如果说地图是地理学的笫二代语言,那么地理信息系统就是地理学的第三代讠 言 陈述彭 简单的说,地理信息系统是回答如下冋题的信息系统 Henry Tom 第一章地理信息系统概论 导读:本章介绍了地理信息系统的一些最基本的、但又是非常重要的概念,包括信 息、数据、信息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念,如空间信 息和空间数据,还将得到进一步的阐述,实际上,空间数据也是本书中描述GIS功 能的核心。 GIS既是一项技术,也是一门学科,本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学 科,如地理学、地图学、遥感等的关系 本章同时介绍了GIS的组成分类、功能、发展历史和展望,这些将在后面的章节 中更为详尽地被描述。 1.地理信息系统的基本概念 1.1信息、数据、地理数据与地理信息 1.1.1信息( nformation) 1)信息的含义 信息是近代科学的一个专门术语,已广泛地应用于社会各个领域。狭义信息论将信息定 义为“两次不定性之差”,即指人们获得信息前后对事物认识的差别:广义信息论认为,信 息是指主体(人、生物或机器)与外部客体(环境、其他人、生物或机器)之间相互联系的 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 本书采用的定义为:信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识,是数据、消息 中所包含的意义,它不随载体物理设备形式的改变而改变。 2)信息的特点 信息具有以下特点:
如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语 言。 陈述彭 简单的说，地理信息系统是回答如下问题的信息系统——“哪里”。 Henry Tom 第一章 地理信息系统概论 导读：本章介绍了地理信息系统的一些最基本的、但又是非常重要的概念，包括信 息、数据、信息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念，如空间信 息和空间数据，还将得到进一步的阐述，实际上，空间数据也是本书中描述 GIS 功 能的核心。 GIS 既是一项技术，也是一门学科，本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学 科，如地理学、地图学、遥感等的关系。 本章同时介绍了 GIS 的组成、分类、功能、发展历史和展望，这些将在后面的章节 中更为详尽地被描述。 1．地理信息系统的基本概念 1．1 信息、数据、地理数据与地理信息 1．1．1 信息（Information） 1）信息的含义 信息是近代科学的一个专门术语，已广泛地应用于社会各个领域。狭义信息论将信息定 义为“两次不定性之差”，即指人们获得信息前后对事物认识的差别；广义信息论认为，信 息是指主体（人、生物或机器）与外部客体（环境、其他人、生物或机器）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。 本书采用的定义为：信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息 中所包含的意义，它不随载体物理设备形式的改变而改变。 2）信息的特点 信息具有以下特点：
客观性:任何信息都是与客观事实紧密相关的,这是信息正确性和精确度的保证; 实用性:信息对决策是十分重要的,信息系统将地理空间的巨大数据流收集、组织 和管理起来,经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息 传输性:信息可以在信息发送者和接受者之间传输,既包括系统把有用信息送至终 端设备(包括远程终端)和以一定的形式或格式提供给有关用户,也包括信息在系统内各个 子系统之间的流转和交换,如网络传输技术 共享性:信息与实物不同,信息可以传输给多个用户,为多个用户共享,而其本身 并无损失。信息的这些特点,使信息成为当代社会发展的一项重要资源 1.1.2数据 数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料,包括数字、文字、符号、图形、图像以 及它们能转换成的数据等形式。数据是用以载荷信息的物理符号,数据本身并没有意义。如 数字“1”。信息可以离开信息系统而独立存在,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。 信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达,数据中所包含的意义就 是信息。数据是记录下来的某种可以识别的符号,具有多种多样的形式,也可以由一种数据 形式转换为其他数据形式,但其中包含的信息的内容不会改变。数据是信息的载体,但并不 就是信息。只有理解了数据的含义,对数据做出解释,才能提取数据中所包含的信息。对数 据进行处理(运算、排序、编码、分类、增强等)就是为了得到数据中包含的信息。虽然丨 常生活中数据和信息概念分得不是很清,但它们有着不同的含义。可以把数据比作原材料, 而信息是对原材料处理的结果。如同一个木匠,在一些工具的帮助下,可以把木材做成有用 的家具。同样,计算机专业人员应用计算机的硬件和软件把原始数据转换成信息。这种转换 过程可用图1-1说明。 制造过程 桌子 汇总过程 个人得分相加 计算学生数目 学生平均分 总分除以学生总数 信息:对教师 图1-1:数据和信息 数据包含原始事实,信息是把数据处理成有意义的和有用的形式。例如,每个学生所得 分数对教师来说是原始数据,而把这些数据进行汇总并计算每班平均得分,教师根据平均分 判断班级总体情况,这些结果对教师来说就是信息。与数据相比,信息具有以下特征:数据
⚫ 客观性：任何信息都是与客观事实紧密相关的，这是信息正确性和精确度的保证； ⚫ 实用性：信息对决策是十分重要的，信息系统将地理空间的巨大数据流收集、组织 和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息； ⚫ 传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终 端设备（包括远程终端）和以一定的形式或格式提供给有关用户，也包括信息在系统内各个 子系统之间的流转和交换，如网络传输技术； ⚫ 共享性：信息与实物不同，信息可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身 并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。 1．1．2 数据 数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以 及它们能转换成的数据等形式。数据是用以载荷信息的物理符号，数据本身并没有意义。如 数字“1”。信息可以离开信息系统而独立存在，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。 信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就 是信息。数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以由一种数据 形式转换为其他数据形式，但其中包含的信息的内容不会改变。数据是信息的载体，但并不 就是信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能提取数据中所包含的信息。对数 据进行处理（运算、排序、编码、分类、增强等）就是为了得到数据中包含的信息。虽然日 常生活中数据和信息概念分得不是很清，但它们有着不同的含义。可以把数据比作原材料， 而信息是对原材料处理的结果。如同一个木匠，在一些工具的帮助下，可以把木材做成有用 的家具。同样，计算机专业人员应用计算机的硬件和软件把原始数据转换成信息。这种转换 过程可用图 1-1 说明。 图 1-1：数据和信息 数据包含原始事实，信息是把数据处理成有意义的和有用的形式。例如，每个学生所得 分数对教师来说是原始数据，而把这些数据进行汇总并计算每班平均得分，教师根据平均分 判断班级总体情况，这些结果对教师来说就是信息。与数据相比，信息具有以下特征：数据
