合肥工业大学
土建学院测量工程系 2012年 3月 20日星期二
地理信息系统 GIS
Geographic Information System
合肥工业大学土建学院
高 飞
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2 地理信息系统 GIS建库
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什么是地理信息系统 — GIS
? GIS的概念框架
GIS的定义、理解和框架体系结构
? GIS的基本内容
GIS技术涉及的基本内容
? GIS的组成
硬件、软件、空间数据、管理人员
? GIS的功能
基本要求、具体功能：数据采集、传输、管理和应用
? GIS的特性与相关学科
GIS的学科树,GIS与相关系统区别和联系
? GIS的应用领域
GIS应用与 3S集成技术
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一,GIS的概念框架
——GIS起源
?1963年，加拿大测量学家 R.F.Tomlinson首先
提出了 地理信息系统 这一术语，并建立了世
界上第一个实用的地理信息系统 ——加拿大
地理信息系统（ CGIS）,用于自然资源的
管理和规划。
?我国地理信息系统方面的工作自 80年代初开
始。以 1980年中国科学院遥感应用研究所成
立全国第一个地理信息系统研究室为标志。
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一,GIS的概念框架
GIS定义 ——定义类型
?面向功能的定义,GIS是采集、存储、检查、操作、
分析和显示地理数据的系统。
?面向工具箱定义,GIS是一组用来输入、存储、查
询、变换和显示空间数据的工具的集合。
这种定义强调 GIS提供的用于处理地理数据的工具。
?面向数据库定义,GIS是这样一类数据库系统，它
的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的
操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。
?面向专题应用定义,根据 GIS应用领域的不同，将
GIS分为各类应用系统。
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一,GIS的概念框架
——GIS定义（ 1）
GIS是由计算机硬件、软件和不
同方法组成的系统，该系统设计用来
支持空间数据采集、管理、处理、分
析、建模和显示，以便解决复杂的规
划和管理问题。
— 美国联邦数字地图协调委员会（ FICCDC）
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一,GIS的概念框架
——GIS定义 （ 2）
?GIS 是在电子计算机软件和硬件的支持下，
运用信息科学、管理科学，对空间地理信
息进行综合处理、分析和应用的信息系统。
?GIS
——Geographic Information System
?GIS是计算机科学、地理学、测绘学、地
图学等多门学科综合技术应用的一门边缘
学科
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一,GIS的概念框架
——GIS定义 框架
用户界面
系统和数据库管理
产品生成
产品输出
空间数据处理
空间数据分析
数据输入
数据库建立
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一,GIS的概念框架
——对 GIS的理解（ 1）
?GIS的物理外壳是计算机的技术系统
数据采集系统、数据管理系统、数据处理和分
析系统、可视化表达与输出系统等组成，影响着 GIS
硬件平台、系统效率和功能、数据处理方式和产品
类型。
?GIS的操作对象是空间数据
地理数据 —属性数据、几何数据、时间数据。
GIS能 对空间数据 进行有效 管理，是 GIS区别于其它
信息系统的根本标志，也是技术难点之一。
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一,GIS的概念框架
——对 GIS的理解（ 2）
?GIS的技术优势在于它的空间分析能力
GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位
搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空
间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得
的重要信息，这是 GIS的重要贡献。
?GIS与地理学、测绘学联系紧密
地理学是 GIS的理论依托，为 GIS提供有关空间
分析的基本观点和方法。测绘学为 GIS提供各种定位
数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处
理。
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一,GIS的概念框架
——GIS在信息系统中的位置
信息系统 非空间信息系统
专题地理
信息系统
地理信息系统
非地理信息系统
管理信息系统
综合地理
信息系统
CAD/CAM 空间信息系统
地籍 GIS
交通 GIS
资源与环境 GIS
规划与管理 GIS
数据模型
矢量 GIS 栅格 GIS 矢 -栅 GIS
研究范围
全球 GIS
区域 GIS
研究内容
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二, GIS基本内容 ——（ 1）
美国地理信息与分析中心 GIS教学大纲
一、概论
引言、硬 /软件、栅格 GIS、数据获取、空间数据性质、空间现象及
关系,GIS功能、栅格 /矢量数据模型对比与相关问题
二,GIS技术问题
坐标系统与地理编码、矢量数据结构与算法、栅格数据存储、关于
地表的数据结构及其算法、客体与时间、数据库、误差模拟与不确定性、
可视化技术
