中国地质大学(北京)地理信息系统原理复习笔记

中国地质大学《地理信息系统原理》笔记第一章绪论当今信息技术突飞猛进，信息产业获得空前发展，信息资源得到爆炸式扩张。多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题时所必需的重要信息资源，是信息高速公路上的重要列车。信息时代人类对信息资源采集、管理、分析提出了很高的要求。系统论、信息论、控制论的形成，计算机技术、人造卫星遥感等空间技术，自动化技术的应用，为信息资源的科学管理展示出更加广阔的前景。地理信息系统(GeographicInformationSystem)，简称GIS，是在上述学科不断发展的历史背景下产生的，它是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。1.1地理信息系统的基本概念1.1.1信息与数据信息信息是现实世界在人们头脑中的反映，是向人们提供关于现实世界各种事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理形式的各种改变而改变。信息具有客观性、适用性、传输性、共享性等特点。客观性信息是客观存在的，任何信息都是与客观事物紧密联系的，但同一信息对不同的部门来说会有完全不同的重要性。适用性信息对决策是十分重要的，它可作为生产、管理、经营、分析和决策的依据，因而它具有广泛实用性传输性信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备(包括远程终端)和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统同各子系统之间的转输和交换。信息在传输、使用、交换时其原始意义不改变。共享性现代信息社会中，信息共享是一最基本的特点，共享使信息被多用户使用。数据对于计算机而言，数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象(数字、文字、符号、声音、图像等)，在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。1.1.2空间数据与地图空间数据空间数据是指单个地或群体地以空间位置为参照的数据，空间信息可以从位置信息、属性信息、时间信息三个方面来描述.位置信息位置信息用定位数据(亦称几何数据)来记录，它是反映自然现象的地理分布，具有定位的性质属性信息非位置信息用属性数据来记录，它是描述自然现象、物体的质量和数量特征时间信息时间信息反映空间物体的时序变化及发展过程与规律，无论是几何数据还是属性数据，都是在某一时刻采集的空间信息，时间信息也可隐含在属性数据中一个井泉，可以从地形图上确定它的地理坐标(几何数据)，而井泉的涌水量等参数则是该井泉的属性信息。不同的时间消水量不同，时间信息隐含在属于性数据中，地图地图是根据一定数学法则，使用形象符号，使用形象符号，通过选择和概括将地球表面缩放到平面上，用以表示各种自然和社会性现象分布、联系、变化和发展的图件。1.1.3地理信息与地学信息地理信息地理信息是表征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数字、文字、图像和图形等的总称。地学信息地学信息所表示的信息范围更广，它不仅来自地表，还包括地下、大气层，甚至宇宙空间。凡是与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。1.1.4信息系统和地理信息系统信息系统能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。信息系统的四大功能为数据采集、管理、分析和表达。信息系统是基于数据库的问答。地理信息系统地理信息系统(GIS)是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。1.2地理信息系统的发展过程GIS发展阶段起始发展阶段（60年代）我国GIS发展阶段准备阶段（70-80年代）巩固发展阶段（70年代）推广应用阶段（80年代）起步阶段（81-85年）蓬勃发展阶段（90年代以后）发展阶段（86年）1.2.1地理信息系统的发展阶段1963年由加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出并建立的世界上第一个地理信息系统是称为加拿大地理信息系统(CGIS)。1963年美国哈佛大学城市建筑和规划师HowardT.Fisher设计和建立了SYMAP系统软件。1966年美国成立了城市和区域信息系统协会(URISA)，1968年国际地理联合会(IGU)设立了地理数据收集委员会(CGDSP)。1969年，又建立起州信息系统国协会(NASIS)。70年代，GIS朝实用方向发展。各国对GIS的研究均投入了大量人力、物力、财力。不同规模、不同专题的信息系统得到很大发展。从1970年到1976年美国地质调查局发展了50多个地理信息系统。GIS受到政府、商业和学校的普遍重视。80年代，GIS在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大，开始用于全球性的问题。开展GIS工作的国家更为广泛，国际合作日益加强。GIS软件开发具有突破性的进展，仅1989年市场上有报价的软件达70多个。90年代，随着地理信息产生的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIA已成为确定性的产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的年增长率为35%以上，从事GIS的厂家已超过300家。GIS已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。1.2.2地理信息系统在我国的发展地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。GIS在中国的发展可分为三个阶段。第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡仪，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进，研究数据规范和标准，空间数据库建立，数据处理和分析算法及应用软件的开发等，对GIS进行理论探索和区域性实验研究。