中科院GIS基础课件-第1章+绪+论

地理信息系统原理1本课程是地理学学科各专业研究生的学科基础课，同时也可作为相关专业研究生的选修课。课程系统地介绍地理信息系统（GIS）的原理和方法，介绍国际上GIS的发展趋势及有关研究进展。地理信息系统-A与地理信息系统-B的区别？（1）学生多，根据学生基础分流。（2）大纲侧重点不同。课程的教学目的与纲要前修课程：数据库原理，编程语言，数据结构2课程安排关于上课：课堂授课30学时课堂上机实习

10学时（国庆节后开始）实习题目：参考书目的练习关于考试：平时作业35%期末考试65%(开卷)OfficeHour：

周四3-4节3陆守一，《地理信息系统》，高等教育出版社，北京，2004

(美)Kang-tsungChang著,陈健飞等译.《地理信息系统导论》（第三版），科学出版社，2009黄杏元，马劲松、汤勤.《地理信息系统概论》（修订版），高等教育出版社，2001陈述彭、鲁学军、周成虎著.《地理信息系统导论》，科学出版社，（1999年5月第一版）2001年张宏、温永宁、刘爱玲.《地理信息系统算法基础》，科学出版社，2006.6边馥苓.《GIS-地理信息系统原理与方法》，测绘出版社，1996参考资料4《测绘学报》、《地理学报》、《遥感学报》、《武汉大学学报（信息版）》、《测绘通报》、《中国图形图像学报》、《计算机辅助图形学报》、《地理与地理信息科学》等。参考资料国际期刊国内期刊“Int.J.ofGIS”“Computer&Geoscience”“InformationGeomatics”“J.ofISPRS”“RemoteSensingoftheEnvironment”5参考资料http://www.MapI（MapInfo公司）http://www.ESRI.com（美国ESRI公司）http://www.DigitalE（数字地球）/(国家基础地理信息中心)/(地理信息系统论坛）（非盈利个人网站）/（GIS帝国）/（ESRI中国）……6参考资料还有很多很多。。。博客群。。。

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里面有点啥？7主要内容包括：1、地理信息系统导论2、GIS数据的坐标与投影3、地理信息系统的数据结构4、空间数据获取与处理5、地理信息系统空间数据库6、空间分析的原理与方法7、DEM分析应用8、空间数据的可视化及制图9、地理信息系统产品的输出设计地理信息系统8第一章绪论主要内容（四部分）地理信息系统基本概念

（掌握）数据与信息；地理信息的特征；地理信息系统地理信息系统的基本构成

（掌握）5个主要组成部分：硬件、软件、空间数据、应用人员、应用模型地理信息系统的功能简介

（理解、掌握）基本功能、应用功能地理信息系统的发展透视

（了解）发展概况、基础理论、与其它学科的关系9一、数据与信息1、数据（Data）与信息（Information）既有区别又有联系：

数据是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图像都是数据，数据本身没有意义。

信息（Information）是数据的内容，它用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征。第一节地理信息系统基本概念10提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。

数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。

信息=数据+数据处理第一节地理信息系统基本概念112、信息的特点信息的客观性。与客观事物紧密相联系的；信息的适用性。信息对决策是十分重要；信息的传输性。信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备(包括远程终端)，和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。信息的共享性。信息可以传输给多个户，为多个用户共享，而其本身并无损失。第一节地理信息系统基本概念12二、地理信息与地理信息系统1地理信息地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。

地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。

第一节地理信息系统基本概念13空间分布性其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。具有多维结构的特征即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。第一节地理信息系统基本概念14时序特征十分明显可以按照时间尺度将地理信息划分为超短期的、短期的、中期的、长期的、超长期的等。这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据很重要。具有丰富的信息

GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息第一节地理信息系统基本概念15GIS中空间、时间、属性的不可分割性时间变化序列研究：空间位置固定，研究不同时间属性的变化特性；空间分布格局研究：时间固定，研究属性的分布特征和格局；变化的区域分异研究某一属性在不同时间下空间分布格局的差异。16第一节地理信息系统基本概念地理信息系统（GeographicInformationSystem，简称GIS）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。目前已经广泛地应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。17第一节地理信息系统基本概念——作为一种通用技术，地理信息系统按照一种新的方式去组织和使用地理信息，以便更有效地分析和产生新的地理信息；——同时，地理信息系统应用也改变了地理信息发布和交换的方式；——因此，地理信息系统提供了一种认识和理解地理信息的新方式，使地理信息系统进一步发展成为一门处理空间数据的学科。18空间数据输入与转换空间数据库图形与属性数据编辑制图与输出空间查询与分析GIS19通过上述分析和定义可提出GIS的如下基本概念：1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统；2）GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这些有三维要素的地理实体。3）GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。4）GIS与测绘学和地理学有着密切的关系，但可以广泛地应用到其他空间相关领域。

