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地理信息系统原理方法和应用.pdf

地理信息系统原理方法和应用.pdf

上传者: 阿克顿 2011-04-23 评分1 评论0 下载55 收藏10 阅读量954 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《地理信息系统原理方法和应用pdf》,可适用于专题技术领域,主题内容包含前言最近几年来地理信息系统无论是在理论上还是应用上都处在一个飞速发展的阶段。GIS被应用于多个领域的建模和决策支持如城市管理、区划、环境整治等等地理符等。

前言 最近几年来,地理信息系统无论是在理论上还是应用上都处在一个飞速发展的阶段。 GIS 被应用于多个领域的建模和决策支持,如城市管理、区划、环境整治等等,地理信息成 为信息时代重要的组成部分之一;“数字地球”概念的提出,更进一步推动了作为其技术支 撑的 GIS 的发展。与此同时,一些学者致力于相关的理论研究,如空间感知、空间数据误 差、空间关系的形式化等等。这恰好说明了地理信息系统作为应用技术和学科的两个方面, 并且这两个方面构成了相互促进的发展过程。 从应用的角度看,近几年 GIS 的发展主要体现在以下几个方面: 1:应用领域的扩大,如一些商业部门开始利用 GIS 进行客户研究;此外同遥感、GPS 的结合,为 GIS 开拓了更加广泛的应用空间,如汽车导航,环境监测等。 2:大量成熟的商业 GIS 平台出现,或已有的软件不断推出新的产品。 3:空间数据的建设越来越受到重视,基于空间数据基础设施的建设,开始了空间数据 共享和互操作的研究。 在这样的背景下,全国许多高校的地理系都开始了 GIS 专业人才的培养,以满足 GIS 发展的需求。北京大学城市与环境学系于 1999 年开始招收 GIS 专业本科生,这样,编写一 本全面的、能够反映 GIS 最新进展的教材就成为当务之急。所以,作者编写这本书。 在编写的过程中,考虑到 GIS 专业学生今后从事的工作可能包括以下几类: 1:GIS 理论的研究工作; 2:GIS 软件的开发; 3:GIS 项目组织管理; 4:应用 GIS 的其它领域。 因此,在设计本书的结构时兼顾了这些方面,依次介绍了 GIS 的基本理论、功能实现、 应用技术。本书共二十一章,分为五部分: 1:第一章,介绍了 GIS 的相关概念,信息、数据、信息系统,以及 GIS 的发展历史和 展望; 2:第二——五章,介绍了 GIS 的空间数据模型、参照系统和 GIS 中的数据,这几章组 成了 GIS 的理论基础; 3:第六——十一章,按照从空间数据录入、管理、分析、表现的过程讲述了 GIS 的基 本功能; 4:第十二——十九章,介绍了 GIS 应用技术的各个方面。 5:附录(两章),分别介绍了 GIS 的计算机基础和国内外的 GIS 工具软件,供阅读本 书时参考。 在编写中,每章前面的导读概括了本章的内容,说明了与其它章节的关系;正文中采用 灰底文字讲述了相关的知识,供阅读时参考。 本书作为教材而编写,但同时希望它能够对 GIS 开发人员、管理人员有所帮助。 本书由邬伦、刘瑜确定整体结构,主要编写人员有刘瑜、张晶、马修军、韦中亚、田原 等。各章主笔分工为:第一——五章,第七章,第十一章:张晶;第八、九、十章:马修军; 第六章和附录一:韦中亚;第十二章——第十九章,附录二:刘瑜。最终本书由刘瑜、邬伦 统稿,邬伦定稿。 本书的完成,是北京大学城市与环境学系 GIS 教研室的多年工作的结晶,教研室人员 的工作,包括 Citystar 软件的开发以及相关的科研工作,都为本书提供了极好的“原料”。 教研室中,下列人员参加了书稿的讨论以及部分文字整理工作:叶燕林,张金海,刘岳峰, 林报嘉,唐大仕,高勇,张毅,王永乾,周贵云,苏元峰,刘玉玲,赵建伟,刘述,赵伟。 本书的完成,得到了许多老师和同行的关怀和支持。德高望重的陈述彭院士于百忙之中 为本书作序;何建邦教授、承继成教授、谢昆青博士、任伏虎博士、张世琨博士为本书提出 了许多有益的建议和修改意见;山西大学马义娟,江西省气象局曹华盖、文海龙也参加了部 分工作,在此表示衷心的感谢。 地理信息系统一门实用性很强的学科,必须更多地动手实践,才能更好地理解其中的一 些概念,因此与本书配套,作者还将继续编写地理信息系统实习教材,并开发相应的实习软 件。 由于作者水平和时间所限,书中错误在所难免,希望读者不吝指正。 作者 2000/9/1 序 国务院学位委员会决定:新生的地理信息系统与古老的地图学并列为理科专业。在科学 出版社新版的《北京大学地理教学丛书》中,邬伦教授等主编的《地理信息系统——原理、 方法和应用》又列为其中系列教材之一,同时也作为大学本科、研究生及自学考研的参考书。 它的出版,标志着地理信息系统作为大学理科专业已经到了科技界、教育界的认同——它既 是应用领域广泛的工程技术;又是跨越信息科学、地球科学和空间科学的应用基础科学。这 是科教兴国战略与教育深化改革的又一崭新的亮点。我感到非常欣慰,并表示热烈的祝贺! 随着全球化、网络化和知识经济蓬勃发展的新世纪的到来,我国地理信息系统正迅猛地 由实验室走向产业化和社会化。由设备引进、技术克隆迈上自主开发、数据挖掘与知识创新 的新台阶。随着加入世界贸易组织(WTO),在互联网服务领域(ISP)、信息服务领域(ICP)、 以在用服务领域(ASP),都需要大量地理信息系统(GIS)人才,特别是管理科学结合的管 理地理信息系统(MGIS)人才。 我国地理信息系统起步稍晚。20 世纪末,互联网的普及还远远低于世界平均水平。计 算机软、硬件人员在信息产业中所占比例低于 15%。虽然已有 74%的重点企业建立了网站 主页,但大部分还没有建立防火墙设施,安全审计、监测和自动恢复系统。在国家重点企业 中,采用的服务器惠普、IBM 各占 35%以上,UPS 山特独占 69%,路由器 CISCO 占 70%以 上,交换机 3COM 占 42%,操作系统 WINDOW 占 51%,办公软件 OFFICE 占 83.3%(据 国家经贸委经济信息中心调查)。在迎接全球化、网络化新机遇的同时,我国信息化所面临 的挑战也是十分严峻的,任重而道远,关键在于素质教育与科技人才的培养。我国联想生产 的 PC 机占有国内市场的 55%,北京大学的方正系统、Citystar 系统和其他院校开发的软件 已享有盛誉,其中地理信息系统中自主开发的软件已占有国内市场 25%左右,是非常良好 的开端,但在发达国家中,信息产业对国民经济增长贡献率和就业动力所占社会劳动力都已 超过 50%,我们的成就还只能算是万里长征的第一步。 