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地理信息系统(GIS)概论

地理科学学院

2010.8

地理信息系统概论——前言

为什么要学“地理信息系统概论”这门课?

怎样去学“地理信息系统概论”这门课?

在“地理信息系统概论”这门课中,我们将学到什么?

这是一门什么性质的课?

基础素质教育课

基础理论课

专业理论课

基本技能课

主要参考教材及相关网站:

地理信息系统导论,陈述彭,鲁学军,周成虎等编著,北京:科学出版社,1999

地理信息系统概论,黄杏元,马劲松,汤勤等编著,北京:高等教育出版社,1999

地理信息系统原理和方法,边馥苓主编,北京:测绘出版社

实用地理信息系统,陈俊,宫鹏主编,北京:科学出版社

地理信息系统-原理、方法和应用,邬伦等,科学出版社,2001年地理信息系统基础,龚建雅,科学出版社, 2001 土地信息系统,朱德海

等,中国农业大学出版

社,2001年

地理信息系统实

习教程,张超等,高等

教育出版社

相关网站:

www.gischina.com;

水木清华数字地球板;

www.gisres.com;

ESRI公司

国家基础地理信息中

心;

中科院地理所GIS国

家重点实验室

(lreis.ac.cn);

第一章绪论

地理信息系统的概念

地理信息系统的组成

地理信息系统的功能

地理信息系统的与相

关学科

地理信息系统的历史

与发展趋势

第一节GIS的概念

信息(Information):

用数字、文字、符号、

语言、图形、影像、声

音等来表示事件、事

物、现象等的内容、数

量或特征。

数据(Data):一种未

经加工的原始资料。

信息系统(Information

System):能对数据和

信息进行采集、存储、

加工和再现,并能

回答用户一系列问题

的系统称为信息系统。

第一节GIS的概念

地理数据(Geography

Data):是与地理环境

要素有关物质的数量、

质量、分布特征、联系

和规律等的数字、文

字、图像和图形等的总

称。

地理信息(Geography

Information):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。

地理信息系统是整个

地球或部分区域的资

源、环境在计算机中的

缩影。

GIS- Geographical

Information System

地理信息系统

(Geographic

Information System):

地理信息系统是一种

兼容、存储、管理、分

析、显示与应用地理信

息的计算机系统,是分

析和处理海量数据的

通用技术。

第一节GIS的概念

从四个方面理解GIS

的概念:

GIS的物理外壳是计算

机化的技术系统

GIS的操作对象是空间

数据

GIS的技术优势在于它

的空间分析能力

GIS与地理学、测绘学

联系紧密

第一节GIS的概念

一切信息都可图形

地理信息系统(GIS)

是什么?

空间数据

属性数据

空间数据和属性数据

的综合体

GIS

计算机系统:硬件、

软件

地理数据库系统:属

性数据库、图形数据库

用户:系统的使用管

理和维护人员

第二节地理信息系统

的组成

用户

硬件—基本配置

处理设备

工作站

服务器

第二节地理信息系统

的组成

软件结构

第二节地理信息系统

的组成

软件—GIS软件

第二节地理信息系统

的组成

GIS软件类型

专业GIS(Professional

GIS)

桌面GIS(Desktop

GIS)

手持GIS(Hand-Held

GIS)

组件GIS(Component

GIS)

GIS Viewer

网络GIS(Internet GIS)其它(基于CAD的GIS)

第二节地理信息系统的组成

第二节地理信息系统的组成

主要GIS软件

空间数据

GIS的操作对象为空间数据

空间数据特征:几何、属性、时间数据;

空间数据组织:矢量结构、栅格结构;

空间数据管理:

几何数据:文件

属性数据:关系数据库

第二节地理信息系统的组成

用户

GIS的开发是以人为本的系统工程。

业务素质与专业知识是GIS工程及应用成功的关键。

不但对GIS的技术和功能有足够的了解,而且要具备组织管理管理的能力。

技术培训、硬件维护与更新、系统升级、数据更新、文档管理、数据共享建设等。

第二节地理信息系统的组成

第三节地理信息系统的基本功能

地理信息系统能够解决的主要问题?

