第一章 绪 论.docx

1、第一章 绪 论第一章 绪 论目的要求：讲授GIS有关概念、GIS的组成、功能、应用领域、发展历史及发展前景，以及与相关学科的联系；要求学生了解GIS的有关概念、与相关学科的联系以及GIS的发展历史和发展趋势，了解GIS的应用领域，掌握GIS的组成和功能课时：2学时 授课内容：1、GIS的基本概念2、GIS的组成3、GIS的功能4、GIS的应用领域5、GIS的发展历史和发展趋势6、GIS与相关学科的关系重点 ：1. GIS的基本概念2. GIS 的组成及功能难点： GIS的基本概念教学方法：利用多媒体以课堂讲授为主，结合课堂讨论。 讲授重点内容提要 第一节 GIS的基本概念1.1 地理信息系统概

2、念人类社会正从工业经济迈向知识经济时代，一场以信息技术为核心的革命正在深刻改变着人类生活与社会面貌。作为全球信息化浪潮重要组成部分的地理信息系统的建设与应用，正日益引起科技界、企业界和政府部门的广泛关注。地理信息系统是处理众多空间问题的有力辅助工具，正确理解地理信息的含义对使用和开发地理信息系统有重要意义一、公园选址辅助决策地理信息系统是集地球科学、信息科学与计算机技术为一体的高新技术，目前已广泛应用于资源管理、环境监测、灾害评估、城市与区域规划等众多领域，成为社会可持续发展的有效的辅助决策支持工具。为了说明地理信息系统如何服务于区域规划等领域，先看一个地理信息系统为郊游公园选址提供辅助决策的

3、例子（图1-1-1）。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）等等其它条件；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，将地理信息系统作为辅助决策支持工具，工作将变得轻松许多。地理信息系统首先从现实世界中B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

4、各类信息，以一定的结构存储起来，即B建立空间数据库，并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。而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，地理信息系统是解决空间问题的有效的辅助决策支持工具。目前，地理信息系统还不能完全代替最终决策者。返回二、数据与信息从公园选址辅助决策的例子可知，认识地理信息系统首先会接触到信息与数据这两个名词。(一) 信息1、定义：信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、

5、图像等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。2、特性：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。(二) 数据指输入

6、到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、符号、声音、图像等符号。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。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。 (三) 两者关系有人认为，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。三、地理信息与地学信息(一) 地理信息1、定义：地理信息是指与研究对

7、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。2、特性：1）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；2）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。3）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

8、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。(二) 地学信息指与人类居住的地球有关的信息都是地学信息，具有无限性、多样性、灵活性等特点。地学信息是人们深入认识地球系统、合理开发资源、净化能源、保护环境的前提和保证。 地理信息与地学信息的区别主要在于信息源的范围不同，地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。四、信息系统与地理信息系统地理信息系统是一种非常重要的信息系统，两者既有联系又有区别。(一) 信息系统为了有效对信息流进行控制、组织管理，实现双

9、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。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和决策支持系统。事务处理系统强调对数据的记录和操作，主要支持操作层人员的日常事务处理，如图书管理系统、各种定票系统等。决策支持系统是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，一般由语言系统、知识系统和问题处理系统共同构成。(二) 地理信息系统地理信息系统简称为GIS。关于它确切的全称，多数人认为是Geographical Information System

10、，也有人认为是Geo Information System。国际上现发行的两种主要的专业杂志，就是各自采用不同的全称，前者是英国出版的季刊的全称，后者是德国出版的季刊的全称。在加拿大和澳大利亚，则称为Land Information System。在我国，通常称为Resources and Environmental Information Systems。全称虽有差异，但简称都是GIS。 那么，什么是GIS呢?对于不同的部门和不同的应用目的，其定义也不尽相同。这些定义，有的侧重于GIS的技术内涵，有的则强调GIS的应用功能。为了能更具体地认识和真正了解GIS的概念，编者推荐美国联邦数字地图协

11、调委员会(FICCDC)关于GIS的定义及概念框架(图1-1-2)。该定义认为“GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来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”。根据这个定义及它的概念框架，可得出GIS的如下基本概念：(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

12、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。地理信息系统根据其研究范围，可分为全球性信息系统和区域性信息系统；根据其

13、研究内容，可分为专题信息系统和综合信息系统；根据其使用的数据模型，可分为矢量信息系统、栅格信息系统和混合型信息系统。(三)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(Management Information System,MIS)和空间信息系统(Spatial Information System,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(图1-1-3）。图1-1-3 信息系统分类1、GIS与一般MISGIS离不开数据库技术。数据库中的

14、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(Computer Adided Design

15、，)，计算机辅助制图(Computer Adided Map，)。它们之间的异同点见图1-1-4和1-1-5.返回返回一、信息、地理信息1、信息和数据信息（Information）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。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。信息来源于数据（Data）。数据是一种未经加工的原始资料。数字、文字、符号、图像都是数据。联系：数据是客观对象的表示，是信息的载体，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。举例：例如，从

16、实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息；从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息；从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。2、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。地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。3、地理信息的特征地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：（1）空间分布性-区域性。地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分

17、布或更新也应是分布式。（2）数据量大多维性、时序性。地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，我们每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。这必然对数据处理与分析带来很大压力。（3）信息载体的多样性。地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。对于地图来说，它不仅是信息的载体，也是信息的传播媒介。二、信息系统1、信息系统的基本组成信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。在计

18、算机时代信息系统都部分或全部由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成、另外，智能化的信息系统还包括知识。 计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备；软件是支持数据信息的采集、存贮加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统；数据则是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；用户是信息系统所服务的对象。2、信息系统的类型根据系统所执行的任务，信息系统可分为：（1）事务处理系统：事务处理系统强调的是数据的记录和操作，民航定票系统是其典型示例之一；（2）管理信息系；（3）决策支持系统：决策支持系统是用以获得辅助决策方案的交互式计算机系统，一般是由语言系统、知识系统和问题处理系统共同构

19、成。（4）人工智能和专家系统。三、地理信息系统地理信息系统（Geographic Information System或 GeoInformation system，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管

20、理问题。通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：1、GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它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、图像处理子系统、数据产品输出子系统等。2、GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。这是GIS区别于其它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空间分析能力。4、GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。（1）大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；（2）电子速测仪、GPS全球

21、定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。（3）地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言用数字形式来描述空间实体。GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合

22、性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展，以减小重复很费，提高数据共享程度和实用性。第二节 地理信息系统的构成完整的GIS主要由四个部分构成：即（1）计算机硬件系统；（2）计算机软件系统、（3）地理空间数据；（4）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。地理信息系统的组成可综合表示为图1-1。一、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，GIS硬件配置一般包括四个部分：1、计算机主机；2、数据输

23、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；图1-1 GIS硬件的组成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。 二、计算机软件系统指GIS运行所必需的各种程序，通常包括（见图1-3）： 1、计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。图1-3 计算机软件系统的层次 2、地理信息系统软件和其他支撑软件可以是通用的GIS软件也可包括数据库管

24、理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。三、地理空间数据地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS其地理空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的数据类型：1、某个已知坐标系中的位置即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数

25、等。2、实体间的空间相关性 即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。3、与几何位置无关的属性即常说的非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级，定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度

26、、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。 四、系统开发、管理和使用人员人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。 GIS与相关学