地理信息系统技术概述课件.ppt

1、地理信息系统技术及空间智能地理信息系统技术及空间智能一、地理信息系统技术概述一、地理信息系统技术概述二、空间智能理论发展动态二、空间智能理论发展动态 应用需求应用需求：地理信息系统做什么？（应用）：地理信息系统做什么？（应用）学术需求学术需求：地理信息系统是什么？（原理）：地理信息系统是什么？（原理）城市土地利用信息系统城市土地利用信息系统 电信资源管理电信资源管理 铁路地理信息系统铁路地理信息系统 公安警用地理信息系统公安警用地理信息系统 医疗机构信息查询系统医疗机构信息查询系统 海洋地理信息系统海洋地理信息系统 军事地理信息系统军事地理信息系统地理信息系统技术概述地理信息系统技术概述 GI

2、S可以做什么管理海量数据 浏览、查询 专业性分析 路径分析 地图编绘 动态分段 断面分析 生成DEM模型 三维地下体分析 GISGIS基本概念基本概念 GISGIS与相关学科与相关学科 GISGIS的组成的组成 GISGIS的主要功能的主要功能 GISGIS的发展透视的发展透视 GISGIS主要软件主要软件 GISGIS主要网站及参考书主要网站及参考书 GISGIS项目申请项目申请主要讲授内容主要讲授内容地理学的定义与内涵地理学的定义与内涵 地理学一词产生于地理学一词产生于西元前西元前234234年，由年，由希腊学者希腊学者伊拉托伊拉托斯尼斯尼最早提出，最早提出，其意其意义为义为描述地球之科学

3、描述地球之科学。地理学的定义地理学的定义研究范畴研究范畴生物圈生物圈岩石圈岩石圈水圈水圈大气圈大气圈自然自然文化文化研究地表人文或自然事物的生态、空间或区域变化的系统科学。狭义信息论狭义信息论将信息定义将信息定义:为人们获得信息前后对事物认识的差别。广义信息论广义信息论将信息定义将信息定义:信息是指主体(人、生物和机器)与外部客体 (环境、其它人、生物和机器)之间相互联系的一种形式。是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征的一种普遍形式。黄杏元黄杏元地理信息系统地理信息系统20012001信息定义：信息定义：信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、

4、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。它是客观事物在人脑中的反映。信息的定义信息的定义 是指表征地理圈或地理环境固有要素是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的能量、质量、分布特征、联系和规或物质的能量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图形和图象的总称。与空律的数字、文字、图形和图象的总称。与空间地理分布有关的信息，具有空间定位和多间地理分布有关的信息，具有空间定位和多维结构的性质。维结构的性质。定义定义 空间分布性空间分布性 属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区属于空间信息，其位置的识别

5、是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。别于其它类型信息的最显著的标志。时序特征十分明显时序特征十分明显 可以按照时间尺度将地理信息划分为超短期的可以按照时间尺度将地理信息划分为超短期的(如台风、地震如台风、地震)、短期的、短期的(如江河洪水、秋季低温如江河洪水、秋季低温)、中期的、中期的(如土地利用、作物估产如土地利用、作物估产)、长期的、长期的(如城市如城市化、水土流失化、水土流失)、超长期的、超长期的(如地壳变动、气候变化如地壳变动、气候变化)等。这对地理事物的预测、等。这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据很重要。预报，从而为科学决策提供依据很重要

6、。具有多维结构的特征具有多维结构的特征 即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型或实体即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型或实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。提供了可能。具有丰富的信息具有丰富的信息 GISGIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。纽约市曾经对息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等

7、。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有其数据库进行了调查，发现有80%80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关以上的信息为地理信息或与地理信息有关。特点特点 系统是为了达到某种目的相互联系的部件的集合（教材）系统是由相互联系和相互制约的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体。（邝孔武，信息系统分析与设计）系统是自成体系的组织；相同或相类的事物按一定的秩序和内部联系组合而成的整体，如组织系统，灌溉系统。（辞海）A group of related parts that work together as a whole for a particular purpose.系统的定义系统的定

