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整理什么是GIS
什么是GIS
地理信息系统（GIS）是以可视化和分析地理配准信息为目的，用于描述和表征地球及其他地理现象的一种系统。
许多人已经将GIS视为最强大的信息技术之一，因为它致力于整合来自多种来源的知识（例如，作为地图中的各种图层）并创建一个跨领域的合作环境。
此外，对于大多数接触过GIS的人们来说，它直观易懂，具有很大的吸引力。
它将强大的可视化环境（使用地图进行沟通和可视化）与基于地理科学的稳健的分析和建模框架相结合。
这种结合孕育出一项科学、可信且易于交流（通过地图和其他地理视图）的新技术。
在您开始使用ArcGIS时，应了解GIS的一些基础知识以及在软件的使用过程中ArcGIS如何实现这些理论，这一点十分重要。
在本部分中，您将会了解到有关一些GIS重要方面以及如何依据一系列重要地图概念构建地理信息模型的信息。
GIS的重要方面
GIS利用基于图层的地理信息模型来表征和描述世界。
ArcGIS通过建模将地理信息转化为一系列逻辑图层或专题数据。
例如，GIS可包含带有下列信息的数据图层：
∙表示为中心线的街道
∙表示植被、居民区、商业区等的土地利用区域。
∙行政区
∙水体与河流
∙表示土地所有权的宗地多边形
∙用于表示高程和地形的表面
∙某一感兴趣区域的航空影像或卫星图像
地理信息图层（例如这里所描述的图层）使用一些常用的GIS数据结构来表示：
∙要素类：
要素类是同一类型要素的逻辑集合（例如此处所示的四种要素类型）。
∙栅格数据集：
栅格是基于栅格单元的数据集，用于存放影像、数字高程模型以及其他专题数据。
∙属性和描述信息：
这些是传统表格信息，用于描述每个数据集中地理对象的要素和类别。
与地图图层类似，GIS数据集也需要进行地理配准以便可以相互叠加并定位在地球表面上。
有关建模和表示地理信息的详细内容，请参阅地理信息元素概述。
GIS通过地图来显示和利用地理信息。
每个GIS都包括一系列的交互式智能地图和其他视图（例如3D地球），用于显示地球表面上的要素以及要素之间的关系。
可为基础地理信息构建各种地图视图，这些地图可作为“地理数据库的窗口”，通过它们可对地理信息进行查询、分析和编辑。
还可通过地图访问用于派生新信息的地理建模工具。
GIS地图是交互式地图，有助于传达大量信息。
通过交互式地图，您可以为最终用户提供任何有助于他们完成任务并开展重要工作的信息。
有关制图和可视化的详细信息，请参阅地图如何传达地理信息。
GIS提供一套全面的分析和数据变换工具，用于执行空间分析和数据处理。
GIS包括大量地理处理功能，用于从现有数据集中获取信息、应用分析功能以及将结果写入新的结果数据集。
此外，还提供了大量空间运算符，例如此处所示的“缓冲区”工具和“相交”工具，它们可应用于GIS数据。
每个地理处理工具将现有信息作为输入并得出新结果，这些结果随后可用于后续的操作。
GIS的重要功能之一即，通过构建一个模型将一系列的逻辑操作串联在一起，从而便于用户进行空间分析和自动执行数据处理。
地理配准和坐标系
地理配准是指使用地图坐标为地图要素指定空间位置。
地图图层中的所有元素都具有特定的地理位置和范围，这使得它们能够定位到地球表面或靠近地球表面的位置。
精确定位地理要素的能力对于制图和GIS来说都至关重要。
要正确地描述要素的位置和形状，需要一个用于定义实际位置的坐标框架。
地理坐标系用于将地理位置指定给对象。
使用经度和纬度的全局坐标系就是这样一种框架。
还有一种是由地球框架派生的平面坐标系或直角坐标系。
地图使用格网、经纬网和标有各种地面位置的控制点标记来表示地球表面上的位置，测量单位既可采用经纬度，也可采用投影坐标系的单位（例如UTM米）。
