空间信息技术基础（韦娟）课件 第1章 绪论

空间信息技术基础第一章绪论第一节空间信息技术的研究内容第二节地理信息系统的构成第三节地理信息系统的功能与应用第四节空间信息技术理论及相关学科第五节空间信息技术的发展概况

空间信息技术是20世纪60年代兴起的一门新兴技术，主要包括遥感（RemoteSensing,RS）、地理信息系统（GeographicalinformationSystem,

GIS）和全球定位系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,

GNSS）的理论与技术，同时结合计算机技术和通信技术，进行空间数据的采集、分析、存储、管理、显示和应用等，及时而又准确地向地学工作者、各级管理和生产部门提供有关区域综合、方案优选、战略决策等方面可靠的地理或空间信息。

为了说明空间信息技术如何服务于区域规划等领域，先看一个为郊游公园选址提供辅助决策的例子。第一节空间信息技术的研究内容

郊游公园具体位置的选择需要满足一定的要求：

1）依山傍水，地形有一定起伏，必须靠近天然的小河流；

2）交通方便，但周围环境较安静，公园距公路的距离最远不得超过1.25km，最近不得小于0.25km；

3）空气新鲜，有一定的植被覆盖率；

4）其他条件。

类似公园选址这样的空间决策问题涉及各方面影响因素，需要将大量的多种空间信息进行综合的分析、利用。

过去，使用人工操作方式，工作量大，问题复杂，当条件发生变化时，工作需重新开始。

现在，将空间信息技术作为辅助决策支持工具，工作将变得轻松许多。

第一节空间信息技术的研究内容首先从现实世界中采集、获取与上述要求有关的地形信息、水系信息、道路信息和植被信息等各类信息;

其次，以一定的结构存储起来，即建立空间数据库;

第三，提供各类空间数据处理和综合分析手段，当用户针对此问题提供一套条件，系统将返回一套方案，一个问题，考虑问题的角度不同，往往会有多个可选方案，当用户更改条件，系统将快速返回与之对应的另一套方案。

最后方案的确定还涉及到许多非量化的复杂因素，需要规划专家的智能选择。

所以说，空间信息技术是解决空间问题的有效的辅助决策支持工具。目前，还不能完全代替最终决策者。第一节空间信息技术的研究内容

从公园选址辅助决策的例子可知，认识空间信息系统首先会接触到数据与信息这两个名词。

数据与信息两者在词义上的差别：数据是信息的表达，信息则是数据的内容；数据是客观对象的表示，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息；信息是当代社会发展的一项重要任务。第一节空间信息技术的研究内容狭义信息论将信息定义人们获得信息前后对事物认识的差别。广义信息论将信息定义信息是指主体(人、生物和机器)与外部客体

(环境、其他人、生物和机器)之间相互联系的一种形式。是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征的一种普遍形式。教材定义信息是用文字、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，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。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，信息与实物不同，它可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。

数据（Data)

通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。

数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。例如：“1”和“0”，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有(1表示)无(0表示)的信息。地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式，得到数据中包含的信息；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，以供不断使用。

对同一数据每个人的解释可能不同，因而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载体。

信息=数据+说明数据是信息的载体数据的特点地理信息

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。

或者定义为：表征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数字、文字、图像和图形等的总称。从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。它脱胎于地图，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。地理信息属于空间信息，它具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。

第一节空间信息技术的研究内容地理信息的特点空间分布性

属于空间信息，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。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(如台风、地震)、短期的(如江河洪水、秋季低温)、中期的(如土地利用、作物估产)、长期的(如城市化、水土流失)、超长期的(如地壳变动、气候变化)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，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。

地理信息系统GIS是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科，它研究关于地理空间信息处理和分析过程中提出一系列基本问题，如空间对象表达与建模、空间关系及推理机制、空间信息的控制基准、空间信息的认知与分析、GIS系统设计与评价GIS应用模型与可视化、空间信息的政策与标准等.GIS的操作对象是空间数据，空间数据的主要特点是按统一的地理坐标编码，并实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述,由此而形成GIS的技术优势是有效的地理实体表达、独特的时空分析能力、强大的图形创造手段和可靠的科学预测与辅助决策功能等.GIS的科学定义：地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以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。地理信息系统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WhatisNOTGISGPS–GlobalPositioningSystem

