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第一章地理信息系统导论-1-第一章地理信息系统导论地理信息系统(GeographicInformationSystem)简称“GIS”,涉及地理学、测绘学、遥感科学、信息科学、系统科学、空间科学、环境科学、城市科学、决策科学、计算机科学与技术等学科,是管理和分析空间数据的综合性技术。它的基础是地理、测绘、系统工程与人工智能,它的支撑是计算机技术,它的应用领域最初是地理、规划、地图与管理等行业,现在已涉及到所有领域与部门。地理信息系统、遥感系统(RS)、全球定位系统(GPS)与通信技术的结合,丰富与完善了地理信息系统的科学体系。地理信息系统的出现与应用揭开了地理学科的新篇章,其影响之深刻是难以估量的。如果说,用地图记载地理现象,以坐标确定空间位置是地理学的巨大进步,信息论、控制论、系统论与耗散结构、突变论、协同论的引用给地理学注入了新鲜血液,计算机技术、遥感技术的应用使地理学充满了勃勃生机,则地理信息系统的出现是地理学发展史上的革命性变革,代表了地理学发展的一个重要方向。1.1基本概念1.1.1数据、信息与信息系统今天,人们都深刻地认识到,信息如同矿物资源、水资源、能源一样,是重要的与社会经济发展不可分割的特殊资源,是人与客观世界之间的媒介,对管理和决策起着直接的决定性的影响。人们从认识客观世界中的事物到表示信息的数据,一般经历了客观世界、数据世界与信息世界三个过程。客观世界的研究对象是实体及其有关内容,用数据世界来表达,用信息世界来反映。数据是客观实体的表达形式,是信息的载体。信息是数据载体所包含的实际意义。建立信息系统的过程是将客观世界与数据世界用计算机进行密切结合的过程。信息从客观世界经过人为的选择、加工、组织进入数据世界,最后又回到客观世界之中。我们面临的世界是一个人文、经济、自然、社会组成的复杂巨系统,是物质、能量和信息的统一体。地理信息系统主要的研究对象就是系统中运动的实体及其性质,对这些描述客观世界的概念是本章首先要搞清楚的概念。实体是客观存在并可互相区别的物体,由可触及的对象、抽象事件与事物间的联系构成。属性同一的实体成为实体集。任何实体都有自己的属性,它表示了实体的固有特征。由于大千世界的错综复杂,没有任何实体在所有属性上都是相同的,因此可用不同的标识符表示实体。实体与属性都有型与值之分,型是一般的抽象的表达实体与属性的量,值是具体的确切的表达实体与属性的量。如颜色是实体属性的型,而红、兰等具体的颜色是实体属性的值。抽象的数据是实体的型,而某个具体的数据是实体的值。型与值的关系如同变量与变量值之间的关系。理解好型与值之间的关系对建立数据库、管理数据库有一定帮助。地理信息系统基础-2-1)数据数据是对客观事物及其属性的抽象描述,是用以表示信息的物理符号,具有数字、文字、符号、图形、影像与声音等多种载体形式(称为多媒体),但数据自身没有任何意义。在计算机系统中,数据不同于人们习惯的用文字、符号、表格、图形、图像、声音与动画等表示的形式,任何数据都是用二进制数表示的,各种基本符号都与二进制数建立起对应关系,如ASCII就是用二进制数定义的字符,每个字符也就唯一地对应着某一数据。计算机软件系统的重要任务就是缩小机器与人之间传递信息的差别。数据具有周期性、不确定性、拓扑联系。周期性指数据的有效时间,不同数据周期性不同,如地形等数据生命周期长,而土地利用数据周期短,周期短的数据需及时不断地更新。不确定性指录入到数据库里的数据一般都不精确,如从地图上采集数据,由于地图本身存在固有误差,操作时还有输入误差、存储误差、编辑误差,因此数据不可能绝对精确。但目前的全球定位系统,直接在现场定位,将数据以数字格式存储,使数据误差变小。拓扑联系指图形数据之间的关联性、连通性、邻近性与重叠性等,这是分析空间框架与变化过程的基础。地理信息系统的设计与建立,首先是收集与处理数据。数据处理是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算、分析、模拟与预测等操作。