17 地理信息系统

• 17.1　地理信息系统概述

• 17.2　空间数据结构及其编码

• 17.3　地理信息系统的基本功能

• 17.4　地理信息系统的应用及工具软件简介

17.1 　地理信息系统概述• 17.1.1 　地理信息和地理信息系统　

• 1 、地理信息和地理信息系统• 　　地理信息是有关地理实体的性质、特征及运动状态的表征

和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。• 地理数据则是各种地理特征和地理现象间关系的符号化表示，

包括空间位置、属性特征及时间特征三部分。• 空间数据描述地物所在位置。这种位置既可以根据大地坐标

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、相邻、重叠、包含等。属性数据有时又称非空间数据，是描述地物特征的　定性或定量指标。时间数据是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。

• 　 空间位置、属性及时间是地理空间分析的大基本要素。

• 地理信息的特点 : • 空间分布性• 属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这

是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。 • 具有多维结构的特征• 即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个

专题型实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能。

• 时序特征十分明显• 可以按照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。这对地理事物的预测、预报，从而为科学决策提供依据很重要。

• 具有丰富的信息• GIS 数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信

息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等等。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80% 以上的信息为地理信息或与地理信息有关。

• 2 、地理信息系统

• 　　地理信息系统（ GIS , Geographic Information System）是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界（资源与环境）的研究和变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展起来。

• 　　 GIS 重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成 ，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。

• 　　地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。

• 17.1.2 　地理信息系统的类型

• 地理信息系统按其内容分为三大类：

• 专题地理信息系统（ Subject GIS）：是具有有限目标和专业特点的地理信息系统。为特定的专门的目的服务，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、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、环境管理信息系统等。

• 区域地理信息系统（ Regional GIS）：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。如国家级、地区级、市级或县级等。

• 地理信息系统工具 (GIS—Tools ）：它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。

• 17.1.3 　地理信息系统的组成

系 统

软 件

系 统

软 件

系 统 硬

件

系 统 硬

件

空间数据空间数据

• 一个典型的地理信息系统主要由四部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据、系统的组织管理人员。

• 　　• （ 1）计算机硬件系统。它由计算机系统中实际物理设备的总称，主要包括计算机主机、存储设备和输入、输出设备、通讯传输设备等。

• 　　• （ 2）计算机软件系统。它由核心软件和应用软件组成，其

中核心软件包括数据处理、管理、地图显示和空间分析等部分，而特殊的应用软件则紧紧与核心软件相连，并面向一些特殊的应用问题、如网络分析、数字地形模型分析等。

•

• 　　（ 3）地理数据。地理信息系统的地理数据包括空间数据（图形数据）和属性数据。空间数据描述地理实体的位置、大小、形状、方向以及拓扑几何关系。属性数据描述地理实体的社会、经济或其他专题数据。属性数据分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特殊等；后者包括数量和等级。

• 　　（ 4）系统的组织和管理人员。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成功的关键，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

17.2 　空间数据结构及其编码• 　数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。对空间数据则是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

• 　• 　　空间数据编码是空间数据结构的组织与实现。它是在

数据结构的指导下，将地理数据按特定的数据结构转换为适合于计算机存储和处理的数据的过程。由于地理信息系统的数据量极大，一般采用压缩数据的编码方式以减少数据冗余。

• 17.2.1 　栅格数据结构及其编码• • 1 、栅格数据结构的基本表示法• 　　栅格数据 :栅格数据结构实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置。由于栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体位置很容易隐含在网络文件的存储结构中，且行列坐标可以很容易地转为其它坐标系下的坐标。在网络文件中每个代码本身明确地代表了实体的属性或属性的编码。

• 　　栅格数据结构就是像元阵列，每个像元的行列号确定位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。

• 每个栅格单元只能存在一个值。• 　　栅格数据结构的显著特点是“属性明显，定位隐含”。

数据直接记录属性，而所在位置则根据行列号转换为相应的坐标。

• 栅格数据结构的编码方法• （ 1）直接栅格编码

• （ 2）栅格数据压缩存储的编码方法

A AAAA RAAA RAAA RAA

R AAAA AAAA AGGA AGGG GGGG AGGG AGGA AAA

A ARAA AARA AARR AAA

1 432 5 87612345678

0

12

3

4

56

7

起点行列号，单位矢量R: (1,5),3,2,2,3,3,2,3

链式编码

游程长度编码 逐行编码数据结构 : 行号 , 属性 , 重复次数1, A, 4, R, 1, A, 3

块状编码 正方形区域为记录单元数据结构 : 初始位置 , 半径 , 属性(1,1,3,A),(1,5,1,R),(1,6,2,A),…

NE SWNW SE

G

GGGAGGAAGAAA

四叉树编码

• 17.2.2 　矢量数据结构及其编码• 一、简单矢量数据结构表示法• 矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。

• 除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。

• 　矢量数据结构的特点是“定位明显，属性隐含”。其定位是根据坐标直接存储的，而属性数据则一般存于文件头或数据结构中某些特定的位置上。

• 矢量数据结构编码的基本内容矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达

空间对象的位置。点：空间的一个坐标点；线：多个点组成的弧段；面：多个弧段组成的封闭多边形；

• 点实体

方向字体排列

指针与线相交的角度

如果是简单点

符号

符号

字符大小

简单点文字说明结点

唯一识别符

比例尺方向

x，y 坐标

其它有关的属性

点实体

类型

序列号

有关的属性

如果是文字说明

如果是结点

• 线实体

唯一标识码

线标识码

起始点

终止点

坐标对序列

显示信息

非几何属性

线实体 其中唯一标识是系统排列序号：线标识码可以标识线的类型；起始点和终止点可以用点号或直接用坐标表示；显示信息是显示线的文本或符号等；与线相联的非几何属性可以直接存储于线文件中，也可单独存储，而由标识码联接查找。

•面实体

• 　　多边形矢量编码，不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。

17.3 　地理信息系统的基本功能• 17.3.1 　地理数据的采集• 　　地理信息系统的基本数据流程：数据输入阶段、数据管理阶段、数

据处理阶段、空间分析阶段、图形输出阶段。• 　　地理信息系统的功能主要是完成流程中不同阶段的数据转换工作。

一般的 GIS 包括以下几项基本功能 :• （１）数据采集与输入• （２）数据编缉与更新• （３）数据存贮与管理• （４）空间查询与分析• （５）数据显示与输出

17.4 　地理信息系统的应用及工 具软件简介• 17.4.1 　地理信息系统应用概述• 　　所谓地理信息系统的应用就是人们应用 GIS 对地球表层

人文经济和自然资源及环境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要素的空间分布、空间结构、空间联系 和空间过程的演变规律，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展 服务。

• 测绘与地图制图 •资源调查与管理• 城乡规划•灾害监测• 环境保护 •国防•宏观决策支持

• 17.4.2 　地理信息系统工具软件简介