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地理信息系统基础知识
地理信息系统基础知识大全
1．信息和数据
信息：
信息是用数字、文字、符号、语言、图形、图像、声音等介质来向人们或机器提供关于现实世界各种知识。
信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。
信息来源于数据。
数据是一种未经加工的原始资料，格式依赖计算机系统。
数据是指能被计算机进行处理的一切对象，包括数字、文字、符号、图形、图像等。
数据是客观对象的表示，而信息
则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。
信息与数据是不可分离的，信息来源于数据。
即信息是数据的内涵，是数据的内容和解释。
也就是说数据是信息的载体，只有理解了数据的含义，才能得到数据中所包含的信息。
信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。
数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。
不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。
2.地理信息
地理信息是指表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的
数字、文字、图像和图形的总称。
地理信息是指直接或间接与地理空间位置分布、时间发
展相关的信息总和。
地理信息属于空间信息，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的
地理数据的解释。
而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征
及时域特征三部分。
空间位置数据是通过经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置
的识别的；属性数据是描述地物特征的定性或定量指标；时域特征是指地理数据采集或地
理现象发生的时刻或时段。
空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。
地理
信息属于空间信息，具有多维结构特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构。
3地理信息系统
地理信息系统简称GIS。
GIS在不同的应用领域、不同的专业，对它的理解是不一样的，想用简单的几句话是不能解释地理信息系统概念的，目前国内外对GIS有许多定义。
通常对GIS定义有：
a.地理信息系统是用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计
算机系统。
b.地理信息系统是由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、
检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息。
c.地理信息系统是在计算机软件和硬件支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管
理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空
间信息系统。
d.地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间
的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。
地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵是由计算机程序和
地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。
上述定义均比较科学地阐明了GIS的对象、功能和特点。
总之，地理信息系统是在计
算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之
相关的属性数据，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。
4．地理信息系统的特点
111空间可视化空间可视化空间可视化
1）空间地物轮廓特征的可视化
信息系统是对现实世界的计算机模拟，而地理信息系统则突出了它对现实世界空间关系的模拟。
使我们对于在空间中各事物的状态有一个非常直观的感受。
无论是在屏幕上展示一幅可以无级缩放和信息查询的地图，还是展现一幅三维的地形模型，都使我们对现实世界空间关系的认识更为直观、具体。
或许我们可以用计算机科学中常用的“所见即所得”一词来解释这一点。
2）具有空间参照特点的地物专题属性信息的可视化
地理信息系统的空间可视化功能还包括对空间分布地物的属性信息的图形可视化，这
一点是由地理信息系统的一个重要特征来保证的，即GIS实现了空间信息和属性信息的集成管理，并能够完善地建立二者之间的联系。
例如，利用一张中国的行政区划图，我们可
以从地理信息系统数据库中提取各省、直辖市、自治区1994年的人口统计数据，计算人
口密度，并按人口密度的分级指标指定不同的色彩和填充方式显示行政区所对应的图斑（这实现上是一个从属性到空间的关联过程），这样空间地物的专题属性特征就可以通过地理信息系统工具实现具有空间参照信息的可视化。
222空间导向空间导向空间导向
利用地理信息系统，我们不仅可以纵览研究区域的全域，还可以利用缩放和漫游等G
IS所提供的基本功能深入到我们更感兴趣的区域去研究。
一个完善的地理信息系统提供了空间数据库功能，使用我们可以以小比例尺查看全局，以中比例尺查看局部，以大比例尺查看细部。
在比例尺不断增大的同时，展现给用户的空间信息内容会不断更新。
例如在浏览一个行政省全局时，只需要显示大的河流、省级公路铁路以及市县级行政分区图斑等全局信息，而随着比例尺的不断增大，就需要显示宗地、建筑物、公园等具体的空间地物。
这些与地图学中强调的制图综合的概念是相似的。
地理信息系统的空间导向功能还可以从空间查询功能中得到体现。
利用一张省级土地利用图，我们可以通过空间查询找到“城市中的公园”，并即时将地图的显示范围缩放到所
