1地理信息系统技术概述

地理信息系统技术及空间智能一、地理信息系统技术概述二、空间智能理论发展动态•应用需求：地理信息系统做什么？（应用）•学术需求：地理信息系统是什么？（原理）•城市土地利用信息系统•电信资源管理•铁路地理信息系统•公安警用地理信息系统•医疗机构信息查询系统•海洋地理信息系统•军事地理信息系统地理信息系统技术概述GIS可以做什么—管理海量数据—浏览、查询—专业性分析—路径分析—地图编绘—动态分段—断面分析—生成DEM模型—三维地下体分析•GIS基本概念•GIS与相关学科•GIS的组成•GIS的主要功能•GIS的发展透视•GIS主要软件•GIS主要网站及参考书•GIS项目申请主要讲授内容地理信息系统（GIS）是什么？GISG=GeographyI=InformationS=System☆地理学的定义与内涵•地理学一词产生于西元前234年，由希腊学者伊拉托斯尼最早提出，其意义为描述地球之科学。地理学的定义研究范畴生物圈岩石圈水圈大气圈自然文化研究地表人文或自然事物的生态、空间或区域变化的系统科学。狭义信息论将信息定义:为人们获得信息前后对事物认识的差别。广义信息论将信息定义:信息是指主体(人、生物和机器)与外部客体(环境、其它人、生物和机器)之间相互联系的一种形式。是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征的一种普遍形式。黄杏元《地理信息系统》2001信息定义：信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。它是客观事物在人脑中的反映。信息的定义是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的能量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图形和图象的总称。与空间地理分布有关的信息，具有空间定位和多维结构的性质。地理信息定义•空间分布性属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。•时序特征十分明显可以按照时间尺度将地理信息划分为超短期的(如台风、地震)、短期的(如江河洪水、秋季低温)、中期的(如土地利用、作物估产)、长期的(如城市化、水土流失)、超长期的(如地壳变动、气候变化)等。这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据很重要。•具有多维结构的特征即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型或实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。•具有丰富的信息GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。地理信息特点•系统是为了达到某种目的相互联系的部件的集合（教材）•系统是由相互联系和相互制约的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体。（邝孔武，《信息系统分析与设计》）•系统是自成体系的组织；相同或相类的事物按一定的秩序和内部联系组合而成的整体，如组织系统，灌溉系统。（辞海）•Agroupofrelatedpartsthatworktogetherasawholeforaparticularpurpose.系统的定义地理信息系统的定义GIS（GeographicalInformationSystem）的定义包含两个方面：一方面，地理信息系统是一门科学，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（GeospatialDatabase）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。用户界面系统和数据库管理产品生成产品输出空间数据处理空间数据分析数据输入数据库建立•物理外壳是计算机化的技术系统；•GIS的操作对象是空间数据；•GIS的技术优势在于它的混合型数据结构和有效的数据集成、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；•GIS与地理学和测绘学有着密切的联系。GIS定义—对GIS的理解GIS的理解—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。即点、线、面、体等地理实体。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。GIS的理解—操作对象是空间数据GIS计算机科学数据库理论软件工程计算机图形学图象处理人工智能网络计算数学几何学拓扑学统计分析地理学、测绘学、地学地图学RS、GPS其他应用科学GIS学科树：ChristopherB.Jones在“GeographicalInformationSystemsandComputerCartography”（AddisonWesleyLongmanLtd.，1997）一书中，用一棵树的形式更为详细地给出了地理信息科学与其他学科的关系。GIS的相关学科数学运算研究统计学地理统计学认知科学计算机科学测量遥感摄影测量学制图学可视化符号学信息存储数据库模式识别计算几何计算机图形学人工智能旅游业航运市场资产管理产业/商业矿产开发设施维护公共信息查询公共管理考古学人文地理学社会科学健康护理规划流行病学环境科学地貌学土壤科学森林学地质学生态学水文学气象学地形测量环境测量社会、经济测量社区服务地理学如上图所示，“树根”表示GIS的技术基础，如测量学、计算机科学与数学等；“树枝”表示GIS的应用，应用的结果与需求返回到“树根”；“雨滴”是每个应用中的数据来源，如各种测量如地形测量、环境测量等，并为它的发展提供了有效的手段，而地理信息系统的应用主要是在环境科学、地理学和社会科学等领域。