第5章-地理信息系統(tǒng)概述

1、第五章 地理信息系統(tǒng)概述,§5.1 地理信息系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展,一、GIS產(chǎn)生的背景,世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)： 加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS） 1963年,二、GIS的發(fā)展,1. 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,1946年第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)誕生,,高性能PC、工作站、PC Cluster,2. 空間技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星定位技術(shù),衛(wèi)星定位的特點(diǎn):1.全球地面無縫覆蓋，全天候定位。

2、2.定位精度高，實(shí)時(shí)定位速度快。3.觀測時(shí)間短。4.提供三維坐標(biāo)。5.使用簡便。,GNSS: Global Navigation Satellite System全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng),GPS系統(tǒng),美國于1978－1993年發(fā)射，共24顆衛(wèi)星。其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星（6個(gè)軌道面）。GPS衛(wèi)星向用戶發(fā)送用于導(dǎo)航定位的調(diào)制波，它含有：載波（L1和L2）、測距碼（C/A碼和P碼）和數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文）。,C/A碼偽距，

3、精度約為20米左右（民用）P碼偽距，精度約為2米左右（軍用）,“伽利略”系統(tǒng),30顆衛(wèi)星組成歐空局和歐盟合作于1999年啟動(dòng)（3個(gè)軌道面） 。,2005年12月28日，首顆試驗(yàn)衛(wèi)星Glove-A成功發(fā)射；最初預(yù)計(jì)2008年底前全部發(fā)射入軌，后來由于資金和技術(shù)方面等問題，幾經(jīng)推遲，預(yù)計(jì)延長到2014年投入運(yùn)營。,民用信號(hào)精度：1米,GLONASS系統(tǒng)(格洛納斯)(Global Navigation Satellite System

4、）,前蘇聯(lián)于20世紀(jì)70年代開始建設(shè)，并于1993年啟用（3個(gè)軌道面） 。 由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設(shè)備三部分組成。,星座由24顆衛(wèi)星組成：工作衛(wèi)星21顆，在軌備用衛(wèi)星3顆 (1996年1月完成設(shè)計(jì)衛(wèi)星數(shù)),2011年11月，格洛納斯第二次實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。目前，格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)共有衛(wèi)星31顆，包括用于傳輸信號(hào)衛(wèi)星24顆、備用衛(wèi)星3顆及4顆用于維修和飛行測試的衛(wèi)星。 2013年7月2日

5、一箭三顆“格洛納斯”衛(wèi)星發(fā)射失敗。,單點(diǎn)定位精度水平方向?yàn)?6m，垂直方向?yàn)?5m。,“北斗”系統(tǒng),“北斗1號(hào)”： 2000－2003年發(fā)射3顆靜止軌道試驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星，組成了“北斗”區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)（2顆工作衛(wèi)星、1顆備用衛(wèi)星）。,“北斗1號(hào)”試驗(yàn)導(dǎo)航衛(wèi)星,定位精度：水平精度100米,“北斗1號(hào)”衛(wèi)星的位置,北斗2號(hào)： 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （BeiDou（COMPASS）Navigation Satel

6、lite System） 空間端、地面端和用戶端三部分組成。 空間段由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。 3種軌道設(shè)計(jì)——地球同步靜止軌道、傾斜地球同步軌道和中圓軌道（3個(gè)軌道面） 2007年4月14日，發(fā)射第1顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。 2012年2月25日，發(fā)射第11顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。,2011年12月27日北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供試運(yùn)行服務(wù)。服務(wù)區(qū)為東經(jīng)84度到160度，南緯55度到北緯55度之間的大部分區(qū)域；

7、位置精度可達(dá)平面25米、高程30米；測速精度達(dá)到每秒0.4米；授時(shí)精度達(dá)50納秒。2020年左右，將建成由30余顆衛(wèi)星組成的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供覆蓋全球的高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。 定位精度為10米。,衛(wèi)星遙感技術(shù),衛(wèi)星遙感的特點(diǎn)： 能夠快速、大范圍獲取地面影像和地表專題數(shù)據(jù),青島市南區(qū)（Landsat TM 15米分辨率）,青島市南區(qū)（Spot 5 2.5米分辨率）,,羅馬梵蒂岡大教堂（Qu