第一节地理信息系统基本概念20第二节GIS的基本构成一个典型的地理信息系统包括5个主要组成部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。

系统软件

系统硬件空间数据GIS用户21人员People硬件Hardware软件Software数据Data方法MethodsGIS第二节GIS的基本构成221、系统硬件GIS硬件配置一般包括四个部分：（1）计算机主机、显示器；（2）数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；（3）数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；（4）数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。

第二节GIS的基本构成23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、鼠标处理设备工作站服务器硬盘阵列存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备绘图仪终端打印机第二节GIS的基本构成242、系统软件操作系统（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应用软件用户界面GIS软件基础软件系统软件GIS第二节GIS的基本构成253、空间数据地理空间数据是地理信息系统操作的对象。栅格结构矢量结构定位拓扑关系属性第二节GIS的基本构成264、应用人员人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。包括：系统开发、系统管理以及使用人员。5、应用模型

应用模型是应用系统建设成败的关键。

第二节GIS的基本构成27第三节GIS的功能简介1、基本功能（1）数据采集与编辑（2）数据存储与管理（3）数据处理与变换（4）空间分析与统计（5）产品制作与显示（6）二次开发和编程

空间分析是地理信息系统区别于其它信息系统的重要标志。包括：1）拓扑叠合；2）缓冲区分析；3）网络分析；4）数字地形分析；5）空间集合分析；28空间数据的可视化

统计与量算规划与管理预测与监测辅助决策2、应用功能29灾害控制和分析水土保护农业决策和精细农业海洋渔业环境保护城市GIS数字地球军事国防等3、应用领域30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31应用功能32电信资源管理33铁路地理信息系统34医疗机构信息查询35公安警用地理信息系统36昌平旅游信息管理系统37盐度分布

温度分布海底地貌渔捞数据海洋渔业GIS38包含转向限制的车道拓扑l1l1l2l3l4l4l3①②③④⑤1.8km1.5km0.3km0.7kmA2A1A3A4大屯路华东路清昌平高速路昌平高速路l1l2l3l4l8l6l5l7l8l7

带有辅道的立交桥车道拓扑交通GIS—GIS-T39军用GIS40第四节地理信息系统的发展透视地理信息系统发展的科学背景——在20世纪60年代，美国麻省理工学院首次提出计算机学术术语，证明了交互计算机图形学是一个可行、有用的研究领域；——60年代初，计算机技术用于地图量算、分析和制作；——60年代中期，计算机用于辅助制图和空间分析，在数据自动采集、数据分析和显示技术领域中得到极大发展；——这些技术用于从现实世界中按照特殊应用目的采集、存储、检索、分析、传输可显示的空间信息，促成了地理信息系统技术的产生。41一、地理信息系统的萌芽

——1962年，加拿大测量学家R.FTomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建成世界上第一个运行型的GIS(加拿大地理信息系统，CGIS)，并用于自然资源的管理和规划。——CGIS在技术上取得重大突破，如地图数据的扫描输入、栅格矢量数据的转换；在系统设计上，提出空间分块、专题分层的数据结构、空间数据和属性数据相联接等思想，对以后GIS发展有重大影响；第四节地理信息系统的发展透视42——同时，D.F.Marble在美国西北大学提出了建立地理信息系统软件系统的思想；

——西北技术研究所的H.Fisher教授建立了哈佛计算机图形与空间分析实验室，开发了SYMAP（对当今的栅格地理信息系统有一定影响）、ODYSSEY软件包（矢量地理信息系统的原型）；——其他国家也展开了地理信息系统或相关技术的研究，如英国的DavidP.Bickkmore成立了实验制图部，从事计算机制图与研究。第四节地理信息系统的发展透视43二、地理信息系统的发展阶段（1）60年代为地理信息系统开拓期，注重于空间数据的地学处理。

综合来看，初期地理信息系统发展的动力来自于诸多方面，如学术探讨、新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等。

特点：这个时期，专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用，并且大多数地理信息系统工作限于政府及大学的范畴，国际交往甚少。第四节地理信息系统的发展透视44（2）70年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。这种发展应归结于以下几方面的原因：一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难，而这些都需要一种能有效地分析、处理空间信息的技术、方法与系统。二是计算机技术迅速发展，数据处理加快，内存容量增大，超小型、多用户系统的出现，第四节地理信息系统的发展透视45