三,GIS应用
GIS应用领域、决策支持、系统规划、系统实现,GIS发展趋势
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二,GIS基本内容 ——（ 2）
GIS教学大纲
一、概论
GIS定义与历史、作为商品的数据与信息,GIS应用潜力
二,GIS制图与空间分析
空间数据类型、地理参考、地图投影、坐标变换、空间基本概念、点线面的基本
操作
三、计算机环境下的实现
不同层次信息的数字表达、数据模型、误差、矢量 /栅格讨论、计算机技术进展
四,GIS操作
硬件、数据存储媒介、处理器与处理环境、显示、生产系统举例
五,GIS应用
应用领域、全球尺度应用,GIS决策、项目管理、价格效益分析
六、机构问题
数据使用权、质量保证与标准、法律意义,GIS管理,GIS教育与培训
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二,GIS基本内容 ——（ 3）
? 计算机软件、硬件
? 空间数据获取
? 空间数据表达与数据结构
? 空间数据处理
? 空间数据管理
? 空间数据分析
? 空间数据的显示与可视化
? GIS应用
? GIS项目管理、开发、质量保证与标准化
? GIS教育与培训
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三,GIS的组成
——概论
系
统
软
件
系
统
硬
件
空间
数据 管理人员
和用户
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三,GIS的组成之一
——硬件（基本配置）
输入设备
专用设备
常规设备
GPS
全数字摄影
测量工作站
解析和数字
摄影测量仪器
遥感与遥感
图象处理系统
全站仪
扫描仪
数字化仪
键盘、鼠标
处理设备
工作站 服务器
硬盘阵列
存储设备
活动硬盘 光盘机 磁带机
输出设备
绘图仪
终端
打印机
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三,GIS的组成之一
——硬件（应用模式 1）
单机模式,
? 由基本外设、处理
设备和输出设备构
成
? 适用于小型 GIS建
设
? 数据传输与资源共
享不方便
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三,GIS的组成之一
——硬件（应用模式 2）
局域网模式,
? 部门或单位内部
GIS建设
? 专线连接
? 资源共享较方便
输 出 用户组 1
输 入
……
GIS中央
数据库与网管
Intranet
用户组 n
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三,GIS的组成之一
——硬件（应用模式 3）
广域网模式,
? 用户分布地域广
泛，不适合专线
连接
? 公共通讯连接
? 资源共享方便
? 局部范围为局域
网，通过若干通
道与广域网连接
输入
GIS中央
数据库
（服务器）
图象
处理系统
局域网
用户组
输出 多媒体 系统
用户 用户
主 干 网
Internet
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三,GIS的组成之二
——软件结构
操作系统
（系统调用、设备运行、网络等 ）
系统库
（编程语言、数学库等）
标准软件
（图形、数据库等）
GIS基本功能软件
GIS应用软件
用户界面
GIS软件
基础软件
系统软件
GIS
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三,GIS的组成之二
——软件（系统软件）
系统软件主要是计算机的操作系统
以及各种标准外设的驱动软件，目前流
行的有 DOS,Windows98/Nnt/2000/XP、
UNIX等。系统软件关系到 GIS软件和开
发语言使用的有效性，是 GIS软硬件环境
的重要组成部分。
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三,GIS的组成之二
——软件（基础软件）
?数据库软件
用来管理空间数据，包括图形数据和属性数
据。流行数据库软件主要有 Oracle,Sybase、
Informix,DB2,SQL Server,Ingress等。目前 GIS
软件中采用商用数据库管理属性数据，一个有发
展前景的模型是面向对象数据模型，可实现图形
和属性数据的联合管理。
?图形平台
某些 GIS软件中图形处理平台。如 AutoDesk公
司开发的基于 AutoCAD的 AutoMap GIS软件、
Intergraph公司的基于 MicroStation的 MGE GIS软件
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三,GIS的组成之二
——软件（ GIS软件）
空间数据输入
与转换
空间数据库
管理系统
图形与属性
数据编辑
制图
与输出
空间查询
与分析
GIS
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GIS软件 （类型）
?专业 GIS（ Professional GIS）
?桌面 GIS（ Desktop GIS）
?手持 GIS（ Hand-Held GIS）
?组件 GIS（ Component GIS）
?GIS Viewer
?网络 GIS（ Internet GIS）
?其它（基于 CAD的 GIS）
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GIS软件 （主要 GIS软件）
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三,GIS的组成之三
——地理 空间数据
? GIS的操作对象为 空间数据
? 空间数据特征,
几何、属性、时间数据；
? 空间数据组织,
矢量结构、栅格结构；
? 空间数据管理,
几何数据：文件
属性数据：关系数据库
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数据采集在 GIS中的地位
