地理信息系统基本概念

GIS原理概述
3.1.1 GIS概念
地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并回答用户问题等为主要任务的技术系统。
3.1.2 GIS发展
1）起始发展阶段(60年代)
1963年由加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出并建立的世界上第一个地理信息系统是加拿大地理信息系统(CGIS)。
1963年美国哈佛大学城市建筑和规划师Howard T.Fisher设计和建立了SYMAP系统软件。
1966年美国成立了城市和区域信息系统协会(URISA)，1968年国际地理联合会(IGU)设立了地理数据收集委员会(CGDSP)。
1969年，又建立起州信息系统国协会(NASIS)。
2）发展巩固阶段(70年代)
70年代，GIS朝实用方向发展。各国对GIS的研究均投入了大量人力、物力、财力。不同规模、不同专题的信息系统得到很大发展。从1970年到1976年美国地质调查局发展了50多个地理信息系统。GIS受到政府、商业和学校的普遍重视。
3）推广应用阶段(80年代)
80年代，GIS在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大，开始用于全球性的问题。开展GIS工作的国家更为广泛，国际合作日益加强。GIS软件开发具有突破性的进展，仅1989年市场上有报价的软件达70多个。代表性的有ARC/INFO（美国）、GENAMAP（澳大利亚）、SPANS（拿加大）、MAPINFO（美国）、MGE（美国）、System9（瑞士/美国）、ERDAS（美国）。
4）蓬勃发展阶段(90年代以后)
90年代，随着地理信息产生的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS已成为确定性的产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的年增长率为35%以上，从事GIS的厂家已超过300家。GIS已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。
3.1.3 GIS组成
1）数据输入和检验
2）数据存储和管理
3）数据变换
4）数据输出和表示
5）用户接口
3.1.4 GIS功能
1）数据采集与输入
数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。主要有图形数据输入，如管网图输入；栅格数据输入，如遥感图像的输入；测量数据输入，如全球定位系统（GPS）数据的输入；属性数据输入,如数字和文字的输入。
2）数据编辑与更新
数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成，图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录，它是通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。
3）数据存贮与管理
属性数据管理一般直接利用商用关系数据库软件，如ORACLE、ACCESS、FoxBase、FoxPro等进行管理。空间数据管理是GIS数据管理的核心，各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。
4）空间查询与分析
空间查询与分析是GIS核心，主要包括数据操作运算、数据查询检索与数据综合分析。包括矢量数据叠合、栅格数据迭加等操作、算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。综合分析主要包括信息量测、属性分析、统计分析、二维模型分析、三维模型分析、多要素综合分析等。
5）数据显示与输出
数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据根据要素的信息量和密集程度，可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。
3.1.5 GIS应用
资源清查?
城乡规划
灾害监测
土地调查
环境管理
城市管网
作战指挥
宏观决策
3.2 GIS空间数据类型
3.2.1栅格数据数据结构
将工作区域的平面表象按一定分解力作行和列的规则划分，形成许多格网，每个网格单元称为象素，栅格数据结构实际上就是象元阵列，即象元按矩阵形式的集合，栅格中的每个象元是栅格数据中最基本的信息存储单元，其坐标位置可以用行号和列号确定。
3.2.2 矢量数据数据结构
矢量数据就是代表地图图形的各离散点平面坐标（x，y）的有序集合。
拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为下列三种关系：拓扑邻接关系、拓扑关联关系、拓扑包含关系
3.2.3 矢栅一体化数据结构
用填满线性目标路径和充满面状目标空间的表达方法作为一体化数据结构的基础，每个线性目标除记录原始取样点外，还记录路径所通过的栅格，每个面状地物除记录它的多边形周边以外，还包括中间的面域栅格。无论是点、线、还面均采用面向目标的描述方法，即直接跟随位置描述信息并进行拓扑关系说明，因而它可以完全保持矢量的特点，而原子空间充填表达建立了位置与地物的联系，使之具有栅格的性质。
3.2.4 矢量与栅格数据比较

矢量数据 栅格数据
数据存储量 数据存储量小 数据存储量大
空间位置精度 空间位置精度高 空间位置精度低
连接关系 用网络连接法能完整描述拓扑关系 难于建立网络连接关系
输出效果 输出简单容易，绘图细腻、精确、美观 输出速度快，但绘图粗糙、不美观
信息处理 可对图形及其属性进行检索、更新和综合 便于面状数据处理
数据结构 数据结构复杂 数据结构简单
数据获取 获取数据慢 快速获取大量数据
数学模拟 数学模拟困难 数学模拟方便
叠合分析 多种地图叠合分析困难 多种地图叠合分析方便
数字图像处理 不能直接处理数字图像信息 能直接处理数字图像信息
空间分析 空间分析不容易实现 空间分析易于进行
模糊事物描述 边界复杂、模糊的事物难以描述 容易描述边界复杂、模糊的事物
费用 数据输出的费用较高 技术开发费用低

