地理信息系统 Geographic Information System 徐斌 长安大学

关于这门课 课程特点： 《地理信息系统》是一门综合性较强的课程，知识点多，具有学科与技术的统一性、发展与内容更新的快速性、多学科集成（地理学、地图学、测绘学、遥感科学、计算机科学、数据库、信息科学等）、渗透性较强、空间抽象性强、研究对象的空间尺度变化大，应用范围广等特点。

关于这门课 课程教学目标： 通过《地理信息系统》课程的学习，使学生掌握地理信息系统的基本概念、空间数据的采集、处理与组织、GIS空间分析的原理方法、GIS设计的技术方法等内容，并掌握常用GIS软件的操作，具备解决学科领域专业问题的基本能力。

关于这门课 教学方法： 1. 多媒体课件演示 2.自学和讨论 3.上机实习 教学组织方式： 1.课堂授课: 本课程的基础知识部分主要通过课堂授课方式进行组织。 2.上机实习课: 结合理论知识，培养学生使用GIS软件的实际动手能力。

关于这门课 学时安排： 理论课30，上机实习20 考核方式： 理论考试60%，上机操作30%，平时10%

教材与参考文献 教材： 汤国安 《地理信息系统教程》 参考文献： 龚健雅 《地理信息系统基础》 基础知识： 汤国安 《地理信息系统教程》 参考文献： 龚健雅 《地理信息系统基础》 邬伦 《地理信息系统——原理、方法和应用》 Kan-tsung Chang(张康聪) 《地理信息系统导论》（译） 汤国安 《ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程》 基础知识： 地图学，计算机基础知识、数据库原理 　　

网络资源 http://www.esrichina-bj.cn/ http://www.esri.com/ http://www.mapgis.com.cn/ http://www.3snews.net/ http://www.gissky.net/ http://www.gissky.com/ http://www.gisforum.net/ http://www.gisempire.com/ http://www.gispub.com.cn/http://www.esri.com/ http://www.digitalearth.net.cn/ http://www.digitalearth.gov/ http://www.othermap.com/ 　　

地理信息系统 Geographic Information System 第一章 概论

主要内容 1.1 GIS基本概念 1.2 GIS功能 1.3 GIS组成 1.4 GIS类型 1.5 GIS与其他学科的关系

1.1  GIS基本概念 1.1.1 信息与地理信息 数据：数据（Data）是人类在认识世界和改造世界过程中，定性或定量对事物和环境描述的直接或间接原始记录，是一种未经加工的原始资料，是客观对象的表示。 信息：信息（Information）是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、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。

1.1.1 信息与地理信息 信息具有以下特点： 客观性：任何信息都是与客观事实紧密相关的，这是信息正确性和精确度的保证； 实用性：信息对决策是十分重要的，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； 传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备（包括远程终端）和以一定的形式或格式提供给有关用户，也包括信息在系统内各个子系统之间的流转和交换，如网络传输技术； 共享性：信息与实物不同，信息可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。

1.1.1 信息与地理信息

1.1.1 信息与地理信息 地理数据：是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。 地理信息：地理信息是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，它是对地理数据的解释。

1.1.1 信息与地理信息 地理数据及其特征： 地理特征和现象的数据描述包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。 空间位置数据 属性数据 时间 地理数据具有空间上的分布性、数据量上的海量性、载体的多样性和位置与属性的对应性等特征。

1.1.1 信息与地理信息 地理信息特征：在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。 地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性： 1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识； 2）多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构； 3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。

1.1  GIS基本概念 1.1.2 信息系统 概念：信息系统是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。 四大要素 图1-2：信息系统的组成

1.1.2 信息系统 信息系统类型： 空间信息系统和非空间信息系统 事务处理系统、管理信息系统、决策支持系统等系统

1.1  GIS基本概念 1.1.3 地理信息系统 GIS（Geographic Information System） 定义：是一种特定的十分重要的空间信息系统，是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。 地理信息系统是对空间数据进行采集、编辑、存储、分析和输出的计算机信息系统。 地理信息科学——从学科角度

1.1.3 地理信息系统 基本内涵如下： GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的结构及其优劣程度直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。 GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体和地理现象。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。 GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。 GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。