汽油 数据
以数据为处理线索
硬件 ∶ 软件 ∶ 数据 = 1∶ 2 ∶ 7
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GIS数据：内容
?数字线化数据
地形测图思想：点、线、面
?影象数据
?数据源丰富
?生产效率高
?直观详细记录地表自然现象
?数字高程模型
?属性数据
?是什么，判读和考察
?详细描述信息
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GIS数据：特征
?空间特征
?GIS独有的数据类型
?刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征
?表示：绝对描述 —坐标（直角坐标、经纬度）
相对描述 —空间关系
?专题特征
除空间特征、时间特征外的其它特征
?时间特征
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GIS的数据来源 —分类表
第一手数据 第二手数据
非电子数据
电子数据
全站仪,GPS数据
地球物理、地球化学
遥感数据
地图
专题地图
统计图表
平板测量数据
工程测量数据
笔记
航空、遥感相片
人口普查
社会经济调查
各种统计资料
已建各种数据库
GIS数据
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GIS的数据来源 —特点
统计数据
地图
存储介质、现势性、投影转换
遥感、航空影象和数据
分辨率、变形规律、纠正、解译特征
地面测量
数字数据
格式、精度
多媒体，辅助
GIS空间分析
和查询
GIS
空间数据
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数据内容与相应设备
地图
地面测量数据
统计资料
航空、遥感
数字数据
多媒体
坐标几何
数字化仪
扫描仪
摄影测量
键盘
空间
数据库 编辑处理
数据交换
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三,GIS的组成之四
——管理人员 和用户
咨
询
管
理
信息管
理
数据整
理
? GIS的开发是以人为本的系
统工程。
? 业务素质与专业知识是 GIS
工程及应用成功的关键。
? 不但对 GIS的技术和功能有
足够的了解，而且要具备组
织管理的能力。
? 技术培训、硬件维护与更新、
系统升级、数据更新、文档
管理、数据共享建设等。
? 不同领域、不同级别的用户
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四,GIS的功能
——基本功能（ 核心问题 ）
?位置（ Locations）
?条件（ Conditions）
?趋势（ Trends）
?模式（ Patterns）
?模型（ Models）
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四,GIS的功能
——基本功能 之 位置
? 某个特定位
置有什么？
? 通过地理空
间几何位置
查属性
? 例：某地属
性的查询
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四,GIS的功能
——基本功能 之 条件
? 满足给定条
件的地理对
象分布
? 由属性查位
置和分布
? 例：森林分
布状况
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四,GIS的功能
——基本功能 之 趋势
? 地理对象随时
间的变化
? 例：人口变化
趋势、耕地面
积变化的趋势
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四,GIS的功能
——基本功能 之 模式
? 空间对象的
分布模式问
题
? 揭示空间对
象的空间关
系
? 例：商业服
务竞争、人
才需求状况
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四,GIS的功能
——基本功能 之 模型
? 解决问题方案
? 基于模型的规
划、方案设计
和项目预测
? 例：公园选址、
坝址选定、房
地产价格预测
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四,GIS的功能
——基本功能 的 实现
文件图表 数据获取 原始数据
存储检索
空间查询
空间分析
数据编辑
投影变换
数据输出
制图、表格
交互展示
结构化数据
空间
数据库
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四,GIS的功能
——功能实现 之 数据获取
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数据获取 数据入库
目的：保证数据在入库时在内容上的完整性,逻辑上的一致性。
方法,数据编辑与处理、错误修正,
数据格式转化：矢量、栅格转化，不同数据格式转化；
数据比例转化：平移、旋转、比例、纠正
投影变换：投影方式
数据概化：平滑、特征集结
数据重构：几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构）
地理编码：拓扑结构
四,GIS的功能
——功能实现 之 数据编辑变换与处理
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数据编辑内容与方法
? 空间数据编辑的必要性
– 修正数据输入错误
– 维护数据的完整性和一致性
– 更新地理信息
? 空间数据编辑内容
– 数据不完整、重复
– 空间数据位置不正确
– 空间数据比例尺不准确
– 空间数据变形
– 几何和属性连接有误
– 属性数据不完整
? 主要方法
– 叠合比较法
– 目视检查法
– 逻辑检查法
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数据预处理