Astaticmap–paperordigital–Mapsareoftena“product”ofaGIS–AwaytovisualizetheanalysisAsoftwarepackage北美、欧洲：GeographicalInformationSystem加拿大：Geomatigue中国：ResourceandEnvironmentalInformationSystem技术内涵：Geo-relationalInformationSystem信息科学：SpatialInformationSystem应用类型：

NaturalResourcesInformationSystemLandInformationSystemTransportationGeographicalInformationSystem地学应用：GeoScience专业杂志：GeographicalInformationScience(英国)Geo-InformationSystem（德国）地理信息系统的特点具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；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、多要素综合分析和动态预测的能力；并能产生高层次的地理信息；

具有公共的地理定位基础，所有的地理要素，要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位，才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策；地理信息系统的特点由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。

地理信息系统根据其研究范围来分：全球性信息系统：主要以全球综合研究和全面信息服务为目标。如数字地球。区域性信息系统：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国家级、地区级、市级或县级等。地理信息系统按其内容分为三大类：专题地理信息系统：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。综合地理信息系统：主要以综合研究和全面信息服务为目标，比如资源与环境GIS，规划与管理GIS

。根据使用数据模型可分为:矢量信息系统栅格信息系统混合型信息系统地理信息系统工具(GIS—Tools）：是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包，如ArcGIS、MapInfo等。GIS与其他系统之间的区别

GIS空间数据和属性数据的联合体GIS与其他系统的区别

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行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，因此，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。GIS有别于MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。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。GIS有别于地图数据库，地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。GIS有别于CAD系统，二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。GIS与其他IS之间的关系（信息系统分类）信息系统（IS)非空间信息系统空间信息系统（SIS）如厂矿企业管理、财务等MIS非地理信息系统CAD/CAM地理信息系统（GIS）专题GIS综合信息系统地籍信息系统城市管线信息系统城市规划与管理IS区域资源与环境IS……

……

系统软件

系统硬件空间数据GIS用户第二节GIS的基本构成第二节GIS的基本构成系统硬件

由主机、外设和网络组成，用于存储、处理、传输和显示空间数据。系统软件

由系统管理软件、数据库软件和基础GIS软件组成，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。空间数据库

由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。应用模型

由数学模型、经验模型和混合模型组成，用于解决某项实际应用问题，获取经济效益和社会效益。用户界面

由菜单式、命令式或表格式的图形用户界面所组成，是用以实现人机对话的工具。地理信息系统的组成可综合表示为硬件系统软件系统应用模型GIS用户GUI空间数据DBMS完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员，其核心部分是计算机软硬系统，空间数据库反映了GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约．GIS硬件系统的主要任务是存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据。GIS硬件配置一般包括四个部分：

1、计算机主机；硬件系统的核心，包括从主机服务器到桌面工作站，用作数据的处理、管理与计算；

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。外部设备计算机硬件系统

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计算机软件系统GIS软件是系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面等。按照其功能分为：GIS专业软件：一般指具有丰富功能的通用GIS软件，它包含了处理地理信息的各种高级功能，可作为其它应用系统的平台。其代表产品有ARCINFO、Mapinfo、MapGIS、GeoStar、SurperMap等数据库软件系统管理软件GIS专业软件核心模块：数据输入和编辑：支持手扶跟踪数字化、图形扫描及矢量化，以及对图形和属性数据提供修改和更新等编辑操作；空间数据管理：能对大型的、分布式的、多用户数据库进行有效的存储、检索和管理；数据处理和分析：能转换各种标准的矢量格式和栅格格式数据，完成地图投影转换，支持各类空间分析功能等；数据输出：提供地图制作、报表生成、符号生成、汉字生成和图像显示等；用户界面：提供生产图形用户界面工具，使用户不用编程就能制作友好和美观的图形用户界面；系统二次开发能力：利用提供的应用开发语言，可编写各种复杂的GIS应用系统。数据库软件、系统管理软件

