高中地理湘教版必修3全册 第3章 第1节 地理信息系统及其应用导学案.docx
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高中地理湘教版必修3全册第3章第1节地理信息系统及其应用导学案
第三章 地理信息技术应用
本章概述
课标导航
1.结合实例，了解遥感（RS）在资源普查、环境和灾害监测中的应用。
2.举例说出全球定位系统（GPS）在定位导航中的应用。
3.运用有关资料，了解地理信息系统（GIS）在城市管理中的功能。
4.了解数字地球的含义。
内容概要
随着地理科学的发展，地理科学的研究与应用已离不开地理信息技术和相关理论支持，地理信息技术的应用和发展也离不开地理科学理论和方法的支撑，因此，地理信息技术是地理科学不可分割的组成部分，是地理科学发展的研究手段和关键技术。
地理信息技术科学体系主要由地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）三方面的核心技术组成，此三种技术的综合应用又称为3S技术，3S技术也是数字地球的关键技术。
而3S技术又以计算机科学、通信技术、遥感与卫星定位技术以及系统理论等信息技术和理论为支撑，属于地理科学与信息科学的交叉科学。
本章共分四节。
第一节“地理信息系统及应用”，教材主要讲述了地理信息系统的概念、发展、组成和工作过程，结合在城市建设和管理中的典型应用，阐述了地理信息系统的功能应用。
第二节“遥感技术及其应用”，首先介绍了遥感的概念、发展和类型，然后论述了遥感在资源普查、环境灾害监测中的应用。
第三节“全球定位系统及其应用”，重点讲解了全球定位系统的概念、组成和基本原理，说明了全球定位系统在定位、导航中的应用。
“数字地球”，是在地理信息系统、遥感技术、全球定位系统的基础上产生的，第四节教材首先讲明了“数字地球”的含义和技术基础，接着论述了“数字地球”与我们的生活的关系，讨论未来的数字生活。
学法点拨
本章内容作为地理科学发展的重要内容，加之其在社会生产、生活中的广泛应用和价值，在高中阶段的学习中意义重大，因此必将成为高考命题的重点。
本章内容理论性强，应用非常广泛，同时与计算机科学等相关学科的联系紧密，而且地理信息技术的发展迅速，学习时应强化本章中的理论和概念，结合地理信息技术应用的具体案例加以分析，及时关注相关方面的发展变化，并且同学们之间进行讨论互动，有利于本章内容的学习和地理综合分析能力的提高。
第一节 地理信息系统及其应用
课前自主探究
一、地理信息系统
1.地理信息系统（简称GIS）是一种以采集、 、 、分析和描述地球表面与地理分布有关 的空间信息系统。
2.地理信息系统最初为解决 而出现，现在它已成为 产业的一个重要组成部分。
3.从20世纪60年代至今，GIS经历了四个发展阶段：
20世纪60年代为 ，20世纪70年代为 ，20世纪80年代为 ，20世纪90年代后为
时代。
4.我国GIS从20世纪80年代初期 ，90年代进入 阶段。
目前，GIS已经成为社会经济重大问题 和 的强有力的工具。
进入21世纪，我国GIS事业取得了 。
5.地理信息系统主要由五部分内容所组成
（1）硬件设备由 、 、 、 、存储设备所组成。
（2）GIS软件提供 、 、 地理数据的功能。
主要包括数据 与 、数据 、数据 以及数据的显示和输出等。
（3）GIS系统建立在地理数据的基础上。
根据内容的不同，GIS数据可以分为 数据和 数据。
（4）GIS人员包括从事GIS系统 的专业人员，也包括采用GIS完成工作的 。
（5）应用模型是解决实际问题的 。
（6）GIS的工作过程，主要包括地理数据的 、 ，地理数据的 和 ，以及地理信息 等环节。
二、地理信息系统与城市管理
1.GIS广泛应用于 、 、 、 、 、
、 、公安、水利、 、 等人们生产生活的各个领域。
2.GIS在城市建设和管理中的典型应用有：
（1）城市规划和管理，主要利用GIS技术进行城市规划的 、 等，也可进行城市 和 。
（2）基础设施管理：
借助GIS能够完成 、 、 等工作，可大幅度提高工作效率。
（3）土地利用与管理：
GIS技术可以有效地完成对土地利用状况的
和 ，提高工作质量与效率。
（4）生态环境管理：
应用GIS技术，可以实现城市 、 、环境与区域可持续发展的 、环保设施的 等。
参考答案
一、1.存储 管理 数据2.地理问题 信息3.开拓期 巩固发展期 大发展期 用户4.开始起步 快速发展 社会 经济 重大进展5.
