第一章-地理信息系统导论(2013.9)

计算机与信息工程学院空间信息技术教研室主讲：黄于同*1地理信息系统

GeographicalInformationSystemGIS原理与方法*2教学目的和要求掌握GIS的概念，了解GIS组成和基本功能；概念框架、理解，GIS组成、基本功能掌握GIS的数据处理流程采集、编辑、组织、管理、分析、输出；熟悉GIS空间分析基本技术和方法，具有用GIS解决本专业相关问题的能力；了解GIS的发展与趋势

成绩评定理论考试：70%实验：20%平时：10%*3教学安排理论教学：36学时实验教学：16学时教学内容第一章GIS介绍第二章空间数据结构第三章空间数据处理第四章空间数据库第五章空间分析技术与方法第六章GIS应用模型第七章系统设计与评价第八章GIS产品输出*4GIS原理与方法厦门理工学院计算机与信息工程学院空间信息技术教研室第一章导论主要内容第1节地理信息系统基本概念第2节地理信息系统的基本构成第3节地理信息系统的功能简介第4节地理信息系统的发展概况本章重点：GIS的基本概念、构成和功能第一节地理信息系统的基本概念一、数据与信息（一）基本概念

数据是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。

信息是以数字、文字、符号、语言、图像等形式来表示事件、现象等的内容、数量或特征，向人们提供关于现实世界各种事实的知识，为生产、管理和决策提供依据。信息是现实世界在人们头脑中的反映。2023/2/17第一节地理信息系统的基本概念（二）两者关系

信息与数据是不可分离的，数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。

数据本身并没有意义，数据只有通过解释，对实体行为产生影响时才成为信息。2023/2/18第一节地理信息系统的基本概念（三）信息的特点2023/2/19任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息正确性和精确度的保证。GIS将大量的地理数据收集、组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对决策具有重要意义的有用信息，这是由系统建立的明确目的性所决定的。信息可在发送者和接受者之间进行传输。客观性传输性共享性信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并发应用提供可能性。第一节地理信息系统的基本概念（四）数据处理与解释

数据处理是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算以及分析、模拟和预测等操作。其目的在于：把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式把数据加工成对正确管理和决策有用的数据把数据编辑后存储起来，以供后续使用

数据处理是为数据解释服务的，数据解释还需要人类的智慧，对同一数据，各人的解释可能不同，其对决策的影响也不同，而不同的解释，则往往来自于不同的背景、目的和应用。2023/2/110第一节地理信息系统的基本概念二、地理信息与地理信息系统（一）地理信息基本概念

地理数据是与地理环境要素有关的物质的数量、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。

地理信息是地理数据所蕴含和表达的地理含义，是与研究对象的空间地理分布有关的信息。2023/2/111第一节地理信息系统的基本概念地理信息的特征

2023/2/112空间特征（地域性）1地理信息属于空间信息，其数据是与确定的空间位置联系在一起的，它的这种定位特征是通过统一的地理定位基础来体现的。2在二维空间定位基础上，实现多专题的第三维信息结构的组合，为地理信息各圈层之间的综合研究提供可能，也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供方便。属性特征（多维结构）3时空的动态变化引起地理信息的属性或空间数据的变化，实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使其具有现势性。时序特征第一节地理信息系统的基本概念（二）地理信息系统

地理信息系统简称为GIS。关于它确切的全称，多数人认为是GeographicalInformationSystem，也有人认为是GeoInformationSystem。国际上现发行的两种主要的专业杂志，就是各自采用不同的全称，前者是英国出版的季刊的全称，后者是德国出版的季刊的全称。在加拿大和澳大利亚，则称为LandInformationSystem。在我国，通常称为ResourcesandEnvironmentalInformationSystems。全称虽有差异，但简称都是GIS。2023/2/113第一节地理信息系统的基本概念2023/2/114什么是GIS第一节地理信息系统的基本概念定义 1.美国的Parker：地理信息系统是一种存储、分析和显示空间与非空间数据的信息技术。 2.美国的MichaelGoodchild：采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统。 3.加拿大的RogerTomlinson：全方位分析和操作地理数据的数字系统。 4.PeterBurroughs：地理信息系统是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具。 5.俄罗斯学者：一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合。

……，有的侧重技术内涵，有的侧重应用功能2023/2/115第一节地理信息系统的基本概念推荐定义：美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）

地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来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。

