地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論簡(jiǎn)介

中國(guó)在3S(RS、GIS、GPS)地理信息技術(shù)的最近進(jìn)展：2014年2月23日，“嫦娥三號(hào)”著陸器和“玉兔號(hào)”月球車搭載的有效載荷（月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和極紫外相機(jī)）重新開(kāi)機(jī)，按計(jì)劃開(kāi)展了科學(xué)探測(cè)工作。

回傳的數(shù)據(jù)，搭載的全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)狀態(tài)良好，紅外成像光譜儀的紅外波段數(shù)據(jù)正常，但“玉兔號(hào)”此前出現(xiàn)的機(jī)構(gòu)控制異常問(wèn)題仍未排除。

2012年有24顆地球觀測(cè)衛(wèi)星(分屬13個(gè)國(guó)家和組織)發(fā)射入軌。自2007年以來(lái)，中國(guó)第四次成為發(fā)射遙感衛(wèi)星最多的國(guó)家—2012年發(fā)射了8顆遙感衛(wèi)星

2012-12-28北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)通服務(wù)。北斗是我國(guó)獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)建成是國(guó)家和軍隊(duì)信息化的重要里程碑，意義重大，影響深遠(yuǎn)。

我國(guó)計(jì)劃用10年~15年時(shí)間建立測(cè)繪遙感衛(wèi)星體系，包括光學(xué)立體測(cè)圖衛(wèi)星、干涉雷達(dá)衛(wèi)星、激光測(cè)高衛(wèi)星、重力測(cè)量衛(wèi)星等。具備每天獲取全球任一點(diǎn)最新影像數(shù)據(jù)的能力。

此系統(tǒng)的資源三號(hào)衛(wèi)星于2012年1月9日成功發(fā)射。首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)民用遙感衛(wèi)星多角度、多光譜綜合立體成像，首次使我國(guó)衛(wèi)星的影像質(zhì)量及測(cè)圖精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)超高碼速率遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)膰?guó)際領(lǐng)先水平。首次實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星5年長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)

2012年1月９日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功將“資源三號(hào)”衛(wèi)星送入軌道。

“資源三號(hào)”衛(wèi)星高度約５００公里、傾角約９７．５度的太陽(yáng)同步軌道。

過(guò)去，我國(guó)90%以上的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)依賴國(guó)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)口。測(cè)繪遙感衛(wèi)星體系有助于改變局面

截至2013年2月19日，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星在軌運(yùn)行[409]日已存檔衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)共[300075]景存檔數(shù)據(jù)正視數(shù)據(jù)前視數(shù)據(jù)后視數(shù)據(jù)[16.94]

TB[80367]景[69803]景[70468]景多光譜數(shù)據(jù)[79437]景

“資源三號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)首顆高精度民用立體測(cè)繪衛(wèi)星：前視、后視相機(jī):3.5m正視相機(jī):2.1m多光譜相機(jī):5.8m覆蓋寬度:前視、后視相機(jī):52km正視相機(jī):50km多光譜相機(jī):52km2008年8月初，“地質(zhì)一體化（OneGeology）”計(jì)劃的首張數(shù)字地質(zhì)圖問(wèn)

世。該計(jì)劃的宗旨是在網(wǎng)絡(luò)上以1：100萬(wàn)的比例對(duì)全球開(kāi)放已有的最佳地質(zhì)數(shù)據(jù)。它向人們展現(xiàn)了所有植物、土壤、水和人造建筑被剝離后的地球的樣子。

該地質(zhì)圖采用的繪圖方法與谷歌繪制地球表面的方法十分類似，整張地圖花費(fèi)了一年多的時(shí)間。共計(jì)79個(gè)國(guó)家，大約1.5萬(wàn)名地質(zhì)學(xué)和電腦技術(shù)專家參與了這一項(xiàng)目，他們從2007年3月12日起就開(kāi)始拼接這張地圖。

數(shù)字地圖制作過(guò)程中，用各種顏色區(qū)別巖石，根據(jù)巖石的特點(diǎn)，就能較容易地確定礦產(chǎn)資源。

國(guó)內(nèi)已發(fā)展MapGIS、SuperMap等地理信息系統(tǒng)。

國(guó)家測(cè)繪局等發(fā)展了“天地圖”的地圖及導(dǎo)航系統(tǒng)，一些方面可以超過(guò)或具備美國(guó)

