第1章 緒 論
　　進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，人類(lèi)社會(huì)從工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代發(fā)展到信息時(shí)代，作為信息時(shí)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(rèn)識(shí)和接受，并引起政府、企業(yè)、科技等相關(guān)業(yè)界越來(lái)越廣泛的關(guān)注。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)服務(wù)等技術(shù)為地理信息系統(tǒng)的多元化發(fā)展和應(yīng)用提供了新的平臺(tái)。電子商務(wù)、電子政務(wù)、LBS服務(wù)等應(yīng)用，使地理信息系統(tǒng)又有了新的展示空間，同樣也為其進(jìn)一步的發(fā)展提出了更高要求�？臻g查詢(xún)、空間分析是地理信息系統(tǒng)的主要功能，相關(guān)服務(wù)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(xué)習(xí)重點(diǎn)：
　　* 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(guān)概念
　　關(guān)于地理信息系統(tǒng)(Geographical Information System，GIS)的定義，國(guó)際上有很多不同的看法，美國(guó)聯(lián)邦數(shù)字地圖協(xié)調(diào)委員會(huì)認(rèn)為“地理信息系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用來(lái)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(fù)雜的規(guī)劃和管理問(wèn)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(chēng)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(gè)術(shù)語(yǔ)。從科學(xué)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(guān)于客觀(guān)事實(shí)的可通信的知識(shí)。信息是指有新內(nèi)容、新知識(shí)的消息，是經(jīng)過(guò)加工以后、對(duì)客觀(guān)世界產(chǎn)生影響的數(shù)據(jù)，具有事實(shí)性、時(shí)效性、不相關(guān)性、等級(jí)性。數(shù)據(jù)是記錄客觀(guān)事物的、可鑒別的符號(hào)。數(shù)據(jù)本身無(wú)意義，具有客觀(guān)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(guò)選摘、分析、綜合的數(shù)據(jù)，它可以使用戶(hù)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(duì)的。表現(xiàn)在，一些數(shù)據(jù)對(duì)某些人來(lái)說(shuō)是信息，而對(duì)另外一些人而言則可能只是數(shù)據(jù)。例如，在運(yùn)輸管理中，運(yùn)輸單對(duì)司機(jī)來(lái)說(shuō)是信息，這是因?yàn)樗緳C(jī)可以從該運(yùn)輸單上知道什么時(shí)候要為什么客戶(hù)運(yùn)輸什么物品；而對(duì)負(fù)責(zé)經(jīng)營(yíng)的管理者來(lái)說(shuō)，運(yùn)輸單只是數(shù)據(jù)，因?yàn)閺膯螐堖\(yùn)輸單中，他無(wú)法知道本月的經(jīng)營(yíng)情況，并不能掌握現(xiàn)有可用的司機(jī)、運(yùn)輸工具等。
　　(3) 信息是觀(guān)念上的。因?yàn)樾畔⑹羌庸ち说臄?shù)據(jù)，所以采用什么模型(或公式)、多長(zhǎng)的信息間隔時(shí)間來(lái)加工數(shù)據(jù)，以獲得信息，是受人對(duì)客觀(guān)事物變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)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(guān)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(gè)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(guān)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(gòu)成的復(fù)合統(tǒng)一整體。系統(tǒng)的含義包括以下幾點(diǎn)。
　　(1) 系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的整體，相互作用結(jié)構(gòu)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(gòu)成的。
　　(3) 系統(tǒng)往往由尋求平衡的實(shí)體構(gòu)成，并顯示出震蕩、混沌或指數(shù)行為。
　　(4) 一個(gè)整體系統(tǒng)是任何相互依存的集或群暫時(shí)的互動(dòng)部分。
　　3. 地理信息
　　地理信息(Geographical Information)是指與空間地理分布有關(guān)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(chēng)。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(dú)特的特性。