1.1.3 地理信息系统 基本特征： （1）数据的空间定位特征： 空间位置特征是地理空间数据有别于其他数据的本质特征。 （2）空间关系处理的复杂性： 地理信息系统除要完成一般信息系统的工作外，还要处理与之对应的空间位置和空间关系，以及与属性数据的一一对应处理。 空间关系处理的复杂性另一技术难点是数据的管理。 （3）海量数据管理能力： 地理信息系统海量数据特征来自两个方面，一是地理数据；另外则来自空间分析。

1.1  GIS基本概念 1.1.4 地理信息系统外延 地理信息系统术语 地理信息系统定义 GIS中“S”含义的演变

1.2  GIS功能 地理信息系统将现实世界从自然环境转移到计算机环境，其作用不仅仅是真实环境的再现，更主要的是GIS能为各种分析提供决策支持。也就是说，GIS实现了对空间数据的采集、编辑、存储管理、分析和表达等加工处理，其目的是从中获得更加有用的地理信息和知识。这里“有用的地理信息和知识“可归纳为位置、条件、趋势、模型和模拟等五个基本问题，GIS的价值和作用就是通过地理对象的重建和空间分析工具，实现对这五个基本问题的求解。

1.2  GIS功能 1.2.1 基本功能需求 1、位置 位置问题回答“某个地方有什么？”，一般通过地理对象的位置（坐标，街道编码等）进行定位，然后利用查询获取其性质，如建筑物的名称、地点、建筑时间、使用性质等。位置问题是地学领域最基本的问题，反映在GIS中，则是空间查询技术。 2、条件 条件问题即“符合某些条件的地理对象在哪里”的问题，它通过地理对象的属性信息列出条件表达式，进而查找满足该条件的地理对象的空间分布位置。在GIS中，条件问题虽也是查询的一种，但是较为复杂的查询问题。 3、趋势 趋势即某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程。它要求GIS能根据已有的数据（现状数据、历史数据等），能够对现象的变化过程做出分析判断，并能对未来做出预测和对过去做出回溯。例如土地地貌演变研究中，可以利用现有的和历史的地形数据，对未来地形做出分析预测，也可展现不同历史时期的地形发育情况。 4、模式 模式问题即地理对象实体和现象的空间分布之间的空间关系问题。例如，城市中不同功能区的分布与居住人口分布的关系模式；地面海拔升高、气温降低，导致山地自然景观呈现垂直地带分异的模式等。 5、模拟 模拟即某个地方如果具备某种条件会发生什么问题，是在模式和趋势的基础上，建立现象和因素之间的模型关系，从而发现具有普遍意义的规律。例如通过对某一城市的犯罪几率和酒吧、交通、照明、警力分布等基础上，对其他城市进行相关问题研究，一旦发现带有普遍意义的规律，即可将研究推向更高层次：建立通用的分析模型进行未来的预测和决策。

1.2.2 GIS的基本功能 数据采集功能：通过各种数据采集设备如数字化仪、全站仪、调查等来获取现实世界的描述数据，并输入GIS系统。

1.2.2 GIS的基本功能 数据编辑与处理：GIS系统应该提供强大的、交互式的编辑功能，包括图形编辑、数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩、图形数据与属性数据的关联等内容。

1.2.2 GIS的基本功能 数据存储、组织与管理功能：计算机的数据必须按照一定的结构进行组织和管理，才能高效的再现真实环境和进行各种分析。由于空间数据本身的特点，一般信息系统的中数据结构和数据库管理系统并不适合管理空间数据，GIS必须发展自己特有的数据存储、组织和管理的功能。

1.2.2 GIS的基本功能 空间查询与空间分析功能：虽然数据库管理系统一般提供了数据库查询语言，如SQL语言，但对于GIS而言，需要对通用数据库的查询语言进行补充或重新设计，使之支持空间查询。例如查询与某个乡相邻的乡镇穿过一个城市的公路、某铁路周围5km的居民点等，这些查询问题是GIS所特有的。所以一个功能强大的GIS软件，应该设计一些空间查询语言，满足常见的空间查询的要求。空间分析是比空间查询更深层次的应用，内容更加广泛，包括地形分析、土地适应性分析、网络分析、叠置分析、缓冲区分析、决策分析，等等。随着GIS应用范围扩大，GIS软件的空间分析功能将不断增加。