是原始事实,信息是数据处理的结果;对一个人是信息对其他人可能是数据;信息必须是有 意义或有用的;使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的 人的知识、经验作用到数据上,可以得到信息,而获得信息量的多少,与人的知识水平 有关。 1.1.3地理信息和地理数据 地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系 和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动 状态的表征和一切有用的知识,它是对地理数据的解释。在地理信息中,其位置是通过数据 进行标识的,这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息具有区域性、多 维结构特性和动态变化的特性 1)区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识 2)多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构: 3)地理信息的时序特征十分明显,可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的(如台 风、地震)、短期的(如江河洪水、秋季低温)、中期的(如土地利用、作物估产)、长期的 (如城市化、水土流失)、超长期的(如地壳变动、气候变化)等 地理数据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、属性特征及时态 特征三部分。空间位置数据描述地物所在位置,这种位置既可以根据大地参照系定义,如大 地经纬度坐标,也可以定义为地物间的相对位置关系,如空间上的距离、邻接、重叠、包含 等;属性数据又称为非空间数据,是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标,即描述 了信息的非空间组成部分,包括语义与统计数据等:时态特征是指地理数据采集或地理现象 发生的时刻或时段,时态数据对环境模拟分析非常重要,越来越受到地理信息系统学界的重 视。从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展,反映了人类认识的一个巨大飞 跃 1.2信息系统( Information System)及其类型 系统( System)是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计 算机而言,系统是为实现某些特定的功能,由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关 系联系起来进行工作的集合体,内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构 成系统的要素及其相互之间的联系方式所决定。 1.2.1信息系统 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统,它能够为单一的或有组 织的决策过程提供有用的信息。在计算机时代,信息系统都部分或全部由计算机系统支持, 人们常常使用计算杋收集数据并将数据处理成信息,计算机的使用导致了一场信息革命,目 前,计算机已经渗透到各个领域。一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据 和用户四大要素 计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备,它帮助人们在非常短的时间内处理大 以上述的制作桌子的例子说明,同样的木材(数据),由于使用工具不同和制作者水平的高低,制作的桌 子(信息)也不同
是原始事实，信息是数据处理的结果；对一个人是信息对其他人可能是数据；信息必须是有 意义或有用的；使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。 人的知识、经验作用到数据上，可以得到信息，而获得信息量的多少，与人的知识水平 有关*。 1．1．3 地理信息和地理数据 地理数据 是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系 和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动 状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。在地理信息中，其位置是通过数据 进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息具有区域性、多 维结构特性和动态变化的特性： 1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识； 2）多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构； 3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台 风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的 （如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。 地理数据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、属性特征及时态 特征三部分。空间位置数据描述地物所在位置，这种位置既可以根据大地参照系定义，如大 地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含 等；属性数据又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标，即描述 了信息的非空间组成部分，包括语义与统计数据等；时态特征是指地理数据采集或地理现象 发生的时刻或时段，时态数据对环境模拟分析非常重要，越来越受到地理信息系统学界的重 视。从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展，反映了人类认识的一个巨大飞 跃。 1．2 信息系统（Information System）及其类型 系统（System）是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计 算机而言，系统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关 系联系起来进行工作的集合体，内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构 成系统的要素及其相互之间的联系方式所决定。 1．2．1 信息系统 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组 织的决策过程提供有用的信息。在计算机时代，信息系统都部分或全部由计算机系统支持， 人们常常使用计算机收集数据并将数据处理成信息，计算机的使用导致了一场信息革命，目 前，计算机已经渗透到各个领域。一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据 和用户四大要素。 1）计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在非常短的时间内处理大 * 以上述的制作桌子的例子说明，同样的木材（数据），由于使用工具不同和制作者水平的高低，制作的桌 子（信息）也不同
