区域内计算多面形面积时，栅格结构可以很快算得结果，而采用矢量数据结构则麻烦的多，但栅格数据表达精度不高，数据存储量大，工作效率低。栅格数据的保存直接存储：按行列顺序连续存放。第一行：0011110000000第二行：0001111000000……….地图的空间数据结构（续）第3章地理学知识

压缩存储：（1）链式编码（佛里曼编码）适合：现状地物；面状地物边界

规则：由某一起点开始按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可以定义为：东-0，东南-1，南-2，西南-3，西-4，西北-5，北-6，东北-7等八个方向；2、游程长度编码（Run-LengthCode）基本思路：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可以采用某种方法压缩那些重复的记录，其编码方案是：只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录各代码以及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。9，4，0，4，9，3，0，5……….3、块状编码（BlockCode）规则：采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据机构由初始位置（行号，列号，半径，代码）组成（1，1，2，9），（1，3，1，9），（1，4，1，9），（1，5，2，0），（1，7，2，0），（2，3，1，9），（2，4，1，0），（3，1，1，0），（3，2，1，9），………..4、四叉树编码（Quad-TreeCode）规则：将一幅栅格图等分为四部分，逐块检查其格网属性值，如果某个子区的所有格网值都具有相同的值，则这个子区就不在继续分割，否则还要把这个子区分割成四个子区。这样依次分割，直到每个子块都只含有相同的属性值。矢量数据结构类型（图3.3.1（c））具有“位置明显、属性隐含”的特点。它操作比较复杂，许多分析操作（如叠置分析等）用矢量数据结构难于实现；但它的数据表达精度高，数据存储量小，输出图形美观且工作效果高。第3章地理学知识

地图的空间数据结构（续）矢量的存储简单数据结构：空间数据按照基本的空间对象（点、线、多边形)为单位进行单独组织，不包含拓扑关系数据第3章地理学知识

地图的空间数据结构（续）点的矢量数据结构。点的矢量数据结构可表示为：标识码应具有唯一性，点的显示属性如点的大小、类型、颜色等，x，y坐标是点实体的定位点。第二种方法是属性和点坐标分开存放，如果是第二种表示方法，则通过标识码关联。标识码点的显示属性x,y坐标标识码x,y坐标或标识码点的显示属性线的矢量数据结构。线的矢量数据结构可表示为：标识码必须唯一，线的显示属性如线的类型、宽度、颜色等，x，y坐标串是构成线的点集（x1,y1）,（x2,y2）,…,（xn,yn）。如果是第二种表示方法，则坐标和属性之间是通过标识码关联。标识码线的显示属性x,y坐标串