有“公园”空间分布的范围内，这样同样是空间导向作用的体现。
333空间思维空间思维空间思维
地理信息系统的空间数据库在存储各地物空间描述信息的同时，还存储了地物之间的
空间关系，这一特点为进行空间分析提供了基础。
地理信息系统的空间思维，就是要利用GIS数据库中已经存储的信息，通过GIS的工具（例如缓冲区分析、叠置分析），生成GIS空间数据库中并求存储的信息。
专业的3S站3s8.地理信息系统将许多空间分析工具集成起来，并提供二次开发工具。
在进行空间分析时，用户将各种分析工具按所研究领域的专业模型组织成一个程序（即计算机可以识别和操作的思路），交由地理信息系统完成，最后提供空间可视化的分析结果。
地理信息系统的空间思维功能使我们能够揭示空间关系、空间分布模式和空间发展趋势等其它类型信息系统所无法完成的任务。
5．地理信息系统的功能
111数据采集与输入
数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将
这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。
对多种形式、多种来源的信
息，可实现多种方式的数据输入。
主要有图形数据输入、栅格数据输入、GPS数据输入、
属性数据输入。
222数据编辑与更新数据编辑与更新数据编辑与更新
数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。
属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成，图形主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。
数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录，它通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。
由于空间实体都处于发展的时间序列中，人们获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。
随着时间的推进，数据会随之改变。
数据更新可以满足动态分析的需要，对自然现象的发生和发展作出合乎规律的预测预报。
333数据存储与管理数据存储与管理数据存储与管理
数据存储，即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。
其存储方式与
数据文件的组织密度相关，关键在于建立记录的逻辑顺序，即确定存储的地址，以便提高
数据存取的速度。
属性数据管理一般直接利用商用关系数据库软件，如ORACLE、SQL
server等进行管理。
空间数据管理是GIS数据管理的核心，各种图形或图像信息都以严密
的逻辑结构存放在空间数据库中。
444数据显示与输出数据显示与输出数据显示与输出
数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，通常以人机交互方式来选择显示的
对象与形式，对于图形数据根据要素信息量和密集程度，可选择放大或缩小显示。
GIS不
仅可以输出全要素地图，还可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表
及数据。
555空间查询与空间分析空间查询与空间分析空间查询与空间分析
GIS的面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检索数据，更有
意义的在于用户可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态的分析，从而为评价、
管理和决策服务。
666拓扑空间查询拓扑空间查询拓扑空间查询
空间目标之间的拓扑关系有两类：
一种是几何元素的结点、弧段和面块之间的关联关
系，用以描述和表达几何元素间的拓扑关系；另一种是GIS中地物之间的空间拓扑关系，
可以通过关联关系和位置关系隐含表达，用户需通过特殊的方法查询。
空间关系有：
面与面的关系，如检索与某个面状地物相邻的所有多边形及属性；线与
线的关系，如检索与某一主干河相关联的所有支流；点与点的关系，如检索到某点一定距
离内的所有点状地物；线与面的关系，如检索某公路所经过的县市或某县市内的所有公路；
点与线的关系，如某河流上的所有桥梁；点与面的关系，如检索某市所有银行分布点。
777缓冲区分析缓冲区分析缓冲区分析
缓冲区用以确定围绕某地要素绘出的定宽地区，以满足一定的分析条件。
点的缓冲区
是个圆饼，线的缓冲区是个条带状，多边形的缓冲区则是个更大的相似多边形。
缓冲区分
析是GIS中基本的空间分析功能之一，尤其对于建立影响地带是必不可少的。
如道路规划
中建立缓冲区以确定道路两边若干距离内的土地利用性质。
888叠加分析叠加分析叠加分析
叠加分析提供根据两幅或两幅以上图层在空间上比较地图要素和属性的能力，通常有
合成叠加和统计叠加之分，前者是根据两组多边形边界的交点建立具有多重属性的多边
形，后者则进行多边形范围的属性特征统计分析。
合成叠加得到一张新的叠加图，产生了
许多新多边形，每个多边形都具有两种以上的属性。
统计叠加的目的是统计一种要素在另
一种要素中的分布特征。
999选址分析选址分析选址分析
根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、
环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置。
101010网络分析网络分析网络分析
建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理
地下管线突发事件（爆管、断路）等应急处理。
警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。
111111距离分析距离分析距离分析及及及相邻相接分析相邻相接分析相邻相接分析
距离分析提供了在地图上距离的功能，相邻分析确定哪些地图要素与其它要素相接触
或相邻，而相邻相接分析则结合距离和相邻分析两者的针对性，提供确定地图要素间邻近或邻接的功能。
121212等高线分析等高线分析等高线分析
等高线图是人们传统上观测地形的主要手段，可以从等高线上精确地获得地形的起伏
程度，区域内各部分的高程等。
131313坡度坡向分析坡度坡向分析坡度坡向分析
