第一章城市信息系统概述

引言引例本课程的目标与任务城市地理信息系统相关技术计算机技术，CAD技术数据库及数据库管理系统DB&DBMS地理信息系统GIS城市地理信息系统的应用城市规划与规划管理城市土地管理城市交通（一）一些引例用地评价

道路影响分析RealTimeTrafficReportMapDisplayonNavigationScreen:

AvailableontheInternetandviaWirelessServicessuchasOnStar:

Roadconstruction.RoadwayreducedtoonelaneonNEWFLORISSANTRDSouthandI-70

Impact:

ReportTime:2:29PM

Estimatedcleartime:January31st

OperatorInfo:SOUTHBOUNDFLORISSANTROADFROMEVANSLANETOTHEUMSLENTRANCERESTRICTEDTOONELANEFORROADCONSTRUCTION.#RExampleofITS(IntelligentTransportationSystem)output.DatumsuppliedbyTeleAtlasInc..RealtimetrafficreportedbytheMissouriDOT.（二）课程介绍课程的目标与任务培养城市规划专业学生的城市空间表达思维、空间量化分析方法、空间数据管理技术讲授地理信息系统（GIS）基本概念、理论及软件使用讲授GIS技术在城市规划与规划管理中的应用相关论坛GIS帝国论坛(/bbs)蓝色星梦网（/bbs）GIS论坛（/bbs/）城市规划论坛

(/cupbbs/index.php)中国交通技术论坛(/bbs/)课程的组织概述UIS的数据源及组织方式UIS的数据结构数据查询空间扩展分析叠置分析网络分析三维分析UIS发展讨论教材及参考书黄正东等《城市信息系统》蓝运超、黄正东、谢榕《城市信息系统》，武汉大学出版社，2002张新长、曾广鸿、张青年（2001）城市地理信息系统邬伦等（2001）地理信息应用系统：原理、方法与应用阎正等（1998）城市地理信息系统标准化指南宋小冬、叶嘉安（1998）地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用郝力（2002）城市地理信息系统及应用Huxhold,W.E.(1991)AnIntroductiontoUrbanGeographicInformationSystems.考核方式课堂参与(participation)10%上机实习(practice)30%笔试(papertest)60%本课程的课外交流交流邮箱：1602594381@网络教学平台

http:///网络资源软件供应商：ESRI()MapInfo()Intergraph()中地MapGIS()吉奥GeoStar()超图SuperMAP()GIS论坛GIS帝国（/bbs/）蓝色星梦网（/bbs）GIS论坛（/bbs/）预备知识计算机基本知识Computer编程基础Programming数据库原理Databaseprinciple计算机辅助设计技术（CAD）（三）城市地理信息系统相关技术3.1计算机基本知识硬件：计算机构成计算机网络软件：操作系统文字/表格/数据库软件图形软件IT时代的特征：网络3.2计算机辅助设计（CAD）典型代表：AutoCAD坐标系统：笛卡尔平面坐标系（Cartesiancoordinatesystem）非地理坐标系统(Geographiccoordinatesystem)平面图形要素：点、线、面立体图形要素：三维坐标CAD的概念及应用平面及立体图形设计系统城市规划设计图、施工图、机械制造设计图、工业设计图对地形、地理投影的处理能力弱对属性的管理能力弱，但…

