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1、第1章GIS概述,1.1GIS概念1.2GIS构成1.3GIS功能1.4GIS类型1.5GIS发展简史1.6GIS发展趋势1.7GIS常用的软件,1.1GIS概念,一切信息都可图形化,IS,GIS是,G,空间数据,属性数据,空间数据和属性数据的综合体,地理信息系统（GIS）是什么？,1.1GIS概念,数据、信息和地理信息1.数据数据是对客观事物的符号表示。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 转换成的数据等形式数据是用以载荷信息的物理符号，数据本身并没有意义。,数据在计算机科学中是指所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。它可以是文字
2、符号、及图形、图像或声音。数据项可以按目的组织成数据结构。但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。,2.信息 信息源自数据，信息是经过加工后的数据，它对接受者有用，对决策或行为有现实或潜在的价值。广义的认为：信息是物质运动状态和状态改变的 方式，它通过数字、语音、图像、文本、图形等 媒体形式来表现，它蕴含着事物相互间联系、发 展趋势、过程规律等。,信息的行为过程包括：获取、再生、施效、传递、系统优化或自 组织、智能化等过程。对信息的进一步加 工凝练便可获得知识。,3.信息与数据既有区别又有联系 比较如下：信息是与物理介质有关的数据表达；数据中所包 含的意义就是信息。
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，也可以由一种数据形式转换为其 他数据形式，但其中包含的信息的内容不会改变数据是信息的载体，但并不就是信息。只有理解了数据 的含义，对数据做出解释，才能提取数据中所包含的信 息.对数据进行处理（运算、排序、编码、分类、增强 等）就是为了得到数据中包含的信息。,数据是原始事实，信息是数据处理的结果；对某个人而言是信息，对另一个人来说可能是数据；信息必须是有意义或有用的；使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。人的知识、经验作用到数据上，可以得到信息，而获得信息量的多少，与人原有的知识水平有关。,5.地理数据和地理信息 比较：地理信息源自地
4、理数据。地理数据是对与地球表面位置相关的地理现象和过程的客观表示（如经纬度值、气温数据、降水数据、风力大小、土壤ph值、河流流量及含沙量、高程数据等）。,地理信息则指与研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，它也是相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。地理信息主要特性:地域性和层次性、复杂性和多维性、动态性和时序性等,系统、信息系统和GIS,1.系统:由相互联系、相互依存又相互协调的事物构成的统一体称为系统。每一个系统都是由其内部要素所构成，而该系统又可能是更大系统的组成部分。2.系统特征:（1）总体性：系统的构成元素按照统一性要求而构成一个集合，它
5、不是简单的组合，而是具有总体大于部分之和的效应。（2）关联性：系统的各元素相互联系、相互作用、相互影响。,（3）功能性（目的性）：系统具有特定功能，为特定目标服务。（4）环境适应性：其他外部元素构成系统的环境，系统与环境要进行物质、能量、信息的交换，系统有适应外部环境变化的功能。从系统论观点来看，地球就是一个既有序又复杂的相互联系的系统。在地球表层，气候、水文、土壤、植被、地形等各地理要素构成的相互联系的物质、能量和信息的空间体系称为地理系统，包括物质循环、能量流动、信息交流等体系。,3.信息系统和GIS（1）定义：信息系统是现代管理与决策工作的重要手段，即指具有采集、管理、分析和表达数据能力