近年出版了一系列地理信息系统教材,其中有些侧重于科学原理阐明,有些侧重于专业 部门的应用。邬伦博士以其深厚的地学造诣与计算机软件开发的丰富实践,融汇贯通化为一 体,又着眼于公共课程的广大性与大学本科的基础性,旁征博引,求实创新,图文并茂,深 入浅出,推出这部迎接新世纪空间时代和信息社会的好教材,是非常难能可贵的。我是非常 乐意向读者们郑重推荐的。 陈述彭 2000 年 10 月 12 日 《地理信息系统原理、方法和应用》书稿评审意见 关于地理信息系统的书籍、至少已经出版了数十本之多,但是由北京大学邬伦教授最近 编写的《地理信息系统原理、方法和应用》书稿具有与众不同的特点,读完之后,使人有新 鲜的感觉,该书的主要优点是:不仅正确而又精练地介绍了地理信息系统的基本内容,而且 又把本学科的最新概念,最新成果和动态趋势作了全面、系统的介绍,如从现实世界到比特 世界(第二章),35 集成技术(第十二章),网络地理信息系统(第十三章),地理信息系统 应用项目组织和管理(第十五章),地理信息系统软件工程技术(第十六章),地理信息系统 标准(第十七章),地理信息系统和社会(第十八章),地球信息科学与数字地球(第十七章), 地理信息系统和社会(第十八章),地球信息科学与数字地球(第十九章)和 GIS 的计算基 础(第二十章)等,不仅是必要的,而且也是合适的。 本书的另一个特点是它的结构合理,逻辑性强,文笔通顺,图文并茂,深入浅出,可读 性好。 该书不仅适合作大专院校的教材以及补充读物,也适合给工程技术人员,科研工作者和 其他专业人员作为参考书用,是一本很好的介绍地理信息系统的著作。 建议及早将它出版,与广大读者见面,估计定能受到欢迎好评。 北京大学遥感与 GIS 研究所教授、博导 国际欧亚科学院院士 承继成 2000 年 9 月 24 日 概论 1. GIS的定义,GIS是什么或者不是什么 2. 数据、信息、信息系统 3. GIS的发展历史 4. GIS功能概述(A Overview) 5. GIS和其他学科的关系 概述 AM/FM LIS 6. GIS发展展望 空间信息和空间数据 1. 现实世界到比特世界 2. 空间数据模型 要素模型 场模型 网络结构 时间 三维 3. 空间参照系 空间参照系 地图投影 4. GIS中的数据 数据类型 数据涵义 数据质量 元数据 GIS的功能 1. 计算机基础 硬件 数据库 算法和数据结构 面向对象技术 2. 空间数据获取 数字化 数据规范处理 3. 空间数据管理 栅格数据 矢量数据 矢量-栅格转换 空间索引技术 空间查询和检索 4. 空间分析 空间关系检测 空间度量 空间切分 网络分析 Buffer Overlay 5. 空间分析(二) 实例 资源配置模型 知识挖掘 决策支持模型 时间序列模型 6. DEM DEM和DTM 插值 DEM应用 7. 空间数据表现 符号 专题信息表现 地图设计 空间信息可视化 制图综合 GIS应用(Applications) 1. GIS应用举例 城市规划 城镇管理 电力 交通 环境 农业 林业 地质地貌 气象 2. GIS平台介绍 ARC/INFO MapInfo Intergraph 国产GIS 3. 3S集成 RS介绍 GPS介绍 3S集成应用 4. GIS项目以及项目组织 GIS项目类型(按照目的,规模进行分类) 资金 人员 数据 进度控制 5. GIS软件工程 基础软件开发 应用系统开发 质量控制质量标准 6. 网络GIS 计算机网络技术 分布式空间数据管理 WebGIS 7. GIS的标准化 8. GIS与社会 走出学院的GIS 社会对GIS发展的影响 GIS与社会,另外几个问题 教育 产业 版权 9. 数字地球 如果说地图是地理学的第二代语言,那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。 陈述彭 简单的说,地理信息系统是回答如下问题的信息系统——“哪里”。 Henry Tom 第一章 地理信息系统概论 导读:本章介绍了地理信息系统的一些最基本的、但又是非常重要的概念,包括信息、数据、信 息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念,如空间信息和空间数据,还将得到进 一步的阐述,实际上,空间数据也是本书中描述 GIS功能的核心。 GIS既是一项技术,也是一门学科,本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学科,如地理学、 地图学、遥感等的关系。 本章同时介绍了 GIS 的组成、分类、功能、发展历史和展望,这些将在后面的章节中更为详尽地 被描述。 1.地理信息系统的基本概念 1. 1 信息、数据、地理数据与地理信息 1.1.1 信息(Information) 1)信息的含义 信息是近代科学的一个专门术语,已广泛地应用于社会各个领域。狭义信息论将信息定义为“两次不 定性之差”,即指人们获得信息前后对事物认识的差别;广义信息论认为,信息是指主体(人、生物或机 器)与外部客体(环境、其他人、生物或机器)之间相互联系的一种形式,是主体和客体之间的一切有用 的消息或知识,是表征事物特征的一种普遍形式。本书采用的定义为:信息是向人们或机器提供关于现实 世界新的事实的知识,是数据、消息中所包含的意义,它不随载体物理设备形式的改变而改变。 2)信息的特点 信息具有以下特点: 客观性:任何信息都是与客观事实紧密相关的,这是信息正确性和精确度的保证; 实用性:信息对决策是十分重要的,信息系统将地理空间的巨大数据流收集、组织和管理起来, 经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息; 传输性:信息可以在信息发送者和接受者之间传输,既包括系统把有用信息送至终端设备(包括 远程终端)和以一定的形式或格式提供给有关用户,也包括信息在系统内各个子系统之间的流转和交换, 如网络传输技术; 共享性:信息与实物不同,信息可以传输给多个用户,为多个用户共享,而其本身并无损失。信 息的这些特点,使信息成为当代社会发展的一项重要资源。 1.1.2 数据 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。如数字“1”。