地理信息系统教程.ppt

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1、地理信息系统概论,黄杏元 马劲松 汤 勤 编著高等教育出版社，2003,地理信息系统课程简介,地理信息系统是一门综合性较强的课程，知识点多，具有学科与技术的统一性、发展与内容更新的快速性、多学科集成（地理学、地图学、测绘学、遥感科学、计算机科学、数据库、信息科学等）、渗透性较强、空间抽象性强、研究对象的空间尺度变化大，应用范围广等特点。课程讲述的主要内容包括空间信息基础、空间数据结构、空间数据库、空间数据采集与处理、GIS空间分析原理与方法、地理信息系统产品输出、地理信息系统设计与标准化、GIS新技术等。其中，空间数据结构、空间数据处理、GIS空间分析原理与方法和地理信息系统产品输出等为课程的

2、中心内容。,地理信息系统课程特点,GIS是一门典型的交叉性学科 要掌握相关学科的知识。GIS是一门实践性很强的学科 要重视技能训练，重点掌握ArcInfo等基础GIS软件的操作和使用GIS是一门迅速发展中的学科 要经常阅读有关的文献资料，掌握GIS学科的发展趋势，努力更新自己的知识，不断提高自己的能力。,地理信息系统课程的要求,掌握地理信息系统的基本原理：包括空间数据的语义学基础、GIS的科学定义、空间关系和空间对象的表达、空间数据结构和类型、空间分析原理和地学模型方法等；掌握地理信息系统的基本技术和方法：具有应用相关软件从事空间数据的采集、存储与管理、处理、分析和图形创建的基本技能；初步具有

3、应用GIS技术开展地学研究的能力：包括地学应用模型的构建，应用型GIS的设计，主要GIS软件系统的使用和评价等。,陆守一，地理信息系统，高等教育出版社，2004陈健飞译，地理信息系统导论，科学出版社，2003陈述彭，地理信息系统导论，科学出版社，2002吴信才，地理信息系统设计与实现，电子工业出版社，2000龚健雅，地理信息系统基础，科学出版社,1998张超，地理信息系统，高等教育出版社，1995邬伦，地理信息系统教程，北京大学出版社，1994,地理信息系统课程主要参考书,第一节 GIS的基本概念 第二节 GIS的基本构成第三节 GIS的功能第四节 GIS研究内容第五节 GIS与相关学科第六节

4、 GIS发展透视,本章重点：地理信息系统的定义、构成及功能。,第一章 导论,本章内容,一、数据与信息,1、信息 信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，以便向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理和决策的依据。,第一节 GIS基本概念,信息的特点：客观性：信息与客观事实紧密相关实用性：经过信息系统处理可以变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息；传输性：可以在发送者和接收者之间传播；共享性：可为多个用户共享而本身无损失。,数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料。包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。,

5、2、数据,数据的特点：数据格式依赖计算机系统，可以进行转换，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。,第一节 GIS基本概念,(1)信息与数据是不可分离的；(2)信息是内涵，数据是载体。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就信息；(3)数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。(4)信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变；(5)数据是原始事实，而信息是数据处理的结果；(6)不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得

6、到不同信息。,3.信息与数据的联系与区别,第一节 GIS基本概念,地理信息 是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。,4 地理信息与GIS,地理数据 是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时域特征三部分。,第一节 GIS基本概念,英文名称：Geographic Information System，简称GIS 由于研究和应用领域的不同，人们对地理信息系统的定义仍存在分歧。一般可分为3种观点：1、地图观：来自于制图学派，强调GIS是一个地图处理和显示系统。在系统中，每个数据集被看成一张地图，或者一

7、个图层（Layer），或者一个专题（Theme），或者覆盖（Coverage），利用GIS的相关功能对数据集进行操作和运算，就可以得到新的地图。,二、地理信息系统定义,第一节 GIS基本概念,第一节 GIS基本概念,2、数据库观 来自于计算机学派，强调数据库理论和技术方法对GIS设计、操作的重要性。3、空间分析观 来自于地理学派，强调空间分析和模拟的重要性。实际上，GIS空间分析功能是它与CAD、MIS系统的主要区别之一，也是GIS理论和技术方法发展的动力。,定义：GIS是由计算机硬软件、地理数据和用户组成，通过对地理数据的采集，输入、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理数据，从而为工程