包含在各种地图图层中的地理元素依据给定的地图范围，按照特定顺序（相互叠放）进行绘制。
GIS数据集在全局坐标系或直角坐标系中存储坐标位置以记录地理位置和形状。
通过此种方式，可将多个GIS数据图层叠加在地球表面上。
经度和纬度
此种方法使用经度和纬度的球面测量值来描述地球表面上的地理位置。
具体是指地球中心与地球表面上某一点构成的角（以度为单位）的测量值。
此类坐标参考系常被称为地理坐标系。
经度用于测量东西方向的角度。
经度测量通常以本初子午线为起点，它是一条从北极点通过英格兰格林尼治并一直延伸到南极点的假想线。
此角度的经度为0。
本初子午线往西通常记为负经度，往东记为正经度。
例如，加利福尼亚州洛杉矶的纬度约为“正33度，56分”，经度约为“负118度，24分”。
尽管使用经度和纬度可定位到地球表面上的确切位置，但二者的长度和距离测量单位并不相同。
只有在赤道上，一经度所表示的距离才约等于一纬度所表示的距离。
这是因为，赤道是唯一一条长度与经线相同的纬线。
（半径与球面地球半径相同的圆称为大圆。
赤道和所有经线圈都是大圆。
）
在赤道上方和下方，用来定义纬度线的圆将逐渐变小，直到最终在南极点和北极点（所有经线均在此处相交）处变为一个点。
由于经线沿极点方向逐渐会聚，所以一经度所表示的距离最终将减小为零。
在克拉克1866椭球体上，赤道上的一经度等于111.321千米，而在60°纬度上，却只有55.802千米。
由于经纬度的度数不对应某一标准长度，因此无法精确测量距离或面积，也难以在平面地图或计算机屏幕上显示数据。
在使用许多（不是全部）GIS分析和制图应用程序时，经常需要由投影坐标系提供的更稳定的平面坐标框架。
此外，用于空间运算符的某些算法可考虑到球面（地理）坐标系的几何行为。
使用直角坐标系的地图投影
投影坐标系是指用于平面（例如打印的地图或计算机屏幕）的任何坐标系。
2D和3D直角坐标系都可使用x值和y值（在后面会讲到，也可使用栅格的列和行）描述要素的地理位置和形状。
直角坐标系使用两个轴：
一条水平轴（x），表示东西方向，一条垂直轴（y），表示南北方向。
两轴的交汇点称为原点。
地理对象的位置使用（x,y）标记法相对于原点进行定义，其中x表示沿水平轴的距离，y表示沿垂直轴的距离。
原点定义为（0,0）。
在下图中，标记（4,3）所记录的点在x轴方向距原点四个单位，在y轴方向距原点三个单位。
3D坐标系
投影坐标系也逐渐地开始使用z值来测量平均海平面以上或以下的高程。
在下图中，标记（2,3,4）所记录的点在x轴方向距原点两个单位，在y轴方向距原点三个单位并且高程为地球表面以上四个单位（例如平均海平面以上4米）。
地图投影中的属性和变形
由于地球是球体，所以制图人员和GIS专家所要面临的一个挑战就是如何使用平面坐标系表达真实世界。
要体会这种困境，只需想一想如何将半个篮球变平即可；如果不改变它的形状或创建不连续的区域，就无法做到这一点。
将地球曲面表示为平面的过程称为投影，由此而产生了术语地图投影。
投影坐标系在二维平面中进行定义。
可为2D（x,y）或3D（x,y,z）定义投影坐标，其中x和y测量值表示地球表面上的位置，z表示平均海平面以上或以下的高度。
与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。
不过，将地球表面表示为平面地图的所有地图投影会在某些方面（例如距离、面积、形状或方向）产生变形。
用户可通过使用适合所需用途、特定地理位置和范围的地图投影来解决上述限制。
GIS软件也可在坐标系之间进行信息转换，以支持对具有不同坐标系的数据集进行整合以及支持许多关键的工作流。
许多地图投影具有特定用途。
某一地图投影可能用于保持形状不变，而另一投影可能用于保持面积不变（等角投影与等积投影）。
