地理信息系统西昌学院第一章绪论.docx
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地理信息系统西昌学院第一章绪论
第一章绪论
【学时安排】
4学时
【目的要求】
1、掌握数据、信息、地理信息的概念;
2、掌握信息的特点,地理信息与一般信息的区别;
3、理解地理信息系统的组成;
4、理解信息系统的基本功能;
5、了解地理信息系统产生和发展的历史背景,发展过程。
【重点难点】
数据、信息、地理信息的有关概念。
【教学方法与手段】
示例式、启发式教学方法,多媒体教学手段。
1.1GIS的基本概念
一、数据和信息
1、数据
数据(Data)是通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号,是一种未经加工的原始资料。
不仅数字是数据,而且文字、符号和图像也是数据。
数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。
地理信息系统的建立,首先是收集数据,然后对数据进行处理,即对数据进行运算、排序、转换、分类、增强等,其目的就是为了得到数据中包含的信息。
2、信息
信息(Information)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知识,作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。
信息的特征:
客观性、适用性、可传输性和共享性等。
客观性是指信息都与客观事实相关,这是信息正确性和精确度的保证;适用性是指从大量数据中收集、组织和管理有用的信息,这是由建立信息系统目的性所决定的;可传输性是指信息可以在系统内或用户之间以一定形式或格式传送和交换。
信息的共享性是信息可传输性带来的结果,也就是信息可为多个用户共享。
信息来源于数据(Data)。
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,从实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息;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。
二、地图和地理信息
地理信息系统脱胎于地图,它们都是地理信息的载体,具有存储、分析与显示地理信息的功能。
地理信息(GeographicInformation)是指与空间地理分布有关的信息,它表示地表物体和环境固有的数据、质量、分布特征,联系和规律的数字、文字、图形、图像等总称。
而地理数据则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(简称属性)及时域特征三部分。
空间位置数据描述地物所在位置。
这种位置既可以根据大地参照系定义,如大地经纬度坐标,也可以定义为地物间的相对位置关系,如空间上的相邻、包含等;属性数据有时又称非空间数据,是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。
时域特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。
时间数据对环境模拟分析非常重要,正受到地理信息系统学界越来越多的重视。
空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。
地理信息的特征:
地理信息除了具有信息的一般特性,还具有以下独特特性:
(1)空间分布性。
地理信息具有空间定位的特点,先定位后定性,并在区域上表现出分布式特点,其属性表现为多层次,也成为区域性、多维性。
区域性是指地理信息的定位特征,且这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。
多维性是指在一个坐标位置上具有多个专题和属性信息。
(2)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计划不断发展,我们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。
这必然对数据处理与分析带来很大压力。
(3)信息载体的多样性。
地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身,除此之外,还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。
对于地图来说,它不仅是信息的载体,也是信息的传播媒介。
三、信息系统与地理信息系统
1、信息系统
信息系统(InformationSystem)是具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统,它能为单一的或有组织的决策过程提供各种有用信息。
从计算机的角度看,信息系统是由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成的系统,且种类繁多,但从系统结构及处理方法看,主要分为下列几种:
(1)管理信息系统(MIS-ManagementInformationSystem)是一种基于数据库的回答系统,它往往停留在数据级上支持管理者,如人事管理信息系统、财务管理信息系统、产品销售信息系统等。
(2)决策支持系统(DSS-DecisionSupportSystem)是在MIS基础上发展起来的一种信息系统,它不仅为管理者提供数据支持,还提供方法和模型的可能支持,并对问题进行仿真和模拟,从而辅助决策者进行决策。
(3)智能决策支持系统(IDSS-IntelligentDecisionSupportSystem)是在决策支持系统中进一步引入人工智能(AI,ArtificialIntelligent)技术。
如专家系统(ES-ExpertSystem)解决非结构化问题,提高系统决策自动化程度。
(4)空间信息系统(SIS-SpatialInformationSystem)是对空间数据进行采集、处理、管理和分析的信息系统。
由于空间数据的特殊性,使空间信息系统的组织结构及处理方法有别于一般信息系统。
2、地理信息系统
地理信息系统(GIS-GeographicInformationSystem)是以地理空间数据库为基础,在计算机软硬件的支持下,对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示,并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而建立起来的计算机技术系统。
因此,地理信息系统具有以下三个方面的特征:
(1)具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力;
(2)以地理研究和地理决策为目的,以地理模型方法为手段,具有空间分析、多要素分析和动态预测的能力;并能产生高层的地理信息;
(3)由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用于空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务。