1.2.2 GIS的基本功能 数据输出功能：通过图形、表格和统计图表显示空间数据及分析结果是GIS项目的必须。作为可视化工具，不论是强调空间数据的位置还是分布模式乃至分析结果的表达，图形是传递空间数据信息最有效的工具。GIS脱胎于计算机制图，因而GIS的一个主要功能就是计算机地图制图，包括地图符号的设计、配置与符号化、地图注记、图幅整饰、统计图表制作、图例与布局等项内容。此外对属性数据也要设计报表输出，并且这些输出结果需要在显示器、打印机、绘图仪或数据文件输出。GIS软件亦应具有驱动这些设备的能力。

1.3  GIS组成 1.3.1 硬件系统 计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，是GIS的物理外壳，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置。 GIS硬件系统包括输入设备、处理设备、存储设备和输出设备四部分。

1.3.1 硬件系统 图形跟踪数字化仪

1.3.1 硬件系统 自动图形扫描仪

1.3.1 硬件系统 绘图仪

1.3.1 硬件系统 矢量绘图仪直接以矢量方式工作，它通过一系列的命令来操纵绘图笔进行绘制，它可以达到很高的输出分辨率，但是实现时需要将地图数据全部转换为矢量格式，矢量绘图仪的另一个不足是输出复杂的地图时，需要时间较长

1.3.1 硬件系统 栅格式绘图仪主要是喷墨式绘图仪。 关键部件为喷墨头 绘图仪

1.3.1 硬件系统 打印机

1.3.1 硬件系统

1.3.2 软件系统 软件系统是指GIS系统运行所必需的各种程序（图1.9所示），通常包括以下GIS系统支撑软件、GIS系统平台软件和GIS系统应用软件三类。

1.3.3 空间数据 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。 （1）某个已知坐标系中的位置 （2）实体间的空间相关性 （3）与几何位置无关的属性

1.3.4 人员 人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。

1.3.5 网络 GIS中网络的主要作用信息传输。

1.4  GIS类型 1.4.1 按GIS功能 从功能角度上，GIS可分为应用功能和软件功能两大类，前者强调GIS的社会服务功能，可再分为工具型GIS、应用型GIS和大众化GIS三类，后者侧重GIS软件自身功能，一般分为专业GIS、桌面GIS、手持GIS、组件GIS、GIS浏览器几类。

1.4.2 按数据结构 从数据结构上，GIS可以分为矢量GIS、栅格GIS和矢量-栅格GIS三种类型，这种划分是以GIS系统的主要数据处理和管理对象为依据的。 矢量数据形式表达 栅格数据形式表达

1.4.3 按数据维数 从数据维数的角度，GIS可分为2D GIS、3D GIS和时态GIS（Temporal GIS，TGIS）等类型。 2DGIS 3DGIS TGIS

1.4.4 按开发模式与支撑环境 按软件开发模式和支撑环境，GIS软件可分为GIS模块、集成式GIS、模块化GIS、核心式GIS、组件式GIS和WebGIS以及互操作GIS等几种类型

1.5  GIS与其他学科关系 1.5.1 与其他学科关系

1.5.2 与其他系统的区别、联系 GIS与机助制图系统的区别与联系 GIS与数据库管理系统的区别与联系 GIS与CAD的区别与联系 GIS与遥感图像处理的系统区别与联系

1.6  GIS应用范畴 测绘、资源、环境、经济、工业、农业、商业、军事等

1.7  GIS发展历程 地理信息系统的开拓期（50-60年代） 地理信息系统的巩固发展期（70年代） 地理信息系统技术大发展时期（80年代） 地理信息系统的应用普及时代（90年代至今）

小结 信息与数据的概念、关系 地理信息、地理数据、地理信息系统 地理信息系统的功能、组成 地理信息系统与其他系统的区别和联系

作业 思考题：     地理信息系统在你所学的学科领域中发挥了什么样的作用？