在为每个GIS数据集和地图定义坐标系时，这些属性（地图投影连同椭球体和基准面）将成为重要的参数。
通过为每个GIS数据集记录这些属性的详细描述，计算机可以动态地将数据集元素的地理位置重新投影并转换到适当的坐标系中。
因此，可以从多个GIS图层中整合及合并信息，而不用考虑它们所使用的坐标系。
这是GIS的一项基本功能。
精确定位构成了几乎所有GIS操作的基础。
地图如何传达地理信息
GIS的基本概念与地图及其内容密切相关。
事实上，地图概念是全面了解GIS的基础。
本主题将探究一些基本的地图概念并说明如何在GIS中应用和使用这些概念。
地图
地图以一系列专题图层的形式表示某一感兴趣区域的空间或地理信息。
打印的地图还包含页面上排布和组织的其他地图元素。
地图框架提供了信息的地理视图，而位于地图边缘的其他元素（例如符号图例、比例尺、指北针、描述性文本以及地图标题）可帮助您了解、阅读和解释地图的内容。
用户还可以通过工具来使用计算机地图（即计算机屏幕上的交互式影像），这些工具允许用户查询地图的基础地理信息并与其进行交互。
所有地图的共同特征就是表示真实世界要素的专题图层集。
图层
地理实体由一系列覆盖给定地图范围的地图图层表示。
例如，可以查看公路、河流、地名、建筑物、行政边界、表面高程和卫星影像等地图图层。
在地图中，地理元素即通过这一系列的地图图层进行描绘。
地图图层是地理信息（例如交通、水和高程）的专题制图表达。
每个地图图层使用符号、颜色和文本来描绘有关各个地理元素的重要的说明性信息。
地图图层借助以下元素传达信息：
∙离散要素，例如点集合、线集合与面集合
∙地图符号、颜色和标注，用于帮助描述地图中的对象
∙覆盖地图范围的航空摄影或卫星影像
∙连续表面（例如高程），它可通过多种方式来表达，例如通过等值线与高程点集合或晕渲地貌
地图布局与组成
除地图框架外，地图还通过在页面上排布一系列的综合地图元素来呈现其他信息。
常见的地图元素包括指北针、比例尺、符号图例及其他图形元素。
这些元素会定义每个地图符号的含义并提供地图内容的相关信息，对于解读地图大有帮助。
这样，地图只需以系统、直观的方式来描绘海量信息即可传达出更多的内容。
而这样一来，也有助于每一位地图浏览者查看并理解其工作所需的相关内容。
地图中的空间关系
通过地图来表示地理关系能使其便于地图浏览者进行解释和分析。
基于位置的关系称为空间关系。
以下是一些示例：
∙地理要素相互连接（例如，WaterStreet与18thAve相连。
）
∙地理要素彼此相邻（毗连）（例如，城市公园与大学相邻。
）
∙某地理要素包含在某一区域内（例如，建筑物覆盖区包含在宗地边界内。
）
∙地理要素互相叠加（例如，铁路与高速公路交叉。
）
∙地理要素互相接近（邻近）（例如，法院靠近国会大厦。
）
∙要素几何相同（例如，城市公园与历史古迹多边形相同。
）
∙地理要素的海拔不同（例如，国会大厦位于水平面以上。
）
∙某一要素沿着另一要素（例如，公交线路沿着街道网络。
）
在地图中，这样的关系并不会明确地表示出来。
而是需要地图浏览者自身通过从地图元素（例如街道、等值线、建筑物、湖、铁路及其他要素）的相对位置和形状中获取信息来解释这些关系。
在GIS中，可通过应用丰富的数据类型和行为（例如拓扑和网络）以及对地理对象应用一组综合性的空间运算符（例如缓冲区和面叠加）来对此类关系进行建模。
如何在GIS中使用地图
地图在GIS中起着特殊作用：
∙地图以地图图层的形式描绘地理信息的逻辑集合。
∙地图是GIS应用的关键所在。
∙地图为地理信息的建模和组织提供了一种有效机制，即以一系列专题图层的形式进行建模和组织。
此外，交互式GIS地图所提供的焦点将便于使用地理信息并使这些信息变得生动形象。
同时，GIS地图是专业GIS用户之间以及与在线用户共享GIS内容的主要方式。