8、ickbird 0.6米分辨率）,2003年,2008年,2009年,2011年,SRTM計(jì)劃,——航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪任務(wù)（2000年） Shuttle Radar Topography Mission,覆蓋范圍在北緯60度至南緯56度之間。10天內(nèi)，有99.968%被一次覆蓋，94.59%兩次，49.25%三次，24.1%四次。DEM高程數(shù)據(jù)間隔為1弧秒，約30米，所包含的信息內(nèi)容相當(dāng)于1∶5萬地形圖,奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)外觀

9、圖,SRTM由三部分組成：主雷達(dá)天線、桅桿、機(jī)外雷達(dá)天線（Outboard radar antenna）,SRTM 陸 地 表 面 覆 蓋 圖 （平 面）,由SRTM－C波段獲取DEM再與TM圖像疊加的結(jié)果,現(xiàn)代GIS的相關(guān)技術(shù),（相關(guān)應(yīng)用學(xué)科）,地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用以及相關(guān)學(xué)科,§5.2 GIS的相關(guān)概念,1、數(shù)據(jù)是客觀事物的屬性、數(shù)量、位置及其相互關(guān)系等的抽象表示，如數(shù)字、文字、符號(hào)、圖形等。2、

10、信息是向人們或機(jī)器提供關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界各種事實(shí)的知識(shí)，是數(shù)據(jù)、消息中所包含的意義。它不隨載體的物理形式的變化而改變。,,數(shù)據(jù)與信息的關(guān)系數(shù)據(jù)是信息的載體信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵數(shù)據(jù)本身并沒有意義，數(shù)據(jù)只有對(duì)實(shí)體行為產(chǎn)生影響時(shí)才能成為信息 B=36°L=120°數(shù)據(jù)只有通過解釋、解算才能成為信息－－使用者的知識(shí)背景,(1)信息的客觀性 任何信息都是與客觀事物緊密相關(guān)的－信息正確性

11、與精確度的保證。(2)信息的適用性 不同的信息適用于與之相關(guān)的領(lǐng)域。(3)信息的傳輸性 信息在傳輸時(shí)，其原始意義并不改變。(4)信息的共享性 信息的使用對(duì)其本身無損失。,信息的特點(diǎn)：,3、系統(tǒng)具有特定功能的、相互有機(jī)聯(lián)系的若干要素構(gòu)成的一個(gè)整體。,4、信息系統(tǒng)具有處理、管理和分析數(shù)據(jù)功能的系統(tǒng)，它能為人們的決策提供正確、有用的信息。,5、地圖 將地理環(huán)

12、境諸要素按照一定的數(shù)學(xué)法則，運(yùn)用符號(hào)系統(tǒng)并經(jīng)過制圖綜合縮繪于平面上的圖形。（薩里謝夫） 依據(jù)特定的數(shù)學(xué)法則，通過科學(xué)的概括，并運(yùn)用符號(hào)系統(tǒng)將地理信息表示在一定載體上的圖形。（毛贊猷） a 由數(shù)學(xué)決定的結(jié)構(gòu) b 特定的符號(hào)系統(tǒng) c 現(xiàn)象表示的取舍和概括,6、地理信息 是指表示地理環(huán)境諸要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征及其

13、相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖象和圖形等的總稱。,(1)定位特征 通過地理坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)空間位置的識(shí)別(2)多維結(jié)構(gòu)的特征 除地理位置外，還有多個(gè)專題和屬性(3)時(shí)序特征 隨時(shí)間的變化而變化，需及時(shí)采集和更新,地理信息的特征,,地圖是地理信息的載體地圖是地理信息的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源地圖是GIS的查詢與分析結(jié)果的表示方法,地圖與地理信息的關(guān)系,§5.3 地理信息系統(tǒng)的概念,地理信息系統(tǒng)

