地理信息系统原理

前    言
　　随着科学技术的发展，地理信息系统越来越为人们所熟悉，也越来越多地出现在人们的视野当中。地理信息系统是利用计算机技术，对空间数据进行采集、处理、存储、查询与分析等操作，从而获得人们日常生活和专题性需要的一门综合学科。地理信息系统目前得到了社会各界的认可，并且由于其本身的学科特点，使其能够与多学科融合，例如计算机、测绘、地理学、林学、遥感学、农学、地学等。对于测绘等专业本科生，也是一门重要的专业课。
　　本书特点是在介绍了地理信息系统的理论知识的基础上，以实际开发的案例为参考，全面阐述地理信息系统的原理与应用。本书全面地介绍了地理信息系统的基本理论，阐述了空间数据库技术和空间数据获取及处理方法，论述了地理信息系统的设计和评价，并介绍了“天地图·辽宁”的设计方法和部分应用。具体章节设置为：第1章绪论、第2章空间数据组织、第3章空间数据获取与处理、第4章空间数据库、第5章空间查询与空间分析、第6章GIS专题应用、第7章GIS产品输出与地图制图、第8章GIS的设计与评价、第9章GIS案例。
　　本书刘茂华任主编，成遣、白海丽、王岩任副主编，具体分工如下：沈阳建筑大学刘茂华编写第1、6章；沈阳农业大学成遣编写第2、3章；河北工业大学白海丽编写第4、5章，辽宁省有色地质局勘查总院孙秀波参与编写第4章；沈阳建筑大学王岩、孙立双编写第7章；大连金源勘测技术有限公司于树良、张爱华编写第8章；辽宁省基础地理信息中心王峰、易智瑞(中国)信息技术有限公司沈阳分公司艾中天、梅小迪编写第9章；最后由刘茂华、王岩统稿。感谢易智瑞(中国)信息技术有限公司沈阳分公司王彬、石姣及季晓光对本书编写给予的大力支持。
　　由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，敬请各位专家和读者不吝赐教。
　　
　　
　　
　　                              编  者  
　

　　本书系统地介绍了地理信息系统的相关基础知识，阐述了空间数据库技术，论述了数据获取及处理的方法，重点介绍了地理信息系统的空间查询和空间分析功能以及地理信息系统常用的设计方法及评价等；*后以“天地图·辽宁”为例，阐述了其设计方法及部分功能模块，使读者能够形象、生动地理解地理信息系统实际体现形式及用途。

　　本书可作为工科院校测绘类、规划类、环境类、农林水利类、遥感类、地学类等本、专科及高等职业教育的教学用书。在实际教学实践中，任课老师可以根据具体情况，对本书内容进行选择教学。

第1章 绪论 1

1.1 地理信息系统的基本概念 1

1.2 GIS的发展 4

1.3 GIS的组成 10

1.4 GIS的功能 18

习题 22

第2章 空间数据组织 23

2.1 地理空间及其表达 23

2.2 地理空间数据及其特征 32

2.3 地理信息的空间关系 35

2.4 地理信息的空间数据结构 38

习题 68

第3章 空间数据获取与处理 69

3.1 数据源的种类 69

3.2 空间数据的采集 71

3.3 空间数据编辑与处理 83

3.4 空间数据编辑算法 94

3.5 数据质量评价与控制 97

习题 102

第4章 空间数据库 103

4.1 数据库概述 103

4.2 数据模型 105

4.3 空间数据索引 119

4.4 空间数据库设计 124

习题 128

第5章 空间查询与空间分析 129

5.1 空间分析建模 129

5.2 空间查询与量算 131

5.3 缓冲区分析 138

5.4 叠置分析 142

5.5 网络分析 149

5.6 数字地形模型与地形分析 156

5.7 空间数据的其他分析 166

习题 182

第6章 GIS的专题应用 183

6.1 GIS应用概述 183

6.2 GIS在资源管理、区域规划及

辅助决策方面的应用 186

6.3 3S集成 189

6.4 组件式GIS 194

6.5 WebGIS 197

6.6 虚拟现实技术 201

6.7 移动GIS 204

6.8 数字地球 209

习题 212

第7章 GIS产品输出与地图制图 213

7.1 地图定义及分类 213

7.2 地图的色彩 219

7.3 地图符号 225

7.4 地图的注记 230

7.5 制图综合 237

7.6 地图图面设计 241

习题 243

第8章 GIS的设计与评价 244

8.1 GIS的设计方法 244

8.2 GIS设计与开发的步骤 248

8.3 GIS评价 253

习题 254

第9章 GIS案例 255

9.1 “天地图·辽宁”的意义 255

9.2 “天地图·辽宁”的建设原则及

依据 256

9.3 “天地图”省、市级节点建设

技术要求 257

9.4 “天地图·辽宁”功能简介 261

习题 270

参考文献 271

　　本书系统地介绍了地理信息系统的相关基础知识，阐述了空间数据库技术，论述了数据获取及处理的方法，重点介绍了地理信息系统的空间查询和空间分析功能以及地理信息系统常用的设计方法及评价等；*后以“天地图·辽宁”为例，阐述了其设计方法及部分功能模块，使读者能够形象、生动地理解地理信息系统实际体现形式及用途。

