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第1章 GIS概述

"地理之道"，是指我們使用新的方法(地理方法)，來創造和應用新的地理技術。創造地理技術是指測量、組織和分析所有地圖、數據，為輔助決策服務并存儲在地理知識數據庫中，應用地理技術是指借助地理學思想進行設計、思考、管理和決策，并將這些應用于本地、國家及全球領域。地理信息系統(geographicinformationsystem，GIS)技術就是應用地理之道為大眾提供工具和方法。

――摘自ESRI公司總裁JackDangermond2008年1月在北京師范大學的演講

1.1 GIS的核心價值

我們生活在一個充滿問題和挑戰的世界：污染加劇、人口增長、全球變暖、社會沖突、資源短缺、石油能源緊張、生物多樣性下降、自然災害頻發、環境變得脆弱而不穩定..為了有效應對這一切，我們需要具備豐富的知識、需要科學地統籌規劃、需要更有效率地生活、需要做出更好的決定、需要采取更實際的行動、需要創造新的方法、需要用一種新的思路去認識世界和理解事物以及處理問題。地理信息系統作為地球和世界的科學，它使我們得以從整體上去認識世界，它將很多相關聯的事物組成網絡系統，它使我們更加明確自己在復雜系統中所充當的角色。

今天，GIS在全世界范圍內得以廣泛應用，它正影響著科學、影響著決策，甚至影響著整個世界的進程，GIS技術對我們把握世界將起到越來越重要的作用。目前GIS已應用于很多領域，如地區政府管理、安全及災害監測、環境保護和軍事等，盡管它還尚未具備足夠的說服力和影響力，但是它正在幫助我們更好地組織和管理世界。GIS最常見的應用就是通過建立一個可以更新和共享的基礎數據庫，幫助政府各部門之間能夠相互利用各自的數據；在美國、中國、新加坡、印度和澳大利亞以及歐洲等國家和地區，GIS被用于土地保護，包括決策、預測和規劃等，使得信息傳遞更有效率、更加合理化，GIS提供的空間數據庫可以使得管理工作更為透明；在加拿大、日本和中國等國家GIS還被用于災害管理，如對洪水、颶風、泥石流和核泄漏等的管理；此外，GIS還被用來分析各環境影響因子之間的關系，如研究癌癥的擴散、艾滋病、出生率和犯罪率等的關系，通過對這些事物的實時監測，GIS使世界變得更加安全；GIS還對商業發展有很大作用，它能夠輔助分析選址、形成世界性的商業鏈，這使得商業活動更為高效；GIS在非洲、美國北部等地區還被用于自然保護；GIS在許多發達國家還常常被用于海洋開發、漁業資源管理和海底勘探等；同時，GIS也開始用于教育，將GIS作為輔助學習的工具，可以幫助學生更好地了解環境，它使得對自然、地理課程的學習變得更為輕松。所有這些都是關于信息系統的例子，不是商業信息系統，不是人口信息系統，不是政策信息系統，而是地理信息系統。

毫無疑問，GIS的核心價值在于它是一個非常基礎性的系統，它具有豐富的數據模型、多種數據庫處理工具、空間分析工具以及制圖與可視化工具，它能夠將各種各樣與地理相關的信息集成在一起，進而將整個世界聯系在一起，幫助人們去發現、管理、分析和改變我們的世界。

1.2 GIS定義及分類

1.2.1 信息與地理信息

1.信息

信息(information)是經過加工后的數據，它用數字、文字、符號、語言等介質表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征，以便向人們(或系統)提供關于現實世界新的事實知識，作為生產、管理、經營、分析和決策的依據。狹義信息論把信息定義為人們獲取信息前后(人、生物和機器等)與外部客體(環境、他人、生物和機械等)之間相互聯系的一種形式，是主體和客體之間一切有用的消息和知識，是表征事物的一種普通形式。一般認為，信息是人們或機器提供的關于現實世界新的知識，是數據、消息中所包含的意義，它不隨載體的物理形式的改變而改變。

從信息科學角度看，信息的四大特點為：客觀性、適用性、可傳輸性和共享性。

(1)客觀性是指信息都與客觀事實相關，這是信息正確性和度的保障；

(2)適用性是指信息從大量數據中收集、組織和管理，要有普適意義；

(3)可傳輸性指信息可以在系統內或用戶之間以一定形式或格式傳送和交換；

(4)共享性是信息可傳輸性帶來的結果，也就是信息可為多個用戶共享。

信息來自數據，數據是未加工的原始資料，是對客觀對象的表示；信息則是數據內涵的意義，是數據的內容和解釋。例如，從遙感衛星圖像數據中提取各種圖形和專題信息。

2.地理信息

地理信息是有關地理實體的性質、特征和運動狀態的表征和一切有用的知識，它是對表達地理特征與地理現象之間關系的地理數據的解釋。而地理數據則是各種地理特征和現象間關系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征(簡稱屬性)及時域特征三部分。空間位置數據描述地物所在位置。這種位置既可以根據大地參照系定義，如大地經緯度坐標，也可以定義為地物間的相對位置關系，如空間上的相鄰、包含等；屬性數據有時又稱非空間數據，是屬于一定地物、描述其特征的定性或定量指標。時域特征是指地理數據采集或地理現象發生的時刻/時段。時間數據對環境模擬分析非常重要，正受到地理信息系統學界越來越多的重視。空間位置、屬性及時間是地理空間分析的三大基本要素。長期以來，地理學家對于這三大要素的綜合做了大量研究如Berry的地理要素綜合模型、Hagertstand的時間地理學理論、Bennett的關于時空自相關的，統計理論等。

