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1、第6章 地理信息系统,地理信息系统（GIS） Geographic Information System,一般信息系统：只能存储、管理数据，不能将数据在空间上的分布表现出来。,地理信息系统：除了一般信息系统的功能外，还能显示数据的空间分布，并且有强大的空间查询、分析、模拟、统计和预测等功能。,地理信息系统与一般信息系统的区别：,地理信息系统（GIS）与管理信息系统（MIS）,地理信息系统(GIS)与管理信息系统的主要差别是：GIS所采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构及其动态变化规律的。如2003年，我国已应用GIS对各地区各时段的“非典型肺炎”临床诊断病例、疑似病例等指标分类汇总
2、。在地图上进行“地点”“状况”的位置标定。每日发布各地疫情通报。供有关部门查询分析、制定相应的防治策略。,地理信息系统,地理信息系统是能进行空间数据的采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的计算机信息系统。 1、GIS重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成 ，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。 2、地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。 3、地理信息系统是以地理(空间)坐标为骨干的信息系统。,基本的拓扑关系,拓扑邻接和拓扑关联是用来描述网结构元素（比如结点、弧段、面域）之间的两
3、类二元关系。,拓扑邻接关系存在于同类型元素之间（注意是“偶对集合”）。一般用来描述面域邻接。,拓扑关联关系存在于不同类型元素之间。一般用来描述结点与边、边与面的关系。,拓扑包含关系用来说明面域包含于其中的点、弧段、面域的对应关系。包含关系有同类的，也有不同类的。,GIS在信息系统中的位置,信息系统,非空间信息系统,专题地理 信息系统,地理信息系统,非地理信息系统,管理信息系统,综合地理 信息系统,CAD/CAM,空间信息系统,地籍GIS 交通GIS,资源与环境GIS 规划与管理GIS,数据模型,矢量GIS,栅格GIS,矢-栅GIS,研究范围,全球GIS,区域GIS,研究内容,一、GIS系统概述
4、,1963年，加拿大测量学家首先提出“地理信息系统”这一概念，并建立了世界上第一个地理信息系统“加拿大地理信息系统”，用于自然资源的管理与规划。,地理信息是指与研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地球表层物体及环境所固有的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律。,地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110报警系统和公共汽车调度等方面得到了具体应用。,GIS（Geographical Information System）即地理
5、信息系统是一种基于计算机的工具，是利用现代计算机图形和数据库技术来处理地理空间及其相关数据的计算机系统，是融地理学、测量学、几何学、计算机科学和应用对象为一体的综合性高新技术。它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。 GIS是一个获取、存贮、检查、集成、操作、分析和显示与地球平面位置相关数据的计算机系统。,1GIS系统的定义和特点,1）地理信息系统的定义,地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。,地理信息系统是一种以采集、存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统
6、。,2）地理信息系统的产生与发展,地理信息系统的开拓期(20世纪60年代) 地理信息系统巩固期(20世纪70年代) 地理信息系统技术突破期(20世纪80年代) 地理信息系统全面应用期(20世纪90年代) 中国GIS的发展历史： 起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、 发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段,3）地理信息系统的分类,工具型GIS与应用型GIS 专题GIS与区域GIS、全国性GIS 矢量型GIS、栅格型GIS和混合型GIS,4) GIS特点: （1）多维空间地理信息的可视化。GIS主要研究地球表层的若干个要素的空间分布。通过利用空间解析式模型来分析
7、空间数据，GIS的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计。通常将二维数字位置模型和一维数字高程模型的结合称为三维，若加上时间坐标的则可以称为四维GIS或者动态GIS。GIS除了支持各种传统的统计图、统计表的显示之外，还能根据客户的要求，生成各种类型的专题地图。,（2）灵活方便的查询和信息交流。一方面，GIS系统具有对空间数据进行快速搜索和复杂查询的能力。例如，可视化查询可以直接通过地图进入数据库进行查询，基于地理信息的条件查询可以在地图上任意划定区域进行查询，以某一点为中心的查询可以指定任意半径范围查询。另一方面，通过与互联网的结合所形成的各种基于因特网和Web的GIS系统，可以实现远程寻找所
8、需要的各种地理空间数据，包括图形和图像。,（3）空间数据的分析和演算。GIS系统能够对各种地理空间数据进行查询、采集、编辑、统计和分析。如可以应用于绘制作物产量分布图和进行农业专题地图分析。GIS系统可以准确地计算出指定区域的面积、地图中任意两点的距离，甚至可以估算出个人、车辆在两点间移动所花费的时间，由此可以广泛应用于物流领域。,（4）信息的叠加和融合。GIS系统能够很快地将各种专题要素地图叠加在一起产生出新的地图。在GIS系统中，同一类型的信息可以作为一个图层，对同一空间各种信息的融合，可以通过图层间的叠加来进行，从而使各类数据之间内在的联系直观地显示出来。通过将不同专题要素地图叠加和融合