在DTM（数字地面模型）中计算坡度和坡向，派生出坡度坡向图供地形分析（如日照分析、土地适宜
性分析等）。
141414断面图分析断面图分析断面图分析
用户可以在断面图上考察该剖面地形的起伏并计算剖面面积，以便用于工程设计和工
程量算。
151515地形表面面积和填挖方体积计算
利用DTM（数字地面模型）数据，可以比较容易地求出所需要地区的地形表面面积以及施工区域内填
挖方的体积（土石方量）。
6．地理信息系统的应用现状
人类所接触的信息中有80%以上与GIS相关，GIS的迅猛发展已经让越来越多的人意
识到地理空间信息系统的重要性，GIS已成为IT产业重要的组成部分。
尽管大众对GIS
相对比较陌生，但GIS的应用已经涵盖了国土、地矿、环保、城建、能源、国防、军事、
航天等应用领域，而在与普通大众息息相关的公共设施管理、道路交通、电力供应、资源管理、城市规划、政府决策、大众服务等方面更发挥着越来越大的作用。
GIS应用有两个主要方向：
一个方向是政府和企业级应用、另一个方向就是基于GIS
平台的公众服务。
GIS在政府和企业应用中已经迈出了一大步，在互联网服务领域，GIS
也一直在探索出路，特别是近几年，随着基础地理数据库建设的完成，GIS的大众化应用
已经悄然走进了大众的生活。
可以说，GIS在各行业中的应用，极大的促进了我国信息化建设的进程。
地理信息系统广泛应用于：
资源管理、环境保护、市政管理、城市规划、邮电通讯、
交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业管理、金融管理、
测绘制图、电子政务等几乎所有领域。
7．地理信息系统的电子政务中的应用
（1）GIS是电子政务信息资源的空间定位平台。
电子政务旨在为政府机关建设一套用
于对政治、经济和社会发展进行综合业务管理和分析辅助决策的工具。
政务办公业务综合
资源数据库是电子政务建设的核心。
政府办公业务综合资源数据库所涉及的信息是多方面
的，既需要政府办公自动化（OA）和政府管理信息系统（MIS）中的大量政务数据、统计数据和专题数据，更需要政务GIS的空间地理基础数据；其中，地理基础数据是政务数据、
统计数据和专题数据的信息载体和定位基础。
中办[2002]号文中确定的12个重要业务系统和4个基础信息库的建设和应用都离不开地理空间数据的支持。
以“金水工程”为例，大型水利工程的规划和建设，水资源的合理配置，供水工程管理、水土保持，南水北调工程、抗旱工程、建设全国七大江河流域的防汛抗灾信息系统等都需要多源、多尺度、多时相国家空间数据框架（NSDI）的支持。
（2）GIS可以为电子政务提供空间辅助决策平台。
在电子政务建设过程中，统计型政务
管理信息系统，一般只能用于事物处理、综合业务管理和非空间分析决策，因而制约了社
会经济数据的使用层次和使用效率。
政务GIS与电子政务的融合，就能实现对非空间数据
的空间定位、空间分析和空间辅助决策；即不仅能确定客观实体是什么，还能确定客观实
体的地理位置和空间分布规律；通过空间数据挖掘，可以获得新的信息和知识，从而有助
于提高政府决策的科学性和时效性。
（3）GIS可以为电子政务提供可视化工具。
一般统计型管理信息系统难以提供丰富多彩
的图形、图像显示工具，而政府GIS则可在符号系统和动态多媒体系统的支持下，通过模
拟地图、电子地图、多媒体系统、三维仿真和虚拟现实技术等实现对政府机关综合业务管
理和空间辅助决策的可视化表达，从而提高工作效率。
8．地理信息系统的发展过程
1.1.1.国际发展状况
地理信息系统的存在与发展已历经30余年。
用户的需要、技术的进步、应用方法论
的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深深地影响着地理信息系统的发展。
综观GIS
发展，尤其是北美地区的实际情况，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段：
（1）60年代为地理信息系统开拓期，注重于空间数据的地学处理。
例如，处理人口统计局
数据（如美国人口调查局建立的DIME）、资源普查数据（如加拿大统计局的GRDSR）等。
许多大学研制了一些基于栅格系统的软件包，如哈佛的SYMAP、马里兰大学的MANS等。
纵合来看，初期地理信息系统发展的动力来自于诸多方面，如学术探讨、新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等。
对于这个时期地理信息系统的发展来说，专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用，并且大多地理信息系统工作限于政府及大学的范畴，国际交往甚少。
（2）70年代为地理信息系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。
地理信息系统的真正发展应是70年代的事情。
这种发展应归结于以下几方面的原因：
一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难，而这些都需要一种能有效地分析、处理
空间信息的技术、方法与系统。
二是计算机技术迅速发展，数据处理加快，内存容量增
大，超小型、多用户系统的出现，尤其是计算机硬件价格下降，使得政府部门、学校以
及科研机构、私营公司也能够配置计算机系统；在软件方面，第一套利用关系数据库管
4系统的软件问世，新型的地理信息系统软件不断出现，据IGU调查，70年代就有80多
个地理信息系统软件。
第三，专业化人才不断增加，许多大学开始提供地理信息系统培训，一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信息系统工作，如美国环境系统研究所（ESRI）成立于1969年。
这个时期地理信息系统发展的总体特点是：
地理信息系统在继承60年代技术基础之上，充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在地理信息系统技术方面未有新的突破；系统的应用与开发多限于某个机构；专家个人的影响削弱，而政府影响增强。
（3）80年代为地理信息系统大发展时期，注重于空间决策支持分析。
地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分
区等，涉及到了许多的学科与领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等。
