第1章 緒 論
　　進入21世紀以來，人類社會從工業(yè)經(jīng)濟時代發(fā)展到信息時代，作為信息時代浪潮中重要的組成部分，地理信息系統(tǒng)也逐漸被人們認識和接受，并引起政府、企業(yè)、科技等相關業(yè)界越來越廣泛的關注。計算機網(wǎng)絡、移動服務等技術為地理信息系統(tǒng)的多元化發(fā)展和應用提供了新的平臺。電子商務、電子政務、LBS服務等應用，使地理信息系統(tǒng)又有了新的展示空間，同樣也為其進一步的發(fā)展提出了更高要求�？臻g查詢、空間分析是地理信息系統(tǒng)的主要功能，相關服務亦基于此，在論述之前，先介紹地理信息系統(tǒng)的一些基本概念。
　　學習重點：
　　* GIS定義及含義
　　* GIS組成及功能
　　* GIS的發(fā)展
　　1.1 地理信息系統(tǒng)的基本概念
　　1.1.1 地理信息系統(tǒng)的相關概念
　　關于地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)的定義，國際上有很多不同的看法，美國聯(lián)邦數(shù)字地圖協(xié)調(diào)委員會認為“地理信息系統(tǒng)是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規(guī)劃和管理問題”，并給出了基本概念框架，如圖1-1所示。
　　圖1-1 GIS的基本概念框架
　　由地理信息系統(tǒng)的名稱可得出一些基本的概念，例如信息、系統(tǒng)、地理信息、信息系統(tǒng)等。
　　1. 信息與數(shù)據(jù)
　　信息與數(shù)據(jù)是GIS中常用的兩個術語。從科學的角度講，數(shù)據(jù)是信息的載體，而信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容。信息是關于客觀事實的可通信的知識。信息是指有新內(nèi)容、新知識的消息，是經(jīng)過加工以后、對客觀世界產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)，具有事實性、時效性、不相關性、等級性。數(shù)據(jù)是記錄客觀事物的、可鑒別的符號。數(shù)據(jù)本身無意義，具有客觀性。信息與數(shù)據(jù)既有聯(lián)系，又有區(qū)別，主要表現(xiàn)在以下三方面。
　　(1) 信息是加工后的數(shù)據(jù)。信息是一種經(jīng)過選摘、分析、綜合的數(shù)據(jù)，它可以使用戶更清楚地了解正在發(fā)生什么事。所以，數(shù)據(jù)是原材料，信息是產(chǎn)品，信息是數(shù)據(jù)的含義。
　　(2) 數(shù)據(jù)和信息是相對的。表現(xiàn)在，一些數(shù)據(jù)對某些人來說是信息，而對另外一些人而言則可能只是數(shù)據(jù)。例如，在運輸管理中，運輸單對司機來說是信息，這是因為司機可以從該運輸單上知道什么時候要為什么客戶運輸什么物品；而對負責經(jīng)營的管理者來說，運輸單只是數(shù)據(jù)，因為從單張運輸單中，他無法知道本月的經(jīng)營情況，并不能掌握現(xiàn)有可用的司機、運輸工具等。
　　(3) 信息是觀念上的。因為信息是加工了的數(shù)據(jù)，所以采用什么模型(或公式)、多長的信息間隔時間來加工數(shù)據(jù)，以獲得信息，是受人對客觀事物變化規(guī)律的認識制約，由人確定的。因此，信息是揭示數(shù)據(jù)內(nèi)在的含義，是觀念上的。
　　2. 系統(tǒng)
　　系統(tǒng)是相互聯(lián)系、相互作用的諸多元素的綜合體。系統(tǒng)有三個特性：一是多元性，系統(tǒng)是多樣性的統(tǒng)一，差異性的統(tǒng)一；二是相關性，系統(tǒng)不存在孤立元素組分，所有元素或組分間相互依存、相互作用、相互制約；三是整體性，系統(tǒng)是所有元素構成的復合統(tǒng)一整體。系統(tǒng)的含義包括以下幾點。
　　(1) 系統(tǒng)是一個動態(tài)和復雜的整體，相互作用結(jié)構和功能的單位。
　　(2) 系統(tǒng)是能量、物質(zhì)、信息流不同要素所構成的。
　　(3) 系統(tǒng)往往由尋求平衡的實體構成，并顯示出震蕩、混沌或指數(shù)行為。
　　(4) 一個整體系統(tǒng)是任何相互依存的集或群暫時的互動部分。