“GoogleMap”的性能。

國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的大學(xué)開(kāi)辦了GIS專業(yè)，如武漢大學(xué)（武測(cè)）等具有很高的水平。

2008年以來(lái)，中國(guó)已研制成功依托于中國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的“危化品運(yùn)輸監(jiān)控指揮系統(tǒng)”，并開(kāi)始應(yīng)用推廣。目前中國(guó)有危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車輛11萬(wàn)多臺(tái)。近年來(lái)，危化品運(yùn)輸過(guò)程中各類事故不時(shí)發(fā)生，已成為重大安全隱患。這一系統(tǒng)可對(duì)?；愤\(yùn)輸車輛進(jìn)行全程安全監(jiān)控，從而大大降低運(yùn)輸過(guò)程中的潛在危險(xiǎn)和事故危害，提高危化品運(yùn)輸?shù)目茖W(xué)化和智能化管理水平。第一期監(jiān)控容量為1萬(wàn)臺(tái)車輛，第二期將超過(guò)

10萬(wàn)臺(tái)。屆時(shí)，這一系統(tǒng)能夠在為中國(guó)所有?；愤\(yùn)輸車輛提供安全監(jiān)控服務(wù)的同時(shí)，覆蓋周邊國(guó)家和地區(qū)。1、教材及教學(xué)方式

教材：KT

Chang,

Introduction

toGeographic

Information

Systems,地理信息系統(tǒng)，5rd中文版，清華大學(xué)出版社，最新第7版（2014年中文版）進(jìn)度：約一周1至2章，前16章

時(shí)間分配：課本內(nèi)容介紹、軟件介紹、預(yù)留時(shí)間完成每章的練習(xí)2、學(xué)習(xí)目標(biāo)最終目的，課程結(jié)束后達(dá)到：

1.

掌握GIS的基本原理、算法、用途和使用方法

2.

會(huì)使用一種以上的軟件繪制地圖、分析和查詢數(shù)據(jù)3.對(duì)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的途徑有初步的了解4.環(huán)境遙感技術(shù)初步4、地圖發(fā)展的歷程

地圖的發(fā)明，是世界重大發(fā)明之一。離開(kāi)地圖，基本上無(wú)法準(zhǔn)確表達(dá)與地理位置有關(guān)的信息，尤其是各要素的相互位置關(guān)系。準(zhǔn)確的地圖，精確的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)的前提。

大比例尺地圖只是在近年才逐步解密，中國(guó)的多數(shù)地圖，包括攝影或遙感獲取的影響地圖仍然屬保密范疇。我們?cè)賮?lái)看現(xiàn)代的地圖（衛(wèi)星影像）緒論何種技術(shù)可以有效地組織基于地圖的數(shù)據(jù)？

應(yīng)用于森林管理、救急車輛路徑分析、移動(dòng)電話通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、城市管理、道路設(shè)計(jì)和提供饑荒救助？區(qū)域污染分析？

根據(jù)美國(guó)關(guān)于新興領(lǐng)域的闡述，它就是地理空間(geospatial)技術(shù)。從2004年8月起，地理空間技術(shù)被美國(guó)勞工部列為最重要的三大新興領(lǐng)域之一，與其并列的是納米技術(shù)和生物技術(shù)。

地理空間技術(shù)覆蓋許多領(lǐng)域，其中包括遙感、地圖制圖、測(cè)繪和攝影測(cè)量。但是，若要在地理空間技術(shù)中將這些不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)整合，則需依靠地理信息系統(tǒng)。1.1什么是GIS■地理信息系統(tǒng)(GIS)是用于采集、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理參照數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

地理參照數(shù)據(jù)又稱地理空間數(shù)據(jù)，是用于描述位置和空間要素屬性的數(shù)據(jù)，例如道路、宗地和地球表面的植被覆蓋。

GIS這種處理和分析地理參照數(shù)據(jù)的能力使其有別于其他信息系統(tǒng)。正是該能力使GIS成為一種應(yīng)用廣泛的重要技術(shù)5、什么是地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)(GIS)是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。像任何其他信息系統(tǒng)一佯，GlS可分為如下四個(gè)部分:

