GIS的基本概念和理论解析.docx

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GIS的基本概念和理论解析

第三章GIS的基本概念和理论

一、GIS的基本概念

1、信息和地理信息

信息的定义：

是用文字、数字、符号、语言、图象、图形等介质来表达事件、事物或现象等的内容、数量和特征，从而向人们（或系统）提供的关于现实世界新的事实和知识。

特征：

Ø客观性

Ø适用性

Ø可传输性

Ø共享性

数据的定义：

是一种未加工的原始资料。

用文字、数字、符号、语言、图象、图形等都是数据。

信息与数据的关系：

数据是信息表示的载体，信息是数据表示的内容。

地理信息的定义：

地理信息是关于地理实体、现象或关系的本质、特征及其运动状态、规律的表征和一切有用的知识。

地理数据的定义：

各种地理特征、现象和关系的符号化表示。

包括空间位置及其关系、属性特征和时域特征三部分。

称为空间数据的基本特征。

地理信息的特征除了具备信息的一般特征外，还有以下特征：

Ø空间分布性

Ø数据量大

Ø信息载体多样性

Ø时序性

2、信息系统和地理信息系统

（1）信息系统的定义：

信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。

在计算机时代，信息系统都部分或全部由计算机系统支持，并由硬件、软件、数据和用户四大要素组成。

智能化的系统还应包括知识。

其系统的概念模型可由下图描述。

分为事务处理系统和决策支持系统。

（2）地理信息系统的定义：

是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的的数据的计算机空间信息系统。

地理信息系统简称为GIS。

关于它确切的全称，多数人认为是GeographicalInformationSystem，也有人认为是GeoinformationSystem。

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LandInformationSystem。

在我国，通常称为ResourcesandEnvironmentalInformationSystems。

全称虽有差异，但简称都是GIS。

GIS对于不同的部门和不同的应用目的，其定义也不尽相同。

例如，美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。

Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。

加拿大的RogerTomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。

”Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”。

俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。

A什么人需要GIS？

Ø地图的使用者。

他们需要从地图上查找感兴趣的东西。

Ø地图生产者。

编辑各种专题或综合信息地图。

Ø地图出版者。

需要高质量的地图输出产品。

Ø地图分析员。

他们需要根据位置和空间关系完成分析任务。

Ø数据录入人员。

完成数据编辑。

Ø数据库设计者。

需要实现数据的存储和管理。

Ø开发者。

需要实现GIS的软件功能。

B数据

数据是GIS的操作对象。

C硬件

是GIS的支撑体。

D软件

完成GIS任务的工具

E空间分析

建立GIS的主要目的。

空间分析和统计功能是GIS的一个独立研究领域，它的主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系，它不仅已成为区别于其他类型系统的一个重要标志，而且为用户提供了灵活地解决各类专门问题的有效工具。

GIS是一种特定而又十分重要的空间信息系统。

具有以下基本特点：

ØGIS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。

ØGIS的操作对象是地理实体或空间数据。

所谓地理实体指的是在人们生存的地球表面附近的地理图层（大气图、水图、岩石图、生物图）中可相互区分的事物和现象，即地理空间中的事物和现象。

在地理信息系统中，所操作的只能是实体的数据，它们都有描述其质量、数量、时间特征的属性数据，也有其非属性的数据——空间数据，即以点、线、面方式编码并以（X、Y）坐标串储存管理的离散型空间数据，或者以一系列栅格单元表达的连续型空间数据。

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，即空间特征数据和属性特征数据统称为地理数据。

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。

ØGIS的技术优势在于数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法难以得到的重要信息。

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。

ØGIS与测绘学和地理学密切相关。

地理学是一门研究人—地相互关系的科学，研究各自然界面的生物、物理、化学过程，以及探求人类活动与资源环境间相互协调的规律，这为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为GIS的基础理论依托。

测绘学不但为GIS提供各种不同比例尺和精度的定位数据，而且其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。

而GIS引入地学界，正如美国地质学家K.I·兰菲尔所说的“GIS引入地学界，如同Fortran语言引入计算机科学界一样重要”，GIS是以一种全新的思想和手段来解决复杂的规划、管理和地理相关问题，例如城市规划、商业选址、环境评估、资源管理、灾害监测、全球变化，甚至在现代企业中作为制定科学经营战略的一种重要手段，因为企业对外界的认知能力和信息处理能力提高了，就能创造空间上的竞争优势。

