地理信息系统导论

地理信息系统导论

地理信息系统概念地理信息系统内部关系（研究、技术和产业）地理信息系统和3S的关系地理信息系统应用现状地理信息系统发展前景一、地理信息系统概念与GIS相伴的一天动力来自能源公司。能源公司所有生产设施、如输电设备、建筑物等通过GIS来管理；自来水公司利用GIS及相关模型对辖区内用户的用水量进行预测，确保用户正常用水；上班途中利用GIS来计算最佳线路；利用人口GIS、统计GIS准确锁定目标群体，针对性的营销。商业购物，商业选址、物流安排等。提高效益。购房、旅游等。公园选址辅助决策什么是GIS地理信息定义：地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息,它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。什么是GIS？地理信息系统(GIS,GeographicInformationSystem)是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。什么是GIS？由计算机系统、地理数据和用户组成的，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。

--陈述彭等（1999，地理信息系统导论）

Geographic

InformationSystemGSI91.2GIS与地图地图是GIS的原型。GIS以计算机技术为基础。GIS中地理要素和描述它的属性相联系。地理要素与属性间的联系是动态的。1.3地理信息系统与其它系统的区别和联系（1）、GIS与一般MISGIS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。（2）、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)。151.4GIS能解决的问题定位(Location)：对象在何处？条件(Condition)：哪些地方符合……特定的条件？趋势(Trends)：从何时起发生了哪些变化？模式(Patterns)：对象的分布存在何种空间模式？模拟(Modeling)：如果……将如何？

地理信息系统主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题，包括：1）分布式计算；2）地理信息的认知；3）地理信息的互操作；4）比例尺；5）空间信息基础设施的未来；6）地理数据的不确定性和基于GIS的分析；7）GIS和社会；8）地理信息系统在环境中的空间分析；9）空间数据的获取和集成等等。研究什么中国地质大学信息工程学院晁怡1.5GIS的组成硬件软件数据人员方法硬件数字化、解析测图仪、扫描仪遥感处理设备、GPS、测绘仪器等

计算机硬盘光盘等存贮处理

打印机绘图仪显示终端等输出

服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络输入

功能硬件配置GIS基本构成软件GIS软件提供所需的存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有：输入和处理地理信息的工具数据库管理系统(DBMS)支持空间查询、分析和可视化的工具使用这些工具的图形化界面(GUI)

操作系统（系统调用、设备运行、网络管理等）（Windows，Unix，Linux）系统库（编程语言、数学库等）（mfc，math.h）数据库系统软件（Oracle，Sybase，SQLSever）GIS基础软件平台GIS应用软件平台操作系统软件基础支撑软件GIS功能软件GIS基本构成方法虽然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，必须构建专门的方法。比如土地利用适宜性、公园选址、洪水预测、水土流失等。这些方法是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证，因此在GIS技术中占有十分重要的地位。

1.6地理信息系统的功能由计算机技术与空间数据相结合而产生的GIS这一高新技术，包含了处理信息的各种高级功能，但是它的基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出。GIS依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发环境等，演绎出丰富多彩的系统应用功能，被广泛地应用于资源管理、区域规划等领域，满足用户的广泛需求。基本功能（1）、数据采集与编辑图1-3-4GIS数据采集流程图1-3-3GIS数据分层概念GIS数据属性数据空间数据空间关系数据空间位置数据（2）数据存储与管理涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。（3）、数据处理和变换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）空间查询和分析图1-3-5空间查询图1-3-6叠加分析缓冲区建立

