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武测地理信息系统笔记（制作：武汉大学教学队伍）武测地理信息系统笔记制作：武汉大学教学队伍：胡鹏程雄李建松吴艳兰郭庆胜杜清运游涟第一章绪论§1-1GIS概念一、信息与数据1、信息1）定义：信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。2）信息的特性：A、客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。B、适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。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，这是由建立信息系统的明确目的性所决定的。如股市信息，对于不会炒股的人来说，毫无用处，而股民们会根据它进行股票的购进或抛出，以达到股票增值的目的。C、传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。D、共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并发应用提供可能性。2、数据指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、\符号、声音、图象等符号。数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。3、两者关系（有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然）。数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。例如“1、”“0”独立的1、0均无意义。当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息，当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。二、地理信息与地学信息1、地理信息1）定义：指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示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图、文、声、像等的总称。2）特点：A、地域性：（是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志）。地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。B、多维结构：指在同一位置上可有多种专题的信息结构。如某一位置上的地理信息包括（例图）C、时序特征：时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。以免过时的信息造成决策的失误或因为缺少可靠的动态数据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。例如98年龙王庙特大洪水险情正是武汉勘测设计院利用先进的摇感、GPS技术测得实时数据为抗洪决策提供可靠依据。显然，如果用过时数据，这将造成多大的损失，这就是地理信息的时序特征。2、地学信息与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。3、两者信息源不同地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。四、信息系统和地理信息系统1、信息系统(InformationSystem,IS)1）系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。2）信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。具有采集、管理、分析和表达数据的能力。3）类型：从适用于不同管理层次角度出发、信息系统分为下列不同类型。事务处理系统、管理信息系统：主要支持操作层人员的日常事务处理，图书管理，借还书。决策支持系统：从MIS中获取信息，进行推测，以辅助决策。人工智能、专家系统：用计算机模仿人类思维过程进行推理，在医学上应用较成功。为有效地对信息流进行控制，组织、管理、充分利用，就需要建立某种信息系统，那么对地理信息进行管理、利用就需要建立地理信息系统。2、地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)1）定义：不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的A、GIS是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。B、为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。---美国国家地理信息与分析中心C、是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、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，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。D、GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。--英国教育部2）理解aGIS是一计算机系统，既然是系统，就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以每个GIS系统都是由若干具有一定功能的模块组成。bGIS的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，为了能对这些空间数据进行定位，定性和定量的描述，决定了GIS要对空间数据按统一地理坐标进行编码，这是GIS与其他信息系统不同的根本所在。3、GIS与其它IS之间的关系和区别1）GIS与其它IS之间的关系（信息系统分类）2）GIS与其它IS的区别A、GIS与一般MIS：GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。B、GIS与CAD/CAMGIS与CAD共同点GIS与CAD不同点都有空间坐标系统；都能将目标和参考系联系起来；都能描述图形数据的拓扑关系；都能处理属性和空间数据ＣＡＤ研究对象为人造对象—规则几何图形及组合；图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；ＣＡＤ中的拓扑关系较为简单；一般采用几何坐标系。ＧＩＳ处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；GIS的属性库结构复杂，功能强大；强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；GIS采用地理坐标系。GIS与CAMGIS与CAM共同点GIS与CAM不同点都有地图输出、空间查询、分析和检索功能ＣＡＭ侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制；它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺乏拓扑关系；它与数据库的联系通常是一些简单的查询。CAM是GIS的重要组成部分；综合图形和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策信息。§1-2GIS发展GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一本术语，并建立了第一个GIS_加拿大GIS，随后GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来。一、国际GIS的发展状况1、60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）人们关注什么是GIS，GIS能干什么。2、70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进GIS迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。3、80年代，实破阶段，也是GIS普遍发展和推广应用阶段，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。4、90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。二、我国GIS发展我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：1、70年代，准备阶段：一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。2、80年代，试验起步阶段:这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。3、90年代，我国GIS发展阶段：我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。4、96年以来，是我国GIS产业化阶段。近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS产业已进入新的发展阶段。§1-3GIS构成一、GIS组成从计算机的角度看，GIS是由软件、硬件、数据和用户组成。用户（GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户）软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统）硬件（各种设备-物质基础）数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础）由于计算机的飞速发展和地理信息的时序特征，硬件寿命3-5年，软件（5-15年），数据（1-2年，5-70年不等）GIS需要不断维护、更新，所以用户要不断进行知识更新。二、硬件配置前面说过，GIS作为技术系统必须具备数据的采集、管理、分析、表达和显示功能，一定功能必须由一定的软件、硬件实现，所以GIS的硬件配置为：输入数字化、解析测图仪、扫描仪遥感处理设备等存贮处理计算机硬盘光盘等存储设备输出打印机绘图仪显示终端等网络服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络设备。随着网络普及，信息共享成为时代要求，GIS要有网络功能三、软件配置1、GIS软件层次有了计算机硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNIIX等。裸机，没装任何OS的机子，是不能工作的。GIS应用软件在GIS软件层次的外层，外层以内层软件为基础，共同完成用户指定的任务。2、GIS基础软件主要模块空间数据输入与转换图形及属性编辑空间数据管理系统制图与输出空间查询与空间分析§1-4GIS功能和应用一、GIS功能空间查询叠加分析缓冲区分析网络分析地形分析数据显示与输出二、GIS主要应用领域资源管理区域和城乡规划灾害监测环境评估作战指挥交通运输宏观决策第二章空间数据结构§2-1空间实体及其描述一、地理实体（空间实体）---GIS处理对象1、定义：指自然界现象和社会经济事件中不能再分割的单元，它是一个具体有概括性，复杂性，相对意义的概念。2、理解：地理实体类别及实体内容的确定是从具体需要出发的，例如，在全国地图上由于比例尺很小，武汉就是一个点，这个点不能再分割，可以把武汉定为一个空间实体，而在大比例尺的武汉市地图上，武汉的许多房屋，街道都要表达出来，所以武汉必须再分割，不能作为一个空间实体，应将房屋，街道等作为研究的地理实体，由此可见，GIS中的空间实体是一个概括，复杂，相对的概念。二、地理实体的描述——空间数据1、描述的内容空间特征：地理位置和空间关系属性特征—名称、等级、类别等时间特征:2、空间数据基本特征3、空间数据类型1）依据数据来源的不同分为：地图数据地形数据属性数据元数据影象数据三、实体的空间特征（一）空间维数：有0，1，2，3维之分，点、线、面、体。（二）空间特征类型1、点状实体点或节点、点状实体。点：有特定位置，维数为0的物体。1）实体点：用来代表一个实体。2）注记点：用于定位注记。3）内点