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括運(yùn)行系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)。常見(jiàn)的選擇是采用Window，操作系統(tǒng)(如Windows2000，WindowsXP)的個(gè)人電腦或用UNIX操作系統(tǒng)的工作站。附屬設(shè)備包括用于顯示的顯示器，用于空間數(shù)據(jù)輸入的數(shù)字化儀或掃描儀和用于硬拷貝數(shù)據(jù)顯示的打印機(jī)和繪圖儀。

（2）GIS軟件。GlS軟件包括用于驅(qū)動(dòng)硬件的程序和用戶界面。GlS中的常見(jiàn)的用戶界面是菜單、圖標(biāo)和命令。

（3）智囊(Brainware）：與計(jì)算機(jī)硬件和軟件同等重要，涉及系統(tǒng)使用的是目的和目標(biāo)，并為使用GlS提供動(dòng)機(jī)和理由。

（4）設(shè)施。設(shè)施指的是GlS操作必需的物質(zhì)、組織、管理和文化環(huán)境，包括必需的技能、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換中心和常規(guī)組織模式。

GIS集成輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析、顯示

地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；旧嫌奢斎?、

存儲(chǔ)、查詢、分析、顯示共五大功能構(gòu)成，能處理、表達(dá)和管理地理相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算

機(jī)信息系統(tǒng)。

說(shuō)通俗一點(diǎn)、簡(jiǎn)單一點(diǎn)，GIS是在地圖上建立的信息系統(tǒng)。環(huán)境信息系統(tǒng)，則是面向環(huán)境專業(yè)的GIS。1.1.1

GIS應(yīng)用從一開(kāi)始，GIS就在自然資源管理領(lǐng)域

顯示其重要性，包括土地利用規(guī)劃、自然災(zāi)害評(píng)估、野生生物棲息地分析、河濱帶監(jiān)控和森林管理。以下是互聯(lián)網(wǎng)上的一些例子：

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的“國(guó)家地圖(Na-tional

Map)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目提供全美范圍的地理空間數(shù)據(jù)，應(yīng)用于自然災(zāi)害、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全和許多其他領(lǐng)域(http：//)。

·美國(guó)人口普查局“在線地圖資源(On-lineMapping

Resources)”網(wǎng)站，互聯(lián)網(wǎng)用戶可以在該網(wǎng)站繪制美國(guó)各個(gè)地域公共地理數(shù)據(jù)的地圖(http://www.

census.gov/geo/www/maps/CP_OnLineMapping.htm)。

中國(guó)“天地圖”、國(guó)土資源部門的電子地圖美國(guó)“GoogleEarth”、“GoogleMap”

GIS與全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感（RS）、無(wú)線技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合也已導(dǎo)致一些新的應(yīng)用。以下是一些例子。

基于位置服務(wù)(LBS)技術(shù)可確定移動(dòng)用戶的位置并接收位置信息

互動(dòng)制圖網(wǎng)站可讓用戶選擇圖層顯示，并編制他們自己的地圖。

導(dǎo)航系統(tǒng)可尋找出發(fā)地與目的地之間的最短路徑，并提供導(dǎo)航服務(wù)，鄰近服務(wù)如附近的自動(dòng)取款機(jī)和餐館。

精細(xì)農(nóng)業(yè)促進(jìn)定位耕作活動(dòng)，如除草劑和肥料施用等。1.1.2

GIS組成類似其他信息技術(shù)，GIS需要下列4個(gè)組成，對(duì)地理參照數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

（1）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和可運(yùn)行GIS軟件的操作系統(tǒng)。典型的選擇是使用Windows操作系統(tǒng)(如：Windows

7，Windows

XP)的個(gè)人計(jì)算機(jī)或使用UNIX的工作站，或Linux操作系統(tǒng)。

外設(shè)：包括用于顯示的顯示器，用于空間數(shù)據(jù)輸入的數(shù)字化儀和掃描儀，GPS接收器和野外工作的移動(dòng)設(shè)備，以及打印機(jī)和繪圖儀。（2）GIS軟件：GIS軟件包括程序和用于驅(qū)動(dòng)硬件的用戶界面。GIS中的普通用戶界面是菜單、圖標(biāo)、命令行和腳本。