14、是一門學(xué)科 是研究采集、管理、分析地理數(shù)據(jù)和輸出地理信息的理論和方法的新興、交叉學(xué)科。,地理信息系統(tǒng)是一種決策支持系統(tǒng) 在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策、規(guī)劃等所需地理信息的技術(shù)系統(tǒng)。,GIS Geographical Information System(英國) Geogra

15、phic Information System（美國） Geo-Information System（德國）,GIS概念的不同理解：,顯示,,,,,,,,,,GIS概念的不同理解：,,,,,,,,,專題地理信息系統(tǒng)(Thematic GIS) 是具有有限目標(biāo)和專業(yè)特點(diǎn)的地理信息系統(tǒng)。為特定的專門的目的服務(wù)，如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)

16、、環(huán)境管理信息系統(tǒng)等。區(qū)域地理信息系統(tǒng)(Regional GIS) 主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務(wù)為目標(biāo)。如國家級(jí)、地區(qū)級(jí)、市級(jí)或縣級(jí)等。地理信息系統(tǒng)工具(GIS Tools) 是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲(chǔ)管理、查詢檢索、分析運(yùn)算和輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。,地理信息系統(tǒng)的分類,按內(nèi)容分類,GIS與其它系統(tǒng)的區(qū)別,GIS與DBMS（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）的區(qū)別 1 . DBMS缺乏空間

17、實(shí)體定義能力 2 . DBMS缺乏空間關(guān)系查詢能力 3 . GIS是能對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的DBMS，GIS必須包含DBMS。GIS與MIS（管理信息系統(tǒng)）的區(qū)別 1. GIS要對(duì)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)庫共同管理、分析和應(yīng)用，GIS的軟硬件設(shè)備要復(fù)雜、系統(tǒng)功能要強(qiáng)； 2. MIS則只有屬性數(shù)據(jù)庫的管理，即使存貯了圖形，也是以文件形式管理，圖形

18、要素不能分解、查詢、沒有拓?fù)潢P(guān)系。,GIS與其它系統(tǒng)的區(qū)別,GIS與地圖數(shù)據(jù)庫的區(qū)別 地圖數(shù)據(jù)庫僅僅是將數(shù)字地圖有組織地存放起來，不注重分析和查詢，不可能去綜合圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的空間分析，提供輔助決策的信息，它只是GIS的一個(gè)數(shù)據(jù)源。GIS與CAD系統(tǒng)的區(qū)別 1 . 二者雖然都有參考坐標(biāo)系統(tǒng)，都能描述圖形，但CAD系統(tǒng)主要處理幾何圖形，屬性庫功能弱，更缺乏分析和判斷能力

19、。 2. CAD的坐標(biāo)不具有直接的地理意義，不能進(jìn)行地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。 3. CAD的數(shù)據(jù)可為GIS提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。,1.起步階段（1960s），注重空間數(shù)據(jù)的地學(xué)處理。相關(guān)組織機(jī)構(gòu)紛紛成立。 1963年，加拿大測量學(xué)家R. T. Tomlinson首先提出GIS 這一術(shù)語，建立加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS）； 1969年，ESRI （環(huán)境系統(tǒng)研

20、究所）建立； 1969年， Integraph公司建立。 2.發(fā)展階段（1970s），注重空間地理信息的管理，受到 政府部門、商業(yè)公司和大學(xué)的普遍重視。,,一、國外GIS的發(fā)展,§5.4 GIS的發(fā)展歷史,,3.推廣應(yīng)用階段（1980s），注重空間決策支持分析。應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，與RS結(jié)合，參與解決全球性問題。 1981年，ESRI ARC/INFO GIS發(fā)布； 198

21、5年，GPS成為可運(yùn)行系統(tǒng)； 1986年，MapInfo建立； 1986年，SPOT衛(wèi)星首次發(fā)射； 1987年，地理信息系統(tǒng)的國際雜志出版； 1989年，Ingegraph 發(fā)布MGE； 1989年全球有報(bào)價(jià)的GIS軟件達(dá)70多個(gè)。,4.用戶時(shí)代（1990至今）, 注重GIS社會(huì)應(yīng)用與服務(wù)－商業(yè)決策和政府管理 GIS技術(shù)迅猛發(fā)展－

