1、第五章 地理信息系統概述 5.1 地理信息系統的產生與發展 一、一、GIS產生的背景產生的背景地地圖圖繪繪制制手工制圖：計算機制圖20世紀50年代計算機技術的發展地理學： 研究人類活動與自然環境之間關系及其發展規律自然地理學經濟地理學人文地理學獲取并研究與地理位置地理位置相關的信息存儲載體地圖地圖二、二、GIS的發展的發展1. 計算機技術的發展計算機技術的發展1946年第一臺電子管計算機誕生晶體管集成電路大規模集成電路高性能PC、工作站、PC Cluster趨勢：趨勢：大存儲容量大存儲容量高運算速度高運算速度2. 空間技術的發展空間技術的發展衛星定位技術GPSGLONASS“北斗” GALIL

2、EO衛星定位的特點:1.全球地面無縫覆蓋，全天候定位。2.定位精度高，實時定位速度快。3.觀測時間短。4.提供三維坐標。5.使用簡便。GNSS: Global Navigation Satellite System全球導航衛星系統 GPS系統系統美國于19781993年發射，共24顆衛星。其中21顆工作衛星，3顆備用衛星（6個軌道面）。GPS衛星向用戶發送用于導航定位的調制波，它含有：載波（L1和L2）、測距碼（C/A碼和P碼）和數據碼（導航電文）。C/A碼偽距，精度約為碼偽距，精度約為20米左右（民用）米左右（民用）P碼偽距，精度約為碼偽距，精度約為2米左右（軍用）米左右（軍用）“伽利略伽利

3、略”系統系統30顆衛星組成歐空局和歐盟合作于1999年啟動（3個軌道面） 。2005年12月28日，首顆試驗衛星Glove-A成功發射；最初預計2008年底前全部發射入軌，后來由于資金和技術方面等問題，幾經推遲，預計延長到2014年投入運營。民用信號精度：民用信號精度：1米米NoImageGLONASS系統(格洛納斯)(Global Navigation Satellite System） 前蘇聯于20世紀70年代開始建設，并于1993年啟用（3個軌道面） 。 由衛星星座、地面監測控制站和用戶設備三部分組成。 星座由星座由24顆衛星組成顆衛星組成：工作衛星21顆，在軌備用衛星3顆 (1996年

4、1月完成設計衛星數) 2011年11月，格洛納斯第二次實現全球覆蓋。目前，格洛納斯衛星導航系統共有衛星31顆，包括用于傳輸信號衛星24顆、備用衛星3顆及4顆用于維修和飛行測試的衛星。 2013年7月2日一箭三顆“格洛納斯”衛星發射失敗。單點定位精度定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。“北斗北斗”系統系統 “北斗1號”： 20002003年發射3顆靜止軌道試驗導航衛星，組成了“北斗”區域導航系統（2顆工作衛星、1顆備用衛星）。“北斗1號”試驗導航衛星 定位精度：水平精度100米“北斗北斗1號號”衛星的位置衛星的位置北斗2號： 北斗衛星導航系統 （BeiDou（COMPASS）Naviga

5、tion Satellite System） 空間端、地面端和用戶端三部分組成。 空間段由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成。 3種軌道設計地球同步靜止軌道、傾斜地球同步軌道和中圓軌道（3個軌道面） 2007年4月14日，發射第1顆北斗導航衛星。 2012年2月25日，發射第11顆北斗導航衛星。 2011年12月27日北斗衛星導航系統正式提供試運行服務。服務區為東經84度到160度，南緯55度到北緯55度之間的大部分區域；位置精度可達平面25米、高程30米；測速精度達到每秒0.4米；授時精度達50納秒。2020年左右，將建成由30余顆衛星組成的北斗全球衛星導航系統，提供覆蓋全球的高精度

6、、高可靠的定位、導航和授時服務。 定位精度為10米。衛星遙感技術衛星遙感技術Landsat 8Spot 5NOAA Quickbird衛星遙感的特點：衛星遙感的特點： 能夠快速、大范圍獲取地面影像和地表專題數據青島市南區（Landsat TM 15米分辨率）青島市南區（Spot 5 2.5米分辨率）羅馬梵蒂岡大教堂（Quickbird 0.6米分辨率）2003年2008年2009年2011年SRTM計劃航天飛機雷達地形測繪任務（2000年） Shuttle Radar Topography Mission 覆蓋范圍在北緯60度至南緯56度之間。10天內，有99.968%被一次覆蓋，94.59%

