地理信息系统第1章绪论课件.ppt

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1、地理信息系统,主 讲 人： 联系电话QQ课 件：ftp:/218.87.136.94/,教学目标,地理信息系统基础课程总学时为32，分理论课（16）与实验课（16）两部分。通过本课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本概念、空间数据的采集、处理与存储组织、GIS空间分析的原理方法、空间数据符号化方法等。,教学内容 (16学时),第一章 绪论（2学时）第二章 地理空间与空间数据基础（2学时）第三章 空间数据结构（2学时）第四章 空间数据库（2学时） 第五章 空间数据采集与处理（3学时）第六章 空间查询与空间分析（3学时）第七章 空间数据的可视化（2学时）,课程考核,平时成绩（30%） 作业、实验

2、考试成绩（70%） 开卷考试缺课3次，取消考试资格,Chap.1 绪论（2学时）,GIS能干什么120急救假如有人心脏病突发时拨打了120急救电话，电话接通时工作人员马上从电脑上看到来电所显示的准确区域、楼层、房号，乃至显示最近的救援路线，那这个人很可能就得救了；Google Maps、Google Earth等公众地理信息服务系统图行天下Go2map、E都市、神州龙地图、我要地图、MapABC等等。,公园选址,如何为一公园选择合理位置？,公园选址条件：1)相对安静（离主要公路0.2公里之外）且交通方便（离主要公路0.8公里之内）2)公园最好依附在大小适中的天然河流上。3)公园选址要避免沼泽地

3、；相关数据，提供三层数据：交通图（公路分为主要、次要两个等级）-Road层；水系图（河流分为1-3等）-Stream层，等级为2的河流才适合建公园。沼泽地图（类型为1是沼泽地，99为非沼泽地）-marsh层；,针对公园选址的要求，列出空间操作顺序：a)对Road层中的主要公路建立0.8、0.2公里缓冲区，将两缓冲区进行空间叠置得到公园候选区域-zones。b)将Marsh层和zones进行多边形空间叠置分析，取位于zone内的非沼泽地区域Zmarsh；c)将Stream层与Zmarsh进行空间叠置，取位于Zmarsh内，等级为2的河流段作为公园建立的候选地址。,本章内容：,GIS的基本概念GI

4、S的构成GIS的基本功能GIS的应用 GIS与相关学科、技术的关系GIS的发展概况,1.1 信息与地理信息,1.1.1 数据和信息数据（Data）是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图形图像等都是数据；信息（Information）来源于数据。数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。例如，从学生考试成绩数据中可获取到有关信息；从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息；从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。,1 GIS的基本概念,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，并向人们

5、（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。信息的特征：客观性、适用性、可传输性和共享性。,1.1.2 地理信息（空间信息、地理空间信息）,地理数据（空间数据、地理空间数据）是地理实体及相互间关系的符号化表示，包括空间特征、属性特征及时间特征。地理信息（Geographic Information）是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征及一切有用的知识，它是对表达地理要素与地理现象之间关系的地理数据的解释。基本形式,1.1.3 地理信息的特征,1）空间特征：地理实体的空间位置及其相互关系，表现为多维结构，是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志；

6、2）属性特征：表示地理实体的名称、类型和数量等；3）时间特征：指实体随时间而发生的相关变化的信息（属性数据或空间数据的变化）。空间特征、属性特征、时间特征是地理信息（地理数据）的3个基本特征。,4）数据量大：地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测技术的不断发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。,1.2 信息系统,信息系统是具有采集、管理、加工和表达数据能力的系统，并能回答用户一系列问题的系统。它是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。从适用于不同管理层次的角度出发，信息系统分为事

7、务处理系统和决策支持系统。,1.3 地理信息系统,GIS-Geographic Information SystemGIS-Geo-Information ServiceGIS-Geo-Information Science,1.3 1 地理信息系统概念,地理信息系统是一种特定的十分重要的空间信息系统。不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的定义：1）美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。,2）加拿大的Roger Tomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。 3）Goodchild把GIS定义为

8、“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。 4）Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”。,5）俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。 6）美国国家地理信息与分析中心给出的定义：“GIS为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统”。 7）英国教育部认为：“GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。,8）美国联邦数字地图协调委员会认为：“GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支

9、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”。 我们认为：地理信息系统是一种采集、存储管理、处理、分析、显示和应用地理数据的计算机系统。,1.3.2GIS与其它信息系统的区别和联系,（1） GIS与一般MIS,GIS区别于其它信息系统的一个显著标志是具有空间分析功能。GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、检索等都是GIS广泛使用的核心技术。,GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有

