地理信息系统导论.ppt

1、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

2、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, Geographic Information System) 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

3、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 Information System,G,S,I,9,1.2 GIS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G

4、IS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(Computer Adided Design，)，计算机辅助制图(Computer A

5、dided Map，)。,15,1.4 GIS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

6、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,1.5 GIS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

7、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，SQL Sever）,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

8、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1-3-4 GIS数据采集流程,图1-3-3 GIS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

9、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

10、，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

11、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（）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

12、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，ArcView Integraph:MGE(Modular GIS Environment), GeoMedia MapInfo SmallWorld 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：SuperMa

13、p GeoWay,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,2.2 GIS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

14、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GI

15、S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

16、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

17、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

18、 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GIS,3.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/INFO GIS发布 1986年，SPOT卫星首次发射 198

19、7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TIGER 1988年，GIS World 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,发展历程,20世纪60年代,90年

20、代,2000年,80年代,70年代,内涵演绎,GIScience,GISystem,GIService,4.2 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。 专题地图制图 矿产资源评价 环境评价与监测 土地、水资源调查与管理, 资源开采 管网、交通模拟模型 导航系统 城市规划 教练与模拟 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

21、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)

22、环境,政府和公共服务,表2-1 地方政府中的GIS应用（来自OLooney 2000的简化版）,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UNIGIS UCGIS（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）,UNIGIS courses,Spatial Data Database Theory Geodata Sources GIS and Organisations Spatial Think

23、ing Visualisation of Spatial Data Project Management Applications Development Remote Sensing GIS and Modelling Environmental Impact Analysis,开设GIS课主要大学一览表,GIS教育发展现状,我国高校GIS专业侧重点 测量学 武汉大学 同济大学 中国矿业大学 地理学 北京大学 南京大学 南京师范大学 北京师范大学,计算机科学 中国地质大学（武汉） 清华大学 其他 中科院地理所 中科院遥感所,GIS与其它相关学科的关系,GIS学科树,地理统计学,地形测量,环境

24、测量,社会、经济测量,GIS与其它相关学科的关系,地理学 地图学 测绘科学 计算机科学,地理学 地理学是一门研究人类生存空间的学科，为GIS提供了一些空间分析的方法和观点，成为GIS的理论依托。 （1）研究基础和手段 地理学研究中的空间分析理论为GIS提供了有关空间分析的基本方法，成为地理信息系统的基础理论依托；地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段。 （2）数据处理 用地学处理方法得到的数据是GIS的数据源；GIS内部数据处理(分析)功能是地理学研究的主要技术方法。,GIS的相关学科,地图学 地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。计算机

25、制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出提供技术支持。 地图也是GIS的重要数据源。 地图是GIS发展的根源之一。 地图强调数据载体、符号化；GIS则注重于信息分析。,GIS的相关学科,地图投影？,计算机科学 为地理空间信息的表达、存储、处理、 分析和应用提供了有利的工具。 数据库技术提供数据的管理、更新、查询和维护功能； 计算机图形学提供算法基础； 软件工程为GIS的系统设计提供科学的方法; 网络技术为GIS发展成为社会信息设施的重要组成部分奠定了基础。 ,GIS的相关学科,测绘科学 大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，特别是GPS技术可快速、廉价

26、地获取地表特征的数字位置信息，更具发展潜力。 遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源和更新途径。 航空航天数字立体摄影测量技术是GIS主要的地形数据来源。,GIS的相关学科,全球定位系统,GPS 美国 GLONASS 俄罗斯 Galilio 欧盟 北斗 中国,中国资源二号全色波段图像（3米）,罗马斗兽场（0.7米，真彩色）,五. 地理信息系统发展前景,GIS面临的十个巨大挑战,这些挑战是最能代表GIS在现阶段面临的最主要、最急迫的问题。我们将在五年之内逐个地攻破这些挑战。,全球数据,没有数据，GIS不能解决任何问题。在过去的100年中，我们对于全球数据的收集进行了很多尝试。 与世界

27、其他国家相比，美国可以获得更高分辨率的数据，这不仅是一种技术问题，更是一种政治挑战。挑战的核心是，在没有允许的情况下，一个国家是否要为另外一个国家生产数据；生产出的数据以及对其进行商业开发的尺度是什么，需要遵循的数据标准是什么。,GIS专业化,GIS走的是一条自上而下的发展道路，它首先被专业学术人员使用，进而服务于政府部门、商人和其他一些对GIS感兴趣的人。地理学理论为GIS的发展提供了理论支持，同时一些学术和非学术团体也对其发展做出了巨大的贡献。,GlS课程,影响GIS发展的主要障碍之一是缺乏合适的、有资格的GIS技术人员、应用分析人员和管理人员。尽管教育部门在过去几十年中培养的相关人员的数量已数倍增长，并且，目前1