四川师范大学地信概论（1-绪论）90分以上版本

第一章概论
1.1 GIS基本概念
1.1.1基本概念
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 (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。信息具有客观性、适用性、可传输性、共享性。
数据与信息的联系和区别；信息来源于数据，是数据内涵的意义和对数据的内容的解释。信息是一种客观存在，而数据是客观对象的一种表示，其本身并不是信息。数据所蕴涵的信息不会自动呈现出来，需要利用某种技术，如统计、解译、编码以地理信息技术等对其解释，信息才能呈现出来。例如，从测量数据中通过量算和分析可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息，从遥感图像数据中通过解译可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。
地理数据 (geographic data) 是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等总称。
地理数据是对各种地理特征和地理现象之间关系的数字化表示。
地理数据特征；
(1)空间分布性—空间定位，先定位后定性，属性多层次，空间数据库的分布于更新对应也是分布式
(2)时间序列性
(3)数据海量性 —空间特征、属性特征、时间特征兼具
(4)载体多样性—地理实体/现象的物质与能量、符号信息载体、物理介质载体
(5)位置与属性对应性—二者相互依赖，缺一不可，有属性必有位置，反之亦然
地理信息 (geographic information) 是有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征和地理现象之间关系的地理数据的解释。
基本特征：信息的客观性、适用性、可传输性和共享性
独特特征：
（1）空间相关性—与距离成反比，具有区域性特点
（2）空间区域性—数据的分区组织；应用面向区域
(3)空间多样性—不同区域地理数据变化趋势、对地理信息的需求不同
（4）空间层次性—同一区域地理对象多重属性；空间尺度多重性
地理空间分析三大基本要素；空间位置（几何数据）、属性特征(非空间数据)、时域特征
1.1.2 信息系统
信息系统（information system）是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。在计算机时代信息系统都部分地或全部地由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。智能化的信息系统还包括知识。智能化的信息系统是当今世界信息系统的主要发展趋势。非空间信息系统处理常规事务性数据（不含空间特征），空间信息系统处理带有位置特征的数据(含属性数据)。
计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备;
软件是支持数据信息的采集、存贮加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统;
数据则是系统分析与处理的对象,构成系统的应用基础;
用户是信息系统所服务的对象。
1.1.3 地理信息系统
地理信息系统（Geographic Information System或Geo-Information System，简称GIS）既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，又是一项工程应用技术，它是以地学原理为依托，在计算机软硬件的支持下，研究空间数据的采集处理存储管理分析建模显示的相关理论方法和应用技术，以解决复杂的管理、规划和决策等问题。
地理信息系统的内涵
（1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，并由若干个相互关联的子系统构成。
(2)GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有空间位置和空间形态特征并且能够很好地表达地理实体和地理现象的基本元素。（空间数据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、定量的描述，这是GIS区别于其他信息系统最根本标志。）
(3)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，实现地理空间过程的模拟和预测。
（4）GIS与测绘学和地理学等学科有着密切的关系。
地理信息系统的基本特征
（1）数据的空间定位特征
（2）空间关系处理的复杂性
地理信息的属性数据/信息：除空间位置及关系外的所有描述地理现象或人文属性的定性或定量的数据信息。
图形操作和同时属性数据一一对应处理的复杂性
数据管理—一般事务性数据是定长数据，而空间数据是不定长数据
（3）海量数据管理的能力→系统运转、数据组织、网络传输等技术难题
管理对象地理数据是空间数据和属性数据的综合体，具有海量性
空间分析不断产生新空间数据，也具有海量特征
应用模型是常规GIS功能之外的，满足各行各业的GIS应用需求而定制开发的GIS模型。
数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一处理地球问题和最大限度地利用信息资源。
1.1.4 地理信息系统外延
GIS是计算机、测绘、地理等学科的综合体。GIS处理空间数据和空间信息，处理过程基于计算机，强调学科的综合空间数据的继承和处理。
1.2 GIS的功能
GIS实现了对空间数据的采集、编辑、存储、管理、分析及表达等处理过程，并基于此过程获得了更加有用的地理信息与知识。此处“有用的地理信息与知识”可以概括为5个基本问题：位置、条件、趋势、模式、模拟。
1.2.1 GIS的基本功能需要
位置—简单的空间查询技术
条件—属性信息列出条件表达式，查找满足条件的地理对象
趋势—某地发生某事及其随时间变化过程
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，如地面气温随海拔升高而导致山地自然景观呈现垂直地带分异的模式。
模拟—在趋势和模式的基础之上，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。
1.2.2 GIS的基本功能
为实现对上述问题的求解,GIS首先要重建真实地理环境，而地理环境的重建需要获取各类空间数据(数据获取)，这些数据必须准确可靠(数据编辑与处理),并按一定的结构进行组织和管理(空间数据库)，在此基础上,GIS还必须提供各种求解工具(空间分析)，以及对分析结果的表达(数据输出)。因此，一个GIS应该具备以下基本功能。
1、数据采集功能
数据是GIS的血液，贯穿于GIS的各个过程。数据采集是GIS的第一步，即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。GIS应该尽可能提供与各种数据采集设备的通讯接口。
2、数据编辑与处理
通过数据采集获取的数据称之为原始数据，原始数据不可避免含有误差。为保证数据在内容、逻辑、数值上的一致性和完整性，需要对数据进行编辑、格式转换、拼接等一系列的处理工作。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。
3、数据存储、组织与管理
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。
4、空间查询和空间分析
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。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。