许多国家制定了本国的地理信息发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。
如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室，美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA），英国于1987年成立了地理信息协会。
同时，商业性的咨询公司，软件制造商大量涌现，并提供系列专业性服务。
这个时期地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场。
（4）90年代为地理信息系统的用户时代。
一方面，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。
另一方面，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。
国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划；同美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略、我国的“21世纪议程”和“三金工程”也包括地理信息系统。
毫无疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。
2.2.2.国内发展状况
我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。
以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。
地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划开始。
地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。
许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。
如全国性地理信息系统（或数据库）实体建设、区域地理信息系统研究和建设、城市地理信息系统、地理信息系统基础软件或专题应用软件的研制和地理信息系统教育培训。
通过近五年的努力，在地理信息系统技术上的应用开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了实际的效益。
自90年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。
执行地理信息系统和遥感联合科技
攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。
努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化。
在地理信息系统的区域工作重心上，出现了“东移”和“进城”的趋向，促进了地理信息系统在经济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急迫的地区和城市首先实用化。
这期间开展的主要研究及今后尚需进一步发展的领域有：
重大自然灾害监测与评估系统的建设和应用；重点产粮区主要农作物估产；城市地理信息系统的建设与应用；建立数字化测绘技术体系；国家基础地理信息系统建设与应用；专业信息系统与数据库的建设和应用；基础通用软件的研制与建立；地理信息系统规范化与标准化；基于地理信息系统的数据产品研制与生产。
同时经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。
总之，中国地理信息系统事业经过十年的发展，取得了重大的进展。
地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。
9．GIS应用新趋势
随着GIS技术的逐步成熟和推广应用，GIS应用新趋势呈现多层次全方位发
展。
它不再局限于探讨GIS技术本身，不再全力以赴只在计算机软件工程上投入资
源，而是要把大量精力集中到怎样应用上，通过一个整合的框架、分析方法和表达方
式，为GIS提供系统化的知识，并且只将GIS作为一种系统平台和使用工具对待。
这些体现出了GIS发展成果为全社会共享的新进展。
而现代的GIS技术，通
过GIS技术与地理科学研究的结合，很多和地理相关的科研部门正在利用GIS把他
们多年来积累的地理科学模型转化为计算机数字模型，同时在GIS技术平台上衍生
出大量的新功能、新模型，可以有效地解决世界上大量的地理问题。
数字地球就是一个全局性的长远的战略思维问题，其核心在于：
（1）用数字化手段统
一性地处理地球问题；
（2）最大限度地利用信息资源。
具体地说，就是在全球、国家和区
域的层次上，长远地规划地球表层和浅表层数字信息的获取、处理、应用等方面的相关工
作，从系统论和一体化的角度来整合已有的或者正在发展的与数字地球相关的理论、技术、
数据、应用和能力。
数字地球在不同历史时期又有特定的目标；目前，应当建立多比例尺、
多应用层面的数字化地球、数字化地区或数字化城市，能够更广泛、深入地为社会可持续
发展提供服务。
数字地球需要解决的新理论、技术问题：
尽管建立数字地球涉及到的许多理论、技术、数据和应用等基础条件已经具备，仍然
存在许多需要解决的理论和技术，主要表现在以下几方面：
数据获取与更新方面：
各类遥感新技术，如高分辨率高光谱卫星图像技术、雷达卫星
技术数据获取集成一体化技术等。
网络、计算机硬件、数据与信息传播方面：
新一代大规模平行处理器，高宽带网络，
支持基于网络的分布式计算操作系统，智能网络技术，基于对象的分布式网络服务，分布
处理和互操作协议等。
数据处理、储存、数据库、信息提取与分析方面：
高密度高速率的海量空间数据储存、
压缩、处理技术，数据互操作技术，多比例尺多时相多源数据融合、集成技术，图像信息
智能提取（图像自动分类等）技术，元数据技术，空间数据仓库，海量空间数据的智能提
取技术，空间数据交换网络技术，支持异构分布数据库的扩展对象关系模型，面向对象空
间数据库，实时的多分辨率海量空间数据的存储和分发等。
目前，GIS技术应用涉及面非常宽泛，大到对全球问题的关注，如全球变暖、
环境污染、厄尔尼诺现象等，远到太空如火星、月球，小到如
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