第八章 地理信息系统基础

第八章地理信息系统基础第一节地理信息系统概述一、GIS的概念地理信息系统（GIS，Geographical Information System）的定义是由两个部分组成。

一方面，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；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。

地理信息系统具有以下三个方面的特征：第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能快速、准确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

二、地理信息系统的构成与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。

其核心部分是计算机软硬件系统，空间数据反映GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。

（扫图：9页图1－4）三、GIS的主要功能（一）数据采集与编辑主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容和时间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。

（二）数据处理初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。

（三）数据存储与组织这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。

（四）空间查询与分析空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能，空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。

模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。

（五）图形与交互显示地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。

一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。

（六）二次开发与编程四、GIS的发展历程地理信息系统脱胎于地图，他们都是地理信息的载体，具有获得、存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。

它的发展经历了四个阶段：上世纪60年代的开拓发展阶段、70年代的巩固阶段、80年代的突破阶段、90年代的社会化阶段。

（详见22页）第二节地理信息系统空间数据采集与数据结构一、GIS数据种类与形式空间数据是GIS的核心，也是GIS的操作对象。

因此，设计和使用GIS的第一步就是根据系统的功能，获取所需要的空间数据，并创建空间数据库。

GIS中的数据来源和数据类型繁多，概括起来主要有以下几种类型：1、地图数据来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别或属性清晰，实测地形图还具有很到的精度。

2、影像数据主要来源于卫星遥感和航空遥感。

3、地形数据来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型和其他实测的地形数据等。

4、属性数据来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。

5、元数据来源于由各类纯数据通过调查、推理、分析和总结得到的有关数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。

空间数据根据表示对象的不同，又具体分为其中类型（扫图：《黄杏元》31页）。

二、GIS空间数据采集与编辑处理数据处理涉及的内容很广泛，主要取决于原始数据的特点和用户的具体要求，一般包括数据变换、数据重构、数据提取等内容。

数据变换是数据从一种数学状态到另一种数学状态的变换，包括几何纠正、投影转换和辐射纠正等，以解决空间数据的几何配准和数据库之间的对应关系。

数据重构是指数据从一种格式到另一种格式的转换，包括结构转换（栅格与矢量的转换）、格式转换（遥感与GIS格式的融合）、类型替换等，以解决空间数据在结构、格式和类型上的统一，实现多源和异构数据的联结与融合。

数据提取是指对数据进行某种有条件的提取，包括类型提取、窗口提取、空间内插等，以解决不同用户对数据的特定需求。

三、GIS空间数据结构空间数据结构一般分为基于矢量模型的数据结构和基于栅格模型的数据结构。

（一）矢量数据结构矢量数据结构是利用几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。

矢量数据是面向地物的结构，即对于每一个具体的目标都直接赋有位置和属性信息以及目标之间的拓扑关系说明。

但矢量数据仅有一些离散点的坐标，在空间表达方面没有直接建立位置与地物之间的关系，如多边形的中间区域的“洞”或“岛”，其间的任何点并没有与某个地物发生联系。

（二）栅格数据结构栅格数据结构是将空间分割成有规则的网络，在各个网络上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。

在栅格数据中，点由一个单元网格表示，其数值与近邻网格值明显不同；线段由一串有序的相互连接的单元网格表示，各个网格的值比较一致，但与领域的值差异较大；多边形则由聚集在一起的相互连接的单元网格组成，区域内部的网格值相同或差异较小，但与领域网格的值差异较大。

栅格数据结构表示的是二维表面上地理要素的离散化数值，每个网格对应一种属性，其空间位置用行和列标识。

栅格数据是面向位置的结构，平面空间上的任何一点都直接联系到某一个或某一类地物。

但对于一个具体的目标又没有直接聚集所有的信息，只能通过遍历栅格矩阵逐一寻找，它也不能完整地建立地物之间的拓扑关系。

两种数据结构的优缺点四、GIS设计与评价（一）GIS设计地理信息系统按其功能和内容，分为工具型地理信息系统和应用型地理信息系统。

这里的系统设计是指应用型地理信息系统的设计。

所谓应用型地理信息系统，是指在工具型或基础型地理信息系统的基础上，经过二次开发，建成满足专门用户解决一类或多类实际问题的地理信息系统。

因此，应用型地理信息系统的主要特点是：它具有特定的用户和应用目的，具有为满足用户专门需求而开发的地理空间实体数据库和应用模型，它继承工具型地理信息系统开发平台提供的大部分功能和软件，以及具有专门开发的用户应用界面等。

