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1、地理信息系统考研黄杏元地理信息系统概论考点笔记 一、1.1 复习笔记 一、地理信息系统基本概念、1 数据与信息（1）数据与信息的基本概念 数据 数据是通过数字化并记录下来可以被识别的符号，用以定性或定量地描述事物的特征和状况。不仅包括数字，也包括文字、符号、图像和声音等。数据本身并没有意义，其格式随存储它的物理设备的形式而改变。信息 a狭义信息论是指“两次不定性之差”，即人们获得信息前后对事物认识的差别；b广义信息论认为，信息是指主体与外部客体之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普遍形式。地理信息系统中的信息即是广义的信息概念，它不随数据形式的改
2、变而改变。数据与信息的关系 a数据是信息的表达形式，是信息的载体；b信息则是数据中蕴含的事物的含义，是数据的内容；c数据只有通过解释才成为信息。（2）数据处理与解释 数据处理的定义 数据处理是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算，以及分析、模拟和预测等操作。数据处理的目的 a把数据转换成便于观察、分析、传输或进一步处理的形式；b把数据加工成对正确管理和决策有用的数据；c把数据编辑后存储起来，以供后续使用。数据解释需要人类的智慧，包括学识和经验。（3）信息的特点 信息的客观性 任何信息都是与客观事实紧密相关的，这是信息的正确性和精确度的保证。信息的适用性 信息对决策十分重要
3、，地理信息系统将地理数据收集、组织和管理起来，经过处理和分析变为对决策具有重要意义的有用信息，这是由建立地理信息系统的明确目的性所决定的。信息的传输性 信息可以在发送者和接收者之间传输，既包括系统把信息传送至终端设备，也包括信息在系统内各个部分之间的流转和交换。信息的共享性 信息可以传输给多个用户，而信息本身并无损失，这为信息的并发应用提供了可能性。2 地理信息与地理信息系统（1）地理信息 地理信息与地理数据的概念 a地理信息 地理信息是地理数据所蕴含和表达的地理含义。b地理数据 地理数据是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息的
4、特征 a空间特征 地理信息具有空间特征，属于空间信息，其数据是与确定的空间位置联系在一起的。空间特征通过统一的地理定位基础实现。b属性特征 地理信息具有属性特征，通常在二维空间的定位基础上，按专题来表达多维即多层次的属性信息。c时序特征 地理信息具有时序特征，通常可以按照时间的尺度来区分地理信息。（2）地理信息系统 地理信息系统的定义 地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来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。地理信息系统的基本概念 a地理信息系统是一种计算机系统，通常由若干相互关联的子系统构成；b地理信息系统的操作对象是
5、地理数据或称空间数据。空间数据通常可以抽象成点、线和面等方式进行编码，并以空间坐标形式存储，或者以一系列栅格单元来表达连续的地理现象；c地理信息系统的优势在于它的空间数据结构和有效的数据集成、独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的空间查询功能、强大的图形生成、地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等；d地理信息系统与地理学和测绘学有着密切的关系。地理学为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法；测绘学不仅为地理信息系统提供各种不同比例尺和精度的定位数据，而且其理论和方法可直接用于空间数据的变换和处理。地理信息系统的特点及分类体系 a特点 地理信息系统与非空间信息系统的区别在于能
6、够处理空间定位数据，与 CADCAM 系统的区别在于其具有空间分析功能。b分类体系 第一，根据其研究范围分为全球系统、区域系统和国家系统；第二，根据其研究内容分为专题系统和综合系统；第三，根据其使用的数据模型分为矢量系统、栅格系统和矢栅混合系统。二、地理信息系统的基本构成 地理信息系统一般包括系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型五个主要部分。1 系统硬件 地理信息系统系统硬件用以存储、处理、传输和显示地理或空间数据。数据处理设备与数据输入、输出设备连接构成地理信息系统的硬件环境。（1）数据处理设备 目前运行地理信息系统的计算机包括大型机、图形工作站、服务器和个人计算机等。其中基于客
7、户机服务器结构的计算机硬件系统成为地理信息系统的主流。图形工作站 图形工作站是一种具备强大的数据运算与图形、图像处理能力，为满足工程设计、动画制作、科学研究和模拟仿真等专业领域而设计开发的高性能微型计算机。图形工作站具有处理器的性能高、图形加速功能快及支持多种操作系统的特点。个人计算机 个人计算机因其相对较高的性价比，目前广泛应用于地理信息系统领域。客户机服务器系统 客户机服务器系统是计算机网络中重要的分布式体系结构，服务器是整个网络系统中负责提供管理、计算和存储等功能的核心计算机，多台客户机通过网络和服务器相连，各自处理相应的任务，共同实现完整的应用。（2）数据输入设备 数据输入设备的作用是