某个特定位置有什么?

几何查属性

例:国家属性查询

位置(Locations)

条件(Conditions)

满足给定条件的地理

对象分布

属性查位置

例:客户分布

趋势(Trends)

地理对象随时间的变

例:人口变化趋势

模式(Patterns)

空间对象的分布模式

问题

揭示空间对象的空间

关系

例:商业服务竞争

模型(Models)

解决问题方案

基于模型

例:公园选址

(1)数据采集、检验

与编辑功能

(2)查询、检索、统

计、计算功能

(4)空间分析功能

(5)显示(地图输出)

功能

(3)数据的处理和组

第三节地理信息系统

的基本功能

基本功能的实现

第三节地理信息系统

的基本功能

数据的获取

第三节地理信息系统

的基本功能

数据的编辑变换与处

目的:保证数据在入库

时在内容上的完整性,

逻辑上的一致性。

方法:数据编辑与处

理、错误修正:

数据格

式转化:矢量、栅个格

转化,不同数据格式转

化;

数据比

例转化:平移、旋转、

比例、纠正

投影变

换:投影方式

数据概

化:平滑、特征集结

数据重

构:几何形态变换(拼

接、截取、压缩、结构)

地理编

码:拓扑结构

数据入库

数据获取

第三节地理信息系统

的基本功能

数据组织与管理

数据的集成过程

几何数据

与属性数据组织

数据结构

矢量结构、

栅格结构。

数据管理:

层次模型、

网络模型、关系模型

混合管理

模式

第三节地理信息系统

的基本功能

检索与分析

第三节地理信息系统

的基本功能

合并分析

Generate new areas

from counties using

common attribute

values for districts

Sum Population from

Counties onto District

features

第三节地理信息系统

的基本功能

叠加分析

第三节地理信息系统

的基本功能

缓冲区分析

支持点、线、面的缓冲

区分析

提供单面缓冲和双面

缓冲生成

第三节地理信息系统

的基本功能

统计分析

第三节地理信息系统

的基本功能

路径分析

第三节地理信息系统

的基本功能

动态分段

第三节地理信息系统

的基本功能

三维立体

步骤:

装配数据

转换到栅格

分析

显示结果

第三节地理信息系统

的基本功能

数据输出

数据交换

统计表格

制图:专题地图、影

象地图、统计地图、地

形图

第三节地理信息系统

的基本功能

二次开发

GIS的空间分析技术与手段是有限的,而实际应用模型是无可枚举的,任何GIS都应提供二次开发工具。

定制菜单、程序与可视化界面等

GIS二次开发环境:

专用工具:如Arc/Info的AML语言;

通用语言:如VC++、VB、Delphi等

组件开发:如MapInfo的MapX;

第三节地理信息系统的基本功能

第四节地理信息系统与相关学科

国外地理信息系统的发展阶段

模拟地理信息系统阶段

学术探索阶段

飞速发展和推广应用阶段

地理信息产业的形成和社会化地理信息系统(Social GIS)的出现

第五节地理信息系统的历史与发展

模拟地理信息系统阶段

自19世纪以来就得到广泛应用的地图(包括地形图和专题图)——模拟的图形数据库和描述地理的文献著作——模拟的属性数据库相结合,构成了地理信息系统的基本概念模型。但是,这种模拟