信息可以离开信 息系统而独立存在,也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在;而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。 信息与数据是不可分离的。信息由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。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。虽然日常生活中数据和信息概念分得不是很清,但它们有着不同的含义。可 以把数据比作原材料,而信息是对原材料处理的结果。如同一个木匠,在一些工具的帮助下,可以把木材 做成有用的家具。同样,计算机专业人员应用计算机的硬件和软件把原始数据转换成信息。这种转换过程 可用图 1-1 说明。 图 1-1:数据和信息 数据包含原始事实,信息是把数据处理成有意义的和有用的形式。例如,每个学生所得分数对教师来 说是原始数据,而把这些数据进行汇总并计算每班平均得分,教师根据平均分判断班级总体情况,这些结 果对教师来说就是信息。与数据相比,信息具有以下特征:数据是原始事实,信息是数据处理的结果;对 一个人是信息对其他人可能是数据;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,与人的知识水平有关*。 1.1.3 地理信息和地理数据 地理数据 是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、 文字、图像和图形等的总称。地理信息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, 它是对地理数据的解释。在地理信息中,其位置是通过数据进行标识的,这是地理信息区别于其它类型信 息的最显著的标志。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性: 1)区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识; 2)多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构; * 以上述的制作桌子的例子说明,同样的木材(数据),由于使用工具不同和制作者水平的高低,制作的桌子(信息)也不 同。 3)地理信息的时序特征十分明显,可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的(如台风、地震)、短 期的(如江河洪水、秋季低温)、中期的(如土地利用、作物估产)、长期的(如城市化、水土流失)、超 长期的(如地壳变动、气候变化)等。 地理数据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、属性特征及时态特征三部分。 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,如空间上的距离、邻接、重叠、包含等;属性数据又称为非空间数据,是属于 一定地物、描述其特征的定性或定量指标,即描述了信息的非空间组成部分,包括语义与统计数据等;时 态特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段,时态数据对环境模拟分析非常重要,越来越受到 地理信息系统学界的重视。从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展,反映了人类认识的一 个巨大飞跃。 1.2 信息系统(Information System)及其类型 系统(System)是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计算机而言,系 统是为实现某些特定的功能,由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关系联系起来进行工作的集合 体,内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及其相互之间的联系方式所 决定。 1.2.1 信息系统 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统,它能够为单一的或有组织的决策过程 提供有用的信息。在计算机时代,信息系统都部分或全部由计算机系统支持,人们常常使用计算机收集数 据并将数据处理成信息,计算机的使用导致了一场信息革命,目前,计算机已经渗透到各个领域。一个基 于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。 1)计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备,它帮助人们在非常短的时间内处理大量数据、存储 信息和快速获得帮助; 2)软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统,它接受有效数 据,并正确地处理数据;在一定的时间内提供适用的、正确的信息;并存储信息为将来所用; 3)数据是系统分析与处理的对象,构成系统的应用基础; 4)用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的,在系统中总是包含一些人的 复杂因素,人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统,建立信息系统也需要人的参与。 在基于计算机的信息系统中,处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系(图 1-2)。 图 1-2:信息系统的组成 1.2.2 信息系统的类型 信息的需要完全取决于管理的层次,设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需要,这种系统 是很复杂的,因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预知的。在组织中将信息系统 分成三个管理层次:操作层(底层)、战术层(中间层)和战略层(顶层)。