武汉大学GIS地理信息系统第1部分

地理信息系统原理武汉大学遥感信息工程学院唐雪华GIS解决地理问题的方法获取地理数据研究地理数据分析地理信息可视化地理结果解决问题基于地理知识提出地理问题案例展示：电厂选址1.所需要的数据集•地形数据（通常是DEM数据）•交通数据（路网数据）•水源数据•原材料分布数据•灰场分析数据•风向数据2.研究地理数据•允许修建电厂的位置3.分析地理信息4.分析结果的可视化可视化分析结果一.GIS的严格定义1.GIS的定义2.GIS的组成（系统组成、软件构架、软件组成）3.GIS的基本功能（数据输入、数据存储与管理、数据重现、数据分析与处理、数据转换、GIS建模、数据输出与显示；应用功能：位置、条件、变化趋势、模式、模拟）4.GIS的发展历程5.GIS的发展趋势（时空GIS、网络GIS、云计算、三维GIS）1.GIS（地理信息系统）的定义•定义一：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。•Definition1:Acomputer-basedtechnologyandmethodologyforcollecting,managing,analyzing,modeling,andpresentinggeographicdataforawiderangeofapplications.2.GIS的组成人员事故制图++选址空间度量地形分析土地管理资源分布网络分析交通建模地理建模人口统计工程设计水利分析设施管理扩散和分布分析物流分析走廊选择资源研究事件硬件数据软件方法计算机硬件GIS软件数据方法地理信息系统GIS的操作对象GIS应用和操作相关技术和理论包括专业软件和应用软件计算机、打印机等。应用相关的机构和人GIS最终的应用目标及客户要求最重要的部分系统软件计算机硬件GIS平台软件数据库软件GIS应用软件GIS的软件构成架构GIS系统的软件组成•系统管理软件：操作系统软件（如WindowsXP、Unix、Linux等）•数据库软件（如Oracle、SQLServer等）•GIS平台软件(GIS专业软件)（如ArcGIS、MapInfo、MapGIS、SuperMap等）•应用软件(GIS二次开发软件等)3.GIS的基本功能数据输入（collection）存储和管理（storageandmanagement）空间查询（retrieval）数据转换（conversion）空间分析（analysis）模型化（modeling）显示（display）GIS的基本功能数据存储与管理数据库的建立和管理数据输入多源数据的输入数据分析与处理数据的查询等，得到新的信息数据转换投影转换等数据输出与显示以用户可以理解的方式显示，如地图、表格、决策方案等。GIS建模对空间实体进行抽象，找出规律数据的重现数据的可视化GIS的应用功能•位置问题：在某个位置有什么或是什么；–Whatarethere?•条件问题：符号某条件的空间目标在哪里；–Whereistheobject?•变化趋势问题：地理现象的变化规律；–Whatwillhappenif…?•模式问题：分析地理事件的发生原因；–Whytheyarethere?•模拟问题：模拟在特定条件下发生的事情。–Whatmighthappenif…?实例：海上溢油决策分析及评估模型框架石油分布1).危害程度2).隔离带选址分析模型•背景：–临时隔离带：较大程度的减小了溢油的扩散，尤其是对一些海域保护区或者是沿岸；•分析参数：–离海岸的距离：1000-2000米，不能靠海岸太近，那样就没有作用了；–风向：隔离带应该选择在迎风向处，这样可以阻止油随风扩散；–海浪：由于隔离带是有一定高度的，所以所选区域的海浪不能超过隔离带高度，否则就无用；–所处地区：位置应尽量沿着保护区，尽量的阻止溢油扩散到保护区而引起重大危害。最佳隔离带范围分析结果3).清污船只路径分析•背景：求最快最及时的路径。•分析参数：–风向：清污船只应该尽量顺着风行驶；–海浪：应该沿着海量起伏度较小的区域行进；–距离：清污船只到达事故点距离应该最短；–根据这四个三个因子作为距离成本，溢油浓度10的区域作为分析区域，这样得到最短时间内离事故点最近的清污船只的路径。最佳行船路径4.GIS的发展历史(简记)1）GIS的开拓期(20世纪60年代)（1963年首次提出GIS概念）2）GIS的巩固发展时期(20世纪70年代)3）GIS技术大发展时期(20世纪80年代)4）GIS的应用普及时代(20世纪90年代)5）网络GIS和因特网GIS时期(20世纪90年代中期至今)网络GIS时期(20世纪90年代中期至今)•NII、NSDI和数字地球工程建设时期；•GIS成为国家信息化的基础平台；•软硬件环境的困难基本排除。5.GIS的发展趋势•几个技术热点：–时空GIS–网络GIS–云计算–三维GIS二.空间思维•SpatialLiteracyistheabilitytobeabletoincludethespatialdimensioninourthinkingandproblemsolving.•空间思维是一种在日常生活、工作场所和科学中，构建问题、寻找答案、用空间特性表达解决方案的认知技能。•Acollectionofcognitiveskills–Conceptsofspace–Toolsofrepresentations–Processofreasoning空间思维的概念框架1.空间数据基本概念2.空间关系基本概念3.空间数据基础设施4.GIS、地球信息科学与数字地球1.空间数据基本概念1）信息和数据2）地理信息和地理数据3）空间数据的基本特征（空间特征、属性特征、时间特征）4）空间数据模型（矢量、栅格）1）信息和数据信息：用文字、数字、符号、语言、图形、图象等介质或载体，表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息的特点：客观性、适用性、可传输性、共享性数据：指对某一事件、事务、现象进行定性、定量描述的原始资料，包括文字、数字、符号、语言、图形、图象以及它们能转换成的形式。