? 目的
– 数据集成
– 在数据类型、坐标系、数据结构上满足 GIS要求
– 专题的分层数据
? 地理数据结构化
– 拓扑编码
– 空间索引
? 数据格式转换
? 数据压缩
? 误差探测
? 边界匹配
? 数据纠正
? 投影转换
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数据格式转换
?数据结构转换
– 相同数据结构的不同组织形式转换
?矢量拓扑结构变换
?栅格数据转换
– 不同数据结构转换
?矢量到栅格
?栅格到矢量
?不同介质转换
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四,GIS的功能
——功能实现 之 数据组织与管理
? 数据的集成过程
几何数据与属性数据组织
? 数据结构
矢量结构、栅格结构、栅格 /矢量结构
决定着 GIS的数据分析能力、效率和精度
?数据管理
层次模型、网络模型,关系模型
混合管理模式
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四,GIS的功能
——功能实现 之 检索与分析
空间检索
空间分析
空间分析
地形分析
网络分析
缓冲区分析
几何量测
地图分析
叠置分析
统计分析
决策分析
位置查询
属性查询
拓扑查询
空间查询
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四,GIS的功能
——功能实现 之 数据输出
? 数据交换
? 统计表格
? 制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图
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四,GIS的功能
——功能实现 之 用户界面
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四,GIS的功能
——功能实现 之 二次开发
?GIS的空间分析技术与手段是有限的，
而实际应用模型是无可枚举的，任何
GIS都应提供二次开发工具。
?定制菜单、程序与可视化界面等
?GIS二次开发环境,
专用工具：如 Arc/Info的 AML语言；
通用语言：如 VC++,VB,Delphi等
组件开发：如 MapInfo的 MapX；
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51 五,GIS的特征与相关学科
—— 相关学科（ 1）
地理学
遥感
制图学
CAD与
计算机图形学
测量与摄影测量
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五,GIS的特征与相关学科
—— 相关学科（ 2）
地理学
地图制图学
数据库理论
机助设计
软件工程
人工智能
城市规划
测量学
摄影测量
遥感
地理学
计算机科学
信息科学
资源管理
GIS
GIS的相关学科技术
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征
? GIS与计算机辅助设计 CAD
? GIS与数据库管理系统（ DBMS）
? GIS与管理信息系统（ MIS）
? GIS与遥感信息处理系统（ RS）
? GIS与机助制图系统、地图数据库
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 1）
GIS与 CAD
1,坐标参考系统
2,处理图形、非图形数据
3,对空间对象的空间相关关系建立和处理
? CAD不能建立地理坐标系统和完成地理坐标变换；
? CAD处理多为规则图形，而 GIS为非几何图形；
? CAD图形功能强而属性处理能力弱,GIS图形与属
性的操作比较频繁，且专业化特征比较强；
? GIS的数据量比 CAD大得多，数据结构、数据类型
复 杂，数据之间联系紧密；
? CAD不具备地理意义上的查询和分析能力；
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 2）
GIS与 MIS
1,对属性数据进行管理和处理
2,对图形数据进行存储
? GIS对图形和属性数据共同管理、分析和应用；
? MIS一般只处理属性数据，对图形数据以文件形式
进行管理，图形要素不能分解、查询，图形与数据
之间没有联系；
? 管理地图和地理信息的 MIS不一定就是 GIS,MIS在
概念上更接近 DBMS。
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 3）
GIS与 RS处理系统
? 遥感数据是 GIS的重要信息源。经过遥感信息系统处理的遥感
信息，或进入 GIS系统作为制图的背静图象，或是与经过分类
的信息协同 GIS与遥感的集成分析。
? 遥感图象信息处理系统是专门用于对遥感数据进行处理的软件，
主要强调对遥感数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取，
具有较强的制图功能，可设计丰富的符号和注记，虽有空间叠
置分析空能，但由于缺少实体空间关系的描述，难以进行空间
实体的空间关系查询、属性查询及网络分析等。
? 遥感图象处理系统不能看作是 GIS。
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 4）
GIS与机助制图系统、地图数据库
1,GIS的主要技术基础
? 强调空间数据的处理、显示与表达
? 空间分析能力
2,GIS包含数字制图系统的全部功能
? 地图数据库若空间分析能力较强，可升格为
GIS，而 GIS若空间分析能力较弱，则退化
为地图数据库。
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58 六,GIS应用领域
——测绘与地图制图
? 地理信息系统技术源于机助制图 。 地理信息系统
（ GIS） 技术与遥感 （ RS）, 全球定位系统 （ GPS）
技术在测绘界的广泛应用, 为测绘与地图制图带来
了一场革命性的变化 。
? 集中体现在：地图数据获取与成图的技术流程发