　　本书可作为工科院校测绘类、规划类、环境类、农林水利类、遥感类、地学类等本、专科及高等职业教育的教学用书。在实际教学实践中，任课老师可以根据具体情况，对本书内容进行选择教学。

　　第1章 绪 论

　　进入21世纪以来，人类社会从工业经济时代发展到信息时代，作为信息时代浪潮中重要的组成部分，地理信息系统也逐渐被人们认识和接受，并引起政府、企业、科技等相关业界越来越广泛的关注。计算机网络、移动服务等技术为地理信息系统的多元化发展和应用提供了新的平台。电子商务、电子政务、LBS服务等应用，使地理信息系统又有了新的展示空间，同样也为其进一步的发展提出了更高要求。空间查询、空间分析是地理信息系统的主要功能，相关服务亦基于此，在论述之前，先介绍地理信息系统的一些基本概念。

　　学习重点：

　　* GIS定义及含义

　　* GIS组成及功能

　　* GIS的发展

　　1.1 地理信息系统的基本概念

　　1.1.1 地理信息系统的相关概念

　　关于地理信息系统(Geographical Information System，GIS)的定义，国际上有很多不同的看法，美国联邦数字地图协调委员会认为“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，该系统设计用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”，并给出了基本概念框架，如图1-1所示。

　　图1-1 GIS的基本概念框架

　　由地理信息系统的名称可得出一些基本的概念，例如信息、系统、地理信息、信息系统等。

　　1. 信息与数据

　　信息与数据是GIS中常用的两个术语。从科学的角度讲，数据是信息的载体，而信息是数据的内容。信息是关于客观事实的可通信的知识。信息是指有新内容、新知识的消息，是经过加工以后、对客观世界产生影响的数据，具有事实性、时效性、不相关性、等级性。数据是记录客观事物的、可鉴别的符号。数据本身无意义，具有客观性。信息与数据既有联系，又有区别，主要表现在以下三方面。

　　(1) 信息是加工后的数据。信息是一种经过选摘、分析、综合的数据，它可以使用户更清楚地了解正在发生什么事。所以，数据是原材料，信息是产品，信息是数据的含义。

　　(2) 数据和信息是相对的。表现在，一些数据对某些人来说是信息，而对另外一些人而言则可能只是数据。例如，在运输管理中，运输单对司机来说是信息，这是因为司机可以从该运输单上知道什么时候要为什么客户运输什么物品；而对负责经营的管理者来说，运输单只是数据，因为从单张运输单中，他无法知道本月的经营情况，并不能掌握现有可用的司机、运输工具等。

　　(3) 信息是观念上的。因为信息是加工了的数据，所以采用什么模型(或公式)、多长的信息间隔时间来加工数据，以获得信息，是受人对客观事物变化规律的认识制约，由人确定的。因此，信息是揭示数据内在的含义，是观念上的。

　　2. 系统

　　系统是相互联系、相互作用的诸多元素的综合体。系统有三个特性：一是多元性，系统是多样性的统一，差异性的统一；二是相关性，系统不存在孤立元素组分，所有元素或组分间相互依存、相互作用、相互制约；三是整体性，系统是所有元素构成的复合统一整体。系统的含义包括以下几点。

　　(1) 系统是一个动态和复杂的整体，相互作用结构和功能的单位。

　　(2) 系统是能量、物质、信息流不同要素所构成的。

　　(3) 系统往往由寻求平衡的实体构成，并显示出震荡、混沌或指数行为。

　　(4) 一个整体系统是任何相互依存的集或群暂时的互动部分。

　　3. 地理信息

　　地理信息(Geographical Information)是指与空间地理分布有关的信息，它表示地表物体和环境固有的数量、质量、分布特征，联系和规律的数字、文字、图形、图像等的总称。地理信息属于空间信息。

　　地理信息除具备信息的一般特性外，还具备以下独特的特性。

　　(1) 区域性。地理信息属于空间信息，是通过数据进行标识的，这是地理信息系统区别其他类型信息显著的标志，是地理信息的定位特征。区域性是指按照特定的经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置的识别，并可以按照指定的区域进行信息的并或分。