6、的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。（2）类型：从操作、管理的角度来考虑，信息系统又可分为企业或事业管理信息系统、财务管理信息系统等一般管理信息系统（Management Information System,简称MIS）和空间信息系统（Spatial Information System,简称SIS）。由于地理信息系统（简称GIS）涉及地球空间信息及相关内容，所以有人就把GIS看成SIS。（3）常见的信息系统 管理信息系统（MIS）空间信息系统（SIS）地理信息系统（GIS）,3.GIS定义:由于研究和应用领域的侧重点不同，人们对GIS的理解仍然存在着分歧。从20世纪60
7、年代至今有代表性的定义有：（1）GIS之父，Roger Tomlinson（1966）认为，GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。（2）Dueker（1979）认为，GIS是一种特殊的信息系统，其数据库包含着有关分布空间上的(可以点、线或面)现象、活动或事件的观察数据。GIS处理的是反映空间分布现象的地理数据。（3）Burrough（1986）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。（4）Smith等（1987）认为，GIS是存储空间数据的数据库系统，是一套用于检索数据库中有关空间实体的数据的程序。,（5）Parker（1988）认为，GIS是
8、一种存储、分析和显示空间与非空间数据的信息技术。（6）Goodchild（1990）认为，GIS是采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的空间信息系统，同时对GIS中的“S”认为不是简单的“System（系统）”，而应是“Science（科学）”。（7）Clarke（1995）认为，GIS是采集、存储、提取分析和显示空间数据的自动化系统。（8）Chrisman（1999）认为，GIS是人们在与社会结构相互作用的同时，测量、描述地理现象，再将这些描述转换成其他形式的有组织的活动。（9）21世纪初期，一些发达国家的GIS权威机构又对GIS给出了定义，代表性的如下。,美国国家地理信息与分析中心
9、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。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。美国联邦数字地图协调委员会（Federal Interagency Coordinating Committee on Digital Cartography，简称 FICCDC）关于GIS的定义：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。,归纳上述定义，可以认为GIS是一个发展的概念，内容主要有两个部分。其一，地理信息
10、系统是一门交叉学科，是目前正在兴起的地球信息科学的主要内容；其二，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统（见图1.1），我国目前不少学者推荐美国联邦数字地图协调委员会关于GIS的定义及概念。,1.1 GIS概念框架和构成,图1.2 不同历史时期GIS含义的变化,总之，GIS是组织、存储、管理、表达和分析处理空间信息的软件工具，它以实体的空间位置信息为主线，集经济、社会、环境、科技、文化等各类信息，为各种应用服务。它一方面可以形成自己的产业，另一方面又可以推进空间信息应用与产业的发展，
11、是空间技术应用领域的主要软件基础，具有广阔的应用前景。从GIS概念的提出到现代对GIS概念的理解，是一门不断发展、不断完善的学科和技术。从20世纪80年代至今，先后经历了从GISystem 到GIScience再到 GIService的发展，形成了理论研究、技术开发、工程应用与产业化管理的完善体系，三个不同侧重阶段的发展时期如图1.2 所示。,1.1.3 GIS与相关学科 GIS作为传统科学与现代技术相结合的产物，为各门涉及空间数据分析的学科提供了新的技术方法，而这些学科又都不同程度地提供了一些构成地理信息系统的技术与方法。与GIS相关的学科如图1.3所示。,图1.3 与GIS相关的学科,软件