式的、基于纸张的信息

系统和信息过程,使得

空间相关数据的存贮、

管理、量算与分析、应

用极为不规范、不方便

和效率低下。随着计算

机科学的兴起,数字地

理信息的管理与使用

成为必然。

第五节地理信息系统

的历史与发展

学术探索阶段

50年代,由于

电子技术的发展及其

在测量与制图学中的

应用,人们开始有可能

用电子计算机来收集、

存贮和处理各种与空

间和地理分布有关的

图形和属性数据。1956

年,奥地利测绘部门首

先利用电子计算机建

立了地籍数据库,随后

这一技术被各国广泛

应用于土地测绘与地

籍管理。1963年,加拿

大测量学家最先提出

地理信息系统这一术

语,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(CGIS),用于资源

与环境的管理和规划。

稍后,北美和西欧成立

了许多与GIS有关的

组织与机构,如美国城

市与区域信息系统协

会(URISA),国际地

理联合会(IGU)地理

数据收集和处理委员

会(CGDPS),等等,

极大地促进了地理信

息系统知识与技术的

传播和推广应用。

第五节地理信息系统

的历史与发展

GIS In 1960’s 理论

与方法探讨

1963年世界上第一

个GIS诞生——CGIS

标志:计算机存储能力

小,速度慢,使GIS带

有更多的机助制图

的色彩,地学分析功能

简单;

许多组

织和机构建立——

1966年美国成立城市

和区域信息系统协会

(URISA),1968年设

立了地理数据收集和

处理委员会(CGDSP),

1969年又建立了州信

息系统全国协会

(NASIS)

第五节地理信息系统

的历史与发展

学术探索阶段

飞速发展和推广应用

阶段

A)一些发达国家先后

建立了许多专业性的

土地信息系统(LIS)

和资源与环境信息系

统(GIS),如1970年

至1976年,美国地质

调查局先后建50多个

信息系统,其它国家也

相继发展自己的GIS;

B)关于GIS软件、硬

件和项目开发的商业

公司篷勃发展。到1989

年,国际市场上有报价

的GIS软件达70多个,

并出现一些有代表性

的公司和产品,如美国

环境系统研究所的

ARC/INFO,Intergraph

公司的MGE,及

Genasys公司的

Genamap等等。

C)数字地理信息的生

产标准化、工业化和商

品化。如美国地质调查

局(USGS)已经建立

起数字地图生产技术

体系,可定期向社会发

布DLG、DEM等标准

地理数据。

D)各种通用和专用的

地理空间分析模型得

到深入研究和广泛使

用,GIS的空间分析能

力显著增强。E)有关

GIS的具有技术权威和

行政权威的行业机构

和研究部门在GIS的

应用发展中发挥引导

和驱动作用。如美国国

家科学基金会支持的

国家地理信息和分析

中心(NCGIA)每年都

要制定GIS技术优先

发展计划,以促进全国

GIS事业发展。

第五节地理信息系统

的历史与发展

GIS In 1970’s 开发

软件的年代

标志:计算机软硬件飞

速发展,存储能力大,

速度快,图形显示增

强,使GIS向实用方向

发展。

1970-1976年,美国地

质调查所就建成50多

个信息系统,处理地

理、地质、水资源等。

70年代大约有300多个系统投入使用,大学、研究机构开始重视GIS软件的设计与应用研究,纷纷成立各种GIS实验室。

飞速发展和推广应用阶段

第五节地理信息系统的历史与发展

GIS In 1980’s 应用的年代

标志:推出第四代计算机,代表性GIS基础软件——ARC/INFO、GENAMAP、MICROSTATION等。

用户需求,应用领域广泛。

GIS In 1990’s GIS 的用户年代

标志:GIS成为一种通用的地理信息技术工具;

“数字地球”战略,为GIS的应用带来契机。

地理信息产业的形成和社会化地理信息系统(Social GIS)的出现第五节地理信息系统的历史与发展

1)起步阶段(1978——1980年)

主要行动在于概念引入和知识传播,以及关于遥感分析、机助制图和数字地面模型的试验研究。

2)准备阶段(1980——1985年)

主要在理论体系的建立,软、硬件的引进,相应规范的研究局部系统或试验系统的

开发上取得进步,为

GIS的全面发展奠定基

础。

第五节地理信息系统

的历史与发展

我国地理信息系统应

用发展状况

我国地理信息系统应

用发展状况

3)加速发展阶段(1986

——1995年)

