第三章GIS的基本概念和理论.docx

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第三章GIS的基本概念和理论

第三章GIS的基本概念和理论

一、GIS的基本概念

1、信息和地理信息

信息的定义：

是用文字、数字、符号、语言、图象、图形等介质来表达事件、事物或现象等的内容、数量和特征，从而向人们（或系统）提供的关于现实世界新的事实和知识。

特征：

Ø客观性

Ø适用性

Ø可传输性

Ø共享性

数据的定义：

是一种未加工的原始资料。

用文字、数字、符号、语言、图象、图形等都是数据。

信息与数据的关系数据是信息表示的载体，信息是数据表示的内容。

地理信息的定义：

地理信息是关于地理实体、现象或关系的本质、特征及其运动状态、规律的表征和一切有用的知识。

地理数据的定义：

各种地理特征、现象和关系的符号化表示。

包括空间位置及其关系、属性特征和时域特征三部分。

称为空间数据的基本特征。

地理信息的特征除了具备信息的一般特征外，还有以下特征：

Ø空间分布性

Ø数据量大

Ø信息载体多样性

Ø时序性

2、信息系统和地理信息系统

（1）信息系统的定义：

信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。

在计算机时代，信息系统都部分或全部由计算机系统支持，并由硬件、软件、数据和用户四大要素组成。

智能化的系统还应包括知识。

其系统的概念模型可由下图描述。

分为事务处理系统和决策支持系统。

（2）地理信息系统的定义：

是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的的数据的计算机空间信息系统。

地理信息系统简称为GIS。

关于它确切的全称，多数人认为是GeographicalInformationSystem，也有人认为是GeoinformationSystem。

国际上现发行的两种主要的专业杂志，就是各自采用不同的全称，前者是英国出版的季刊的全称，后者是德国出版的季刊的全称。

在加拿大和澳大利亚，则称为LandInformationSystem。

在我国，通常称为ResourcesandEnvironmentalInformationSystems。

全称虽有差异，但简称都是GIS。

GIS对于不同的部门和不同的应用目的，其定义也不尽相同。

例如，美国学者Parker认为“GIS是一种存贮、分析和显示空间与非空间数据的信息技术”。

Goodchild把GIS定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。

加拿大的RogerTomlinson认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统。

”Burrough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”。

俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。

A什么人需要GIS？

Ø地图的使用者。

他们需要从地图上查找感兴趣的东西。

Ø地图生产者。

编辑各种专题或综合信息地图。

Ø地图出版者。

需要高质量的地图输出产品。

Ø地图分析员。

他们需要根据位置和空间关系完成分析任务。

Ø数据录入人员。

完成数据编辑。

Ø数据库设计者。

需要实现数据的存储和管理。

Ø开发者。

需要实现GIS的软件功能。

B数据

数据是GIS的操作对象。

C硬件

是GIS的支撑体。

D软件

完成GIS任务的工具

E空间分析

建立GIS的主要目的。

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，它不仅已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。

GIS是一种特定而又十分重要的空间信息系统。

具有以下基本特点：

ØGIS的物理外壳是计算机化的技术系统。

该系统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、可视化表达与输出子系统等。

这些子系统的构成直接影响着GIS的硬件平台、系统功能和效率、数据处理的方式和产品输出的类型。

ØGIS的操作对象是地理实体或空间数据。

所谓地理实体指的是在人们生存的地球表面附近的地理图层（大气图、水图、岩石图、生物图）中可相互区分的事物和现象，即地理空间中的事物和现象。

在地理信息系统中，所操作的只能是实体的数据，它们都有描述其质量、数量、时间特征的属性数据，也有其非属性的数据——空间数据，即以点、线、面方式编码并以（X、Y）坐标串储存管理的离散型空间数据，或者以一系列栅格单元表达的连续型空间数据。

地理实体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、定量和拓扑关系的描述，即空间特征数据和属性特征数据统称为地理数据。

GIS以地理实体数据作为处理和操作的主要对象，这是它区别于其他类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。

ØGIS的技术优势在于数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法难以得到的重要信息。

独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等。

其中，通过地理空间分析可以产生常规方法难以获得的重要信息，实现在系统支持下的地理过程动态模拟和决策支持，这既是GIS的研究核心，也是GIS的重要贡献。

ØGIS与测绘学和地理学密切相关。

地理学是一门研究人—地相互关系的科学，研究各自然界面的生物、物理、化学过程，以及探求人类活动与资源环境间相互协调的规律，这为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为GIS的基础理论依托。

测绘学不但为GIS提供各种不同比例尺和精度的定位数据，而且其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。

而GIS引入地学界，正如美国地质学家K.I·兰菲尔所说的“GIS引入地学界，如同Fortran语言引入计算机科学界一样重要”，GIS是以一种全新的思想和手段来解决复杂的规划、管理和地理相关问题，例如城市规划、商业选址、环境评估、资源管理、灾害监测、全球变化，甚至在现代企业中作为制定科学经营战略的一种重要手段，因为企业对外界的认知能力和信息处理能力提高了，就能创造空间上的竞争优势。

