第一章 地理信息系统基础

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第1章 地理信息系统基础

• 信息def
  • 信息是现实世界在人们头脑中的反映。人们用数字、文字、符号、语言、图形、影像、声音等把它记录下来，进行交流、传递或处理。信息向人们提供关于现实世界各种事实的知识，是客观事物的存在及演变情况的反映。
• 数据def
  • 是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象，在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。
• 空间数据def
  • 空间数据是以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。
• 地图def
  • 地图是表达客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型，是反映地理实体的图形，是对地理实体的简化和再现。
• 地理信息def
  • 地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。
  • 地理信息拥有两个显著的特征
    • 地理信息属于空间信息，其数据与位置的识别联系在一起，这是地理信息区别于其他类型的最显著的特征。
    • 地理信息还具有多维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构。
• 地理信息系统def
  • 地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。
• 国内外GIS发展过程
• 地球信息科学
  • def
    • 地球信息科学是研究地球表层信息流的科学，或研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流的科学。
  • 与GIS的关系
    • 地理信息系统（GIS）与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）等高新技术是进行研究地球信息科学的主要技术手段。即，地球信息科学的研究手段是由GIS、RS和GPS所构成的“3S”技术对地面进行立体观测的系统。
• 地理信息系统类型
  • WebGIS
    • 利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术。由于HTTP协议采用基于C/S的请求/应答机制，具有较强的用户交互能力，可以传输并在浏览器上显示多媒体数据，而GIS中的信息主要是需要以图形、图像方式表现的空间数据，用户通过交互操作，对空间数据进行查询分析。这些特点，就使得人们完全可以利用Web来寻找他们所需要的空间数据，并且进行各种操作。
  • 三维GIS
    • 将空间目标通过X、Y、Z三个独立的坐标轴进行定义的GIS称为三维地理信息系统。与二维GIS相比，三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受。它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能描述它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。
  • 时态GIS
    • 时态GIS是能够提供完善的时序分析功能，高效地回答与时间相关的各类问题，在时间和空间两方面全面处理的地理信息系统。
• 国内外几种GIS软件
  • 国外
    • 美国ESRI公司的Arcgis，Map Info公司的Map Info，加拿大阿波罗科技集团的Ttian GIS等
  • 国内
    • 中国地质大学的MapGIS，北京超图公司的SuperMap，北京大学的Citystar，武汉大学的Geostar等
  • ArcGIS具有强大的矢量化数据处理平台，操作简单，适合批量处理、属性查询、空间分析等操作，ArcGIS除了常用的二维操作之外，在三维数据创建、管理与显示等方面也具有大幅度提升，此外ArcGIS在支持云GIS、时间GIS的同时，还追求GIS-RS一体化。
  • MapGIS是我国具有自主知识产权的国土GIS软件，可以实现数据输入、数据编辑、数据转换、空间分析等功能。现已推出MapGIS10，提高了对海量数据的浏览和查询速度，可以满足用户长时间并发访问的要求，除此之外，MapGIS10可对三维模型进行快速建立和一体化管理，并可对三维数据进行综合可视化和融合分析。在二次开发方面，MapGIS实现了云管理平台，采用模块化集成，可以快速实现组件式、嵌入式以及网络应用型GIS，大幅度提升了开发效率。
• 地理信息系统与一般事务数据库的关系
  • GIS离不开数据库技术。数据库技术主要是通过属性来管理和检索，其优点是存储和管理有效，查询和检索方便，但数据表示不直观，不能描述图形拓扑关系，一般没有空间概念，即使存贮了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询。GIS能处理空间数据，其工作过程主要是处理空间实体的位置、空间关系及空间实体的属性。
  • GIS还具有丰富的空间分析功能，可以解决各种空间问题，以支持各种决策。一般数据库不具有这样的功能。
  • GIS具有丰富的空间信息展示与表达方法，而一般数据库对于数据一般只能进行简单的表格展示。
• 地理信息系统组成
  • 地理信息系统主要由五个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据、应用分析模型、系统开发管理和使用人员五个部分。
  • 计算机硬件系统
    • 主要包括单机模式、局域网模式、广域网模式
    • 单机模式中的简单性配置只需要高档微机加上一台打印机即可运行；基本型配置除了高档微机和打印机外，需要配置数字化仪、扫描仪、光盘刻录机、移动硬盘以及绘图仪等。
    • 局域网模式是指较小区域范围建立计算机网络，其通信距离较短，传输效率较低，误码率低。
    • 广域网模式可将分布在几十千米以外的GIS用户通过网络系统连接起来，其主要特点是物理位置分散、信息量大、网络安全要求高。
  • 计算机软件系统
    • 主要包括计算机系统软件、地理信息系统软件和数据库软件三部分
    • 计算机系统软件是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
    • 地理信息系统软件应包括五类基本模块：数据输入和校验、数据存储和管理、数据变换、数据输出和表示、用户接口等。
      • 数据输入和校验
        • 包括能将测量数据、地图数据、遥感数据、统计数据和文字报告转换成计算机兼容的数字形式的各种转换软件。
      • 数据存储与管理
        • 数据存储和数据库管理涉及地理元素的位置、连接关系以及属性数据如何构造和组织，使其便于计算机和系统用户理解等。
      • 数据变换
        • 包括两类操作：① 变换的目的是从数据中消除错误，更新数据，与其它数据库匹配等；② 为回答GIS提出的问题而采用的大量数据分析方法。
      • 数据输出和显示
        • 是指原始数据或分析、处理结果数据的显示和向用户输出。
      • 用户接口
        • 用于接收用户的指令的程序或数据，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。
    • 数据库软件
      • 数据库软件是GIS软件系统的重要组成部分。
  • 地理空间数据
    • 地理空间数据是GIS的操作对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，地理空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据。
  • 应用分析模型
    • 应用分析模型是客观世界中相应系统经由概念世界 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
  • 系统开发、管理和使用人员
    • 人是地理信息系统中的重要构成因素，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构不成完整地理信息系统，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，并采用地理分析模型提取多种信息。
• 地理信息系统主要功能
  • 数据采集和输入
    • 数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据输入。
  • 数据编辑和更新
    • 数据编缉主要包括图形编缉和属性编缉。属性编缉主要与数据库管理结合在一起完成，图形编缉主要包括拓扑关系建立、图形编缉、图幅拼接等功能。
    • 数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录，它是通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。
  • 数据存储和管理
    • 数据存贮，即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存贮介质上。
    • 空间数据管理是GIS数据管理的核心，各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。
  • 空间查询和分析
    • 空间查询与分析是GIS核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有别于其它信息系统的本质特征。主要包括数据操作运算、数据查询检索与数据综合分析。
  • 空间决策支持
    • 空间决策支持是应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换，以提取出隐含于空间数据中的某些事实与关系，并以图形和文字的形式直接地加以表达，为现实世界中的各种应用提供科学、合理的决策支持。
  • 数据显示和输出
    • 数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式。 GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图。