解决这些复杂的空间规划和管理问题，这是GIS应用的主要目标。

3、地理信息系统的分类

（1）地理信息系统按存储数据的范围大小，可划分为全球的、区域的和局部的三种。

（2）地理信息系统按表达空间维数，分为2维和3维。

通常GIS研究地球表层的若干要素的分布，属2~2.5维GIS，布满整个三维空间建立的GIS，才是真三维GIS。

一般也将数字位置模型（2维）和数字高程模型（1维）的结合称为2+1维或2.5维GIS。

（3）按是否直接存储时间尺度，分为静态和动态。

如果考虑时间维度，也称为时态GIS或动态GIS。

否则为静态。

（4）按事件处理内容和方式，分为事务处理或管理GIS和决策支持GIS。

二、GIS的基本组成

1、单机模式的硬件组成（单用户模式）

主要由高档计算机（高档微机、工作站或小型机）、数据输入设备、数据输出设备和数据存储设备组成。

目前运行GIS的主机，包括大型、中型、小型机，工作站/服务器和微型计算机。

其中各种类型的工作站/服务器成为GIS的主流，特别是由Intel硬件和WindowsNT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逐渐模糊。

由于客户/服务器环境的流行，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CalcompDrawingBoard系统数字化仪，其有效面积从12英寸×12英寸（305mm×305mm）到44英寸×60英寸（1118mm×1524mm），有多种配置可供选择，如不透光的或带背光的板面，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,GridUpdate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0.005～0.001英寸（0.13～0.025mm）。

手扶跟踪数字化仪的速度慢，工作效率较低，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。

Evolution3840大幅面扫描仪扫描一幅A0图纸的时间仅需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。

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HPDesignJet750C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1600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-430三维转换器等。

GIS还有多种表格、文字的数据需要输出，可利用多种打印机完成。

打印机的类型有针式打印机、激光打印机、液晶打印机等。

HPDesignJet彩色打印机还能打印出丰富绚丽的彩色图形和细腻的文字。

2、网络模式的GIS硬件组成（多用户模式）

网络模式的GIS主要在单机模式的基础上增加网络设备，如服务器、客户机、路由器、交换机、集线器、传输介质等。

网络的拓扑结构有总线结构（楼宇网）、星形结构和环形结构（园区网）

20世纪90年代以来，计算机技术的飞速发展不断改变着GIS的结构体系，从主机及终端结构到Client/Server，再到Internet/Intranet。

目前，基于客户/服务器体系结构并在局域网、广域网或因特网支持下的分布式系统结构。

网络设备包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。

在进行GIS网络设计时，必须首先确定网络应用的需求，然后具体考虑网络类型、互联设备、网络操作系统和服务器的选择，以及网络拓扑结构、网络布线和网络安全性保障等。

只有通过对新技术的深刻理解、对新产品的广泛关注以及对应用需求的准确把握，才能设计出一个合理的GIS网络。

网络在整个GIS项目中处于至关重要的地位。

GIS应用与常规事务处理有很大不同，突出表现在巨大的数据量、复杂的处理方式、空间的分布性，以及对安全容错机制的要求上，网络设计必须满足：

（1）网络性能高，传输速率快

GIS处理对象以图形图像为主，数据量大，非常规类型。

当用户较多时，网络传输繁重，容易造成网络阻塞，因而要求有足够带宽和灵活的传送技术。

（2）Client/Server、Intranet结构，分布式数据处理

GIS系统是一个有机组合的群体，通过网络将地理上分散、具有自治功能的多个计算机系统互联，实现信息交换、资源共享和协同工作。

支持空间分布性、联机事务处理、多用户并发操作，是GIS网络基本特征。

（3）多媒体数据同步传输

GIS处理越来越多地涉及声音、动画、影视等多媒体数据，因此需要实现时间敏感数据的同步传输。

（4）空间操作的复杂性，长型事务处理

GIS基于空间数据的操作，例如图形修改、拓扑关系建立，都要求独占主机和网络资源，网络必须对此提供足够的支持，而且一旦操作失败，应具备容错和恢复等安全机制。

（5）GIS网络构成复杂，涉及诸多硬件平台、操作系统、网络类型的综合集成

GIS硬件平台从传统小型机到各种UNIX服务器直至流行的个人工作站，几乎包括了计算产品的各种类型，还有扫描仪、绘图仪、数字化仪、硬盘阵列等专用设备；GIS系统必须同时支持UNIX、NT、Windows95等操作系统及Web/Browser应用，其客户端、服务器、中间件、开发工具等产品种类繁多、性能各异；网络设备选择涉及集线器、交换机、路由器、远程访问服务器等各个方面；如何从实际出发，对计算资源进行合理选型与配置以发挥最佳效益，是GIS网络设计的关键所在。