生的根本的改变；地图的成图周期大大缩短；地图
成图精度大幅度提高；地图的品种大大丰富 。 数字
地图, 网络地图, 电子地图等一批崭新的地图形式
为广大用户带来了巨大的应用便利 。 测绘与地图制
图进入了一个崭新的时代 。
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59 六,GIS应用领域
——国土资源勘察与管理
? 资源清查是地理信息系统最基本的职能, 这时系
统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起, 并
通过系统的统计和覆盖分析功能, 按多种边界和属
性条件, 提供区域多种条件组合形式的资源统计和
进行原始数据的快速再现 。
? 以土地利用类型为例, 可以输出不同土地利用类
型的分布和面积, 按不同高程带划分的土地利用类
型, 不同坡度区内的土地利用现状, 以及不同时期
的土地利用变化等, 为资源的合理利用, 开发和科
学管理提供依据 。
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60 六,GIS应用领域
——城乡规划与管理
城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特
点的问题, 它涉及资源, 环境, 人口, 交通, 经济,
教育, 文化和金融等多个地理变量和大量数据 。 地
理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归
并到统一系统中, 最后进行城市与区域多目标的开
发和规划, 包括城镇总体规划, 城市建设用地适宜
性评价, 环境质量评价, 道路交通规划, 公共设施
配置, 以及城市环境的动态监测等 。 这些规划功能
的实现, 是以地理信息系统的空间搜索方法, 多种
信息的叠加处理和一系列分析软件 (回归分析, 投入
产出计算, 模糊加权评价, 0-l规划模型, 系统动力
学模型等 )加以保证的 。
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61 六,GIS应用领域
——灾害监测与预报
? 利用地理信息系统, 借助遥感遥测的数据, 可以有效地用于
森林火灾的预测预报, 洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算,
为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息 。 1994年的美国洛
杉机大地震, 就是利用 ARC／ INFO进行灾后应急响应决策支
持, 成为大都市利用 GIS技术建立防震减灾系统的成功范例 。
? 据我国大兴安岭地区的研究, 通过普查分析森林火灾实况,
统计分析十几万个气象数据, 从中筛选出气温, 风速, 降水,
温度等气象要素, 春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等 14
个因子, 用模糊数学方法建立数学模型, 建立微机信息系统的
多因子的综合指标森林火险预报方法, 对预报火险等级的准确
率可达 73%以上 。
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62 六,GIS应用领域
——环境保护
? 利用 GIS技术建立城市环境监测, 分析及预报信
息系统；为实现环境监测与管理的科学化自动化提
供最基本的条件；
? 在区域环境质量现状评价过程中, 利用 GIS技术
的辅助, 实现对整个区域的环境质量进行客观地,
全面地评价, 以反映出区域中受污染的程度以及空
间分布状态；
? 在野生动植物保护中的应用, 采用 GIS空间分析
功能, 帮助世界珍稀动物改变它们濒于灭种的境地 。
2012年 3月 20日星期二
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63 六,GIS应用领域
——军事与国防
? 现代战争的一个基本特点就是, 三 S”技术被广泛
地运用到从战略构思到战术安排的各个环节 。 它往
往一定程度上决定了战争的成败 。
? 如海湾战争期间, 美国国防制图局为战争的需要
在工作站上建立了 GIS与遥感的集成系统, 它能用自
动影像匹配和自动目标识别技术, 处理卫星和高空
侦察机实时获得的战场数字影像, 及时地将反映战
场现状的正射影影像叠加到数字地图上, 数据直接
传送到海湾前线指挥部和五角大楼, 为军事决策提
供 24小时的实时服务 。
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64 六,GIS应用领域
——宏观决策支持
? 地理信息系统利用拥有的数据库, 通过一系列决
策模型的构建和比较分析, 为国家宏观决策提供依
据 。
? 例如系统支持下的土地承载力的研究, 可以解决
土地资源与人口容量的规划 。 我国在三峡地区研究
中, 通过利用地理信息系统和机助制图的方法, 建
立环境监测系统, 为三峡宏观决策提供了建库前后
环境变化的数量, 速度和演变趋势等可靠的数据 。
? 国务院国情地理信息系统的建立与应用 。
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65 六,GIS应用领域
——数字城市与 3S集成
? 全球定位系统 （ GPS）, 遥感 （ RS） 和地理信息
系统 （ GIS） 是建立数字城市的三大支撑技术, 也是
核心技术之一 。
? 这三大技术工具各具特色, 数字城市需要综合运
用这三大技术的特长, 方可形成和提供所需的对地
观测, 信息处理和分析模拟的能力 。
? 3S一体化的模式可分为三种体系结构：对称型体
系结构；表面无缝的体系结构；整体柔和型体系结
构；其中整体柔和型体系结构将是 3S一体化的最高
级形式, 也是 3S一体化技术的最终发展定位 。
2012年 3月 20日星期二
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66
地理信息系统 GIS及其应用