（1）计算机主机 数据输入设备 数据输出设备 数据传输设备
（2）存储 显示 分析 输入 编辑 管理 操作
（3）基础 专题（4）开发 用户（5）数据模型（6）输入 存储 操作 分析 输出
二、
1.资源调查 环境评估 灾害预测 国土管理 城市规划 邮电通信 交通运输 公共设施 商业金融
2.
（1）设计 工程选址 管理 辅助决策
（2）工程设计 应急抢修 日常维护管理
（3）监控 管理（4）生态规划 环境评价 决策分析 管理
思考讨论
地理信息系统与地图有何区别？
答：
（1）储存信息的形式不同。
地理信息系统通过建立数据模型，以数据库的形式储存地理空间数据，而地图则以图纸的形式保存地理信息。
（2）查询的方式不同。
地理信息系统通过计算机进行查询和数据更新，而地图则通过肉眼进行判读，获得地理信息。
GIS获取的信息更有针对性，速度也更快。
（3）地理信息系统可以将不同来源、不同比例尺、不同投影的地图数据进行综合，并进行空间分析，而地图有许多方面做不到。
知识要点突破
知识点1 地理信息系统
1.地理信息系统的概念
地理信息系统（简称GIS）是一种以采集、存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。
（1）地理信息系统的内涵
地理信息系统从外部看表现为计算机软硬件系统，但其内涵却是由计算机程序和地理数据组成的地理信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。
（2）地理信息系统的特征
具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性。
以地理研究和决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。
由计算机支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。
（3）地理信息系统的功能
地理信息系统应具备五项基本功能——数据输入、数据编辑、数据存储与管理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。
迁移应用
1.读以下资料，回答下列问题。
地理信息系统（GIS）与一般信息系统的主要差别是，GIS所采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构及其动态变化规律的。
如目前我国已应用GIS对各地区、各时段“非典型肺炎”临床诊断病例、疑似病例等指标分类汇总，在地图上进行“地点”“状况”的位置标定，每日发布各地疫情通报，供有关部门查询分析，制定相应的防治策略。
（1）下列课题中，主要是应用GIS进行研究的有（多项选择）（ ）
A.近50年来，世界粮食总产量与人均产量变化趋势分析
B.近10年来，上海市区人口分布变化特征与城市建设相关性分析
C.浙江省西部地区土地利用状况与农业结构变化特征分析
D.上海市浦东新区内环线主要道路交叉点交通流量状况通报及优化公交线网、站点分布的方案设计
（2）试设计一项应用GIS的课题研究项目。
【答案】
（1）BCD
（2）设计项目：
如“江汉平原某年水稻长势的监测分析”“中等城市垃圾填埋场选址模式及其与交通、环境关系的分析”“油轮在某海域发生大量漏油事故时，预测其污染范围及对海洋生物的影响”等。
【解析】 第
（1）题，要求学生注意“GIS所采集的信息是按地理空间分布特征，来反映地理实体结构及动态变化规律的”，而A选项中世界粮食总产量与人均产量变化不是地理空间分布特征。
因此不能应用GIS进行研究。
第
（2）题，为一应用题目，所设计项目只要有空间分布特征即可。
2.地理信息系统的发展
（1）世界地理信息系统的发展
20世纪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。
综合来看，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。
20世纪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。
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和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理系统的软件问世，新型的地理信息系统软件不断出现，据调查，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。
20世纪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。
20世纪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；前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”（金桥工程、金卡工程和金关工程）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）我国GIS技术的发展
我国地理信息系统的发展较晚，经历了四个阶段，即起步（1970~1980年）、准备（1980~1985年）、发展（1985~1995年）、产业化（1996年以后）阶段。
