GIS 设计与实现

1. GIS设计与实现 第1章 概 论 (1) 1.1 GIS设计基础

2. GIS设计与实现 第1章 概 论 1. GIS设计基础 1.1 地理信息系统基本概念 • 信息 狭义信息论 Narrowed Information Theory, NIT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；

3. 概 论 Introduction • 广义信息论 Broad Information Theory, BIT认为，信息是主体与外部客体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和知识，是表征事物特征的一种普遍形式。 • 在信息系统中，信息是向人们或机器提供的关于现实世界各种事实的知识，是经过加工后的数据，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。

4. 概 论 Introduction • 地理信息 • 地理信息Geographic Information是指空间地理分布有关的信息，它是表示地表物体和环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图形、图像等的总称。 • 地理信息属于空间信息Spatial Information。它与一般信息的区别在于它具有区域性、多维性和动态性。

5. 概 论 Introduction • 区域性Regional是指地理信息的定位特征，且这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的，例如，用经纬网或千米网坐标来识别空间位置，并指定特定的区域； • 多维性Multidimensional是指在二维空间的基础上实现多个专题的第三维结构，例如，在一个地面点上，可取得高程、污染、交通等多种信息； • 动态性Dynamic是指地理信息的动态变化特征，即时序特征，从而使地理信息能够以时间尺度划分成不同时间段的信息，这就要求及时采集和更新地理信息，并根据多时相数据和信息来寻找时间分布规律，迸而对未来做出预测和预报。

6. 概 论 Introduction • 信息系统 • 信息系统Inforamtion System是具有采集、处理、管理和分析功能的系统，它能为企业部门或组织的决策过程提供有用信息。 • 信息系统大部分都由计算机系统支持，信息系统不只是单纯的计算机系统，而是辅助企业管理的人机系统。

7. 概 论 Introduction • 地理信息系统 • 地理信息系统（Geographic Information System，GIS）没有统一的定义。不同的研究方向，不同的应用领域，不同的GIS专家，对它的理解是不一样的。 • 所有定义都是从三个方面考虑的：①GIS使用的工具：计算机软硬件系统；②GIS研究对象：空间物体的地理分布数据及属性；③GIS数据建立过程：采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示。

8. 概 论 Introduction • 定义： • GIS是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并以回答用户问题或提供服务等为主要任务的技术系统。

9. 概 论 Introduction • 1.2 地理空间数据组成特征 ⒈ 基础性与共享性 2. 随机性与模糊性 3. 复杂性与多样性 4. 区域性与多层性

10. 地理信息系统设计特点 1.3 地理信息系统设计特点 （1）地理信息系统处理的是空间数据，具有数据量大、实体种类繁多、实体间的关联复杂等特点。GIS远比一般的MIS系统复杂。 （2）地理信息系统处理的数据与地球空间位置有关，也就是说，GIS必须以地理坐标作为参照构筑整个数据信息的结构框架。

11. 地理信息系统设计特点 • （3）GIS研究对象是与空间位置有关的空间数据与属性数据，GIS是对现实世界系统的抽象和表达，由于现实世界系统的多变量、时变性和复杂性，因而GIS设计是一项复杂的系统工程，需面对复杂大系统的分解与协调技术，系统分析方面的工作量非常巨大。 • （4）GIS设计以空间数据为驱动。GIS从某种意义上说就是一种空间数据库，GIS的功能是为空间数据库提供服务的，其主要任务是空间数据分析统计处理并辅助决策。 • （5）GIS工程投资大，周期长，风险大，涉及的部门繁多。因此，在GIS设计中，项目计划管理是一个十分重要的部分

12. 地理信息系统主要类型 1.4 地理信息系统主要类型 1) 工具型地理信息系统 • 工具型地理信息系统也称为地理信息系统开发平台或外壳，它具有地理信息系统的通用功能，如对各种地理空间数据进行输人、处理、管理、查询、分析和输出，是可供其他系统调用或允许用户进行二次开发，以建立应用型地理信息系统的操作平台，其特点如下：对计算机硬件适应性强，数据管理和操作效率高、功能强，具有普遍性和易于扩展性，操作简便且容易掌握，等等。目前国外已有很多商品化的工具型地理信息系统，如ArcGIS、GenaMap、MapInfo、MGE、GeoMedia等。国内近几年正在迅速开发工具型地理信息系统，并取得了很大的成绩，如MapGIS、SuperMap、GeoStar、Citystar等。

