第10章-地理空间信息的应用-GIS讲座

地理信息系统GIS

GeographicInformationSystem合肥工业大学土木学院高飞10三月2024地理信息系统GIS建库10三月2024

2什么是地理信息系统—GIS

GIS的概念框架

GIS的定义、理解和框架体系结构

GIS的基本内容

GIS技术涉及的基本内容

GIS的组成硬件、软件、空间数据、管理人员

GIS的功能基本要求、具体功能：数据采集、传输、管理和应用

GIS的特性与相关学科

GIS的学科树、GIS与相关系统区别和联系

GIS的应用领域

GIS应用与3S集成技术10三月2024

3一、GIS的概念框架

——GIS起源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，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。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。

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4一、GIS的概念框架

GIS定义——定义类型面向功能的定义：GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。面向工具箱定义：GIS是一组用来输入、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。这种定义强调GIS提供的用于处理地理数据的工具。

面向数据库定义：GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。面向专题应用定义：根据GIS应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统。10三月2024

5一、GIS的概念框架

——GIS定义（1）

GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据采集、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。—美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）10三月2024

6一、GIS的概念框架

——GIS定义（2）GIS是在电子计算机软件和硬件的支持下，运用信息科学、管理科学，对空间地理信息进行综合处理、分析和应用的信息系统。GIS——GeographicInformationSystemGIS是计算机科学、地理学、测绘学、地图学等多门学科综合技术应用的一门边缘学科10三月2024

7一、GIS的概念框架

——GIS定义框架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10三月2024

8一、GIS的概念框架

——对GIS的理解（1）GIS的物理外壳是计算机的技术系统数据采集系统、数据管理系统、数据处理和分析系统、可视化表达与输出系统等组成，影响着GIS硬件平台、系统效率和功能、数据处理方式和产品类型。GIS的操作对象是空间数据地理数据—属性数据、几何数据、时间数据。GIS能对空间数据进行有效管理，是GIS区别于其它信息系统的根本标志，也是技术难点之一。10三月2024

9一、GIS的概念框架

——对GIS的理解（2）GIS的技术优势在于它的空间分析能力

GIS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、强大的图形处理和表达、空间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得的重要信息，这是GIS的重要贡献。GIS与地理学、测绘学联系紧密地理学是GIS的理论依托，为GIS提供有关空间分析的基本观点和方法。测绘学为GIS提供各种定位数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。

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10一、GIS的概念框架

——GIS在信息系统中的位置信息系统非空间信息系统专题地理信息系统地理信息系统非地理信息系统管理信息系统综合地理信息系统CAD/CAM空间信息系统地籍GIS交通GIS资源与环境GIS规划与管理GIS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10三月2024

11二、GIS基本内容——（1）美国地理信息与分析中心GIS教学大纲一、概论

引言、硬/软件、栅格GIS、数据获取、空间数据性质、空间现象及关系、GIS功能、栅格/矢量数据模型对比与相关问题二、GIS技术问题坐标系统与地理编码、矢量数据结构与算法、栅格数据存储、关于地表的数据结构及其算法、客体与时间、数据库、误差模拟与不确定性、可视化技术三、GIS应用

GIS应用领域、决策支持、系统规划、系统实现、GIS发展趋势10三月2024

12二、GIS基本内容——（2）GIS教学大纲一、概论GIS定义与历史、作为商品的数据与信息、GIS应用潜力二、GIS制图与空间分析空间数据类型、地理参考、地图投影、坐标变换、空间基本概念、点线面的基本操作三、计算机环境下的实现不同层次信息的数字表达、数据模型、误差、矢量/栅格讨论、计算机技术进展四、GIS操作硬件、数据存储媒介、处理器与处理环境、显示、生产系统举例五、GIS应用应用领域、全球尺度应用、GIS决策、项目管理、价格效益分析六、机构问题数据使用权、质量保证与标准、法律意义、GIS管理、GIS教育与培训10三月2024

13二、GIS基本内容——（3）计算机软件、硬件空间数据获取空间数据表达与数据结构空间数据处理空间数据管理空间数据分析空间数据的显示与可视化GIS应用GIS项目管理、开发、质量保证与标准化GIS教育与培训10三月2024

14三、GIS的组成

——概论系统软件系统硬件空间数据GIS管理人员和用户10三月2024

15三、GIS的组成之一

——硬件（基本配置）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10三月2024

16三、GIS的组成之一

——硬件（应用模式1）单机模式：由基本外设、处理设备和输出设备构成适用于小型GIS建设数据传输与资源共享不方便10三月2024

17三、GIS的组成之一

——硬件（应用模式2）局域网模式：部门或单位内部GIS建设专线连接资源共享较方便输出用户组1输入……GIS中央数据库与网管Intranet用户组n10三月2024

18三、GIS的组成之一

——硬件（应用模式3）广域网模式：用户分布地域广泛，不适合专线连接公共通讯连接资源共享方便局部范围为局域网，通过若干通道与广域网连接输入GIS中央数据库（服务器）图象处理系统局域网用户组输出多媒体系统用户用户主干网Internet10三月2024