8、将地理数据转换成数字的形式存入计算机，以便进行处理和分析计算等工作。主要的输入设备有图形手扶跟踪数字化仪、图形扫描仪，以及各种类型的数字测量设备等。图形手扶跟踪数字化仪 图形手扶跟踪数字化仪简称数字化仪，由电磁感应板、游标和相应的电子线路组成。图形手扶跟踪数字化仪的成本较高、工序繁琐、对操作人员素质要求较高，数字化的工作效率较低。大幅面图形扫描仪 用于地图数据输入的大幅面图形扫描仪也称为工程扫描仪，它通常采用滚筒式或平推式的方法将大幅面地图卷入扫描仪进行扫描，能够提供高分辨率、真彩色的近乎完美的图像输入效果。数字测量设备 数字测量设备是地理数据的采集设备，通常有数字摄影测量工作站、全球定位系统
9、等。a数字摄影测量工作站 数字摄影测量工作站利用计算机实现摄影测量，以数字方式提供从遥感影像中获取空间定位信息的功能，能够生成高精度的数字高程模型和数字正射影像图等，以提供给地理信息系统进行分析应用。b全球定位系统 全球定位系统主要由 GPS 卫星、地面监控站和用户接收机三部分组成。使用接收机用户可以获得所在地精确的地理位置坐标。（3）数据输出设备 地理信息系统数据输出设备主要有各种绘图仪、打印机、计算机显示器和大屏幕投影仪等。其作用是为地理信息系统软件提供用户操作的界面，并把地理信息系统的最终成果展现给用户。绘图仪 绘图仪是最主要的输出设备，有笔式和喷墨式两种。计算机显示器 计算机显示器是地
10、理信息系统的主要图形交互操作人机界面，通常有 CRT 显示器和 LCD 显示器等两种主要类型。aCRT 显示器 CRT 是一种使用阴极射线管的显示器，具有可视角度大、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式和响应时间极短等优点。bLCD 显示器 LCD 是通过电路控制屏幕上的液晶单元，从而控制屏幕背后荧光灯上发出的光线能否通过来显示图像的。有体积小、节能和不闪烁的优点，但同时存在视角不广、彩色不够理想、响应时间长、分辨率固定等问题。2 系统软件 地理信息系统的软件用于执行包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和数据输出等各种操作。地理信息系统软件按照功能分为地理信息系统功能软件、基础支撑
11、软件和操作系统软件等。（1）GIS 功能软件 GIS 基础软件平台 GIS 基础软件平台一般指具有丰富 GIS 专业功能的通用型 GIS 软件，具有空间数据输入和编辑、空间数据管理、空间数据处理和分析、空间数据输出、图形用户界面及系统二次开发多种功能，可作为其他 GIS 应用软件系统建设的软件平台。GIS 应用软件 GIS 应用软件是利用 GIS 基础软件平台上提供的 GIS 数据处理与分析功能开发的，特别针对某一具体应用的信息系统软件。（2）基础支撑软件 基础支撑软件主要包括系统库软件和数据库软件等。其中，系统库软件提供基本的程序设计语言以及数学函数库等用户可编程功能，数据库软件提供复杂空间
12、数据的存储和管理功能。（3）操作系统软件 操作系统是计算机系统中支撑应用程序运行环境以及用户操作环境的系统软件，其功能包括对硬件的直接监管、对各种计算资源的管理，以及提供诸如作业管理之类的面向应用程序的服务等。3 空间数据 地理信息系统的操作对象是地理数据，它具体描述地理现象的空间特征、属性特征和时间特征，对应得到空间数据、属性数据和时态数据。根据地理现象在空间上的几何图形表示形式，可将地理现象抽象为点、线、面三种类型。地理数据通常在逻辑上可以采用矢量和栅格两种数据组织形式，分别称为矢量数据结构和栅格数据结构（表 1-1）。在地理信息系统中，地理数据在物理上是以结构化的形式存储在计算机的地理数
13、据库中的。表 1-1 地理数据的种类 4 应用人员 地理信息系统应用人员包括系统开发人员和地理信息系统的最终用户，他们的业务素质和专业知识是地理信息系统工程及其应用成败的关键。5 应用模型 地理信息系统应用模型是为某一特定的实际工作而建立的运用地理信息系统的解决方案。应用模型将人们对客观世界的规律性认识，经过从概念到计算机信息表达的映射，形成计算机中可以运行的软件功能序列。构建地理信息系统应用模型的步骤包括：（1）明确用地理信息系统求解问题的基本流程。（2）根据模型的研究对象和应用目的，确定模型的类别、相关的变量、参数和算法，构建模型逻辑结构框图。（3）确定地理信息系统空间分析方法。（4）模型
14、运行结果的验证、修改和成果输出。三、地理信息系统的功能简介 1 基本功能（1）数据采集与编辑 数据采集与编辑功能是指把各层地理要素转化为空间坐标及属性对应的代码输入到计算机中。（2）数据存储与管理 数据库是数据存储与管理的主要技术，地理信息系统数据库是地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。地理信息系统数据库的管理功能，既包含与属性数据有关的常规数据库管理系统功能，还包含空间数据库的定义、数据访问和提取、通过空间位置检索空间物体及其属性、按属性条件检索空间物体及其位置、开窗和接边操作、数据更新和维护等空间数据的管理技术。（3）数据处理和变换 数据处理的任务和操作内容有：数据变换