12、工程,1.GIS与地理学及地学数据处理系统地理学是研究地理环境的科学，又是介于自然科学和社会科学之间的一门学科，依研究对象可分为自然地理学、人文地理学和地理技术学科，GIS是地理技术学科的主要内容。地理学中系统的观点、区域的观点、发展的观点以及地理学基本定律为GIS提供了丰富的空间分析方法。时空概念是GIS不可缺少的重要基础理论。GIS空间分析就是基于地理现象的空间布局的地理数据分析技术，目的在于提取、传输和表达空间信息。地学数据处理系统是以地学数据的收集、存储、加工、集成、再生成等数据处理为目标，为地理信息系统提供符合一定标准和数据格式的信息系统。其既可作为GIS的外部数据处理，为GIS准备
13、数据（如遥感校正等），又可作为GIS内部数据处理（实际上已成为GIS空间分析的有机组成部分）。,2.GIS与地图学及电子地图GIS实际是地图的一个延续，可以认为用地理信息系统扩展地图工作的内容。GIS脱胎于地图，并成为地图信息的又一种新的载体形式，地图是GIS的重要数据来源之一，地图学理论与方法对GIS有重要的影响。地图强调的是基于可视化理论对数据进行符号化表达，而GIS则注重于信息分析，通过地理数据的加工处理而获得空间分布规律；地图也具有一定的图示空间分析功能，但它的定量分析主要局限于比例尺量测距离和用求积仪量测面积。一旦印刷成图，地图便成为自成体系的模拟化信息表达显示，所包含的信息很难与其
14、他信息相结合，它对信息是一种静态的表达。而GIS在专业化地学分析模型支持下，其空间分析功能要比纸质地图强大，通过特定的计算机程序（接口）它可以方便地与其他数据集成，并对信息实现多维动态表达。通过GIS图层的操作可及时生成新的信息。,与传统地图集相比，电子地图系统（Electronical Map System，简称EMS）已增添许多新的特征。如：声、图文、多媒体集成；查询检索和分析决策功能；图形动态变化功能；良好用户界面、读者可以介入地图生成；多级比例尺的相互转换。一个好的电子地图（制图）系统应具有GIS的基础功能。由于地图学与GIS的紧密联系，在专业学科名称上两者通常结合在一起。在我国，与此
15、相关的“测绘科学与技术”下的二级学科名称为“地图制图学与地理信息工程”，而“地理学”下的二级学科名称为“地图学与地理信息系统”。前者属“工科”，后者属“理科”。,3.地理信息系统与计算机科学（1）GIS与桌面制图桌面制图系统用地图来组织数据和用户交互。这种系统的主要目的是产生地图，这里的“地图”就是数据库。大多数桌面制图系统只有极其有限的数据管理、空间分析以及个性化能力。桌面制图系统是在桌面计算机（即图形工作站及微型计算机的统称）上进行操作的。人们把运行于桌面计算机上的地理信息系统，称为桌面GIS。GIS的桌面制图通过编辑器为用户提供交互式界面对图形进行操作，包括符号设计、图面整饰、图形综合、
16、页面排版等，同时还可以将设计好的地图制版输出，供批量印刷。,（2）GIS与CAD和CAM GIS与CAD的区别和联系，见表1.2,GIS与CAM区别和联系,（3）GIS与DBMS（或MIS）数据库管理系统,1.2GIS构成,一般认为构成GIS要素应具备:（1）应有处理地理数据的能力；（2）在统一的地表定位坐标系统下，以特定的数据模型输入、组织、存储和管理地理数据，并允许用户根据地理空间位置访问数据，或依据专题属性访问数据，并能以可视化的形式表示地理数据；（3）拥有一套特殊的用于处理和分析地理数据的基本工具；（4）要有很强的地理数据的输出功能。,若从人机系统来看，GIS则由硬件、软件、数据、应用
17、环境（即方法和人员）等要素组成。若只从计算机系统来看，GIS则由输入系统、输出系统和处理系统三大部分构成。,1.2.1 GIS硬件 主要包括计算机、输入与输出设备以及计算机网络通信设备。,（1）单机模式的硬件配置,（2）网络模式的硬件配置,软件1.主要功能:GIS软件包括执行地理数据输入、存储、管理处理、分析和输出功能的计算机程序以及用户接口。2.典型的GIS软件系统结构:以空间数据库为引擎，系统结构有三层，即：一为界面层，由图形用户界面和应用程序接口构成；二为工具层，由数据输入和输出以及数据处理与分析软件构成；三为数据管理层，包括数据存储和管理。3.主要GIS商业软件ArcViewArcGI
