地理信息系统

五、地理信息系统定义1：在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性，以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统。

定义2：在计算机软硬件支持下，把各种地理信息按照空间分布及属性以一定的格式输入、存储、检索、更新、显示、制图、综合分析和应用的技术系统。

定义3：在计算机软件、硬件及网络支持下，对有关空间数据进行预处理、输入、存储、查询检索、处理、分析、显示、更新和提供应用以及在不同用户、不同系统、不同地点之间传输地理数据的计算机信息系统。

定义4：能集成、存储、检索、操作和分析地理数据，生成并输出各种地理信息的系统。

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。

它是一种特定的十分重要的空间信息系统。

它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中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。

（一）地理信息系统的基本概念：地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。

其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。

通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：地理信息系统示意图1、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，这些子系统的优劣、结构直接影响着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。

2、GIS的操作对象是空间数据和属性数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。

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。

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，实现地理空间过程演化的模拟和预测。

三维地理信息系统4、 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；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。

典型的GIS功能框图（二）地理信息系统原理：地理信息系统是20世纪60年代初期发展起来的一门新兴学科，它是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。

它在最近 30 多年来随着计算机飞速发展，而得到迅速的发展和普及，并广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。

原理性描述地理信息系统的基本概念，系统的构成，功能及其运行环境，系统所具有的空间特征，数据的采集、组织与管理，数据结构和数学模型，系统的设计方法、原则、模式以及步骤。

开发的系统具有采集、管理、分析和以多种方式输出地理空间信息的能力，为管理和决策服务，使系统具有快速、准确并能综合的对复杂的地理系统进行空间分析和过程的动态分析。

一、如何用计算机来描述和表达地理现象？凭借计算机来研究地理，首先需要解决的问题是：如何用计算机来描述和表达地理现象？在这之前，古人用各种形式的纸张地图和各种文字数据等资料来描述地理现象，这些资料大都通过测量和调查等方式获取的。

现在有了计算机，那用计算机该如何展现地图和各种文字数据等资料呢？古人借助坐标，通过测量把地理上的现象描绘到纸张上，那自然我们也会想到用同样的思路，用坐标来描述，用图形来展现地图。

经过抽象，分别用点(X,Y),线(X0,Y0,X1,Y1……Xn,Yn),面(X0,Y0,X1,Y1……Xn-1,Yn-1,X0,Y0)这三种坐标形式来表达各种地理现象.各种相关的文字数据等资料,将以属性字段的形式来描述.这种就是我们通常所说的矢量数据.而另一种描述方式——栅格数据，就是我们通常看到的图象,是由栅格所组成,每个栅格所在的位置和地理的相应区域是对应的,象素值就是对应的属性值.二、如何用计算机来存储地理数据?在计算机中,数据的存储表达形式无非就两种形式:1,二进制;2,字符(其实字符最终也是二进制).在GIS中,用二进制或者字符来存储坐标(属性值同理),坐标浮点型,可以用二进制4或者8个字节来存储,或者也可以用字符串的形式(不过麻烦的是,解析字符串不是很高效),把这一系列的坐标二进制数据以一定的结构保存起来,我们常见的shp格式,就是二进制的.在数据库中,可以用二进制BLOB字段类型来存储坐标序列,也可以用字符串字段类型.栅格数据通常是存储每个象素的值,也是基本数据类型,比如int,double,char等. 整个图象以矩阵或者矩阵的压缩形式来存储的.三、如何用计算机对这些数据进行处理分析?空间数据的处理,就是根据应用分析的需求,采用一种算法,对空间数据进行运算.对矢量而言,就是对地理坐标点进行运算,比如空间关系的判断,就是根据地物的坐标位置,用一种算法来判断地物之间的拓扑关系;数据编辑,也是对地物的坐标进行操作;.对栅格数据,就是对栅格象素进行运算,比如二值化,两个栅格图象的叠置运算.四、如何用计算机来展现地理信息?地理信息的展示,通常以图形图象或者表格的方式来展现,也是用户操作的UI接口.这里涉及到如何把地理坐标用图形的方式展现出来,如何把图象栅格展现出来?这里涉及到一个共同的问题就是把地理坐标转换成屏幕显示坐标,因为我们最终是要通过屏幕来显示的,如何在屏幕上定位一个地物的坐标,必然涉及到两者的转换.同时地理信息的展现也涉及到如何渲染的问题,主要表现在地图符号化上,采用不同的形状,不同的颜色,不同大小粗细来表达不同数量,不同质量的信息.模型地理信息系统的操作对象是空间地理实体，建立一个地理信息系统的首要任务是建立空间数据库，即将反映地理实体特性的地理数据存储在计算机中，这需要解决地理数据具体以什么形式在计算机中存储和处理即空间数据结构问题和如何描述实体及其相互关系即空间数据库模型问题。