8、义地理信息系统的定义地理信息系统的定义GIS（Geographical Information System）的定义的定义包含两个方面：包含两个方面：一方面，地理信息系统是一门科学，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）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。用户界面用户界面系统和数据库管理系统和数据库管理产品生成产品生成产品输出产品输出空间数据处理空间数据处理空间数据分析空间数据分析数据输入数据输入数据库建

9、立数据库建立 物理外壳是计算机化的技术系统；GIS的操作对象是空间数据；GIS的技术优势在于它的混合型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查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能；GIS与地理学和测绘学有着密切的联系。GIS定义对GIS的理解GIS的理解技术系统 它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。即点、线、面、体等地理实体。空间

10、数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。GIS的理解操作对象是空间数据GISGIS计算机科学计算机科学数据库数据库理论理论软件工程软件工程计算机计算机图形学图形学图象处理图象处理人工智能人工智能网络计算网络计算数学数学几何学几何学拓扑学拓扑学统计分析统计分析地理学、测绘地理学、测绘学、地学学、地学地图学地图学RSRS、GPSGPS其他应用科学其他应用科学GISGIS学科树学科树：Christopher B.Jones在“Geographical Information System

11、s and Computer Cartography”（Addison Wesley Longman Ltd.，1997）一书中，用一棵树的形式更为详细地给出了地理信息科学与其他学科的关系。GIS的相关学科 数学数学运算研究运算研究 统计学统计学地理统计学地理统计学认知科学认知科学计算机科学计算机科学测量测量遥感遥感摄影测量学摄影测量学制图学制图学可视化可视化符号学符号学信息存储信息存储数据库数据库模式识别模式识别计算几何计算几何计算机图形学计算机图形学人工智能人工智能旅游业旅游业航运航运市场市场资产管理资产管理产业产业/商业商业矿产开发矿产开发设施维护设施维护公共信息查询公共信息查询公共管理

12、公共管理考古学考古学人文地理学人文地理学社会科学社会科学健康护理规划健康护理规划流行病学流行病学环境科学环境科学地貌学地貌学土壤科学土壤科学森林学森林学地质学地质学生态学生态学水文学水文学气象学气象学地形测量地形测量环境测量环境测量社会、经济社会、经济测量测量社区服务社区服务地理学地理学 如上图所示，“树根”表示GISGIS的技术基础的技术基础，如测量学、计算机科学与数学等；“树枝树枝”表示表示GISGIS的的应用应用，应用的结果与需求返回到“树根”；“雨滴雨滴”是每个应用中的数据来源是每个应用中的数据来源，如各种测量如地形测量、环境测量等，并为它的发展提供了有效的手段，而地理信息系统的应用主

13、要是在环境科学、地理学和社会科学等领域。GIS学科树的理解GISGIS定位定位GISGIS在信息系统中的位置在信息系统中的位置地理信息系统地理信息系统信息系统信息系统非空间信息系统非空间信息系统非地理信息系统非地理信息系统管理信息系统管理信息系统CAD/CAM空间信息系统空间信息系统数据模型数据模型矢量矢量GIS栅格栅格GIS矢矢-栅栅GIS研究范围研究范围全球全球GIS区域区域GIS专题地理专题地理信息系统信息系统综合地理综合地理信息系统信息系统地籍地籍GIS交通交通GIS资源与环境资源与环境GIS规划与管理规划与管理GIS研究内容研究内容GIS有别于DBMS（数据库管理系统），GIS具有以

14、某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，因此，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS，GIS必须包含DBMS。GIS有别于MIS（管理信息系统），GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用，GIS的软硬件设备要复杂、系统功能要强；MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询、没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS，MIS在概念上更接近DBMS。GIS有别于地图数据库，地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行

