地理信息系統(tǒng) 第一章 緒論

【參考教材】[1]地理信息系統(tǒng)教程，胡鵬等，武漢大學(xué)出版社[2]地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)，龔健雅，科學(xué)出版社[3]地理信息系統(tǒng)教程，鄔倫等，北京大學(xué)出版社[4]地理信息系統(tǒng)概論，黃杏元等，高等教育出版社[5]地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論，陳述彭等，科學(xué)出版社，[6]地理信息系統(tǒng)原理與方法，吳信才，電子工業(yè)出版社[7]地理信息系統(tǒng)原理與方法,邊馥苓,測繪出版社第一章緒論地理信息系統(tǒng)

GeographicalInformationSystem一個引例：1854年8月到9月英國倫敦霍亂流行時，當(dāng)局始終找不到發(fā)病的原因，后來醫(yī)生約翰·斯諾(JohnSnow)說：“我們畫一張圖吧”。他在繪有霍亂流行地區(qū)所有道路、房屋、飲用水機井等內(nèi)容的1：6500比例尺地圖上，標出了每個霍亂病死者的住家位置，得到了霍亂病死者居住分布圖。一個引例：斯諾博士分析了這張分布圖，馬上明白了霍亂病源之所在－－死者住家都集中于飲用“布洛多斯托”井水的地方及周圍。一個引例：根據(jù)斯諾博士的分析和請示，當(dāng)局于9月8日摘下了這個水井的泵，禁止使用該水泵吸水，從這天以后，新的霍亂病患者就再也沒有出現(xiàn)了。在這個例子中，患者的居住地與飲用水井之間的空間位置關(guān)系提示了霍亂病的發(fā)病根源。傳統(tǒng)地圖在分析、表達空間信息上的局限性信息負荷量小(幅面限制、內(nèi)容重疊限制)量算、統(tǒng)計精度低查找、分類、重新分類不方便復(fù)雜分析難以進行地圖和地圖、地圖和其它信息之間建立聯(lián)系不便。更新復(fù)雜，特別是局部更新工作量大幾點結(jié)論對地圖的用途的擴展不僅是量距、確定地物的方位等，而是分析依附在地物上的現(xiàn)象分析為了決策找到原因，導(dǎo)致了政府的科學(xué)決策我們重視的基礎(chǔ)地理信息成了背景，依附的現(xiàn)象和屬性成為主要信息研究的對象從地物擴展到現(xiàn)象（屬性）地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)1950年代末-60年代萌發(fā)于若干相互獨立的領(lǐng)域，早期的探索領(lǐng)域：土地資源分析和成果表達(TerryCoppock,CGIS，R.Tomlinson)交通問題研究(DuaneMarble)計算機地圖制圖(DavidBickmore&RayBoyle)景觀規(guī)劃、設(shè)計(McHarg)人口統(tǒng)計(美國人口普查DIME)遙感信息的利用奧地利地籍管理三個里程碑：CGIS，DIME，計算機圖形與空間分析哈佛實驗室地理信息系統(tǒng)

GISGeographicInformationSystem(北美)GeographicalInformationSystem(歐洲)地理信息科學(xué)GeographicalInformationScience一、信息與數(shù)據(jù)1、信息是現(xiàn)實世界在人們頭腦中的反映。特性：客觀性適用性傳輸性共享性

§1.1GIS的基本概念2、數(shù)據(jù)（Data）指輸入到計算機并能被計算機進行處理的數(shù)字、文字、符號、聲音、圖像等。3、兩者關(guān)系

1）、信息來源于數(shù)據(jù)，是經(jīng)過加工后的數(shù)據(jù)。2）、數(shù)據(jù)只有對實體行為產(chǎn)生影響時才能成為信息。二、地理信息與地理數(shù)據(jù)1、地理信息：與研究對象的空間地理分布有關(guān)的信息。特性：地域性多維結(jié)構(gòu)

時序特征2、地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號化表示。三、信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)1、信息系統(tǒng)是能對數(shù)據(jù)和信息進行采集、存儲、加工和再現(xiàn)，并能回答用戶一系列問題的系統(tǒng)。事務(wù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)；決策支持系統(tǒng)；人工智能、專家系統(tǒng)2、※地理信息系統(tǒng)是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。如何為一公園選擇合理位置？依山傍水；交通方便；較安靜……要求方案2條件2方案1條件1處理、分析空間分析算法現(xiàn)實世界獲取水系信息地形信息道路信息植被信息等+++空間數(shù)據(jù)庫存儲§1.2GIS的組成一個完整的GIS主要由5個部分構(gòu)成，即計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)（或空間數(shù)據(jù)）、應(yīng)用人員和應(yīng)用模型。數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)存儲信息輸入系統(tǒng)操作系統(tǒng)支持地理分析硬件系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)輸入設(shè)備存儲設(shè)備輸出設(shè)備計算機系統(tǒng)軟件GIS軟件應(yīng)用分析程序地理數(shù)據(jù)庫應(yīng)用人員硬件系統(tǒng)