8、设计、土地利用、资源管理、城市管理、环境监测、管理决策等应用服务的计算机系统。,第一节 GIS基本概念,GIS概念框架,第一节 GIS基本概念,GIS概念框架,三、地理信息系统分类,第一节 GIS基本概念,四、GIS与一般信息系统的区别,第一节 GIS基本概念,管理信息系统：只有属性数据的管理，既使存储了图形，也往往以文件形式来存储，不能进行有关的空间数据操作，如空间查询、检索、相邻分析等，更无法进行复杂的空间分析。非地理信息系统：具有处理空间信息的能力，但仍然不能进行复杂的空间分析。地理信息系统：在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应

9、用；,不同信息系统之间的关系,第一节 GIS基本概念,GIS的基本构成,GIS的基本构成,第二节 地理信息系统的基本构成,1、系统硬件,第二节 地理信息系统的基本构成,第二节 地理信息系统的基本构成,2、系统软件,第二节 地理信息系统的基本构成,空间特征：是指地理实体的空间位置及相互关系；属性特征：表示地理实体的名称、类型和数量等；时间特征：指实体随时间而发生的相关变化。,3、空间数据,地理信息系统的操作对象是地理数据，它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。,根据地理实体的空间图形表示形式，可将空间数据抽象为点、线和面三类元素，它们的数据表达可以采用矢量或者栅格两种组织形式，分别称

10、为矢量数据结构和栅格数据结构。,包括系统开发人员，GIS技术的最终用户。,应用模型的构建和选择是系统应用成败的重要因素，虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一个专门应用问题的解决，仍然必须通过构件专门的应用模型。如：土地利用适宜性模型，公园选址模型，洪水预测模型，森林增长模型等。,第二节 地理信息系统的基本构成,5、应用模型,4、应用人员,第三节 地理信息系统的功能,由计算机技术与空间数据相结合而产生的GIS这一高新技术，不仅包含了处理地理信息的各种高级功能（数据采集、管理、处理、分析和输出），而且依托这些基本功能，通过空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库技术和二

11、次开发技术等，以及各种技术的集成技术，演绎丰富的应用功能，以满足社会和用户的广泛需求。,第三节 地理信息系统的功能,GIS功能,1、数据采集与编辑 地理信息系统的数据通常抽象为不同的专题或层。数据采集与编辑功能就是保证各层实体的地物要素按顺序转化为X、Y坐标及对应的代码并输入到计算机中。（1）数据采集：数据采集是地理信息系统研究的重要内容，它是把现有资料转换为计算机可处理的形式，按照统一的参考坐标、统一编码、统一的标准和结构组织到数据库中的数据处理过程。（2）数据编辑 是指对地理信息系统中的空间数据和属性数据进行数据组织、修改等。针对数据的不同，可分为空间数据编辑和属性数据编辑。,第三节 地理

12、信息系统的功能,一、GIS基本功能,第三节 地理信息系统的功能,2、数据存储与管理,这是数据集成的过程，涉及到空间数据和属性数据的组织。,(1)空间数据组织方式 矢量模型 栅格模型 栅格/矢量混合模型,(2)属性数据组织方式 关系数据结构 层次结构 网状结构,在空间数据组织与管理中，其关键是如何将空间数据和属性数据融合为一体。一般将两者分开存储，利用标识码来连接。,第三节 地理信息系统的功能,3、数据处理与变换（1）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、比例尺缩放、误差改正和处理等；（2）数据重构：指对数据从一种几何状态转换为另一种几何状态，包括数据拼接、数据截取

13、、数据压缩、结构转换等；（3）数据抽取：指对数据从全集到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。,第三节 地理信息系统的功能,4、空间分析（1）空间数据几何量测 包括长度、面积、分布中心等的计算。（2）空间集合分析 空间集合分析是按照两个逻辑子集给定的条件进行布尔逻辑运算。其算子及其运算结果（3）叠加分析 通过将同一地区的两个不同图层的特征相叠合，不仅建立新的空间特征，而且能将输入的特征属性予以合并，易于进行多条件的查询检索、地图裁剪、地图更新和应用模型分析等。,第三节 地理信息系统的功能,（4）缓冲区分析 根据数据库的点、线、面实体，自动建立各种要素的缓冲多边形，用以确

14、定不同地理要素的空间接近度或邻近性。（5）网络分析等 对地理网络（交通网络）、城市基础设施网络（电力线、电话线）进行地理分析和模型化。（6）数字地形分析 GIS提供了构造数字高程模型及有关地形分析的功能模块，包括坡度、坡向、地表粗糙度、立体图和透视分析等，为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础属性数据。（7）空间数据统计 进行地理参数的统计计算与分析。,第三节 地理信息系统的功能,5、产品制作与显示 GIS为用户提供了许多用于显示地理数据的工具，其表达形式可以在计算机屏幕上显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其强调的是GIS的地图输出功能。6、二次开发与编程 为使GIS技术

