1、 1.1 地理信息(Geographic information science，GI)(1)GI的基本概念 有关地理空间实体或现象的性质、特征和状态的表征与一切有用信息的总称。地理数据是地理信息的具体表达。定期和适时地采集、识别、转换、存储、传输、显示、控制应用地理信息是现代地理学的重要任务。(2)GI的基本特征 空间特征 又称几何特征，拓扑特征。描述事物或现象所在空间位置以及空间相互关系。属性特征 描述事物或现象的性质和数量特征。时间特征 描述事物或现象随时间的变化。地理空间位置、属性特征、时序特征是地理信息的重要内涵，也是地理空间分析的三大要素。(3)GI的获取、传输与表达 获取 将现有
2、地图、实测成果、遥感数据、实体纹理、文本资料、统计数据、多媒体资料和已有系统数据等信息转换成可以处理与接受的数据形式。传输 传输是地理信息获取、表达和应用的纽带。地图是人类最早的空间信息传播工具；现代空间信息传输还包括图像、视频、音频、三维仿真和虚拟现实等。表达 通过各种类型的地图表达，实现从制图的客观地理环境到用户认知地理环境之间的信息传递。(4)GI的时空尺度 度量客体或过程空间维和时间维大小程度的量。GI的时空尺度的特性 对应性；协调性；规律性；不可推绎性()：指在一个尺度上定义的格局或变异性会随着观测尺度的改变而改变，一种尺度上得到的概括性结论不能推广到另一种尺度上去。地球系统过程的时
3、空尺度(据，)山地生态系统管理的尺度对应(据侯扶江等，)规划和实施主体空间尺度()时间尺度举例国家间合作组织国家省县乡村农户年以上年以上年年年年年左右中亚山地生态系统祁连山水源林保护工程黑河上游水库建设金畅河疏浚工程乡放牧地布局村放牧地布局放牧地轮换计划 1.2 传统地理信息服务模式 地理信息服务是地理信息科学技术发展的最终目的。传统的地理信息服务模式：在商贸、军事、宗教、探险考察等活动中，收集地理信息，并整理、编绘成图，提供客户使用。特点：模拟地图是地理信息服务的载体 静态，时间滞后，人工识别。零散和非系统地获取地理信息 缺乏整体性、完备性和统一性。1.3 当代地理信息服务模式 模式一：以地
4、图图形为中心的传统地理信息服务 传统服务模式。模式二：以数据为中心的初级地理信息服务 磁盘、光盘载体，静态，信息更新和共享困难。模式三：以业务为中心的中级地理信息服务 局域网，动态，信息共享有限制。模式四：以决策为中心的高级地理信息服务 互联网、移动网络平台，动态，信息共享，实时或准实时服务。基于网络的信息分发服务系统 1.4 关于GIS的几种含义 Geographic information system，GIS 地理信息系统 Geographic information science，GIS 地理信息科学 Geographic information service，GIS 地理信息服务
5、 2.1 科学与技术的含义 技术是人类为实现社会需要而创造和发展起来的手段、方法和技能的总和。科学是一种最逼近真理的尽可能不包含自相矛盾的知识体系，是一项社会事业。(1)技术的特征 工艺技巧，劳动经验，信息知识，工具装备。技术研究的成果是新产品或新工艺，形式是专利。技术研究成果能迅速产生直接的经济效益，因此成果需要严格保密，或得到保护。取得工程专业的大学文凭就可以担任职业工程师。工程师需要研究解决的通常是涉及面很广的一系列难题，为找到解决问题的方案，涉及的因素经常是五花八门的，从准备必要的科学知识，到材料选择、漂亮的外观设计、制造工艺、成本和资金，直至营销，接触的产品用户更多的是政府、公司和广
6、大民众。(2)科学的特征 可重复性，创新精神。科学研究成果是新知识，形式是论文。一句古老的格言很适合当代科学研究：不发表，就淘汰。科学研究成果不能立刻产生直接的经济效益，利益是科学声誉(引用率)。在现代科学领域，取得博士学位，才算取得了当科学家的证书。科学家关注范围一般是很窄的特定课题，只需要了解其他人员在最近发表的科学论文，只需要关心由同行科学家所构成的那个圈内人数不多的“看不见的大学”。2.2 地理信息技术的起源与发展 原始文明水利假说 原始文明在人类历史上多次独立、重复发生过。地理因素和灌溉农业技术共同作用，促成了专制国家的建立。在原始文明中，天文、数学、测绘、冶炼、书写、医学都有非常重