栅格数据模型(Raster Data Model)矢量数据模型(Vector Data Model)对象数据模型（Object Data Model)矢量数据结构数据结构：将数据模型的概念性描述进行具体的存储与表现矢量数据结构概念：矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。

数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。

对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

矢量数据表达矢量数据表达—简单数据结构：只记录空间对象的位置坐标和属性信息，不记录拓扑关系（又称面条结构）。

适用范围：制图及一般查询，不适合复杂的空间分析这种数据结构具有编码容易、数字化操作简单和数据编排直观等优点。

但这种方法也有以下明显缺点：)相邻多边形的公共边界要数字化两遍，造成数据冗余存储，可能导致输出的公共边界出现间隙或重叠；缺少多边形的邻域信息和图形的拓扑关系。

矢量数据表达—拓扑数据结构：不仅表达几何位置和属性，还表示空间关系采用拓扑关系的原则：应用目的制图或一般查询，可不要拓扑结构；空间分析，则应建立拓扑关系。

（三）使用技术与方法：信息来源如果能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来，可以判断出哪块湿地在一年的某些时候会干涸。

一个GIS系统就能够进行这样的分析，它能够将不同来源的信息以不同的形式应用。

对于源数据的基本要求是确定变量的位置。

位置可能由经度，纬度和海拔的 x，y，z坐标来标注，或是由其他地理编码系统比如ZIP码，又或是高速公路英里标志来表示。

任何可以定位存放的变量都能被反馈到GIS。

一些政府机构和非政府组织生产正在制作能够直接访问GIS的计算机数据库。

可以将地图中不同类型的数据格式输入GIS。

GIS 系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式。

例如，通过分析由遥感生成的数字卫星图像，可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。

同样, 人口调查或水文表格数据也可在GIS系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。

GIS 数据以数字数据的形式表现了现实世界客观对象(公路, 土地利用, 海拔)。

现实世界客观对象可被划分为二个抽象概念: 离散对象(如房屋) 和连续的对象领域(如降雨量或海拔) 。

这二种抽象体在GIS系统中存储数据主要的二种方法为: 栅格（网格）和矢量。

栅格（网格）数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。

它与栅格（网格）图像是类似的，除了使用合适的颜色之外，各个单元记录的数值也可能是一个分类组，例如土地使用状况，一个连续的值，或是降雨量，或是当数据不是可用时记录的一个空值。

栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。

通常存储单元代表地面的方形区域，但也可以用来代表其它形状。

栅格数据既可以用来代表一块区域，也可以用来表示一个实物，实物被存储为... 矢量数据利用了几何图形例如点，线（一系列点坐标），或是面（形状决定于线）来表现客观对象。

例如，在住房细分中以多边形来代表物产边界，以点来精确表示位置。

矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。

利用等高线和不规则三角网（TIN）来表示海拔或其他连续变化的值。

TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。

三角形所在的面代表地形表面。

利用栅格或矢量数据模型来表达现实既有优点也有缺点。

栅格数据设置在面内所有的点上都记录同一个值，而矢量格式只在需要的地方存储数据，这就使得前者所需的存储的空间大于后者。