2023/2/116第一节地理信息系统的基本概念2023/2/117地理信息系统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第一节地理信息系统的基本概念基本概念1.GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，该系统通常由若干相互关联的子系统构成；2.GIS的操作对象是地理数据；3.GIS的技术优势在于它的空间数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等；4.相关学科：地理学、测绘学……2023/2/118第一节地理信息系统的基本概念2023/2/119GIS相关学科GIS计算机科学数据库理论软件工程计算机图形学图像处理人工智能网络计算数学几何学拓扑学统计分析地理学、测绘学、地学地图学RS、GPS其它应用科学2023/2/120

数学运算研究

统计学地理统计学认知科学计算机科学测量遥感摄影测量学制图学可视化符号学信息存储数据库模式识别计算几何计算机图形学人工智能旅游业航运市场资产管理产业/商业矿产开发设施维护公共信息查询公共管理考古学人文地理学社会科学健康护理规划流行病学环境科学地貌学土壤科学森林学地质学生态学水文学气象学地形测量环境测量社会、经济测量学科树GIS从技术和应用的角度，

GIS是解决空间问题的工具、方法和技术，简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统；从学科的角度，

GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；从功能上，GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；从系统学的角度，

GIS具有一定结构和功能，是一个完整的系统。

2023/2/121第一节地理信息系统的基本概念第一节地理信息系统的基本概念地理信息系统的特点 1.公共的地理定位基础； 2.具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力; 3.系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息； 4.以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。

2023/2/1222023/2/123第一节地理信息系统的基本概念GIS与其它系统的区别1.GIS与一般MIS GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。2.GIS与CAD/CAM

二者虽然都有参考系统，都能表达和处理空间定位数据，但CAD/CAM系统属性库功能弱，更缺乏空间分析和判断能力。

2023/2/124第一节地理信息系统的基本概念地理信息系统的分类体系非空间信息系统管理信息系统信息系统专题GISGIS非地理信息系统综合GISCAD/CAM空间信息系统地籍GIS交通GIS人口GIS……城市GIS省GIS数字地球……数据模型矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS研究范围全球GIS区域GIS研究内容国家GISGIS分类第二节地理信息系统的基本构成2023/2/125GISTitleinhere空间数据Titleinhere系统软件Titleinhere系统硬件应用人员应用模型2023/2/126第二节地理信息系统的基本构成一、系统硬件GPS全数字摄影测量工作站解析和数字摄影测量仪器RS全站仪

绘图仪终端打印机输出设备专用设备工作站服务器硬盘阵列存储设备活动硬盘光盘机磁带机计算机处理设备输入设备常规设备扫描仪数字化仪键盘、鼠标

输入设备数字化仪*27工程扫描仪分辨率：2400dpi色彩：32位真彩色幅面：A0*28摄影测量工作站用于获取数字正射影像数据（DOM）和数字高程模型（DEM）*29绘图仪分辨率：1200dpi打印宽度:1.5m色彩种类：6种*30第二节地理信息系统的基本构成2023/2/131GIS应用软件GIS基础软件平台数据库系统软件（存储和管理）系统库（编程语言、数学库等）操作系统（系统调用、设备运行、网络管理等）GIS功能软件基础支撑软件操作系统软件地理信息系统软件层次二、系统软件(一）GIS软件层次2023/2/132第二节地理信息系统的基本构成(二）GIS基础软件平台功能空间数据的输入和编辑空间数据的管理空间数据的处理和分析空间数据的输出图形用户界面系统二次开发三、空间数据2023/2/133第二节地理信息系统的基本构成地理数据空间数据矢量数据点线面栅格数据平面曲面属性数据名称类型数量时态数据描述对象时空变化的状态、特点和过程四、应用人员

包括系统开发人员和终端用户，从事系统的组织、管理、维护和数据更新、应用程序开发、信息提取、地理决策2023/2/134第二节地理信息系统的基本构成五、应用模型GIS应用模型是为某一特定的实际工作而建立的运用地理信息系统的解决方案，是人们对客观世界的规律性认识，再经过从概念到计算机信息表达的映射，形成计算机可以运行的软件功能序列，其构建和选择是系统应用成败至关重要的因素。虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解决，必须通过构建专门的应用模型，它是GIS与相关专业连接的纽带。2023/2/135第二节地理信息系统的基本构成2023/2/136第二节地理信息系统的基本构成需要解决的问题多元数据收集规划定义过程应用操作过程问题的定义分析/联合问题的实质证据/数据/假设问题的概念概念/要素/方法解决问题的数据数据源/数据集数据库建立数据输入/格式化问题数据子集提取/综合问题求解统计计算/模型分析/空间分析问题答案验证/解释/表达用GIS求解问题的基本流程（陈述彭）2023/2/137GIS可以干什么第三节地理信息系统的功能简介第三节地理信息系统的功能简介一、基本功能2023/2/138二次开发与编程产品制作与演示空间分析和统计数据处理与变换数据采集与编辑数据存储与管理GIS6123452023/2/139第三节地理信息系统的功能简介（一）数据采集与编辑GIS数据分层概念2023/2/140第三节地理信息系统的功能简介现实世界文字报告、遥感图像等数字化仪、扫描仪GPS、RS设备解析测图仪键盘等编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等空间数据库GIS数据采集流程2023/2/141（二）数据存储与管理GIS数据库（空间数据库）