GIS作为一个全

国性的研究与应用领

域,进行了有计划、有

目标、有组织的科学试

验与工程建设,取得一

定的社会经济效益。主

要表现在:(a)GIS教

育与知识传播的热浪

此起彼伏,GIS成为空

间相关领域的热门话

题;(b)GIS建设引起

各级政府高度重视,其

发展机制由学术推动

演变为政府推动;(c)

部分城市和沿海地区

GIS建设率先进入实施

阶段,并取得阶段性成

果;(d)出现商品化的

国产GIS软件、硬件品

牌;出现专门的GIS的

管理中心、研究机构与

公司;出现专门的GIS

协会,涌现一批GIS专

门人才;出现专门的刊

物与展示会;初步形成

全国性的GIS市场。

(e)在应用模式、行

业模式和管理方面作

了有益的探索。

第五节地理信息系统

的历史与发展

我国地理信息系统应

用发展状况

4)地理信息产业化阶

段。(1995——)

目前,我国GIS

的发展正处于向产业

化阶段过渡的转折点。

能否借助国际大气候

的东风,倚重国内经济

高速发展的大好形势,

搭乘全球信息高速公

路的快车,实现地理信

息产业化和国民经济

信息化,这是国内地理

信息界人士面临的严

重挑战和千载难逢的

机遇。而在这一过程

中,一方面需要探索建

立一套政府宏观调控

与市场机制相结合的

地理信息产业模式,另

一方面,则要充分总结

和借鉴国内外地理信

息系统项目建设的经

验和教训,建立起行之

有效的地理信息系统

工程学的理论、方法与

管理模式,推动地理信

息系统在社会主义各

项事业中更加深入和

广泛的应用。

第五节地理信息系统

的历史与发展

发展趋势:

3D&4DGIS

WebGIS

VRGIS

ComGIS

Digital Earth

第五节地理信息系统

的历史与发展

第二章GIS的空间信

息基础

张玉红

第一节常规的地理

空间信息描述

1、地球空间模型描述

(1)地球的自然表面,

起伏不规则。难以简单

数学描述。

(2)大地水准面:静止

的平均海水面穿过大

陆和岛屿形成的处处

与重力方向正交闭合

曲面。由于重力等影

响,也是一个不规则曲

面。

大地水准面

椭球面

地球表面

(3)模型:以大地水准

面为基准建立的地球

椭球体模型。

我国大地坐标系采用

的地球椭球体模型为

1975年国际大地测量

协会推荐的国际椭球。

(4)数学模型:为解

决其它大地测量问题

提出的。

2、地理空间坐标系的建立

(1)地理坐

标系(GCS)

(2)投影坐标系统

转换三维地球表面到二维地图平面的数学处理方法称之为地图投影.

地图投影是为特定的制图目的服务的。有以下投影类型:

A、等角投影(正形投影,正射投影)

保持局部形状相似,但不能保证面积相等。但面积较大时,也不能保证形状不变。B、等面积不变,但角度、形状、和比例会发生变形。

C、等距离投影,既不等积,也不等角。长度、角度、面积、比例均有变形。但面积变形小于等角,形状变形小于等积。

投影方法:

A、圆锥投影(正轴、斜轴、横轴;相切、相割)

B、圆柱投影(正轴、斜轴、横轴;相切、相割)

C、平面(方位)投影(正轴、斜轴、横轴;相切、相割)

地图投影的选择

主要指中小比例尺地图投影,基本比例尺地图投影类型有

国家相关部门规定。

考虑因素:

A、范围;