18、S、MapInfo 等。,1.2.3 GIS数据GIS软件是为处理地理数据而设计的。GIS数据是系统分析的对象与处理的内容。一般指：以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。它们由系统建造者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或者其他输入设备输入到GIS中，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，相应的区域数据包括位置数据、属性数据和时间数据。GIS则将把这些数据集成在一起统一管理。高质量的地理数据是GIS能否成功地应用于解决实际问题的关键之一。,1.2.4 GIS方法GIS方法，即我们常说的“GIS应用模型”，它们的构建和选
19、择是GIS应用成功与否的关键。GIS方法是面向实际应用，在较高层次上对基础的空间分析功能集成并与专业模型接口、研制解决应用问题的模型方法。虽然GIS基本功能能为解决各种现实问题提供了有效的基本工具（如：空间量算、网络分析、叠加分析、缓冲分析、三维分析、通视分析等），但对于某一领域或部门的应用，则必须构建专门的应用模型，例如土地利用适应性模型、大坝选址模型、洪水预测模型、污染物扩散模型、水土流失模型等。为构建这些具体的应用模型，需要进行GIS二次开发。GIS应用模型是客观世界到信息世界的映射，它反映了人类对客观世界的认知水平，也是GIS技术产生社会、经济、生态效益的所在，因此，应用模型在GIS技
20、术中占有十分重要的地位。,1.2.5 GIS人员GIS需要人去规划，需要人去输入数据、选择和执行系统功能，需要人去解译并输出结果。所以人很重要。GIS只有在适当的应用环境中才能真正发挥作用，而GIS应用环境包括使用人员和使用机构。人员是GIS开发建设中最活跃的因素。一般GIS人员可以分为三类:高级技术人员（GIS专家或受过GIS基本训练的系统分析员、系统设计人员)一般技术人员(代码设计员、数据录入员、系统管理员)管理人员(领导决策者、各开发阶段的公关协调人员)。GIS工程建设的不同阶段对各类人员的数量要求是不一样的。一般地说，在系统规划阶段所需求的人员小于系统实施阶段。由于计算机的飞速发展和地
21、理信息的时序特征（一般硬件寿命为35年，软件寿命为515年，数据为12年或570年不等）。由于GIS构建后需要不断维护、更新，所以用户（包括开发者和使用者）需要不断进行知识更新。,1.3 GIS的功能,数据获取：采集、检验与编辑数据操作：格式化、转换、概化数据集成：存储与组织数据分析：查询、检索、统计、计算、空间分析与模型分析数据显示（输出）：屏幕显示、硬拷贝,GIS的数据采集功能,GIS的数据管理功能,管理海量数据,GIS的数据管理功能,GIS的浏览、查询功能,GIS的专业性分析功能,GIS的路径分析功能,GIS的地图整饰功能,GIS的动态分段功能,GIS的断面分析功能,GIS的格网分析功能
22、,GIS生成数字地面模型功能,GIS的三维地下体分析功能,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基本功能的实现过程,1.4 GIS类型,按功能分：,按数据结构分：,按维数分:,按软件和支持环境分:,类型,应用功能：工具型、应用型、大众型软件功能：专业、桌面、手持、组件等,矢量GIS、栅格GIS和矢-栅GIS,2DGIS、2.5DGIS、3DGIS、TGIS,GIS模块集成GIS核心GIS,一般地，可根据GIS的研究内容、功能和作用等对GIS类型进行划分。,1.5 GIS发展简史,世界GIS发展简
23、史20世纪60年代开拓发展阶段20世纪70年代巩固阶段20世纪80年代突破阶段20世纪90年代至今社会网络化阶段GIS总的发展简史概括见表1.9。中国GIS发展简史20世纪70年代GIS准备阶段20世纪80年代GIS试验起步阶段20世纪90年代GIS发展阶段1996年以来至今GIS产业化、网络化阶段,中国GIS发展简史,1.6 GIS发展趋势,Tools(工具)Centralized(集中式)Standalone(孤立的)GIS Data(GIS数据)Mapping SystemLegacy data migrationIsolated spatial analysis,Integrated