　　(2) 多维性。多维性具体是指在二维空间的基础上，实现多个专题的三维结构，即在一个坐标位置上具有多个专题和属性信息。例如，在一个地面点上，可取得高程、污染、交通等多种信息。

　　(3) 动态性。动态性主要是指地理信息的动态变化特征，即时序特征。可以按照时间尺度将地球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，从而使地理信息常以时间尺度划分成不同时间段信息。这就要求及时采集和更新地理信息，并根据多时相区域性指定特定的区域得到的数据和信息来寻找时间分布规律，进而对未来做出预测和预报。

　　4. 信息系统

　　信息系统是一种对各种输入的数据进行加工、处理，产生针对解决某些方面问题的数据和信息。其主要内容是为产生决策信息而按照一定要求设计的一套有组织的应用程序系统。

　　信息系统一般分为管理信息系统(Management Information System，MIS)和决策支持系统(Decision Support System，DSS)。

　　MIS使信息资源推动社会进步，获得良好的社会与经济效益，必须研制开发一套软件系统，以支持对信息的收集、加工、传递、存取、提供、应用等各环节的事务处理，提高工作效率和业务管理水平。DSS在收集、存储、提供大量信息资料的基础上，建立能综合分析、预测发展、判断事态变化的模型，根据大量的原始数据信息，自动做出符合实际的决策方案。

　　GIS属于信息系统中的空间信息管理系统范畴。

　　1.1.2 GIS含义

　　由GIS的定义，可以得出以下基本含义。

　　(1) GIS的物理表达是计算机系统。该系统由若干个子系统组成，例如数据处理、数据分析、功能输出等，并且以计算机硬件和软件为依托，实现这些子系统功能。

　　(2) GIS的研究对象是地理实体。GIS操作的是地理实体数据，即空间数据。所谓的地理实体，是指在现实世界中再也不能划分为同类现象的现象。地理实体的集合构成了GIS中的地理数据库，地理实体通常分为点状实体、线状实体、面状实体和体状实体，复杂的地理实体由这些类型的实体构成。地理实体数据通过(X、Y)坐标串构成的矢量数据结构或者像元系列组成的栅格数据结构的形式存储，为GIS的功能实现提供数据支持。

　　(3) GIS的优势在于它的空间分析功能。地理数据库中存储地理实体的空间数据、属性数据及时间数据，混合存储的数据结构和集成表达，使其具有独特的空间分析功能、快速的空间查询功能以及强大的图形表达方式，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能。这正是GIS与其他MIS的区别之处，也是GIS研究和应用的核心部分。

　　(4) GIS与地学等相关科学关系密切。GIS的核心内容是它的空间数据部分，而空间数据的来源离不开测绘学；GIS反映的是空间地理实体，所以与地理学关系十分密切；当然还包括地质学、林学、农学等。测绘学为GIS提供了高精度和不同空间尺度的数据，而且测绘理论直接可以应用到空间数据的变换和转换处理。地理学是一门研究人—地相互关系的科学，研究自然界里的生物、物理、化学过程以及探求人类活动与资源环境间相互协调的规律，这为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为GIS的基础理论依托。

　　GIS根据其研究范围，可分为全球性信息系统和区域性信息系统；根据其研究内容，可分为专题信息系统和综合信息系统；根据其使用的数据结构，可分为矢量信息系统、栅格信息系统和混合型信息系统，如图1-2所示。

　　图1-2 信息系统分类

　　测绘工程及其他专业学习《地理信息系统原理与应用》后，要求通过对GIS的基本知识和基本理论的学习，利用相关的GIS软件，能够熟练地应用于本专业的相关数据处理和数据分析，并能够独立完成简单的GIS程序设计与开发。

　　1.2 GIS的发展

　　1.2.1 国外GIS的发展概况

　　大约35?000年前，在拉斯考克(Lascaux)附近的洞穴墙壁上，法国的Cro Magnon猎人画下了他们捕猎动物的图案。与这些动物图案相关的是一些描述迁移路线的轨迹线条和符号。这些早期记录符合了现代地理资讯系统的二元素结构：一个图形文件对应一个属性数据库。

　　18世纪，地形图绘制的现代勘测技术得以实现，同时还出现了专题绘图的早期版本，例如：科学方面或人口普查资料。约翰·斯诺在1854年用点来代表个例，描绘了伦敦的霍乱疫情，这可能是早使用地理方法的位置。他对霍乱分布的研究指向了疾病的来源——位于霍乱中心区域百老汇街的一个被污染的公共水泵。约翰·斯诺将泵断开，终终止了疫情。

