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邬伦《地理信息系统—原理、方法和应用》笔记和典型题详解第1篇　基本概念和理论第1章　地理信息系统概论一、地理信息系统的基本概念1．信息、数据、地理数据与地理信息（1）信息①信息的含义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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变②信息的特点a．客观性客观性是信息的正确性和精确度的保证，任何信息都是与客观事实紧密相关的b．实用性信息系统通过将地理空间的巨大数据流收集、组织和管理起来，并经过处理、转换和分析将其转变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息，从而对决策产生重要影响c．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d．共享性信息可以传输给多个用户，为多个用户所共享，而其本身并无损失2）数据①数据的含义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②数据和信息的关系a．数据是信息的载体；b．信息是数据的内涵③与数据相比，信息具有以下特征a．数据是原始事实，信息是数据处理的结果；b．对一个人是信息对其他人可能是数据；c．信息必须是有意义或有用的；d．使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。

3）地理信息和地理数据①地理数据的含义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②地理信息的含义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，是对地理数据的解释③地理信息的特性a．区域性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；b．多维结构特性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；c．动态变化地理信息具有时序特征，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的、短期的、中期的、长期的、超长期的等④地理数据的组成a．空间位置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，也可以定义为地物间的相对位置关系；b．属性特征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；c．时态特征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2．信息系统及其类型（1）信息系统①信息系统的含义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②信息系统的组成a．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量数据、存储信息和快速获得帮助。

b．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c．数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础d．用户是信息系统所服务的对象用户的作用在于输入数据、使用信息和操作信息系统以及参与建立信息系统2）信息系统的类型①事物处理系统（TPS，Transaction Process System）事物处理系统主要用以支持操作层人员的日常活动②管理信息系统（MIS，Management Information System）管理信息系统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MIS能提供信息帮助制定决策③决策支持系统（DSS，Decision Support System）决策支持系统能是一组处理数据和进行推测的分析程序，它能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策④人工智能和专家系统（ES，Expert System）人工智能和专家系统是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息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。

专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由二、地理信息系统及其类型1．地理信息系统（1）地理信息系统的定义地理信息系统（GIS，Geographical Information System）是一种决策支持系统，地理信息系统的定义是由两个部分组成的①一方面，地理信息系统是一门描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的新兴的交叉学科；②另一方面，地理信息系统是一个以地理空间数据库为基础，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2）地理信息系统的特征：①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；②计算机相关技术对地理信息系统建设具有重要意义；③地理信息系统能快速、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4）地理信息系统和4M①4M的具体内涵：a．观察并量测（Measure）环境参数；b．制作地图（Map）描述了地球的特征；c．监测（Monitor）周围环境的变化；d．对影响环境的过程和活动建立模型（Model）②4M与GIS通过应用GIS技术，量测，地图制作，监测以及模型建立都可以得到改善和提高。

2．地理信息系统的类型（1）专题地理信息系统专题地理信息系统是为特定的专门目的服务的具有有限目标和专业特点的地理信息系统2）区域信息系统区域信息系统是指主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标的地理信息系统3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳地理信息系统工具或地理信息系统外壳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3．地理信息系统的构成（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，是GIS的物理外壳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。

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3）系统开发、管理和使用人员GIS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4）空间数据①空间数据的定义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，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②空间数据的内容a．某个已知坐标系中的位置即几何坐标，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b．实体间的空间关系第一，度量关系两个地物之间的距离远近；第二，延伸关系（或方位关系）定义了两个地物之间的方位；第三，拓扑关系定义了地物之间连通、邻接等关系其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系（图1-1（a）），边界线与面实体间的构成关系（图1-1（b）），面实体与岛或内部点的包含关系（图1-1（c））等c．与几何位置无关的属性即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两种三、地理信息系统的功能概述1．数据采集、监测与编辑主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。

目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多，有些仅用于地理信息系统，如手扶跟踪数字化仪；目前，自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注2．数据处理初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换；数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等目前数据概括功能极弱3．数据存储与组织涉及到空间数据和属性数据的组织栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体4．空间查询与分析地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次1）空间检索包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体"空间索引"是空间检索的关键技术2）空间拓扑叠加分析空间拓扑叠加实现了输入要素属性的合并以及要素属性在空间上的连接空间拓扑叠加本质是空间意义上的布尔运算3）空间模型分析其研究可分三类：①地理信息系统外部的空间模型分析将地理信息系统当作一个通用的空间数据库，而空间模型分析功能则借助于其他软件②地理信息系统内部的空间模型分析试图利用地理信息系统软件来提供空间分析模块，发展适用于问题解决模型的宏语言。

③混合型的空间模型分析其宗旨在于尽可能地利用地理信息系统所提供的功能，同时也充分发挥地理信息系统使用者的能动性5．图形与交互显示地理信息系统为用户提供了许多工具用于地理数据的表现，这些工具的形式多种多样，一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图四、地理信息系统的研究内容1．研究内容（1）地理信息系统基本理论研究①研究地理信息系统的概念、定义和内涵；②地理信息系统的信息论研究；③建立地理信息系统的理论体系；④研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；⑤总结地理信息系统的发展历史，探讨地理信息系统发展方向等理论问题2）地理信息系统技术系统设计①地理信息系统硬件设计与配置；②地理空间数据结构及表示；③输入与输出系统；④空间数据库管理系统；⑤用户界面与用户工具设计；⑥地理信息系统工具软件研制；⑦微机地理信息系统的开发；⑧网络地理信息系统的研制等3）地理信息系统应用方法研究①应用系统设计和实现方法；②数据采集与校验；③空间分析函数与专题分析模型；④地理信息系统与遥感技术结合方法；⑤地学专家系统研究等2．地理信息系统相关学科（1）地理学地理学研究中空间分析的理论和方法为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法。

而地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段，并使地理学研究的数学传统得到了充分地发挥2）地图学地图是记录地理信息的一种图形语言形式地理信息系统源于地图GIS是地图信息的又一种新的载体形式，计算机制图为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持；同时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一但二者又有本质之区别：地图强调的是数据分析、符号化与显示，而地理信息系统更注重于信息分析3）计算机科学20世纪60年代初，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图地理信息系统与计算机的数据库技术（DBMS）、计算机辅助设。