　　(1) 區(qū)域性。地理信息屬于空間信息，是通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)的，這是地理信息系統(tǒng)區(qū)別其他類(lèi)型信息最顯著的標(biāo)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(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間位置的識(shí)別，并可以按照指定的區(qū)域進(jìn)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(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)專(zhuān)題的三維結(jié)構(gòu)，即在一個(gè)坐標(biāo)位置上具有多個(gè)專(zhuān)題和屬性信息。例如，在一個(gè)地面點(diǎn)上，可取得高程、污染、交通等多種信息。
　　(3) 動(dòng)態(tài)性。動(dòng)態(tài)性主要是指地理信息的動(dòng)態(tài)變化特征，即時(shí)序特征�？梢园凑諘r(shí)間尺度將地球信息劃分為超短期的(如臺(tái)風(fēng)、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(zhǎng)期的(如城市化、水土流失)、超長(zhǎng)期的(如地殼變動(dòng)、氣候變化)等，從而使地理信息常以時(shí)間尺度劃分成不同時(shí)間段信息。這就要求及時(shí)采集和更新地理信息，并根據(jù)多時(shí)相區(qū)域性指定特定的區(qū)域得到的數(shù)據(jù)和信息來(lái)尋找時(shí)間分布規(guī)律，進(jìn)而對(duì)未來(lái)做出預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。
　　4. 信息系統(tǒng)
　　信息系統(tǒng)是一種對(duì)各種輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、處理，產(chǎn)生針對(duì)解決某些方面問(wèn)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(shè)計(jì)的一套有組織的應(yīng)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(dòng)社會(huì)進(jìn)步，獲得良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，必須研制開(kāi)發(fā)一套軟件系統(tǒng)，以支持對(duì)信息的收集、加工、傳遞、存取、提供、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)的事務(wù)處理，提高工作效率和業(yè)務(wù)管理水平。DSS在收集、存儲(chǔ)、提供大量信息資料的基礎(chǔ)上，建立能綜合分析、預(yù)測(cè)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(dòng)做出符合實(shí)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(dá)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由若干個(gè)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(jì)算機(jī)硬件和軟件為依托，實(shí)現(xiàn)這些子系統(tǒng)功能。
　　(2) GIS的研究對(duì)象是地理實(shí)體。GIS操作的是地理實(shí)體數(shù)據(jù)，即空間數(shù)據(jù)。所謂的地理實(shí)體，是指在現(xiàn)實(shí)世界中再也不能劃分為同類(lèi)現(xiàn)象的現(xiàn)象。地理實(shí)體的集合構(gòu)成了GIS中的地理數(shù)據(jù)庫(kù)，地理實(shí)體通常分為點(diǎn)狀實(shí)體、線(xiàn)狀實(shí)體、面狀實(shí)體和體狀實(shí)體，復(fù)雜的地理實(shí)體由這些類(lèi)型的實(shí)體構(gòu)成。地理實(shí)體數(shù)據(jù)通過(guò)(X、Y)坐標(biāo)串構(gòu)成的矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者像元系列組成的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式存儲(chǔ)，為GIS的功能實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持。
　　(3) GIS的優(yōu)勢(shì)在于它的空間分析功能。地理數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及時(shí)間數(shù)據(jù)，混合存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和集成表達(dá)，使其具有獨(dú)特的空間分析功能、快速的空間查詢(xún)功能以及強(qiáng)大的圖形表達(dá)方式，以及地理過(guò)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(yīng)用的核心部分。