15、 数据变换指对数据从一种数学状态转换为另一种数学状态，包括投影变换、几何纠正、比例尺缩放、误差改正和处理等。数据重构 数据重构指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据裁剪、数据压缩、结构转换等。数据抽取 数据抽取指对数据从全集合到子集的条件提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取和空间内插等。（4）空间分析和统计 空间分析和统计功能主要特点是帮助确定地理要素之间新的空间关系。常用的空间分析有：叠合分析 叠合分析通过将同一地区若干个不同数据层相叠合，不仅建立新的空间数据，而且能将输入的属性数据予以合并。缓冲区分析 缓冲区分析是在点、线或面等不同实体周围建立一定宽度的缓冲多边形
16、，以确定不同地理要素的空间邻近性或其影响范围。数字地形分析 数字地形是地理信息系统中地形起伏的数字化表达和存储形式，其中，数字高程模型是常见的一种数字地形。地理信息系统提供了构造数字地形及有关地形分析的功能，包括分析地形的坡度、坡向、地表粗糙度、山谷线、山脊线、表面积、立体图、剖面图和通视分析等。（5）产品制作与演示 地理信息系统产品是指经由地理信息系统处理和分析的结果，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明。地理信息系统产品制作与显示的功能包括设置地图范围、投影、比例尺，组织地图要素显示顺序，设置地图符号的大小和颜色，标注图名和图例，以及图形编辑等。（6）二次开
17、发和编程 地理信息系统技术为了能够被广泛应用于各个领域，满足各种不同的应用需要，必须具备二次开发环境。它包括提供专用的脚本语言开发环境或系统将某些功能做成组件形式供用户开发语言调用等。2 应用功能（1）资源管理 地理信息系统将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起形成大型的地理数据库，并集成各种应用，用户可直接对数据库进行查询显示、统计、制图，以及提供区域多种组合条件的资源分析，成为资源的合理开发利用和规划决策的依据。资源的清查、管理和分析是地理信息系统应用最广泛的领域。（2）区域规划 地理信息系统能为城市规划人员提供功能强大的信息筛选、综合分析和处理工具。帮助其完成现有土地利用、分区一致性，空
18、地、开发区和设施位置等分析工作。（3）国土监测 利用地理信息系统功能结合多时相的遥感数据，可以有效用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算、土地利用动态变化分析和环境质量的评估研究等。（4）辅助决策 地理信息系统利用拥有的数据和因特网传输技术，可以深化电子商务的应用，满足企业决策多维性的需求。四、地理信息系统的发展概况 1 发展概况 地理信息系统的发展经历了 60 年代开拓发展阶段、70 年代巩固阶段、80 年代突破阶段和 90 年代社会化阶段，当前正向集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下主要发展态势：（1）地理信息系统已成为一门综合性技术 地理信息系统与全球定位系统（GPS
19、）、遥感（RS）、多媒体、因特网和虚拟现实相结合，构成了综合的信息技术。地理信息系统自身功能不断完善，为数字地球的建立及其应用提供了可靠的技术保证。（2）地理信息系统产业化的发展势头强劲 由于地理信息系统是一项面向 21 世纪信息时代，关系国家综合竞争实力的高新技术，因此地理信息系统及其产业化的发展日益受到各国的普遍关注。（3）地理信息系统网络化已构成当今社会的热点 因特网在全球的迅速发展，为信息产业提供了一次发展机会，也是地理信息系统技术发展的一次良机。（4）地理信息科学的产生和发展 地理信息系统在科技界和企业界的推广应用，大大提高了人类处理和分析有关地球资源、环境、社会与经济数据的能力，地
20、理信息系统技术的进一步发展必须依托基础理论的研究，发展地理信息科学。2 基础理论 地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而诞生的边缘学科，因此体现出多学科交叉的特征，这些交叉学科的基础理论同样构成地理信息系统的基础理论体系。这些学科包括地理学、地图学、测量学、数学、计算机科学以及一切与获取、处理和分析空间数据有关的学科。（1）地理学 地理学以地域为单元研究人类环境的结构、功能、演化以及人地关系，其研究领域涉及地理空间，这与地理信息系统的研究对象是一致的。地理学中的空间分析方法也正是地理信息系统的核心。地理学是地理信息系统的理论依托，为地理信息系统提供引导空间分析的方法和观点。（2）测绘学 测绘学及其分支学科的理论、方法可直接用于地理信息系统空间数据的处理，保证空间数据的精度和质量，以及地理信息系统产品的开发等。（3）计算机科学 数据结构与数据库的原理为地理信息系统数据的组织、存储、检索和维护提供了信息模型和数据管理的方法论，使得各种形式的空间数据能够在计算机中表示。计算机图形学原理是地理信息系统图形输出的理论依据。