第三章GIS的基本概念和理論

第三章GIS的基本概念和理論一、GIS的基本概念1、信息和地理信息信息的定義：是用文字、數(shù)字、符號、語言、圖象、圖形等介質(zhì)來表達事件、事物或現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量和特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供的關(guān)于現(xiàn)實世界新的事實和知識。特征：＞客觀性＞適用性＞可傳輸性＞共享性數(shù)據(jù)的定義：是一種未加工的原始資料。用文字、數(shù)字、符號、語言、圖象、圖形等都是數(shù)據(jù)。信息與數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)是信息表示的載體，信息是數(shù)據(jù)表示的內(nèi)容。地理信息的定義：地理信息是關(guān)于地理實體、現(xiàn)象或關(guān)系的本質(zhì)、特征及其運動狀態(tài)、規(guī)律的表征和一切有用的知識。地理數(shù)據(jù)的定義：各種地理特征、現(xiàn)象和關(guān)系的符號化表示。包括空間位置及其關(guān)系、屬性特征和時域特征三部分。稱為空間數(shù)據(jù)的基本特征。地理信息的特征除了具備信息的一般特征外，還有以下特征：＞空間分布性＞數(shù)據(jù)量大＞信息載體多樣性＞時序性2、信息系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)（1）信息系統(tǒng)的定義：信息系統(tǒng)是具有采集、管理、分析和表達數(shù)據(jù)能力的系統(tǒng)。在計算機時代，信息系統(tǒng)都部分或全部由計算機系統(tǒng)支持，并由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。智能化的系統(tǒng)還應(yīng)包括知識。其系統(tǒng)的概念模型可由下圖描述。分為事務(wù)處理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。（2）地理信息系統(tǒng)的定義：是以采集、存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的的數(shù)據(jù)的計算機空間信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)簡稱為GIS。關(guān)于它確切的全稱，多數(shù)人認為是GeographicalInformationSystem,也有人認為是GeoinformationSystem。國際上現(xiàn)發(fā)行的兩種主要的專業(yè)雜志，就是各自采用不同的全稱，前者是英國出版的季刊的全稱，后者是德國出版的季刊的全稱。在加拿大和澳大利亞，則稱為LandInformationSystem。在我國，通常稱為ResourcesandEnvironmentalInformationSystems。全稱雖有差異，但簡稱都是GIS。GIS對于不同的部門和不同的應(yīng)用目的，其定義也不盡相同。例如，美國學(xué)者Parker認為“GIS是一種存貯、分析和顯示空間與非空間數(shù)據(jù)的信息技術(shù)”。Goodchild把GIS定義為“采集、存貯、管理、分析和顯示有關(guān)地理現(xiàn)象信息的綜合系統(tǒng)”。加拿大的RogerTomlinson認為“GIS是全方位分析和操作地理數(shù)據(jù)的數(shù)字系統(tǒng)?！盉urrough認為“GIS是屬于從現(xiàn)實世界中采集、存儲、提取、轉(zhuǎn)換和顯示空間數(shù)據(jù)的一組有力的工具”。俄羅斯學(xué)者也把GIS定義為“一種解決各種復(fù)雜的地理相關(guān)問題，以及具有內(nèi)部聯(lián)系的工具集合”。A什么人需要GIS?＞地圖的使用者。他們需要從地圖上查找感興趣的東西。＞地圖生產(chǎn)者。編輯各種專題或綜合信息地圖。＞地圖出版者。需要高質(zhì)量的地圖輸出產(chǎn)品。＞地圖分析員。他們需要根據(jù)位置和空間關(guān)系完成分析任務(wù)。＞數(shù)據(jù)錄入人員。完成數(shù)據(jù)編輯。＞數(shù)據(jù)庫設(shè)計者。需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。＞開發(fā)者。需要實現(xiàn)GIS的軟件功能。B數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是GIS的操作對象。C硬件是GIS的支撐體。D軟件完成GIS任務(wù)的工具E空間分析建立GIS的主要目的?？臻g分析和統(tǒng)計功能是GIS的一個獨立研究領(lǐng)域，它的主要特點是幫助確定地理要素之間新的空間關(guān)系，它不僅已成為區(qū)別于其他類型系統(tǒng)的一個重要標志，而且為用戶提供了靈活地解決各類專門問題的有效工具。GIS是一種特定而又十分重要的空間信，息系統(tǒng)。