15、深层次的空间分析，提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。GIS有别于CAD系统，二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。GISGIS与其他系统的与其他系统的区别区别GIS的组成计算机系统硬件数字化仪输入设备GPS解析和数字解析和数字摄影测量仪器摄影测量仪器扫描仪全站仪专用设备全数字摄影测量工作站遥感与遥感遥感与遥感图象处理系统图象处理系统键盘、鼠标常规设备工作站服务器硬盘阵列存储设备活动硬盘光盘机磁带机输出设备绘图仪显示终端打印机处理设备GIS数据库软件系统管理软件GIS专业软件用户界面数据输入和编辑空间数据管理数据输出

16、数据处理和分析系统二次开发能力属性数据库软件空间数据库软件计算机操作系统GIS的组成计算机系统软件 GIS的操作对象为空间数据 具体描述数据空间、属性、时间数据；数据组织：混合式、扩展式、开放式；数据管理：空间数据：存储在线状或面状实体的弧段文件中 属性数据：关系数据库GIS的组成空间数据矢量图 栅格图咨询管理信息管理数据整理 GIS的开发是以人为本的系统工程。业务素质与专业知识是GIS工程及应用成功的关键。不但对GIS的技术和功能有足够的了解，而且要具备组织管理的能力。技术培训、硬件维护与更新、系统升级、数据更新、文档管理、数据共享建设等。GIS的组成管理人员地理学中的地理学中的4W4W（W

17、hat When Where Why)What When Where Why)问题数据子集需要解决的问题 问题的定义 问题的实质 解决问题的数据 问题的概念 系统数据收集 数据库建立 问题求解 问题答案用GIS求解问题的基本流程图规划定义过程应用操作过程GIS的组成系统应用模型 位置（Locations）条件（Conditions）趋势（Trends）模式（Patterns）模型（Models）GIS的功能基本功能（核心问题）某个特定位置有什么？空间查属性 例：国家属性查询GIS的功能基本功能位置 满足给定条件的地理对象分布 属性查位置 例：客户分布GIS的功能基本功能条件 地理对象随时间的变

18、化 例：人口变化趋势GIS的功能基本功能趋势 空间对象的分布模式问题 揭示空间对象的空间关系 例：商业服务竞争GIS的功能基本功能模式 基于模型的解决问题方案 例：公园选址GIS的功能基本功能模型野外测量数据野外测量数据数据及属性数据及属性电子数电子数据记录器据记录器键键盘盘图像数字图像数字信息信息跟踪扫描数字跟踪扫描数字化仪和扫描仪化仪和扫描仪地图地图要素要素像片像片资料资料摄像摄像机机磁带磁带机机编辑、接边、分层、图编辑、接边、分层、图形与属性连接、注记标注形与属性连接、注记标注数据入库数据入库GIS数据采集流程图GIS的功能功能实现数据采集 数据的集成过程 空间数据与属性数据组织 数据结

19、构 矢量结构、栅格结构、栅格/矢量结构决定着 GIS的数据分析能力、效率和精度数据管理：层次模型、网络模型、关系模型 混合管理模式GIS的功能功能实现数据组织与管理空间检索空间分析空间分析空间查询位置查询属性查询拓扑查询地形分析网络分析缓冲区分析几何量测地图分析叠置分析统计分析决策分析GIS的功能功能实现检索与分析 数据交换 统计表格 制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图GIS的功能功能实现数据输出lGIS的空间分析技术与手段是有限的，而实际应用模型是无可枚举的，任何GIS都应提供二次开发工具。l定制菜单、程序与可视化界面等lGIS二次开发环境：专用工具：如Arc/Info的AML语言、

20、MapInfo的 MapBasic语言；ArcView的Avenue语言 通用语言：如VC+、VB、Delphi等 组件开发：如MapInfo的MapX；GIS的功能功能实现二次开发 发展概况 GIS发展趋势GIS发展透视国际发展状况国际发展状况地理信息系统的开拓期（地理信息系统的开拓期（60年代）年代）当50年代末和60年代初，计算机获得广泛应用以后，很快就被应用于空间数据的存储和处理，使计算机成为地图信息存储和计算处理的装置，将很多地图转换为能被计算机利用的数字形式，出现了地理信息系统的早期雏形。地理信息系统的巩固发展期（地理信息系统的巩固发展期（70年代）年代）在70年代，计算机发展到第