第三个阶段从1986年到现在，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室，目前国内较流行的GIS软件有MAPGIS、CITYSTAR、GEOSTAR、VIEWGIS等。1.3地理信息系统与其他相关科学系统间的关系1.3.1GIS与地图学GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础，其最终产品之一也是地图，因此它与地图有着极密切的关系，两者都是地理学的信息载体，同样具有存储分析和显示（表示）的功能。由地图学到地图学与GIS结合，这是科学发展的规律，GIS是地图学在信息时代的发展。关于GIS与地图学的关系问题，存在不少专门的论述，其作者有地图专家，也有以遥感、摄影测量或其它专业为背景的GIS专家。一种观点认为：“GIS脱胎于地图”，“GIS是地图学的继续”，“GIS是地图学的一部分”，“GIS是数字的或基于可视化地图的地理信息系统”等；另一种观点认为：“地图学是GIS的回归母体”，“地图是模拟的GIS”，“地图是GIS的一部分”等。英国S.Caeettari认为“GIS是一种把各系统发展中的一些学科原理综合起来的独特技术，作为其中一部分的地图学，不仅提供一体化的框架和数据，而且提供了目标、知识、原理和方法”。把地图学和GIS加以比较可以看出，GIS是地图学理论、方法与功能的延伸，地图学与GIS是一脉相承的，它们都是空间信息处理的科学，只不过地图学强调图形信息传输，而GIS则强调空间数据处理与分析，在地图学与GIS之间一个最有力的连接是通过地图可视化工具与它们的潜力来增加GIS的数据综合和分析能力。1.3.2GIS与一般事务数据GIS离不开数据库技术。数据库技术主要是通过属性来管理和检索，其优点是存储和管理有效，查询和检索方便，但数据表示不直观，不能描述图形拓扑关系，一般没有空间概念，即使存贮了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询。GIS能处理空间数据，其工作过程主要是处理空间实体的位置、空间关系及空间实体的属性。例如电话查号台可看作一个事务数据库系统，它只能回答用户所询问的电话号码，而通讯信息系统除了可查询电话号码外，还可提供电话用户的地理分布、空间密度、最近的邮电局等信息1.3.3GIS与计算机地图制图早在18世纪，欧州一些国家就开始系统地绘制本国地形图。六七十年代期间，空间数据应用的主要领域是资源调查、土地评价和规划等领域，各学科领域的科学家们认识到地表各特征之间的相互联系、相互影响这一事实后，开始寻找一种综合的多学科、多目标的调查分析方法来评价地表特征，因而产生了面向特殊目的的专题图件。60年代，计算机的出现，传统的制图方式被打破，对地球资源的量化分析和评价产生了实质性的发展，地图要素被量化成简单的数字，可以用计算机很方便地给予定性、定量及定位分析，进而用颜色、符号和文字说明完整地表达实体，因此产生了计算机地图制图技术。70年代后期，由于计算机硬件持续发展，计算机地图制图的历程向前迈进了一大步。80年代，美国地质调查研究所制定了旨在实现地图制图现代化的计划，它的任务是大规模地扩充和改进地图数字化设备，制定数据库信息交换标准，提高地图修编能力，改革传统的制图工艺，形成现代化数字制图流程，计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段,它必将引起地图制图过程深刻变化,成为现代地图制图主要手段，GIS应用于地图制图，可实现地图图形数字化，建立图形和属性两类数据相结合的数据库。但GIS系统不同于计算机地图制图，计算机地图制图主要考虑可视材料的显示和处理,考虑地形、地物和各种专题要素在图上的表示，并且以数字形式对它们进行存贮、管理，最后通过绘图仪输出地图。计算机地图制图系统强调的是图形表示，通常只有图形数据，不太注重可视实体具有或不具有的非图形属性，而这种属性却是地理分析中非常有用的数据。GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法和显示质量，强调的是信息及其操作，不仅有图形数据库，还有非图形数据库，并且可综合两者的数据进行深层次的空间分析，提供对规划、管理和决策有用的信息。数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式，计算机地图制图是GIS重要组成部分。1.3.4GIS与计算机辅助设备（CAD）CAD主要用来代替或辅助工程师们进行各种设计工作，它可绘制各种技术图形，大至飞机，小至微芯片等，也可与计算机辅助制造（CAM）系统共同用于产品加工中的实时控制。GIS与CAD系统的共同特点是两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形数据的拓扑关系，也都能处理非图形属性数据。它们的主要区别是：CAD处理的多为规则几何图形及其组合，它的图形功能尤其是三维图形功能极强，属性库功能相对要弱，采用的一般是几何坐标系。而GIS处理的多为自然目标，有分维特征（海岸线、地形等高线等），因而图形处理的难度大，GIS的属性库内容结构复杂，功能强大，图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征，GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能，GIS的数据量大，数据输入方式多样化，所用的数据分析方法具有专业化特征。因此一个功能较全的CAD，并不完全适合于完成GIS任务。GIS基本概念集锦GIS基本概念集锦1、地理信息系统（GeographicInformationSystem，即GIS）——一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科，它是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。GIS有以下子系统：数据输入子系统，数据存储和检索子系统，数据操作和分析子系统，报告子系统.信息系统非空间的空间的管理信息系统非地理学的GISCAD/CAM其他GISLIS社会经济,人口普查基于非地块,基于地块的2、比较GIS与CAD、CAC间的异同。CAD——计算机辅助设计，规则图形的生成、编辑与显示系统，与外部描述数据无关。CAC——