具有以下基本特點：＞GIS的物理外殼是計算機化的技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)又由若干個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)構(gòu)成，如數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析子系統(tǒng)、可視化表達與輸出子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)的構(gòu)成直接影響著GIS的硬件平臺、系統(tǒng)功能和效率、數(shù)據(jù)處理的方式和產(chǎn)品輸出的類型。GIS的操作對象是地理實體或空間數(shù)據(jù)。所謂地理實體指的是在人們生存的地球表面附近的地理圖層（大氣圖、水圖、巖石圖、生物圖）中可相互區(qū)分的事物和現(xiàn)象，即地理空間中的事物和現(xiàn)象。在地理信息系統(tǒng)中，所操作的只能是實體的數(shù)據(jù)，它們都有描述其質(zhì)量、數(shù)量、時間特征的屬性數(shù)據(jù)，也有其非屬性的數(shù)據(jù)一一空間數(shù)據(jù)，即以點、線、面方式編碼并以（X、Y）坐標串儲存管理的離散型空間數(shù)據(jù)，或者以一系列柵格單元表達的連續(xù)型空間數(shù)據(jù)。地理實體數(shù)據(jù)的最根本特點是每一個數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標進行編碼，實現(xiàn)對其定位、定性、定量和拓撲關(guān)系的描述，即空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)統(tǒng)稱為地理數(shù)據(jù)。GIS以地理實體數(shù)據(jù)作為處理和操作的主要對象，這是它區(qū)別于其他類型信息系統(tǒng)的根本標志，也是其技術(shù)難點之所在。GIS的技術(shù)優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規(guī)方法難以得到的重要信息。獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復(fù)雜的查詢功能、強大的圖形創(chuàng)造和可視化表達手段，以及地理過程的演化模擬和空間決策支持功能等。其中，通過地理空間分析可以產(chǎn)生常規(guī)方法難以獲得的重要信息，實現(xiàn)在系統(tǒng)支持下的地理過程動態(tài)模擬和決策支持，這既是GIS的研究核心，也是GIS的TTTt-Ph

重要貝獻。GIS與測繪學(xué)和地理學(xué)密切相關(guān)。地理學(xué)是一門研究人一地相互關(guān)系的科學(xué)，研究各自然界面的生物、物理、化學(xué)過程，以及探求人類活動與資源環(huán)境間相互協(xié)調(diào)的規(guī)律，這為GIS提供了有關(guān)空間分析的基本觀點與方法，成為GIS的基礎(chǔ)理論依托。測繪學(xué)不但為GIS提供各種不同比例尺和精度的定位數(shù)據(jù)，而且其理論和算法可直接用于空間數(shù)據(jù)的變換和處理。而GIS引入地學(xué)界，正如美國地質(zhì)學(xué)家K.L蘭菲爾所說的“GIS引入地學(xué)界，如同F(xiàn)ortran語言引入計算機科學(xué)界一樣重要”，GIS是以一種全新的思想和手段來解決復(fù)雜的規(guī)劃、管理和地理相關(guān)問題，例如城市規(guī)劃、商業(yè)選址、環(huán)境評估、資源管理、災(zāi)害監(jiān)測、全球變化，甚至在現(xiàn)代企業(yè)中作為制定科學(xué)經(jīng)營戰(zhàn)略的一種重要手段，因為企業(yè)對外界的認知能力和信息處理能力提高了，就能創(chuàng)造空間上的競爭優(yōu)勢。解決這些復(fù)雜的空間規(guī)劃和管理問題，這是GIS應(yīng)用的主要目標。3、地理信息系統(tǒng)的分類（1） 地理信息系統(tǒng)按存儲數(shù)據(jù)的范圍大小，可劃分為全球的、區(qū)域的和局部的三種。（2） 地理信息系統(tǒng)按表達空間維數(shù)，分為2維和3維。通常GIS研究地球表層的若干要素的分布，屬2?2.5維GIS，布滿整個三維空間建立的GIS，才是真三維GIS。一般也將數(shù)字位置模型（2維）和數(shù)字高程模型（1維）的結(jié)合稱為2+1維或2.5維GIS。（3） 按是否直接存儲時間尺度，分為靜態(tài)和動態(tài)。如果考慮時間維度，也稱為時態(tài)GIS或動態(tài)GIS。否則為靜態(tài)。（4） 按事件處理內(nèi)容和方式，分為事務(wù)處理或管理GIS和決策支持GIS。