7、兩次，49.25%三次，24.1%四次。 DEM高程數據間隔為1弧秒，約30米，所包含的信息內容相當于1 5萬地形圖奮進號航天飛機外觀圖SRTM由三部分組成：主雷達天線、桅桿、機外雷達天線（Outboard radar antenna）SRTM 陸 地 表 面 覆 蓋 圖 （平 面）由SRTMC波段獲取DEM再與TM圖像疊加的結果現代GIS的相關技術GIS地理學遙感技術測量學數學和統計學制圖技術計算機科學專家系統計算機圖形學計算機輔助設計數據庫技術軟件工程（相關應用學科）地理信息系統的應用以及相關學科5.2 GIS的相關概念1、數據、數據是客觀事物的屬性、數量、位置及其相互關系等的抽象表示，如

8、數字、文字、符號、圖形等。2、信息、信息是向人們或機器提供關于現實世界各種事實的知識，是數據、消息中所包含的意義。它不隨載體的物理形式的變化而改變。數據與信息的關系 數據是信息的載體 信息是數據的內涵 數據本身并沒有意義，數據只有對實體行為產生影響時才能成為信息 B=36L=120 數據只有通過解釋、解算才能成為信息使用者的知識背景(1)信息的客觀性 任何信息都是與客觀事物緊密相關的信息正確性與精確度的保證。(2)信息的適用性 不同的信息適用于與之相關的領域。(3)信息的傳輸性 信息在傳輸時，其原始意義并不改變。(4)信息的共享性 信息的使用對其本身無損失。信息的特點：信息的特點：3、系統、系

9、統具有特定功能的、相互有機聯系的若干要素構成的一個整體。計算機系統圖書管理信息系統商業服務信息系統4、信息系統、信息系統具有處理、管理和分析數據功能的系統，它能為人們的決策提供正確、有用的信息。要素的功能系統功能5、地圖、地圖 將地理環境諸要素按照一定的數學法則，運用符號系統并經過制圖綜合縮繪于平面上的圖形。（薩里謝夫） 依據特定的數學法則，通過科學的概括，并運用符號系統將地理信息表示在一定載體上的圖形。（毛贊猷） a 由數學決定的結構 b 特定的符號系統 c 現象表示的取舍和概括6、地理信息、地理信息 是指表示地理環境諸要素的數量、質量、分布特征及其相互聯系和變化規律的數字、文字、圖象和圖形

10、等的總稱。(1)定位特征 通過地理坐標實現空間位置的識別(2)多維結構的特征 除地理位置外，還有多個專題和屬性(3)時序特征 隨時間的變化而變化，需及時采集和更新地理信息的特征地理信息的特征地圖是地理信息的載體地圖是地理信息的傳統數據源地圖是GIS的查詢與分析結果的表示方法地圖與地理信息的關系5.3 地理信息系統的概念 地理信息系統是一門學科 是研究采集、管理、分析地理數據和輸出地理信息的理論和方法的新興、交叉學科。 地理信息系統是一種決策支持系統 在計算機軟、硬件系統計算機軟、硬件系統的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理管理和和綜合分析分析具有空間內涵空間內涵的地理數據的地理數據

11、，以提供管理、決策、規劃等所需地理信息地理信息的技術系統。 GIS Geographical Information System(英國) Geographic Information System（美國） Geo-Information System（德國） 地理信息系統中“地理”的概念并非指地理學，而是廣義地指地理坐標參照系統中的坐標數據、屬性數據以及以此為基礎而演繹出來的知識。GIS概念的不同理解：顯示GIS概念的不同理解：專題地理信息系統(Thematic GIS) 是具有有限目標和專業特點的地理信息系統。為特定的專門的目的服務，如水資源管理信息系統、礦產資源信息系統、農作物估產信息系

12、統、草場資源管理信息系統、水土流失信息系統、環境管理信息系統等。區域地理信息系統(Regional GIS) 主要以區域綜合研究和全面信息服務為目標。如國家級、地區級、市級或縣級等。地理信息系統工具(GIS Tools) 是一組具有圖形圖像數字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和輸出等地理信息系統基本功能的軟件包。地理信息系統的分類按內容分類應用型GIS工具型GIS按功能分類：GIS與其它系統的區別 GIS與與DBMS（數據庫管理系統）數據庫管理系統）的區別的區別 1 . DBMS缺乏空間實體定義能力 2 . DBMS缺乏空間關系查詢能力 3 . GIS是能對空間數據進行分析的DBMS，GIS必