操作层包括的人员如会计师、 销售人员和商店监理,他们执行日常工作和上级管理所做的计划;战术层包括组织中的高级管理人员和参 与最高管理的中层管理人员;而管理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题,大多数 组织建立不同类型的系统来满足他们的需要,见信息系统类型图(图 1-3): 分析模型 专家系统决策支持系统 外部信息 附加事实 规则 事务处理系统 管理信息系统内部信息 图 1-3:信息系统的类型 1)事物处理系统(Transaction Process System ,TPS)主要用以支持操作层人员的日常活动。它主 要负责处理日常事务。 2)管理信息系统(Management Information System ,MIS)需要包含组织中的事务处理系统,并提 供了内部综合形式的数据,以及外部组织的一般范围和大范围的数据。许多战术层提供的信息能按照该层 管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。但是,为战术层管理者提供的另外一部分信息和大多数为 战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑 战。 3)决策支持系统(Decision Support System ,DSS)能从管理信息系统中获得信息,帮助管理者制 定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序,用以支持管理者制定决策。它是基于计算机 的交互式的信息系统,由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决策 效果。 4)人工智能和专家系统 专家系统(Expert System ,ES)是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的 信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围,使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。MIS 能 提供信息帮助制定决策,DSS 能帮助改善决策的质量,只有专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策 理由。专家系统由五个部分组成:知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获得系统。 2.地理信息系统及其类型 2.1 地理信息系统 地理信息系统(Geographical Information System,GIS)是一种决策支持系统,它具有信息系统的各种 特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的,地理位置及 与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中,现实世界被表达成一系列的 地理要素和地理现象,这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面,地理信息系统是一门学科*,是描述、存储、分析 和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科;另一方面,地理信息系统是一个技术系统,是以地 理空间数据库(Geospatial Database)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。 地理信息系统具有以下三个方面的特征: 第一,具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力,具有空间性和动态性; 第二,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; 第三,计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合 地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 地理信息系统的外观,表现为计算机软硬件系统;其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地 理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时,他所面对的数据不再是毫无意义的, 而是把客观世界抽象为模型化的空间数据,用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内 容,取得自然过程的分析和预测的信息,用于管理和决策,这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、 高度信息化的地理系统,从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟,信息的流动以及信息流 动的结果,完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理 系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征,也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果,取 得地理预测或“实验”的结果,选择优化方案,用于管理与决策。 地理信息系统和 4M 对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言,他们观察并量测(Measure) 环境参数,并制作地图(Map)描述了地球的特征;他们监测(Monitor)周围环境的变化,对影响环境的 过程和活动建立模型(Model)。这四项活动(4M),通过应用 GIS 技术,都可以得到改善和提高。 2.2 地理信息系统的类型 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(Thematic GIS),是具有有限目标和专业特点的地理信息系统,为特定的专门 目的服务。例如,森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系 统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。 