量数据、存储信息和快速获得帮助 2)软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统, 它接受有效数据,并正确地处理数据:在一定的时间内提供适用的、正确的信息:并存储信 息为将来所用 3)数据是系统分析与处理的对象,构成系统的应用基础 4)用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的,在系统中总是 包含一些人的复杂因素,人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统,建立信息系统也 需要人的参与。 在基于计算机的信息系统中,处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系(图1-2) 计算机硬件 感愿 基于计算 的信息系统 93 图1-2:信息系统的组成 1.2.2信息系统的类型 信息的需要完全取决于管理的层次,设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需 要,这种系统是很复杂的,因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预 知的。在组织中将信息系统分成三个管理层次:操作层(底层)、战术层(中间层)和战略 层(顶层)。操作层包括的人员如会计师、销售人员和商店监理,他们执行日常工作和上级 管理所做的计划:战术层包括组织中的高级管理人员和参与最高管理的中层管理人员:而管 理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题,大多数组织建立不同类型的 系统来满足他们的需要,见信息系统类型图(图1-3): 分析模型 决策支持系统 专家系统 附加事实 规则 外部信息 内部信息 管理信息系统 事务处理系统
量数据、存储信息和快速获得帮助； 2）软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统， 它接受有效数据，并正确地处理数据；在一定的时间内提供适用的、正确的信息；并存储信 息为将来所用； 3）数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础； 4）用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的，在系统中总是 包含一些人的复杂因素，人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统，建立信息系统也 需要人的参与。 在基于计算机的信息系统中，处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系（图 1-2）。 图 1-2：信息系统的组成 1．2．2 信息系统的类型 信息的需要完全取决于管理的层次，设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需 要，这种系统是很复杂的，因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预 知的。在组织中将信息系统分成三个管理层次：操作层（底层）、战术层（中间层）和战略 层（顶层）。操作层包括的人员如会计师、销售人员和商店监理，他们执行日常工作和上级 管理所做的计划；战术层包括组织中的高级管理人员和参与最高管理的中层管理人员；而管 理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题，大多数组织建立不同类型的 系统来满足他们的需要，见信息系统类型图（图 1-3）： 分析模型 决策支持系统 专家系统 外部信息 附加事实 规则 事务处理系统 内部信息 管理信息系统
图1-3:信息系统的类型 1)事物处理系统( Transaction Process System,TPS)主要用以支持操作层人员的日 常活动。它主要负责处理日常事务。 2)管理信息系统( Management Information System,Ms)需要包含组织中的事务 处理系统,并提供了内部综合形式的数据,以及外部组织的一般范围和大范围的数据。许多 战术层提供的信息能按照该层管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。但是,为战术 层管理者提供的另外一部分信息和大多数为战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。 这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑战 3)决策支持系统( Decision Support System,DSs)能从管理信息系统中获得信息, 帮助管理者制定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序,用以支持管理者 制定决策。它是基于计算机的交互式的信息系统,由分析决策模型、管理信息系统中的信息、 决策者的推测三者相组合达到好的决策效果。 4)人工智能和专家系统专家系统( Expert System,ES)是能模仿人工决策处理过程的 基于计算机的信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围,使其从传统的资料处理领域发 展到智能推理上来。MS能提供信息帮助制定决策,DSS能帮助改善决策的质量,只有专 家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。专家系统由五个部分组成:知识库、推理 机、解释系统、用户接口和知识获得系统 2.地理信息系统及其类型 2.1地理信息系统 地理信息系统( Geographical Information System,GS)是一种决策支持系统,它具有信 息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经 过地理编码的,地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理 信息系统中,现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象,这些地理特征至少由空间位 置参考信息和非位置信息两个组成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面,地理信息系统是一门学科,是描 述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科;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。 