22、GIS產(chǎn)業(yè)化。 控件式GIS成為GISTools的發(fā)展方向; WebGIS蓬勃發(fā)展; 三維GIS嶄露頭角。5.國外主流GIS軟件 ARC/INFO（ArcView、ArcObject、ArcIMS）－ARCGIS GENAMAP（澳大利亞） MGE（Modular GIS Environment） MapInfo（Mapinfo Proserver、MapX、

23、MapXtreme、 SpatialWare） ERDAS,二、我國GIS的發(fā)展 1.準(zhǔn)備階段（1970后期） 輿論準(zhǔn)備、提出倡議、組建隊(duì)伍、組織個(gè)別實(shí)驗(yàn)研究。 1980年中科院遙感所成立第一個(gè)GIS研究室 2.試驗(yàn)階段（1981-1985）

24、 理論探索和區(qū)域性研究; 制定國家地理信息系統(tǒng)規(guī)范。 1:100萬國土基礎(chǔ)信息系統(tǒng)和全國土地信息系統(tǒng) 1 :400萬全國資源和環(huán)境信息系統(tǒng),3.初步發(fā)展階段（1986至20世紀(jì)末） 地理信息系統(tǒng)的研究被列入我國“七 五”攻關(guān)課題，并且作為一個(gè)全國性的研究領(lǐng)域，已逐步和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)相結(jié)合，并取得了重

25、要進(jìn) 展和實(shí)際應(yīng)用效益。 4.快速發(fā)展階段( 20世紀(jì)末到現(xiàn)在） 理論日趨成熟，應(yīng)用日益廣泛，三維GIS、WEBGIS走向應(yīng)用，GIS市場開始形成。 5.國產(chǎn)主流GIS軟件 GeoStar（武測） CityStar（北大） MapGIS（地大） Supermap（北京超圖） TopMap （北京慧圖）,(1)GIS與遙感和全球定位系統(tǒng)進(jìn)一步結(jié)合，

26、構(gòu)成地理學(xué) 日趨完善的技術(shù)體系－3S技術(shù)(2) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)管理的研究更加深入(3) GIS應(yīng)用模型開發(fā)日趨加強(qiáng)(4) GIS智能化與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合(5) GIS網(wǎng)絡(luò)化－Web GIS(6) 三維GIS 三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（數(shù)字表面模型、斷面、柱狀實(shí)體等）、可視化技術(shù),三、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管

27、理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策、規(guī)劃等所需地理信息的技術(shù)系統(tǒng)。,§5.5 GIS的組成,4、系統(tǒng)開發(fā)、管理與使用人員,3、地理空間數(shù)據(jù),2、計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng),1、計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng),一、 GIS 的 計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng),CPU內(nèi)存顯卡,二、 GIS的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及模塊劃分,系統(tǒng)開發(fā)人員或用戶根據(jù)地理專題或區(qū)域分析模型編制的用于某種特定應(yīng)用任務(wù)的程序。是系統(tǒng)功能的擴(kuò)充與延伸。,（一）軟件的種類,（

28、二）GIS軟件系統(tǒng)的模塊劃分,GIS的軟件系統(tǒng)根據(jù)其功能的特點(diǎn)，可以分為以下幾種軟件模塊：1. 數(shù)據(jù)輸入與編輯模塊2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理模塊3. 數(shù)據(jù)變換與分析模塊4. 數(shù)據(jù)輸出與顯示模塊5. 用戶接口模塊,各功能模塊之間的關(guān)系,（一）地理空間數(shù)據(jù)的定義,觀測地球某一位置的地物所得到的、以空間位置為參照的數(shù)據(jù)稱為地理空間數(shù)據(jù)。地理空間數(shù)據(jù)描述的主體稱為地理實(shí)體任何一種地理實(shí)體都可以用以下三種基本實(shí)體來抽象描述：