解决这些复杂的空间规划和管理问题，这是GIS应用的主要目标。

3、地理信息系统的分类

（1）地理信息系统按存储数据的范围大小，可划分为全球的、区域的和局部的三种。

（2）地理信息系统按表达空间维数，分为2维和3维。

通常GIS研究地球表层的若干要素的分布，属2~2.5维GIS，布满整个三维空间建立的GIS，才是真三维GIS。

一般也将数字位置模型（2维）和数字高程模型（1维）的结合称为2+1维或2.5维GIS。

（3）按是否直接存储时间尺度，分为静态和动态。

如果考虑时间维度，也称为时态GIS或动态GIS。

否则为静态。

（4）按事件处理内容和方式，分为事务处理或管理GIS和决策支持GIS。

二、GIS的基本组成

1、单机模式的硬件组成（单用户模式）

主要由高档计算机（高档微机、工作站或小型机）、数据输入设备、数据输出设备和数据存储设备组成。

目前运行GIS的主机，包括大型、中型、小型机，工作站/服务器和微型计算机。

其中各种类型的工作站/服务器成为GIS的主流，特别是由Intel硬件和WindowsNT构成的PC工作站正成为工作站市场的新宠，传统UNIX阵营的用户正在逐渐向它转移。

NT工作站对GIS用户的吸引力，包括相对低成本、可管理性、标准图形化平台和具有PC结构与效率等，因此广泛应用于GIS和某些科学应用领域。

例如，ARC/INFO、INTERGRAPH、MAPINFO和GENAMAP等主流GIS产品，都相继开发出其NT版本，但目前功能与UNIX版相比仍有待提升。

服务器作为在网络环境下提供资源共享的主流计算机产品，具有可靠性、高性能、高吞吐能力、大内存容量等特点，具备强大的网络功能和友好的人机界面，是以网络为中心的GIS和现代计算环境的关键，其中以低价格和高性能为特点的PC服务器，正在迅速缩小与UNIX服务器之间的差距，日益引起GIS设计者和用户的广泛关注。

目前，GIS工作站和服务器主要有UNIX和NT两大类型，其产品包括SUN、HP、IBM、SGI和COMPAQ等，不同种类机型的界线逐渐模糊。

由于客户/服务器环境的流行，多媒体技术的发展，以及计算机与通讯技术的融合，促使GIS向不依赖于平台的方向发展，GIS软件标准逐渐统一。

GIS外部设备主要包括各种输入和输出设备。

主要的输入设备有图形跟踪数字化仪、图形扫描仪、解析和数字摄影测量设备等。

图形跟踪数字化仪尽管成本高、工序繁琐、对操作人员素质要求较高，但至今仍为空间数据采集的主要方式。

市场上出售的数字化仪，例如CalcompDrawingBoard系统数字化仪，其有效面积从12英寸×12英寸（305mm×305mm）到44英寸×60英寸（1118mm×1524mm），有多种配置可供选择，如不透光的或带背光的板面，有线或无线的，笔式或鼠标式定标器，和所有的应用软件都能兼容。

用户可用命令设置数字化板的菜单和定标器的按键，操作模式有：

Prompt,Point,Run,Line,Track,Increment,Mouse,Delta,GridUpdate等。

图形数字化仪由电磁感应板、游标和相应的电子线路组成。

当使用者在电磁感应板上移动游标的十字丝交点对准指定图形的点位时，按动相应的按钮，数字化仪便将对应的命令符号和该点的坐标（X,Y）通过接口（多用串行接口）电路传送给计算机，定位点的精度可达0.005～0.001英寸（0.13～0.025mm）。

手扶跟踪数字化仪的速度慢，工作效率较低，而栅格数据的获取则相对容易得多。

目前新一代大幅面图形扫描仪提供高分辨率、真彩色、近乎完美的图像效果，其中ANATech公司为用户提供了一整套应用于各领域的高精度大幅面扫描仪以及相配套应用软件，是图形、图像数据录入和采集最有效的工具之一。

Evolution3840大幅面扫描仪扫描一幅A0图纸的时间仅需15s，精度为0.05%，失真率小于0.1%。

用户可在800dpi范围内任选扫描分辨率，可以按黑白二值或256级灰度方式扫描，可以边显示边扫描，并具有实时消蓝去污功能。

根据用户需求可以实现自动补线、校正、镜像、反转等功能。

地图扫描数字化得到图像信息，然后再经过目标识别和由栅格到矢量的转换过程。

主要的输出设备有各种绘图仪、图形显示终端和打印机等。

绘图仪如HPDesignJet750C彩色喷墨绘图仪，是一种快速、可靠、便于连网且可在多种介质上进行高质量输出的绘图仪，是目前广泛使用的主流GIS产品输出设备。

它采用根据对象空间分布形式和输出产品的特征，选择适当的图形表示方法、结合色彩、线条、符号、文字等表示手段，具有600dpi分辨率的高精度黑白输出，彩色输出在300dpi时，颜色可多达1600多种，可获得极高清晰度的绘图质量。