地理信息系统具有以下三个方面的特征: 第一,具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力,具有空间性和动态性: 第二,由计算机系统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 第三,计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、 精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析 地理信息系统的外观,表现为计算机软硬件系统;其内涵却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。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时,他所面对 在“地球信息系统和数字地球”一章中提到的“地理信息科学”更加强调学科特性,与之对应,GIS则 作为应用技术
图 1-3：信息系统的类型 1）事物处理系统（Transaction Process System ，TPS）主要用以支持操作层人员的日 常活动。它主要负责处理日常事务。 2）管理信息系统（Management Information System ，MIS）需要包含组织中的事务 处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围的数据。许多 战术层提供的信息能按照该层管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。但是，为战术 层管理者提供的另外一部分信息和大多数为战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。 这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑战。 3）决策支持系统（Decision Support System ，DSS）能从管理信息系统中获得信息， 帮助管理者制定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者 制定决策。它是基于计算机的交互式的信息系统，由分析决策模型、管理信息系统中的信息、 决策者的推测三者相组合达到好的决策效果。 4）人工智能和专家系统 专家系统（Expert System ,ES）是能模仿人工决策处理过程的 基于计算机的信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围，使其从传统的资料处理领域发 展到智能推理上来。MIS 能提供信息帮助制定决策，DSS 能帮助改善决策的质量，只有专 家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。专家系统由五个部分组成：知识库、推理 机、解释系统、用户接口和知识获得系统。 2．地理信息系统及其类型 2．1 地理信息系统 地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种决策支持系统，它具有信 息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经 过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理 信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位 置参考信息和非位置信息两个组成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科*，是描 述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；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。 地理信息系统具有以下三个方面的特征： 第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性； 第二，由计算机系统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； 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、 精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却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。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他所面对 * 在“地球信息系统和数字地球”一章中提到的“地理信息科学”更加强调学科特性，与之对应，GIS 则 作为应用技术
的数据不再是毫无意义的,而是把客观世界抽象为模型化的空间数据,用户可以按应用的目 的观测这个现实世界模型的各个方面的内容,取得自然过程的分析和预测的信息,用于管理 和决策,这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统,从视觉 计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟,信息的流动以及信息流动的结果,完全由计 算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各 不同侧面、不同层次的空间和时间特征,也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结 果,取得地理预测或“实验”的结果,选择优化方案,用于管理与决策 地理信息系统和4M 对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言,他们观察并量 测( Measure)环境参数,并制作地图(Map)描述了地球的特征;他们监测( Monitor)周 围环境的变化,对影响环境的过程和活动建立模型( Model)。这四项活动(4M),通过应用 GIS技术,都可以得到改善和提高。 2.2地理信息系统的类型 地理信息系统按其内容可以分为三大类 1)专题地理信息系统( Thematic gis),是具有有限目标和专业特点的地理信息系统, 为特定的专门目的服务。例如,森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信 息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。 2)区域信息系统( Regional gis),主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标,可 以有不同的规模,如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区 域信息系统;也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家 信息系统、中国黄河流域信息系统等。