第一章 引论
第一节 什么是GIS
随着计算机的出现和发展，以计算机技术为核心的信息处理技术作为当代科技革命的主要标志之一，已广泛渗入生产和生活的方方面面，影响着社会经济的发展，并成为衡量一个国家科技发展水平的重要标准之一。人类的生存环境是一个三维地理空间，涉及的信息相当一部分与地理空间位置相关。地理信息系统（GIS）作为信息处理技术的一种，是以计算机技术为依托，以具有空间内涵的地理数据为处理对象，运用系统工程和信息科学的理论和方法，集采集、存储、显示、处理、分析、地理信息输出于一体的计算机系统。简单地说，GIS研究如何利用计算机技术来管理和应用地球表面的空间信息，它是由网络、硬件、软件、地理数据库、地理模型库和人员组成的有机体，用于高效地采集、存储、更新、处理、分析和显示各种类型的地理信息，为规划、管理和辅助决策提供信息来源和技术支持。理论方法的发展、技术的进步和应用需求的提升等因素，深深地影响着GIS的发展，而信息技术日新月异的飞速发展更是大大加速了GIS普及应用的进程，*终将帮助人类实现建立“智慧地球”的梦想。
1.1.1 GIS概述
1.GIS主要功能
GIS是对人类的生存环境进行描述和建模的计算机系统，主要功能包括以下四点。
1）数据采集
纸质地图的数字化是GIS数据采集的传统方法，它具有使用方便、技术成熟、精度高、容易控制等特点，同时也存在低效率和高代价等问题。目前，GIS数据采集越来越多地借助于遥感（remote sensing，RS）和全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）。遥感数据已经成为GIS的重要数据来源，但是它必须进行一系列的影像处理和格式转换。GNSS可以准确、快速地定位地球表面的任何地点，它在动态监测、智能决策等方面发挥着巨大的作用。另外，智能可穿戴设备的出现使得GNSS可以详细地记录人的行为轨迹，在社会学研究方面具有重大的潜力。
2）数据存储
地理数据存储是GIS中*底层和*基本的技术，庞大的数据量要求地理数据库能够进行高效存取。地理数据存储包括空间数据的存储和属性数据的存储。其中，空间数据存储受到计算机处理速度和数据量的限制，通常采取分层或是分“要素”存储的模式以提高数据存取的速度。随着GIS向动态、多维等方向发展，二维空间数据存储方式已不能适应GIS在某些领域进一步发展的需求，故而动态、多维的空间数据存储已成为目前GIS研究的热点。
3）数据处理和分析
数据处理和分析是GIS提供的对地理数据的一系列操作，以获取信息和知识。强大的地理数据处理和分析能力是GIS被广泛应用的主要原因之一。通过GIS提供的地理数据处理和空间分析功能，用户可以从已知的海量地理数据中挖掘出隐含的重要知识，这在许多应用领域中是至关重要的。
4）数据输出
将查询统计的结果或是数据处理和分析的结果以指定的形式输出是GIS问题求解过程的*后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。其中，计算机屏幕显示既可以展示静态地理数据、数据处理和分析结果，也可以生动地呈现各种地理信息的时空变化过程。
2.GIS特点
GIS是横跨地理学、测绘科学、计算机科学和软件工程等学科的一门重要交叉学科，与其他信息系统相比，GIS具有以下特点。
1）GIS的处理对象是地理数据
地理数据包括属性数据和空间数据，利用空间坐标来表达实体的空间位置是GIS数据管理的基本思想。GIS将数据库的一些基本技术（如数据模型、数据存储、数据检索等）与地理数据的特征相结合，发展形成地理数据库技术，用来实现地理数据的管理和存储。
2）GIS提供了一系列地理数据处理和分析的工具
基于地理数据库技术，GIS提供了地理数据采集、存储、显示、操作、分析、建模、输出等工具，利用这些工具可以实现一些其他信息系统无法实现的功能（如空间优化、路径规划、选址分析等）。
3）GIS实现了地理实体与属性数据的关联
通过建立地理实体与属性数据的关联关系，可以实现图形数据与属性数据的同步查询、统计和分析，这是GIS与其他制图系统或管理信息系统的主要区别之一。
1.1.2 GIS构成
GIS作为处理地理数据的一种方法和技术，由六部分构成：网络、硬件、软件、地理数据库、地理模型库和人员配置（图1.1）。
1.网络
网络是用通信线路和通信设备将多台计算机及其外部设备互相连接起来，按照共同的网络协议，共享硬件、软件、数据等资源，*终实现资源共享的系统。
常用的网络类型包括广域网、局域网、专线网。其中，广域网是跨地区的数据通信网络，如互联网（Internet）；局域网是指某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，如一栋办公大楼里的工作网络；专线网是为某个机构或企业建立的内部信息资源共享和网络协同办公的专用网络，如政务专网。
2.硬件
GIS硬件包括从地理数据采集、处理、输出所涉及的所有硬件设备。其中，计算机是硬件系统的核心，用作地理数据的处理、分析和管理。
1）数据采集和输入设备
数据采集设备包括卫星、航空、地面、物联网等平台上搭载的对地观测传感器和测量仪器，它们负责采集GIS所需的地理数据。数据输入设备包括扫描仪及鼠标、键盘等输入设备，它们负责对地理数据进行处理并输入到计算机系统中去。
2）数据存储和处理设备
数据存储设备包括磁盘、移动硬盘、磁盘阵列、云存储等存储介质及光盘等光存储介质。处理设备包括中央处理器（central processing unit，CPU）、图像处理器（graphics processing unit，GPU）、高性能计算集群、云计算平台等，它们共同承担对输入数据进行存储、分析、处理等操作，实现对空间数据的管理和有用信息的提取。
3）输出设备