（3）智囊(Brainware)：與計(jì)算機(jī)軟硬件一般重要，智囊是指應(yīng)用GIS的目的和目標(biāo)，以及動(dòng)機(jī)和理由。

（4）基礎(chǔ)設(shè)施：基礎(chǔ)設(shè)施是指支持GIS運(yùn)作所必需的物質(zhì)的、組織的、行政的和文化的環(huán)境?；A(chǔ)設(shè)施包括必備的技能、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換中心和通用的組織模式。1.2

GIS簡(jiǎn)史

從1960年代以來(lái)計(jì)算機(jī)就已用于存儲(chǔ)和處理地理參照數(shù)據(jù)。

從1960年代末到70年代，與GIS相關(guān)的早期工作例子如下。■-愛(ài)丁堡大學(xué)的計(jì)算機(jī)制作地圖，哈佛計(jì)算機(jī)圖形實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)制圖單位

加拿大土地勘查和其后的加拿大地理信息系統(tǒng)CGIS的發(fā)展(Tomlinson，1984)

多年來(lái)GIS被看作是一個(gè)難學(xué)、昂貴和只有少數(shù)人擁有的軟件，然而在1990年代后，隨著圖形用戶界面(GUI)、功能強(qiáng)大、較便宜的軟硬件和公共數(shù)字化數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，已經(jīng)拓寬了GIS應(yīng)用的范圍并使GIS進(jìn)入主流應(yīng)用。

GIS軟件生產(chǎn)商及其主要產(chǎn)品： 各種商業(yè)報(bào)告提示ESRI公司和Intergraph公司在軟件市場(chǎng)和軟件收入方面居于GIS產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)地位。6、GIS發(fā)展歷程

GIS并不是一項(xiàng)新生的事物。20世紀(jì)60年代后期計(jì)算機(jī)已用于存儲(chǔ)和處理地理數(shù)據(jù)，與GIS有關(guān)的工作的早期例子如下:■(1)愛(ài)丁堡大學(xué)的計(jì)算機(jī)制圖

(Coppock，l988)，哈佛實(shí)驗(yàn)室的計(jì)錦機(jī)制圖(Chrisman l988)和試驗(yàn)制圖單元(Rhind 1988）?！?2)加拿大土地調(diào)查和其后的加拿大地理信息系統(tǒng)的發(fā)展(Tomlinson 1984)?！?3)Ian

McHarg的《自然設(shè)計(jì)》(Design

with

Nature)的出版(McHarg 1969)和地圖疊加方法?！觥?4)美國(guó)人口普查局的DIME(二值獨(dú)立地圖編碼)系統(tǒng)中引入帶有拓?fù)潢P(guān)系的城市街道網(wǎng)絡(luò)(Broome等1990)。盡管多年來(lái)GIS被看做是難學(xué)、昂貴和只有少數(shù)人擁有的軟件，然而圖形用戶界面GUI）、功能強(qiáng)大、能支付得起的軟硬件和公共數(shù)字化數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，已經(jīng)拓寬了GlS應(yīng)用的范圍并使GIS進(jìn)入主流應(yīng)用。GIS軟件生產(chǎn)者及其主要產(chǎn)品

環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRl

）（www·esri·com）：ArcGIS，ArcInfo，ArcView，Maplnfo公司(www·mapinfo·com/):MapInfo開(kāi)源軟件:GRASS

Autodesk公司(www·autodesk·com）:AutoCAD

Map克拉克實(shí)驗(yàn)室(www·clarklabs·org/)，IDRISl

荷蘭國(guó)際航空航天測(cè)量與地球科學(xué)學(xué)會(huì)

(www·itc·nl):ILWIS

ESRI公司的主要軟件產(chǎn)品是ArcGIS，它包括ArcView、ArcEditor和Arclnfo三種不同級(jí)別版本。這3種版本均可在Windows平臺(tái)上運(yùn)行

并共享相同的應(yīng)用軟件和擴(kuò)展模塊桌面。不同點(diǎn)在于其功能差異。ArcView有數(shù)據(jù)綜合、查詢、顯示和某些分析功能。ArcEditor增加了數(shù)據(jù)編輯功能。Arclnfo比ArcView和ArcEditor具有更多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和分析功能。GIS軟件包是用擴(kuò)展模塊和單機(jī)使用程序來(lái)拓展其功能。