B、形

状;C、地理位置;D、

用途;E、出版方式。

(3)地理坐标的转换

通常是指两个地

理坐标系统之间的转

换。分为地理坐标之间

的直接转换或经由大

地坐标之间的间接转

换。

3、地图对地理空间实

体的描述

空间实体

指具有形状、属

性和时序特征的空间

对象或地理实体,包括

点、线、面、体,他们

构成地球圈层间复杂

的地理综合体,也是地

理信息系统表示和建

库的主要对象。

地图是现实世界的模

型,它按照一定的比

例、一定的投影原则有

选择地将复杂的三维

现实世界的某些内容

投影到二维平面媒介

上,并用符号将这些内

容要素表现出来。

通过点、线、面、符号

和注记进行。

点状要素

几种点状符号

线状要素

几种线状符号

面状要素

地图对面状要素的描

4、遥感影像对地理空

间的描述

第二节地理信息数字

化的描述方法

计算机是不能直接识

别和处理各种以图形

形式表达的地理空间

实体

要使计算机能识别和

处理它们,首先要对空

间实体进行描述。

河流的显示和隐式表

含有点、线、面三种要

素的地图

空间实体在GIS中的

矢量表示

注:

(3,3)可用于表示一

个点的位置。

(1,7),(3,5),(5,

5),(5,3),(6,

1),可用于表示一条

线。

(3,10),(3,8),

(4,6),(9,5),(10,

7),(7,10),(6,9),

(3,10)可用于表示

一个多边形。

注意第一个坐标

和最后一个坐标相同,

因为多边形总是封闭

的。

.

(1)矢量法是用坐标

对、坐标串和封闭的坐

标串表示实体点、线、

面的位置及其空间关

系的一种数据格式。适

宜表达离散的空间特

征,如土地利用、房屋

等。

(2)栅格法(扫描数

据或图像)通过一系列

栅格单元表达连续分

布的地理现象,如温度

分布、土壤湿度、污染

分布等。

1. GIS的空间数据

地图数据

影像数据

地形数据

属性数据

元数据

第三节地理空间数据

及特征

2. GIS的空间数据类型

类型数据例如考古

地点、道路线和土壤类

型的分布等;

面域数据例如随机

多边形的中心点,行政

区域界线和行政单元

等;

网络数量例如道路

交点、街道和街区等;

样本数量例如气象

站、航线和野外样方的

分布区等;

曲面数据例如高程

点、等高线和等值区

域;

文本数据例如地名、

河流名称和区域名称;

符号数据例如点状

符号、线状符号和面状

符号等。

3、GIS数据的基本特

空间特征(定位信息+

拓扑信息)

属性特征(专题属性+

时间属性)

地理数据=空间数据(空间+属性)

4、空间数据的拓扑关系

邻接关系:空间图形中同类元素之间的拓扑关系。

关联关系:空间图形中不同元素之间的拓扑关系。

包含关系:空间图形中同类但不同级元素之间的拓扑关系。

面域与弧段的拓扑关系

弧段与结点的拓扑关系

弧段与面域的拓扑关系

空间数据的拓扑关系,对数据处理和空间分析具有重要的意义,因为:

(1)根据拓扑关系,可以确定一种空间实体相对于另一种空间实体的位置关系。

(2)利用拓扑关系有利于空间要素的查询。

(3)可以根据拓扑关系重建地理实体。

第四节空间数据的元数据

1.元数据概念与作用(1)概念。描述数据的数据。说明数据的内容、质量、现状、生产者、格式等信息。

了解!(2)作用:

帮助数据生产者管理、

维护数据;

提供数据的生产信息;

帮助用户选择数据;

提供数据的处理信息

等;

是实现网络环境GIS

(特别是WebGIS)数

据互操作的基础。

2.空间数据元数据的常

用形式和分类

常用形式:文本文件、

HTML、SGML

分类:

(1)根据内容分:科

研型、评估型、模型元

数据

(2)根据描述对象分:

数据层元数据、属性元

数据、实体元数据

(3)根据元数据在系

统中的作用分:系统级

别元数据、应用层元数

(4)根据元数据的作

用:说明元数据、控制

元数据

3.空间数据元数据的作

(1)帮助用户获取数

(2)空间数据质量控

(3)在数据集成中的

应用

(4)数据存贮和功能

实现

复习题:

1.大地水准面

2.地图投影

3.地图

4.?空间实体

5.?在地理信息系统中

怎样描述空间实体?

6.什么是拓扑关系?建

立拓扑关系有何应用

价值?

7.什么是元数据?它的

作用是什么?

。

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