　　3. 地理信息
　　地理信息(Geographical Information)是指與空間地理分布有關的信息，它表示地表物體和環(huán)境固有的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征，聯(lián)系和規(guī)律的數(shù)字、文字、圖形、圖像等的總稱。地理信息屬于空間信息。
　　地理信息除具備信息的一般特性外，還具備以下獨特的特性。
　　(1) 區(qū)域性。地理信息屬于空間信息，是通過數(shù)據(jù)進行標識的，這是地理信息系統(tǒng)區(qū)別其他類型信息最顯著的標志，是地理信息的定位特征。區(qū)域性是指按照特定的經(jīng)緯網(wǎng)或公里網(wǎng)建立的地理坐標來實現(xiàn)空間位置的識別，并可以按照指定的區(qū)域進行信息的并或分。
　　(2) 多維性。多維性具體是指在二維空間的基礎上，實現(xiàn)多個專題的三維結(jié)構，即在一個坐標位置上具有多個專題和屬性信息。例如，在一個地面點上，可取得高程、污染、交通等多種信息。
　　(3) 動態(tài)性。動態(tài)性主要是指地理信息的動態(tài)變化特征，即時序特征�？梢园凑諘r間尺度將地球信息劃分為超短期的(如臺風、地震)、短期的(如江河洪水、秋季低溫)、中期的(如土地利用、作物估產(chǎn))、長期的(如城市化、水土流失)、超長期的(如地殼變動、氣候變化)等，從而使地理信息常以時間尺度劃分成不同時間段信息。這就要求及時采集和更新地理信息，并根據(jù)多時相區(qū)域性指定特定的區(qū)域得到的數(shù)據(jù)和信息來尋找時間分布規(guī)律，進而對未來做出預測和預報。
　　4. 信息系統(tǒng)
　　信息系統(tǒng)是一種對各種輸入的數(shù)據(jù)進行加工、處理，產(chǎn)生針對解決某些方面問題的數(shù)據(jù)和信息。其主要內(nèi)容是為產(chǎn)生決策信息而按照一定要求設計的一套有組織的應用程序系統(tǒng)。
　　信息系統(tǒng)一般分為管理信息系統(tǒng)(Management Information System，MIS)和決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，DSS)。
　　MIS使信息資源推動社會進步，獲得良好的社會與經(jīng)濟效益，必須研制開發(fā)一套軟件系統(tǒng)，以支持對信息的收集、加工、傳遞、存取、提供、應用等各環(huán)節(jié)的事務處理，提高工作效率和業(yè)務管理水平。DSS在收集、存儲、提供大量信息資料的基礎上，建立能綜合分析、預測發(fā)展、判斷事態(tài)變化的模型，根據(jù)大量的原始數(shù)據(jù)信息，自動做出符合實際的決策方案。
　　GIS屬于信息系統(tǒng)中的空間信息管理系統(tǒng)范疇。
　　1.1.2 GIS含義
　　由GIS的定義，可以得出以下基本含義。
　　(1) GIS的物理表達是計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干個子系統(tǒng)組成，例如數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、功能輸出等，并且以計算機硬件和軟件為依托，實現(xiàn)這些子系統(tǒng)功能。
　　(2) GIS的研究對象是地理實體。GIS操作的是地理實體數(shù)據(jù)，即空間數(shù)據(jù)。所謂的地理實體，是指在現(xiàn)實世界中再也不能劃分為同類現(xiàn)象的現(xiàn)象。地理實體的集合構成了GIS中的地理數(shù)據(jù)庫，地理實體通常分為點狀實體、線狀實體、面狀實體和體狀實體，復雜的地理實體由這些類型的實體構成。地理實體數(shù)據(jù)通過(X、Y)坐標串構成的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構或者像元系列組成的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構的形式存儲，為GIS的功能實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持。