是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。空间数据的管理技术

空间数据库的定义，数据访问和提取，从空间位置检索空间物体及其属性，从属性条件检索空间物体及其位置，开窗和接边操作，数据更新和维护等。第三节地理信息系统的功能简介2023/2/142第三节地理信息系统的功能简介空间数据库哈尔滨在哪里？空间查询属性查询78路公交经过哪些站？2023/2/143（三）数据处理与变换数据变换

指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等；数据重构

指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等；数据抽取

指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。第三节地理信息系统的功能简介2023/2/144（四）空间分析与统计叠加分析

通过将同一地区两个不同图层的特征相叠加，不仅建立新的空间特征，而且能将输入的特征属性予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和应用模型分析等；缓冲区分析

它是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立各种类型要素的缓冲多边形，用以确定不同地理要素的空间接近度或邻近性。第三节地理信息系统的功能简介2023/2/145网络分析

网络模型是运筹学中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。其基本思想在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。数字地形分析 GIS提供了构造数字高程模型及有关地形分析的功能模块，包括坡度、坡向、地表粗糙度、山谷线、山脊线、日照强度、库容量、表面积、立体图、剖面图和通视分析等，为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础性数据。第三节地理信息系统的功能简介2023/2/146空间数据库

为某工厂选址，要求地价<1万元/平方米且地形起伏较小的区域?地价<1万元/m2坡度小于3度的地形信息空间检索满足两条件的区域+第三节地理信息系统的功能简介叠加分析2023/2/147空间数据库道路的噪音影响范围?街道中心线缓冲区分析第三节地理信息系统的功能简介空间检索2023/2/148空间数据库哪条路最近，如何乘车?道路信息第三节地理信息系统的功能简介网络分析空间检索2023/2/149空间数据库航道淤积，挖槽方案比较?地形信息数字地形分析第三节地理信息系统的功能简介空间检索2023/2/150（五）产品制作与演示产品

地图图像、符号图、动线图、点值图、晕线图、等值线图、立体图等主要功能

设置地图范围、投影、比例尺、组织地图要素显示顺序、定义文字格式、设置地图符号形式、标注图名和图例、图形编辑等。第三节地理信息系统的功能简介2023/2/151（六）二次开发和编程脚本语言开发环境组件定制菜单、程序与可视化界面等GIS二次开发环境：通用语言：如VC++、VB、C#等组件开发：如MapInfo的MapX；第三节地理信息系统的功能简介GIS可以回答的问题位置（Locations）——在某个特定的位置有什么？条件（Conditions）——什么地方有满足某些条件的东西？变化趋势（Trends）——该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。分布规律（Patterns）——该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。模型－建模（Models）——该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。2023/2/153第三节地理信息系统的功能简介文件图表数据获取

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GIS基本功能的实现过程2023/2/154如何为一公园选择合理位置？依山傍水；交通方便；空气新鲜，有植被覆盖……要求方案2条件2方案1条件1现实世界获取水系信息地形信息道路信息植被信息等+++处理、分析空间分析算法空间数据库存储实例2023/2/155二、应用功能（一）资源管理（二）区域规划（三）国土监测（四）辅助决策第三节地理信息系统的功能简介