輸入設(shè)備專用設(shè)備常規(guī)設(shè)備GPS全數(shù)字攝影測量工作站解析和數(shù)字攝影測量儀器遙感與遙感圖象處理系統(tǒng)全站儀掃描儀數(shù)字化儀鍵盤、鼠標處理設(shè)備工作站服務(wù)器硬盤陣列存儲設(shè)備活動硬盤光盤機磁帶機輸出設(shè)備繪圖儀終端打印機單機式局域網(wǎng)模式輸出用戶組1輸入……GIS中央數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)管Intranet用戶組n廣域網(wǎng)模式輸入GIS中央數(shù)據(jù)庫（服務(wù)器）圖象處理系統(tǒng)局域網(wǎng)用戶組輸出多媒體系統(tǒng)用戶用戶主干網(wǎng)Internet軟件系統(tǒng)操作系統(tǒng)（系統(tǒng)調(diào)用、設(shè)備運行、網(wǎng)絡(luò)等）系統(tǒng)庫（編程語言、數(shù)學(xué)庫等）標準軟件（圖形、數(shù)據(jù)庫等）GIS基本功能軟件GIS應(yīng)用軟件用戶界面GIS軟件基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)軟件GIS常用的GIS軟件

主要的國外系列軟件ESRI——ArcGIS、ArcViewMapInfo——MapInfo…主要國內(nèi)系列軟件武漢中地——MapGIS

武漢吉奧——GeoStar北京超圖——SuperGIS

地理數(shù)據(jù)地理數(shù)據(jù)分類幾何數(shù)據(jù)時間數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)幾何坐標定性定量地理實體（空間實體）---GIS的對象

1、定義：指自然界現(xiàn)象和社會經(jīng)濟事件中不能再分割的單元。

2、地理實體的特性空間特征：描述事物或現(xiàn)象的地理位置以及空間相互關(guān)系（幾何特征或拓撲特征）屬性特征：描述事物或現(xiàn)象的特性時間特征：描述事物或現(xiàn)象隨時間的變化。屬性特征表示道路的一組線特征的屬性：道路類型：1=分隔行駛的公路

2=干線公路

3=主要公路

4=住宅區(qū)街道

5=未鋪完的公路路面材料：混凝土、柏油、礫石路面寬度：以米計量道路名稱：在GIS系統(tǒng)中可有如下的描述：道路類型

長度

路面材料

寬度

行車道路

道路名稱

22715.5混凝土

524八一路時間特征：GIS的數(shù)據(jù)(空間信息)空間數(shù)據(jù)（圖）：表示要素的空間位置、幾何特征屬性數(shù)據(jù)（文）：表示要素的非幾何特性，包括文字屬性、表格、其他非幾何數(shù)據(jù)（聲音、動畫、影像等等）數(shù)據(jù)：空間、屬性

GIS的數(shù)據(jù)GIS咨詢管理信息管理數(shù)據(jù)整理應(yīng)用人員§1.3GIS的基本功能二次開發(fā)和編程GIS能作什么？緩沖區(qū)分析疊加分析空間查詢網(wǎng)絡(luò)分析地形分析。。。數(shù)據(jù)采集與輸入數(shù)據(jù)存儲與管理數(shù)據(jù)處理和變換空間分析和統(tǒng)計產(chǎn)品制作和顯示數(shù)據(jù)采集與輸入現(xiàn)實世界文字報告、遙感圖象等數(shù)字化儀掃描儀解析測圖儀鍵盤等編輯、接邊、分層、圖形與屬性連接、加注記等空間數(shù)據(jù)庫空間數(shù)據(jù)的管理采用文件結(jié)構(gòu)構(gòu)造GIS數(shù)據(jù)對于小型應(yīng)用或許足夠，但當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模和使用者人數(shù)急劇增長時，必須通過大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行有效嚴格的組織管理。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，不同表格間通過相關(guān)項相互連接，提供GIS高度的可擴展性和靈活的配置能力?？臻g查詢與分析一旦涉足GIS領(lǐng)域，最基本的問題隨之而來：誰是這所房產(chǎn)的所有者？出發(fā)點和目的地之間的距離？哪里是工業(yè)用地區(qū)？還有更多非直接的咨詢等待回答：