许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域 性专题信息系统,如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估 产信息系统等 3)地理信息系统工具或地理信息系统外壳( GIS Tools),是一组具有图形图像数字化 存储管理、査询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是 专门设计研制的,或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数 据后得到的,具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的 实用性信息系统,也可以用作GIS教学软件。 在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统,不仅可以节省软件开 发的人力、物力、财力,缩短系统建立周期,提高系统技术水平,而且使地理信息系统技术 易于推广,并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。 2.3地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似 完整的GIS主要由四个部分构成,即计算机硬件系统、 计算机软件系统、地理数据(或空间数据)和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统 (软件和硬件),空间数据反映GIS的地理内容,而管理人员和用户则决定系统的工作方式 和信息表示方式。系统构成如图1-4所示
的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化的空间数据，用户可以按应用的目 的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理 和决策，这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、 计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟，信息的流动以及信息流动的结果，完全由计 算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各 不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结 果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，用于管理与决策。 地理信息系统和 4M 对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言，他们观察并量 测（Measure）环境参数，并制作地图（Map）描述了地球的特征；他们监测（Monitor）周 围环境的变化，对影响环境的过程和活动建立模型（Model）。这四项活动（4M），通过应用 GIS 技术，都可以得到改善和提高。 2．2 地理信息系统的类型 地理信息系统按其内容可以分为三大类： 1）专题地理信息系统（Thematic GIS），是具有有限目标和专业特点的地理信息系统， 为特定的专门目的服务。例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信 息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。 2）区域信息系统（Regional GIS），主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可 以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区 域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家 信息系统、中国黄河流域信息系统等。许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域 性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估 产信息系统等。 3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools），是一组具有图形图像数字化、 存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是 专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数 据后得到的，具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的 实用性信息系统，也可以用作 GIS 教学软件。 在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开 发的人力、物力、财力，缩短系统建立周期，提高系统技术水平，而且使地理信息系统技术 易于推广，并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。 2．3 地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似，一个完整的 GIS 主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、 计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统 （软件和硬件），空间数据反映 GIS 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式 和信息表示方式。系统构成如图 1-4 所示
数据获取 数据模壁 地理数据库 图1-4:地理信息系统的构成 2.3.1计算机硬件系统 计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称,可以是电子的、电的、磁的、 机械的、光的元件或装置,是GS的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式 使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系,受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复 杂性和特殊性,必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入输出设 备、中央处理单元、存储器(包括主存储器、辅助存储器硬件*)等,这些硬件组件协同工 作,向计算机系统提供必要的信息,使其完成任务:保存数据以备现在或将来使用;将处理 得到的结果或信息提供给用户。图1-5表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备 通常又称为内存和外存