总之, 地理信息系统正越来越成为国民经济各有
关领域必不可少的应用工具, 相信它的不断成熟与
完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献 。
谢谢 ！
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地理信息系统 GIS
Geographic Information System
合肥工业大学土建学院
高 飞
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2 地理信息系统 GIS建库
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3
什么是地理信息系统 — GIS
? GIS的概念框架
GIS的定义、理解和框架体系结构
? GIS的基本内容
GIS技术涉及的基本内容
? GIS的组成
硬件、软件、空间数据、管理人员
? GIS的功能
基本要求、具体功能：数据采集、传输、管理和应用
? GIS的特性与相关学科
GIS的学科树,GIS与相关系统区别和联系
? GIS的应用领域
GIS应用与 3S集成技术
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4
一,GIS的概念框架
——GIS起源
?1963年，加拿大测量学家 R.F.Tomlinson首先
提出了 地理信息系统 这一术语，并建立了世
界上第一个实用的地理信息系统 ——加拿大
地理信息系统（ CGIS）,用于自然资源的
管理和规划。
?我国地理信息系统方面的工作自 80年代初开
始。以 1980年中国科学院遥感应用研究所成
立全国第一个地理信息系统研究室为标志。
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5
一,GIS的概念框架
GIS定义 ——定义类型
?面向功能的定义,GIS是采集、存储、检查、操作、
分析和显示地理数据的系统。
?面向工具箱定义,GIS是一组用来输入、存储、查
询、变换和显示空间数据的工具的集合。
这种定义强调 GIS提供的用于处理地理数据的工具。
?面向数据库定义,GIS是这样一类数据库系统，它
的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的
操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。
?面向专题应用定义,根据 GIS应用领域的不同，将
GIS分为各类应用系统。
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一,GIS的概念框架
——GIS定义（ 1）
GIS是由计算机硬件、软件和不
同方法组成的系统，该系统设计用来
支持空间数据采集、管理、处理、分
析、建模和显示，以便解决复杂的规
划和管理问题。
— 美国联邦数字地图协调委员会（ FICCDC）
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一,GIS的概念框架
——GIS定义 （ 2）
?GIS 是在电子计算机软件和硬件的支持下，
运用信息科学、管理科学，对空间地理信
息进行综合处理、分析和应用的信息系统。
?GIS
——Geographic Information System
?GIS是计算机科学、地理学、测绘学、地
图学等多门学科综合技术应用的一门边缘
学科
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一,GIS的概念框架
——GIS定义 框架
用户界面
系统和数据库管理
产品生成
产品输出
空间数据处理
空间数据分析
数据输入
数据库建立
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一,GIS的概念框架
——对 GIS的理解（ 1）
?GIS的物理外壳是计算机的技术系统
数据采集系统、数据管理系统、数据处理和分
析系统、可视化表达与输出系统等组成，影响着 GIS
硬件平台、系统效率和功能、数据处理方式和产品
类型。
?GIS的操作对象是空间数据
地理数据 —属性数据、几何数据、时间数据。
GIS能 对空间数据 进行有效 管理，是 GIS区别于其它
信息系统的根本标志，也是技术难点之一。
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10
一,GIS的概念框架
——对 GIS的理解（ 2）
?GIS的技术优势在于它的空间分析能力
GIS独特的地理空间分析能力、快速的空间定位
搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空
间模拟和空间决策支持等，可产生常规方法难以获得
的重要信息，这是 GIS的重要贡献。
?GIS与地理学、测绘学联系紧密
地理学是 GIS的理论依托，为 GIS提供有关空间
分析的基本观点和方法。测绘学为 GIS提供各种定位
数据，其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处
理。
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一,GIS的概念框架
——GIS在信息系统中的位置
信息系统 非空间信息系统
专题地理
信息系统
地理信息系统
非地理信息系统
管理信息系统
综合地理
信息系统
CAD/CAM 空间信息系统
地籍 GIS
交通 GIS
资源与环境 GIS
规划与管理 GIS
数据模型
矢量 GIS 栅格 GIS 矢 -栅 GIS
研究范围
全球 GIS
区域 GIS
研究内容
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二, GIS基本内容 ——（ 1）
美国地理信息与分析中心 GIS教学大纲
一、概论
引言、硬 /软件、栅格 GIS、数据获取、空间数据性质、空间现象及
关系,GIS功能、栅格 /矢量数据模型对比与相关问题
二,GIS技术问题