13、須包含DBMS。 GIS與與MIS（管理信息系統）管理信息系統）的區別的區別 1. GIS要對圖形數據和屬性數據庫共同管理、分析和應用，GIS的軟硬件設備要復雜、系統功能要強； 2. MIS則只有屬性數據庫的管理，即使存貯了圖形，也是以文件形式管理，圖形要素不能分解、查詢、沒有拓撲關系。GIS與其它系統的區別 GIS與與地圖數據庫地圖數據庫的區別的區別 地圖數據庫僅僅是將數字地圖有組織地存放起來，不注重分析和查詢，不可能去綜合圖形數據和屬性數據進行深層次的空間分析，提供輔助決策的信息，它只是GIS的一個數據源。 GIS與與CAD系統系統的區別的區別 1 . 二者雖然都有參考坐標系統，都能描述圖

14、形，但CAD系統主要處理幾何圖形，屬性庫功能弱，更缺乏分析和判斷能力。 2. CAD的坐標不具有直接的地理意義，不能進行地理坐標轉換。 3. CAD的數據可為GIS提供基礎數據。1.起步階段（1960s），注重空間數據的地學處理。相關組織機構紛紛成立。 1963年，加拿大測量學家R. T. Tomlinson首先提出GIS 這一術語，建立加拿大地理信息系統（CGIS）； 1969年，ESRI （環境系統研究所）建立； 1969年， Integraph公司建立。 2.發展階段（1970s），注重空間地理信息的管理，受到 政府部門、商業公司和大學的普遍重視。 一、國外一、國外GIS的發展的發展5.

15、4 GIS的發展歷史3.推廣應用階段（1980s），注重空間決策支持分析。應用領域迅速擴大，與RS結合，參與解決全球性問題。 1981年，ESRI ARC/INFO GIS發布； 1985年，GPS成為可運行系統； 1986年，MapInfo建立； 1986年，SPOT衛星首次發射； 1987年，地理信息系統的國際雜志出版； 1989年，Ingegraph 發布MGE； 1989年全球有報價的GIS軟件達70多個。4.用戶時代（1990至今）, 注重GIS社會應用與服務商業決策和政府管理 GIS技術迅猛發展GIS產業化。 控件式GIS成為GISTools的發展方向; WebGIS蓬勃發展; 三

16、維GIS嶄露頭角。5.國外主流GIS軟件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）ARCGIS GENAMAP（澳大利亞） MGE（Modular GIS Environment） MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、MapXtreme、 SpatialWare） ERDAS 二、我國二、我國GISGIS的發展的發展 1.準備階段（1970后期） 輿論準備、提出倡議、組建隊伍、組織個別實驗研究。 1980年中科院遙感所成立第一個GIS研究室 2.試驗階段（1981-1985） 理論探索和區域性研究; 制定國家地理信息系統規范。 1:100萬

17、國土基礎信息系統和全國土地信息系統 1 :400萬全國資源和環境信息系統 3.初步發展階段（1986至20世紀末） 地理信息系統的研究被列入我國“七 五”攻關課題，并且作為一個全國性的研究領域，已逐步和國民經濟建設相結合，并取得了重要進 展和實際應用效益。 4.快速發展階段( 20世紀末到現在） 理論日趨成熟，應用日益廣泛，三維GIS、WEBGIS走向應用，GIS市場開始形成。 5.國產主流GIS軟件 GeoStar（武測） CityStar（北大） MapGIS（地大） Supermap（北京超圖） TopMap （北京慧圖） (1)GIS與遙感和全球定位系統進一步結合，構成地理學 日趨完善

18、的技術體系3S技術(2) 空間數據結構與數據管理的研究更加深入(3) GIS應用模型開發日趨加強(4) GIS智能化與專家系統、神經網絡的結合(5) GIS網絡化Web GIS(6) 三維GIS 三維數據結構（數字表面模型、斷面、柱狀實體等）、可視化技術三、地理信息系統的發展趨勢三、地理信息系統的發展趨勢在計算機軟、硬件系統計算機軟、硬件系統的支持下，運用系統工程和信息科學的理論，科學管理和綜合分析具有空間內涵的地理數據空間內涵的地理數據，以提供管理、決策、規劃等所需地理信息的技術系統。5.5 GIS的組成GIS的概念GIS的組成4、系統開發、管理與使用人員3、地理空間數據2、計算機的軟件系統