GIS学科树的理解GIS定位—GIS在信息系统中的位置地理信息系统信息系统非空间信息系统非地理信息系统管理信息系统CAD/CAM空间信息系统数据模型矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS研究范围全球GIS区域GIS专题地理信息系统综合地理信息系统地籍GIS交通GIS资源与环境GIS规划与管理GIS研究内容•GIS有别于DBMS（数据库管理系统），GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，因此，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。•GIS有别于MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。•GIS有别于地图数据库，地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。•GIS有别于CAD系统，二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。GIS与其他系统的区别GIS的组成—计算机系统硬件数字化仪输入设备GPS解析和数字摄影测量仪器扫描仪全站仪专用设备全数字摄影测量工作站遥感与遥感图象处理系统键盘、鼠标常规设备工作站服务器硬盘阵列存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备绘图仪显示终端打印机处理设备GIS数据库软件系统管理软件GIS专业软件用户界面数据输入和编辑空间数据管理数据输出数据处理和分析系统二次开发能力属性数据库软件空间数据库软件计算机操作系统GIS的组成—计算机系统软件•GIS的操作对象为空间数据•具体描述数据空间、属性、时间数据；•数据组织：混合式、扩展式、开放式；•数据管理：空间数据：存储在线状或面状实体的弧段文件中属性数据：关系数据库GIS的组成—空间数据南川市李渡区长寿县垫江县渝中区丰都县彭水苗族土家族自治县南岸区沙坪坝区江北区九龙坡区大渡口区巴南区江津市隆昌县安岳县潼南县大足县荣昌县永川市武胜县合川市渝北区邻水县石柱土家族自治县忠县武隆县华蓥市铜梁县璧山县北碚区双桥区0.07.515.022.530.037.5km区县区划图河流机场区县界线主要公路县区政府驻地矢量图栅格图西苑颐和园西北望玉泉山卧佛寺香山八大处西郊机场黄庄五里坨BEIJING1.BMP北京街区铁路水域城区边界Labelsof主要地名主要地名咨询管理信息管理数据整理•GIS的开发是以人为本的系统工程。•业务素质与专业知识是GIS工程及应用成功的关键。•不但对GIS的技术和功能有足够的了解，而且要具备组织管理的能力。•技术培训、硬件维护与更新、系统升级、数据更新、文档管理、数据共享建设等。GIS的组成—管理人员地理学中的4W（WhatWhenWhereWhy)问题数据子集需要解决的问题问题的定义问题的实质解决问题的数据问题的概念系统数据收集数据库建立问题求解问题答案用GIS求解问题的基本流程图规划定义过程应用操作过程GIS的组成—系统应用模型•位置（Locations）•条件（Conditions）•趋势（Trends）•模式（Patterns）•模型（Models）GIS的功能—基本功能（核心问题）•某个特定位置有什么？•空间查属性•例：国家属性查询GIS的功能—基本功能—位置•满足给定条件的地理对象分布•属性查位置•例：客户分布GIS的功能—基本功能—条件•地理对象随时间的变化•例：人口变化趋势GIS的功能—基本功能—趋势•空间对象的分布模式问题•揭示空间对象的空间关系•例：商业服务竞争GIS的功能—基本功能—模式•基于模型的解决问题方案•例：公园选址GIS的功能—基本功能—模型野外测量数据数据及属性电子数据记录器键盘图像数字信息跟踪扫描数字化仪和扫描仪地图要素像片资料摄像机磁带机编辑、接边、分层、图形与属性连接、注记标注数据入库GIS数据采集流程图GIS的功能—功能实现—数据采集•数据的集成过程空间数据与属性数据组织•数据结构矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结构决定着GIS的数据分析能力、效率和精度•数据管理：层次模型、网络模型、关系模型混合管理模式GIS的功能—功能实现—数据组织与管理空间检索空间分析空间分析空间查询位置查询属性查询拓扑查询地形分析网络分析缓冲区分析几何量测地图分析叠置分析统计分析决策分析GIS的功能—功能实现—检索与分析•数据交换•统计表格•制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图GIS的功能—功能实现—数据输出GIS的空间分析技术与手段是有限的，而实际应用模型是无可枚举的，任何GIS都应提供二次开发工具。定制菜单、程序与可视化界面等GIS二次开发环境：专用工具：如Arc/Info的AML语言、MapInfo的MapBasic语言；ArcView的Avenue语言通用语言：如VC++、VB、Delphi等组件开发：如MapInfo的MapX；GIS的功能—功能实现—二次开发•发展概况•GIS发展趋势GIS发展透视国际发展状况地理信息系统的开拓期（60年代）当50年代末和60年代初，计算机获得广泛应用以后，很快就被应用于空间数据的存储和处理，使计算机成为地图信息存储和计算处理的装置，将很多地图转换为能被计算机利用的数字形式，出现了地理信息系统的早期雏形。地理信息系统的巩固发展期（70年代）在70年代，计算机发展到第三代，数据处理速度加快，内存容量增大，推出了大容量直接存取设备—磁盘，为地理数据的录入、存储、检索、输出提供了强有力的手段，特别是人机对话和随机操作的应用，可以通过屏幕直接监视数字化的操作，而且制图分析的结果