2)区域信息系统(Regional GIS),主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标,可以有不同的规 模,如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统;也可以按自然 分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。许 多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统,如北京市水土流失信息系统、海南岛 土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。 3)地理信息系统工具或地理信息系统外壳(GIS Tools),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。它们或者是专门设计研制的,或者在完 成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的,具有对计算机硬件适应性 强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统,也可以用作 GIS 教学软件。 在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统,不仅可以节省软件开发的人力、物 力、财力,缩短系统建立周期,提高系统技术水平,而且使地理信息系统技术易于推广,并使广大地学工 作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。 * 在“地球信息系统和数字地球”一章中提到的“地理信息科学”更加强调学科特性,与之对应,GIS则作为应用技术。 2.3 地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似,一个完整的 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、 地理数据(或空间数据)和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统(软件和硬件),空间数据反映 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。系统构成如图 1-4 所示。 图 1-4:地理信息系统的构成 2.3.1 计算机硬件系统 计算机硬件系统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。构 成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器(包括主存储器、辅助存储器硬 件*)等,这些硬件组件协同工作,向计算机系统提供必要的信息,使其完成任务;保存数据以备现在或将 来使用;将处理得到的结果或信息提供给用户。图 1-5 表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。 * 通常又称为内存和外存。 GIS 专用外设设备 计算机 屏幕 键盘 鼠标器 标准的计算机外围设备 网络 数字化仪 解析测图仪 遥感图像 处理系统 测绘仪器扫描仪 硬盘 磁带机 打印机 绘图仪 图 1-5:计算机标准外设和 GIS 使用的外设 3.3.2 计算机软件系统 计算机软件系统是指必需的各种程序。对于 GIS 应用而言,通常包括: 1)计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户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持软件 包括通用的 GIS 软件包,也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD 等,用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。GIS 软件包功能结构见图 1-6。 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 GIS 工具支持下,应用程序的开发应是透明的和动态的,与系统的物理存储结构无关, 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应用性优劣和成败。 用户接口 数据输出与表示 数据输入与校验 应用分析程序 空间分析函数转换 数据存储管理 图 1-6:地理信息系统软件的功能框架 2.3.3 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。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、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。对于合格的系统设计、运行和使 用来说,地理信息系统专业人员是地理信息系统应用的关键,而强有力的组织是系统运行的保障。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。 2.3.4 空间数据* 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据,可以是图形、图像、文字、表格 和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通讯输入 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。在 GIS 中,空间数据主要包括: 1)某个已知坐标系中的位置 即几何坐标,标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置,如经纬度、平面直角坐标、 极坐标等,采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。 