本主题包含相关重要信息，用以说明在向众多新用户介绍GIS时地图所起到的作用。
地图扮演着重要角色，几乎所有人都可从高质量地图中方便地获取所需信息。
地图发展历经多个阶段-从传统的纸质地图和影像到计算机、网络和移动设备上使用的新型多媒体地图。
GIS地图是一种新型地图，其所呈现的内容远非静态地图所能及。
它为访问和使用所有地理信息、描述性数据以及GIS专业人士创建的丰富的空间分析模型提供了交互式窗口。
GIS地图的作用如下：
∙宣传和共享GIS
∙编译和维护GIS内容
∙使用专题图层设计和组织地理信息
∙通过地理处理获取新信息，然后对信息进行可视化、汇总、分析、比较并解释分析结果
∙共享可在网络中使用的地理信息
地图用途示例
用于传递和了解信息
地图用于以一种有组织的形式显示和传递大量信息。
人类具有空间思维能力，能够查看地图，将地图上的位置与实际地理位置相关联，并从每幅地图所包含的大量内容中获取和了解关键信息。
虽然地图包含大量信息，但其表示信息的方式却清晰有效。
通过使用地图，您可以开始理解并获取地图背后所隐含的信息。
用于研究各种现象
地图可用于发现和研究某些现象，例如某城市的人口特征或羚羊在冬夏两季栖息地之间的迁徙情况。
在GIS中，很多地图可以是动态的，并且可以生成报告和图像以反映某些时间范围内的多种特征和变化。
地图可直观地反映现象。
此地图显示出南加利福尼亚州部分地区的人口年龄分布情况。
颜色越暗，表示对应地区的人口平均年龄越大。
单击地图上的一个要素即可显示所选块组的年龄分布情况。
这样，便可通过地图来获取丰富的地理信息和图表信息。
而关键在于，GIS地图提供了地图隐含信息的交互式报告-不仅是属性列表，还有图表、报告、照片和几乎所有相关内容（例如，网站链接）。
定义如何报告要素和通过地图要素可获取哪些信息是创建GIS地图时设计和捕获的关键规范之一。
您还可以将随时间变化的图层的地图交互属性定义和保留为GIS地图定义的一部分。
例如，下方是通过GPS追踪设备获得的动物迁徙情况动态地图。
您可以使用时间滑块工具来显示动物在不同日期所处的位置。
单击向前箭头可移至下一天的观测结果。
上方四张在线动态地图快照显示了叉角羚羊在300天迁徙过程中特定四天的位置。
这些点表示在10个月时间（从2002年十月到2003年八月）内叉角羚羊的每日迁徙情况。
ArcMap中的“时间滑块”工具用于以动态形式呈现动态地图。
通过分析获得新信息
GIS地图将强大的可视化功能与稳定的分析和建模系统相结合。
GIS中的分析模型用于生成模型结果，生成的结果可作为新获得的地图图层添加到地图显示画面中。
正如可以通过各个地图图层获得丰富的要素信息一样，您可以通过地图获得大量分析结果。
实际上，您通过GIS地图来访问分析模型并将分析结果显示为新的地图图层，新图层可具有相同类型的要素报告、可视化和动画功能（即上文所述功能）。
表示犯罪率的“热点图”。
颜色越偏向暖色调，表示犯罪率越高。
影像由费城警局（提供。
此地图显示了对非洲疟疾流行情况的预测。
颜色越暗，表示疟疾病例的投影密度越高。
影像由AdaptationAtlas（http:
//www.adaptationatlas.org/）提供。
此地图中已绘制出三条路线，这些路线用于缩短车队中的三辆车在停靠点之间的行驶时间。
使用网络分析优化车辆路线的组织通常每年将节省20%或更多的运输成本。
空间分析是GIS中值得关注且引人注目的功能之一。
通过空间分析，GIS用户可借助于一组大型、丰富且复杂的空间运算符将来自许多独立信息源的信息进行组合，从而得到一组全新的信息（结果）。
GIS专业人员使用地理处理“将自己的想法编写成程序”以获得分析结果。
这些结果将转而应用于各种各样的问题。
获得状态报告
在Web上，地图可用于显示状态并确保团队及时了解最新发生的事件。
