GIS基础知识普及Word文档格式.doc

1、阐述信息系统、地理信息系统的概念，重点区分了地理信息系统与其它信息系统的区别。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

2、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，以一定的结构存储起来，即建立空间数据库，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

3、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。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、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

4、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

5、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。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

6、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

7、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

8、。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，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，

9、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

10、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

11、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

12、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、

13、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 Adided Map，）。它们之间的异同点见图1-1-4和1-1-5.一个实用的GIS系统，要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其基本组成一般包括以下五个主要部分：一、系统硬件:包括各种硬件设备

14、，是系统功能实现的物质基础；二、系统软件:支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统；三、空间数据:系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；四、应用人员: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；五、应用模型:解决某一专门应用的应用模型，是GIS技术产生社会经济效益的关键所在各组成部分之间的关系如1-2-1所示。一、系统硬件GIS硬件平台的基本类型如图1-2-2所示，用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据。计算机与一些外部设备及网络设备的联接构成GIS的硬件环境。1、计算机是GIS的主机：它是硬件系统的核心，包括从主机服务器到桌面工作站，用作数据

15、的处理、管理与计算。2、GIS外部设备：包括输入设备即数字化仪、扫描仪和全站型测量仪器等；3、输出设备：即绘图仪、打印机和高分辨率显示装置等；4、GIS的网络设备：包括布线系统、网桥、路由器和交换机等，具体的网络设备根据网络计算的体系结构来确定。5、数据存贮与传送设备，即磁带机、光盘机、活动硬盘和硬盘阵列等。二、系统软件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（GUI）等。按照其功能分为：GIS专业软件，数据库软件，系统管理软件等，其层次结构见图1-2-5。1、GIS专业软件： GIS专业软件一般指具有丰富功能的通用GIS软件

16、，它包含了处理地理信息的各种高级功能，可作为其他应用系统建设的平台。其代表产品有ARC/INFO、MGE、MAPINFO、MAPGIS、GEOSTAR等。它们一般都包含有以下的主要核心模块：数据输入和编辑：支持数字化仪手扶跟踪数字化、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

17、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。2、数据库软件：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，SYBASE，INFORMIX，DB2，SQL Server,Ingress等。它们也是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安全保障等功能，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（Spatical Database Engine）就是最好的解决方案。3、系统管理软件：系统管理

18、软件主要指计算机操作系统，当今使用的操作系统有：-，UNIX，Windows95/98/2000,Windows NT,VMS等。它们关系到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。三、空间数据空间数据是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征是指地理实体的空间位置及其相互关系；属性特征表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征指实体随时间而发生的相关变化。根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线、面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结

19、构。在地理信息系统中，空间数据是以结构化的形式存储在计算机中的，称为地理空间数据库。数据库由数据库实体和数据库管理系统组成。数据库实体存储有许多数据文件和文件中的大量数据，而数据库管理系统主要用于对数据的统一管理，包括查询、检索、增删、修改和维护等。由于GIS数据库存储的数据包含空间数据和属性数据，它们之间具有密切的联系。因此，如何实现两者之间的联接、查询和管理，是GIS数据库管理系统必须解决的重要问题。目前采用的解决方法有混合式、扩展式和开放式三种方式。四、应用人员GIS应用人员包括系统开发人员和GIS技术的最终用户，他们的业务素质和专业知识是GIS工程及其应用成败的关键（图1-2-6） 图

20、1-2-6 地理信息系统开发失败的因素构成 GIS的开发是一项以人为本的系统工程，包括用户机构的状况分析和调查，机构GIS系统开发目标的确定，系统开发的可行性分析，系统开发方案的选择和总体设计书的撰写等。开发人员要特别重视对用户机构的状况和要求进行具体分析，切忌只注重技术的细节。系统开发过程中，对具体开发策略的确定、系统软硬件的选型和空间数据库的建立等问题的解决，系统开发人员必须根据GIS工程建设的特点和要求，并在深入调查研究的基础上，使确定的开发策略能适应GIS用户随时变化的需求，使系统的软硬件投入能获得较高的效益回报，以及使建立的数据库能具有完善的质量保证。在使用GIS时，应用人员不仅需要

21、对GIS技术和功能有足够的了解，而且需要具备有效、全面和可行的组织管理能力，尤其在当前GIS技术发展十分迅速的情况下，为使现行系统始终处于优化的运作状态，其组织管理和维护的任务包括：GIS技术和管理人员的技术培训，硬件设备的维护和更新，软件功能扩充和升级，操作系统升级，数据更新，文档管理，系统版本管理和数据共享性建设等。五、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，必须通过构建专门的应用模型，例如土地利用适宜性模型、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

22、和影响模型等。这些应用模型是客观世界中相应系统经由观念世界到信息世界的映射，反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是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。构建GIS应用模型，首先必须明确用GIS求解问题的基本流程（图1-2-7）；其次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；然后确定GIS空间操作项目和空间分析方法；最后是模型运行结果的验证、修改和输出。图1-2-7 用GIS求解问题的基本流程 显然，应用模型是GIS与相关专业连接的纽带，它的建立绝非是纯数学或技术性问题，而