尤其是计算机硬件价格下降，使得政府部门、学校以及科研机构、私营公司也能够配置计算机系统；在软件方面，第一套利用关系数据库管理系统的软件问世，新型的地理信息系统软件不断出现，据IGU调查，70年代就有80多个地理信息系统软件。

第三，专业化人才不断增加，许多大学开始提供地理信息系统培训，一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信息系统工作，如美国环境系统研究所（ESRI）成立于1969年。第四节地理信息系统的发展透视46

总体特点：

（1）地理信息系统在继承60年代技术基础之上，充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍很弱；

（2）在地理信息系统技术方面未有新的突破；

（3）系统的应用与开发多限于某个机构；

（4）专家个人的影响削弱，而政府影响增强。第四节地理信息系统的发展透视47（3）80年代为地理信息系统大发展时期，注重于空间决策支持分析。地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到了许多的学科与领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。许多国家制定了本国的地理信息发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。1）如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室；第四节地理信息系统的发展透视48

2）美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）；3）英国于1987年成立了地理信息协会。同时，商业性的咨询公司，软件制造商大量涌现，并提供系列专业性服务。最显著的特点：商业化实用系统进入市场。（4）90年代为地理信息系统的用户时代。

一方面，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行第四节地理信息系统的发展透视49设置与工作计划等。另一方面，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。

国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划；“数字地球”战略。

毫无疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。第四节地理信息系统的发展透视50三、我国地理信息系统的发展我国GIS的发展虽然较晚，经历了三个阶段，即起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段。（1）以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志。

在几年的起步准备阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。第四节地理信息系统的发展透视51（2）地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划开始。GIS研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作:如全国性地理信息系统（或数据库）实体建设、区域性或城市地理信息系统、GIS基础软件或专题应用软件的研制和教育培训。通过近五年的努力，在GIS技术上的应用开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了实际的效益。第四节地理信息系统的发展透视52

（3）自90年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。

在这一时期，执行GIS和遥感联合科技攻关计划，强调GIS的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化。第四节地理信息系统的发展透视53这期间的主要研究及发展的领域有：重大自然灾害监测与评估系统的建设和应用；重点产粮区主要农作物估产；城市地理信息系统的建设与应用；建立数字化测绘技术体系；国家基础地理信息系统建设与应用；专业信息系统与数据库的建设和应用；基础通用软件的研制与建立；地理信息系统规范化与标准化；基于地理信息系统的数据产品研制与生产；经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。第四节地理信息系统的发展透视54

四、国内地理信息系统的应用从应用方面看，地理信息系统已在以下方面应用：资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产；交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发；自然灾害的监测与评估、金融、保险；石油与天然气、军事、犯罪分析；运输与导航、110报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。第四节地理信息系统的发展透视55一批地理信息系统软件已研制开发成功（如MapGIS，SuperMap，GeoSTAR，CityStar等；一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立。此外，还成立了“中国GIS协会”和“中国GPS技术应用协会”等。第四节地理信息系统的发展透视56第四节地理信息系统的发展透视五、GIS的发展态势当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下主要发展态势：（1）GIS已经成为一门综合性技术它与全球定位系统（GPS）、遥感（RS）相结合构成“3S”集成系统，与CAD、多媒体、通信、因特网、办公自动化、虚拟现实等多种技术相结合，构成综合性的信息技术。所有这些技术的融合发展都可以应用于公路规划、公路设施管理、车辆导航与信息监控等领域。57（2）GIS的产业化发展势头强劲由于GIS是一项关系国家综合竞争实力的高新技术，其产业化的发展受到世界各国的普遍重视。我国的GIS产业化已经被列为国家信息产业中的重要发展方向，在数据生产、GIS软件产品以及应用方面作了大量工作。产业化的发展为GIS在交通、公路工程、选线设计等领域的应用提供了信息与技术平台服务。第四节地理信息系统的发展透视58（3）GIS网络化已经成为当今社会热点Internet技术的发展为GIS的网络化发展提供了新的发展契机，为GIS的空间数据共享、分布式处理、基于网络的GIS空间分析、空间模拟提供了可能性。网络化GIS的发展使车辆监控、紧急救援、车辆调度、公路交通安全控制等成为可能。第四节地理信息系统的发展透视59第五节GIS与其它学科技术的关系

地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的特点，这些交叉的学科包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科。

目前数据库技术(DBMS)、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制图(CAM)和计算机图形学(ComputerGraphics)软件包已被许多GIS研究者所采用，但这些系统不是为地理意义而设计的，无法取代GIS的作用。6061

1、GIS有别于DBMS（数据库管理系统）GIS具有以某种选定的方式对空间数据进