19三、GIS的组成之二

——软件结构操作系统（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GIS10三月2024

20三、GIS的组成之二

——软件（系统软件）

系统软件主要是计算机的操作系统以及各种标准外设的驱动软件，目前流行的有DOS、Windows98/Nnt/2000/XP、UNIX等。系统软件关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，是GIS软硬件环境的重要组成部分。10三月2024

21三、GIS的组成之二

——软件（基础软件）数据库软件

用来管理空间数据，包括图形数据和属性数据。流行数据库软件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQLServer、Ingress等。目前GIS软件中采用商用数据库管理属性数据，一个有发展前景的模型是面向对象数据模型，可实现图形和属性数据的联合管理。图形平台

某些GIS软件中图形处理平台。如AutoDesk公司开发的基于AutoCAD的AutoMapGIS软件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGEGIS软件

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22三、GIS的组成之二

——软件（GIS软件）空间数据输入与转换空间数据库管理系统图形与属性数据编辑制图与输出空间查询与分析GIS10三月2024

23GIS软件（类型）专业GIS（ProfessionalGIS）桌面GIS（DesktopGIS）手持GIS（Hand-HeldGIS）组件GIS（ComponentGIS）GISViewer网络GIS（InternetGIS）其它（基于CAD的GIS）10三月2024

24GIS软件（主要GIS软件）10三月2024

25三、GIS的组成之三

——地理空间数据栅格结构矢量结构GIS的操作对象为空间数据空间数据特征：几何、属性、时间数据；空间数据组织：矢量结构、栅格结构；空间数据管理：几何数据：文件属性数据：关系数据库10三月2024

26数据采集在GIS中的地位汽油数据GIS以数据为处理线索硬件∶软件∶数据=1∶2∶710三月2024

27GIS数据：内容数字线化数据地形测图思想：点、线、面影象数据数据源丰富生产效率高直观详细记录地表自然现象数字高程模型属性数据是什么，判读和考察详细描述信息10三月2024

28GIS数据：特征空间特征GIS独有的数据类型刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征表示：绝对描述—坐标（直角坐标、经纬度）相对描述—空间关系专题特征除空间特征、时间特征外的其它特征时间特征10三月2024

29GIS的数据来源—分类表第一手数据第二手数据非电子数据电子数据全站仪、GPS数据地球物理、地球化学遥感数据地图专题地图统计图表平板测量数据工程测量数据笔记航空、遥感相片人口普查社会经济调查各种统计资料已建各种数据库GIS数据10三月2024

30GIS的数据来源—特点统计数据地图存储介质、现势性、投影转换遥感、航空影象和数据分辨率、变形规律、纠正、解译特征地面测量数字数据格式、精度多媒体，辅助GIS空间分析和查询GIS空间数据10三月2024

31数据内容与相应设备地图地面测量数据统计资料航空、遥感数字数据多媒体坐标几何数字化仪扫描仪摄影测量键盘空间数据库编辑处理数据交换10三月2024

32三、GIS的组成之四

——管理人员和用户GIS咨询管理信息管理数据整理GIS的开发是以人为本的系统工程。业务素质与专业知识是GIS工程及应用成功的关键。不但对GIS的技术和功能有足够的了解，而且要具备组织管理的能力。技术培训、硬件维护与更新、系统升级、数据更新、文档管理、数据共享建设等。不同领域、不同级别的用户10三月2024

33四、GIS的功能

——基本功能（核心问题）位置（Locations）条件（Conditions）趋势（Trends）模式（Patterns）模型（Models）10三月2024

34四、GIS的功能

——基本功能之位置某个特定位置有什么？通过地理空间几何位置查属性例：某地属性的查询10三月2024

35四、GIS的功能

——基本功能之条件满足给定条件的地理对象分布由属性查位置和分布例：森林分布状况10三月2024

36四、GIS的功能

——基本功能之趋势地理对象随时间的变化例：人口变化趋势、耕地面积变化的趋势10三月2024

37四、GIS的功能

——基本功能之模式空间对象的分布模式问题揭示空间对象的空间关系例：商业服务竞争、人才需求状况10三月2024

38四、GIS的功能

——基本功能之模型解决问题方案基于模型的规划、方案设计和项目预测例：公园选址、坝址选定、房地产价格预测10三月2024

39四、GIS的功能

——基本功能的实现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10三月2024

40四、GIS的功能

——功能实现之数据获取10三月2024

41数据获取数据入库目的：保证数据在入库时在内容上的完整性，逻辑上的一致性。方法：数据编辑与处理、错误修正：数据格式转化：矢量、栅格转化，不同数据格式转化；数据比例转化：平移、旋转、比例、纠正投影变换：投影方式数据概化：平滑、特征集结数据重构：几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构）地理编码：拓扑结构四、GIS的功能

——功能实现之数据编辑变换与处理10三月2024

42数据编辑内容与方法空间数据编辑的必要性修正数据输入错误维护数据的完整性和一致性更新地理信息空间数据编辑内容数据不完整、重复空间数据位置不正确空间数据比例尺不准确空间数据变形几何和属性连接有误属性数据不完整主要方法叠合比较法目视检查法逻辑检查法10三月2024