缓冲区分析是指以点、线、面实体为基础，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形图层，然后建立该图层与目标图层的叠加，进行分析而得到所需结果。它是用来解决邻近度问题的空间分析工具之一。网络分析网络模型是运筹学中的一个基本模型数字地形分析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。空间分析矢量数据的空间分析、栅格数据的空间分析、三维分析、空间统计分析、水文分析以及空间分析建模、路径分析、拓扑分析5.数据显示与输出二.GIS内部关系（科学和技术、产业）地理信息系统（GIS）是在地理尺度范围内，对模式和过程进行描述、解释和预测。GIS是一门科学技术，也是一门解决问题的学科和方法。将GIS作为一种通向科学和解决问题的方法。（所谓的GIS为地理信息系统和“科学”），并且将用于处理地理信息的软件与指导应用的科学原理相结合。GIS一直以来非常重要。原因是：数据往往为中心坐标，采用处理空间数据的专业技术和空间分析方法，由地理信息（ＧＩ）处理引发很多特殊的管理问题。GIS已经成为一门专业技术，并且GIS的基本操作已经成为对真实事件进行测量、制图和分析的基础。地理信息科学为我们提供了基于GIS进行分析的一种能力。从根本上讲，GIS是一种应用技术，而科学是其成功应用的基础。地理信息的价值体现在他所表现的区域范围、多样化的表现能力、定义的真实性以及可用性。GIS产业发展

应用领域已经涉及国民经济各个行业；应用层次从数据管理、查询统计向辅助决策、智能化发展。GIS平台电子政务应急救护导航定位

覆盖国民经济的各行各业应用解决方案地理信息服务数据农业资源环境军事航天…………国外主流GIS软件

ESRI:ArcGIS，ArcViewIntegraph:MGE(ModularGISEnvironment),GeoMediaMapInfoSmallWorld国内主流软件：中国地质大学（武汉）：MapGIS武汉大学：GeoStar中科院地理所：SuperMapGeoWay技术驱动计算机技术的发展应用驱动与地理因素相关的事物多80％的信息与空间位置相关数据驱动数据获取能力的增强2.2GIS是怎样产生的人口过剩环境污染森林破坏自然灾害流行疾病找工作寻找最合适某种作物生长的土壤查找最佳行车路线……利用计算机来对地图进行管理和应用的软件系统三.地理信息系统和3S的关系地球空间信息学范畴卫星定位与定轨遥感信息传输目标提取与识别(自动化、智能化)数据处理(高光谱、高分辨率、雷达)分发多源数据融合与集成遥感成像机理与模型用户各应用部门资料来源：李德仁院士报告《21世纪遥感与GIS的发展》GIS有什么重要意义第一次接触GIS的人会问：地理信息为什么会这么重要？为什么空间位置具有特殊性？

一个主要的原因，几乎所有的人类活动和决策都包含了地理的内容，并且地理内容还十分重要。另一方面：地理信息工作中包含复杂、困难的、甚至独一无二的选择。地理信息系统的重要性(1)几乎所有的事情的发生都和位置有关。--几乎所有的事情的发生都有地点，知道某件事情发生的地点十分重要。位置重要性使其成为必须解决的问题之一。生活中与位置相关的问题十分普遍，以至于我们忽略了他们的存在。地理问题分为两类：一类是解决问题时需要位置信息，另一类是本身需要解决位置问题。中国地质大学信息工程学院晁怡

(2)对于任何GIS项目来说，地理细节的尺度（scale）或层次（level）都非常重要的性质。第一，从尺度上进行分类，或者说是从地理细节程度上进行分类。建筑设计可以表现为地理问题，就像灾害管理问题一样。但这个问题只发生在非常详细或局部的范围内。完成这个建筑设计所需要的信息也必须是局部的。如土地的尺寸或形状。建筑物高度和地下范围、地面倾斜度，以及常规和应急基础设施的可用性。而03年的“非典”（sars）的传播和04年的禽流感的流行都是发生更大范围内的问题，设计整个国家的人口信息和全球交通传播信息。第二：对地理问题基于不同的目的进行分类。

