地理信息系统.docx
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地理信息系统
五、地理信息系统
定义1：
在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统。
定义2：
在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统。
定义3：
在计算机软件、硬件及网络支持下，对有关空间数据进行预处理、输入、存储、查询检索、处理、分析、显示、更新和提供应用以及在不同用户、不同系统、不同地点之间传输地理数据的计算机信息系统。
定义4：
能集成、存储、检索、操作和分析地理数据，生成并输出各种地理信息的系统。
地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，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。
（一）地理信息系统的基本概念：
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、决策和管理问题。
通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：
地理信息系统示意图
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，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。
2、GIS的操作对象是空间数据和属性数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。
空间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、定性和定量的描述、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数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。
三维地理信息系统
4、GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。
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；电子速测仪、GPS全球定位技术、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。
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。
典型的GIS功能框图
（二）地理信息系统原理：
地理信息系统是20世纪60年代初期发展起来的一门新兴学科，它是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。
它在最近30多年来随着计算机飞速发展，而得到迅速的发展和普及，并广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。
原理性描述
地理信息系统的基本概念，系统的构成，功能及其运行环境，系统所具有的空间特征，数据的采集、组织与管理，数据结构和数学模型，系统的设计方法、原则、模式以及步骤。
开发的系统具有采集、管理、分析和以多种方式输出地理空间信息的能力，为管理和决策服务，使系统具有快速、准确并能综合的对复杂的地理系统进行空间分析和过程的动态分析。
表达
一、如何用计算机来描述和表达地理现象？
凭借计算机来研究地理，首先需要解决的问题是：
如何用计算机来描述和表达地理现象？
在这之前，古人用各种形式的纸张地图和各种文字数据等资料来描述地理现象，这些资料大都通过测量和调查等方式获取的。
现在有了计算机，那用计算机该如何展现地图和各种文字数据等资料呢？
古人借助坐标，通过测量把地理上的现象描绘到纸张上，那自然我们也会想到用同样的思路，用坐标来描述，用图形来展现地图。
经过抽象，分别用点（X,Y）,线（X0,Y0,X1,Y1……Xn,Yn）,面（X0,Y0,X1,Y1……Xn-1,Yn-1,X0,Y0）这三种坐标形式来表达各种地理现象.各种相关的文字数据等资料,将以属性字段的形式来描述.这种就是我们通常所说的矢量数据.而另一种描述方式——栅格数据，就是我们通常看到的图象,是由栅格所组成,每个栅格所在的位置和地理的相应区域是对应的,象素值就是对应的属性值.
二、如何用计算机来存储地理数据?
在计算机中,数据的存储表达形式无非就两种形式:
1,二进制;2,字符（其实字符最终也是二进制）.在GIS中,用二进制或者字符来存储坐标（属性值同理）,坐标浮点型,可以用二进制4或者8个字节来存储,或者也可以用字符串的形式（不过麻烦的是,解析字符串不是很高效）,把这一系列的坐标二进制数据以一定的结构保存起来,我们常见的shp格式,就是二进制的.在数据库中,可以用二进制BLOB字段类型来存储坐标序列,也可以用字符串字段类型.栅格数据通常是存储每个象素的值,也是基本数据类型,比如int,double,char等.整个图象以矩阵或者矩阵的压缩形式来存储的.
三、如何用计算机对这些数据进行处理分析?
空间数据的处理,就是根据应用分析的需求,采用一种算法,对空间数据进行运算.对矢量而言,就是对地理坐标点进行运算,比如空间关系的判断,就是根据地物的坐标位置,用一种算法来判断地物之间的拓扑关系;数据编辑,也是对地物的坐标进行操作;.对栅格数据,就是对栅格象素进行运算,比如二值化,两个栅格图象的叠置运算.
四、如何用计算机来展现地理信息?
地理信息的展示,通常以图形图象或者表格的方式来展现,也是用户操作的UI接口.这里涉及到如何把地理坐标用图形的方式展现出来,如何把图象栅格展现出来?
这里涉及到一个共同的问题就是把地理坐标转换成屏幕显示坐标,因为我们最终是要通过屏幕来显示的,如何在屏幕上定位一个地物的坐标,必然涉及到两者的转换.同时地理信息的展现也涉及到如何渲染的问题,主要表现在地图符号化上,采用不同的形状,不同的颜色,不同大小粗细来表达不同数量,不同质量的信息.