19、1、計算機的硬件系統一、 GIS 的 計算機硬件系統光盤讀寫器光盤讀寫器磁 帶 機磁 帶 機硬 盤 陣 列硬 盤 陣 列硬盤硬盤數 字 化 儀數 字 化 儀掃描儀掃描儀鍵鍵 盤盤鼠標鼠標解析測圖儀數 字 攝 影測 量 儀 器顯顯 示示 器器繪繪 圖圖 儀儀打打 印印 機機存儲設備存儲設備輸入設備輸入設備輸 出 設 備輸 出 設 備 計算機主機計算機主機CPU內存顯卡數據通訊傳設備數據通訊傳設備網卡網卡調制解調器調制解調器其他專用設備其他專用設備二、 GIS的計算機軟件系統及模塊劃分計 算 機 系 統 軟 件計 算 機 系 統 軟 件操 作 系 統操 作 系 統匯 編 程 序匯 編 程 序編 譯

20、 程 序編 譯 程 序庫程序庫程序使 用 手 冊使 用 手 冊程 序 說 明程 序 說 明 通用的通用的GIS軟件包軟件包 數據庫管理系統 （DBMS)圖形、圖像處理系統 系統開發人員或用戶根據地理專題或區域分析模型編制的用于某種特定應用任務的程序。是系統功能的擴充與延伸。 （一）軟件的種類GIS軟件軟件和和其他支持軟件其他支持軟件應 用 分 析 軟 件應 用 分 析 軟 件（二）GIS軟件系統的模塊劃分GIS的軟件系統根據其功能的特點，可以分為以下幾種軟件模塊：1. 數據輸入與編輯模塊2. 數據存儲與管理模塊3. 數據變換與分析模塊4. 數據輸出與顯示模塊5. 用戶接口模塊各功能模塊之間的關

21、系空間數據(SDB)數據庫管理系統（DBMS）用戶接口（GUI）數據變換與分析數據輸出與顯示數據輸入和編輯（一）地理空間數據的定義觀測地球某一位置的地物所得到的、以空間位置為參照的數據稱為地理空間數據。地理空間數據描述的主體稱為地理實體任何一種地理實體都可以用以下三種基本實體來抽象描述： 1）點實體 2）線實體 3）面實體三、 地理空間數據點實體 有位置，無寬度和長度； 抽象的點用坐標對表示 （x , y）（L , B） 美國佛羅里達洲地震監測站2002年9月該洲可能的500個地震位置線實體 有位置、長度，但無寬度和高度 用來描述線狀實體，通常在網絡分析中使用較多 度量實體距離用坐標對序列表示

22、 （x1 , y1），（x2 , y2）. （xn , yn）香港城市道路網分布面實體 有位置，具有特定的形狀、范圍 通常用來表示自然或人工的封閉多邊形 用坐標對序列表示的閉合線來表示中國土地利用分布圖（不連續面）（二）地理空間數據的內容地理空間數據一般包括三個方面的內容：1 1、某個參考坐標系所確定的位置、某個參考坐標系所確定的位置 2 2、實體間的空間相關性、實體間的空間相關性空間拓撲關系空間拓撲關系 3 3、與幾何位置無關的屬性、與幾何位置無關的屬性 即幾何坐標，標識地理實體在某個已知坐標系（如大地坐標系、直角坐標系、極坐標系、自定義坐標系）中的空間位置。表示點、線、面實體之間的空間聯系

23、，如網絡結點與網絡線之間的樞紐關系，邊界線與面實體間的構成關系，面實體與島或內部點的包含關系等。即非幾何屬性或簡稱屬性（Attribute），是與地理實體相聯系的地理變量或地理意義。 定性：名稱、類型、特性 定量：等級、數量1、某個參考坐標系所確定的位置 必需的 2、實體間的空間相關性空間拓撲關系 可有可無 3、與幾何位置無關的屬性 必需的數據內容數據類型 空間數據（圖形數據） 屬性數據q地理空間數據三個方面的內容可分為兩種數據類型數據類型：（三）空間拓撲關系地理實體間的空間相關性，即點、線、面之間的空間關系稱為空間拓撲關系。“拓 撲”源于希臘文，原意：形狀的研究“拓撲學”（Topology）幾何學的分支，研究內容：圖形在拓撲變換時能夠保持不變的幾何屬性拓撲屬性將橡皮拉伸或壓縮不能扭