有些问题以因应用为目的，这些问题必须以最小的投入尽快解决。而另一些问题表现出受人类求知欲望驱动的特征。当地理数据用来验证大陆漂移理论、绘制冰川堆积物分布图以及分析人口迁移历史时，则是为了提高人类对世界的认知，因而不必立即解决，这就是常说的科学目的。（3）GIS能够将普遍规律与具体应用有机的结合，以便有效的解决问题，这是GIS最重要的价值之一。相对于特定知识而言，科学更加重视普遍性知识，因此相对于形态知识而言，科学更加重视过程知识。如：要想有效评估澳大利亚新南威尔士地区的土壤侵蚀对农业的影响。就要知道坡度是如何影响土壤侵蚀的，陡坡情况及其分布。新南威尔士地区进行的土壤侵蚀评估就是很好的例子。解决这一问题的人GIS设计包括：以计算机地图形式存储的新南威尔士地区的坡度信息，以及体现坡度如何影响土壤侵蚀的GIS执行程序。GIS软件获取并应用一般性知识，GIS数据库表达了具体的信息。GIS通过对两方面的适应，解决了专题地理学和普通地理学之间的争论。四.地理信息系统发展国际上GIS的发展状况1.起步阶段（60年代），（GIS思想和技术方法的探索）注重空间数据的地学处理。图形、存储设备的局限GIS概念提出、算法发展与完善1963年，开始建立加拿大地理信息系统（CGIS)1969年，ESRI（环境系统研究所）建立1969年，Integraph公司建立机助制图能力较强基于栅格的操作方法60年代中后期，很多与GIS有关的组织成立最初的系统主要用于城市和土地利用，如最早的GIS系统，加拿大的CGIS于1963年开始实施，72年建成2.发展阶段（70年代），（空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理的优化）磁盘的出现为数据的存储、检索和输出提供有力手段图形、图像卡的发展增强了人机对话和显示功能出现GIS基础平台商品化软件开始大量GIS应用研究，国内外技术交流发达国家相继建设各种专题、规模、类型的GIS

遥感开始纳入GIS3.推广应用阶段（80年代），（注重空间决策支持分析）应用更加广泛，取得了一系列进展

1981年，ESRI公司的ARC/INFOGIS发布1986年，SPOT卫星首次发射

1987年，地理信息系统的国际杂志出版

1988年，美国人口调查局第一次公开发布TIGER1988年，《GISWorld》首次发行

1989年，Intergraph发布MGE

栅格扫描输入、遥感图像处理等技术取得突破

GIS走向发展中国家

GIS走向多学科领域微机地理信息系统蓬勃发展4.用户时代（90年代后），（注重GIS社会应用与服务）组件式GIS成为发展方向

WebGIS蓬勃发展三维GIS崭露头角高分辨率的图形显示设备和高质量的图形输出设备（高分辨率彩显、喷墨绘图仪）计算机及手机的普及深入到各行各业国家级乃至全球性的地理信息系统成为关注焦点开拓起步机助制图CGISSYMAP巩固发展人机图形交互DIME编码资源环境应用茁壮发展PCArc/InfoNCGIA成立GIS软件商品化应用普及WebGISGIS互操作虚拟GIS社会服务网格GIS移动GIS发展历程20世纪60年代90年代2000年80年代70年代内涵演绎GIScienceGISystemGIService4.2地理信息系统的应用随着信息技术的发展和GIS理论、技术方法的进步，GIS的应用早已渗透到人类生活的许多方面。到目前为此，GIS在如下几个方面得到了普遍的应用，取得了明显的经济效益和社会效益。①专题地图制图②矿产资源评价③环境评价与监测④土地、水资源调查与管理

⑤资源开采⑥管网、交通模拟模型⑦导航系统⑧城市规划⑨教练与模拟⑩辅助决策（1）资源管理资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划以及水资源的时空分布特征研究等。（2）区域规划GIS软件帮助政府部门完成总体规划、分区、现有土地利用、分区一致性、空地、开发区和设施位置等分析工作。（3）