2)实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括:度量关系,如两个地物之间的距离远近;延伸关系(或方位关系),定 义了两个地物之间的方位;拓扑关系,定义了地物之间连通、邻接等关系,是 GIS 分析中最基本的关系, 其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系(图 1-7-a),边界线与面实体间的构成关系(图 1-7-b),面 实体与岛或内部点的包含关系(图 1-7-c)等。 图 1-7:几种典型的拓扑关系 3)与几何位置无关的属性 即通常所说的非几何属性或简称属性,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;定性描述的属性如土壤种类、行政区 划等,定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。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。 对地理信息系统的三种观点[Maguire,1991] 对于 GIS 的定义,有三种观点,即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义侧重于制图有关 的内容,因此 GIS 被视为一个地图分析与处理系统;数据库观点的 GIS 定义则侧重于数据库设计与实现的 完美性,一个复杂的数据库管理系统被视为 GIS 不可分割的一部分;持空间分析观点的定义侧重于分析和 * 在下文中,将不再区分“地理数据”和“空间数据”,它们都作为同一概念。 建模,GIS 被视为一门空间信息科学而不仅是一门技术。 3.地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容:位置、条件、变化趋势、模式和模型。 1)位置(Locations) 即在某个特定的位置有什么。 首先,必须定义某个物体或地区信息的具体位置,常用的定义方法有:通过各种交互手段确定位置, 或者直接输入一个坐标;其次,指定了目标或区域的位置后,可以获得预期的结果以及其所有或部分特性, 例如当前地块所有者、地址、土地利用情况、估价等。 2)条件(Conditions) 即什么地方有满足某些条件的东西。 首先,可以用下列方式指定一组条件,如从预定义的可选项中进行选取;填写逻辑表达式;在终端上 交互地填写表格。 其次,指定条件后,可以获得满足指定条件的所有对象的列表,如在屏幕上以高亮度显示满足指定条 件的所有特征,例如,其所位于的土地类型为居民区、估价低于 200,000 美元、有四个卧室而且是木制的 的房屋。 3)变化趋势(Trends) 该类问题需要综合现有数据,以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 首先,确定趋势,当然趋势的确定并不能保证每次都正确,一旦掌握了一个特定的数据集,要确定趋 势可能要依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道等。 其次,针对该趋势,可通过对数据的分析,对该趋势加以确认或否定。地理信息系统可使用户快速获 得定量数据以及说明该趋势的附图等。例如,通过 GIS,可以识别该趋势的特性:有多少柑桔地块转作它 用?现在作为何用?某一区域中有多少发生了这种变化?这种变化可回溯多少年?哪个时间段能最好反 映该趋势?1 年、5 年还是 10 年?变化率是增加了还是减少了? 4)模式(Patterns) 该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。地理信息系统将现有数据组合在一起,能更 好地说明正在发生什么,找出发生事件与哪些数据有关。 首先,确定模式,模式的确定通常需要长期的观察、熟悉现有数据、了解数据间的潜在关系。 其次,模式确定后,可获得一份报告,说明该事件发生在何时何地、显示事件发生的系列图件。例如, 机动车辆事故常常符合特定模式,该模式(即事故)发生在何处?发生地点与时间有关吗?是不是在某种 特定的交叉处?在这些交叉处又具有什么条件? 5)模型(Models) 该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。 首先,建立模型,如选择标准、检验方法等。 其次,建立了一个或多个模型后,能产生满足特定的所有特征的列表,并着重显示被选择特征的地图, 而且提供一个有关所选择的特征详细描述的报表。例如要兴建一个儿童书店,用来选址的评价指标可能包 括 10、15、20 分钟可到达的空间区域。附近居住的 10 岁或 10 岁以下的儿童的人数、附近家庭的收入情 况、周围潜在竞争的情况。 为了完成上述的地理信息系统的核心任务,需要采用不同的功能来实现它们。尽管目前商用 GIS 软件 包的优缺点是不同的,而且它们在实现这些功能所采用的技术也是不一样的,但是大多数商用 GIS 软件包 都提供了如下功能:数据的获取(Data Acquisition)、数据的初步处理(Preliminary data Processing)、数据 的存储及检索(Storage and Retrieval)、数据的查询与分析(Search and Analysis)、图形的显示与交互(Display and Interaction)。 图 1-8 说明了这些功能之间的关系,以及它们操作(Manipulation)数据的不同表现。 从图 1-8 中可以看出,数据获取是从现实世界的观测、以及从现存文件、地图中获取数据。有些数据 已经是数字化的形式,但是往往需要进行数据预处理,将原始数据转换为结构化的数据,以使其能够被系 统查询和分析。查询分析是求取数据的子集或对其进行转换,并交互现实结果。在整个处理过程中,都需 要数据存储检索以及交互表现的支持,换言之,这两项功能贯穿了地理信息系统数据处理的始终。 制图 结构化数据 交互展示 原始数据 观察的的现象、 文件与地图 存储与 检索 数据预处理 查询与分析 展示与 交互 数据获取 数据库 图 1-8:GIS 功能概述(椭圆)以及它们的表现(矩形) 空间信息处理和分析的六个组成部分[丁跃民] 1)空间操作,如地图的并、交、差运算,缓冲区计算,选择等等; 2)空间统计分析,用于描述和分析空间数据的关系,如空间自相关分析; 3)空间模型,注重于空间现象、空间结构、空间关系和空间位置的分析,如网络分析和水系生成等 等; 4)空间表现/可视化,侧重于表达空间信息; 5)空间数据库管理,包括空间数据库设计,空间数据结构,空间数据管理和空间查询。 6)空间模型库管理,包括为空间决策支持系统提供模型的管理等等。 