模型
地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。
栅格数据模型（RasterDataModel）
矢量数据模型（VectorDataModel）
对象数据模型（ObjectDataModel）
矢量数据结构
数据结构：
将数据模型的概念性描述进行具体的存储与表现
矢量数据结构概念：
矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。
数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。
对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。
矢量数据表达
矢量数据表达—简单数据结构：
只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称面条结构）。
适用范围：
制图及一般查询，不适合复杂的空间分析
这种数据结构具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等优点。
但这种方法也有以下明显缺点：
）相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系。
矢量数据表达—拓扑数据结构：
不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系
采用拓扑关系的原则：
应用目的
制图或一般查询，可不要拓扑结构；
空间分析，则应建立拓扑关系。
（三）使用技术与方法：
信息来源
如果能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来，可以判断出哪块湿地在一年的某些时候会干涸。
一个GIS系统就能够进行这样的分析，它能够将不同来源的信息以不同的形式应用。
对于源数据的基本要求是确定变量的位置。
位置可能由经度，纬度和海拔的x，y，z坐标来标注，或是由其他地理编码系统比如ZIP码，又或是高速公路英里标志来表示。
任何可以定位存放的变量都能被反馈到GIS。
一些政府机构和非政府组织生产正在制作能够直接访问GIS的计算机数据库。
可以将地图中不同类型的数据格式输入GIS。
GIS系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式。
例如，通过分析由遥感生成的数字卫星图像，可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。
同样,人口调查或水文表格数据也可在GIS系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。
GIS数据以数字数据的形式表现了现实世界客观对象（公路,土地利用,海拔）。
现实世界客观对象可被划分为二个抽象概念:
离散对象（如房屋）和连续的对象领域（如降雨量或海拔）。
这二种抽象体在GIS系统中存储数据主要的二种方法为:
栅格（网格）和矢量。
栅格（网格）数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。
它与栅格（网格）图像是类似的，除了使用合适的颜色之外，各个单元记录的数值也可能是一个分类组，例如土地使用状况，一个连续的值，或是降雨量，或是当数据不是可用时记录的一个空值。
栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。
通常存储单元代表地面的方形区域，但也可以用来代表其它形状。
栅格数据既可以用来代表一块区域，也可以用来表示一个实物，实物被存储为...矢量数据利用了几何图形例如点，线（一系列点坐标），或是面（形状决定于线）来表现客观对象。
例如，在住房细分中以多边形来代表物产边界，以点来精确表示位置。
矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。
利用等高线和不规则三角网（TIN）来表示海拔或其他连续变化的值。
TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。
三角形所在的面代表地形表面。
利用栅格或矢量数据模型来表达现实既有优点也有缺点。
栅格数据设置在面内所有的点上都记录同一个值，而矢量格式只在需要的地方存储数据，这就使得前者所需的存储的空间大于后者。
对于栅格数据可以很轻易地实现覆盖的操作，而对于矢量数据来说要困难得多。
矢量数据可以象在传统地图上的矢量图形一样被显示出来，而栅格数据在以图象显示时显示对象的边界将呈现模糊状。
除了以几何向量坐标或是栅格单元位置来表达的空间数据外，另外的非空间数据也可以被存储。
在矢量数据中，这些附加数据为客观对象的属性。
例如，一个森林资源的多边形可能包含一个标识符值及有关树木种类的信息。
在栅格数据中单元值可存储属性信息，但同样可以作为与其他表格中记录相关的标识符。
资料撷取
数据撷取——向系统内输入数据——它占据了GIS从业者的大部分时间。
有多种方法向GIS中输入数据，在其中它以数字格式存储。
印在纸或聚酯薄膜地图上的现有数据可以被数字化或扫描来产生数字数据。
数字化仪从地图中产生向量数据作为操作符轨迹点、线和多边形的边界。
扫描地图可以产生能被进一步处理生成向量数据的光栅数据。
测量数据可以从测量器械上的数字数据收集系统中被直接输入到GIS中。
从全球定位系统（GPS）——另一种测量工具中得到的位置，也可以被直接输入到GIS中。
遥感数据同样在数据收集中发挥着重要作用，并由附在平台上的多个传感器组成。
传感器包括摄像机、数字扫描仪和激光雷达，而平台则通常由航空器和卫星构成。
现在大部分数字数据来源于图片判读和航空照片。