国土监测GIS方法可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。（4）

辅助决策利用GIS迅速有效管理空间数据，进行空间可视化分析，确定商业中心位置和潜在市场的分布，寻找商业地域规律，研究商机时空变化的趋势，不断为企业创造新的商机。

典型的应用领域表明了GIS应用的范围：1)政府和公共服务。2)商业和服务规划。3)物流和交通4)环境政府和公共服务财产清单应用（在地图上点击来确定资产信息，台所有权、税收评估等）政策分析应用（如每个地区的特征数量与土地利用的接近度、从口统计特征与地质特征的相关性）管理/政策制定应用（如更有效的道路设计、模型选择，预测将来的需求，进行工作安排）经济发展主要企业的位置和它们首要的资源需求对本地潜在供应商提供的资源进行分析把本地供应商的可用性信息告知企业运输和线路服务按地区确定环卫卡车的路线、容量和职工；确定垃圾掩埋和循环回收点分析某些地区发展的潜在容量压力；根据地点类型分析事故模式根据诸如已有运输能力等标准，确定理想的高密度发展区住宅编制住宅信息清单：如使用年限、条件、状态（公共的、私人的、租赁的）、耐用性、人口统计信息等分析地域住宅的公共支持，从低收入区到所需服务设施的驾车时间等住宅增值的投资分析，相关公共设施的定位；根据人口增长预计规划住宅的资金投资基础设施对道路、人行道、桥梁、公用设施编制清单（如位置、名称、情况、建筑和最近的维护等）根据人口统计变量如收入和人口变化等，来分析基础设施的情况分析维护和扩展计划健康具有特定健康问题的人群的分布位置疾病传播的时空分析；环境条件对疾病的作用分析并查明可能的疾病源税收地图利用土地标记识别所有权数据根据离市中心不同距离的土地利用，来分析税收收入评估由于土地利用变化引起税收收入的变化公共服务对存在多个社会风险的地区编制清单；用来应对这些风险的现有设施和服务的定位对服务设施数量和公共事业的需要及附近居民的数量之间的匹配情况进行分析设施定位、公交路线安排、项目规划以及基于位置的社会服务表2-1地方政府中的GIS应用（来自O’Looney2000的简化版）法律执行警局位置、犯罪、资产、罪犯和受害人等资料的编制；巡逻区划分和巡逻车的路线安排；警报和安全系统的定位警察可见度和到场分析；依据犯罪活动密度配置警员；关于市民人口的受害模式分析；警察经验和指挥职责匹配把警察资源和设施重分配到最能发挥效率和作用的地区；建立随机路线图以减少对警察巡逻路线的预见性土地利用规划编制土地利用清单，如范围、漫滩、工业园、土地使用状况、树木、绿地等每种类别土地利用百分比、各地区的密度水平、对居住区适宜性的威胁、本地多余的土地的可能利用根据附近的人口统计特征评估土地利用规划（如工业工厂是否建在呼吸病医院的上风处？）公园和休闲场所公园财产/游玩景点，路线等的总量分析人们去公园和休闲场所的几率、年龄与游玩景点的相关度依据人口增长预计未来的休闲需求以及游玩景点使用环境监测依据涉及的重要资源（如地下水）对环境的危害的总量；非点状污染源的层次分析分析传播速率和累计污染水平；分析某个地区由于环境危害导致寿命减少的年数建模分析环境灾害对特定区域的危害；分析具体地方的多层次减污计划应急管理紧急疏散路线的规划，疏散路线的交通容量及主要的危险点（如对地震而言可能是桥梁）的分布分析不同规模的紧急事件对疏散路线、交通流量等的潜在影响建模分析在特定位置设置相关设施的作用及分析特定区域的相应能力居民信息和地理人口统计特定人口统计特征的人群位置，例如投票模式、服务使用和偏好、往返路线、职业等分析特定地区的投票特征建模分析在特定位置建立信息亭的作用4.3国内外GIS专业课程设置简介GIS教育机构大学全球有500多所学院和大学开设了GIS课美国约有300多所大学设有地理系我国约有100所高校开设GIS专业研究所大学联合体欧洲的UNIGISUCGIS（美国GIS大学联盟）我国的高校GIS论坛（教育部科技司与十所高校联合主办，每两年一届）UNIGIScoursesSpatialDataDatabaseTheoryGeodataSourcesGISandOrganisationsSpatialThinkingVisualisationofSpatialDataProjectManagementApplicationsDevelopment