图 1-4：地理信息系统的构成 2．3．1 计算机硬件系统 计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、 机械的、光的元件或装置，是 GIS 的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、 使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS 由于其任务的复 杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设 备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件*）等，这些硬件组件协同工 作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务；保存数据以备现在或将来使用；将处理 得到的结果或信息提供给用户。图 1-5 表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。 * 通常又称为内存和外存
GIs专用外设设备 遥感图像 数字化仪 解析测图仪 扫描仪 测绘仪器 处理系统 计算机 屏幕 键盘 鼠标器 硬盘 磁带机 打印机 绘图仪 标准的计算机外围设备 图1-5:计算机标准外设和GIS使用的外设 3.3.2计算机软件系统 计算机软件系统是指必需的各种程序。对于GIS应用而言,通常包括: 1)计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户使用计算机提供方便的程序系统,通常包括操作系统、汇 编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等,是GIS日常 工作所必需的。 2)地理信息系统软件和其他支持软件 包括通用的GS软件包,也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图 像处理系统、CAD等,用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。GIS 软件包功能结构见图1-6 3)应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的 程序,是系统功能的扩充与延伸。在GIS工具支持下,应用程序的开发应是透明的和动态 的,与系统的物理存储结构无关,而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作 用于地理专题或区域数据,构成GIS的具体内容,这是用户最为关心的真正用于地理分析 的部分,也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应 用程序,而应用程序的水平在很大程度上决定系统的应用性优劣和成败
GIS 专用外设设备 计算机 屏幕 键盘 鼠标器 标准的计算机外围设备 网 络 数字化仪 解析测图仪 遥感图像 处理系统 扫描仪 测绘仪器 硬盘 磁带机 打印机 绘图仪 图 1-5：计算机标准外设和 GIS 使用的外设 3．3．2 计算机软件系统 计算机软件系统是指必需的各种程序。对于 GIS 应用而言，通常包括： 1）计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇 编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是 GIS 日常 工作所必需的。 2）地理信息系统软件和其他支持软件 包括通用的 GIS 软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图 像处理系统、CAD 等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。GIS 软件包功能结构见图 1-6。 3）应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的 程序，是系统功能的扩充与延伸。在 GIS 工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态 的，与系统的物理存储结构无关，而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作 用于地理专题或区域数据，构成 GIS 的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析 的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应 用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的应用性优劣和成败
数据输入与校验 用户接口 数据存储管理 应用分析程序 数据输出与表示 空间分析函数转换 图1-6:地理信息系统软件的功能框架 2.3.3系统开发、管理和使用人员 人是GIS中的重要构成因素,GS不同于一幅地图,而是一个动态的地理模型。仅有系 统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统,需要人进行系统组织、管理、维护和数据 更新、系统扩充完善、应用程序开发,并灵活采用地理分析模型提取多种信息,为硏宄和决 策服务。对于合格的系统设计、运行和使用来说,地理信息系统专业人员是地理信息系统应 用的关键,而强有力的组织是系统运行的保障。一个周密规划的地理信息系统项目应包括负 责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运 行系统的用户。 2.3.4空间数据 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据,可以是图形、图像 文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系 统通讯输入GIS,是系统程序作用的对象,是GS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性 内容。在GIS中,空间数据主要包括 1)某个已知坐标系中的位置 即几何坐标,标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置,如经纬度、 平面直角坐标、极坐标等,采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。 2)实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括:度量关系,如两个地物之间的距离远近;延伸关系(或 方位关系),定义了两个地物之间的方位;拓扑关系,定义了地物之间连通、邻接等关系 是GIS分析中最基本的关系,其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系(图1-7-a) 边界线与面实体间的构成关系(图1-7-b),面实体与岛或内部点的包含关系(图1-7-c)等 在下文中,将不再区分“地理数据”和“空间数据”,它们都作为同一概念