2023/2/156第三节地理信息系统的功能简介2023/2/157第三节地理信息系统的功能简介

国土管理2023/2/158

矿山遥感监测三维GIS地理信息系统2023/2/159第三节地理信息系统的功能简介城市地质勘察信息系统2023/2/160第三节地理信息系统的功能简介2023/2/161第三节地理信息系统的功能简介环境评估2023/2/162第三节地理信息系统的功能简介环境监测2023/2/163灾害评估第三节地理信息系统的功能简介2023/2/164第三节地理信息系统的功能简介汶川抗震救灾辅助分析系统2023/2/165第三节地理信息系统的功能简介电子地图2023/2/166第三节地理信息系统的功能简介电信资源管理信息系统2023/2/167第三节地理信息系统的功能简介属性查询查询专题图作战指挥地图切换公安警用信息系统2023/2/168第三节地理信息系统的功能简介铁路地理信息系统2023/2/169第三节地理信息系统的功能简介昌平旅游专家咨询系统主界面2023/2/170第三节地理信息系统的功能简介城市供水管网GIS系统统计爆管分析缓冲区分析主界面2023/2/171水利信息系统第三节地理信息系统的功能简介工程基础资料查询实时水情雨情与水库实时水位、库容关系洪水水位与市区淹没情况模拟图2023/2/172第三节地理信息系统的功能简介2023/2/173北京市SAS疫情控制与预警系统第三节地理信息系统的功能简介2023/2/174第三节地理信息系统的功能简介医疗机构信息查询系统2023/2/175商业应用第三节地理信息系统的功能简介2023/2/176第三节地理信息系统的功能简介

风

蚀区

区

蚀水北京及周边地区土壤侵蚀状况地学研究2023/2/177第三节地理信息系统的功能简介

我国在三峡地区的研究中通过利用GIS和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡工程的宏观决策提供了建库前后环境变化的数量，速度和演变趋势等可靠数据。宏观决策2023/2/178第三节地理信息系统的功能简介交通调度2023/2/179第三节地理信息系统的功能简介作战指挥2023/2/180三、GIS应用环境单机应用：GIS数据处理，专业GIS分析，地图设计出版网络应用：如GoogleEarth,GoogleMap等WebGIS；电力，电信等企业级GIS业务系统移动应用：GPS卫星导航、个人位置服务、车辆跟踪及监控2023/2/181第四节地理信息系统的发展概况机助制图CGISSYMAP开拓起步人机图形交互DIME编码资源环境应用巩固发展PCArc/InfoNCGIA成立GIS软件商品化茁壮发展WebGISGIS互操作虚拟GIS应用普及网络GIS移动GIS社会服务地理信息系统地理信息科学地理信息服务GIServiceGISciceceGISystem60年代70年代80年代90年代21世纪一、国际GIS发展概况（一）起步阶段(60年代)，GIS思想和技术方法的探索时期，注重空间数据的地学处理。

2023/2/182第四节地理信息系统的发展概况

1963年，加拿大测量学家RogerTomlinson首先提出GIS这一术语，建立加拿大地理信息系统（CGIS）RogerTomlinsontheFatherofGIS2023/2/183第四节地理信息系统的发展概况国际GIS60年代大事记纷纷成立的有关GIS的组织和机构：1967，成立美国城市和区域信息系统协会（URISA）1968，国际地理联合会（IGU）成立了地理数据采集与处理委员会（CGDSP）1969，成立美国信息系统全国协会（NASIS）

这些组织相继举行了一系列GIS的国际研讨会，对GIS技术的发展和传播起到了重要的指导作用2023/2/184第四节地理信息系统的发展概况（二）发展阶段(70年代)，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。2023/2/185第四节地理信息系统的发展概况国际GIS70年代大事记(三）推广应用阶段(80年代)，GIS在理论、方法和技术上取得突破并趋向成熟，注重空间决策支持分析。

2023/2/186第四节地理信息系统的发展概况国际GIS80年代大事记2023/2/187

控件式GIS成为GISTools的发展方向; WebGIS蓬勃发展;

三维GIS崭露头角。（五）全面普及阶段(21世纪)

网络GIS

移动GIS第四节地理信息系统的发展概况国际GIS90年代大事记（四）用户时代(90年代)，注重GIS社会应用与服务，GIS技术迅猛发展2023/2/188二、我国GIS发展概况（一）准备阶段(70年代) 70年代初，我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用，进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究，1977年诞生我国第一张全要素数字地图。

第四节地理信息系统的发展概况2023/2/189（二）试验阶段(1981~1985年) 80年代，地理信息系统这一新技术在我国正式进入全面试验阶段，对GIS进行理论探索和区域性实验研究，在GIS理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养、典型试验和专题试验等方面都取得了实质性的进展。在典型试验中主要研究建立数据规范和标准、空间数据库建立、数据处理和分析算法以及系统分析软件和应用软件的开发等。在专题试验和应用方面，探索地理信息系统的设计与应用，包括人口、资源、环境与经济等广泛专题的试验和应用。此外，国际GIS学术会议多次在我国举行，有关高校开设了地理信息系统课程，这一切均为GIS的进一步发展和实际应用打下了基础。第四节地理信息系统的发展概况2023/2/190（三）发展阶段(1986~1995年)

GIS研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关项目，开始有计划、有组织、有目标地进行理论研究和应用建设，逐步建立了不同层次