数据处理是为了解释,使之成为便于观察、分析、传输的形式,利于管理与决策,被持续使用。2)信息信息是实体及其特性(能量与物质形态)在人们头脑中的反映,其定义有狭义与广义之分:狭义的信息指对事物获得的新知识、新消息;广义的信息指为某一目的服务的一切有用知识的集合,是对实体特性、状态与联系的描述。人们总是用文字、数字、声响、图形图像和其它各种符号把信息记载下来,一看到这些载体,就联想起它们所代表的实际内容,而非是载体本身。因此,信息不随载体的物理设备形式的改变而改变,具有客观性、可传递性、可替代性、可扩充压缩性、可转换性与共享性,此外信息还具有结构化程度、准确程度、时效性、可预测性、使用频率与方式、信息的重要程度等属性。了解信息的特性是有效地对信息进行分析处理的基础。信息与数据总是相互关联、不可分割的。没有数据则不能表达信息,数据是信息的载体,但不是信息。只有理解了数据的含义,对数据做出解释,才能得到数据中包含的信息。因而信息是经对数据解译或处理后,对人们的行为能产生影响并赋予一定意义的数据,即信息是数据的涵义或说内容。数据作为记录下来的可识别的符号,具体形式多种多样,数据的表达形式可以转换,但其中包含的信息内容不会改变。3)信息系统系统指相互作用、相互依赖具有特定功能的诸多因素构成的有机整体。系统一般包括输入、管理、分析、输出、功能与环境等主要系统组成部分,具有系统的容量、质量、目的性、关联性、兼容性、层次性、实时性、整体性与灵活性等系统性能。系统的概念不仅是一个组织结构与概念结构,还反映着系统整体各部分之间的活动、行为和为实现某种特定目标而相互作用和相互制约的机理。从以上所述的客观世界与信息世界的关系讲,信息系统是以信息世界模拟客观世界,以信息间的联系反映实体间的关系,仿真各种自然现象的思维过程,完成对空间和时间过程的研究。从系统论角度讲,信息系统是由若干相互独立又相互联系,为某一共同目标服务,以信息为纽带的要素组成的具有处理、控制管理、分析、预测数据能力的有机整体。由于计算机与通讯技术的第一章地理信息系统导论-3-发展,现在的信息系统多指以计算机技术、通信技术、网络技术等现代化工具为手段,集管理理论与方法于一体的服务于某领域的信息处理系统。信息系统内的信息决不是孤立存在的,它不断地从系统本身或环境中得到信息,又不断地向有关子系统提供着不同的信息。因此,信息系统应具有对信息进行采集、存储、编辑、更新、评价、检索、传输、显示、分析、模拟与预测等功能。信息系统应由信息源(指被采集和录入的数据的来源,分为未加工的原始数据与加工后进行存储或传输的数据)、信息处理器(指获取数据并能转化为信息的装置,由数据采集、录入、变换、传输、存储和检索等一系列实际装置构成)、信息接受器(指信息系统输出信息的接受者,如用户与存储介质)与信息管理者(指信息系统的分析、设计、实施、维护等管理人员)构成。建立信息系统的目的是产生使用者所需的信息。1.1.2地理信息与地理信息系统1)地理信息⑴地理信息概念地理信息指的是空间信息,它是反映现实世界中地理实体数量、质量、特征、分布特征、运动状态、关联与规律的数字、文字、声音、图形图像的数据涵义。地理信息包含4种形态:①属性信息:表示实体的特征、性质的定量与定性指标等。②几何信息:以数字形式描述的存在于地理空间实体的位置、形状、大小的坐标与多维结构特征,按几何特征可分为点、线、面、体4种类型。③空间关系:指各实体间在空间上相互联系、相互制约的关系,包括位置关系、拓扑关系与逻辑关系等。④时间信息:用来描述上述属性信息和图形信息有效的时间区间及随时间变化的动态特征,这也决定了地理信息要及时采集与不断更新。⑵地理信息的特征地理信息除了具有信息的一般的特性(如共享性、客观性等)外,还具有以下特征:①区域分布性。具有空间定位的特性,一般总是先定位后定型,在区域上表现出分布式特点,不可重叠,多层次。②数据量大。地理信息既包括空间、属性与时间特征,显然数据量较大。如1:400万土地利用数据,在Arcinfo的Coverage格式数据为8.2兆。③信息载体的多样性。