→AutodeskMap发布后，得到了很大改善3.3数据库Database数据库基本概念（Database）具有某种共同特征（属性）的数据集合建立在数据模型的基础上层次、网络、关系、面向对象传统数据库以非空间数据的应用为主体，近二十年来，空间数据库开始应用eg：银行、售票、图书、学籍、项目审批、土地利用、公共交通…数据库的起源早期的文件系统表格处理软件spreadsheet,excel数据库database层次模型数据库hierarchicaldatabase网络模型数据库networkdatabase关系模型数据库relationaldatabase面向对象模型数据库object-orienteddb数据库管理系统Databasemanagementsystem数据库管理系统（DBMS）数据库的“管家”DatabaseMangementSystem提供各类数据库管理工具数据库结构定义界面数据输入、输出功能及界面设计数据查询、统计定义设计及界面数据更新、数据关系的约束数据安全性控制功能：软件商提供或用户自定义数据库管理系统Oracle------甲骨文Sybase------SQLserver------微软MySQL---------微软Access--------微软Foxbase-------foxproInformix---用的很少DBMS例子：OracleDBMS例子：Access查询Query查询的要素：数据库查询条件查询界面输出界面数据库的应用模式数据管理datamanagement录入input修改modify存档archiving保密security安全safety查询统计query(retrieve)andstatistics输出reporting查询界面统计界面SELECT通话日志.通话纵队AS纵队编号,Count(*)AS总通话次数FROM通话日志GROUPBY通话日志.通话纵队;3.4地理信息系统（GIS）GIS的要素地理数据地球投影：圆锥、圆柱、平面分类表达：地形要素信息系统空间数据库计算机系统数据管理分析软件GIS构成数据输入Datainput数据库Database数据操作Datamanipulation查询分析QueryandAnalysis输出与可视化OutputandVisualization结构化查询语言(SQL)StructuredQueryLanguage(SQL)用途：所有数据库的标准化查询语言基本结构Select<字段>From<表格>Where<条件>对于空间数据库的查询，有一些空间限定条件，如intersect(obj1,obj2)WhatisaGIS?Asystemofhardware,softwareandproceduresdesignedtosupportthecapture,management,manipulation,analysis,modelinganddisplayofspatiallyreferenceddataforsolvingcomplexplanning,managementandresearchproblems.硬件、软件、过程体系，实现对空间数据的获取、管理、操作、分析、建模及展示，解决规划、管理及研究中的复杂问题。Id Pop HH305 20,838 5,934306 74,293 21,893... ... ...Id Type Staff156 RPH 17157 General 47... ... ...305306304303302154156157160155158159普查单元医院图形及属性的关联相关名词术语TermsGeographic(al)InformationSystemSpatialInformationSystemLandInformationSystemEnvironmentalInformationSystemAutomatedMapping/FacilitiesManagementGeographicalInformationSciencesSpatialAnalysisDesktopMappingGIS建立在一系列专业基础上GeographyCartographyRemoteSensingPhotogrammetrySurveyingGeodesyStatisticsOperationsResearchComputerScienceMathematicsCivilEngineeringGIS和其它信息系统有关软件Access数据库管理系统ESRIArcGIS软件MapInfoGIS软件软件的使用要点了解功能熟悉界面掌握数据管理与数据组织方法，如ArcGIS:Shape/Coverage/GeodatabaseMapInfo：Table（四）城市地理信息系统的应用城市规划与规划管理城市土地管理城市交通城市规划基础资料整理、分类及管理分类信息查询及显示相关的空间分析用地适宜性评价地形分析拆迁量分析、距离分析图形输出规划决策支持系统datacollection数据源

Datasources数据管理

DataManagement数据分析

Dataanalysis现实世界Realworld用户Usersdataretrieval,manipulationdatainputtakeactioninformationfordecisionmakingGIS用于规划和政策分析

(GISinplanningandpolicyanalysis)城市规划管理规划管理程序：一书两证：选址意见书、用地规划许可证、工程规划许可证规划审批：确定建设项目规划与现有环境的空间关系规划成果管理各级规划成果图纸规划成果信息系统规划成果公示土地管理信息系统一般理解为对地籍的管理地籍：宗地与权属（法律效力）多用途地籍：征税（不动产税收）可提取用地性质、人口分布、建筑信息宗地（parcel）为基本的空间实体，GIS系统可进行管理美国密沃基市网上地图查询系统城市交通信息系统道路系统道路交通：车道、交叉口、车速、车型、单行道、拥挤状况、临时管制公共交通：线路、站点、换乘指南、临时线路私人交通共乘系统（Rideshare，拼座）第一章概论第一节地理信息系统的产生信息时代以信息资源的科学管理和充分利用为特征。它必将要求地理学的高度现代化，既要求为国土整治、流域开发、区域规划等提供宏观的辅助决策信息，又要为地学工程提供微观辅助设计的具体数据，因此，对地理信息或资源环境信息（R-E）的采集、管理和分析，提出了更高的要求，可以说，地理决策的科学性，取决于对地理信息获取和分析的技术水平。这就是地理信息系统(GeographiclnformationSystem，简称GIS)必然产生的历史背景。一、地图和空间信息地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能。传统地图的不足：原始数据必须大大压缩或分类，才能使地图易于理解和表示，因而损失掉许多细部特征；比例尺一定时，一个大面积制图区域，需用多幅地图描绘，经验证呢人们感兴趣的部分有时恰恰落在多幅地图的接边地带；一旦数据表示于地图后，要从中恢复某些数据以便与其它空间数据组合分析时显得很困难；印刷地图是静态定性资料，如要为特殊目的进行定量空间分析时，难以凭借新收集的信息。生产周期长。二、计算机地图制图地图制图领域使用计算机优点在于：1、能更快更便宜地生产现有地图；2、能生产特殊用户需要的地图；3、能在缺少技术人员的情况下生产地图；4、允许同样的数据进行不同图形表示的实验；5、易于进行统计分杨令6、改变了仅以印刷地图当作空间数据密储介质的现状，增大了信息载负量；因而减少了数据压缩分类和数据综合对质量的影响；7、能生产手工方法难以生产的地图，如三绝地图、立体地等；8、能生产那些已确定地图内容取舍原则而连续生产的地图；9、自动化的引入能导致整个地图生产过程的工艺革新、工时节省和技术改进。三、地理信息系统GIS地图制图计算机地图制图测量和航测用专题地图的栅格数据进行空间分析点数据的内插遥感技术云南省边防武警信息系统

