3)地理信息的时序特征十分明显,可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的(如台风、地震)、短 期的(如江河洪水、秋季低温)、中期的(如土地利用、作物估产)、长期的(如城市化、水土流失)、超 长期的(如地壳变动、气候变化)等。 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示,包括空间位置、属性特征及时态特征三部分 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,如大地经纬度坐标,也可以定义 为地物间的相对位置关系,如空间上的距离、邻接、重叠、包含等;属性数据又称为非空间数据,是属于 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;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,时态数据对环境模拟分析非常重要,越来越受到 地理信息系统学界的重视。从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展,反映了人类认识的一 个巨大飞跃。 信息系统( Information System)及其类型 系统( System)是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计算机而言,系 统是为实现某些特定的功能,由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关系联系起来进行工作的集合 体,内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及其相互之间的联系方式所 决定 2.1信息系统 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。在计算机时代,信息系统都部分或全部由计算机系统支持,人们常常使用计算机收集数 据并将数据处理成信息,计算机的使用导致了一场信息革命,目前,计算机己经渗透到各个领域。一个基 于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素 1)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 2)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 3)数据是系统分析与处理的对象,构成系统的应用基础 4)用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的,在系统中总是包含一些人的 复杂因素,人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统,建立信息系统也需要人的参与。 在基于计算机的信息系统中,处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系(图1-2)。 于计算机 的信息系统 况跳黔
3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、短 期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超 长期的（如地壳变动、气候变化）等。 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。 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，如大地经纬度坐标，也可以定义 为地物间的相对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等；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；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，时态数据对环境模拟分析非常重要，越来越受到 地理信息系统学界的重视。从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展，反映了人类认识的一 个巨大飞跃。 1．2 信息系统（Information System）及其类型 系统（System）是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计算机而言，系 统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关系联系起来进行工作的集合 体，内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及其相互之间的联系方式所 决定。 1．2．1 信息系统 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。在计算机时代，信息系统都部分或全部由计算机系统支持，人们常常使用计算机收集数 据并将数据处理成信息，计算机的使用导致了一场信息革命，目前，计算机已经渗透到各个领域。一个基 于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。 1）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； 2）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； 3）数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础； 4）用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的，在系统中总是包含一些人的 复杂因素，人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统，建立信息系统也需要人的参与。 在基于计算机的信息系统中，处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系（图 1-2）
图1-2:信息系统的组成 1.2.2信息系统的类型 信息的需要完全取决于管理的层次,设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需要,这种系统 是很复杂的,因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预知的。在组织中将信息系统 分成三个管理层次:操作层(底层)、战术层(中间层)和战略层(顶层)。操作层包括的人员如会计师、 销售人员和商店监理,他们执行日常工作和上级管理所做的计划;战术层包括组织中的高级管理人员和参 与最高管理的中层管理人员;而管理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题,大多数 组织建立不同类型的系统来满足他们的需要,见信息系统类型图(图1-3): 分析模型 决策支持系统 专家系统 附加事实 规则 外部信息 内部信息 管理信息系统 事务处理系统 图1-3:信息系统的类型 1)事物处理系统( Transaction process system,TPsS)主要用以支持操作层人员的日常活动。它主 要负责处理日常事务 2)管理信息系统( Management Information System,MIS)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。许多战术层提供的信息能按照该层 管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。但是,为战术层管理者提供的另外一部分信息和大多数为 战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑 战 3)决策支持系统( Decision Support System,DSs)能从管理信息系统中获得信息,帮助管理者制 定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序,用以支持管理者制定决策。它是基于计算机 的交互式的信息系统,由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决策 效果 4)人工智能和专家系统专家系统( Expert System,ES)是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的 信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围,使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。MS能 提供信息帮助制定决策,DSS能帮助改善决策的质量,只有专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策 理由。专家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。 2.地理信息系统及其类型 2.1地理信息系统 地理信息系统( Geographical Information System,GIS)是一种决策支持系统,它具有信息系统的各种 特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的,地理位置及
图 1-2：信息系统的组成 1．2．2 信息系统的类型 信息的需要完全取决于管理的层次，设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需要，这种系统 是很复杂的，因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预知的。在组织中将信息系统 分成三个管理层次：操作层（底层）、战术层（中间层）和战略层（顶层）。操作层包括的人员如会计师、 销售人员和商店监理，他们执行日常工作和上级管理所做的计划；战术层包括组织中的高级管理人员和参 与最高管理的中层管理人员；而管理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题，大多数 组织建立不同类型的系统来满足他们的需要，见信息系统类型图（图 1-3）： 分析模型 决策支持系统 专家系统 外部信息 附加事实 规则 事务处理系统 内部信息 管理信息系统 图 1-3：信息系统的类型 1）事物处理系统（Transaction Process System ，TPS）主要用以支持操作层人员的日常活动。它主 要负责处理日常事务。 2）管理信息系统（Management Information System ，MIS）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。许多战术层提供的信息能按照该层 管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。但是，为战术层管理者提供的另外一部分信息和大多数为 战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑 战。 3）决策支持系统（Decision Support System ，DSS）能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制 定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者制定决策。它是基于计算机 的交互式的信息系统，由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决策 效果。 4）人工智能和专家系统 专家系统（Expert System ,ES）是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的 信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围，使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。MIS 能 提供信息帮助制定决策，DSS 能帮助改善决策的质量，只有专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策 理由。专家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。 2．地理信息系统及其类型 2．1 地理信息系统 地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种 特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及