有文字、数字、地图、影像等符号信息载体,还有纸质、磁带、光盘等物理介质载体。2)地理信息系统讫今为止,地理信息系统没有严格的定义,也就是说,它的精确内涵仍然比较模糊。但有一点很明确,地理信息系统是利用计算机处理空间数据,并在应用的推动下日趋完善发展的。世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统是先有了系统,而后才有名称。目前,人们大致从以下几个角度认识地理信息系统:⑴面向过程:地理信息系统是由一系列子系统组成,它们分别完成输入、存储、查询、分析与输出地理信息的任务。面向过程的定义对于组织的透视,以及建立一种动态系统的概念等都是有价值的。但从该定义中,人们很难区分地理信息系统与计算机制图学、地理信息系统与统计分析软件地理信息系统基础-4-的区别。⑵应用:在面向过程定义的基础上,明确指出处理信息的种类,根据系统所处理的信息类型来认识地理信息系统,如自然资源系统、土地信息系统等。这种定义方法比前一种更明确了处理对象,但仍无法区分地理信息系统与其它处理数据的系统。⑶工具箱:地理信息系统是一个用来处理空间数据的一组复杂的计算机过程和算法的集合,尤其强调地理信息系统各软件功能的有机整体。工具箱定义意味着一个地理信息系统必须提供所有的功能,并且这些功能能够组织在一起,进行高效工作。这种定义使人们很容易区分地理信息系统与数字化系统、图像处理系统,因为后者没有把地理信息系统定义里的所有功能综合在一起的能力。⑷数据库:地理信息系统是覆盖在标准的关系数据库管理系统之上的许多特殊的空间程序的集合。即选择合适的数据模型来描述研究对象,设计最优的数据库管理系统来存储地理坐标信息和属性信息,并满足有关空间分析的操作要求。地理信息系统不仅要使数据库具有存储、检索、编辑、放大、缩小、开窗、显示和输出信息的功能,还要有量测、统计、分析、预测、区别、与规划等功能,能够根据用户的需要产生新的信息。目前,大多数软件设计者倾向于从数据库角度定义地理信息系统。⑸管理工具:地理信息系统主要是辅助人类在制定政策和对自然与资源的管理过程中进行处理的系统,强调人在地理信息系统中的作用。⑹决策支持系统:认为地理信息系统不仅具有管理作用,还是一个把空间定位数据综合到一个问题的求解环境中去,用来支持资源的管理和决策过程的系统。美国联邦数字地图协调委员会定义为:“地理信息系统是由计算机硬软件和不同方法组成的系统,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”。综上所述,地理信息系统可定义为:在计算机软硬件、网络与通讯技术的支持下,运用系统过程与信息科学的理论,以空间数据为操作对象,以数据库为核心,采用空间分析方法和建模方法,对有关空间数据进行预处理、输入、存储、编辑、修改、查询、检索、管理、处理、分析、建模、虚拟、仿真、更新、应用、输出与可视化表达,实时提供多种空间动态信息,为规划、管理与决策等特定目标服务的技术系统。总结:简单说:对空间数据进行输入、存储、管理、查询、分析、辅助决策、输出的计算机系统。由数据库管理系统、图形处理与表达、空间分析工具三部分组成。1.2地理信息系统的构成一个完整的地理信息系统由5部分组成:地理信息系统硬件、地理信息系统软件、空间数据、应用系统与操作人员。系统的硬件与软件是地理信息系统的物质基础,是需要慎重考虑选择和开发的重要部分。1.2.1地理信息系统硬件地理信息系统硬件由计算机、输入输出设备与网络设备等部件组成,可把其分成两大类,一类是所有计算机共有的设备,如主机、显示器、键盘、鼠标等;另一类为地理信息系统采集数据、输出图形的特有设备。共有设备中的主机可分为大型、中型、小型、超小型、服务器、工作站及各种类型的微机;显第一章地理信息系统导论-5-示器分辨率要高,以利于对图形的精确显示。特有设备中的输入设备主要有各种幅面、各种精度、各种功能的数字化仪、扫描仪。数字化信息还可从解析测图设备、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