武汉市供水管网信息系统

咸宁市防汛信息系统

第二节GIS的基本概念1、信息和地理信息1）信息和数据a、信息的概念信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示时间、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）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。1）客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正

确性和精确度的保证；2）适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同

的。信息系统将地理空间的巨大数据流收集，组

织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产

管理和决策具有重要意义的有用信息，这是由建立

信息系统的明确目的性所决定的；3）传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的

传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。4）共享性：信息与实物不同，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。b、信息的特征：C、数据的概念：是一种未加工的原始资料、数字、文字、符号、图像都是数据D、信息和数据的关系：

有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然。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。只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。

例如独立的“1”、“0”均无意义。当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息；当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。2）地理信息的概念地理信息：是对地理数据的解释，详细地说地理信息是有关地理实体的性质、特征及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。地理数据从以下几方面描述自然界的物体：一定坐标系中的位置；与位置无关的属性(如岩性、地价、跟值等)；相互间的空间关系(拓扑关系)，这种关系描述物体问是如何连接在一起的，或一物体如何在其它物体间移动。3）地理信息的特征

a.地域性：

地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。这是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志；b.多维结构：

在二维空间编码基础上，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。c.时序特征：

时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。以免过时的信息造成决策的失误或因为缺少可靠的动态数据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。2、信息系统1）信息系统的概念及基本组成

从适用于不同管理层次的角度出发，信息系统分为：事务处理系统如：图书管理系统、各种定票系统等。决策支持系统为了有效对信息流进行控制、组织管理，实现双向传递，需要通过某种信息系统。它能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统，具有采集、管理、分析和表达数据的能力。由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。2）分类3、地理信息系统1）概念GIS——以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统对于不同的部门和不同的应用目的，其定义也不尽相同

1）美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。

2）加拿大的RogerTomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。

3）Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。

4）Burrough认为“GIS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）俄罗斯学者也把GIS定义为“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”。

6）美国国家地理信息与分析中心给出的定义：“GIS为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统”。

7）英国教育部认为：“GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。(1)GIS的物理外壳是计算机化的技术系统。该系统又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、可视化表达与输出子系统等。这些子系统的构成直接影响着GIS的硬件平台、系统功能和效率、数据处理的方式和产品输出的类型。

(2)GIS的对象是地理实体。地理实体数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述。GIS以地理实体数据作为处理和操作的主要对象，这是它区别于其他类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。

(3)GIS的技术优势在于它的混合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。其中，通过地理空间分析可以产生常规方法难以获得的重要信息，实现在系统支持下的地理过程动态模拟和决策支持，这既是GIS的研究核心，也是GIS的重要贡献。

2）特征具有采集、管理、分析和输出多种空间信息的能力以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析和动态预测的能力，并产生高层次的地理信息。由计算机系统支持进行空间地理数据的管理、处理及分析。3）分类根据内容分：专题地理信息系统区域地理信息系统地理信息系统工具根据区域范围分： 全球性地理信息系统 区域性地理信息系统根据使用的数据模型分： 矢量信息系统栅格信息系统混合型信息系统4）地理信息系统与其它系统的区别和联系