用户接口 数据输出与表示 数据输入与校验 应用分析程序 空间分析函数转换 数据存储管理 图 1-6：地理信息系统软件的功能框架 2．3．3 系统开发、管理和使用人员 人是 GIS 中的重要构成因素，GIS 不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系 统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据 更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决 策服务。对于合格的系统设计、运行和使用来说，地理信息系统专业人员是地理信息系统应 用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障。一个周密规划的地理信息系统项目应包括负 责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运 行系统的用户。 2．3．4 空间数据* 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、 文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系 统通讯输入 GIS，是系统程序作用的对象，是 GIS 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性 内容。在 GIS 中，空间数据主要包括： 1）某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、 平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。 2）实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近；延伸关系（或 方位关系），定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系， 是 GIS 分析中最基本的关系，其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系（图 1-7-a）， 边界线与面实体间的构成关系（图 1-7-b），面实体与岛或内部点的包含关系（图 1-7-c）等。 * 在下文中，将不再区分“地理数据”和“空间数据”，它们都作为同一概念
图1-7:几种典型的拓扑关系 3)与几何位置无关的属性 即通常所说的非几何属性或简称属性,是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属 性分为定性和定量的两种,前者包括名称、类型、特性等,后者包括数量和等级;定性描述 的属性如土壤种类、行政区划等,定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几 何属性一般是经过抽象的概念,通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一 个属性,而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的,因此,属 性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 对地理信息系统的三种观点 Maguire,1991 对于GIS的定义,有三种观点,即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义 侧重于制图有关的内容,因此GS被视为一个地图分析与处理系统:数据库观点的GIS定 义则侧重于数据库设计与实现的完美性,一个复杂的数据库管理系统被视为GIS不可分割 的一部分:持空间分析观点的定义侧重于分析和建模,GIS被视为一门空间信息科学而不仅 是一门技术 3.地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容:位置、条件、变化趋势、模式和模 型 1)位置( Locations) 即在某个特定的位置有什么。 首先,必须定义某个物体或地区信息的具体位置,常用的定义方法有:通过各种交互手 段确定位置,或者直接输入一个坐标;其次,指定了目标或区域的位置后,可以获得预期的 结果以及其所有或部分特性,例如当前地块所有者、地址、土地利用情况、估价等, 2)条件( Conditions) 即什么地方有满足某些条件的东西 首先,可以用下列方式指定一组条件,如从预定义的可选项中进行选取:填写逻辑表达 式:在终端上交互地填写表格。 其次,指定条件后,可以获得满足指定条件的所有对象的列表,如在屏幕上以高亮度显 示满足指定条件的所有特征,例如,其所位于的土地类型为居民区、估价低于200000美元、 有四个卧室而且是木制的的房屋。 3)变化趋势( Trends) 该类问题需要综合现有数据,以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 首先,确定趋势,当然趋势的确定并不能保证每次都正确,一旦掌握了一个特定的数据 集,要确定趋势可能要依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道等
图 1-7：几种典型的拓扑关系 3）与几何位置无关的属性 即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属 性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级；定性描述 的属性如土壤种类、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几 何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一 个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属 性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 对地理信息系统的三种观点[Maguire,1991] 对于 GIS 的定义，有三种观点，即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义 侧重于制图有关的内容，因此 GIS 被视为一个地图分析与处理系统；数据库观点的 GIS 定 义则侧重于数据库设计与实现的完美性，一个复杂的数据库管理系统被视为 GIS 不可分割 的一部分；持空间分析观点的定义侧重于分析和建模，GIS 被视为一门空间信息科学而不仅 是一门技术。 3．地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模 型。 1）位置（Locations） 即在某个特定的位置有什么。 首先，必须定义某个物体或地区信息的具体位置，常用的定义方法有：通过各种交互手 段确定位置，或者直接输入一个坐标；其次，指定了目标或区域的位置后，可以获得预期的 结果以及其所有或部分特性，例如当前地块所有者、地址、土地利用情况、估价等。 2）条件（Conditions） 即什么地方有满足某些条件的东西。 首先，可以用下列方式指定一组条件，如从预定义的可选项中进行选取；填写逻辑表达 式；在终端上交互地填写表格。 其次，指定条件后，可以获得满足指定条件的所有对象的列表，如在屏幕上以高亮度显 示满足指定条件的所有特征，例如，其所位于的土地类型为居民区、估价低于 200,000 美元、 有四个卧室而且是木制的的房屋。 3）变化趋势（Trends） 该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 首先，确定趋势，当然趋势的确定并不能保证每次都正确，一旦掌握了一个特定的数据 集，要确定趋势可能要依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道等