坐标系统与地理编码、矢量数据结构与算法、栅格数据存储、关于
地表的数据结构及其算法、客体与时间、数据库、误差模拟与不确定性、
可视化技术
三,GIS应用
GIS应用领域、决策支持、系统规划、系统实现,GIS发展趋势
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二,GIS基本内容 ——（ 2）
GIS教学大纲
一、概论
GIS定义与历史、作为商品的数据与信息,GIS应用潜力
二,GIS制图与空间分析
空间数据类型、地理参考、地图投影、坐标变换、空间基本概念、点线面的基本
操作
三、计算机环境下的实现
不同层次信息的数字表达、数据模型、误差、矢量 /栅格讨论、计算机技术进展
四,GIS操作
硬件、数据存储媒介、处理器与处理环境、显示、生产系统举例
五,GIS应用
应用领域、全球尺度应用,GIS决策、项目管理、价格效益分析
六、机构问题
数据使用权、质量保证与标准、法律意义,GIS管理,GIS教育与培训
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二,GIS基本内容 ——（ 3）
? 计算机软件、硬件
? 空间数据获取
? 空间数据表达与数据结构
? 空间数据处理
? 空间数据管理
? 空间数据分析
? 空间数据的显示与可视化
? GIS应用
? GIS项目管理、开发、质量保证与标准化
? GIS教育与培训
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三,GIS的组成
——概论
系
统
软
件
系
统
硬
件
空间
数据 管理人员
和用户
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三,GIS的组成之一
——硬件（基本配置）
输入设备
专用设备
常规设备
GPS
全数字摄影
测量工作站
解析和数字
摄影测量仪器
遥感与遥感
图象处理系统
全站仪
扫描仪
数字化仪
键盘、鼠标
处理设备
工作站 服务器
硬盘阵列
存储设备
活动硬盘 光盘机 磁带机
输出设备
绘图仪
终端
打印机
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三,GIS的组成之一
——硬件（应用模式 1）
单机模式,
? 由基本外设、处理
设备和输出设备构
成
? 适用于小型 GIS建
设
? 数据传输与资源共
享不方便
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三,GIS的组成之一
——硬件（应用模式 2）
局域网模式,
? 部门或单位内部
GIS建设
? 专线连接
? 资源共享较方便
输 出 用户组 1
输 入
……
GIS中央
数据库与网管
Intranet
用户组 n
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三,GIS的组成之一
——硬件（应用模式 3）
广域网模式,
? 用户分布地域广
泛，不适合专线
连接
? 公共通讯连接
? 资源共享方便
? 局部范围为局域
网，通过若干通
道与广域网连接
输入
GIS中央
数据库
（服务器）
图象
处理系统
局域网
用户组
输出 多媒体 系统
用户 用户
主 干 网
Internet
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三,GIS的组成之二
——软件结构
操作系统
（系统调用、设备运行、网络等 ）
系统库
（编程语言、数学库等）
标准软件
（图形、数据库等）
GIS基本功能软件
GIS应用软件
用户界面
GIS软件
基础软件
系统软件
GIS
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三,GIS的组成之二
——软件（系统软件）
系统软件主要是计算机的操作系统
以及各种标准外设的驱动软件，目前流
行的有 DOS,Windows98/Nnt/2000/XP、
UNIX等。系统软件关系到 GIS软件和开
发语言使用的有效性，是 GIS软硬件环境
的重要组成部分。
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三,GIS的组成之二
——软件（基础软件）
?数据库软件
用来管理空间数据，包括图形数据和属性数
据。流行数据库软件主要有 Oracle,Sybase、
Informix,DB2,SQL Server,Ingress等。目前 GIS
软件中采用商用数据库管理属性数据，一个有发
展前景的模型是面向对象数据模型，可实现图形
和属性数据的联合管理。
?图形平台
某些 GIS软件中图形处理平台。如 AutoDesk公
司开发的基于 AutoCAD的 AutoMap GIS软件、
Intergraph公司的基于 MicroStation的 MGE GIS软件
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三,GIS的组成之二
——软件（ GIS软件）
空间数据输入
与转换
空间数据库
管理系统
图形与属性
数据编辑
制图
与输出
空间查询
与分析
GIS
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GIS软件 （类型）
?专业 GIS（ Professional GIS）
?桌面 GIS（ Desktop GIS）
?手持 GIS（ Hand-Held GIS）
?组件 GIS（ Component GIS）
?GIS Viewer
?网络 GIS（ Internet GIS）
?其它（基于 CAD的 GIS）
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GIS软件 （主要 GIS软件）
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三,GIS的组成之三
——地理 空间数据
? GIS的操作对象为 空间数据
? 空间数据特征,
几何、属性、时间数据；
? 空间数据组织,