数据库软件：除了在GIS专业软件中用于支持复杂空间数据的管理软件以外，还包括服务于以非空间属性数据为主的数据库系统，这类软件有Oracle、SQLServer等。这些也是GIS软件的重要组成部分，而且由于这类数据库软件具有快速检索、满足多用户并发和数据保障等功能，目前已实现在现成的关系型商业数据库中存储GIS的空间数据，例如SDE就是最好的解决方案。系统管理软件：主要指计算机操作系统（MS-DOS，LInux，WindowsNT等）。关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，因此也是GIS软硬件环境的重要组成部分。计算机软件系统操作系统（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专业软件数据库软件系统管理软件GIS空间数据GIS的操作对象是空间数据，要完整地描述空间实体或现象的状态，一般需要同时有空间数据和属性数据。如果要描述空间实体的变化，则还需记录空间实体或现象在某一个时间的状态。所以，一般认为空间数据具有三个基本特征：

1、空间特征表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。

2、属性特征表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等等。

3、时间特征指现象或物体随时间的变化。位置数据和属性数据相对于时间来说，常常呈相互独立的变化，即在不同的时间，空间位置不变，但是属性类型可能已经发生变化，或者相反。因此，空间数据的管理是十分复杂的。有效的空间数据管理要求位置数据和非位置数据互相作为单独的变量存放，并分别采用不同的软件来处理这两类数据。这种数据组织方法，对于随时间而变化的数据，具有更大的灵活性。地理空间数据

栅格结构矢量结构定位拓扑关系属性空间数据由于GIS数据库存储空间包含空间数据和属性数据，他们之间具有密切的联系，因此如何实现两者之间的连接、查询和管理？解决方案扩展式：借助索引数据的辅助关系实施空间索引操作。开放式:利用专门开发的DBMS来统一管理空间数据和属性数据。系统开发、管理和使用人员GIS咨询管理信息管理数据整理用户：

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系统的应用模式（单机式）系统的应用模式（局域网模式）输出用户组1输入……GIS中央数据库与网管Intranet用户组n系统的应用模式（广域网模式）输入GIS中央数据库（服务器）图像处理系统局域网用户组输出多媒体系统用户用户主干网Internet应用模型GIS应用模型的构建和选择也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，必须构建专门的应用模型，如：土地利用适宜性模型，公园选址模型，洪水预测模型，人口扩散模型，森林增长模型，水土流失模型，最优化模型，影响模型等。

构建GIS模型的步骤：明确用GIS求解问题的基本流程；根据模型的研究对象和应用目的，确定模型的类别、相关的变量、参数和算法，构建模型逻辑结构框图；确定GIS空间操作项目和空间分析方法；模型运行结果验证、修改和输出。遥感技术遥感传感器平台传感器遥感技术的基础，是通过观测电磁波，从而判读和分析地表的目标以及现象，其中利用了地物的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类及环境条件不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性”，所以遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波，识别物体以及物体存在环境条件的技术。全球卫星导航系统全球卫星导航系统主要包括中国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的卫星导航系统（GLONASS）和欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）。其中GPS是世界上第一个建立并用于导航定位的全球系统，GLONASS经历快速复苏后已成为全球第二大卫星导航系统，二者正处现代化的更新进程中；GALILEO是第一个完全民用的卫星导航系统；BDS是中国自主建设运行的全球卫星导航系统，为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。GIS能作什么？缓冲区分析叠加分析

空间查询

网络分析

地形分析。。。数据采集与输入

数据编辑与处理数据存储与管理空间查询与分析数据显示与输出

第三节GIS的功能与应用数据采集与输入现实世界文字报告、遥感图象等数字化仪扫描仪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第三节GIS的功能与应用数据编辑与处理数据存储与管理空间查询空间数据库西安电子科技大学在哪里？空间查询属性查询608路公交经过哪些站？火车站-西安软件园第三节GIS的功能与应用叠加分析空间数据库