3.1 数据采集、监测与编辑 主要用于获取数据,保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与 正确性等。一般而论,地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的 70%或更多,并且这种比例在近 期内不会有明显的改变。因此,信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。目前可用 于地理信息系统数据采集的方法与技术很多,有些仅用于地理信息系统,如手扶跟踪数字化仪;目前,自 动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。扫描技术的应用与改进,实现扫描数据的自动化编辑与处 理仍是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键。 3.2 数据处理 初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。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、需要大量计算量的工作,应尽可能避免;数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的 变化等。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 到数据比例尺缩放、平移、旋转等方面,其中最为重要的是投影变换;制图综合(Generalization)包括数 据平滑、特征集结等。目前地理信息系统所提供的数据概括功能极弱,与地图综合的要求还有很大差距, 需要进一步发展。 3.3 数据存储与组织 这是建立地理信息系统数据库的关键步骤,涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型 或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行 的数据与分析的功能;在地理数据组织与管理中,最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。 目前大多数系统都是将二者分开存储,通过公共项(一般定义为地物标识码)来连接。这种组织方式的缺 点是数据的定义与数据操作相分离,无法有效记录地物在时间域上的变化属性。 3.4 空间查询与分析 空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能;而空间 分析是地理信息系统的核心功能,也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别,模型分析是在地理信 息系统支持下,分析和解决现实世界中与空间相关的问题,它是地理信息系统应用深化的重要标志。地理 信息系统的空间分析可分为三个不同的层次。 3.4.1 空间检索 包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关 键技术,如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息,将影响地理信息系统的分析能力; 另一方面,空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分。 3.4.2 空间拓扑叠加分析 空间拓扑叠加实现了输入要素属性的合并(Union)以及要素属性在空间上的连接(Join)。空间拓扑叠 加本质是空间意义上的布尔运算。 3.4.3 空间模型分析 在空间模型分析方面,目前多数研究工作着重于如何将地理信息系统与空间模型分析相结合。其研究 可分三类: 第一类是地理信息系统外部的空间模型分析,将地理信息系统当作一个通用的空间数据库,而空间模 型分析功能则借助于其它软件; 第二类是地理信息系统内部的空间模型分析,试图利用地理信息系统软件来提供空间分析模块以及发 展适用于问题解决模型的宏语言,这种方法一般基于空间分析的复杂性与多样性,易于理解和应用,但由 于地理信息系统软件所能提供空间分析功能极为有限,这种紧密结合的空间模型分析方法在实际地理信息 系统的设计中较少使用; 第三类是混合型的空间模型分析,其宗旨在于尽可能地利用地理信息系统所提供的功能,同时也充分 发挥地理信息系统使用者的能动性。 3.5 图形与交互显示 地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具,其形式既可以是计算机屏幕显示,也可以 是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件,尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信 息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境,以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的 地图。 4.地理信息系统的研究内容 4.1 研究内容 地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生,地理信息系统的应用使技术系统不断完善, 并逐渐发展了地理信息系统的理论;理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统,并不断拓宽其应用领 域,加深应用的深度;地理信息系统的应用,又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。这三个方面的 研究内容是相互联系相互促进的。地理信息系统研究的内容主要有以下三个方面,见图 1-9 所示。 地理信息系统工具 应用方法 技术系统 基本理论 地理信息系统 用户界面等 空间数据管理 概念、定义、内涵 理论体系构成、特点、功能、任务 发展历史与发展方向 硬件配置 数据结构 地学专家系统 专题分析模型 输入、输出系统 应用系统设计 数据采集与校验 图 1-9:地理信息系统内容体系 4.1.1 地理信息系统基本理论研究 包括研究地理信息系统的概念、定义和内涵;地理信息系统的信息论研究;建立地理信息系统的理论 体系;研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务;总结地理信息系统的发展历史,探讨地理信息系统 发展方向等理论问题。 