10、限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信地理信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。,（2） GIS与CAD,管理了图形数据和属性数据的系统不一定是GIS，如计算机辅助设计(Computer Adided Design，CAD),表1-1 GIS与CAD的异同点,2 GIS的构成,完整的GIS主要由四个部分构成计算机硬件系统计算机软件系统地理空间数据系统管理、操作人员,2.1 硬件系统,2.2 软件系统,GIS软件是系统的核心，用于执行GIS功能的各种操作，包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面(GUI

11、)等。按照其功能分为：GIS专业软件、数据库软件、系统管理软件等,GIS软件层次,2.2 1 GIS专业软件,GIS专业软件一般指具有丰富功能的通用GIS软件，它包含了处理地理信息的各种高级功能，可作为其他应用系统建设的平台。其代表产品有ArcGIS、MAPINFO、MAPGIS、GEOSTAR等。,2.2 2 数据库软件,数据库软件除了在GIS专业软件中用于支持复杂空间数据的管理软件以外，还包括服务于以非空间属性数据为主的数据库系统，如ORACLE、SYBASE、INFORMIX、DB2、SQL Server等。它们也是GIS软件的重要组成部分。,2.2.3 系统管理软件,系统管理软件主要指

12、计算机操作系统，当今使用的操作系统有：UNIX、Windows、Linix等。它们关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，因此也是GIS软硬件环境的重要组成部分。,2.3 地理空间数据,地理空间数据是地理信息的载体，是地理信息系统的操作对象，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。它是GIS的血液。,2.4 系统开发、管理与使用人员,人是GIS中的重要构成因素。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。,3 GIS的基本功能,一个完整的GIS系统的基本功

13、能应包括：空间数据采集与编辑空间数据存储与管理空间数据处理与变换空间查询与分析空间数据显示与输出,3.1 空间数据采集与编辑,主要用于获取数据，保证地理信息数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。一般而言，地理信息数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多。,3.2 空间数据存储与管理,由于GIS数据库具有数据量大，空间数据与属性数据具有不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能除了

14、与属性数据有关的DBMS功能之外，对空间数据的管理技术主要包括：空间数据库数据模型与数据结构、空间索引、数据更新维护等。,3.3 空间数据处理与变换,数据处理的任务和操作内容有： 数据变换：指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等； 数据重构：指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取、数据压缩、结构转换等； 数据抽取：指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取等。,3.4 空间查询和分析, 空间查询 空间分析叠加分析缓冲区分析网络分析数字地形分析,3.5 空间数据显示与输出,GIS为用户提

15、供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件。,4 GIS的应用,4.0 公众地理信息服务面向公众，提高地理信息服务Google Earth、Maps电子地图网站,4.1 测绘与地图制图,地理信息系统技术源于计算机辅助制图。“3S”技术在测绘界的广泛应用，为测绘与地图制图带来了一场革命性的变化。集中体现在：地图数据获取与成图的技术流程发生了根本的改变；地图的成图周期大大缩短；地图成图精度大幅度提高；地图的品种大大丰富。数字地图、网络地图、电子地图等一批崭新的地图形式为广大用户带来了巨大的应用便利。测绘与地图制图进入了一个崭新的时代。图地

16、理要素转变,北京地图卫星图,北京地图二维图,北京地图三维图,桂林三维地图,桂林三维地图（路网）,桂林三维地图（标注）,北京公交3D,4.2 资源管理,资源的清查、管理和分析是GIS应用最广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、野生动植物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划以及水资源的时空分布特征研究等。系统的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地组织在一起，GIS软件能在一个连续无缝的方式下管理大型的地理数据库，最终用户通过GIS的客户端软件可直接对数据库进行查询、显示、统计、制图以及提供区域多种组合条件的资源分析，为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。,芍

17、药生长适宜性,4.3 城乡规划,城乡规划具有高度的综合性，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等诸多因素，但是要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式并不容易，规划人员需要切实可行的、实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供功能强大的工具。eg：1、规划人员利用GIS对交通流量、土地利用 和人口数据进行分析，预测将来的道路等级； 2、工程技术人员利用GIS将地质、水文和人文数据结合起来，进行路线和构造设计。,4.4 灾害监测,利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。,4.5