15、广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用需求，它必须具备二次开发功能。,第三节 地理信息系统的功能,二、GIS应用功能,1、资源清查管理 资源清查是地理信息系统最基本的职能这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。2.城乡规划 进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索、多种信息的叠加处理和一系列分析模型加以保证的。,第三节 地理信息系统的功能,

16、3、国土监测 借助遥感技术获取数据，利用地理信息系统空间分析功能，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，为救灾抢险及防洪决策提供及时准确的信息；也可进行土地利用动态变化分析等，为土地资源的可持续利用提供科学依据。4、环境管理 环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域，一个大中型城市每年搜集和监测的环境数据可能多达100万个，对如此大量的数据，应使其有效地为环境管理决策及其它用途服务。,第三节 地理信息系统的功能,5、辅助决策 利用GIS可以迅速有效管理空间数据，进行空间可视化分析，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。,地理信息系统,第四

17、节 GIS研究内容,GIS基本理论,GIS技术问题,GIS应用方法,概念、定义、内涵理论体系、特点、功能、任务发展历史、发展方向,硬件配置，数据结构GIS工具，输入输出系统空间数据库管理系统，用户界面,应用系统设计，专题分析模型数据采集与校验地学专家系统,第四节 GIS研究内容,GIS研究方向,第五节 GIS 与相关学科,一、与地理学 地理学是一门研究人类生存空间的学科，为GIS提供了一些空间分析的方法和观点，成为GIS的理论依托。（1）研究基础和手段 地理学研究中的空间分析理论为GIS提供了有关空间分析的基本方法，成为地理信息系统的基础理论依托；地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新

18、的技术手段。（2）数据处理 用地学处理方法得到的数据是GIS的数据源；GIS内部数据处理(分析)功能是地理学研究的主要技术方法。,第五节 GIS 与相关学科,二、与地图学 地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出提供技术支持。地图也是GIS的重要数据源。地图是GIS发展的根源之一。地图强调数据载体、符号化；GIS则注重于信息分析。,第五节 GIS 与相关学科,三、与计算机科学 为地理空间信息的表达、存储、处理、分析和应用提供了有利的工具。数据库技术提供数据的管理、更新、查询和

19、维护功能；计算机图形学提供算法基础；CAD对于辅助设计提供支持；软件工程对于 GIS的系统设计提供科学的方法;网络技术为GIS发展成为社会信息设施的重要组成部分奠定了基础。,第五节 GIS 与相关学科,四 与遥感、摄影测量遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源和更新途径。大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，特别是GPS技术可快速、廉价地获取地表特征的数字位置信息，更具发展潜力。航空航天数字立体摄影测量技术是GIS主要的地形数据来源。,第五节 GIS 与相关学科,从古代文明到现代社会，地理工作者、测绘工作者、航海家都致力于空间数据的收集整理，制图工作者则以地图形式表示这些数据。

20、地图作为空间数据的载体长期为航海、军事以及现代经济建设服务。20世纪60年代初，麻省理工学院首次提出计算机图形学，在此基础上出现了计算机数字地图；计算机技术开始用于地图量算、分析和制作。20世纪60年代中期，由于计算机技术在自然资源、环境数据处理中的应用迅速发展，致使计算机辅助制图和空间分析等领域得到极大的发展。最终导致地理信息系统技术的产生。,一、GIS发展的科学背景,第六节 GIS的发展透视,60年代开拓期 1963年，加拿大测量学家PFTomlinson首先提出了“地理信息系统”这一术语，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统加拿大地理信息系统(CGIS)；美国的Duane FMarbl

21、e，在美国西北大学研究大规模城市交通，并提出建立GIS软件系统的思想；许多有关的组织和机构纷纷建立。,第六节 GIS的发展透视,二、GIS的发展阶段,70年代为GIS巩固发展期 20世纪70年代，美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。1972年出版了地理信息系统方面的第一本专著地理数据处理；许多大学培养GIS人才，创建了地理信息系统实验室。这一时期，世界上发展了许多具有一定功能的地理信息系统，大约有80多种，著名的ARC/INFO即是该时期的产品；出现了大量的数据库，但这些系统的分析

22、功能和60年代相比，并没有得到很大的扩充，而且数据库的容量一般都比较小，因此说70年代为GIS巩固阶段。,第六节 GIS的发展透视,80年代为GIS技术大发展时期 20世纪80年代，计算机的迅速发展和普及，地理信息系统也逐步走向成熟。这一时期GIS注重于空间决策支持分析，并在资源管理、环境规划、商业服务等领域得到的广泛应用。许多国家制定了本国GIS发展规划，启动了若干科研项目。建立了一些政府性、学术性机构。我国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室。软件制造商开始出现，商业化的实用地理信息系统软件陆续进入市场。,第六节 GIS的发展透视,90年代为GIS的用户时代 20世纪90年代