　　(4) GIS與地學(xué)等相關(guān)科學(xué)關(guān)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(lái)源離不開(kāi)測(cè)繪學(xué)；GIS反映的是空間地理實(shí)體，所以與地理學(xué)關(guān)系十分密切；當(dāng)然還包括地質(zhì)學(xué)、林學(xué)、農(nóng)學(xué)等。測(cè)繪學(xué)為GIS提供了高精度和不同空間尺度的數(shù)據(jù)，而且測(cè)繪理論直接可以應(yīng)用到空間數(shù)據(jù)的變換和轉(zhuǎn)換處理。地理學(xué)是一門(mén)研究人—地相互關(guān)系的科學(xué)，研究自然界里的生物、物理、化學(xué)過(guò)程以及探求人類(lèi)活動(dòng)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(guān)空間分析的基本觀(guān)點(diǎn)與方法，成為GIS的基礎(chǔ)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?jī)?nèi)容，可分為專(zhuān)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(gòu)，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(lèi)
　　測(cè)繪工程及其他專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)《地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用》后，要求通過(guò)對(duì)GIS的基本知識(shí)和基本理論的學(xué)習(xí)，利用相關(guān)的GIS軟件，能夠熟練地應(yīng)用于本專(zhuān)業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，并能夠獨(dú)立完成簡(jiǎn)單的GIS程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。
　　1.2 GIS的發(fā)展
　　1.2.1 國(guó)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(guó)的Cro Magnon獵人畫(huà)下了他們捕獵動(dòng)物的圖案。與這些動(dòng)物圖案相關(guān)的是一些描述遷移路線(xiàn)的軌跡線(xiàn)條和符號(hào)。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(gòu)：一個(gè)圖形文件對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　18世紀(jì)，地形圖繪制的現(xiàn)代勘測(cè)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還出現(xiàn)了專(zhuān)題繪圖的早期版本，例如：科學(xué)方面或人口普查資料。約翰·斯諾在1854年用點(diǎn)來(lái)代表個(gè)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(duì)霍亂分布的研究指向了疾病的來(lái)源——位于霍亂中心區(qū)域百老匯街的一個(gè)被污染的公共水泵。約翰·斯諾將泵斷開(kāi)，最終終止了疫情。
　　20世紀(jì)初期，將圖片分成層的“照片石印術(shù)”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(shù)特別適用于印刷輪廓，這是一個(gè)勞力集中的任務(wù)，但它們有一個(gè)單獨(dú)的圖層，意味著它們可以不被其他圖層上的工作混淆。這項(xiàng)工作最初在玻璃板上繪制，后來(lái)，塑料薄膜被引入，具有更輕、使用較少的存儲(chǔ)空間、柔韌等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)所有的圖層完成后，再由一個(gè)巨型處理攝像機(jī)結(jié)合成一個(gè)圖像。彩色印刷技術(shù)引進(jìn)后，層的概念也被用于創(chuàng)建每種顏色單獨(dú)的印版。盡管后來(lái)層的使用成為當(dāng)代GIS的主要典型特征之一，前面所描述的攝影過(guò)程本身并不被認(rèn)為是一個(gè)GIS，因?yàn)檫@個(gè)地圖只有圖像而沒(méi)有附加的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　20世紀(jì)60年代早期，在核武器研究的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展使通用計(jì)算機(jī)“繪圖”的應(yīng)用得到發(fā)展。
　　1967年，世界上第一個(gè)真正投入應(yīng)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(jiàn)圖1-3)博士開(kāi)發(fā)的這個(gè)系統(tǒng)被稱(chēng)為加拿大GIS(CGIS)，用于存儲(chǔ)、分析和利用加拿大土地統(tǒng)計(jì)局(CLI，使用的1∶50?000比例尺，利用關(guān)于土壤、農(nóng)業(yè)、野生動(dòng)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(shè)了等級(jí)分類(lèi)因素來(lái)進(jìn)行分析。
　　圖1-3 GIS之父：羅杰·湯姆林森
　　CGIS是“計(jì)算機(jī)制圖”應(yīng)用的改進(jìn)版，它提供了、資料數(shù)字化/掃描功能。它支持一個(gè)橫跨大陸的國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)，將線(xiàn)編碼為具有真實(shí)的嵌入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“弧”，并在單獨(dú)的文件中存儲(chǔ)屬性和區(qū)位信息。由于這一結(jié)果，湯姆林森被稱(chēng)為“GIS之父”。