空间分析和应用分析是两个层面上的内容。GIS 所提供的是常用的空间分析工具如查询、几何量算、缓冲区建立、叠置操作、地形分析等，这些工具是有限的，而应用分析却是无限的，不同的应用目的可能构建不同的应用模型。GIS空间分析为建立和解决复杂的应用模型提供了基本工具,因此GIS空间分析和应用分析是“零件”和“机器”的关系,用户应用GIS解决实际问题的关键，就是如何将这些零件搭配成能够用来解决问题的“机器”’。
5、数据输出与可视化表达
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。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。还有设计报表输出属性数据，将输出结果在显示机、打印机、绘图仪或数据文件输出，GIS应该有驱动这些设备的能力。
应用模型与系统开发
随着GIS在各行各业的应用越来越广泛，常规GIS无法满足各类型的应用需求。因此，GIS也具有相应二次开发功能，用于开发满足特定行业需求的应用模型或应用软件系统。GIS的二次开发功能包通常会提供完整的API和开发环境
1.3 GIS的组成
GIS功能的实现需要一定的环境支持，GIS运行环境包括计算机硬件系统、软件系统、地学模型、网络、空间数据和管理与应用人员五大部分。
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、光的原件或装置。GIS硬件系统包括输入设备、处理设备、存储设备和输出设备4部分。后三者设备与一般信息系统并无差别，而输入设备除常规设备之外还包括空间数据采集的专用设备如全球定位系统(global positioning system,GPS)、全站仪、数字摄影测量等。
2、软件系统
软件系统是指GIS运行所必需的各种程序，通常包括GIS支撑软件、GIS平台软件和GIS应用软件三类：
GIS支撑软件是指GIS运行所必需的各种软件环境。如操作系统、数据库管理系统、图形处理系统等。
GIS平台软件包括GIS功能所必需的各种处理软件和扩展开发包。一般包括空间数据输入与转换、空间数据编辑、空间数据管理、空间数据查询与分析、制图与输出这GIS五大子系统。
GIS应用软件一般是在GIS平台软件的基础上，通过二次开发所形成的具体的应用软件, 一般是面向应用部门的。
3、空间数据
数据是GIS的核心内容，有人将它称之为GIS的血液。地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文件、表格和数字等。是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或者其他通信系统输入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。不同用途的GIS其地理空间数据的种类和精度都不同。
4 、地学模型
GIS的地学模型是根据具体的地学目标和问题，以GIS已有的操作和方法为基础，构建能够表达或模拟特定现象的计算机模型。
5 、人员
人员是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行和维护的整个生命周期，都离不开人的作用。仅有系统的软硬件、数据和模型构不成完整的地理信息系统，需要人对系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩展完善、应用程序开发，并灵活应用地理分析模型提取多种树信息，为研究和决策服务。包括系统开发人员、软件设计人员、数据维护人员、科学研究人员、项目管理人员。
6、网络
GIS网络的主要作用是信息传输。GIS网络形式有局域网(Local Area Network,LAN)、广域网（Wide Area Network,WAN）、无线网络和Internet/Intranrt/Extranet等。
1.4 GIS与其他学科之间的关系
1与其他学科的关系
城市规划图文一体化工作管理是GIS和OA的典型结合
解决道路拓宽中拆迁指标的计算问题，可应用的空间分析方法是缓冲区分析
测绘学和遥感技术为GIS提供了快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，且他们中许多理论和算法可以直接用于空间数据的变换、处理。
2与其他信息系统的区别
计算机制图、计算机辅助设计、数据库管理系统、遥感图像处理技术奠定了地理信息系统的技术基础。地理信息系统是这些学科的综合，它与这些学科和系统之间既有联系又有区别，为更好地理解GIS，需要知道GIS与这些系统之间的区别：
GIS与机助制图系统的区别与联系数据编辑与处理
GIS与数据库管理系统的区别与联系空间查询与空间分析
GIS与CAD的区别与联系应用模型与系统开发
GIS与遥感图像处理的系统区别与联系
1.5 GIS应用范畴
测绘、地图制图、资源管理、灾害监测、环境保护、精细农业、电子商务、电子政务、城乡规划与管理、交通运输、人口管理、宏观决策、国防、军事、公安、急救
医疗、卫生
1.6 GIS的发展历程
我国地理信息系统的发展自20世纪(70年代 )起步
1、试论述空间数据在地理信息系统中的作用和地位
地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文件、表格和数字等。由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通信系统输入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。不同用途的GIS其地理间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括3种互相联系的数据类型：
（1）某个己知坐标系中的位置：即几何坐标，标识地理实体和地理现象在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。
（2）实体间的空间相关性：即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络节点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。
（3）与几何位置无关的属性：即常说的非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体和地理现象相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级。定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等；定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体和地理现象至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。
地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统的空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。
2、地理信息技术的出现和发展，对地理学和测绘学产生了哪些重要的影响？
GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。
大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数据；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。
地理学是GIS的理论依托。
有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。
GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。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。

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