GIS信息具有动态性，并且对于很多图层，GIS信息经常更新。
动态地图是人们通过普通图像了解最新信息的有效方式。
联合国人道事务协调办公室（OfficefortheCoordinationofHumanitarianAffairs,OCHA）提供的这张状态地图显示了对2010年一月海地地震的人道主义救援活动的情况。
影像由OCHA（http:
//ochaonline.un.org/）提供。
一种非常普遍的GIS应用是显示数据源和特定用户组状态的运营仪表板。
仪表板中的信息图层针对特定用户群和他们的运营需求，使他们能够更为有效地工作并更为迅速地做出响应。
很多Web地图被用作运营仪表板，这些仪表板将显示多个工作团队的状态信息，以确保每位成员均能够及时了解最新信息。
这是公用事业水网的运营仪表板。
此运营仪表板中显示了直接来自现场、运营中心和呼叫中心的最新信息。
编译地理信息
可使用地图对要素和其他数据进行编译和编辑，这些要素和数据在地理数据库中进行管理和维护。
可供编辑的最佳GIS地图会提供要添加到地图中的特定类型要素以及相关编辑工具和属性特性。
用户可通过ArcGIS将这些编辑属性作为图层设计的一部分进行定义和共享。
在此地图中，使用了表示土地利用类型的要素调色板来显示不同类型的土地利用区域。
您可以简单绘制（绘制出轮廓）多个建议区域，以便对各种土地利用方案进行可视化和分析。
可使用移动GIS地图在现场采集数据并在移动地图上接收和查看状态报告。
展示构想、概念、计划和设计方案
地图有助于展示构想、计划和设计方案。
结合交互式要素报告的有效图层显示是可视化、展示和了解多种不同方案的重要途径。
上方所示是一些用于开发和显示设计方案的2D地图和3D地图，以及一些用作设计决策的输入的分析结果。
开放式共享地理知识
如上方地图示例所示，地图可有效并且高效地对地理知识进行形象化的展现。
GIS用户可凭借高质量的地图进行相互交流并共享地理信息和地理知识。
地理信息元素
地理信息元素概述
与地图一样，GIS也是基于图层的。
就像地图中的专题图层，GIS数据集表示单个要素的逻辑集合，同时将各个要素的地理位置、形状以及相关描述性信息作为属性进行存储。
在GIS技术出现之前，地图制作者通过创建一系列地图图层来描述地理位置并表示其特征。
他们通常采用可在看版台上进行叠加的透明度。
这些集成显示用于显示空间关系并有助于了解某个地点的相关特征。
专业人士会依据这些显示进行解释并得出相关结论。
IanMcHarg博士就是一位将此过程应用于规划的梦想家，他既是一名景观设计师，也是在使用自然系统进行区域规划方面的著名作家。
他于1969年出版了重要著作设计结合自然，明确提出了生态规划的概念，此概念即运用了地图叠加原理。
可通过“维基百科”了解有关IanMcHarg及其著作的详细信息。
大约在同一时期，“GIS之父”RogerTomlinson博士也提出了早期的GIS理念。
他从GIS其他方面更深入地阐述了作为GIS基石的专题图层及叠加图层的概念。
这些早期的GIS专业人士一直积极探索如何将地理信息分割成一系列逻辑信息图层，而不仅仅是对象的随机组合。
他们曾经设想将同类制图表达的集合作为图层进行管理。
这些GIS用户按数据主题（其中每个数据主题描述某一现象的分布情况）对信息进行分类并对如何跨地理范围描绘各个专题进行说明。
他们发现可以使用相对简单的GIS数据类型（点、线、面及栅格）。
这些简单的数据图层可通过位置进行合并，也就是说，通过地理配准可在地图中合并数据集或使用地理处理操作（如面叠加）进行叠加。
这些先驱者同样也提出了数据采集协议以及将这些采集数据作为地理数据图层进行管理的方法。
以下是一个表示土壤的示例。
可为指定范围内的每个区域（面）分配一个主体土壤类型并使用每个面的属性或特性对土壤类型进行分类和描述，从而确保其分类和描述信息保持一致。