　　20世纪初期，将图片分成层的“照片石印术”得以发展。它允许地图被分成各图层，例如一层表示植被，另一层表示水。该技术特别适用于印刷轮廓，这是一个劳力集中的任务，但它们有一个单独的图层，意味着它们可以不被其他图层上的工作混淆。这项工作初在玻璃板上绘制，后来，塑料薄膜被引入，具有更轻、使用较少的存储空间、柔韧等优势。当所有的图层完成后，再由一个巨型处理摄像机结合成一个图像。彩色印刷技术引进后，层的概念也被用于创建每种颜色单独的印版。尽管后来层的使用成为当代GIS的主要典型特征之一，前面所描述的摄影过程本身并不被认为是一个GIS，因为这个地图只有图像而没有附加的属性数据库。

　　20世纪60年代早期，在核武器研究的推动下，计算机硬件的发展使通用计算机“绘图”的应用得到发展。

　　1967年，世界上个真正投入应用的GIS由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。罗杰·汤姆林森(Roger Tomlinson，见图1-3)博士开发的这个系统被称为加拿大GIS(CGIS)，用于存储、分析和利用加拿大土地统计局(CLI，使用的1∶50?000比例尺，利用关于土壤、农业、野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息，以确定加拿大农村的土地能力)收集的数据，并增设了等级分类因素来进行分析。

　　图1-3 GIS之父：罗杰·汤姆林森

　　CGIS是“计算机制图”应用的改进版，它提供了、资料数字化/扫描功能。它支持一个横跨大陆的国家坐标系统，将线编码为具有真实的嵌入拓扑结构的“弧”，并在单独的文件中存储属性和区位信息。由于这一结果，汤姆林森被称为“GIS之父”。

　　20世纪70年代是GIS的发展时期。在这一期间，计算机发展到第三代，内存容量大增，运算速度达到10-6秒级，特别是大容量直接存取设备——磁盘的使用，为地理数据的录入、储存、检索、输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着实用化方向发展。例如，从1970—1976年，美国地质调查所就建成了50多个信息系统，分别作为处理地理、地质和水资源等领域空间信息的工具。其他一些发达国家，如加拿大、联邦德国、瑞典等国，也先后发展了自己的GIS。同时，一些商业公司开始活跃，GIS软件在市场上受到欢迎，同时管理问题也开始受到重视。据IGU统计，在20世纪70年代，约有300个GIS系统投入使用，其中较完整的系统软件就有80个之多。1980年，美国地质调查局出版了《空间数据处理计算机软件》的报告，基本总结了1979年以前世界各国GIS的发展概况。此外，马布尔(D.?F.?Marble)等拟订了处理空间数据的计算机软件登录的标准格式，对全部软件做了系统的分类，提出GIS发展研究的重点是空间数据处理的算法、数据结构和数据库管理三方面。同时，许多大学(如美国纽约州立大学等)开始注意培养GIS方面的人才，创建了GIS实验室。因此，GIS这一技术受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为引人注目的领域。

　　20世纪80年代是GIS普及和推广应用的阶段。由于计算机硬件技术，GIS系统软件和应用软件的发展，使得它的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线)转向更复杂的区域开发，例如土地的农业利用、城市化的发展、人口规划与安置等。与卫星遥感技术相结合，GIS开始用于全球性问题，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨，核扩散及核废料，以及全球变化与全球监测。在20世纪80年代中，GIS软件的研制和开发也取得了很大成绩，仅1989年市场上有报价的软件就达70多个，并且涌现出一批有代表性的GIS软件，如Arc/Info、IGDX/MRS、Tigris、Microstation、SICAD、GenaMap、System?9等。它们可在工作站或微机上运行。可以说，20世纪80年代是国际上GIS发展具有突破性的年代。

　　进入20世纪90年代，GIS技术的应用大大提高了人类处理和分析大量有关地球资源、环境、社会与经济数据的能力，而GIS技术及其应用的进一步发展则必须以地球信息机理理论为基础。世纪之交，由于GIS的应用日益广泛，加上航空和航天遥感、全球定位系统(GPS)、数字网络(Internet)和GIS等现代信息技术的发展及其相互间的渗透和整合，逐渐形成了以GIS为核心的地球空间信息集成化技术系统，为解决区域范围更广、复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证；同时，随着“数字地球”的提出，这些现代信息技术的综合发展及其应用的日益深广，掀起了全球变化研究与对地观测计划的新高朝，促使一门新兴的交叉学科“地理信息科学”的脱颖而出。这个时期，GIS已经渐变地含有地理信息科学的含义和意思。

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