4.1.2 地理信息系统技术系统设计 包括地理信息系统硬件设计与配置;地理空间数据结构及表示;输入与输出系统;空间数据库管理系 统;用户界面与用户工具设计;地理信息系统工具软件研制;微机地理信息系统的开发;网络地理信息系 统的研制等。 4.1.3 地理信息系统应用方法研究 包括应用系统设计和实现方法;数据采集与校验;空间分析函数与专题分析模型;地理信息系统与遥 感技术结合方法;地学专家系统研究等。 总之,地理信息系统的内容主要包括:有关的计算机软/硬件;空间数据的获取及计算机输入;空间数 据模型及数字表达;数据的数据库存储及处理;数据的共享、分析与应用;数据的显示与视觉化;地理信 息系统的网络化等等。 4.2 地理信息系统相关学科 地理信息系统,是六十年代开始迅速发展起来的地理学研究的新技术,是多种学科交叉的产物。作为 传统科学与现代技术相结合的产物,地理信息系统为各种涉及空间数据分析的学科提供了新的方法,而这 些学科的发展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。为了更好地掌握并深刻地理解地 理信息系统,有必要认识和理解与地理信息系统相关的学科。 地理学是一门研究人类生活空间的学科,地理学研究空间分析的传统历史悠久,它为 GIS 提供了一些 空间分析的方法与观点,成为 GIS 部分理论的依托。地理学的许多分支学科,如地图学、大地测量学等都 与 GIS 有着密切的相依关系。另一方面,地理信息系统也以一种新的思想和新的技术手段解决地理学的问 题,使地理学研究的数学传统得到充分发挥。地理信息系统的相关学科见图 1-10。 地理学 计算机科学 软件工程 数据库技术 CAD 专家系统计算机图形学 制图技术 遥感技术GIS 图 1-10:地理信息系统相关学科 4.2.1 地理学 地理学是一门研究人类赖以生存的空间的科学。在地理学研究中,空间分析的理论和方法具有悠久的 历史,它为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法,成为地理信息系统的基础理论依托。而 地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段,并使地理学研究的数学传统得到了充分 地发挥。 地理系统的内部及其外界,不仅存在着物质和能量的交流,还存在着信息流,这种信息交流使得系统 许多似不相关的形态各异的要素联系起来,共同作用于地理系统。而地理信息系统体现着一种信息联系, 由系统建立者输入,而由机器存储的各种影像、地图和图表都包含了丰富的地理空间信息的数据,通过指 针或索引等组织信息相关联;系统软件对空间数据编码解码和处理;用户对 GIS 发出指令,GIS 按约定的 方式做出解释后,获得用户指令信息,调用系统内的数据提取相应的信息,从而对用户做出反应,这是信 息按一定方式流动的过程。 由此可见,地理信息系统不仅要以信息的形式表达自然界实体之间物质与能量的流动,更为重要的是 以最直接的方式反映了自然界的信息联系,并可以快速模拟这种联系发展的结果,达到地理预测的目的。 总之,自然界与人类存在着深刻的信息联系,地理学家所面对的是一个形体的、即自然的地理世界, 而感受到的却是一个地理信息世界。地理研究实际上是基于这个与真实世界并存而且在信息意义上等价的 信息世界的,GIS 以地理信息世界表达地理现实世界,可以真实、快速地模拟各种自然的过程和思维的过 程,对地理研究和预测具有十分重要的作用。 4.2.2 地图学 地图是记录地理信息的一种图形语言形式,从历史发展的角度来看,地理信息系统脱胎于地图,地图 学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。GIS 是地图信息的又一种新的载体形式,它具有存 储、分析、显示和传输空间信息的功能,尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一 系列方法,为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持;同时,地图仍是目前地理信息系统的重要数 据来源之一。但二者又有本质之区别:地图强调的是数据分析、符号化与显示,而地理信息系统更注重于 信息分析。 地图是认识和分析研究客观世界的常用手段,尽管地图的表现形式发生了种种变化,但是依然可以认 为构成地图的主要因素有三:地图图形、数学要素和辅助要素。地图图形是用地图符号所表示的制图区域 内,各种自然和社会经济现象的分布、联系以及时间变化等的内容部分(又称地理要素),如江河山地、 平原、土质植被、居民点、道路、行政界限或其他专题内容等,这是地图构成要素中的主体部分。数学要 素是决定图形分布位置和几何精度的数学基础,是地图的“骨架”。其中包括地图投影及坐标网、比例尺、 大地控制点等。地图投影是用数学方法将地球椭球面上的图形转绘到平面上;坐标网是各种地图的数学基 础,是地图上不可缺少的要素;比例尺表示坐标网和地图图形的缩小程度;大地控制点是保证将地球的自 然表面转绘到椭球面上,再转绘到平面直角坐标网内时,具有精确的地理位置。辅助要素是为了便于读图 与用图而设置的。如图例就是显示地图内容的各种符号的说明,还有图名、地图编制和出版单位、编图时 间和所用编图资料的情况、出版年月等。有的地图上还有补充资料,用以补充和丰富地图的内容。如在图 边或图廓内空白处,绘制一些补充地图或剖面图、统计图等。有时还有一些表格或某一方面的重点文字说 明。 从地理信息系统的发展过程可以看出,地理信息系统的产生、发展与制图系统存在着密切的联系,两 者的相通之处是基于空间数据库的表达、显示和处理。从系统构成与功能上看,一个地理信息系统具有机 助制图系统的所有组成和功能,并且地理信息系统还有数据处理的功能。地图是一种图解图像,是根据地 理思想对现实世界进行科学抽象和符号表示的一种地理模型,是地理思维的产物,也是实体世界地理信息 的高效载体,地图可以从不同方面、不同专题,系统地记录和传输实体世界历史的、现在的和规划预测的 地理景观信息。 4.2.3 计算机科学 地理信息系统技术的创立和发展是与地理空间信息的表达、处理、分析和应用手段的不断发展分不开 的。二十世纪六十年代初,在计算机图

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