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、査询检索、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。 2.3地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似 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
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。 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
数据获取 数据模壁 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GS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
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 屏幕 键盘 鼠标器 硬盘 磁带机 打印机 绘图仪 标准的计算机外围设备 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
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
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 图1-6:地理信息系统软件的功能框架 2.3.3系统开发、管理和使用人员 人是GIS中的重要构成因素,GS不同于一幅地图,而是一个动态的地理模型。仅有系 统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统,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,为硏宄和决 策服务。对于合格的系统设计、运行和使用来说,地理信息系统专业人员是地理信息系统应 用的关键,而强有力的组织是系统运行的保障。一个周密规划的地理信息系统项目应包括负 责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运 行系统的用户。 2.3.4空间数据 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,可以是图形、图像 文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系 统通讯输入GIS,是系统程序作用的对象,是GS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性 内容。在GIS中,空间数据主要包括 1)某个已知坐标系中的位置 即几何坐标,标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置,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。 2)实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括:度量关系,如两个地物之间的距离远近;延伸关系(或 方位关系),定义了两个地物之间的方位;拓扑关系,定义了地物之间连通、邻接等关系 是GIS分析中最基本的关系,其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系(图1-7-a) 边界线与面实体间的构成关系(图1-7-b),面实体与岛或内部点的包含关系(图1-7-c)等 在下文中,将不再区分“地理数据”和“空间数据”,它们都作为同一概念
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 图 1-6：地理信息系统软件的功能框架 2．3．3 系统开发、管理和使用人员 人是 GIS 中的重要构成因素，GIS 不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系 统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，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。对于合格的系统设计、运行和使用来说，地理信息系统专业人员是地理信息系统应 用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障。一个周密规划的地理信息系统项目应包括负 责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运 行系统的用户。 2．3．4 空间数据* 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，可以是图形、图像、 文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系 统通讯输入 GIS，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。在 GIS 中，空间数据主要包括： 1）某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，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。 2）实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近；延伸关系（或 方位关系），定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系， 是 GIS 分析中最基本的关系，其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系（图 1-7-a）， 边界线与面实体间的构成关系（图 1-7-b），面实体与岛或内部点的包含关系（图 1-7-c）等。 * 在下文中，将不再区分“地理数据”和“空间数据”，它们都作为同一概念
图1-7:几种典型的拓扑关系 3)与几何位置无关的属性 即通常所说的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 性分为定性和定量的两种,前者包括名称、类型、特性等,后者包括数量和等级;定性描述 的属性如土壤种类、行政区划等,定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几 何属性一般是经过抽象的概念,通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一 个属性,而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的,因此,属 性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 对地理信息系统的三种观点 Maguire,1991 对于GIS的定义,有三种观点,即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义 侧重于制图有关的内容,因此GS被视为一个地图分析与处理系统:数据库观点的GIS定 义则侧重于数据库设计与实现的完美性,一个复杂的数据库管理系统被视为GIS不可分割 的一部分:持空间分析观点的定义侧重于分析和建模,GIS被视为一门空间信息科学而不仅 是一门技术 3.地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容:位置、条件、变化趋势、模式和模 型 1)位置( Locations) 即在某个特定的位置有什么。 首先,必须定义某个物体或地区信息的具体位置,常用的定义方法有:通过各种交互手 段确定位置,或者直接输入一个坐标;其次,指定了目标或区域的位置后,可以获得预期的 结果以及其所有或部分特性,例如当前地块所有者、地址、土地利用情况、估价等, 2)条件( Conditions) 即什么地方有满足某些条件的东西 首先,可以用下列方式指定一组条件,如从预定义的可选项中进行选取:填写逻辑表达 式:在终端上交互地填写表格。 其次,指定条件后,可以获得满足指定条件的所有对象的列表,如在屏幕上以高亮度显 示满足指定条件的所有特征,例如,其所位于的土地类型为居民区、估价低于200000美元、 有四个卧室而且是木制的的房屋。 3)变化趋势( Trends) 该类问题需要综合现有数据,以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 首先,确定趋势,当然趋势的确定并不能保证每次都正确,一旦掌握了一个特定的数据 集,要确定趋势可能要依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道等
图 1-7：几种典型的拓扑关系 3）与几何位置无关的属性 即通常所说的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 性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级；定性描述 的属性如土壤种类、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几 何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一 个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属 性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 对地理信息系统的三种观点[Maguire,1991] 对于 GIS 的定义，有三种观点，即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义 侧重于制图有关的内容，因此 GIS 被视为一个地图分析与处理系统；数据库观点的 GIS 定 义则侧重于数据库设计与实现的完美性，一个复杂的数据库管理系统被视为 GIS 不可分割 的一部分；持空间分析观点的定义侧重于分析和建模，GIS 被视为一门空间信息科学而不仅 是一门技术。 3．地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模 型。 1）位置（Locations） 即在某个特定的位置有什么。 首先，必须定义某个物体或地区信息的具体位置，常用的定义方法有：通过各种交互手 段确定位置，或者直接输入一个坐标；其次，指定了目标或区域的位置后，可以获得预期的 结果以及其所有或部分特性，例如当前地块所有者、地址、土地利用情况、估价等。 2）条件（Conditions） 即什么地方有满足某些条件的东西。 首先，可以用下列方式指定一组条件，如从预定义的可选项中进行选取；填写逻辑表达 式；在终端上交互地填写表格。 其次，指定条件后，可以获得满足指定条件的所有对象的列表，如在屏幕上以高亮度显 示满足指定条件的所有特征，例如，其所位于的土地类型为居民区、估价低于 200,000 美元、 有四个卧室而且是木制的的房屋。 3）变化趋势（Trends） 该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 首先，确定趋势，当然趋势的确定并不能保证每次都正确，一旦掌握了一个特定的数据 集，要确定趋势可能要依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道等