7、要的发展，并应用到大型工程；在原始文明的国度里，知识以实用为归宿和目的，有非常强的功利性，并得到国家的支持。在实用和功利思想的引导下，人们只是把知识逐条记录下来，没有人对已有知识进行系统分析并将其概括为定理。直到工业革命以后，近代科学的不断发展，才使科学对技术的影响越来越大。古、近代地理信息技术重要进展 尼罗河三角洲的土地测量(公元前年)；黄河流域的地图测绘(公元前年)；罗盘的发明与应用(公元前年)；世纪，望远镜发明(荷兰人汉斯里佩和意大利人伽利略)和三角测量法的创立(荷兰人斯涅耳)，在望远镜中加装十字丝(英国人加斯科因)；望远镜与十字丝原理 古、近代地理信息技术重要进展 世纪，经纬仪发明(英
8、国人西森)，随后水准仪、平板仪出现，测量进入光学仪器时代；光学测绘仪器时代 古、近代地理信息技术重要进展 世纪，能够测定经度的钟表问世(英国人哈里森)，在海上准确测定地面点位置成为可能；哈里森和他的钟表 古、近代地理信息技术重要进展 世纪初，提出最小二乘准则，奠定了平差基础(法国人勒让德和德国人高斯)；世纪中，摄影术发明(法国人尼普斯、塔尔伯特和达盖尔)，空中摄影术出现(法国人塔尔纳乔昂)。人类第一张航空像片，巴黎，地理信息技术的进展 2.3 地理信息科学的产生 2.3.1 萌芽阶段 二次文明希腊科学和自然哲学 兴起在埃及和美索不达米亚周边地区，在人类历史上这种文明仅仅在这里出现过一次。希腊文
9、明强调知识的哲学内涵，研究脱离任何社会和经济目标；希腊科学悬空在社会的真空中，自然哲学家们进行的是毫无实用价值、似乎也毫无意义的个人研究。泰勒斯(公元前 世纪)是希腊科学和自然哲学的创始人，他提出：在学术成就上，实际测量问题的解决并不比特定问题的合理概括更为重要。地理学萌芽于古希腊(公元前 世纪)，并分异为以数学为传统的地图学派(以阿那克西曼德为代表)和以文学为传统的描述地理学派(以赫卡泰为代表)。在古希腊很多学者眼里，地图就是对地球和世界的解释：借助于几何学和天文学，地图确定了地球在宇宙中的位置，并反映出有人居住的世界的形状 “地理学”()名词出现于希腊化时代，被专用在地图学著作中。爱奥尼亚
10、地图学的进展 地球形状的研究(柏拉图，公元前 世纪)；地球大小的研究(阿利斯塔克的日心说和费卡斯盘，埃拉托色尼借助费卡斯盘测定了地球的周长，公元前 世纪)；埃拉托色尼测定地球周长为希腊里，换算成公制为；现代技术测定的地球周长为。爱奥尼亚地图学的进展 三角学原理与经纬网地图(希帕库，公元前 世纪)；等角航线的发现和直交投影体系的建立(马林，公元 世纪)；地图投影概念的提出和应用(托勒密，公元 世纪)。托勒密绘制的地图在西方地图史上具有划时代的意义，一直影响到16世纪。2.3.2 地理学和测绘学对地理信息科学的影响 (1)近代地理学 瓦伦纽斯()的自然地理学是近代地理学产生之前最有影响的地理著作，
11、全书包括数理地理、气象学、水文地理和地形 个部分。世纪上半叶，德国人洪堡和李特尔的研究奠定了近代地理学的基础；世纪年代进入近代地理学时代。近代地理学是在地理大发现、地理科学见解和对地测绘工作的推动下发展形成的。世纪末，德国人李希霍芬将地球表面分为4个圈层(岩石圈、大气圈、水圈和生物圈)，提出地理学是研究地球表面及其有成因联系的事物和现象的科学。(2)现代地理学 现代地理学是地理学发展的最新阶段，其发展可概括为地理学的理论化和数量化，发展过程包括：年代的数量运动；年代的行为研究；年代的综合趋势；年代以来的地球系统科学。现代地理学的特点表现在：将人类居住的地球表面看作统一的复合系统，地理学本身的结