我国地理信息系统方面的工作自20世纪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，为在全国范围内开展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、利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的研究与开发工作。
自20世纪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。
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与应用；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二十多年的发展，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。
3.地理信息系统的组成
地理信息系统主要由五个部分构成，即硬件、软件、地理数据、人员和应用模型。
组成
功能
包括的内容
硬件
用作数据和信息的采集、处理、加工、分析和输出等。
包括计算机主机、数据输入设备、数据输出设备、数据传输设备、存储设备。
软件
提供存储、分析、显示地理数据的功能。
包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等。
地理
数据
是GIS系统建立的基础。
包括基础数据和专题数据。
人员
GIS是一个动态的地理模型，仅有系统的软硬件和数据，还不能构成完整的地理信息系统，需要人员进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发并采用空间分析模型提取多种信息。
包括GIS系统开发的专业人员和采用GIS完成工作的用户。
应用模型
应用模型是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示，GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行综合分析来解决实际问题的。
包括人口扩散模型、商业选址模型、路径分析模型等。
4.地理信息系统的工作过程
GIS的工作过程，主要包括地理数据的输入、存储，地理数据的操作和分析，以及地理信息输出等环节。
其简要程序如下图所示。
［方法点拨］
GIS硬件组成图示化
计算机是硬件的核心，用作数据和信息的处理、加工和分析。
［图表点拨］
图3-8 地图数字化过程
常见的纸质地图、文字以及非数字形式的资料，都必须转换为数字形式，才能被计算机存储、识别和处理。
实现从图形到数字的转化过程，称为数字化。
图形数据的输入，常用的方法是扫描纸质地图后进行数字化，过程如下图所示。
迁移应用
2.甲图为一幅具有林木、河流和住房的景观图，乙图是根据该图而建立的空间数据模型。
由此比较地图与地理信息系统对地物的表示有何差异。
乙
【答案】
（1）储存信息的形式不同。
地理信息系统通过建立数据模型，以数据库的形式储存地理空间数据，而地图以纸的形式保存地理信息。
（2）查询的方式不同。
地理信息系统通过计算机进行查询和数据更新，而地图则通过肉眼进行判读，获得地理信息。
GIS获取的信息更有针对性，速度也更快。
（3）地理信息技术可将不同来源、不同比例尺、不同投影的地图数据进行综合，并进行空间分析，而地图有许多方面做不到。
【解析】 该题的命题目的是让学生知道地理信息系统是如何建立的，如何将地面地理信息转变为地理信息系统中的数据。
从题中我们可以看出地理信息系统简要的工作程序，是将区域内地物的有关信息（林木、河流和住房）转变为计算机可以识别的数据结构，建立起区域地物信息数据模型和空间模型。
首先建立区域的栅格结构图，根据区域大小，将乙图空间按规则分成一个个小块，地物所在位置用它们所占据的栅格的行、列号来定义，地物属性通过赋予栅格属性值来表示，如林木用S表示，河流用r表示，住房用h表示。
这样，地图就转变成了空间数据，将其储入计算机，就可建立这个区域的地理信息系统数据库。
从中可以看出地理信息技术与地图在许多方面有相同也有不同的地方。
知识点2 地理信息系统与城市管理
1.地理信息系统的应用领域
GIS根据用户的需要，将空间信息与属性信息准确真实、图文并茂地展现出来，满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的需求，帮助人们进行各种辅助决策。
目前，GIS广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、公安、水利、公共设施、商业金融等人们生产生活的各个领域。
2.GIS在城市建设和管理中的典型应用
应用领域
应用
城市规划与管理
城市规划的设计、工程选址、城市管理和辅助决策
基础设施管理（道路交通、电力、电信、燃气、自来水、排污等）
工程设计、应急抢修、日常维护
土地利用与管理（土地使用性质变化、地块轮廓变化、土地权属关系变更）
土地利用状况的监控和管理
生态环境管理
城市生态规划、环境评价、环境与区域可持续发展的决策分析、环保设施的管理
［P83阅读指导］
GIS在道路交通中的应用
应用领域
应用
道路交通管理
道路的通行状况，定位事故点，提供交通疏散的方案
道路设计
最佳路径分析、最小造价分析