计算机系统的支持是GIS的重要的特征,使GIS得到快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。
地理信息系统是一种特定而又十分重要的空间信息系统。
它是在计算机硬件与软件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,以提供对规划、管理、决策和研究所需要的空间信息系统。
地理信息系统是一门多技术交叉的空间信息科学,它依赖于地理学、测绘学、统计学等基础性学科,又取决于计算机硬件与软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进步与成就,如图1-1:
图1-1地理信息系统与其它学科的关系
地理信息系统又是一门以应用为目的的信息产业,它的应用可深入到各行各业。
因而,产生了多种相应系统。
如自然资源管理信息系统(NaturalResourcesManagementInformationSystem)、资源与环境信息系统(ResourcesandEnvironmentInformationSystem)、空间数据处理系统(SpatialDataProcessingSystem)、空间信息系统(SpatialInformationSystem)、土地资源信息系统(LandResourcesInformationSystem)。
这些系统研究的对象不同,但研究方法基本是相似的。
地理信息系统按其内容可以分为三大类:
(1)专题地理信息系统:
是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。
(2)区域地理信息系统:
主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。
(3)地理信息系统工具:
它是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。
如美国环境系统研究所(EnvironmentalSystemsResearchInstitute,ESRI)研制的ARC/INFO软件、澳大利亚GENASYSⅡ公司天发的GENAMAPGIS软件、美国INTERGRAPH公司开以的MGE软件、美国MapInfo公司开发的MapInfo桌面地图信息系统软件、我国北京大学与三秦信息技术有限公司联合研制的城市之星(CityStar)GIS软件、武汉测绘科技大学地理信息系统研究中心研制开发的吉奥之星(Geostar)GIS软件、中国地质大学(武汉)信息工程学院开发的MapGIS软件等。
通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念:
1、GIS的物理外壳是计算机化的技术系统,它又由若干个相互关联的子系统构成,如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等,这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。
2、GIS的操作对象是空间数据,即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。
空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码,实现对其定位、定性和定量的描述、这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志,也是其技术难点之所在。
3、GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力,可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息,实现地理空间过程演化的模拟和预测。
4、GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。
大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数;电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用,可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品,为GIS提供丰富和更为实时的信息源,并促使GIS向更高层次发展。
地理学是GIS的理论依托。
有的学者断言,“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。
如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙,那么,信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门,必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。
GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。
GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的;按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。
同级的各种专业应用系统集中起来,可以构成相应地域同级的区域综合系统。
在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展,以减小重复很费,提高数据共享程度和实用性。
1.2地理信息系统的基本构成
完整的GIS主要由四个部分构成,即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员,其核心部分是计算机软硬系统,空间数据库反映了GIS的地理内容,而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。
地理信息系统的组成可综合表示为图1-2。
图1-2地理信息系统的组成
一、计算机硬件系统
计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称,可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置,是GIS的物理外壳,系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系,受硬件指标的支持或制约。
GIS由于其任务的复杂性和特殊性,必须由计算机设备支持。
GIS硬件配置一般包括四个部分(如图1-3):
1、GIS主机;
2、数据采集与输入设备:
数字化仪、图像扫描仪、解析和数字摄影测量设备、电子速测仪、GPS接收机、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等;