23、必须以坚实而广泛的专业知识和经验为基础，对相关问题的机理和过程进行深入的研究，并从各种因素中找出其因果关系和内在规律，有时还需要采用从定性到定量的综合集成法，这样才能构建出真正有效的GIS应用模型。【文中词汇解释】GIS主机 目前运行GIS的主机，包括大型、中型、小型机，工作站、服务器/客户机和微型计算机。其中各种类型的服务器/客户机成为GIS的主流，特别是由Intel硬件和Windows NT构成的PC工作站正成为工作站市场的新宠，传统UNIX阵营的用户正在逐渐向它转移。NT工作站对GIS用户的吸引力，包括相对低成本、可管理性、标准图形化平台和具有PC结构与效率等，因此广泛应用于GIS和某些

24、科学应用领域。例如，ARC/INFO、INTERGRAPH、MAPINFO和GENAMAP等主流GIS产品，都相继开发出其NT版本，但目前功能与UNIX版相比仍有待提升。服务器作为在网络环境下提供资源共享的主流计算机产品，具有可靠性、高性能、高吞吐能力、大内存容量等特点，具备强大的网络功能和友好的人机界面，是以网络为中心的GIS和现代计算环境的关键，其中以低价格和高性能为特点的PC服务器，正在迅速缩小与UNIX服务器之间的差距，日益引起GIS设计者和用户的广泛关注。目前，GIS工作站和服务器主要有UNIX和NT两大类型，其产品包括SUN、HP、IBM、SGI和COMPAQ等，不同种类机型的界线

25、逐渐模糊。由于服务器/客户机环境的流行，多媒体技术的发展，以及计算机与通讯技术的融合，促使GIS向不依赖于平台的方向发展，GIS软件标准逐渐统一。GIS外部设备 GIS外部设备主要包括各种输入和输出设备。主要的输入设备有图形跟踪数字化仪、图形扫描仪、解析和数字摄影测量设备等。图形跟踪数字化仪尽管成本高、工序繁琐、对操作人员素质要求较高，但至今仍为空间数据采集的主要方式。市场上出售的数字化仪，例如Calcomp DrawingBoard系统数字化仪，其有效面积从12inch12inch（305mm305mm）到44inch60inch（1118mm1524mm），有多种配置可供选择，如不透光的或

26、带背光的板面，有线或无线的，笔式或鼠标式定标器，和所有的应用软件都能兼容。用户可用命令设置数字化板的菜单和定标器的按键，操作模式有：Prompt, Point, Run , Line, Track, Increment , Mouse, Delta, Grid Update等。图形数字化仪由电磁感应板、游标和相应的电子线路组成。当使用者在电磁感应板上移动游标的十字丝交点对准指定图形的点位时，按动相应的按钮，数字化仪便将对应的命令符号和该点的坐标（X,Y）通过接口（多用串行接口）电路传送给计算机，定位点的精度可达0.0050.001inch（0.130.025mm）。手扶跟踪数字化仪的速度慢，工

27、作效率较低，而栅格数据的获取则相对容易得多。目前新一代大幅面图形扫描仪提供高分辨率、真彩色、近乎完美的图像效果，其中ANATech公司为用户提供了一整套应用于各领域的高精度大幅面扫描仪以及相配套应用软件，是图形、图像数据录入和采集最有效的工具之 一。ANATech系列扫描仪包括：Evolution SLI3840高速大幅面扫描仪；Evolution 4080ET超大幅面高分辨率扫描仪；Evolution 4080C超大幅面高分辨率彩色扫描仪；Evolution 4240超大幅面扫描仪；Evolution 4240C超大幅面彩色扫描仪；Evolution 3840大幅面扫描仪扫描一幅A0图纸的时

28、间仅需15s，精度为0.05%，失真率小于0.1%。用户可在800dpi范围内任选扫描分辨率，可以按黑白二值或256级灰度方式扫描，可以边显示边扫描，并具有实时消蓝去污功能。根据用户需求可以实现自动补线、校正、镜像、反转等功能。地图扫描数字化得到图像信息，然后再经过目标识别和由栅格到矢量的转换过程，如图1-2-3所示。GIS输出设备 主要的输出设备有各种绘图仪、图形显示终端和打印机等。绘图仪如HP DesignJet750C彩色喷墨绘图仪，是一种快速、可靠、便于连网且可在多种介质上进行高质量输出的绘图仪，是目前广泛使用的主流GIS产品输出设备。它采用根据对象空间分布形式和输出产品的特征，选择适当的图形表示方法、结合色彩、线条、符号、文字等表示手段，具有600dpi分辨率的高精度黑白输出，彩色输出在300dpi时，颜色可多达1 600多种，可获得极高清晰度的绘图质量。图形显示终端用于图形的交互式输入、编辑、分析、处理和输出。目前有多种系列和型号的显示终端，如Teltronix公司生产的4128、4335型，与IBM-PC机兼容的SGS-430三维转换器