13. 地理信息系统主要类型 2) 应用型地理信息系统 • 应用型地理信息系统就是与特定的地理区域相联系的地理信息系统，是根据用户的需求和应用目的而设计的一种解决一类或多类特定应用问题的地理信息系统，除了具有地理信息系统的基本功能外，还具有解决地理空间实体与空间信息的分布规律、分布特性及相互依赖关系的应用模型和方法。

14. 地理信息系统主要类型 • 应用型地理信息系统，一般都具有更为明确的应用目的和使用对象。如“塔里木河水资源管理信息系统”,明确指明其应用目的就是管理塔里木河的水资源。应用型地理信息系统按研究对象性质和内容又可分为专题地理信息系统和区域地理信息系统:

15. 地理信息系统主要类型 （1）专题地理信息系统 • 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，为特定专门目的服务。 （2）区域地理信息系统 • 区域地理信息系统（Regional GIS）主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。它一般作为社会公用的信息服务项目，没有针对性很强的专业应用目的和固定的用户对象，并且具有一个大而全面的数据库系统支持，涉及区域的自然、资源、环境和社会经济的方方面面，因而也适应更多的应用部门和更广泛的用户群体。

16. 地理信息系统主要类型 • 区域地理信息系统可以有不同的规模，如国家级的、地区级的或省级的、市级的或县级的等，这些系统是为不同级别行政区服务的区域信息系统。也存在以自然分区或流域为单位的区域信息系统，如加拿大国家地理信息系统、日本国土信息系统等是面向全国的，属于国家级的系统；黄河流域地理信息系统、黄土高原重点产沙区信息系统等是面向一个地区或一个流域的，属于区域级的系统。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，如北京水土流失信息系统等

17. GIS概念的理解 美国联邦数字地图协调委员会 （Federal Interagency Coordinating Committec on Digital Cartography，FICCDC） 关于地理信息系统（Gegraphic Information System，GIS）的定义为： “GIS是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。”

18. GIS概念的理解 根据这个定义，可以将GIS的概念分为两个组成部分: 其一，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；

19. GIS概念的理解 其二，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatia1 Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统（图1-1）。

20. GIS概念框架

21. GIS概念的理解 1）GIS的表象是计算机化的技术系统 这一技术系统由数据采集系统、数据管理系统、数据处理和分析系统、可视化表达与输出系统等组成，影响着GIS硬件平台、系统效率和功能、数据处理方式和产品类型。

22. GIS概念的理解 • 2）GIS的操作对象是地理空间数据 地理空间数据包括：属性数据、几何数据、时间数据。GIS对空间数据的管理操作，是GIS区别于其他信息系统的根本标志，也是技术难点之一。

23. GIS概念的理解 3）GIS的技术优势在于它的空间分析能力 GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达功能、空间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得的重要信息，这是GIS的重要贡献。

24. GIS概念的理解 • 4）GIS与地理学、测绘学联系紧密 地理学是GIS的理论依托，为GIS提供有关空间分析的基本观点和方法。测绘学为GIS提供各种定位数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。

26. GIS的产生与发展 1963年加拿大测量学家Roger F.Tomlinson首先提出了地理信息系统的概念，并于20世纪70年代初研究成功第一个实用意义上的地理信息系统（CGIS），对土地等自然资源信息进行分析和管理。与此同时，美国哈佛大学计算机图形与空间分析实验室，开发出世界上第一个通用的制图软件包——SYMAP系统，这是世界上开发基于图形方式（矢量数据格式）的通用型地理信息系统的成功起点。

27. GIS的产生与发展 随着60年代末发达国家和相关国际组织建立起GIS的机构和组织，新出现的地理信息系统很快在相关领域受到高度重视，美国建立起若干个地理信息系统组织，如城市与区域地理信息系统联合会（URISA）和美国航测与遥感协会（ASPRS）等。70年代，地理信息系统迅速发展与巩固，美国等发达国家投入了大量的人力、物力、财力，开发出各类专业地理信息系统，商业GIS软件开始活跃，不少大学开始培养GIS人才，开展GIS学术活动。