Intergraph公司www·intergraph·com:MCE，GeoMedia

Caliper

(www·caliper·com）：TransCAD，Maptitude

有些GIS軟件包是針對(duì)某些用戶的。例如，TransCAD是專為運(yùn)輸專業(yè)人員設(shè)計(jì)的GIS軟件包國(guó)內(nèi)：SuperMap（北京超圖地理信息技術(shù)公司）,MapGIS（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)-中地?cái)?shù)碼集團(tuán)）,

GeoStar（武漢大學(xué)，原武漢測(cè)繪技術(shù)大學(xué)-武漢吉奧信息工程公司）,MapStar,

MirageGIS,

Geowindows,

CCGIS1.3地理參照數(shù)據(jù)■地理參照數(shù)據(jù)使GIS有別于其他信息系統(tǒng)。

因此，在討論GIS操作之前，我們必須對(duì)地理參照數(shù)據(jù)的本質(zhì)有所理解。

描述一條道路，我們會(huì)提及它的位置（坐標(biāo)）和它的特征（例如，長(zhǎng)度、名稱、限速和方向），如圖1.1所示。

位置，又稱幾何或形狀，代表空間數(shù)據(jù)，而特征是屬性數(shù)據(jù)。

因此，道路如同任何地理參照數(shù)據(jù)，具有空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩種組分1.3.1空間數(shù)據(jù)■空間數(shù)據(jù)描述空間要素的空間位置，可以是離散的或連續(xù)的。

離散要素是指觀測(cè)值不連續(xù)的要素，形成分離的實(shí)體，并可單個(gè)地識(shí)別。離散要素包括點(diǎn)要素（如井）、線要素（如道路）和面要素（如土地利用類型）。

連續(xù)要素指觀測(cè)值連續(xù)的要素，降水量、高程即是連續(xù)要素的例子

GIS將這些地球表面的空間要素以地圖要素展現(xiàn)在平面上。

這個(gè)轉(zhuǎn)換涉及兩個(gè)要點(diǎn)：空間參照系統(tǒng)和數(shù)據(jù)模型

基于以經(jīng)緯度表示的地理坐標(biāo)系統(tǒng)。而地圖要素的位置是基于以x、y坐標(biāo)表示的平面坐標(biāo)系統(tǒng)

投影過(guò)程將地球的球面（地理坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換成平面（地圖坐標(biāo)系），在兩個(gè)空間參照系統(tǒng)之間架起橋梁。

但是投影轉(zhuǎn)換總是涉及一些變形，數(shù)百種的平面坐標(biāo)系統(tǒng)被采用來(lái)保持某些空間性質(zhì)不變或少變形

在GIS操作中，為丁使各個(gè)空間數(shù)據(jù)相互協(xié)調(diào)匹配，它們的地圖圖層必須基于相同的坐標(biāo)系統(tǒng)。因此，理解投影和坐標(biāo)系統(tǒng)對(duì)于空間數(shù)據(jù)使用者來(lái)說(shuō)非常重要數(shù)據(jù)模型定義了在GIS中空間數(shù)據(jù)如何表示

矢量數(shù)據(jù)模型使用點(diǎn)及其x、y坐標(biāo)來(lái)構(gòu)建點(diǎn)、線、面空間要素。

柵格數(shù)據(jù)模型使用格網(wǎng)和格網(wǎng)像元來(lái)表示要素的空間變異。這兩種空間數(shù)據(jù)模型的差別在于：矢量數(shù)據(jù)適用于表示離散要素，而柵格數(shù)據(jù)適用于表示連續(xù)要素

使用不同的數(shù)據(jù)系統(tǒng)分別存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，通常稱之為地理相關(guān)模型。

而基于對(duì)象數(shù)據(jù)模型則將空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)組合中。

近來(lái)的趨勢(shì)表明GIS商家在其軟件開(kāi)發(fā)中已采納了基于對(duì)象數(shù)據(jù)模型。例如，ESRI公司在ArcGIS中推出的Geodatabase數(shù)據(jù)模型，就是基于對(duì)象的重要概念和術(shù)語(yǔ)

不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）用一