24、technologyDistributed(分布式)Embedded(嵌入式的)Spatially enabled dataDatabase SystemLegacy data accessEnterprise spatial analysis,GIS的发展趋势：从专业应用融入IT 潮流,(制图系统),(现有数据的转换),(现有数据的访问),(数据库系统),(空间相关的数据),（基于集成技术）,(独立的空间分析),(企业级的空间分析),GIS的发展趋势：OPEN GIS,GIS的发展趋势：超图空间数据仓库,数字地球与GIS,数字地球就是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识。数字城市
25、是数字地球的具体实现。巨大的数字地球由下列体系组成：数据采集与更新体系 数据处理与储存体系 信息提取与分析体系 数据与信息传播体系 数据库体系 网络体系 应用模型体系 专用软件体系 标准与互操作体系,数字地球与GIS,数字地球需要的新理论和技术：数据获取与更新（数据源、空间数据的采集与数据库）网络、计算机硬件、数据与信息传播 数据处理、储存、数据库、信息提取与分析 GIS互操作技术、虚拟现实技术、WEB GIS技术等,GIS发展趋势,（1）GIS理论发展需求图形与属性结合GIS与RS的结合GIS与GPS的结合GIS与ES(集成专家系统)的结合,GIS发展趋势 1,（1）GIS理论发展需求图形与
26、属性结合GIS与RS的结合GIS与GPS的结合GIS与ES的结合?,GIS发展趋势 2,（2）理论研究亟待解决的问题GIS的工程设计理论与实现方法。空间认知理论GIS的功能超媒体GIS的建立GIS信息的深加工GIS的可视化、虚拟现实与仿真GIS多源数据的无缝集成GIS数据的互操作多尺度GIS数据的自动综合空间数据仓库技术网络数据的存储与传输,GIS发展趋势 3,（3）GIS软件系统的发展研究重点面向对象技术的GIS研究时态GIS或动态GIS的研究GIS的数学建模系统（CASE工具）真三维GIS的建立网络和因特网GIS的建立无线GIS技术,GIS发展趋势 4,（4）实用GIS的发展趋势GIS的网
27、络化GIS的标准化数据的商业化GIS的专门化、专业化GIS的企业化GIS的全球化GIS的大众化GIS的智能化,GIS发展趋势 4,（5）GIS软件的设计开发技术发展趋势空间数据和数据模型 由混合管理模式向空间数据和属性数据在同一个关系数据库管理发展。是当前较为成熟的技术。完全面向对象的技术是发展中的技术。用户界面 Microsoft Windows 的界面风格成为GIS工具软件以及应用系统的标准。软件组件结构 组件结构成为软件组成结构的主流。标准体系有微软的组件对象模型（Microsoft Component Object Model(COM)）,SUN的组件对象请求代理结构（the Comm
28、on Object Request Broker Architecture(CORBA)）,和JAVA的JAVA远程方法调用（Java Remote Method Invocation(RMI).）组件技术开发软件的好处是显而易见的。编程环境 VC、VB、.NET、J2EE等高级语言是主要的编程语言。总的趋势 开放性、标准化。,总的表现为：GIS已成为一门综合性技术，即GIS集成技术、3S技术（包括一般GIS、RS和GPS）和地球信息科学等名词的出现。GIS产业化的发展势头强劲；GIS网络化已构成当今社会的热点；地理信息科学的产生和发展。具体的体现在：软、硬件发展、数据资源日益丰富，共享机制健
29、全、GIS学科成熟、GIS理论技术研究走向深入、应用领域更为广阔、GIS建设开发走上高效率的技术路线,1.7GIS常用软件,国外主流GIS软件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）GENAMAP MGE（Modular GIS Environment）（GeoMedia）MapInfo（Mapinfo Professional、MapX、MapXtreme、SpatialWare）ERDAS 国内GIS软件SuperMap(中国科学院北京超图)MapGIS（中国地质大学（武汉）GeoStar（武汉大学）其它（CityStar（北大遥感所）、TopMap（北京慧图
