《GIS開發(fā)與應用》第一講

1、GIS開發(fā)與應用開發(fā)與應用第一講 馮增才Geographical Information System Development and Application本次課的授課內容及重點難點緒論國內外GIS軟件介紹地理學知識地理學知識授課內容重點難點地理學知識應了解國內外常用的GIS軟件；掌握地理學的基本知識l第一章 緒論l第二章 國內外GIS軟件介紹l第三章 地理學知識什么是地理信息系統(tǒng)？ 地理信息系統(tǒng)，簡稱GIS（Geographic Information System）。顧名思義，地理信息系統(tǒng)是處理地理信息的系統(tǒng)。地理信息是指直接或間接與地球上的空間位置有關的信息，又常稱為空間信息。一般來說

2、，GIS可定義為：“用于采集、存儲、管理、處理、檢索、分析和表達地理空間數據的計算機系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數據的通用技術。從GIS系統(tǒng)應用角度，可進一步定義為：GIS由計算機系統(tǒng)、地理數據和用戶組成，通過對地理數據的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源評價與管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、經濟建設、城市規(guī)劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設計和規(guī)劃、管理決策服務（陳述彭，1999）。 第一章第一章 緒論緒論GIS的應用領域的應用領域GIS的應用領域： 資源管理，資源配置，城市規(guī)劃和管理，土地信息系統(tǒng)和地籍管理，生態(tài)和環(huán)境管理與模擬，應急響應，地學研究

3、與應用，商業(yè)與市場，基礎設施管理，選址分析，網絡分析，可視化應用，分布式地理信息應用。 第一章第一章 緒論緒論國外國外GIS的發(fā)展概況的發(fā)展概況l 120世紀世紀50年代的萌芽狀態(tài)年代的萌芽狀態(tài) 60年代末，加拿大建立了 世界上第一個地理信息系統(tǒng)加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)。稍后，美國哈佛大學研制出 SYMAP系統(tǒng)軟件。l 220世紀世紀60年代開拓發(fā)展階段年代開拓發(fā)展階段 1963年，加拿大測量學家RFTomlinson首先提出了“地理信息系統(tǒng)”這一術語，并建立了世界上第一個實用的地理信息系統(tǒng)加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)。 60年代中后期，地理信息系統(tǒng)發(fā)展的另一顯著標志是許多有關的組織和

4、機構紛紛建立，例如1966年美國成立城市和區(qū)域信息系統(tǒng)協會(URISA)，1969年又建立州信息系統(tǒng)全國協會(NASIS)，國際地理聯合會(IGU)于1968年設立了地理數據收集和處理委員會(CGDSP)。 第一章第一章 緒論緒論國外國外GIS的發(fā)展概況（續(xù)）的發(fā)展概況（續(xù)）l320世紀世紀70年代鞏固階段年代鞏固階段 由于計算機硬件和軟件技術的飛速發(fā)展，尤其是大容量存取設備(硬盤)的使用，為空間數據的錄入、存儲、檢索和輸出提供了強有力的手段。 此外，探討以遙感數據為基礎的地理信息系統(tǒng)逐漸受到重視 l420世紀世紀80年代突破階段年代突破階段 隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展和普 及，地理信息系統(tǒng)

5、也逐漸走向成熟。這一時期是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的重要時期。這一時期，很多國家制定了本國的地理信息系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，啟動了若干科研項目，建立了一些政府性、學術性機構，如美國于1987年成立了國家地理信息與分析中心(NCGIA)，英國于1987年成立了地理信息協會。 第一章第一章 緒論緒論l520世紀世紀90年代社會化階段年代社會化階段 進入20世紀90年代，隨著計算機和WINDOWS的迅速發(fā)展，以及圖形工作站性能價 格比的進一步提高，計算機在全世界迅速普及。一些基于WINDOWS和WINDOWS NT的 桌面GIS，如MAPINFO、ARCVIEW、GEOMEDIA等軟件以其界面友好、易學好用的獨特風格