地理信息除了具有信息的一般特性，如客觀性、共享性外，還具有以下獨特特性。

1) 區域分布性

地理信息具有空間定位的特點。先定位后定性，并在區域上表現出分布式特點，不可重疊，其屬性表現為多層次，因此地理數據庫的分布或更新也應是分布式。

2) 數據量大

地理信息既有空間特征，又有屬性特征，并且隨時間演變發展，因此其數據量很大。尤其是隨著全球對地觀測計劃不斷發展，我們每天都可以獲得上萬億兆字節的關于地球資源、環境特征的數據。這必然給數據處理與分析帶來很大壓力。

3) 信息載體的多樣性

地理信息的及時載體是地理實體的物質和能量本身，除此之外，還有描述地理實體的文字、數字、地圖和影像等符號信息載體以及紙質、磁帶、光盤等物理介質載體。對于地圖來說，它不僅是信息的載體，也是信息的傳播媒介。

據國際資料文獻中心(InternationalDocumentationCenter，IDC)統計：人類活動所接觸到的信息中，約有80%信息與地理位置和空間分布有關；在政府部門所接觸到的信息中，有85%信息與地理位置和空間分布有關。這意味著地理信息系統在國家信息化中扮演著非常重要的角色。

1.2.2 信息系統

1.信息系統

信息系統(informationsystem)是具有采集、處理、管理和分析數據能力的計算機系統，它能為單一的或有組織的決策過程提供各種有用信息。

從計算機的角度看，信息系統是由計算機硬件、軟件、數據和用戶四大要素組成的系統。其中的數據包括一般數據和經數據挖掘獲得的知識；用戶包括一般用戶和從事系統建立、維護、管理和更新的高級用戶。

從管理的角度看，信息系統涉及戰略層、用戶層和操作層。戰略層是決定信息系統方向的戰略決策者；用戶層是使用信息系統的高、中層的管理人員；操作層主要是操作人員。

2.信息系統的類型

1) 按系統功能分類

(1)管理信息系統(managementinformationsystem，MIS)是一種基于數據庫的回答系統，它往往停留在數據級上支持管理者，如人事管理信息系統、財務管理信息系統、產品銷售信息系統等。

(2)決策支持系統(decisionsupportsystem，DSS)是在MIS基礎上發展起來的一種信息系統，它不僅為管理者提供數據支持，還提供方法和模型的支持，并對問題進行仿真和模擬，從而提供輔助決策支持。

(3)智能決策支持系統(intelligentdecisionsupportsystem，IDSS)是在決策支持系統中進一步引入人工智能(artificialintelligent，AI)技術，如用專家系統(expertsys?tem，ES)解決非結構化問題，提高系統決策自動化程度。

(4)空間信息系統(spatialinformationsystem，SIS)是對空間數據進行采集、處理、管理和分析的信息系統。由于空間數據的特殊性，空間信息系統的組織結構及處理方法有別于一般信息系統。空間信息系統包括內容很廣，主要有地理信息系統(geo?graphicinformationsystem，GIS)、全球定位系統(globalpositioningsystem，GPS)、遙感(remotesensing，RS)、地球觀測系統(earthobservationsystem，EOS)、數據攝影測量系統(dataphotogrammetricsystem，DPS)、數字地球(digitalearth，DE)等。

2) 按系統結構分類

(1)單機信息系統，分PC機平臺和工作站平臺兩種，各自依托不同的操作系統。

(2)網絡信息系統，分為客戶端/服務器(client/server，C/S)結構、瀏覽器/服務器(browser/server，B/S)結構及C/S和B/S混合結構。

1.2.3 GIS

從1967年加拿大地理學家R.T.Tomlinson提出建立的世界上及時個投入使用的地理信息系統項目開始，地理信息系統的概念迅速得到認同并得到廣泛傳播。國內外眾多學者都曾對地理信息系統進行過科學定義。

雖然人們對GIS的定義視角不同，但不難總結得出GIS的共同屬性特征：一方面，GIS具有科學屬性，它提供了一種認識和理解地理信息的新方式，從而使其發展成為一門描述、存儲、分析和輸出空間數據的理論和方法的交叉學科；另一方面，GIS具有技術屬性，它是以地理空間數據庫(GeospatialDatabase)為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。作為一種通用技術，GIS按一種新的方式去組織和使用地理信息，從而更有效地分析和生產新的地理信息，同時，GIS應用的多樣性也改變了地理信息分發和交換的方式。