软拷贝工作站用来数字化直接从数字图像的立体象对中得到的特征。
这些系统允许数据以二维或三维捕捉，它们的海拔直接从用照相测量法原理的立体象对中测量得到。
现今，模拟航空照片先被扫描然后再输入到软拷贝系统，但随着高质量的数字摄像机越来越便宜，这一步也就可被省略了。
卫星遥感提供了空间数据的另一个重要来源。
这里卫星使用不同的传感器包来被动地测量从主动传感器如雷达发射出去的电磁波频谱或无线电波的部分的反射系数。
遥感收集可以进一步处理来标识感兴趣的对象和类例如土地覆盖的光栅数据。
除了收集和输入空间数据之外，属性数据也要输入到GIS中。
对于向量数据，这包括关于表现在系统中的对象的附加信息。
输入数据到GIS中后，通常还要编辑，来消除错误，或进一步处理。
对于向量数据必须要“拓扑正确”才能进行一些高级分析。
比如说，在公路网中，线必须与交叉点处的结点相连。
像反冲或过冲的错误也必须消除。
对于扫描的地图，源地图上的污点可能需要从生成的光栅中消除。
例如，污物的斑点可能会把两条本不该相连的线连在一起。
资料操作
GIS可以执行数据重构来把数据转换成不同的格式。
例如，GIS可以通过在具有相同分类的所有单元周围生成线，同时决定单元的空间关系，如邻接和包含，来将卫星图像转换成向量结构。
由于数字数据以不同的方法收集和存储，两种数据源可能会不完全兼容。
因此GIS必须能够将地理数据从一种结构转换到另一种结构。
投影系统，坐标系统与转换
财产所有权地图与土壤分布图可能以不同的比例尺显示数据。
GIS中的地图数据必须能被操作以使其与从其它地图获得的数据对齐或相配合。
在数字数据被分析前，它们可能得经过其它一些将它们整合进GIS的处理，比如，投影与坐标变换。
地球可以用多种模型来表示，对于地球表面上的任一给定点，各个模型都可能给出一套不同的坐标（如纬度，经度，海拔）。
最简单的模型是假定地球是一个理想的球体。
随着地球的更多测量逐渐累积，地球的模型也变得越来越复杂，越来越精确。
事实上，有些模型应用于地球的不同区域以提供更高的精确度（如北美坐标系统，1983-NAD83-只适合在美国使用，而在欧洲却不适用）。
投影是制作地图的基础部分，它是从地球的一种模型中转换信息的数学方法，它将三维的弯曲表面转换成二维的媒介（比如纸或电脑屏幕）。
不同类型的地图要采用不同的投影投影系统，因为每种投影系统有其自身的合适的用途。
比如一种可以精确反映大陆形状的投影会歪曲大陆的相对尺寸（翻译的是英文的维基百科）
GIS空间分析
空间分析能力是GIS的主要功能，也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。
空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以及对空间事物做出定量的描述。
一般地讲，它只回答What（是什么？
）、Where（在哪里？
）、How（怎么样？
）等问题，但并不（能）回答Why（为什么？
）。
空间分析需要复杂的数学工具，其中最主要的是空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等[1]，其主要任务是对空间构成进行描述和分析，以达到获取、描述和认知空间数据；理解和解释地理图案的背景过程；空间过程的模拟和预测；调控地理空间上发生的事件等目的[2]。
空间分析技术与许多学科有联系，地理学、经济学、区域科学、大气、地球物理、水文等专门学科为其提供知识和机理。
除了GIS软件捆绑空间分析模块外，目前也有一些专用的空间分析软件，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。
数据建模
将湿地地图与在机场、电视台和学校等不同地方记录的降雨量关联起来是很困难的。
然而，GIS能够描述地表、地下和大气的二维三维特征。
例如，GIS能够将反应降雨量的雨量线迅速制图。
这样的图称为雨量线图。
通过有限数量的点的量测可以估计出整个地表的特征，这样的方法已经很成熟。
一张二维雨量线图可以和GIS中相同区域的其它图层进行叠加分析。
拓扑建模
在过去的35年，在湿地边上有没有任何加油站或工厂经营过？
有没有任何满足在2英里内且高出湿地的条件的这类设施？
GIS可以识别并分析这种在数字化空间数据中的这种空间关系。
这些拓扑关系允许进行复杂的空间建模和分析。
地理实体音的拓扑关系包括连接（什么和什么相连）、包含（什么在什么之中）、还有邻近（两者之间的远近）。
网络建模
如果所有在湿地附近的工厂同时向河中排放化学物质，那么排入湿地的污染物的数量要多久就能达到破坏环境的数量？
GIS能模拟出污染物沿线性网络（河流）的扩散的路径。
诸如坡度、速度限值、管道直径之类的数值可以纳入这个模型使得模拟得更精确。
网络建模通常用于交通规划、水文建模和地下管网建模。
*地理信息系统空间分析的基本方法：
GIS空间分析的内涵极为丰富，包括空间查询、空间量测、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间统计分类等多个方面。
G1S空间分析技术方法包括以下两大类：
1、空间基本分析
基于空间图形数据的分析计算，即基于图的分析。
该分析功能与GIS其他功能模块有紧密联系，技术发展也比较成熟。
主要有空间信息量算、缓冲区分析、空间拓扑叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析及空间联结、空间统计分析等。
2、空间模拟分析
也称为专业型空间分析。
该技术解决应用领域对空间数据处理与输出的特殊要求，空间实体和关系通过专业模型得到简化和抽象，而系统则通过模型进行分析操作。
目前G1S在该领域的研究相对落后，尚未形成一个统一的结构体系。
*地理信息系统的特点：
1、GIS的操作对象是空间数据
空间数据包括地理数据、属性数据、几何数据、时间数据。