6、，使GIS在很多行業(yè)得到了很好的應用 國外國外GIS的發(fā)展概況（續(xù)）的發(fā)展概況（續(xù)）第一章第一章 緒論緒論國內GIS的發(fā)展概況l120世紀世紀70年代的起步階段年代的起步階段 20世紀70年代初期，我國開始推廣電子計算機在測量、制圖和遙感領域中的應用。1977年誕生了第一張由計算機輸出的全要素地圖。所有這些為GIS的研制和應用作了技術上的準備。 l220世紀世紀80年代的試驗階段年代的試驗階段 進入80年代之后，我國執(zhí)行“六五”、“七五”計劃，國民經濟全面發(fā)展，很快對“信息革命”做出熱烈響應。在大力開展遙感應用的同時，GIS也全面進入試驗階段。1985年，中國科學院建立了“資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國

7、家級重點實驗室”，1988年和1990年原武漢測繪科技大學(現武漢大學)先后建立了“信息工程專業(yè)”和“測繪遙感信息工程國家重點實驗室”。 第一章第一章 緒論緒論l390年代的全面發(fā)展階段年代的全面發(fā)展階段 80年代末到90年代以來，隨著社會主義市場經濟的全面發(fā)展，我國的GIS步入快速發(fā)展階段。中國GIS基礎軟件與國外的差距迅速縮小，涌現出若干能參與市場競爭的地理信息系統(tǒng)軟件，如MAPGIS（中地），SUPERMAP（超圖）,VRMAP（靈圖）,CITYSTAR（北大），GEOSTAR（吉奧之星,武漢大學）等。 國內GIS的發(fā)展概況（續(xù)）第一章第一章 緒論緒論地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的相關學科的

8、相關學科l1地理學地理學它為地理信息系統(tǒng)提供了有關空間分析的基本觀點與方法，成為地理信息系統(tǒng)的基礎理論依托。地理學研究的是地球表面這個同人類息息相關的地理環(huán)境，地理學者曾用地理殼、景觀殼、地球表層等術語稱呼地球表面。它是地球各個層圈大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈和人類圈相互交接的界面，具有一定的面積和厚度。在地球表面，各種自然現象和人文現象組成一個宏大的地表綜合體。 第一章第一章 緒論緒論l2地圖學地圖學地圖學是研究有關地圖的理論體系和技術系統(tǒng)，及其應用的學科。在地圖學的發(fā)展歷史中，逐步形成了地圖學史、地圖投影學、地圖美學、地圖制圖學等若干分支學科和領域。 l3計算機科學計算機科學地理信息系統(tǒng)技

9、術的創(chuàng)立和發(fā)展是與地理空間信息的表達、處理、分析和應用手段的不 斷發(fā)展分不開的。20世紀60年代，在計算機圖形學的基礎上出現了計算機化的數字地圖。 計算機的數據庫技術、計算機輔助設計、計算機輔助制圖和計算機圖形學等與地理信息系統(tǒng) 有著密切的聯系 地理信息系統(tǒng)的相關學科（續(xù)）地理信息系統(tǒng)的相關學科（續(xù)）l4遙感技術（遙感技術（Remote Sensing ）遙感是一種不通過直接接觸目標物而獲得信息的一種新型的探測技術。它通常是指獲取和處理地球表面的信息，尤其是自然資源與人文環(huán)境方面的信息，并最后反映在像片或數字影像上的技術。遙感作為一種獲取和更新空間數據的強有力手段，能及時地提供準確、綜合和大范

10、圍內進行動態(tài)監(jiān)測的各種資源與環(huán)境數據，因此遙感信息就成為地理信息系統(tǒng)十分重要的信息源。 地理信息系統(tǒng)的相關學科（續(xù)）地理信息系統(tǒng)的相關學科（續(xù)）lMapInfo公司的軟件 MapInfo公司是美國著名的桌面GIS開發(fā)平臺，GIS產品主要有：MapInfo Professional、MapBasic、MapX、MapXtreme、Vertical Map等 。lESRI公司的軟件 ESRI是美國“環(huán)境系統(tǒng)研究機構”的簡稱， 它的產品統(tǒng)稱為ArcGIS（最初叫ARC/INFO) ArcGIS由四部分組成： 1、ArcGIS Desktop一個專業(yè)GIS應用的完整套件 2、ArcGIS Engine