28. GIS的产生与发展 20世纪80年代是GIS大发展、普及和推广应用阶段，地理信息系统由比较简单的、单一功能的、分散的系统发展成为多功能的、用户共享的综合性信息系统，并向智能化发展。80年代后期，两种主要的GIS技术（栅格和矢量）实现一体化。相应地，GIS技术与遥感技术一体化，成为新一代（第二代）GIS技术成熟的标志。若干优秀的地理信息系统软件，如美国环境系统研究所（ESRI）开发的Arc／Info等，在此期间被广泛推广应用。

29. GIS的产生与发展 GIS软件性能的提高，促使地理信息系统应用迅速扩展：应用的领域从传统的资源和环境迅速扩展到众多领域，应用的社会部门从政府扩展到涉及区域规划管理的企业和商用领域，应用的地区扩展到全世界。GIS市场空前扩大，形成一个巨大的产业。GIS教育在发达国家高校普及，学术活动空前活跃。

30. GIS的产生与发展 20世纪90年代是地理信息系统发生飞跃的时期，其标志是：第一，地理信息系统发展形成了一个世界范围公认的、包括基础理论研究体系和技术应用体系在内的完整学科：地理信息科学或地球信息科学。第二，9O年代中后期，在加速发展的互联网／企业网（Internet／Intranet）技术和面向对象开发技术等，以及整个计算机技术领域集成化趋势的带动下，GIS技术发生飞跃，形成第三代GIS技术, GIS与多种计算机技术相集成，共同融入计算机主流技术。

31. GIS的产生与发展 技术的进步促使地理信息共享和社会化程度极大提高。相应地，GIS应用领域和GIS产业的发展更加迅猛，GIS走向公众，进入日常生活领域。GIS教育进人中学，GIS学术活动空前深化。1998年，美国副总统戈尔提出“数字地球”科技发展战略。数字地球是“可嵌入超海量地理相关数据（geo-referenced data）的、我们行星多重比例尺的、三维的表达”（Gore，1998／1999）。数字地球的提出，进一步提高了GIS学科和技术的地位，为地理信息科学和技术的发展提供了一个强大的新推动力。

32. GIS的软硬件组成 与一般的信息系统或计算机系统相比，地理信息系统的软硬件组成有其特点，而且通常更加复杂。 GIS硬件系统主要由处理设备、存储设备、数据输入设备、数据输出设备四部分组成：

33. GIS的硬件组成 • 处理设备——工作站、微机、便携式计算机； • 数据输入设备——数字化仪、扫描仪等； • 数据输出设备——图形终端、绘图仪、打印机、硬复制设备等； • 存储设备——磁带机、光盘机、移动硬盘等。

34. GIS的硬件组成 直到20世纪70年代末，各种信息系统的计算机硬件配置系统还很简单，主要是基于集中式方案（centralized scheme）的配置，其数据存储和处理功能都集中于主机，其各种外围设备，如终端、图形工作站和爷图仪等也都连接在主机上，所能实现的功能非常有限.

35. GIS的硬件组成 • 20世纪80年代后期，计算机硬件和软件技术突飞猛进的发展，为计算机系统的配置提供了许多新的机会和选择。计算机主机上的计算处理功能与数据相分离的分布式系统（distributed system）概念，已经对有关地理数据管理系统设计和配置产生重要影响。 • GIS硬件配置如图1-3所示。

36. GIS硬件配置

37. GIS的硬件组成 近年来，随着计算机技术和Internet的日益普及应用，InternetGIS逐渐兴起并发展壮大，因此GIS学术界认为网络设备也是GIS硬件组成的重要部分。在网络模式下地理信息系统的硬件组成如图1-4所示。

38. 网络模式下地理信息系统的硬件组成

39. GIS的软件组成 GIS软件系统的处理对象是复杂的空间数据及空间对象之间的空间关系，空间数据的复杂性决定GIS软件系统的复杂性。GIS软件系统主要由系统软件、基础软件、GIS软 件三部分组成。其结构如图1-5所示。

40. GIS软件系统组成

41. GIS的软件组成 GIS软件 专指基于系统软件与基础软件之上的图形处理软件，如ESRI公司ArcGIS软件系列的ArcMap软件、AutoDesk公司开发的基于AutoCAD的AutoMapGIS软件、Intergraph公司的基于MicroStation的MGE GIS软件等。