21、三代，数据处理速度加快，内存容量增大，推出了大容量直接存取设备磁盘，为地理数据的录入、存储、检索、输出提供了强有力的手段，特别是人机对话和随机操作的应用，可以通过屏幕直接监视数字化的操作，而且制图分析的结果能很快看到，并可以进行实时的编辑，促使地理信息系统迅速发展。地理信息系统技术大发展时期（地理信息系统技术大发展时期（80年代）年代）由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通讯传输设备的出现为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。地理信息系统的应用普及时代（地理信息系统的应用普及时代（90年代至今）年代至今

22、）由于计算机的软硬件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统。另外，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。准备阶段准备阶段：1978年到1980年，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。起步阶段起步阶段：1981年到 1985年，理论探索和区域性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系统规范。初步发展阶段初步发展阶段：1986年到90年代。地理信息系统的研究被列入我国“七 五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进 展和实际应用效益。快速发展阶段快速发展阶段

23、：90年代末到现在。理论日趋成熟，应用日益广泛，三维GIS、WEBGIS走向应用，GIS市场开始形成。标志性阶段：超图公司2010年创业板上市。GIS在我国的发展在我国的发展 GIS已成为一门综合性技术 GIS产业化的发展势头强劲 产业对象包括硬件、软件、数据采集与转换、电子数据、遥感数据获取与处理、系统开发与集成、咨询与技术服务七个方面。GIS网络化已构成当今社会的热点 专业WebGIS软件。GIS发展趋势发展趋势GISGIS成为成为ITIT技术的重要组成部分；技术的重要组成部分；GIS的发展需要其它信息技术，其它信息技术的发展也需要GIS，它与GPS、RS成为3S，而且与CAD、通信、办公

24、自动化、虚拟现实等结合，构成了综合的信息技术。自身系统功能和支持功能的不断完善；自身系统功能和支持功能的不断完善；GIS信息规范共享措施的建立；多源空间数据无缝集成和融合技术的实施；GIS图形数据和属性数据的无缝结合与管理；大型GIS地理数据库的无缝组织等等。数字地球（数字地球（Digital Earth)Digital Earth)与与GISGIS 数字地球需要的新理论和技术：数据获取与更新（数据源、空间数据的采集与数据库）网络、计算机硬件、数据与信息传播 数据处理、储存、数据库、信息提取与分析 GIS互操作技术、虚拟现实技术、WEB GIS技术等GIS发展趋势发展趋势0专业GIS（Prof

25、essional GIS）0桌面GIS（Desktop GIS）0手持GIS（Hand-Held GIS）0组件GIS（Component GIS）0GIS Viewer0网络GIS（Internet GIS）0其它（基于CAD的GIS）GIS软件类型主要的主要的GISGIS产品供应商产品供应商 INTERGRAPH ESRI AutoDesk MapInfo MapGIS GeoStar SuperMapGIS主要网站lhttp:/ ，20062006，科学出版社，科学出版社l龚健雅龚健雅 地理信息系统基础，地理信息系统基础，20012001，科学出版社，科学出版社l王家耀王家耀 空间信息系

26、统原理，空间信息系统原理，20012001，科学出版社，科学出版社l汤国安，计算机地学制图与分析，汤国安，计算机地学制图与分析，19941994，西北大学出版社，西北大学出版社l汤国安等，汤国安等，ArcViewArcView地理信息系统空间分析方法，地理信息系统空间分析方法，20022002，科学出版社，科学出版社l刘良明，刘良明，ArcViewArcView基础教程，基础教程，20012001，测绘出版社，测绘出版社l三味工作室三味工作室 ，MapInfoMapInfo应用开发指南，应用开发指南，2000 2000 人民邮电出版社人民邮电出版社l黄杏元等，地理信息系统概论，黄杏元等，地理信