11、為定制開發(fā)GIS應用的嵌入式開發(fā)組件 3、服務端GISArcSDE，ArcIMS和ArcGIS Server 4、移動GISArcPad第2章 國內外GIS軟件介紹 lAutoDesk公司的軟件 AutoDesk公司是世界著名的輔助設計軟件和三維動畫軟件的制造商如AutoCAD 3ds Max,盡管AutoCAD功能強大，但不具有GIS功能。最近幾年，該公式進軍GIS市場， 產品： Autodesk MapGuide Studio(基礎平臺） Autodesk MpaGuide Enterprise （開發(fā)web GIS) AutoCAD 3D (三維） 第2章 國內外GIS軟件介紹（續(xù)） l

12、北京SuperMap公司的軟件 SuperMap Deskpro 2008 開放式桌面平臺產品； SuperMap SDX+ 大型空間數據庫引擎； SuperMap iServer 2008 服務式GIS開發(fā)平臺； SuperMap Objects 2008 組件式GIS開發(fā)平臺； SuperMap IS .NET 2008網絡信息開發(fā)平臺； SuperNavigation Engine 2008 導航開發(fā)平臺； eSuperMap 2008 嵌入式GIS開發(fā)平臺；第2章 國內外GIS軟件介紹（續(xù)） l武漢中地數碼集團的軟件MAPGIS 中地數碼集團以中國地質大學吳信才教授為技術核心，自20世

13、紀80年代末開始從事GIS教學、科研和應用，走出了一條中國人GIS發(fā)展之路主要產品有： 1、MAPCAD彩色地圖編輯出版系統(tǒng) 2、基礎平臺MapGIS7.0 新一代全組件化地理信息系統(tǒng)，除了包含MAPCAD的所有功能外，還有如下功能：高性能的數據庫管理；DTM分析；實用的網絡分析；多源圖象分析 ；方便的二次開發(fā) 。l3、MAPGIS-IMS（Internet Map Server) 開發(fā)web GISl4、MapSuv測圖系統(tǒng) MAPGIS Digital Surveying And Mapping 第2章 國內外GIS軟件介紹（續(xù)） l北京靈圖公司系列軟件產品介紹主要產品有： 三維地理信息軟

14、件VrMap，支持OPENGL 和 DirectX 兩種 國際標準，提供了非常豐富、強大的場景制作功能，用戶可以非常輕松、快速的利用各類GIS數據、模型數據、科學計算數據，快速建立三維應用。另外VRMap 2.X 在產品的應用中不斷豐富了各類GIS分析工具、信息查詢手段，與傳統(tǒng)三維動畫、仿真完全不同 。 靈圖二維地理信息系統(tǒng)由以下幾個部分組成：SmrtMap平臺，SmrtMapX二次開發(fā)控件，SmrtExplorer進行二次開發(fā)也可以通過SmrtObjects底層平臺進行開發(fā)。 SmrtIMS是基于WEB的GIS應用，使用戶可以通過Web這種簡單易用的方式得到地理信息服務。在旅游、公交、醫(yī)療、

15、房地產、電子商務等等應用中，WebGIS可以使用戶更加快速、準確地了與空間位置有關的信息 第2章 國內外GIS軟件介紹（續(xù)） l北京朝夕公司北京朝夕公司Mapengine系列軟件系列軟件產品有：產品有：MeDesk桌面系統(tǒng) 矢量化軟件MeX 二次開發(fā)基礎控件Mebase -二次開發(fā)高級組件 內嵌mexMeIMS 網絡開發(fā)平臺MeGPS - GPS開發(fā)組件 第2章 國內外GIS軟件介紹（續(xù)） l武大吉奧公司軟件介紹 GIS基礎軟件平臺專業(yè)版基礎軟件平臺專業(yè)版GeoStar Professional GIS基礎軟件平臺桌面系統(tǒng) GeoStar Desktop GIS基礎軟件平臺二次開發(fā)套件 Geo

16、Star ObjectsWebGIS平臺軟件平臺軟件 GeoSurf WebGIS平臺軟件GeoSurf客戶端WebGIS平臺軟件GeoSurf服務器端Wedgies二次開發(fā)套件 GeoSurf Beans 三維全球動態(tài)可視化軟件三維全球動態(tài)可視化軟件GeoGlobe 三維全球動態(tài)可視化軟件客戶端GeoGlobe三維全球動態(tài)可視化軟件服務器端GeoGlobe Server三維全球動態(tài)可視化軟件數據處理工具GeoGlobe Tools第2章 國內外GIS軟件介紹（續(xù)） 橢球體模型橢球體模型就是以大地水準面為基準建立起來的，在測量和制圖中我們用旋轉橢球來代替大地球體，這個規(guī)則的橢球體如圖3.1.1