本區(qū)內(nèi)最適宜的商業(yè)中心的布局？公路建成后對周圍環(huán)境將產(chǎn)生哪些影響？如何安排公交車的班次和站點從而使區(qū)域交通效益最優(yōu)化？空間查詢空間數(shù)據(jù)庫哈爾濱在哪里？空間查詢屬性查詢78路公交經(jīng)過哪些站？疊加分析空間數(shù)據(jù)庫為某工廠選址，首先找出地價<1萬元m;且地形起伏較小的區(qū)域?地價<1萬元m坡度小于3度的地形信息空間檢索滿足兩條件的區(qū)域+緩沖區(qū)分析空間數(shù)據(jù)庫道路的噪音影響范圍?街道中心線空間檢索城市環(huán)境評價空間數(shù)據(jù)庫哪條路最近,如何乘車?道路信息空間檢索網(wǎng)絡(luò)分析地形分析空間數(shù)據(jù)庫航道淤積,挖槽方案比較?地形信息空間檢索數(shù)字地形分析（DEM/DTM）可視化表達輸出

GIS的操作結(jié)果通過可視化的地圖、影像、多媒體的方式加以直觀表達，這是GIS無與倫比的另一優(yōu)勢。數(shù)據(jù)顯示與輸出空間數(shù)據(jù)庫各種需求?各種信息空間檢索氣象分布等值線圖氣象臺溫度氣壓?WeatherStations

DEMofChina(1km1km)中國陸地區(qū)域圖圖例1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647LandcovermapofChina900E1200E300N500N0500公里GIS基本功能的實現(xiàn)過程文件圖表數(shù)據(jù)獲取原始數(shù)據(jù)存儲檢索空間查詢空間分析數(shù)據(jù)編輯投影變換數(shù)據(jù)輸出制圖、表格交互展示結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫§1.4GIS的發(fā)展

一、國外1、GIS的開拓期（60年代）

2、GIS的鞏固發(fā)展時期（70年代）

3、GIS技術(shù)大發(fā)展時期（80年代）

4、GIS應(yīng)用普及時期（90年代）

5、網(wǎng)絡(luò)GIS和空間信息網(wǎng)格SIG時期（21世紀）

GIS的開拓期（60年代）

特點：早期GIS的雛形有關(guān)機構(gòu)、組織紛紛建立1963年，加拿大測量學(xué)家R.T.Tomlinson首先提出GIS這一術(shù)語，建立加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）；1969年，ESRI（環(huán)境系統(tǒng)研究所）建立；鞏固發(fā)展時期（70年代）

特點：計算機發(fā)展到第三代，CPU速度提高，內(nèi)存增大磁盤出現(xiàn)，人機對話系統(tǒng)。70~76年美國50個州建立了GIS。國際交流頻繁GIS人才教育專家影響減弱，政府影響增強

1978年，ERDAS成立。技術(shù)大發(fā)展時期（80年代）

特點：第四代計算機發(fā)展，微機和遠程通信設(shè)備出現(xiàn)，計算機網(wǎng)絡(luò)化軟件技術(shù)發(fā)展，DBMS，軟件工具，應(yīng)用軟件工具出現(xiàn)政府科學(xué)機構(gòu)成立。1981年，ESRIARC/INFOGIS發(fā)布；1985年，GPS成為可運行系統(tǒng)；1986年，MapInfo建立；1986年，SPOT衛(wèi)星首次發(fā)射；1987年，地理信息系統(tǒng)的國際雜志出版；1988年，美國人口調(diào)查局第一次公開發(fā)布TIGER；1988年，GISWorld首次發(fā)行；

GIS應(yīng)用普及時期（90年代）

特點實用化階段計算機和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)GISGIS成為部門的必備工作系統(tǒng)社會對GIS的認識普遍提高控件式GIS成為GISTools的發(fā)展方向