18、环境保护,利用GIS技术建立城市环境监测、分析及预报信息系统；为实现环境监测与管理的科学化自动化提供最基本的条件；在区域环境质量现状评价过程中，利用GIS技术的辅助，实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态。,4.6 国防,现代战争的一个基本特点就是“3S”技术被广泛地运用到从战略构思到战术安排的各个环节。它在一定程度上决定了战争的成败。如海湾战争期间，美国国防制图局为战争的需要在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术，处理卫星和高空侦察机实时获得的战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影像叠加到数字地图上

19、，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时的实时服务。,4.7 宏观决策支持,地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通过利用地理信息系统，建立环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。,5 GIS与相关学科、技术的关系,GIS是多学科交叉的产物，涉及的相关学科：,地

20、理学空间分析是GIS的核心，地理学作为GIS的分析理论基础，可为GIS提供空间分析的方法和观点。 GIS为地理学的研究提供了强有力的技术手段。,测绘学、遥感技术测绘学和遥感技术不但为GIS提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。而GIS既能提供信息查询、检索服务，又能提供综合分析评价，它在资源和技术方面的优势，是遥感、GPS和自动制图技术所不及的。,计算机科学数据库管理技术(DBMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制图(CAM)、计算机图形学(Computer Graphics)、数据结构、软件工程等为GIS提供了强大的数据管

21、理、图形处理能力及软件开发方法等，但是它们却无法取代GIS的作用。 目前，形成了GIS与诸多学科之间互相有联系，也有挑战，彼此推动，共同发展的关系和局面。,6 GIS的发展概况,国际发展状况 国内发展状况 GIS发展动态,6.1 国际发展状况,GIS的产生、发展已历经40多年。社会的需求、技术的进步，以及有关组织机构的建立等因素，深刻地影响着GIS的发展。综观GIS发展，可将其分为以下四个阶段：60年代为GIS开拓期 70年代为GIS的巩固发展期80年代为GIS大发展时期 90年代至今为GIS的应用普及时代,6.2 国内发展状况,我国地理信息系统的发展起步较晚，但发展较快，大体可分为下列几个阶

22、段：准备阶段试验阶段发展阶段产业化及普及阶段,6.2.1 准备阶段,70年代初，我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用。1972年开始研制制图自动化系统1974年引进美国地球资源卫星图像，开展了卫星图像的处理和信息解译工作随后召开了各种区域性遥感技术规划会议，先后开展了多项环境卫星系列数据与图像的接收、处理和应用的试验，如京津唐地区红外遥感试验、新疆哈密地区航空遥感实验等。还开展了全国范围的航空摄影测量与地形制图，为我国GIS数据库的建立打下了坚实的物质基础，并于1977年诞生我国第一张全要素数字地图。所有这些都为我国GIS的研制和开发做了物质和技术准备，为GIS的发展开辟了道路。

23、,6.2.2 试验阶段,80年代，随着计算机技术的发展，GIS技术在我国正式进入全面试验阶段。我国在GIS理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养、典型试验和专题试验等方面都取得了实质性的进展。在典型试验中主要研究建立数据规范和标准、空间数据库建立、数据处理和分析算法以及系统分析软件和应用软件的开发等。在专题试验和应用方面，探索地理信息系统的设计与应用，包括人口、资源、环境与经济等广泛专题的试验和应用。用于辅助城市规划的各种小型信息系统在城市建设和规划部门获得了认可。国际GIS学术会议多次在我国举行，有关高校开设了GIS课程。,6.2.3 发展阶段,从1986年到1995年前

24、后，由于沿海、沿江经济开发区的发展，土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，推动了GIS的发展和应用。GIS研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关项目，开始有计划、有组织、有目标地进行理论研究和应用建设。在基础研究和软件开发方面，科技部在“九五”科技攻关计划中，将“遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合应用”列入国家“九五重中之重科技攻关项目，开发我国自主版权的地理信息系统基础软件，如GeoStar，MapGIS，SuperMap等。全国许多行业部门和部分省市积极发展各自专业GIS和区域GIS，上海、北京、广州、深圳、常州等大中城市都在积极建设城市GIS。,6.2.4 产业化及普及阶段,90年代末以来，我国GIS在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速，并力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用推向实用化、集成化、工程化，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。GIS在研究和应用过程中走向产业化道路，成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥重大作用。大众化应用：E都市、神州龙地图等,思考题,什么是GIS？它具有什么特点？GIS与其它信息系统有什么区别？简述GIS的构成。简述GIS的基本功能。简述GIS的发展。举例说明GIS可应用的行业。,