27、息系统概论，20012001，高等教育出版社，高等教育出版社核心教材：核心教材：测绘学报、地理学报、遥感学报、武汉大学学报（信息版）、测绘通报、中国图形图像学报、计算机辅助图形学报等GIS主要期刊 国家自然科学基金国家自然科学基金 863863项目项目 973973项目项目 国家专项国家专项 国防项目国防项目 其他项目其他项目GIS项目申请渠道地理之道-ESRI总裁 Jack Dangermond地理之道地理之道：是指我们使用新的：是指我们使用新的方法（地理方法），来创造和方法（地理方法），来创造和应用新的地理技术和应用新的地理技术和服务。服务。创造地理技术创造地理技术是指测量、组织是指测量、

28、组织和分析所有地图、数据，为辅和分析所有地图、数据，为辅助决策服务，并存储在地理知助决策服务，并存储在地理知识数据库中。识数据库中。应用地理技术应用地理技术是指借助地理学是指借助地理学思想进行设计、思考、管理和思想进行设计、思考、管理和决策，并将这些应用于本地、决策，并将这些应用于本地、国家、及全球领域。国家、及全球领域。信息集成-即通过不同的地理图层叠加多种数据 空间分析-即分析不同图层之间的关系及关联知识 共享-即不同的工作组共享一个通用的数据库一起工作 工作流程-从测量入手，包括数据存储、分析、可视化以及决策支持。GIS技术的四个核心概念GIS整合的6种地理知识 地理图层 数据模型 数据

29、处理模型 制图 工作流程 元数据GIS的4种架构 桌面形式 中央服务模式 分布式协同形式 WebGIS（网络GIS）GIS的5个主流发展趋势 GIS的时效性-将时间要素纳入GIS体系，实时测量、实时数据更新、实时分析（交通GIS）面向对象的GIS-所有地物以对象形式封装 GIS的可视化-三维GIS(数字城市，数字地球)GIS的嵌入式应用-CES(消费类电子产品)GIS网络-网络分析（不仅物理网络，包括社会网络）空间智能-地理信息科学的新进展空间智能知识框架图空间智能强调发现与应用空间模式,以增强GIS处理复杂数据和解决复杂问题的能力。空间智能主要的技术体系由空间分析、空间优化和空间模拟三大模块

30、构成,其技术基础包括空间统计与索引、智能代理、高级启发式,以及数学规划等系列智能技术。空间智能-地理信息科学的新进展 空间智能强调发现与应用空间模式,以增强GIS处理复杂数据和空间智能理论与方法,它的突出的特点是需要具备空间智能,即一种能够发现与应用空间模式能力,并能通过外部环境和经验不断进行学习的能力。它包含两层涵义:其一,空间认知能力;其二,自学习能力。所谓空间认知能力是指个体对客体或空间图形在头脑中进行识别、编码、贮存、表征、分解组合和抽象概括的能力,主要包括空间观察、空间记忆、空间想象和空间思维等能力因素。空间智能-地理信息科学的新进展 自学习能力包含以下几种功能:(1)强化学习功能。

31、使得系统在下一次完成同样或类似的任务时更为有效。(2)自适应功能。自适应功能要求能够对所经历事物重新构造模式、规则并修改相应的记录。(3)知识获取功能。即能够在复杂环境下挖掘空间模式、发展趋势和规律。空间智能是人们应用GIS进行更高层次的分析和应用的必然结果,表现为寻找未知模式、规律或趋势而在复杂时空数据中进行主动搜索和智能化的探索过程。空间智能-地理信息科学的新进展1、数据建模与分析 着眼于处理空间相关性,时间相关性以及时空相关性的方法。2、空间优化 空间优化是指在一定区域,一定资源和位置相关性的约束条件下,极大或者极小空间目标函数。3、基于智能主体的模拟（Agent）智能主体模型是一种自下而上的方法,用来模拟主体与主体以及主体与外界环境之间相互作用的全局结果。