　　20世紀(jì)70年代是GIS的發(fā)展時(shí)期。在這一期間，計(jì)算機(jī)發(fā)展到第三代，內(nèi)存容量大增，運(yùn)算速度達(dá)到10-6秒級(jí)，特別是大容量直接存取設(shè)備——磁盤(pán)的使用，為地理數(shù)據(jù)的錄入、儲(chǔ)存、檢索、輸出提供了強(qiáng)有力的手段。用戶(hù)屏幕和圖形、圖像卡的發(fā)展增強(qiáng)了人機(jī)對(duì)話(huà)和高質(zhì)量圖形顯示功能，促使GIS朝著實(shí)用化方向發(fā)展。例如，從1970—1976年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所就建成了50多個(gè)信息系統(tǒng)，分別作為處理地理、地質(zhì)和水資源等領(lǐng)域空間信息的工具。其他一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如加拿大、聯(lián)邦德國(guó)、瑞典等國(guó)，也先后發(fā)展了自己的GIS。同時(shí)，一些商業(yè)公司開(kāi)始活躍，GIS軟件在市場(chǎng)上受到歡迎，同時(shí)管理問(wèn)題也開(kāi)始受到重視。據(jù)IGU統(tǒng)計(jì)，在20世紀(jì)70年代，約有300個(gè)GIS系統(tǒng)投入使用，其中較完整的系統(tǒng)軟件就有80個(gè)之多。1980年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局出版了《空間數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)軟件》的報(bào)告，基本總結(jié)了1979年以前世界各國(guó)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(jì)算機(jī)軟件登錄的標(biāo)準(zhǔn)格式，對(duì)全部軟件做了系統(tǒng)的分類(lèi)，提出GIS發(fā)展研究的重點(diǎn)是空間數(shù)據(jù)處理的算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理三方面。同時(shí)，許多大學(xué)(如美國(guó)紐約州立大學(xué)等)開(kāi)始注意培養(yǎng)GIS方面的人才，創(chuàng)建了GIS實(shí)驗(yàn)室。因此，GIS這一技術(shù)受到了政府部門(mén)、商業(yè)公司和大學(xué)的普遍重視，成為引人注目的領(lǐng)域。
　　20世紀(jì)80年代是GIS普及和推廣應(yīng)用的階段。由于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，GIS系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的發(fā)展，使得它的應(yīng)用從解決基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃(如道路、輸電線(xiàn))轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的區(qū)域開(kāi)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(shù)相結(jié)合，GIS開(kāi)始用于全球性問(wèn)題，例如全球沙漠化、全球可居住區(qū)的評(píng)價(jià)、厄爾尼諾現(xiàn)象及酸雨，核擴(kuò)散及核廢料，以及全球變化與全球監(jiān)測(cè)。在20世紀(jì)80年代中，GIS軟件的研制和開(kāi)發(fā)也取得了很大成績(jī)，僅1989年市場(chǎng)上有報(bào)價(jià)的軟件就達(dá)70多個(gè)，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(jī)上運(yùn)行�？梢哉f(shuō)，20世紀(jì)80年代是國(guó)際上GIS發(fā)展具有突破性的年代。
　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代，GIS技術(shù)的應(yīng)用大大提高了人類(lèi)處理和分析大量有關(guān)地球資源、環(huán)境、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的能力，而GIS技術(shù)及其應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展則必須以地球信息機(jī)理理論為基礎(chǔ)。世紀(jì)之交，由于GIS的應(yīng)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(luò)(Internet)和GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)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(shù)系統(tǒng)，為解決區(qū)域范圍更廣、復(fù)雜性更高的現(xiàn)代地學(xué)問(wèn)題提供了新的分析方法和技術(shù)保證；同時(shí)，隨著“數(shù)字地球”的提出，這些現(xiàn)代信息技術(shù)的綜合發(fā)展及其應(yīng)用的日益深廣，掀起了全球變化研究與對(duì)地觀(guān)測(cè)計(jì)劃的新高朝，促使一門(mén)新興的交叉學(xué)科“地理信息科學(xué)”的脫穎而出。這個(gè)時(shí)期，GIS已經(jīng)漸變地含有地理信息科學(xué)的含義和意思。
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