　　(3) GIS的優(yōu)勢在于它的空間分析功能。地理數(shù)據(jù)庫中存儲地理實體的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及時間數(shù)據(jù)，混合存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構和集成表達，使其具有獨特的空間分析功能、快速的空間查詢功能以及強大的圖形表達方式，以及地理過程的演化模擬和空間決策支持功能。這正是GIS與其他MIS的最大區(qū)別之處，也是GIS研究和應用的核心部分。
　　(4) GIS與地學等相關科學關系密切。GIS的核心內(nèi)容是它的空間數(shù)據(jù)部分，而空間數(shù)據(jù)的來源離不開測繪學；GIS反映的是空間地理實體，所以與地理學關系十分密切；當然還包括地質(zhì)學、林學、農(nóng)學等。測繪學為GIS提供了高精度和不同空間尺度的數(shù)據(jù)，而且測繪理論直接可以應用到空間數(shù)據(jù)的變換和轉(zhuǎn)換處理。地理學是一門研究人—地相互關系的科學，研究自然界里的生物、物理、化學過程以及探求人類活動與資源環(huán)境間相互協(xié)調(diào)的規(guī)律，這為GIS提供了有關空間分析的基本觀點與方法，成為GIS的基礎理論依托。
　　GIS根據(jù)其研究范圍，可分為全球性信息系統(tǒng)和區(qū)域性信息系統(tǒng)；根據(jù)其研究內(nèi)容，可分為專題信息系統(tǒng)和綜合信息系統(tǒng)；根據(jù)其使用的數(shù)據(jù)結(jié)構，可分為矢量信息系統(tǒng)、柵格信息系統(tǒng)和混合型信息系統(tǒng)，如圖1-2所示。
　　圖1-2 信息系統(tǒng)分類
　　測繪工程及其他專業(yè)學習《地理信息系統(tǒng)原理與應用》后，要求通過對GIS的基本知識和基本理論的學習，利用相關的GIS軟件，能夠熟練地應用于本專業(yè)的相關數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，并能夠獨立完成簡單的GIS程序設計與開發(fā)。
　　1.2 GIS的發(fā)展
　　1.2.1 國外GIS的發(fā)展概況
　　大約35?000年前，在拉斯考克(Lascaux)附近的洞穴墻壁上，法國的Cro Magnon獵人畫下了他們捕獵動物的圖案。與這些動物圖案相關的是一些描述遷移路線的軌跡線條和符號。這些早期記錄符合了現(xiàn)代地理資訊系統(tǒng)的二元素結(jié)構：一個圖形文件對應一個屬性數(shù)據(jù)庫。
　　18世紀，地形圖繪制的現(xiàn)代勘測技術得以實現(xiàn)，同時還出現(xiàn)了專題繪圖的早期版本，例如：科學方面或人口普查資料。約翰·斯諾在1854年用點來代表個例，描繪了倫敦的霍亂疫情，這可能是最早使用地理方法的位置。他對霍亂分布的研究指向了疾病的來源——位于霍亂中心區(qū)域百老匯街的一個被污染的公共水泵。約翰·斯諾將泵斷開，最終終止了疫情。
　　20世紀初期，將圖片分成層的“照片石印術”得以發(fā)展。它允許地圖被分成各圖層，例如一層表示植被，另一層表示水。該技術特別適用于印刷輪廓，這是一個勞力集中的任務，但它們有一個單獨的圖層，意味著它們可以不被其他圖層上的工作混淆。這項工作最初在玻璃板上繪制，后來，塑料薄膜被引入，具有更輕、使用較少的存儲空間、柔韌等優(yōu)勢。當所有的圖層完成后，再由一個巨型處理攝像機結(jié)合成一個圖像。彩色印刷技術引進后，層的概念也被用于創(chuàng)建每種顏色單獨的印版。盡管后來層的使用成為當代GIS的主要典型特征之一，前面所描述的攝影過程本身并不被認為是一個GIS，因為這個地圖只有圖像而沒有附加的屬性數(shù)據(jù)庫。
　　20世紀60年代早期，在核武器研究的推動下，計算機硬件的發(fā)展使通用計算機“繪圖”的應用得到發(fā)展。
　　1967年，世界上第一個真正投入應用的GIS由聯(lián)邦林業(yè)和農(nóng)村發(fā)展部在加拿大安大略省的渥太華研發(fā)。羅杰·湯姆林森(Roger Tomlinson，見圖1-3)博士開發(fā)的這個系統(tǒng)被稱為加拿大GIS(CGIS)，用于存儲、分析和利用加拿大土地統(tǒng)計局(CLI，使用的1∶50?000比例尺，利用關于土壤、農(nóng)業(yè)、野生動物、水禽、林業(yè)和土地利用的地理信息，以確定加拿大農(nóng)村的土地能力)收集的數(shù)據(jù)，并增設了等級分類因素來進行分析。