3、数据存贮设备:
光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等;
4、数据输出设备:
笔式绘图仪、喷墨绘图仪(打印机)、激光打印机等。
图1-3地理信息系统硬件组成
二、计算机软件系统
指GIS运行所必需的各种程序,通常包括:
1、计算机系统软件
由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统,通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等,是GIS日常工作所必需的。
2、地理信息系统软件和其他支撑软件
可以是通用的GIS软件也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。
GIS软件按功能可分为以下几类:
(1)数据输入:
将系统外部的原始数据(多种来源、多种形式的信息)传输给系统内部,并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式的过程。
如将各种已存在的地图、遥感图象数字化,或者通过通讯或读磁盘、磁带的方式录入遥感数据和其他系统已存在的数据,还包括以适当的方式录入各种统计数据、野外调查数据和仪器记录的数据。
数据输入方式与使用的设备密切相关,常有三种形式:
①手扶跟踪数字化仪的矢量跟踪数字化。
它是通过人工选点或跟踪线段进行数字化,主要输入有关图形点、线、面的位置坐标。
②扫描数字化仪的光栅扫描数字化,主要输入有关图像的网格数据。
③键盘输入,主要输入有关图像、图形的属性数据(即代码、符号),在属性数据输入之前,须对其进行编码。
(2)数据存贮与管理:
数据存储和数据库管理涉及地理元素(表示地表物体的点、线、面)的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。
用于组织数据库的计算机系统称为数据库管理系统(DBMS)。
空间数据库的操作包括数据格式的选择和转换、数据的连接、查询、提取等。
(3)数据分析与处理:
指对单幅或多幅图件及其属性数据进行分析运算和指标量测,在这种操作中,以一幅或多幅图作为输入,而分析计算结果则以一幅或多幅新生成的图件表示,在空间定位上仍与输入的图件一致,故可称为函数转换、空间函数转换可分为基于点或象元的空间函数,如基于象元的算术运算、逻辑运算或繁类分析等;基于区域、图斑或图例单位的空间函数,如叠加分类、区域形状量测等;基于邻域的空间函数.如象元连通性、扩散、最短路径搜索等。
量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指标的计算。
函数转换还包括错误改正、格式变性和预处理。
(4)数据输出与表示模块:
输出与表示是指将地理信息系统内的原始数据或经过系统分析、转换、重新组织的数据,以某种用户可以理解的方式提交给用户,如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上,或采用CRT(CathodeRayTub)显示器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出,也可以将结果数据记录于磁存贮介质设备或通过通讯线路传输到用户的其他计算机系统。
(5)用户接口模块:
该模块用于接收用户的指令、程序或数据,是用户和系统交互的工具,主要包括用户界面、程序接口与数据接口。
系统通过菜单方式或解释命令方式接收用户的输入。
由于地理信息系统功能复杂,且用户又往往为非计算机专业人员,用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分,它通过菜单技术、用户询问语言的设置,还可采用人工智能的自然语言处理技术与图形界面等技术,提供多窗口和鼠标选择菜单等控制功能,为用户发出操作指令提供方便。
该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息,这就使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。
3、应用分析程序
是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序,是系统功能的扩充与延伸。
在优秀的GIS工具支持下,应用程序的开发应是透明的和动态的,与系统的物理存贮结构无关,而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。
应用程序作用于地理专题数据或区域数据,构成GIS的具体内容,这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分,也是从空间数据中提取地理信息的关键.用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序,而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。
三、地理空间数据
地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据,可以是图形、图像、文字、表格和数字等,由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS,是系统程序作用的对象,是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。
根据地理实体的空间图形表示形式,它们的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式,分别称为矢量数据结构和栅格数据结构。
地理信息系统中的数据包括两大类型:
1、空间数据
用来确定图形和制图特征的位置,这是以地球表面空间位置为参照的。
2、非空间的属性数据
用来反映与几何位置无关的属性,即通常所说的非几何属性,它是与地理实体相联系的地理变量或地理意义,一般是经过抽象的概念,通过分类、命名、量算、统计等方法得到。
不同用途的GIS其地理空间数据的种类、精度都是不同的,但基本上都包括三个互相联系的方面:
(1)某个已知坐标系中的位置
即几何坐标,标识地理实体在某个已知坐标系(如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系)中的空间位置,可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标,也可以是矩阵的行、列数等。
(2)实体间的空间相关性
即拓扑关系,表示点、线、面实体之间的空间联系,如网络结点与网络线之间的枢纽关系,边界线与面实体间的构成关系,面实体与岛或内部点的包含关系等。
空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义,是地理信息系统的特色之一。
(3)与几何位置无关的属性
即常说的非几何属性或简称属性(Attribute),是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。