输出设备通常是能够输出地理信息产品的设备，包括激光打印机、绘图仪、3D打印机等。除此之外，可以通过计算机显示器或外接的高分辨率显示设备（如投影仪等）显示地理信息，也可通过虚拟现实与增强现实技术实现三维仿真显示，提高人机交互效率。
3.软件
GIS软件提供了一系列功能模块用来存储、分析和显示空间数据。GIS软件有以下要求：
① 供显示、操作地理数据（如位置、边界）的常用工具；②提供地理数据库管理系统；③提供空间数据与属性数据同步查询、统计分析功能；④简单易用的图形用户界面。经过50多年的发展，GIS应用不断深入，GIS软件种类日益增多，从低层次的制图软件到高层次的管理分析和辅助决策GIS软件，从简单的地理数据库到栅格、矢量和不规则三角网（triangulated irregular network，TIN）数据一体化管理的大型GIS软件。总体上，GIS软件可以分为两大类：工具型软件和应用型软件（图1.2）。
4.地理数据库
地理数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文景观等的数据，其主要内容包括空间位置与专题信息。数据来源可以是地理平台观测、遥感对地观测、测量、地图、文献、经济社会统计、时空大数据等，也可以是其他图形软件的输出数据或其他相关的数据资料。地理数据作为GIS的操作对象，其现势性和精确性直接关系到GIS分析处理结果的准确性；数据存储模式、管理方法则直接影响GIS运行效率和系统安全等。
地理数据分为空间数据和属性数据两大类。属性数据是反映空间位置上的特征信息，如高程、观测值、评价值等数据，一般用关系型数据库进行管理。空间数据是反映地球表面空间位置的数据，一般采用两种数据结构进行管理和存储：一是栅格数据结构，它使用网格单元的行和列作为位置标识符来描述地理实体的位置信息，常用于描述地质、气候和地形等具有连续分布和变化趋势的地理要素；二是矢量数据结构，它使用一系列（X，Y，Z）坐标作为位置标识符来描述地理实体的位置信息，常用于描述边界清晰、不连续空间分布的地理要素，如土地利用、河流、道路等。
地理数据库是对地理数据进行存储、管理和维护的数据管理软件，其目的是实现地理数据有序、合理和高效的管理。地理数据库可以直接在商业化的关系型数据库或对象-关系型数据库的基础上实现，从而汲取它们某些成熟的功能，包括数据备份、表定义、事务管理和系统管理工具等，而且基于关系型数据库的地理数据库管理系统可以高效地存储和检索地理数据。
5.地理模型库
地理模型是对地学要素及其变化规律的一种概括或抽象表示。它是基于一定的研究目的，采用适当的抽象化手段，对地理实体的特定特征进行概括，并采用适当的表示规则进行简洁描述的定量化模型。地理模型库是对地理模型进行分类和维护并支持模型的生成、存储、查询、运行和分析应用的软件系统，主要包括基础模型库（basic model base，BMB）、应用模型库（application model base，AMB）、模型库管理系统（model base management system，MBMS）、模型字典（model dictionary，MD）四部分（图1.3）。
6.人员配置
人员是GIS的重要构成因素。GIS需要人进行系统的组织、管理和维护，进行数据更新、应用程序开发，以及利用地理模型提取有用信息等。人员在GIS中的作用主要表现在以下方面：①对GIS软件进行开发、维护和升级；②对地理数据进行搜集、入库和管理；③应用GIS进行生产生活实践，实现GIS的价值。针对GIS设计不同阶段的任务和要求，确定需要参与的人员，例如，系统策划阶段需要系统策划师，系统定义阶段需要系统定义/分析师等，系统设计阶段需要系统架构师/总体设计师、数据库设计师、软硬件配置员、用户界面设计师、网络规划设计师等，系统实施阶段需要项目经理、系统开发员、数据采集/建库员、硬件工程师等，系统测试阶段需要测试工程师，系统维护阶段则需要系统管理员、数据库更新员、文档管理员、系统评估师等。
1.1.3 GIS应用自20世纪60年代世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统（Canadian geographic
information system，CGIS）诞生以来，GIS以研究如何采集和使用地球表面的空间数据而迅速发展起来。
地理空间数据的计算机表达及以此为基础的一系列空间分析方法的应用极大促进了地理学的定量化发展研究，也极大促进了社会经济信息化发展的进程。近年来，GIS理论和技术日益成熟和完善，在社会、经济、生活中应用的深度和广度不断加强：从*初的简单绘制静态电子地图到进行动态监测和分析；从单纯的地理数据管理到辅助决策；从GIS信息孤岛到网络化GIS及云GIS；从政府GIS、企业GIS到公众GIS等。目前，GIS已经被成功应用于国防、资源、环境、交通、教育、卫生、电信、商业等领域。
1）地图制图
GIS的发展是从地图制图开始的，GIS的主要功能之一就是地图制图。与周期长、更新慢的手工制图方式相比，利用GIS建立地图数据库，可以达到一次投入、多次产出的效果。它可以根据用户需要输出全要素图或是各种专题图（如行政区划图、国土空间利用现状图、道路交通图等），还可以利用GIS的三维功能进行立体显示与制图。
2）资源管理
GIS广泛应用于自然资源、水利、矿产、林业等领域，成为资源调查和管理的重要手段。日益丰富的遥感数据为资源调查提供了高时空分辨率的数据源，为大区域快速资源调查提供了可能。GIS可以进行海量资源调查数据管理和应用分析，基于GIS的各类资源管理信息系统在资源管理、变化监测等方面发挥着重要作用，为资源的科学规划和合理利用提供决策支持。
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