三維GIS嶄露頭角網(wǎng)絡(luò)GIS和空間信息網(wǎng)格SIG時期（21世紀）

特點：NII，NSDI和數(shù)字工程建設(shè)時期GIS成為國家信息化的基礎(chǔ)平臺軟硬件環(huán)境的困難基本排除二、我國GIS的發(fā)展我國GIS的發(fā)展較晚，經(jīng)歷了四個階段，即起步（1970-1980）、準備(1980-1985)、發(fā)展（1985-1995）、產(chǎn)業(yè)化（1996以后）階段。我國地理信息系統(tǒng)方面的工作自80年代初開始。自90年代起，地理信息系統(tǒng)步入快速發(fā)展階段。目前開始向經(jīng)濟社會的各個領(lǐng)域滲透我國GIS發(fā)展的成就2006年2月24日，國家測繪局局長鹿心社在國務(wù)院新聞辦舉行的新聞發(fā)布會上宣布：國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)1:5萬數(shù)據(jù)庫建成我國陸地信息第一次全部實現(xiàn)高精確度數(shù)字化打開地圖找到你居住的樓房：（1mm=50米），影像數(shù)據(jù)庫中大中城市和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的分辨率達到1米少繞一公里節(jié)約上千萬元：西氣東輸管線一小時游遍邊境線：我國有2.2萬公里的陸地邊境線，其中不少地方是崇山峻嶺，湍急的河流，難以涉足。有了1:5萬數(shù)據(jù)庫，輕點鼠標，不到一小時就可以走遍陸地邊境線。20小時內(nèi)提供治污依據(jù)：2005年11月發(fā)生了松花江污染事故，利用1:5萬數(shù)據(jù)庫，在不到20小時內(nèi)，就趕制出了10幅決策急需的紙制地圖和電子地圖。通過這些地圖可以直觀地看出污染源的精確位置、流經(jīng)地區(qū)，為預(yù)測判斷污染源的流向，下游采取筑壩等治理措施，提供了科學(xué)的依據(jù)。而這在過去至少需要半年時間，難免貽誤時機。發(fā)達國家

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)現(xiàn)狀

美國已完成1:10萬數(shù)據(jù)庫，正在建設(shè)1:2.4萬的國家地理信息數(shù)據(jù)庫。俄羅斯、加拿大正在建設(shè)1:5萬國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。英國已建成1:1萬國家地理信息數(shù)據(jù)庫。德國已建成1:2.5萬國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。(1)GIS與遙感和全球定位系統(tǒng)進一步結(jié)合，構(gòu)成地理學(xué)日趨完善的技術(shù)體系；(2)

空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)管理的研究更加深入；(3)

GIS應(yīng)用模型開發(fā)日趨加強；(4)

GIS智能化；(5)

GIS網(wǎng)絡(luò)化；(6)

三維GIS的研究不斷深入；(7)

宏觀與微觀應(yīng)用進一步加強，并形成新的產(chǎn)業(yè)。三、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢GIS軟件系統(tǒng)的發(fā)展研究重點

面向?qū)ο蠹夹g(shù)的研究時態(tài)GIS或動態(tài)GIS的研究GIS的數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)真三維GIS的建立網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)GIS和網(wǎng)格GISGIS和虛擬現(xiàn)實相結(jié)合GIS計算機科學(xué)數(shù)據(jù)庫理論軟件工程計算機圖形學(xué)圖象處理人工智能網(wǎng)絡(luò)計算數(shù)學(xué)幾何學(xué)拓撲學(xué)統(tǒng)計分析地理學(xué)、測繪學(xué)、地學(xué)地圖學(xué)RS、GPS其他應(yīng)用科學(xué)§1.5GIS與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系GIS和其他相關(guān)系統(tǒng)的區(qū)別A、GIS與一般MIS：GIS離不開數(shù)據(jù)庫技術(shù)。數(shù)據(jù)庫中的一些基本技術(shù)，如數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)檢索等都是GIS廣泛使用的核心技術(shù)。

GIS對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)共同管理、分析和應(yīng)用，而一般MIS（數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）側(cè)重于非圖形數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）的優(yōu)化存儲與查詢，即使存儲了圖形，也是以文件的形式存儲，不能對空間數(shù)據(jù)進行查詢、檢索、分析，沒有拓撲關(guān)系，其圖形顯示功能也很有限。如電話查號臺是一個一般MIS，只能回答用戶詢問的電話號碼，而通信信息系統(tǒng)除了可查詢電話號碼外，還提供用戶的地理分布、空間密度、最近的郵局等空間關(guān)系信息。MIS一般只處理屬性數(shù)據(jù)，對圖形數(shù)據(jù)以文件形式進行管理，圖形要素不能分解、查詢，圖形與數(shù)據(jù)之間沒有聯(lián)系GIS對圖形和屬性數(shù)據(jù)共同管理、分析和應(yīng)用B、GIS與CAD管理了圖形數(shù)據(jù)和非空間屬性數(shù)據(jù)的系統(tǒng)不一定是GIS，如CAD，但是CAD不具備空間查詢和分析功能

GIS與CAD共同點

GIS與CAD

不同點都有空間坐標系統(tǒng)；都能將目標和參考系聯(lián)系起來；都能描述圖形數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系；