属性分为定性和定量的两种,前者包括名称、类型、特性等,后者包括数量和等级,定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等,定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。
非几何属性一般是经过抽象的概念,通过分类、命名、量算、统计得到。
任何地理实体至少有一个属性,而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的,因此,属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。
地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码,也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能,成为地理学研究和资源管理的重要工具。
四、系统开发、管理和使用人员
人是GIS中的重要构成因素。
GIS不同于一幅地图,而是一个动态的地理模型,从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期,处处都离不开人的作用。
仅有系统软硬件和数据还构不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。
一个周密规划的地理信息系统项目应包括负责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运行系统的用户。
1.3地理信息系统的功能简介
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,它包含了处理地理信息的各种高级功能,但是它的基本功能是数据的采集、管理、处理、分析和输出。
GIS依托这些基本功能,通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发环境等,演绎出丰富多彩的系统应用功能,满足社会和用户的广泛需求。
一、基本功能
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(图1-4)。
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坐标及对应的代码输人到计算机中,各类数据的转化和输人方法如图1-5所示。
2、数据存储与管理图1-4GIS数据分层
数据库是数据存储与管理的最新技术,是一种先进的软件工程。
GLS数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。
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:
空间数据库的定义、数据访问和提取、从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等。
图1-5GIS数据采集流程图
3、数据处理和变换
由于GIS涉及的数据类型多种多祥,同一种类型数据的质量也可能有很大的差异。
为了保证系统数据的规范和统一,建立满足用户需求的数据文件,数据处理是GIS的基础功能之一。
数据处理的任务和操作内容有:
(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、辐射纠正、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;
(3)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、布尔提取和空间内差等。
4、空间分析和统计
空间分析和统计功能是GIS的一个独立研究领域,它的主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系,它已经不仅成为区别于其他类型系统的一个重要标志,而且为用户提供了灵活地解决各类专门问题的有效工具。
(1)拓扑叠合。
通过将同一地区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。
(2)缓冲区建立。
它是研究根据数据库的点、线、面实体,自动建立各种类型要素的缓冲多边形,用以确定不同地理要素的空间接近度或邻近性。
它是GIS重要的和基本的空间分析功能之一,例如规划建设一个开发区,需要通知一定范围内的居民动迁;在林业规划中,需要按照距河流一定纵深范围来确定森林砍伐区,以防止周边地区的水土流失等等。
(3)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、山谷线、山脊线、日照强度、库容量、表面积、立体图、剖面图和通视分析等,为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础性数据。
(4)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。
5、产品制作与显示
GLS产品是指经由系统处理和分析,产生具有新的概念和内容,可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明,其中地图图形输出是GIS产品的主要表现形式,包括各种类型的符号图、动线图、点值图、晕线图、等值线图、立体图等。
一个运行的GIS,其产品制作与显示的功能包括:
设置显示环境,定义制图环境,显示地图要素,定义字形符号,设置字符大小和颜色,标注图名和图例,以及绘图文件编辑等。
6、二次开发和编程
为使GLS技术广泛应用于各个领域,满足各种不同的应用需求,它必须具备的另一个重要基本功能是二次开发环境,包括提供专用语言的开发环境、用户可在自已的编程环境中调用GIS的命令和函数,或者系统将某些功能做成专门的控件供用户的开发语言(C,C++,VB,VC++,Delphi…)调用等。
这样,用户可以非常方便地编制自己的菜单和程序,生成可视化的用户应用界面,完成GIS的以下各项应用功能的开发。
二、应用功能
1、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汇集在一起,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,这种功能强大的数据环境允许集成各种应用,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。
2、区域规划
城市与区域规划具有高度的综合性,涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、金融等因素,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、实时强的信息,而GIS能为规划人员提供功能强大的工具,例如规划人员利用GIS对交通流量、土地利用和人口数据进行
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