根据GIS上述特征，应采取结构化网络设计方式，进行细致的工作群组划分和网络分段，按照应用特点选择不同的网络技术，充分发挥各自优势；使用高性能服务器、交换机以提升网络主干性能。

由于应用规模和实际需求不同，GIS网络设计存在较大差别，按规模有小型快速共享局域网、中型交换式局域网、大型ATM企业园区网、大型千兆以太企业广域网等不同模式。

在实践中的例子有：

（1）GIS小型快速局域网

系统主机为INTERGRAPH的Wintel三维图形工作站TD系列12台和1台UNIX服务器。

网络设备采用3ComSuperStackIIHub100快速以太网集线器，具有24个端口共享100Mb/s带宽，通过UTP连接为星型拓扑结构。

11台TD-2工作站安装NTWS作为客户端，1台TD-4安装NTServer作为服务器，接入交换机100Mb/s端口，配置NETBEUI、TCP/IP网络协议，进行域名服务、网络资源管理，通过PCNFS实现与UNIX服务器的数据传输。

系统运行INTERGRAPHClient/Server结构GIS软件MGE，应用服务以MSSQLServer数据库作为后台支持。

通过NTServer定义各个节点的网络地址、用户、共享应用程序、磁盘空间和各种外设（包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、制版机等），将GIS进程优化到网络上，实现数据输入、预处理、分色分版、修改和胶片制作等功能，完成大型地图产品输入、编辑、输出的一体化过程。

●网络特点

简单实用，易于建立，是低成本的GIS网络解决方案。

但网络传输速率低，缺乏有效的管理和容错机制，适用于上网设备较少，对实时性、安全性要求不高的部门级应用。

（2）GIS中型交换局域网

系统硬件包括20台UNIX工作站/服务器，30台PC工作站/服务器，以及扫描仪、绘图仪、网络打印机、数字化仪等各种外部设备，运行ARCINFO、EDARS、SYBASE分布式应用软件，进行国家级重大灾害的实时监测和快速反应。

网络设计实施过程中，将网络资源按照其性能、用途划分为4个子网，网络中心采用BayAccelar1200路由交换机，连接3台3ComLinkSwitch3C16900桌面交换机，构成网络主干，将SunServer450、SGIOrigin2000、HPLHPRO300服务器和20台Sun、SGI、DEC工作站直接接入Accelar1200100M交换以太模块，40台PC及网络打印机、绘图仪、扫描仪等分别通过3ComLinkSwitch3C16900集线器构成独立的10M交换子网，再连到中心交换机上。

Accelar1200具有8个插槽，可扩展至96个100M以太网端口，并支持千兆以太网。

Accelar1200将第三层交换与IP路由相结合，9Gb/s交换能力可满足大型GIS应用传输要求。

为确保网络中枢安全性，提供冗余电源、后备模块甚至CPU处理单元，所有模块均可带电更换。

通过BayOptivity网管软件，Accelar1200支持创建最多127个端口或协议的虚拟网划分，从而有效地提高网络灵活性。

●网络特点

采用业界先进的千兆以太网技术，大幅度提高网络主干速度；实现VLAN划分、智能管理、安全容错机制；网络资源多样，包括UNIX工作站/服务器，NT工作站/服务器，以及各种外部设备的互连，是较为典型的GIS局域网应用系统。

（3）GIS大型ATM企业园区网

系统设计目标是建立一个企业骨干网络，将土地局分布在1平方公里范围内的三座办公楼局域网连接起来，组成分布式信息处理系统，为工程技术/管理人员构造高速率、高可靠性的计算环境，提供办公自动化服务和辅助决策支持。

方案设计采用先进的ATM组网技术，通过局域网仿真达到较高性能，网络设计主要遵循以下原则：

（1）大规模数据的高速传输，包括图形、图像及语音、视频等多媒体信息；

（2）高度可靠性，提供安全的应用环境；

（3）良好的网络管理和可维护性，具有广泛的网络服务和管理功能；

（4）实用性和先进性，方案所涉及的技术产品应具有先进成熟、稳定可靠、经济实用的特点，遵循开放原则，符合国际标准，具备灵活方便的网络连接及升级能力，有利于技术更新，动态保持最佳的性能价格比。

网络中心采用Bay中心交换机System5000。

System5000是高档骨干插槽式交换机，提供ATM连接、LAN仿真服务及智能网络管理，插入不同模板可以连接不同网络，如FDDI、快速以太、令牌环、千兆以太网。

通过System5000ATM网口，连接多台EtherCell10328-FETHE/ATM交换机到各个子网，实现ATM到桌面的过渡方案—局域网仿真。

主服务器SunServer2000插入ATM网卡，以155Mb/s速率连接到System5000的ATM端口上，提高网络总体吞吐量和服务性能，网络中心配置网管工作站，运行BayOptivity软件，管理整个网络并实现VLAN的划分。