为某工厂选址，首先找出地价<1万元/m2;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GIS的功能与应用缓冲区分析空间数据库道路的噪音影响范围?街道中心线空间检索城市环境评价第三节GIS的功能与应用空间数据库哪条路最近,如何乘车?道路信息空间检索网络分析第三节GIS的功能与应用地形分析空间数据库航道淤积,挖槽方案比较?地形信息空间检索第三节GIS的功能与应用数据显示与输出空间数据库各种需求?各种信息空间检索第三节GIS的功能与应用GIS主要应用领域

资源管理

区域和城乡规划

灾害监测和预防环境评估作战指挥交通运输宏观决策商业金融、通讯邮电、日常生活等各领域第三节GIS的功能与应用GIS的应用就是人们应用GIS对地球表层人文经济和自然资源及环境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系和空间过程的演变规律，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展服务。资源管理

资源清查是GIS的最基本的职能包括:1）土地资源的清查、管理；

2）森林资源的清查、管理；

3）矿产资源的清查、管理；

4）土地利用规划；

5）野生动物的保护

……

第三节GIS的功能与应用区域和城乡规划GIS在区域和城乡规划中的应用包括：

1）城镇总体规划；

2）公共设施配置；

3）道路交通规划；

4）城市环境动态监测；

5）城市环境选质量评价；

6）城市建设用地适宜性评价；……

第三节GIS的功能与应用灾害监测GIS方法和多时相的遥感数据，用于:森林火灾的预测预报;洪水灾情监测和淹没损失估算;确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线;为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。第三节GIS的功能与应用环境评估

第三节GIS的功能与应用

斯诺博士分析了这张分布图，马上明白了霍乱病源之所在－－死者住家都集中于饮用“布洛多斯托”井水的地方及周围。1854年8月到9月英国伦敦霍乱流行时，当局始终找不到发病的原因，后来医生约翰·斯诺(JohnSnow)说：“我们画一张图吧”。他在绘有霍乱流行地区所有道路、房屋、饮用水机井等内容的1：6500比例尺地图上，标出了每个霍乱病死者的住家位置，得到了霍乱病死者居住分布图。根据斯诺博士的分析和请示，当局于9月8日摘下了这个水井的泵，禁止使用该水泵吸水，从这天以后，新的霍乱病患者就再也没有出现了。在这个例子中，患者的居住地与饮用水井之间的空间位置关系提示了霍乱病的发病根源。第三节GIS的功能与应用作战指挥第三节GIS的功能与应用交通运输第三节GIS的功能与应用宏观决策GIS利用地理数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，可为国家宏观决策提供依据。第三节GIS的功能与应用第四节空间信息技术理论及相关学科空间信息技术基于地理信息系统技术、遥感技术、全球卫星导航定位技术、计算机技术、信息科学技术等来解决与地球空间信息有关的数据获取、存储、传输、管理、分析和应用等方面的问题。通过一系列空间操作和分析，为地球科学、环境科学和工程设计，乃至国民经济的发展，城市建设及企业经营提供对规划管理和决策有用的信息。是实现数字地球和智慧地球战略目标的重要技术支撑。

第四节空间信息技术理论及相关学科各国政府设立相应的组织机构来引导GIS理论研究，如美国国家自然科学基金委员会（NSF）支持成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA）等，研究重点包括空间关系、空间数据模型、空间认知、空间推理、地理信息机理和地理信息不确定性等；李德仁院士在《空间信息系统的集成与实现》一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题：地球空间信息学的基准；地球空间信息标准；地球空间信息的时空变化理论；地球空间信息的认知；地球空间信息的不确定性；地球空间信息的解译与反馈；地球空间信息的表达与可视化。第五节空间信息技术的发展概况空间信息技术的产生

现代科学方法

系统论、信息论、控制论

现代高新技术

计算机技术、空间技术和自动化技术现代科学方法和现代高新技术的形成与应用为GIS的产生提供了先决条件，也预示信息时代的到来。第五节空间信息技术的发展概况1GIS网络化2开放式GIS3时态GIS4三维GIS5虚拟GIS6多媒体GIS7五S技术的结合8GIS中的应用模型随着计算机和信息技术的发展，GIS迅速地变化着，呈现以下主要发展态势：第五节空间信息技术的发展概况1GIS网络化建立万维网GIS服务器及实现相关技术成为研究GIS的热门技