12、构和体系已趋向于世界性的一元化；对地理现象的解释由单纯的类型归纳，过渡到理论演绎、实验反馈和模式化的方法；采用定性和定量相结合的方法，对纷纭复杂的地表机理进行确定性研究。地球系统科学的研究方法 对地观测、地理信息系统和地理信息网络等地理信息技术是地球系统科学研究的技术支撑平台。地球系统观测：空间观测和地面观测；分析与解释观测数据：根据地球科学知识和理论，对观测得到的数据进行必要的归类、换算、统计、对比、挖掘，去伪存真，为开展地球系统数值模拟提供依据；建立概念模式和数值模式：建立能够描述地球系统存在状态和演化规律的数值模式，是地球系统科学理论研究的最主要内容，也是最困难的环节；验证模式并开展未来
13、变化预测。(3)测绘学 近代测绘学发展始于世纪，是一门测绘地图的技艺和应用科学；也许称得上是近代的第一项科学技术。在近代科学与技术发展的推动下，以获取、处理、存储和传输地理信息为主要目的的现代测绘学逐渐形成了比较完整的学科体系。大地测量学 摄影测量学 地图制图学 工程测量学 海洋测量学 第二次世界大战之后，各国为保障地理信息能够系统、及时地收集并为军事提供服务，建立了庞大的政府机构专职此项工作，地理学在地理信息收集、处理、制图等工作中的地位大大下降。世纪年代，“即使教师力图在专业上跟上时代的进展，地理系的经费亦常常不足以提供现代化的技术和物质支持。这自然会导致更少利用地图。”(美国威斯康星大学
14、地理系教授，)单纯的技术进展不能全部解决地理信息服务中的很多重要问题。世纪年代以来，随着遥感、全球定位系统、地理信息系统等技术的发展，地理学与测绘技术又越走越近。2.3.3 地理信息科学的产生 现代意义的地理信息科学，是在空间技术(火箭、卫星、星载传感器等)、信息技术(信息处理、网络、通讯等)和地理科学、信息科学、系统科学等发展的背景下，从世纪年代逐渐萌芽并产生的，是地理信息获取、处理、存储、传输和应用理论在现代科学技术背景下的自然延伸。有关描述地理信息科学的不同名词：3.1 地理信息系统的概念 从技术角度的定义(狭义的)地理信息系统()是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计
15、算机系统(陈述彭，)。从科学角度的定义(广义的)地理信息系统()是集计算机科学、地理科学、测绘科学、遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科(黄杏元，)。年，我国在研究生学历教育中首次设置“地图学与地理信息系统”专业；年，我国在调整本科专业设置时，设置“地理信息系统”专业。3.2 地理信息系统的组成 3.2.1 计算机硬件系统 (1)计算机主机 由中央处理器(，控制器运算器)、主存储器(内存)、总线(，连接计算机有关部件的公共信号线)组成。根据计算机处理能力，可分为巨型计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机、微型计算机。在市场也有一些跨界的产品，如超小型机、
16、图形工作站等。电子计算机发明人阿坦纳索夫和第一台电子计算机 (2)外围设备 包括输入设备(扫描数字化仪、手扶跟踪数字化仪、键盘、鼠标等)、输出设备(绘图仪、打印机、显示器等)和存储设备(光存储、磁存储、电子存储等)。各种图形输入输出设备 (3)网络设备 包括网卡、交换机、集线器、路由器、防火墙、光纤设备、等。3.2 计算机软件系统 (1)系统软件 操作系统(，等)；开发工具(，等)；网络管理软件，系统安全软件等。(2)软件 。专题地理信息系统()区域地理信息系统()地理信息系统工具软件()工具软件是一组具有基本功能的软件包，目前常见的有、等。软件的 个主要组成部分：用户界面()工具()数据管理