应用型地理信息系统的设计，大致可以分为四个主要阶段，即系统分析、系统设计、系统实施、系统运行与维护。

（扫图：《黄杏元》230页）1、系统分析系统分析的任务是对系统用户进行需求调查和可行性分析，最后提出新系统的目标和结构方案。

用户需求调查即调查系统用户对开发的GIS系统的功能要求和信息需求情况。

具有调查内容有：Who——谁使用该系统，该系统的用户结构如何，哪些是直接用户，哪些是间接用户，哪些是最终用户，哪些是潜在用户。

What——新系统是做什么用的，它需要具备哪些功能，它应能解决和处理哪些类型的问题。

Why——为什么需要具有这些功能和条件，具有这些功能以后与常规的业务流程有哪些不同和优越性，对现行系统和建立的新系统从功能、效率、效益等方面做详细调查及对比研究等。

Where——建立新系统所需要的资源从哪里获取，特别是数据资源能否得到保证，以及解决系统硬件和软件的途径等。

Quality——指具体的技术指标、性能要求和可靠性要求，例如数据精度、运行速度、系统安全保障机制等。

进一步地，要对这些需求进行可行性分析，着重从社会、技术和经济三打要素分析开发新系统的可行性，确定哪些需求可以实现，哪些需求需要调整和简化，哪些需求作为近期目标或远期目标等。

2、系统设计A总体设计，其主要内容包括用户需求、系统目标、总体结构、系统配置、数据库设计、系统功能、经费和管理等。

（扫图：《黄杏元》233页上面的图）B 详细设计，其主要内容包括子系统设计、数据库设计、功能模块设计、用户界面设计等。

3、系统实施是在系统设计的原则指导下，按照详细设计方案确定的目标、内容和方法，分阶段、分步骤完成系统开发的过程。

其主要内容包括系统硬件和软件的引进及调试、系统数据库建立、应用管理系统开发、系统测试和联调、系统验收和鉴定。

4、系统运行与维护（二）GIS的评价所谓系统评价就是从技术和经济两个大的方面对所设计的地理信息系统进行评定。

基本做法是将运行着的系统与预期目标进行比较，考察是否达到了系统设计时所预定的效果。

然后对以下各项进行逐一审议和考核：1、系统效率地理信息系统的各种职能指标、技术指标和经济指标均是系统效率的反映。

例如系统能否及时地向用户提供有用信息？所提供信息的精度如何？系统操作是否方便？等等。

2、系统可靠性是指系统在运行时的稳定性，一般很少发生事故，即便发生也能很快修复。

可靠性还包括系统有关的数据文件和程序是否妥善保存，系统是否具有后备体系等。

3、可扩展性一个系统建成后，要使在现行系统上不做大改动或不影响整个系统结构，就可在现行系统上增加功能模块，这就必须在系统设计时留有接口，否则，当数据量增加或功能增加，系统就要推倒重建，这就是一个没有生命力的系统。

4、可移植性一个有价值的地理信息系统的软件和数据库，不仅在于它自身结构的合理，而且在于它对环境的适应能力，即它们不仅能在一台机器上使用，而且能在其他型号设备上使用。

要做到这一点，系统必须按照国家规范标准设计。

5、系统的效益系统的效益包括经济效益和社会效益。

目前，地理信息系统还处于发展阶段，由它产生的经济效益并不显著，可着重从社会效益上进行评价，比如信息共享的效果、数据采集和处理的自动化水平、系统智能化技术的发展、系统决策的定量化和科学化、系统解决新课题的能力等等。

五、GIS的应用（一）资源管理资源的清查、管理和分析是GIS应用最为广泛的领域，也是目前趋于成熟的主要应用领域，包括森林和矿产资源的管理、动物的保护、土地资源潜力的评价和土地利用规划等。

系统的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，GIS可以管理大型的地理数据库，最终用户通过GIS的客户端软件，可直接对数据库进行查询、显示、统计、制图，以及提供区域多种组合条件的资源分析，为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。

（二）区域规划城市与区域规划具有高度的综合性，涉及资源、人口、环境、交通、经济、教育、文化等因素，规划人员需要切实可行、实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供功能强大的工具，例如规划人员利用GIS对交通流量、土地利用和人口数据进行分析，预测将来的道路等级；GIS软件帮助政府部门完成总体规划、分区，现有土地利用、分区一致性，空地、开发区和设施位置等分析工作，是实现区域规划科学和满足城市发展的重要保证。