23、，由于计算机的软硬件均得到飞速发展，网络已进入千家万户，导致地理信息系统应用的扩大与深化。,GIS已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上受GIS影响而改变现有机构的运行方式、设置等；社会对GIS的认识普遍提高，需求大副度增加。如美国将GIS列入“信息高速公路”计划中，美国副总统科尔提出的“数字地球”战略也包括地理信息系统；我国的“三金工程”（金卡、金桥、金网）中也包含GIS。,第六节 GIS的发展透视,我国GIS的发展状况,第一阶段：从1978年到1980年为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。第二阶段：从1980年到1985年为起步

24、阶段。这一阶段主要是对地理信息系统进行理论探索和区域性实验研究，并在此基础上制定国家地理信息系统规范。,从1984年开始，国家测绘局测绘科学研究所着手组建中国国土基础信息系统；1985国家资源与环境信息系统实验室成立；,第六节 GIS的发展透视,第三阶段：从1985年到1995年为发展阶段。GIS研究作为政府行为被列入国家攻关计划，并开始了有计划、有组织、有目标的科学研究。如“七五”国家攻关项目“三北防护林遥感调查”、“黄土高原遥感调查”等都开展了地理信息系统在资源管理方面的研究。“八五”期间国家攻关项目包括“重大自然灾害监测与评估系统”、“重点产粮区主要农作物估产”、“国家基础地理信息系统建

25、设”。第四阶段：1995年至今为我国GIS产业化阶段。强调GIS的实用化、集成化和工程化，力图使GIS从发展阶段走向实用化和生产化。,第六节 GIS的发展透视,1、3S集成技术 GIS、RS、GPS无缝集成技术，使其具有更广阔的应用前景。2、网络GIS更加流行万维网的发展给GIS数据在更大范围内的发布、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。3、三维GIS更富有吸引力 DEM地形数据和地面正射影像纹理叠加在一起，形成三维的虚拟地形景观模型。在虚拟地形景观模型之上将地面建筑物竖起来，形成城市三维GIS真三维GIS。他不仅表达三维物体，也表达物体的内部,三、地理信息系统发展趋势,第六节 GIS的发展

26、透视,4.组件GIS进一步发展 GIS软件大多数都已经过渡到基于组件的体系结构，一般都采用COD/DCOM技术。组件体系结构为GIS软件工程化开发提供了强有力的保障，也为用户的二次开发提供了良好的接口。组件接口是二进制接口，它可以跨语言平台调用，即用C+开发的COM组件可以用VB，VC或Delphi语言调用。5.移动GIS将会更加推广 移动GIS系统主要由移动通信、地理信息系统、定位系统和移动终端4个部分组成。其特点包括：移动性、动态（实时）性。,第六节 GIS的发展透视,1、国外GIS产品美国：ESRI公司的ARC/INFO：第一个产品1978年推出。澳大利亚：Nenasys的Genamap

27、。美国：Intergraph 公司的MGE（Mocular GIS Environment)。最近又推出新软件GeoMedia.美国：Mapinfo公司的Mapinfo：中小型的桌面GIS。,注：美国环境系统研究所公司（Enviromental System Research Institute,Inc.简称ESRI）成立于1969年，是世界最大的地理信息系统（Geography Information System,GIS）技术提供商。,四、GIS 主要商品化软件,第六节 GIS的发展透视,2、国内GIS产品：北大与三秦信息技术有限公司：城市之星（Citystar)，是spaceman的升级

28、换代。可以把3s结合在一起。武测：吉奥之星Geostar，1986。是基于矢量栅格一体化的数据结构和面向对象的C+作为程序设计语言。中国地质大学：MapGIS，最初为MAPCAD，采用矢理与栅格混事的结构。,第六节 GIS的发展透视,国外相关网站（GIS）,211/,第一章 思考题及作业,第一章总结,一、主要内容 GIS的基本概念、构成及功能；GIS研究内容；GIS与相关学科；GIS发展过程。二、需要掌握的知识要点1、信息和数据的概念、特点，并简述二者之间的区别与联系 2、GIS的基本定义、构成及功能,第一章 思考题及作业,作业：1、什么是地理信息系统（GIS）？它与一般的计算机应用系统有哪些异同点？2、GIS由哪几个主要部分组成？它的基本功能有哪些？,