二者关联：–数据是信息的载体；–信息是数据的涵义；–理解了数据的含义，对数据做出解释，就能实现数据到信息的转换；–信息处理的实质是对数据进行处理，在这个意义上，信息处理和数据处理是可以不加区分的。2）地理信息和地理数据地理信息：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和地理现象之间关系的地理数据的解释。特性：空间分布性、数据量大、多维结构、时序特征地理数据：各种地理特征和现象之间关系的符号化表示。3）空间数据的基本特征•空间特征（几何特征；定位特征）:对空间实体的分布位置、几何特征和空间关系的定义。。•属性特征:对空间实体的属性定义和说明信息。即用来说明“是什么”，如事物或现象的类别、等级、数量、名称等。•时间特征:空间实体的时间尺度。地理实体随时间变化的特征。a.空间特征•空间数据描述地理实体的位置的方式：–空间绝对位置：坐标参照系统；–实体间相对位置：空间关系b.属性特征•标称（Nominal）属性•次序（Ordinal）属性•间距（Interval）属性•比值（Ratio）属性•周期（Cyclic）属性土地类型属性、地块名居住适宜性海拔倍数角度、日期4）空间要素和空间数据模型•离散要素（对象）：观测值不连续的要素（道路和土地利用）•连续要素（场）：观测值连续的要素（降水量和高程）矢量数据•定义: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。•特点:适合于表示离散空间要素。栅格数据•定义:用格网来表示要素的空间变化.•特点:适合于表示空间上连续要素的变化.空间数据模型•矢量数据：用来表示离散要素。•栅格数据：适宜于连续要素的表示。空间数据的数据模型空间数据无拓扑关系有拓扑关系简单数据高级数据不规则三角网区域分段矢量数据栅格数据6）属性数据•定义:描述空间要素特征的数据。•常用管理方式：关系型数据库管理7）其它与空间数据相关的概念•网络数据•密度估计•细节、分辨率和尺度1）网络数据•空间数据中一类特殊的数据形式，用于定义数据结构中网络数据结构；•组成要素：结点和边•数学基础：图论•代表性问题：–交通问题–管道问题2）密度估计•空间分析中常用的概念•表示单位面积上离散对象的数量，为离散要素和连续要素建立了一个连接。•常见例子：–城市的人口密度–商业中心的零售商密度3）细节、分辨率和尺度•细节：决定表达的粒度•空间分辨率：一个阈值距离，小于这个阈值的细节可以认为是不必要的或不相关的。•比例尺：矢量地图中用于表示地图上的距离与现实世界中真实距离的比值。2.空间关系基本概念•拓扑关系•方向关系•距离关系•邻域关系•空间依赖关系•其它相关概念1）拓扑关系•指拓扑变换下的拓扑不变量，如空间目标的相邻和连通关系，以及表示线段流向的关系。2）方向关系•指源目标相对于参考目标的顺序关系(方位)。•根据方向参考分为：–绝对参考–相对参考3）距离关系•利用距离来量算目标间的空间关系。•距离的计算有多种方式。4）邻域关系•定义：两个空间目标间的空间位置较为接近、且其间不存在其它空间目标的情况下所保持的空间关系。•一种定性的距离关系。•与选择区域或单元相邻的区域或单元。5）空间依赖关系•空间目标间自相关关系。•距离近的事物比距离远的事物相关性更强。4.空间数据基础设施（NSDI）•GIS与信息时代1）GIS与信息时代•社会信息化的发展•NII的概念•SDI的概念及发展•数字地球的相关概念•GIS、地球信息科学与数字地球三者间的关系社会信息化的发展•工业时代:–劳动型的低技能工作–重工业的繁荣–以纸质形式存储数据–数据的独立存储和使用•信息时代–技能熟练工作–信息产业的繁荣–基于网络及卫星的全球信息共享–数据分析–数据的整合及数据挖掘全球空间信息化建设的三步曲•NII•SDI•DE2）NIINII的定义(美国政府定义)•一个能够给用户随时提供大容量信息的，•由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备的网络系统。•NII能使所有美国人享用信息，并在任何时间和地点，通过声音、数据、图形和图像相互传递信息。NII的主要目的•建设高速信息通信网络–光纤–卫星–微波–程控电话–无线移动3）NSDI•1994年4月：美国第12906号总统令宣布建立NSDI，由联邦数据委员会协调开发；•1997年：正式被国际社会接受。NSDI的定义•一个国家描述地球上地理要素和现象的分布和属性的所有地理信息的组合，•以及对这些信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及相互操作，•建立一个共享的空间信息框架所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源。SDI的定义•指为描述地球上地理要素或现象的分布及其属性的所有地理信息组合，•以及对这些地理信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及互操作等目的，•建立一个共享的空间信息框架的建设计划所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源等内容。SDI的四个层次GSDIRSDINSDILSDI关键技术•卫星定位技术•卫星遥感技术•地理信息系统•计算机与数据库技术•通讯技术中国的NSDI建设•四个层次–国家级–省级–市级–县级•中国地理空间数据框架建设（DCGF）的内容：–数据集–技术–法律支持及标准–协调机制–设施4、数字地球(DE)•1998年1月:戈尔在OGC年会的“数字地球：21世纪理解我们行星的方式”演讲，第一次提出了“数字地球”的概念。数字地球的定义•是一个以地理坐标(经纬网)为依据的，具有多分辨率的、海量数据的和多维显示的虚拟系统。数字地球与SDI的关系•SDI是数字地球的重要基础和建设内容；•SDI提供了统一的空间载体和定位框架，使得用户能够按照地理坐标检索和展示各类信息；•SDI可以分析各类信息的空间分布特征、运行