图形显示终端用于图形的交互式输入、编辑、分析、处理和输出。

目前有多种系列和型号的显示终端，如Teltronix公司生产的4128、4335型，与IBM-PC机兼容的SGS-430三维转换器等。

GIS还有多种表格、文字的数据需要输出，可利用多种打印机完成。

打印机的类型有针式打印机、激光打印机、液晶打印机等。

HPDesignJet彩色打印机还能打印出丰富绚丽的彩色图形和细腻的文字。

2、网络模式的GIS硬件组成（多用户模式）

网络模式的GIS主要在单机模式的基础上增加网络设备，如服务器、客户机、路由器、交换机、集线器、传输介质等。

网络的拓扑结构有总线结构（楼宇网）、星形结构和环形结构（园区网）

20世纪90年代以来，计算机技术的飞速发展不断改变着GIS的结构体系，从主机及终端结构到Client/Server，再到Internet/Intranet。

目前，基于客户/服务器体系结构并在局域网、广域网或因特网支持下的分布式系统结构。

网络设备包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。

在进行GIS网络设计时，必须首先确定网络应用的需求，然后具体考虑网络类型、互联设备、网络操作系统和服务器的选择，以及网络拓扑结构、网络布线和网络安全性保障等。

只有通过对新技术的深刻理解、对新产品的广泛关注以及对应用需求的准确把握，才能设计出一个合理的GIS网络。

3、GIS软件组成

主要由系统软件（操作系统、网络软件等）、数据库软件（如Oracal、Sybase、SQLServer等）、GIS软件平台（如Arc/Info、MapInfo等）、应用软件（GIS二次开发软件、GIS组件库等）组成。

层次结构如下图：

GIS软按应用目的可分为：

工具性软件和应用性软件。

工具性软件，也称为GIS工具软件或GIS平台，是由软件商开发的通用软件平台，基本包含了GIS软件全部的功能。

是GIS二次应用开发的基本平台。

应用性软件，主要是GIS应用者根据需要，根据某种GIS平台开发的专业应用软件。

三、GIS工具软件功能

GIS软件平台的功能主要由以下几个部分组成：

（1）数据输入模块。

将系统的外部原始数据（多种来源、多种形式的数据）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。

主要由手扶跟踪数字化的矢量跟踪数字化、扫描数字化的光栅扫描数字化、以及键盘输入等方式。

（2）图形与属性编辑模块。

数据输入完成后，对数据的分层、分类和编码、编辑、坐标转换、剪裁、接边、属性输入和属性联接等。

（3）数据存储与管理模块。

主要将地理要素（通常是点、线、面）的位置、空间拓扑关系和属性数据进行组织和管理。

包括对数据的无缝图层连接、分区、建立空间索引、设置数据访问机制等。

（4）数据分析与处理模块。

主要是对数据执行空间分析运算和预处理运算。

包括查询和提取等操作、栅格叠加分析和矢量叠加分析、空间聚类、路径分析、资源分配、地址匹配等基本空间操作功能。

（5）数据输出与表示模块。

主要是数据的专题制图输出、统计报表输出、方案选择、可视化表示等。

（6）用户接口模块。

主要提供用户界面、程序接口、数据接口和开发环境等。

四、GIS的功能

可以回答5个方面的问题：

（1）位置问题，在特定的位置有什么或是什么的问题

（2）条件问题，什么地方有满足某些条件的问题

（3）变化趋势问题，利用综合数据分析，识别已发生或正在发生的地理事件或现象。

（4）模式问题，分析已发生或正在发生事件的相关因素（原因）

（5）模型问题，需要数学模型支持的问题。

GIS应用模型的构建和选择也是系统应用成败至关重要的因素。

虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解决，必须通过构建专门的应用模型，例如土地利用适宜性模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型等。

这些应用模型是客观世界中相应系统经由观念世界到信息世界的映射，反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证，因此在GIS技术中占有十分重要的地位。

构建GIS应用模型，首先必须明确用GIS求解问题的基本流程；其次根据模型的研究对象和应用目的，确定模型的类别、相关的变量、参数和算法，构建模型逻辑结构框图；然后确定GIS空间操作项目和空间分析方法；最后是模型运行结果的验证、修改和输出。

显然，应用模型是GIS与相关专业连接的纽带，它的建立绝非是纯数学或技术性问题，而必须以坚实而广泛的专业知识和经验为基础，对相关问题的机理和过程进行深入的研究，并从各种因素中找出其因果关系和内在规律，有时还需要采用从定性到定量的综合集成法，这样才能构建出真正有效的GIS应用模型。

这样大量应用模型的研究、开发和应用，凝聚和验证了许多专家的经验知识，无疑也为GIS应用系统向专家系统的发展打下了基础。

五、GIS与其它系统的区别

（1）与MIS系统的区别管理信息内容的不同

（2）与制图系统的区别GIS强调数据的分析，制图系统强调数据的表达。

（3）与CAD的区别信息的分类和编码系统。

空间关系的重视。