●主干网设计

网络采用ATM技术与LANEmulation相结合的方案。

网络中心安装业界领先的BaySystem5000交换机，三个BayEthercellETHE/ATM交换机，以155M速率连接到System5000ATM交换模块上，构成整个企业网的主干。

各办公楼局域网分别连接到EthercellETHE/ATMSwitch，充分保护现有投资，提高设备利用率。

BaySystem5000具有9G/s的高速背板，插入ControlModule、SwitchFabricModule、LinkModule，以支持ATM、LANEmulation应用，System5000具备高可靠性，支持HotSwap、冗余时钟、风扇设计、冗余电源等。

二级交换机采用BayEthercellSwitch10328-F，配合SystemM5000实现LANEmulation，支持ATMForum标准，提供以太网与ATM之间直接通信。

10328-F具有12个100Base-T端口与一个多模光纤口。

光纤端口以155M连接到System5000，12个100Base-T分别连接到各子网节点，实现Ethercell到ATM之间的交换。

●网络特点

网络产品的选择遵循高效率与可靠性原则，采用多膜光纤作为通信介质，保障高质量传输效果；通过BayOptivity网管软件以图形化方式管理监控整个网络状态；连接性和扩充性强，确保联入本网的任何结点之间的数据交流通畅，共享文件、数据、硬件外设等资源；System5000的模块化设计，可根据用户要求进行自由配置，升级简便易行，只要插入新的模块即可，由于采用星型布线、交换路由技术，扩大业务时，布线系统不作改动，充分保护已有投资，适应未来不断增长的需求。

（4）GIS大型千兆企业广域网

国土规划信息系统是连接市规划局信息中心、市局各业务处室及五个下属分局的广域网系统，主要特点是物理位置分散、信息量大、网络安全要求高。

为保证网络系统的高效运行，网络设计应该满足以下要求：

（1）符合国际规范和标准，具有开放性；

（2）网络容量满足规划局业务不断发展的需要，网络中避免出现通道瓶颈；

（3）具有良好的可靠性、安全性、互操作性和可扩充性。

系统硬件平台采用UNIX、PC工作站/服务器，采用普通以太网作为末端类型，通过交换/路由设备与千兆主干网相连接。

使用ARCINFO地理信息系统、Oracle数据库软件，支持分布式数据处理，在UNIX、NT系统下，实现数据访问、资源共享与应用分割，提供文件和打印服务，满足规划局办公自动化需求。

具体网络设计实施中，应该把握规划局各级机构的物理分布、业务特点和数据流程，采取由上至下、由主至从的分层设计方法，针对不同层次特点使用不同的网络技术和产品，以获得最佳网络效益。

根据各分局、市局业务管理、物理分布及网络设计经济实用原则等，将信息系统分解成七个局域子网，即市局子网、信息中心子网和五个分局子网，各子网拥有独立的应用服务器，市局和信息中心共享总服务器，各服务器之间通过网络系统与应用程序实时地保持数据一致性。

系统组成如下：

（1）千兆以太主干网络：

连接市局服务器、市局各业务处室网各信息中心网的高速通道；

（2）快速以太局域子网：

市局各业务处室网、局信息中心网及五个分局子网；

（3）DDN、PSTN广域子网：

通过专用、公用通信线路实现市局、分局连接并提供对外服务。

1．千兆以太光纤主干网

国土规划信息系统主干网络在市局办公大楼中实施，连接两台SunUltraSPARCServer4000服务器，包括市局各业务处室局域网和局信息中心局域网，是整个系统的中枢，其安全性能对于整个信息系统的高效运行至关重要，系统采用千兆以太网组建全局主干网络。

因为千兆以太网具有下列优势：

（1）满足大量GIS图形数据的高速传输及多媒体应用的性能要求；

（2）光纤介质抗电磁干拢，无泄漏，具有强保密性；

（3）兼容普通/交换以太网，保证投资的连续性。

根据规划管理信息系统的网络要求，结合各部门的物理分布，采用下列措施具体实施千兆光纤主干网：

（1）通过两台中心交换机CiscoCatalyst5000和多台千兆/快速以太网交换机CiscoCatalyst2000构成千兆网主干，将服务器安装双网卡分别挂接到两台中心交换机上，增强服务器的吞吐能力，消除通信瓶颈，提高网络整体性能，服务器/交换机之间提供备份连接，不会因为一台设备的故障导致系统崩溃，为网络安全可靠性提供有力保证；

（2）对于局信息中心及市局各业务