与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中,现实世界被表达成一系列的 地理要素和地理现象,这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面,地理信息系统是一门学科,是描述、存储、分析 和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科:另一方面,地理信息系统是一个技术系统,是以地 理空间数据库( Geospatial Database)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 地理信息系统具有以下三个方面的特征 第一,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; 第二,由计算杋系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法, 作用于空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务; 第三,计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、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。 地理信息系统的外观,表现为计算机软硬件系统;其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地 理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时,他所面对的数据不再是亳无意义的 而是把客观世界抽象为模型化的空间数据,用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内 容,取得自然过程的分析和预测的信息,用于管理和决策,这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、 高度信息化的地理系统,从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟,信息的流动以及信息流 动的结果,完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理 系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征,也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果,取 得地理预测或“实验”的结果,选择优化方案,用于管理与决策 地理信息系统和4 对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言,他们观察并量测( Measure) 环境参数,并制作地图(Map)描述了地球的特征;他们监测( Monitor)周围环境的变化,对影响环境的 过程和活动建立模型( Model)。这四项活动(4M),通过应用GIS技术,都可以得到改善和提高。 2.2地理信息系统的类型 地理信息系统按其内容可以分为三大类: 1)专题地理信息系统( Thematic gIs),是具有有限目标和专业特点的地理信息系统,为特定的专门 目的服务。例如,森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系 统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等 2)区域信息系统( Regional gis),主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标,可以有不同的规 模,如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统;也可以按自然 分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。许 多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统,如北京市水土流失信息系统、海南岛 土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等 3〕地理信息系统工具或地理信息系统外壳( GIS Tools),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。它们或者是专门设计研制的,或者在完 成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的,具有对计算机硬件适应性 强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统,也可以用作GIS教学软件。 在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统,不仅可以节省软件开发的人力、物 力、财力,缩短系统建立周期,提高系统技术水平,而且使地理信息系统技术易于推广,并使广大地学工 作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上 在“地球信息系统和数字地球”一章中提到的“地理信息科学”更加强调学科特性,与之对应,GIS则作为应用技术
与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的 地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。 地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科* ，是描述、存储、分析 和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地 理空间数据库（Geospatial Database）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。 地理信息系统具有以下三个方面的特征： 第一，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； 第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法， 作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务； 第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、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。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地 理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的， 而是把客观世界抽象为模型化的空间数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内 容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、 高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟，信息的流动以及信息流 动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理 系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取 得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，用于管理与决策。 地理信息系统和 4M 对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言，他们观察并量测（Measure） 环境参数，并制作地图（Map）描述了地球的特征；他们监测（Monitor）周围环境的变化，对影响环境的 过程和活动建立模型（Model）。这四项活动（4M），通过应用 GIS 技术，都可以得到改善和提高。 2．2 地理信息系统的类型 地理信息系统按其内容可以分为三大类： 1）专题地理信息系统（Thematic GIS），是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门 目的服务。例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系 统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。 2）区域信息系统（Regional GIS），主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规 模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然 分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。许 多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛 土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。 3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools），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。它们或者是专门设计研制的，或者在完 成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的，具有对计算机硬件适应性 强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统，也可以用作 GIS 教学软件。 在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开发的人力、物 力、财力，缩短系统建立周期，提高系统技术水平，而且使地理信息系统技术易于推广，并使广大地学工 作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。 * 在“地球信息系统和数字地球”一章中提到的“地理信息科学”更加强调学科特性，与之对应，GIS则作为应用技术
2.3地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似,一个完整的GS主要由四个部分构成,即计算机硬件系统、计算机软件系统 地理数据(或空间数据)和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统(软件和硬件),空间数据反映 GIS的地理内容,而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。系统构成如图1-4所示 数据获取 数据模型 地理数据库 图1-4:地理信息系统的构成 2.3.1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,可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的 元件或装置,是GIS的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有 极大的关系,受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性,必须由计算机设备支持。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。图1-5表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。 通常又称为内存和外存
2．3 地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似，一个完整的 GIS 主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、 地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映 GIS 的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。系统构成如图 1-4 所示。 图 1-4：地理信息系统的构成 2．3．1 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，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的 元件或装置，是GIS的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有 极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。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。图 1-5 表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。 * 通常又称为内存和外存
GIS专用外设设备 遥感图像 数字化仪 解析测图仪 扫描仪 测绘仪器 处理系统 计算机 网 屏幕 键盘 鼠标器 硬盘 磁带机 打印机 绘图仪 标准的计算机外国设备 图1-5:计算机标准外设和GIS使用的外设 3.3.2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,通常包括操作系统、汇编程序、编译 程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等,是GIS日常工作所必需的。 2〕地理信息系统软件和其他支持软件 包括通用的GS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。GIS软件包功能结构见图1-6 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。在GIS工具支持下,应用程序的开发应是透明的和动态的,与系统的物理存储结构无关 而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题或区域数据,构成GIS的具体内容 这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分,也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开 发的大部分工作是开发应用程序,而应用程序的水平在很大程度上决定系统的应用性优劣和成败。 数据输入与校验 用户接口 数据存储管理 应用分析程序 数据输出与表示空间分析函数转换
GIS 专用外设设备 计算机 屏幕 键盘 鼠标器 标准的计算机外围设备 网络 数字化仪 解析测图仪 遥感图像 处理系统 扫描仪 测绘仪器 硬盘 磁带机 打印机 绘图仪 图 1-5：计算机标准外设和 GIS 使用的外设 3．3．2 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，通常包括操作系统、汇编程序、编译 程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是 GIS 日常工作所必需的。 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。GIS 软件包功能结构见图 1-6。 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。在 GIS 工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关， 而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题或区域数据，构成 GIS 的具体内容， 这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开 发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的应用性优劣和成败。 用户接口 数据输出与表示 数据输入与校验 应用分析程序 空间分析函数转换 数据存储管理