17、。 圖3.1.1 地球橢球體橢球面方程為：，長半徑a，也叫赤道半徑，短半徑b，也叫極半徑，扁率=（a-b）/a，由于年代和技術等原因，目前世界上a，b取值并不唯一。1984年定義的世界大地坐標系（WGS84）a=6378137.0m，b=6356752.3m。第3章 地理學知識 l地理空間坐標系 第3章 地理學知識 建立地理坐標系的目的是確定地面點的位置，也就是求出地面點對大地水準面的關系，它包括地面點在大地水準面上的平面位置和地面點到大地水準面的高度。 確定地面點的位置，最直接了當的方法就是用地理坐標（緯度，經度）來表示。地理坐標系是以地理極（北極、南極）為極點。地理極是地軸(地球橢球體的旋

18、轉軸即短軸)與橢球面的交點，如圖3.1.2所示，P為北極，P1為南極。所有含有地軸的平面，均稱為子午面。子午面與地球橢球體的交線，稱為子午線或經線。經線是長半徑為a，短半徑為b的橢圓。所有垂直于地軸的平面與橢球體面的交線，稱為緯線。緯線是不同半徑的圓。赤道是其中半徑最大的緯線。 設橢圓球面上有一點A(圖），通過A點作橢圓球面的垂線，稱之為過A點的法線。法線與赤道面的交角，叫做A點的緯度，通常以字母表示。緯度從赤道起算，在赤道上緯度為0，往北稱北緯，=090；往南稱南緯，=0-90(取負值)。過A點的子午面與通過英國格林尼治天文臺的子午面所夾的二面角，叫做A點的經度，通常以字母表示。國際規(guī)定通過

19、英國格林尼治天文臺的子午線為本初子午線(或叫首子午線)，作為計算經度的起點(經度為0)。往東稱東經，=0180；往西稱西經，=0-180(取負值)。l高斯-克呂格投影 第3章 地理學知識 圖3.2.2 高斯-克呂格投影從幾何概念上分析，高斯投影是一種等角橫切橢圓柱投影。如圖3.2.2所示，我們把地球看成是地球橢球體，假想用一個橢圓筒套在其上，使筒與地球橢球體的某一經線相切，橢圓筒的中心軸位于赤道上，按等角條件將地球表面投影到橢圓筒上，然后將橢圓筒展開成平面。 高斯投影有以下性質：（1）中央經線(橢圓筒和地球橢球體的切線)和赤道投影成垂直相交的直線。（2）投影后沒有角度變形（即經緯線投影后仍正交

20、）。（3）中央經線上沒有長度變形，等變形線為平行于中央經線的直線。上述性質可以具體描述為：（1）在同一條緯線上，離中央經線越遠變形越大。（2）在同一條經線上，緯度越低，變形越大。第3章 地理學知識 以上性質說明，投影變形最大值在赤道和投影邊緣經線的交點上。為了控制投影變形不致于過大，保證地形圖的經度，高斯投影采用分帶投影的方法，即將投影范圍的東西界加以限制，使其變形不超過一定的限度，我國規(guī)定:1:2.5萬1:50萬地形圖均采用經差6分帶，大于等于1：1萬比例尺地形圖采用經差3分帶。l地圖的空間數據結構第3章 地理學知識 圖3.3.1 河流的柵格數據結構和矢量數據結構（a）（b）（c）地圖的空間數據結構主要分為矢量數據結構和柵格數據結構。如圖3.3.1（a）是一條河流，為了在計算機中顯示這條河流，可用柵格數據（圖3.3.1（b）或矢量數據表示（圖3.3.1（c）。l地圖的空間數據結構（續(xù)） 第3章 地理學知識 柵格結構和矢量結構是模擬地理信息的兩種不同的方法。l 柵格數據結構類型（圖3.3.1（b）具有“屬性明顯、位置隱含”的特點，它易于實現，且操作簡單，有利于基于柵格的空間信息模型的分析，如在給定區(qū)域內計算多面形面積時，柵格結構可以很快算得結果，而采用矢量數據結構則麻煩的多，但柵格