9、在一起，可以分析出地理空间上各种因素的相互作用与相互影响，从中可以发现它们之间的关系。,GIS技术包括了数据库管理、图形图像处理、地理信息处理等多方面的基础技术，在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，为各行业提供规划、管理、研究、决策等方面的解决方案。,2GIS系统的组成和功能,一个典型的GIS系统包括了以下几个部分的内容：计算机系统（硬件、软件）、数据、人员、模型。,1）GIS系统的组成,地理信息系统的组成,人员,输入,输出,传输,存储,数据管理,输出,（1）硬件：计算机主机、输入设备、输出设备、传输设备、储存设备,GIS的硬件系
10、统是指操作GIS所需的一切计算机资源，包括主机，保存数据和程序的存储设备，用于数据输入、显示和输出的外围设备等，其中大多数硬件是计算机技术的通用设备。在GIS中，数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备得到了广泛应用。,（2）软件：包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作、数据显示与输出；其功能是存储、分析、显示地理数据。,GIS的软件系统是指运行所必须的各种程序，由核心软件和应用软件组成。其中核心软件包括数据处理、管理、地图模式和空间分析等部分，而应用软件与核心模块相连并面向一些特殊的应用，如网络分析，数字模型分析等。虽然GIS软件有些是通用的DBMS，但大部分软件是专用的，仅限于地理信息领
11、域；有些是面向特定硬件的，但大多数软件独立于特定硬件为开放系统，如分析和可视化显示软件、支持地理查询软件等。,数据是GIS系统最基础的组成部分，主要分为空间数据和非空间数据两种。 空间数据是GIS系统的操作对象，是现实世界经过模型抽象的实质性内容。空间数据（几何数据）主要由点、线、面组成，它们的数据表达可采用栅格和矢量两种形式，表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及拓扑几何关系。 非空间数据主要是指除空间数据以外的一些属性信息、属性数据。,（3）数据：包括基础数据（如地形、地貌、地质数据等）和专题数据（如规划、房地产、交通、环保、公用事业数据等）。,定位 拓扑关系 属性,用户,常用空间
12、数据编码方式,矢量结构编码方式 栅格结构编码方式 -坐标序列编 -链码 -层次索引编码 -直接栅格编码 -拓扑结构编码 -游程长度编码 -块码 -四叉树码,（4）人员：包括专业人员和用户。,（5）模型：是解决各种实际问题的专业程序。,人员：人是地理信息系统中最重要的构成要素，GIS系统不同于一幅地图，它是一个动态的地理模型，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，进行系统扩充完善以及应用程序开发，并采用空间分析模型提取多种信息。因此，GIS系统应用的关键是掌握实施GIS系统来解决现实问题的人员素质。,这些人员既包括从事设计、开发和维护GIS系
13、统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。 一个GIS系统的组织机构应有项目负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。,GIS是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科，是多学科集成并应用于各领域的基础平台。这种集成是对信息的各种加工、处理过程的应用、融合和交叉渗透，并实现各种信息的数字化的过程，具有数据采集、输入、编辑、存储、管理、空间分析、查询、输出和显示等功能，为系统用户进行预测、监测、规划管理和决策提供科学依据。,2）GIS系统的功能,面向具体的应用领域，GIS的基本功能是将表
14、格行数据（无论它来自数据库、电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，然后对显示结果浏览、操纵和分析。其显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，显示对象包括人口、销售情况、物流运输线路以及其他内容。,GIS的功能分为基本功能和应用功能, 数据采集、检验与编辑。主要用于获取数据，保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性（所谓的无隙数据库，Seamless Database），数据值逻辑一致、无错等。信息共享与自动化数据输入成为地理信息研究的重要内容。目前可用于GIS空间数据采集的方法与技术主要有两类，即使用数字化仪的手扶跟踪数字化技术和使用扫描仪的扫描技术。,手扶跟踪数字化仪
15、曾在相当长的时间内是空间数据采集的主要方式。 扫描数据的自动化编辑与处理仍是GIS研究的技术关键。随着扫描仪技术性能的提高以及扫描处理软件的完善，扫描数字化技术的使用将会越来越普遍。, 数据操作。即数据的格式化、转换、概化。通常数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一种耗时、易错、需要大量计算的工作，应尽可能避免出现问题。数据转换包括数据格式化、数据比例尺的变换。在数据格式的转换方式上，矢量到栅格的转换要比其逆运算快速、简单。数据比例尺的变换涉及数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换。数据概化包括数据平滑、特征集结等。目前GIS所提供的数据概化功能极弱，与地图综合的要
16、求还有很大差距，需要进一步发展。, 数据的存储与管理。这是一个数据集成的过程，也是建立GIS数据库的关键步骤，主要是提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量数据结构、光栅数据结构、矢栅一体化数据结构是存储GIS的主要空间数据结构。数据结构的选择在相当程度上决定了系统所能执行的功能。,空间数据的组织,分层,矩形分块,经纬度分块,数据结构矢量,矢量数据结构是一种常见的图形数据结构，它是用一系列有序的x、y坐标对表示地理实体的空间位置 矢量结构的特点：属性隐含，定位明显 矢量型数据结构按其是否明确表示各地理实体的空间相互关系可分为实体型和拓扑型两大类。,矢量数据结构 矢量数据的结构实际上就是坐标集合，这些坐标集可以精确地定义图形的位置、形状和大小。其最常用的坐标系是二维笛卡尔平面直角坐标系。 矢量数据结构强调的是几何图形。这种结构的数据相对栅格结构的数据精度高，所占空间小，是高效的图形数据结构。它可以清楚地表示点、线