道路建设
工程进度、工程质量
道路管理
路况信息、道路养护
迁移应用
3.“GIS”的英文全名是Geographicalinformationsystem，也叫地理信息系统，具有地图处理、数据库和空间分析这三项功能。
GIS可以像传统地图一样，解决与“地点”“状况”有关的查询。
但GIS能进行趋势分析，复杂的“模式分析”和用“虚拟模拟”进行预测性分析等。
据此完成
（1）~
（2）题。
（1）如果将GIS用来监测森林火灾，可以（ ）
A.用来分析、判断引起火灾的原因
B.预测森林火灾的发生地点
C.预测森林火灾后所造成的后果
D.及时知道火灾地点、范围，分析火势蔓延方向，制定灭火方案
（2）有的渔民已经利用GIS技术来寻找鱼群。
如果普遍引用这一技术（ ）
A.可以使渔获量持续增长
B.可能导致过度捕捞，使渔业资源枯竭
C.绝对会增加渔业的生产成本
D.会促进渔业生产，加大对渔业资源的开发利用，提高渔民的生活水平
【答案】 1）D
（2）B
【解析】 第
（1）题，GIS技术已经广泛应用到日常生产和生活的众多领域。
第
（2）题，GIS可以用来寻找鱼群，暂时增加捕捞量，随着产量增加，生产成本会逐渐降低，但由于过度捕捞会导致渔业资源枯竭，最终会降低渔民的生活水平。
典型例题剖析
【例1】GIS中，不同类型的地理空间信息储存在不同的图层上。
叠加不同的图层可以分析不同要素间的相互关系。
据此回答
（1）~
（2）题。
（1）城市交通图层与城市人口分布图层的叠加，可以（ ）
A.为商业网点选址 B.分析建筑设计的合理性
C.计算城市水域面积 D.估算工农业生产总值
（2）对1985年与2000年城市土地利用图层进行分析，能够（ ）
A.计算交通流量的变化 B.预测洪涝灾害的发生
C.了解城市地域结构变化 D.预测城市降水变化趋势
【解析】 第
（1）题，在GIS中，地物空间特征和属性的各项数据的结合，构成某一主题的图层，如地貌图层、土壤图层等。
关于某一研究区域的若干图层就组成GIS的数据库。
城市规划中，人口稀少的地区、交通不便的地区不宜设置过密的固定商业网点。
人口稠密、交通方便的地区，商业网点密度和规模要与之相适应。
城市交通图层与人口分布图层的叠加可以为商业网点选址提供依据。
第
（2）题，正确解答本题的关键是明确题干叙述的核心意思是土地利用的变化。
城市地域结构是指各功能区的分布、组合。
而住宅区、商业区、工业区等构成的地域结构的变化首先表现为土地利用的变化。
【答案】
（1）A
（2）C
【例2】GIS是用于空间分析的计算机系统，某中学地理学习小组将它用作于课题研究。
据此完成
（1）~
（2）题。
（1）下列四图，是同学们为家乡所作的自然和社会经济方面的资料分析图，其中只适宜用GIS数据库软件制作的是（ ）
（2）同学们拟分析家乡人口分布与自然条件的关系，在GIS数据库中，须调用的专题图层有下列中的（ ）
①地形图层 ②土壤图层 ③气候图层 ④人口图层 ⑤商业网点图层 ⑥农业图层⑦工业图层 ⑧城市图层 ⑨交通图层
A.①②③④ B.③④⑤⑥ C.⑥⑦⑧⑨ D.⑤⑥⑦⑧
【解析】 第
（1）题，GDP增长情况、进出口贸易增长和降水的年变化是纯数字或表格、曲线图类的数据，不牵扯三维空间，贫困人口分布是三维空间分布，可以用GIS数据库处理；第
（2）题，分析家乡人口分布与自然条件的关系，在GIS数据库中，须调用的专题图层有地形图层（用于了解地形与人口分布的关系），土壤图层（用于了解土壤与人口分布的关系），气候图层（用于了解气候与人口分布的关系）和人口图层，而商业网点图层、农业图层、工业图层、城市图层、交通图层等属于人文地理范畴。
【答案】
（1）C
（2）A
【例3】（2010·江苏）中国2010年上海世界博览会于5月1日正式开园，会期184天。
小亮计划参观世博园中多个国家馆，为设计合理的线路，最宜采用的地理信息技术是（ ）
A.地理信息系统 B.遥感 C.全球定位系统 D.数字地球
【解析】 解答该题的关键主要从“3S”技术的功能和应用入手。
理解“设计合理路线”与地理信息技术的关系。
分析“3S”技术的功能和应用，见下表所示：
选项
内容分析
A项
专门处理地理空间数据的计算机系统，GIS可对地理空间问题数据进行输入、管理、分析和表达查询等
B项
主要用来获取地表信息
C项
主要是定位、导航
D项
数字化的地球，即把整个地球信息进行数字化后，由计算机网络进行管理的系统
题中参观线路的选择，是由计算机将数据处理，再经分析、表达，最后查询出的最佳参观线路，所以应采用地理信息系统。
【答案】 A
知识网络构建
课堂巩固训练
一、单项选择题
1.地理信息系统技术的主要功能是（ ）
A.对地理空间数据进行输入、管理、分析和表达
B.能在很短的时间内获得较全面的资料
C.能对遥感信息进行处理和判断分析
D.能在全球范围内适时进行导航定位
【答案】 A
【解析】 地理信息系统技术的主要功能是对地理空间数据进行输入、管理、分析和表达。
2.GIS与地图最基本的差异是（ ）
A.空间模型 B.数据模型 C.阅读速度 D.空间分析能力
【答案】 B
【解析】 GIS和地图最基本的差异是数据模型。
3.关于GIS，叙述正确的是（ ）
A.其信息只来源于遥感
B.可用于交通工具的导航
C.其表达形式不包括地图和图像
D.是一种准确、快速的综合地理
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