　　圖1-3 GIS之父：羅杰·湯姆林森
　　CGIS是“計算機制圖”應用的改進版，它提供了、資料數(shù)字化/掃描功能。它支持一個橫跨大陸的國家坐標系統(tǒng)，將線編碼為具有真實的嵌入拓撲結(jié)構的“弧”，并在單獨的文件中存儲屬性和區(qū)位信息。由于這一結(jié)果，湯姆林森被稱為“GIS之父”。
　　20世紀70年代是GIS的發(fā)展時期。在這一期間，計算機發(fā)展到第三代，內(nèi)存容量大增，運算速度達到10-6秒級，特別是大容量直接存取設備——磁盤的使用，為地理數(shù)據(jù)的錄入、儲存、檢索、輸出提供了強有力的手段。用戶屏幕和圖形、圖像卡的發(fā)展增強了人機對話和高質(zhì)量圖形顯示功能，促使GIS朝著實用化方向發(fā)展。例如，從1970—1976年，美國地質(zhì)調(diào)查所就建成了50多個信息系統(tǒng)，分別作為處理地理、地質(zhì)和水資源等領域空間信息的工具。其他一些發(fā)達國家，如加拿大、聯(lián)邦德國、瑞典等國，也先后發(fā)展了自己的GIS。同時，一些商業(yè)公司開始活躍，GIS軟件在市場上受到歡迎，同時管理問題也開始受到重視。據(jù)IGU統(tǒng)計，在20世紀70年代，約有300個GIS系統(tǒng)投入使用，其中較完整的系統(tǒng)軟件就有80個之多。1980年，美國地質(zhì)調(diào)查局出版了《空間數(shù)據(jù)處理計算機軟件》的報告，基本總結(jié)了1979年以前世界各國GIS的發(fā)展概況。此外，馬布爾(D.?F.?Marble)等擬訂了處理空間數(shù)據(jù)的計算機軟件登錄的標準格式，對全部軟件做了系統(tǒng)的分類，提出GIS發(fā)展研究的重點是空間數(shù)據(jù)處理的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構和數(shù)據(jù)庫管理三方面。同時，許多大學(如美國紐約州立大學等)開始注意培養(yǎng)GIS方面的人才，創(chuàng)建了GIS實驗室。因此，GIS這一技術受到了政府部門、商業(yè)公司和大學的普遍重視，成為引人注目的領域。
　　20世紀80年代是GIS普及和推廣應用的階段。由于計算機硬件技術，GIS系統(tǒng)軟件和應用軟件的發(fā)展，使得它的應用從解決基礎設施的規(guī)劃(如道路、輸電線)轉(zhuǎn)向更復雜的區(qū)域開發(fā)，例如土地的農(nóng)業(yè)利用、城市化的發(fā)展、人口規(guī)劃與安置等。與衛(wèi)星遙感技術相結(jié)合，GIS開始用于全球性問題，例如全球沙漠化、全球可居住區(qū)的評價、厄爾尼諾現(xiàn)象及酸雨，核擴散及核廢料，以及全球變化與全球監(jiān)測。在20世紀80年代中，GIS軟件的研制和開發(fā)也取得了很大成績，僅1989年市場上有報價的軟件就達70多個，并且涌現(xiàn)出一批有代表性的GIS軟件，如Arc/Info、IGDX/MRS、Tigris、Microstation、SICAD、GenaMap、System?9等。它們可在工作站或微機上運行�？梢哉f，20世紀80年代是國際上GIS發(fā)展具有突破性的年代。
　　進入20世紀90年代，GIS技術的應用大大提高了人類處理和分析大量有關地球資源、環(huán)境、社會與經(jīng)濟數(shù)據(jù)的能力，而GIS技術及其應用的進一步發(fā)展則必須以地球信息機理理論為基礎。世紀之交，由于GIS的應用日益廣泛，加上航空和航天遙感、全球定位系統(tǒng)(GPS)、數(shù)字網(wǎng)絡(Internet)和GIS等現(xiàn)代信息技術的發(fā)展及其相互間的滲透和整合，逐漸形成了以GIS為核心的地球空間信息集成化技術系統(tǒng)，為解決區(qū)域范圍更廣、復雜性更高的現(xiàn)代地學問題提供了新的分析方法和技術保證；同時，隨著“數(shù)字地球”的提出，這些現(xiàn)代信息技術的綜合發(fā)展及其應用的日益深廣，掀起了全球變化研究與對地觀測計劃的新高朝，促使一門新興的交叉學科“地理信息科學”的脫穎而出。這個時期，GIS已經(jīng)漸變地含有地理信息科學的含義和意思。
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