邬伦-第1章--地理信息系统概论

第一章地理信息系统概论空间数据输入与转换空间数据库管理系统图形与属性数据编辑制图与输出空间查询与分析GIS第一章地理信息系统概论1地理信息系统的基本概念2地理信息系统及其类型3地理信息系统的功能概述4地理信息系统研究的内容5地理信息系统发展简史6GIS的展望与应用1地理信息系统的基本概念•信息•数据•地理数据•地理信息狭义信息论信息定义:–为人们获得信息前后对事物认识的差别。广义信息论信息定义:–是主体(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。1.1信息我们的定义信息是用文字、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。信息的特点•客观性：与客观事物紧密相联系的；•实用性：信息对决策是十分重要；•可传输性：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，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。•共享性：信息与实物不同，它可以传输给多个户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。1.2数据通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。数据与信息的关系：•数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。例如：“1”和“0”，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有(1表示)无(0表示)的信息。•地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。对同一数据每个人的解释可能不同，因而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。•信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，而数据是信息的表达，也就是说数据是信息的载体。1.3地理信息•地理数据：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。•地理信息：有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。•从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都叫做地理信息。它脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功能。地理信息的特点:•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，是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。•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。•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。2地理信息系统及其类型2.1地理信息系统2.2地理信息系统类型2.3地理信息系统构成2.1地理信息系统(GIS)地理信息系统（GIS,GeographicInformationSystem）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、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而迅速地兴起和发展起来。GIS重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。ADefinitionofGIS•GISisaSystemofcomputersoftware,hardwareanddata,andpersonneltohelpmanipulate,analyzeandpresentinformationthatistiedtoaspatiallocation.--Amethodtovisualize,manipulate,analyze,anddisplayspatialdata--“SmartMaps”linkingadatabasetothemapWhatisNOTGIS•GPS–GlobalPositioningSystem•Astaticmap–paperordigital–Mapsareoftena“product”ofaGIS–Awaytovisualizetheanalysis•Asoftwarepackage北美、欧洲：GeographicalInformationSystem加拿大：Geomatigue中国：ResourceandEnvironmentalInformationSystem技术内涵：Geo-relationalInformationSystem信息科学：SpatialInformationSystem应用类型：NaturalResourcesInformationSystemLandInformationSystemTransportationGeographicalInformationSystem地学应用：GeoScience专业杂志：GeographicalInformationScience(英国)Geo-InformationSystem（德国）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地理信息系统的特点•具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；•以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能产生高层次的地理信息。•具有公共的地理定位基础，所有的地理要素，要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位，才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策。•由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。•地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵确是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。2.2地理信息系统的类型地理信息系统按其内容分为三大类：•专题地理信息系统（SubjectGIS）：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信息系统等。•区域地理信息系统（RegionalGIS）：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国家级、地区级、市级或县级等。•地理信息系统工具(GIS—Tools）：它是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。GIS与其它系统的区别•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在信息系统中的位置信息系统非空间信息系统专题地理信息系统地理信息系统非地理信息系统管理信息系统综合地理信息系统CAD/CAM空间信息系统地籍GIS交通GIS资源与环境GIS规划与管理GIS数据模型矢量GIS栅格GIS矢-栅GIS研究范围全球GIS区域GIS研究内容2.3地理信息系统的构成系统软件空间数据系统硬件用户2.3.1计算机硬件系统输入设备专用设备常规设备GPS全数字摄影测量工作站解析和数字摄影测量仪器遥感与遥感图象处理系统全站仪扫描仪数字化仪键盘、鼠标处理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终端打印机2.3.2计算机软件系统操作系统（系统调用、设备运行、网络等）系统库（编程语言、数学库等）标准软件（图形、数据库等）GIS基本功能软件GIS应用软件用户界面GIS软件基础软件系统软件GIS2.3.3系统开发、管理和使用人员咨询管理信息管理数据整理2.3.4空间数据定位空间关系属性几何坐标，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等拓扑关系、度量关系、方位关系等，是空间分析的基础空间实体的地理变量：分定性和定量两类，用于分析和检索。3地理信息系统的功能概述文件图表数据获取原始数据存储检索空间查询空间分析数据编辑投影变换数据输出制图、表格交互展示结构化数据空间数据库GIS功能•数据采集、监测与编辑•数据处理•数据存储与组织•空间查询与分析•交互与显示基础核心控制和结果GIS的基本功能•输入•查询•编辑•分析•输出4地理信息系统的研究内容4.1研究内容4.2地理信息系统相关学科4.1研究内容地理信息系统工具应用方法技术系统基本理论地理信息系统用户界面等空间数据管理概念、定义、内涵理论体系构成、特点、功能、任务发展历史与发展方向硬件配置数据结构地学专家系统专题分析模型输入、输出系统应用系统设计数据采集与校验4.2地理信息系统相关学科地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的特点，这些交叉的学科包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科。目前数据库技术(DBMS)、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制图(CAM)和计算机图形学(ComputerGraphics)软件包已被许多GIS研究者所采用，但这些系统不是为地理意义而设计的，无法取代GIS的作用.5地理信息系统发展简史地理信息系统的产生•现代科学方法–系统论、信息论、控制论•现代高新技术–计算机技术、空间技术和自动化技术现代科学方法和现代高新技术的形成与应用为GIS的产生提供了先决条件，也预示信息时代的到来。到本世纪50年代，随着电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量学与地图制图学中的应用以及政府部门对土地利用规划与资源管理的要求，使人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数据，并通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务，这才导致了现代意义上的地理信息系统的问世。1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地