43数据预处理目的数据集成在数据类型、坐标系、数据结构上满足GIS要求专题的分层数据地理数据结构化拓扑编码空间索引数据格式转换数据压缩误差探测边界匹配数据纠正投影转换10三月2024

44数据格式转换数据结构转换相同数据结构的不同组织形式转换矢量拓扑结构变换栅格数据转换不同数据结构转换矢量到栅格栅格到矢量不同介质转换10三月2024

45四、GIS的功能

——功能实现之数据组织与管理数据的集成过程几何数据与属性数据组织

数据结构矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结构决定着GIS的数据分析能力、效率和精度数据管理层次模型、网络模型、关系模型混合管理模式10三月2024

46四、GIS的功能

——功能实现之检索与分析空间检索空间分析空间分析地形分析网络分析缓冲区分析几何量测地图分析叠置分析统计分析决策分析位置查询属性查询拓扑查询空间查询10三月2024

47四、GIS的功能

——功能实现之数据输出

数据交换统计表格制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图10三月2024

48四、GIS的功能

——功能实现之用户界面10三月2024

49四、GIS的功能

——功能实现之二次开发GIS的空间分析技术与手段是有限的，而实际应用模型是无可枚举的，任何GIS都应提供二次开发工具。定制菜单、程序与可视化界面等GIS二次开发环境：专用工具：如Arc/Info的AML语言；通用语言：如VC++、VB、Delphi等组件开发：如MapInfo的MapX；10三月2024

50五、GIS的特征与相关学科

——相关学科（1）地理学遥感制图学CAD与计算机图形学

测量与摄影测量GIS10三月2024

51五、GIS的特征与相关学科

——相关学科（2）地理学地图制图学数据库理论机助设计软件工程人工智能城市规划测量学摄影测量遥感地理学计算机科学信息科学资源管理GIS

GIS的相关学科技术10三月2024

52五、GIS特征与相关学科

——特征GIS与计算机辅助设计CADGIS与数据库管理系统（DBMS）GIS与管理信息系统（MIS）GIS与遥感信息处理系统（RS）GIS与机助制图系统、地图数据库10三月2024

53五、GIS特征与相关学科

——特征（续1）GIS与CAD坐标参考系统处理图形、非图形数据对空间对象的空间相关关系建立和处理CAD不能建立地理坐标系统和完成地理坐标变换；CAD处理多为规则图形，而GIS为非几何图形；CAD图形功能强而属性处理能力弱，GIS图形与属性的操作比较频繁，且专业化特征比较强；GIS的数据量比CAD大得多，数据结构、数据类型复杂，数据之间联系紧密；CAD不具备地理意义上的查询和分析能力；10三月2024

54五、GIS特征与相关学科

——特征（续2）GIS与MIS对属性数据进行管理和处理对图形数据进行存储GIS对图形和属性数据共同管理、分析和应用；MIS一般只处理属性数据，对图形数据以文件形式进行管理，图形要素不能分解、查询，图形与数据之间没有联系；管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。10三月2024

55五、GIS特征与相关学科

——特征（续3）GIS与RS处理系统遥感数据是GIS的重要信息源。经过遥感信息系统处理的遥感信息，或进入GIS系统作为制图的背静图象，或是与经过分类的信息协同GIS与遥感的集成分析。遥感图象信息处理系统是专门用于对遥感数据进行处理的软件，主要强调对遥感数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取，具有较强的制图功能，可设计丰富的符号和注记，虽有空间叠置分析空能，但由于缺少实体空间关系的描述，难以进行空间实体的空间关系查询、属性查询及网络分析等。遥感图象处理系统不能看作是GIS。10三月2024

56五、GIS特征与相关学科

——特征（续4）GIS与机助制图系统、地图数据库GIS的主要技术基础强调空间数据的处理、显示与表达空间分析能力2.GIS包含数字制图系统的全部功能地图数据库若空间分析能力较强，可升格为GIS，而GIS若空间分析能力较弱，则退化为地图数据库。10三月2024

57六、GIS应用领域

——测绘与地图制图地理信息系统技术源于机助制图。地理信息系统（GIS）技术与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）技术在测绘界的广泛应用，为测绘与地图制图带来了一场革命性的变化。集中体现在：地图数据获取与成图的技术流程发生的根本的改变；地图的成图周期大大缩短；地图成图精度大幅度提高；地图的品种大大丰富。数字地图、网络地图、电子地图等一批崭新的地图形式为广大用户带来了巨大的应用便利。测绘与地图制图进入了一个崭新的时代。10三月2024

58六、GIS应用领域

——国土资源勘察与管理资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同时期的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。10三月2024

59六、GIS应用领域

——城乡规划与管理城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件(回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、0-l规划模型、系统动力学模型等)加以保证的。10三月2024

60六、GIS应用领域

——灾害监测与预报利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。1994年的美国洛杉机大地震，就是利用ARC／INFO进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对预报火