二、GIS的基本組成1、單機模式的硬件組成（單用戶模式）計算機主要由高檔計算機（高檔微機、工作站或小型機）、數(shù)據(jù)輸入設(shè)備、數(shù)據(jù)輸出設(shè)備和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備組成。計算機繪圖儀打印機刻錄機磁盤陣列磁帶機刻錄機磁盤陣列磁帶機活動硬盤存儲設(shè)備目前運行GIS的主機，包括大型、中型、小型機，工作站服務(wù)器和微型計算機。其中各種類型的工作站/服務(wù)器成為GIS的主流，特別是由Intel硬件和WindowsNT構(gòu)成的PC工作站正成為工作站市場的新寵，傳統(tǒng)UNIX陣營的用戶正在逐漸向它轉(zhuǎn)移。NT工作站對GIS用戶的吸引力，包括相對低成本、可管理性、標準圖形化平臺和具有PC結(jié)構(gòu)與效率等，因此廣泛應(yīng)用于GIS和某些科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域。例如，ARC/INFO、INTERGRAPH>MAPINFO和GENAMAP等主流GIS產(chǎn)品，都相繼開發(fā)出其NT版本，但目前功能與UNIX版相比仍有待提升。服務(wù)器作為在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供資源共享的主流計算機產(chǎn)品，具有可靠性、高性能、高吞吐能力、大內(nèi)存容量等特點，具備強大的網(wǎng)絡(luò)功能和友好的人機界面，是以網(wǎng)絡(luò)為中心的GIS和現(xiàn)代計算環(huán)境的關(guān)鍵，其中以低價格和高性能為特點的PC服務(wù)器，正在迅速縮小與UNIX服務(wù)器之間的差距，日益引起GIS設(shè)計者和用戶的廣泛關(guān)注。目前，GIS工作站和服務(wù)器主要有UNIX和NT兩大類型，其產(chǎn)品包括SUN、HP、IBM、SGI和COMPAQ等，不同種類機型的界線逐漸模糊。由于客戶/服務(wù)器環(huán)境的流行，多媒體技術(shù)的發(fā)展，以及計算機與通訊技術(shù)的融合，促使GIS向不依賴于平臺的方向發(fā)展，GIS軟件標準逐漸統(tǒng)一。GIS外部設(shè)備主要包括各種輸入和輸出設(shè)備。主要的輸入設(shè)備有圖形跟蹤數(shù)字化儀、圖形掃描儀、解析和數(shù)字攝影測量設(shè)備等。圖形跟蹤數(shù)字化儀盡管成本高、工序繁瑣、對操作人員素質(zhì)要求較高，但至今仍為空間數(shù)據(jù)采集的主要方式。市場上出售的數(shù)字化儀，例如CalcompDrawingBoard系統(tǒng)數(shù)字化儀，其有效面積從12英寸x12英寸(305mmx305mm)到44英寸x60英寸(1118mmx1524mm)，有多種配置可供選擇，如不透光的或帶背光的板面，有線或無線的，筆式或鼠標式定標器，和所有的應(yīng)用軟件都能兼容。用戶可用命令設(shè)置數(shù)字化板的菜單和定標器的按鍵，操作模式有：Prompt,Point,Run,Line,Track,Increment,Mouse,Delta,GridUpdate等。圖形數(shù)字化儀由電磁感應(yīng)板、游標和相應(yīng)的電子線路組成。當使用者在電磁感應(yīng)板上移動游標的十字絲交點對準指定圖形的點位時，按動相應(yīng)的按鈕，數(shù)字化儀便將對應(yīng)的命令符號和該點的坐標(X,Y)通過接口(多用串行接口)電路傳送給計算機，定位點的精度可達0.005?0.001英寸(0.13?0.025mm)。手扶跟蹤數(shù)字化儀的速度慢，工作效率較低，而柵格數(shù)據(jù)的獲取則相對容易得多。目前新一代大幅面圖形掃描儀提供高分辨率、真彩色、近乎完美的圖像效果，其中ANATech公司為用戶提供了一整套應(yīng)用于各領(lǐng)域的高精度大幅面掃描儀以及相配套應(yīng)用軟件，是圖形、圖像數(shù)據(jù)錄入和采集最有效的工具之一。Evolution3840大幅面掃描儀掃描一幅A0圖紙的時間僅需15s，精度為0.05%，失真率小于0.1%。用戶可在800dpi范圍內(nèi)任選掃描分辨率，可以按黑白二值或256級灰度方式掃描，可以邊顯示邊掃描，并具有實時消藍去污功能。根據(jù)用戶需求可以實現(xiàn)自動補線、校正、鏡像、反轉(zhuǎn)等功能。地圖掃描數(shù)字化得到圖像信息，然后再經(jīng)過目標識別和由柵格到矢量的轉(zhuǎn)換過程。主要的輸出設(shè)備有各種繪圖儀、圖形顯示終端和打印機等。繪圖儀如HPDesignJet750C彩色噴墨繪圖儀，是一種快速、可靠、便于連網(wǎng)且可在多種介質(zhì)上進行高質(zhì)量輸出的繪圖儀，是目前廣泛使用的主流GIS產(chǎn)品輸出設(shè)備。它采用根據(jù)對象空間分布形式和輸出產(chǎn)品的特征，選擇適當?shù)膱D形表示方法、結(jié)合色彩、線條、符號、文字等表示手段，具有600dpi分辨率的高精度黑白輸出，彩色輸出在300dpi時，顏色可多達1600多種，可獲得極高清晰度的繪圖質(zhì)量。圖形顯示終端用于圖形的交互式輸入、編輯、分析、處理和輸出。目前有多種系列和型號的顯示終端，如Teltronix公司生產(chǎn)的4128.4335型，與IBM-PC機兼容的SGS-430三維轉(zhuǎn)換器等。GIS還有多種表格、文字的數(shù)據(jù)需要輸出，可利用多種打印機完成。打印機的類型有針式打印機、激光打印機、液晶打印機等。HPDesignJet彩色打印機還能打印出豐富絢麗的彩色圖形和細膩的文字。