30、）。）,INTERGAPHESRIAutoDeskBSISmallworldMapInfoSeimensLandmarkOtherDeLorme,Maptitude,Precision Mapping,etc.,ArcGIS 系统,ArcGIS Desktop,ArcSDE 通路,ArcIMS 服务器,文件,数据库,ArcGIS的构成,ArcGIS是一个统一的地理信息系统平台，由三个重要部分组成：ArcGIS桌面软件一体化的高级GIS应用ArcSDE通路用数据管理系统（RDBMS）管理空间数据库的接口ArcIMS软件基于Internet的分布式数据和服务的GIS,ArcGIS桌面,ArcGIS
31、桌面功能由简到繁的产品：ArcViewArcEditorArcInfo它们具有通用的结构，通用的代码基础，通用的扩展模块和统一的开发环境ArcGIS桌面软件的构成：ArcMapArcCatalogArcToolbox三个应用的协调工作，可以完成任何从简单到复杂的GIS工作，包括制图，数据管理，地理分析和空间处理；还包括与Internet地图和服务的整合，地理编码，高级数据编辑，高质量的制图，动态投影，元数据管理，基于向导的截面和对近40种数据格式的直接支持,ArcInfo组成,Arc Map：地图数据的显示、查询和分析执行所有基于Map的任务制图、编辑、查询、统计、报告生成Arc Catalo
32、g：基于元数据的定位、浏览和管理空间数据浏览数据（图形的/文本的），管理数据，GeoDatabase结构定义及编辑，元数据设置和查看Arc Toolbox：由常用数据分析处理功能组成的工具箱ARC命令图形用户界面（Tools,Wizards），Import/Export（GeoDatabase），Arc Server Client,ArcGIS产品系列,ArcViewArcEditorArcInfoArcGIS Extension（扩展）ArcGIS空间分析模块（ArcGIS Spatial Analyst）ArcGIS 3D分析模块（ArcGIS 3D Analyst）ArcGIS地理统计分
33、析（Geostatistical Analyst）ArcGIS Publisher扩展模块ArcGIS MrSID扩展模块（ArcGIS MrSID）ArcPress扩展模块（ArcPress for ArcGIS）ArcGIS Schematic 逻辑示意图生成软件ArcGIS Tracking Analyst 跟踪分析扩展模块ArcGIS Survey Analyst测量分析扩展模块TIFF/LZW压缩模块 ArcSDEArcIMS,ArcView,ArcView提供了核心的制图和GIS功能它沿袭了ArcView GIS的基本功能还提供了与传统的数据分析工具的连接，如电子数据表和商业图表，
34、与地图构成了一个整体的，完整的分析系统ArcView还做了明显的改进通过ArcCatalog浏览和管理数据动态的投影转换内嵌的VBA开发新的编辑工具支持静态注记等ArcView允许用户创建和编辑shapefile和个人化的空间数据库的简单要素,ArcEditor,ArcEditor包含了ArcView软件的所有功能，还增加了对空间数据库和coverage数据的编辑能力增加的功能包括支持多用户编辑版本管理定制数据类型与要素连接的注记和丈量数据类ArcEditor提供对ESRI支持的所有矢量数据格式的建立和编辑能力,浮动：$9990,ArcInfo,ArcInfo除了包括ArcView和ArcEditor的所有功能外，还增加了高级的空间处理能力ArcInfo是一个完全的GIS数据建立，更新，查询，制图和分析系统ArcGIS扩展模块包括：ArcGIS Spatial Analyst，ArcGIS 3D Analyst，ArcGIS Geostatistical Analyst，ArcPress for ArcGIS，ArcGIS StreepMap和MrSID Encoder for ArcGIS。这些扩展模块的主要特点是它们可以和ArcGIS桌面软件的任一产品配合使用,浮动：$18000,ESRI产品介绍,