3.3 GIS数据管理
3.3.1 多样性空间数据库
空间数据主要包括矢量数据和栅格数据。现有GIS系统是基于矢量的，具有比较成熟的管理和建立矢量数据库的能力。同时，目前多数据GIS软件都可以将数字正射影像数据、遥感数据作为背景与矢量数据、DEM数据进行套合显示。由于遥感影像数据不断增长，现有GIS软件难以组织、调度、存储与管理这样的海量数据，因此开发能对多数据源、多比例尺、多时相影像数据进行统一管理和集成的大型空间数据库管理系统是研究的主要方向。
3.3.2 空间数据的无缝组织
1）以图幅为单元建库
以图幅为建库单元的缺陷：查询往往涉及到多幅图或在不同专题间进行；地理实体的完整性和一致性难以维护；分幅管理对于数据共享和地理实体一级的安全管理增加了难度。
2）逻辑上无缝组织
Intergraph的MGE，ESRI的ARC/INFO等都能建立无缝GIS地理数据库。能够完成地理数据的几何接边和逻辑接边，但物理上仍然按照图幅的概念进行存储管理，对同一地理实体的多个几何标识进行后台关联处理，对用户来说是不可见的。
3）逻辑和物理上无缝组织
工程和工作区：
从逻辑上和物理上的无缝组织出发，一个完整的无缝空间数据库可以被看成是一个工程，在工程中地物要保持存储、表达的完整性和一致性，在工程中具有唯一的几何标识和地物标识。
工作区是为了方便使用空间数据库，可以说是在应用时的工程的临时子集，可以按规则大小划分，也可以相互嵌套，最大可以为整个工程。工作区可以包括任何区域、任意一层或多层地物。
4）数据无缝组织
基于客户/服务器结构，突破传统图幅分块，保持地物完整性存放；
空间地物的属性数据在工程中统一管理，用关系数据库管理系统进行管理；
为了在工程中有效地组织和表达空间实体，可以按照地物大小对其进行分级抽取，然后对不同大小地物的几何对象标识进行整理、分层，建立空间索引。
3.3.3 图形数据与属性数据的连接方式
1）专题属性作为图形数据悬挂体：
属性数据是作为图形数据记录的一部分进行存贮的。这种方案只有当属性数据量不大的个别情况下才是有用的。大量的属性数据加载于图形记录上会导致系统响应时间的普遍延长。当然，主要的缺点在于属性数据的存取必须经由图形记录才能进行。
2）属性数据与图形数据完全独立（完全分开）
可以利用现有的CAD技术和DBS技术，维护难度大，相互操作难度大，CAD中删除一个，必须去找DBS，DBS也必须删除。
3）属性数据与图形数据自成体系（混合处理）
图形数据和属性数据自成体系，属性数据有其专用的数据库系统，很多情况下是用于事务管理的商业数据库，并且在它基础上建立了能够从属性到图形的反向参照功能，图形和属性间连接是通过关键字和标识码来连接。相互操作难度较大。例如ARC/INFO中ARC实现用拓扑关系定义了空间数据，INFO实现了用关系数据模型定义属性数据，两者通过内部代码和用户标识码（USER—ID）作为公共数据项。
4）属性数据与图形数据结构统一（完全结合）
此结构中有双向指针参照，且由一个数据库管理系统来控制，使灵活性和应用范围均大为提高。这一方案能满足许多部门在建立信息系统时的要求。CAD中删除一个图元，DBS自动删除。MAPGIS属于这种类型。
3.3.4 主要GIS软件的比较
ＡＲＣ／ＩＮＦＯ：美国，ESRI
ＧＥＮＡＭＰ：澳大利亚，GENASYS
ＩＤＲＩＳＩ：美国，克拉克大学制图部
ＥＲＤＡＳ：美国，ERDAS
ＩＬＷＩＳ：荷兰，ITC
Ｓｙｓｔｅｍ９：瑞士／美国，PRIME／Computersion
ＭＧＥ：美国，intergraph
ＳＰＡＮＳ：加拿大，Tydel　technologies　cop　
ＴＩＧＲＩＳ：美国，Intergraph cooparation
3.4 空间分析
3.5地理信息系统发展
3.5.1 空间数据结构与数据管理
高效的栅格与矢量互换算法；
图形空间数据压缩技术；
逻辑结构设计、物理存贮结构的研究从理论走向实用。
3.5.2 数据自动输入技术
属性表格的扫描和识别；
图形扫描和跟踪；
拓扑关系自动生成；
图例符号的自动标识。
3.5.3 3S技术结合

3.5.4 时态GIS研究
空间三维、时间维；
三维地理矩阵：位置、属性、时间作为行、列、高；
十六叉树表示：GIS空间——时间；
基态修正法：不存储研究区域中每个状态的全部信息，只存贮某个时间的数据状态（称为基态）以及相对于基态的变化量。
3.5.5 三维GIS的研究
三维数据结构研究，包括数效存储、数据状态表示、数据可视化（八叉树、三维边界表示法）；
三维数据生成和管理；
三维数据显示。
3.5.6 GIS软件模式的发展
经历功能模块→包式模块→核心式软件
COMGIS
COMGIS的基本思想：把GIS功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS空件之间可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。实现的技术主要是面向对象技术、组件式对象模型（COM）及相关技术（OLE、ActiveX），C++用于实现COM比较容易，但C++对象不支持多个接口，JAVA更适合用实现COM对象，支持多接口。
WEBGIS
通用门栅接口技术（Common  Gate way   Interface ，CGI）
服务器应用程序接口方法（Server  API）
插入法（Plugins）
Java语言
开放式GIS（OPENGIS）
开放式GIS是研究分布式环境下实现地理空间信息和操作交互的方法。特点：         从系统的信息表达，到系统的功能都易于修改和扩充。支持现有和未来的地理数据共享标准。          提供地理信息应用互操作标准接口。支持实时访问远程空间数据库和空间信息处理资源的能力。OPENGIS实现技术：面向对象分布式技术、INTERNET技术、WWW技术。

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