29、 1）點(diǎn)實(shí)體 2）線實(shí)體 3）面實(shí)體,三、 地理空間數(shù)據(jù),點(diǎn)實(shí)體,有位置，無寬度和長度； 抽象的點(diǎn)用坐標(biāo)對(duì)表示 （x , y）（L , B）,美國佛羅里達(dá)洲地震監(jiān)測站2002年9月該洲可能的500個(gè)地震位置,線實(shí)體,有位置、長度，但無寬度和高度 用來描述線狀實(shí)體，通常在網(wǎng)絡(luò)分析中使用較多 度量實(shí)體距離用坐標(biāo)對(duì)序列表示 （x1 , y1），（x2 , y2）…. （xn , yn）,

30、香港城市道路網(wǎng)分布,面實(shí)體,有位置，具有特定的形狀、范圍 通常用來表示自然或人工的封閉多邊形 用坐標(biāo)對(duì)序列表示的閉合線來表示,中國土地利用分布圖（不連續(xù)面）,（二）地理空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容,地理空間數(shù)據(jù)一般包括三個(gè)方面的內(nèi)容：1、某個(gè)參考坐標(biāo)系所確定的位置 2、實(shí)體間的空間相關(guān)性——空間拓?fù)潢P(guān)系 3、與幾何位置無關(guān)的屬性,即幾何坐標(biāo)，標(biāo)識(shí)地理實(shí)體在某個(gè)已知坐標(biāo)系（如大地坐標(biāo)系、直角坐標(biāo)系

31、、極坐標(biāo)系、自定義坐標(biāo)系）中的空間位置。,表示點(diǎn)、線、面實(shí)體之間的空間聯(lián)系，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)線之間的樞紐關(guān)系，邊界線與面實(shí)體間的構(gòu)成關(guān)系，面實(shí)體與島或內(nèi)部點(diǎn)的包含關(guān)系等。,即非幾何屬性或簡稱屬性（Attribute），是與地理實(shí)體相聯(lián)系的地理變量或地理意義。 定性：名稱、類型、特性… 定量：等級(jí)、數(shù)量…,數(shù)據(jù)類型,地理空間數(shù)據(jù)三個(gè)方面的內(nèi)容可分為兩種數(shù)據(jù)類型：,（三）空間拓?fù)潢P(guān)系,地理實(shí)體間的空間相關(guān)性，即點(diǎn)、線、面之間

32、的空間關(guān)系稱為空間拓?fù)潢P(guān)系。,“拓 撲”——源于希臘文，原意：形狀的研究“拓?fù)鋵W(xué)”（Topology）——幾何學(xué)的分支，研究內(nèi)容：,圖形在拓?fù)渥儞Q時(shí)能夠保持不變的幾何屬性－拓?fù)鋵傩?線的長度園的面積白點(diǎn)至綠線的距離白線與園相交綠線與園不相交蘭點(diǎn)在白線上白點(diǎn)在園內(nèi),非拓?fù)鋵傩?拓?fù)鋵傩浴?拓?fù)潢P(guān)系,空間拓?fù)潢P(guān)系的分類,地理實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系可以從不同的角度來描述： 1. 空間

33、位置 2. 實(shí)體的構(gòu)成 3. 不同種類實(shí)體間的相互組合,1. 空間位置的角度,拓?fù)溧徑樱和?類實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)潢P(guān)聯(lián)：不 同 類實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。拓?fù)浒和惒煌?jí)實(shí)體之間的拓?fù)潢P(guān)系。,拓?fù)溧徑樱?N1/N2 、N3 、N4 P1/P3 ; P2/P3拓?fù)潢P(guān)聯(lián)： N1/е1、е3 、

34、е6 P1/е1、е5 、е6 拓?fù)浒?P3 與 P4,,2. 實(shí)體構(gòu)成的角度,面實(shí)體的構(gòu)成,線實(shí)體的端點(diǎn),線實(shí)體的交點(diǎn),面實(shí)體的公共邊界,,,鄰接或關(guān)聯(lián),相交,重合,相離,包含,點(diǎn)—點(diǎn),點(diǎn)—線,點(diǎn)—面,線—面,面—面,線—線,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,