GIS对空间数据的管理与操作，是GIS区别于其它信息系统的根本标志，也是技术难点之一。
2、GIS的技术优势在于它的空间分析能力
GIS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、强大的图形处理和表达、空间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得的重要信息，这是GIS的重要贡献。
3、GIS与地理学、测绘学联系紧密
地理学是GIS的理论依托，为GIS提供有关空间分析的基本观点和方法。
测绘学为GIS提供各种定位数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。
*地理信息系统的基本功能：
1、数据的采集、检验与编辑
数据的采集与编辑主要用于获取数据，保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性。
2、数据转换与处理
其目的是保证数据在入库时在内容上的完整性，逻辑上的一致性。
方法主要有数据编辑与处理、错误修正；数据格式转化，包括：
矢量、栅格转化，不同数据格式转化；数据比例转化，包括：
平移、旋转、比例转换、纠正等；投影变换，主要是投影方式变换；数据概化，主要是平滑、特征集结；数据重构，主要是几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构）；地理编码，主要有根据拓扑结构编码。
*地理信息系统的组成：
1、空间数据
空间数据包括地理数据、属性数据、几何数据、时间数据。
2、系统硬件
单机模式由基本外设、处理设备和输出设备构成，适用于小型GIS模式建设。
局域网模式有专线连接，适用于部门或单位内部GIS建设。
广域网模式由公共通讯连接，局部范围为局域网,通过若干通道与广域网连接，不适合专线连接。
3、系统软件
系统软件关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，是GIS软硬件环境的重要组成部分。
系统软件主要是计算机的操作系统以及各种标准外设的驱动软件，目前流行的有DOS、Windows98/NT/2000/XP、UNIX等。
基础软件包括数据库软件和图形平台。
数据库软件用来管理空间数据，包括图形数据和属性数据。
流行数据库软件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQLServer、Ingress等。
目前GIS软件中主要采用关系数据库管理属性数据。
一个有发展前景的模型是面向对象数据模型，可实现图形和属性数据的联合管理。
图形平台如AutoDesk公司开发的基于AutoCAD的AutoMapGIS软件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGEGIS软件
（四）地理信息系统的应用与项目案例：
1）、用于全球环境变化动态监测
1．1987年联合国开始实施一项环境计划（UNEP），其中包括建立一个庞大的全球环境变化监测系统（GEMS）；
2．全球森林监测和森林生态变化有关项目（1990年对亚马逊地区原始森林的砍伐状况进行了调绘、1991年编制了全球热带雨林分布图）；
3．海岸线及海岸带资源与环境动态变化的监测；
4．全球性大气环流形势和海况预报等。
2）、用于自然资源调查与管理
1．在资源调查中，提供区域多条件下的资源统计和数据快速再现，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据；
2．可应用于不同层次和不同领域的资源调查与管理（例农业资源、林业资源、渔业资源）
3）、用于监测、预测
1．借助于遥感（RS）和航测等数据，利用GIS对森林火灾、洪水灾情、环境污染等进行监视，例如，1998年长江流域发生特大洪水灾害期间，制作洪水淹没动态变化趋势影像图，为管理部门提供了有效的决策依据。
2．利用数字统计方法，通过定量分析进行预测。
如加拿大金矿带的调查，分析不宜再行开采的存在储量危机的矿山，优选出新的开采矿区，并作出了综合预测图。
4）、用于城市、区域规划和地籍管理
1．GIS技术能进行多要素的分析和管理，可以实施城市和区域的多目标开发和规划，包括总体规划、建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置等；
2．城市和区域规划研究（研究城市地理信息系统的标准化、城市与区域动态扩展过程中的数据实时获取、城市空间结构的真三维显示、数字城市等）；
3．地籍管理（土地调查、登记、统计、评价和使用）。
5）、军事应用
1．反映战场地理环境的空间结构；完成态势图标绘、选择进攻路线、合理配置兵力、选择最佳瞄准点和打击核心、分析爆炸等级、范围、破坏程度、射击诸元等。
2．如海湾战争中，美国利用GIS模拟部队和车辆机动性、估算了化学武器扩散范围、模拟烟雾遮蔽战场的效果、提供水源探测所需点位、评定地形对武器性能的影响，为军事行动提供决策依据。
3．美国陆军测绘工程中心还在工作站上建立了GIS和RS的集成系统，及时地（不超过4小时）将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上，数据直接送到前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时服务。
4．科索沃战争中，利用3S高度集成技术，使打击目标更精准有效。
6）、用于辅助决策
7）、其他
GIS还在金融业、保险业、公共事业、社会治安、运输导航、考古、医疗救护等领域得到了广泛的应用。
（五）所用仪器:
计算机、GP卫星……
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