42. GIS的软件组成 基础软件 主要指与GIS相关的空间数据管理软件，如数据库软件。流行数据库软件主要有Oracle、Sybase、Informix、DB2、SQL Server等。目前一个有发展前景的模型:面向对象数据模型，可实现图形和属性数据的联合管理。Orac1e、Informix、Ingress等关系数据库管理软件都相继增加了空间数据类型，而ESRI公司的SDE（spatia1 database engine）也是基于关系数据库的空间数据管理平台。

43. GIS的软件组成 系统软件主要是计算机的操作系统以及各种标准外设的驱动软件，目前流行的有Windows NT／2000／XP／2003、UNIX、Linux等。系统软件关系到GIS软件和开发语言使用的有效性，是GIS软硬件环境的重要组成部分、基础部分。

44. 我国GIS领域的研究现状 我国在GIS技术系统领域起步虽晚，但发展迅速。20世纪80年代中期以来，国家组织了若干项有关GIS技术系统研发的重大科技攻关项目；国家科技部、国家遥感中心等部门开展对国产GIS软件的年度测评工作；国家自然科学基金委员会则积极展开对面向GIS技术系统的基础理论和技术方法研究立项工作。这些工作有力地推动了我国GIS事业的发展。

45. 我国GIS领域的研究现状 国内GIS领域的研究现状与发展趋势概括起来主要表现为以下几个方面。 1.科学技术研究 目前，国内GIS技术系统已经向着多用户与分布式体系的方向发展；已经开始采用国际先进的空间数据与属性数据在商用扩展RDBMS下的一致性管理技术；组件化的GIS技术不断发展，开放程度不断增大，开始向以数据为中心过渡，并实现了较低层次的B／S结构。

46. 我国GIS领域的研究现状 在空间查询语言方面，北京大学、武汉测绘科技大学设计了空间、属性数据一体化查询语言GSQL，并在查询优化方面做出了有意义的贡献。 在WebGIS方面，一些研究单位和软件企业基于WWW的时空分布式协同空间决策支持系统，集成了分布式数据库、分布式计算、计算机协同工作、空间决策模型等技术，其原型系统实现了Web GIS由在线制图和在线查询向在线空间分析和决策支持的发展。

47. 我国GIS领域的研究现状 在多源空间数据融合和空间数据仓库构建方面，国内一些机构进行了有意义的研究和探索，并取得了积极的成果。在空间、属性数据一体化存储机制方面，国内有多家科研和开发机构都开展了一系列的研究工作。在数据共享与互操作方面，国内已完成了OpenGIS的概念平台原型，建立了互操作协议的初级模型。在三维空间数据处理方面，国内已经取得了局部的理论成果，国家基础地理信息中心做了有意义的尝试．灵图公司的三维空间数据显示分析软件LTVR Map表现出了相当高的水平，占领了军方电子沙盘对抗的市场。

48. 我国GIS领域的研究现状 2.GIS软件产品 目前，国内基于PC平台的GIS软件产品整体水平已与国外同类软件产品接近。例如，JX系列、VirtuoZo数据采集软件系统初步形成了产业化; MapGIS的缓冲区分析速度较快；Geostar在DEM数据处理方面有一定的优势：在技术升级方面，国产GIS软件组件化的工作已经接近尾声，功能和性能大部分已务实现了组件化。

49. 我国GIS领域的研究现状 例如，GeoStar推出了组件化的初级产品GeoMap；MapGIS的网络分析组件已经广泛应用于城市设施和电信管理，以其运行速度快受到用户好评：SuperMap、MapEngine、TopMap等一批组件化GIS软件在市场上已经崭露头角：GeoBeans虽在某些方面尚不够完善，但开始在国内应用。在专业化方面，国内AM\FM开发平台GROW在电力领域应用具有明显的优势。在电信领域，MapGIS的电信平台在围内实现了省会城市级的全面电信管理，并与电信“九七”工程软件对接.

50. 我国GIS领域的研究现状 3.GIS应用与产业化发展 GIS技术系统在城市规划、土地管理、交通、电力、电信、地下管网等领域都得到了广泛的应用，其产业化经济发展初具规模。主要表现为：国家和一些地区加强了对空间基础设施的建设，并为发展以GIS为核心的应用系统提供了一批基础地理框架数据；