17、器()All three parts may be located on a single computer or they may be spread over multiple machines in a departmental or enterprise configuration.系统架构的 种主要类型：桌面()客户端/服务器()集中化桌面()集中化服务器()引领软件发展的商业开发商及其产品 ()()()()Mapinfo()软件市场占有率()3.2.3 地理数据库系统()(1)概述 实用必须建立在地理数据库基础之上。地理数据库是系统中仅次于人的重要组成部分。地理数据是的核心；收集和
18、分析地理数据是地理学重要的任务之一；地理数据是科学研究、经济管理、军事行动、日常生活等诸多人类活动必不可少的信息资源。在地理信息系统建设中，计算机硬件系统、软件系统和地理数据库的建设费用比例一般在。需求、成本、可获得性和时间范围是地理数据采集必须关注的重要问题。(2)地理数据源 地图数据：地形图、普通地图及各种专题地图；遥感与；实测数据：通过野外实地测量所获取的数据；统计普查信息：有空间位置的统计数据；实验数据：通过模拟真实地理世界中的地理实体及其演变过程中所产生的数据；理论推测与估算数据：利用科学理论和推算方法获取的数据；历史数据：在历史文献中记录的各种数据；集成数据：已有各种地理数据在中，
19、经过合并、提取、布尔运算和过滤等操作所得到的新数据。(3)地理数据质量标准与评价 数据情况说明：地理数据来源，数据内容及处理；定位精度(位置精度)：空间实体坐标数据与实体真实位置的接近程度，包括数学基础精度，平面精度，高程精度，接边精度，形状再现精度，像元定位精度；属性精度：空间实体属性值与其真值相符的程度，包括分类与代码的正确性，要素属性值的准确性，要素名称的正确性等；时间精度：数据更新时间和频率；逻辑一致性：地理数据关系上的可靠性；数据完整性：数据范围、内容和结构的完整程度；表达形式的合理性。(4)地理数据库系统 目前常见的两种数据管理模式：文件与关系数据库混合管理 采用文件系统管理几何图
20、形数据，商用管理属性数据，图形数据与属性数据之间通过目标标识码连接。全关系型空间数据库管理 将图形数据与属性数据统一用()和空间数据引擎()进行管理和调用。常见数据引擎有 地理数据库系统包括地理数据库、地理数据库管理系统和地理数据库应用系统。数据库的潜在数据规模 3.2.4 用户 包括系统管理、维护和使用的各类人员和组织机构。(1)一般技术人员 要求掌握某种 (2)高级技术人员 掌握基本概念和原理，将科学研究人员；掌握开发人员；掌握基本概念和基本操作技能的业务管理和市场联系人员。3.3 地理信息系统的功能 3.3.1 数据采集与编辑 为建立地理数据库获取必要的数据。3.3.2 数据存储与管理
21、建立和维护地理数据库。3.3.3 数据处理与变换 为空间分析和地理制图进行的必要的准备，包括数据变换、数据重构和数据抽取。3.3.4 空间统计与分析 利用空间统计计算和空间模型，分析和解决复杂的空间问题，为地理决策或地理研究提供高层次地理信息。缓冲区分析举例 3.3.5 数据显示与输出 显示或输出查询、检索、统计、分析和制图结果。4.1 地理信息系统的发展 形成时期(，年代末年代末)；商业化时期(，年代初年代末)；实用化时期(，年代末以来)。发展历程及重要事件，发展历程及重要事件，发展历程及重要事件，发展历程及重要事件，发展历程及重要事件，发展历程及重要事件，4.2 地理信息系统的应用领域 两类地理问题 具有实际意义的地理问题(应用问题)尽可能快地完成，或代价尽可能小地完成。投资问题，布局问题，运输问题，受人类好奇心驱动的地理问题(科学问题)解答思想的疑惑，或解决自然哲学问题。大陆漂移，姓氏与人口迁移，在解决实际和科学两类地理问题的过程中，发挥同样的作用。5.12汶川地震后的测绘保障 4.3 地理信息技术应用举例 在防灾减灾中的应用 在规划、交通、能源和工业领域的应用 北京市城市铁路三维监控系统在城市规划中的应用日照分析武钢厂区管理系统胜利油田平台现场 服务 移动服务 车(船)载移动与掌上导航系统