2、網(wǎng)絡(luò)模式的GIS硬件組成（多用戶模式）網(wǎng)絡(luò)模式的GIS主要在單機模式的基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如服務(wù)器、客戶機、路由器、交換機、集線器、傳輸介質(zhì)等。網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)輸入設(shè)備 處理設(shè)備輸出設(shè)備廂推GIS設(shè)備配置構(gòu)有總線結(jié)構(gòu)（樓宇網(wǎng)）、星形結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)（園區(qū)網(wǎng)）20世紀90年代以來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展不斷改變著GIS的結(jié)構(gòu)體系，從主機及終端結(jié)構(gòu)到Client/Server，再到Internet/Intranet。目前，基于客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)并在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或因特網(wǎng)支持下的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括布線系統(tǒng)、網(wǎng)橋、路由器和交換機等。在進行GIS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，必須首先確定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，然后具體考慮網(wǎng)絡(luò)類型、互聯(lián)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和服務(wù)器的選擇，以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)布線和網(wǎng)絡(luò)安全性保障等。只有通過對新技術(shù)的深刻理解、對新產(chǎn)品的廣泛關(guān)注以及對應(yīng)用需求的準確把握，才能設(shè)計出一個合理的GIS網(wǎng)絡(luò)。3、GIS軟件組成主要由系統(tǒng)軟件（操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件等）、數(shù)據(jù)庫軟件（如Oracal、Sybase、SQLServer等）、GIS軟件平臺（如Arc/Info、MapInfo等）、應(yīng)用軟件（GIS二次開發(fā)軟件、GIS組件庫等）組成。層次結(jié)構(gòu)如下圖：GIS軟按應(yīng)用目的可分為：工具性軟件和應(yīng)用性軟件。工具性軟件，也稱為GIS工具軟件或GIS平臺，是由軟件商開發(fā)的通用軟件平臺，基本包含了GIS軟件全部的功能。是GIS二次應(yīng)用開發(fā)的基本平臺。應(yīng)用性軟件，主要是GIS應(yīng)用者根據(jù)需要，根據(jù)某種GIS平臺開發(fā)的專業(yè)應(yīng)用軟件。三、GIS工具軟件功能GIS軟件平臺的功能主要由以下幾個部分組成：（1） 數(shù)據(jù)輸入模塊。將系統(tǒng)的外部原始數(shù)據(jù)（多種來源、多種形式的數(shù)據(jù)）傳輸給系統(tǒng)內(nèi)部，并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換為便于系統(tǒng)處理的內(nèi)部格式。主要由手扶跟蹤數(shù)字化的矢量跟蹤數(shù)字化、掃描數(shù)字化的光柵掃描數(shù)字化、以及鍵盤輸入等方式。（2） 圖形與屬性編輯模塊。數(shù)據(jù)輸入完成后，對數(shù)據(jù)的分層、分類和編碼、編輯、坐標轉(zhuǎn)換、剪裁、接邊、屬性輸入和屬性聯(lián)接等。（3） 數(shù)據(jù)存儲與管理模塊。主要將地理要素（通常是點、線、面）的位置、空間拓撲關(guān)系和屬性數(shù)據(jù)進行組織和管理。包括對數(shù)據(jù)的無縫圖層連接、分區(qū)、建立空間索引、設(shè)置數(shù)據(jù)訪問機制等。（4） 數(shù)據(jù)分析與處理模塊。主要是對數(shù)據(jù)執(zhí)行空間分析運算和預(yù)處理運算。包括查詢和提取等操作、柵格疊加分析和矢量疊加分析、空間聚類、路徑分析、資源分配、地址匹配等基本空間操作功能。（5） 數(shù)據(jù)輸出與表示模塊。主要是數(shù)據(jù)的專題制圖輸出、統(tǒng)計報表輸出、方案選擇、可視化表示等。（6） 用戶接口模塊。主要提供用戶界面、程序接口、數(shù)據(jù)接口和開發(fā)環(huán)境等。四、GIS的功能可以回答5個方面的問題：（1） 位置問題，在特定的位置有什么或是什么的問題（2） 條件問題，什么地方有滿足某些條件的問題（3） 變化趨勢問題，利用綜合數(shù)據(jù)分析，識別已發(fā)生或正在發(fā)生的地理事件