從GIS的定義，我們可以看出與其他信息系統的區別在于以下四點。

(1)在分析處理問題中GIS使用了空間數據與屬性數據，并通過數據庫管理系統將兩者聯系在一起共同管理、分析和應用，從而提供了認識地理現象的一種新的思維方法；而管理信息系統則只有屬性數據庫的管理，即使存儲了圖形，也往往以文件形式等機械形式存儲，不能進行有關空間數據的操作，如空間查詢、檢索、相鄰分析等，更無法進行復雜的空間分析。

(2)GIS強調空間分析，通過利用空間解析式模型來分析空間數據，GIS的成功應用依賴于空間分析模型的研究與設計。

(3)GIS的成功應用不僅取決于技術體系，而且依靠一定的組織體系(包括實施組成、系統管理員、技術操作員、系統開發設計者等)。

(4)雖然信息技術對GIS的發展起著重要的作用。但是，實踐證明，人的因素以及地學專業及其他專業知識背景在GIS的發展過程中越來越具有重要的影響，地理信息系統的許多應用問題已經超出技術領域的范疇。

1.2.4 GIS概念剖析

雖然GIS經過近50年的發展，人們對其基本內涵的理解已經十分清晰，但是由于GIS具有強大的包容性和外延性，因此對GIS的理解還存在許多不同的觀點。GIS的定義可能基于系統具備的功能，也可能基于應用或其他方面。DavidJ.Cowen曾將對GIS的不同認識歸納為以下四類。

(1)面向數據處理過程的認識。認為GIS由地理數據的輸入、存儲、查詢、分析與輸出等子系統組成。過程定義本身很清楚，強調數據的處理流程，但其外延太寬泛，不利于將GIS與其他地理數據自動化處理系統分開。

(2)面向專題應用的認識。在面向過程定義的基礎上，按其分析的信息類型來定義GIS，如土地利用信息系統、礦產資源管理信息系統、投資環境評估信息系統、城市交通管理信息系統等。應用定義有助于描述GIS的應用領域范疇。

(3)工具箱定義。這種定義基于軟件系統分析的觀點，認為GIS包括各種復雜的處理空間數據的計算機程序和各種算法。工具箱定義系統地描述了GIS軟件應具備的功能，為軟件系統的評價提供了基本的技術指標。

(4)數據庫定義。在工具箱定義的基礎上，更加強調分析工具和數據庫間的連接。一個通用的地理信息系統可看成是許多特殊的空間分析方法與數據管理系統的結合。

另外，從GIS在實際應用中的作用與地位來看，目前對GIS的認識可歸納為三個相互獨立又相互關聯的觀點。及時種觀點是地圖觀點，強調GIS作為信息載體與傳播媒介的地圖功能，認為GIS是一種地圖數據處理與顯示系統，在此，每個地理數據集可看成是一張地圖，通過地圖代數實現數據的操作與運算，其結果仍然表現為一張具有新內容的地圖。第二種觀點稱為數據庫觀點，多為具有計算機科學背景的用戶所接納，強調數據庫系統在地理信息系統中的重要地位，認為一個完整的數據庫管理系統是任何一個成功的GIS不可缺少的部分。第三種觀點則是分析工具觀點，強調GIS的空間分析與模型分析功能，認為GIS是一門空間信息科學，這是區分GIS與其他地理數據自動化處理系統的特征。

1.2.5 GIS的類型

經過40余年的發展，GIS如今已經成為一個跨學科、多方向的熱點研究領域，并廣泛應用于資源勘探、環境評估、區域發展規劃、公共設施管理、交通運輸、海洋開發、安全監測以及軍事活動等眾多方面，對其類型劃分的方式也不盡相同。

1.按數據模型分類

根據GIS使用的數據模型，可分為矢量型GIS、柵格型GIS和混合型GIS。

2.按系統功能分類

依照GIS的應用功能，GIS可分為區域規劃GIS、資源管理GIS、城市交通GIS、軍事GIS等(圖1.1)。

3.按內容分類

(1)專題GIS(thematicGIS)是具有有限目標和專業特點的GIS。例如，森林動態監測信息系統、水資源管理信息系統、礦業資源信息系統、農作物估產信息系統、草場資源管理信息系統、水土流失信息系統、城市土地管理信息系統(圖1.2)等。

(2)區域GIS(regionalGIS)主要以區域綜合研究和的信息服務為目標，可以有不同的規模，如部級的、地區或省級的、市級和縣級等為各不同級別行政區服務的區域地理信息系統，也可以按自然分區或流域為單位的區域GIS。例如，加拿大國家信息系統、中國黃河流域信息系統等。許多實際的GIS是介于上述二者之間的區域性專題信息系統，如北京市水土流失信息系統、海南島土地評價信息系統、河南省冬小麥估產信息系統等。