都能處理屬性和空間數(shù)據(jù)CAD研究對象為人造對象—規(guī)則幾何圖形及組合；圖形功能特別是三維圖形功能強，屬性庫功能相對較弱；CAD中的拓撲關(guān)系較為簡單；一般采用幾何坐標系。GIS處理的數(shù)據(jù)大多來自于現(xiàn)實世界，較之人造對象更復(fù)雜，數(shù)據(jù)量更大；數(shù)據(jù)采集的方式多樣化；GIS的屬性庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強大；強調(diào)對空間數(shù)據(jù)的分析，圖形屬性交互使用頻繁；GIS采用地理坐標系。C、GIS與CAMCAM（ComputerAdidMap)--計算機地圖系統(tǒng)\計算機輔助制圖。

GIS與CAM共同點

GIS與CAM

不同點都有地圖輸出、空間查詢、分析和檢索功能CAM側(cè)重于數(shù)據(jù)查詢、分類及自動符號化，具有地圖輔助設(shè)計和產(chǎn)生高質(zhì)量矢量地圖的輸出機制；它強調(diào)數(shù)據(jù)顯示而不是數(shù)據(jù)分析，地理數(shù)據(jù)往往缺乏拓撲關(guān)系；它與數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系通常是一些簡單的查詢。CAM是GIS的重要組成部分；綜合圖形和屬性數(shù)據(jù)進行深層次的空間分析，提供輔助決策信息。GIS空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的聯(lián)合體GIS與其它系統(tǒng)的區(qū)別GIS有別于DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)），GIS具有以某種選定的方式對空間數(shù)據(jù)進行解釋和判斷的能力，而不是簡單的數(shù)據(jù)管理，這種能力使用戶能得到關(guān)于數(shù)據(jù)的知識，因此，GIS是能對空間數(shù)據(jù)進行分析的DBMS，GIS必須包含DBMS。GIS有別于地圖數(shù)據(jù)庫，地圖數(shù)據(jù)庫僅僅是將數(shù)字地圖有組織地存放起來，不注重分析和查詢，不可能去綜合圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行深層次的空間分析，提供輔助決策的信息，它只是GIS的一個數(shù)據(jù)源。GIS主要應(yīng)用領(lǐng)域

資源管理區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃災(zāi)害監(jiān)測環(huán)境評估作戰(zhàn)指揮交通運輸宏觀決策商業(yè)金融、通訊郵電、日常生活等各領(lǐng)域§1.6GIS的應(yīng)用資源管理

GIS最初就是起源于資源清查，是GIS的最基本的職能，目前趨于成熟的主要應(yīng)用領(lǐng)域。資源清查包括土地資源，森林資源和礦產(chǎn)資源的清查、管理、土地利用規(guī)劃，野生動物的保護等。GIS的主要任務(wù)是將各種來源的數(shù)據(jù)和信息有機地匯集在一起，并通過統(tǒng)計，疊量分析等功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計和資源現(xiàn)狀分析，從而為資源的合理開發(fā)、利用提供依據(jù)。GIS在國際上典范中有：A、加拿大應(yīng)用GIS完成全國土地資源潛力和估算B、利用GIS進行世界小麥大面積估產(chǎn)的高準確率---這些說明GIS在資源清查方面的應(yīng)用趨于成熟。災(zāi)害監(jiān)測GIS方法和多時相的遙感數(shù)據(jù)，可以有效地用于森林火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報、洪水災(zāi)情監(jiān)測和淹沒損失估算，確定泄洪區(qū)內(nèi)人員撤退、財產(chǎn)轉(zhuǎn)移和救災(zāi)物資供應(yīng)的最佳路線，為救災(zāi)搶險和防洪決策提供及時準確的信息。環(huán)境評估作戰(zhàn)指揮交通運輸宏觀決策

GIS利用地理數(shù)據(jù)庫，通過一系列決策模型的構(gòu)建和比較分析，可為國家宏觀決策提供依據(jù)。例如我國在三峽地區(qū)的研究中通過利用GIS和機助制圖的方法，建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為三峽工程的宏觀決策提供了建庫前后環(huán)境變化的數(shù)量，速度和演變趨勢等可靠數(shù)據(jù)。區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃在進行區(qū)域和城鎮(zhèn)規(guī)劃的過程中，要處理許多不同性質(zhì)和不同特點的問題，涉及多方面要素，如資源、環(huán)境、人口、交通、經(jīng)濟、教育、文化和金融等，GIS將這些數(shù)據(jù)信息歸算到城市的統(tǒng)一系統(tǒng)之中，最后進