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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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1 1 1 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

6、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

7、统工具实现具有空间参照信息的可视化 。2 2 2 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 GIS 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

8、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。3 3 3 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

9、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1 1 1 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、

10、属性数据输入。2 2 2 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。3 3 3 数据存储与管理 数据存储与管

11、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 、 SQLserver 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。4 4 4 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

12、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。5 5 5 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。6 6 6 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

13、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。7 7 7 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

14、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。8 8 8 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。9 9 9 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 。1010

15、10 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

16、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

17、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，

18、 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

19、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

20、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

21、 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 G IS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 GR

22、DSR ）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

23、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

24、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19

25、87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

26、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

27、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

28、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

29、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 G

30、IS 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

31、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