从操作、管理的信息种类的不同，信息系统又可分为企业、事业管理信息系统、财务管理信息系统等一般管理信息系统(ManagementInformationSystem,MIS)和空间信息系统(SpatialInformationSystem,SIS)。空间信息系统采集、管理和分析的对象是空间信息，而地理信息系统就是一种十分重要的空间信息系统信息系统分类a、GIS与一般MIS

GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）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。

如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。GIS与CAD/CAM

管理了图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如计算机辅助设计(ComputerAdidedDesign，ＣＡＤ)，计算机辅助制图(ComputerAdidedMap，ＣＡＭ)。它们之间的异同点如下第三节GIS的发展概况1、国际发展概况开拓期巩固发展时期技术大发展时期应用普及时代2、国内发展状况1）准备阶段（70年代）2）试验阶段（80年代）3）发展阶段（1986年到1995年前后）4）产业化阶段（96年后）3、GIS的发展趋势1）集成系统（1）多学科专业的综合型系统（2）数据获取、定位、分析集成系统2）智能化系统3）标准化系统4）网络化系统4、当代地理信息系统技术上的几个热门研究领域：面向对象技术与GIS真三维GIS和时空GISGIS应用模型InternetGISGIS与专家系统GIS与虚拟现实技术的结合GIS与GPS、RS的进一步集成GIS与CAD的集成并行处理技术在GIS中的应用

第四节地理信息系统的构成

一个实用的GIS系统，要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其基本组成一般包括以下五个主要部分：一、系统硬件:包括各种硬件设备，是系统功能实现的物质基

础；二、系统软件:支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的

计算机程序系统；三、空间数据:系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础四、应用人员:GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、

维护、管理和更新的高级用户；五、应用模型:解决某一专门应用的应用模型，是GIS技术产

生社会经济效益的关键所在1、硬件系统1）计算机主机2）输入、出设备：数字化仪、绘图仪等3）网络设备：包括布线系统、网桥、路由器和交换机等4）存储设备：光盘刻录机、活动硬盘等2、软件系统计算机系统软件地理信息系统软件 数据的输入和检验、数据存储和管理、数据变换、 数据输出和表示、用户接口应用分析程序3、地理空间数据三种数据类型： 几何坐标 空间相关性 与几何位置无关的属性 定性：名称、类型、特性等 定量：包括数量和等级4、系统管理操作人员第五节GIS与相关学科及技术的关系GIS地理学计算机科学软件工程数据库技术计算机图形学专家系统计算机辅助设计制图技术数学和统计学遥感技术摄影测量学第六节地理信息系统的功能和应用一、基本功能:数据采集与编辑数据存储与管理数据处理和变换空间查询和分析数据显示、输出1、数据采集与编辑

地理信息系统的数据通常抽象为不同的专题或层(图1-3-3)。数据采集编辑功能就是保证各层实体的地物要素按顺序转化为X、Y坐标及对应的代码输入到计算机中，各类数据的转化和输入方法如图1-3-4所示。2、数据存储与管理

数据库是数据存储与管理的最新技术，是一种先进的软件工具。GIS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。由于GIS数据库具有数据量大，空间数据与属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能除了与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：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。3、数据处理和变换

由于GIS涉及的数据类型多种多样，同一种类型数据的质量也可能有很大的差异。为了保证系统数据的规范和统一，建立满足用户需求的数据文件，数据处理是GIS的基础功能之一。数据处理的任务和操作内容有：1)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；2)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；3)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。4、空间查询和分析

空间查询和分析功能是GIS的一个独立研究领域，它的主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系，它不仅已成为区别于其他类型系统的一个重要标志，而且为用户提供了灵活地解决各类专门问题的有效工具。1)空间查询：空间查询是GIS最基本的功能，包括已知属性查图形，已知图形查属性及多种条件的综合查询；2)拓扑叠加：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；3)缓冲区建立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。它是GIS重要的和基本的空间分析功能之一。例如规划建设一个开发区，需要通知一定范围内的居民动迁；在林业规划中，需要按照距河流一定纵深范围来确定森林砍伐区，以防止水土流失等等；

4)网络分析

网络分析是GIS空间分析的重要组成部分。网络模型是运筹学中的一个基本模型，例如在城市各街道区建立图书馆、医院等公共设施，希望各居民住家能到这些设施的路途最短，而在建立消防站、救护车站时，需要路途最短，花费时间最少等。5)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。5、数据显