在土壤示例中，将为各个土壤多边形记录经常涉及到的属性集。
可将主题定义为描述代表主体土壤类型的各个不同区域（也就是说，是土壤类型多边形的图层集合及其作为属性值的描述信息）。
这种地理图层组织原则后来成为了通用的GIS原则之一，为GIS系统如何表示、操作、管理和应用地理信息奠定了基础。
地理信息图层的三种基本制图表达形式
所有用于表示和管理地理信息的GIS行为都基于地理信息的三种基本制图表达或表现形式：
∙要素（点、线和面的集合）
∙属性
∙影像
下文将对每一种类型进行描述。
要素-点、线和面
地理要素用于表示位于地球表面或接近地球表面的事物。
地理要素可以是自然事物（例如河流和植被），可以是人造事物（例如道路、管线、井和建筑物），还可以是细分用地（例如县、行政区和地块）。
虽然还有多种其他类型的要素，但地理要素最常使用点、线或面来表示。
∙点用于定义小到无法用线或面表示的地理要素的离散位置，例如井位、电话线杆和河水位标。
点还可表示地址位置、GPS坐标或山峰。
∙线用于表示宽度过小而无法用面表示的地理对象（例如街道中心线和河流）的形状和位置。
线还可用于表示只具有长度而不具有面积的要素，例如等值线和行政边界。
（等值线很值得关注，因为它们可作为连续表面的另一种表示方法。
下文中将对等值线进行介绍。
）
∙面是闭合区域（多边形），用于表示同质要素（例如州、县、宗地、土壤类型和土地利用区域）的形状和位置。
在以下示例中，面表示地块。
属性
地图通过地图符号、颜色和标注来传达描述性信息。
例如：
∙道路基于各自道路类（例如表示分车道高速公路、主街道、居住区街道、未铺面道路和小路的线符号）来显示。
∙河流和水体通常使用表示水的蓝色来绘制。
∙城市街道标有名称，并通常标有一些地址范围信息。
∙
∙
（2）评价方法的适当性；特殊的点符号和线符号用来表示特殊要素，例如铁路线、机场、学校、医院和各种类型的事件。
在GIS中，描述性属性在表中进行管理，而表以一系列基本关系数据库概念为基础。
属性表为存储和使用属性信息提供了简单、通用的数据模型。
属性表本身是开放的，因为所具有的简单性和灵活性的特征使属性表能够广泛支持众多应用程序。
以下是几个重要的概念：
∙
∙表二：
项目地理位置示意图和平面布置示意图；使用表组织描述性数据。
∙表包含行。
∙表中所有行具有相同的列。
∙每一列都具有一种类型，例如整型、小数型、字符型和日期型。
∙在关系数据库中，这些概念还包括一系列可用于处理表及其数据元素的关系函数和操作符。
即“结构化查询语言”或SQL。
影像
GIS中的影像通常指多种类型的基于像元或基于像素的数据源-用于卫星、航空摄影、数字高程模型、栅格数据集等。
综合性规划
（1）土地利用的有关规划；影像作为一种栅格数据类型进行管理，这种类型的栅格数据由像元组成，像元则以行和列组成的格网结构排列。
除地图投影之外，栅格数据集的坐标系还包含栅格数据的像元大小和一个参考坐标（通常位于格网的左上角或左下角）。
同建设项目安全评价相关但又有不同的还有：
《地质灾害防治管理办法》规定的地质灾害危险性评估，《地震安全性评价管理条例》中规定的地震安全性评价，《中华人民共和国职业病防治法》中规定的职业病危害预评价等。
通过这些属性可使用从左上角一行开始的一系列像元值描述栅格数据集。
（1）是否符合环境保护相关法律法规。
通过原点的参考坐标、像元大小以及行数和列数可自动定位每个像元。
（3）对环境影响很小、不需要进行环境影响评价的建设项目，填报环境影响登记表。
典型的影像源包括可拍摄航空像片的照相机，可根据地面位置对所拍摄的航空像片进行地理配准和校正（
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