矢量结构、栅格结构；
? 空间数据管理,
几何数据：文件
属性数据：关系数据库
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数据采集在 GIS中的地位
汽油 数据
以数据为处理线索
硬件 ∶ 软件 ∶ 数据 = 1∶ 2 ∶ 7
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GIS数据：内容
?数字线化数据
地形测图思想：点、线、面
?影象数据
?数据源丰富
?生产效率高
?直观详细记录地表自然现象
?数字高程模型
?属性数据
?是什么，判读和考察
?详细描述信息
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GIS数据：特征
?空间特征
?GIS独有的数据类型
?刻画空间对象的位置、形状和大小等几何特征
?表示：绝对描述 —坐标（直角坐标、经纬度）
相对描述 —空间关系
?专题特征
除空间特征、时间特征外的其它特征
?时间特征
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GIS的数据来源 —分类表
第一手数据 第二手数据
非电子数据
电子数据
全站仪,GPS数据
地球物理、地球化学
遥感数据
地图
专题地图
统计图表
平板测量数据
工程测量数据
笔记
航空、遥感相片
人口普查
社会经济调查
各种统计资料
已建各种数据库
GIS数据
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GIS的数据来源 —特点
统计数据
地图
存储介质、现势性、投影转换
遥感、航空影象和数据
分辨率、变形规律、纠正、解译特征
地面测量
数字数据
格式、精度
多媒体，辅助
GIS空间分析
和查询
GIS
空间数据
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数据内容与相应设备
地图
地面测量数据
统计资料
航空、遥感
数字数据
多媒体
坐标几何
数字化仪
扫描仪
摄影测量
键盘
空间
数据库 编辑处理
数据交换
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33
三,GIS的组成之四
——管理人员 和用户
咨
询
管
理
信息管
理
数据整
理
? GIS的开发是以人为本的系
统工程。
? 业务素质与专业知识是 GIS
工程及应用成功的关键。
? 不但对 GIS的技术和功能有
足够的了解，而且要具备组
织管理的能力。
? 技术培训、硬件维护与更新、
系统升级、数据更新、文档
管理、数据共享建设等。
? 不同领域、不同级别的用户
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四,GIS的功能
——基本功能（ 核心问题 ）
?位置（ Locations）
?条件（ Conditions）
?趋势（ Trends）
?模式（ Patterns）
?模型（ Models）
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四,GIS的功能
——基本功能 之 位置
? 某个特定位
置有什么？
? 通过地理空
间几何位置
查属性
? 例：某地属
性的查询
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四,GIS的功能
——基本功能 之 条件
? 满足给定条
件的地理对
象分布
? 由属性查位
置和分布
? 例：森林分
布状况
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四,GIS的功能
——基本功能 之 趋势
? 地理对象随时
间的变化
? 例：人口变化
趋势、耕地面
积变化的趋势
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四,GIS的功能
——基本功能 之 模式
? 空间对象的
分布模式问
题
? 揭示空间对
象的空间关
系
? 例：商业服
务竞争、人
才需求状况
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四,GIS的功能
——基本功能 之 模型
? 解决问题方案
? 基于模型的规
划、方案设计
和项目预测
? 例：公园选址、
坝址选定、房
地产价格预测
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四,GIS的功能
——基本功能 的 实现
文件图表 数据获取 原始数据
存储检索
空间查询
空间分析
数据编辑
投影变换
数据输出
制图、表格
交互展示
结构化数据
空间
数据库
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四,GIS的功能
——功能实现 之 数据获取
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数据获取 数据入库
目的：保证数据在入库时在内容上的完整性,逻辑上的一致性。
方法,数据编辑与处理、错误修正,
数据格式转化：矢量、栅格转化，不同数据格式转化；
数据比例转化：平移、旋转、比例、纠正
投影变换：投影方式
数据概化：平滑、特征集结
数据重构：几何形态变换（拼接、截取、压缩、结构）
地理编码：拓扑结构
四,GIS的功能
——功能实现 之 数据编辑变换与处理
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数据编辑内容与方法
? 空间数据编辑的必要性
– 修正数据输入错误
– 维护数据的完整性和一致性
– 更新地理信息
? 空间数据编辑内容
– 数据不完整、重复
– 空间数据位置不正确
– 空间数据比例尺不准确
– 空间数据变形
– 几何和属性连接有误
– 属性数据不完整
? 主要方法
– 叠合比较法
– 目视检查法
– 逻辑检查法
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数据预处理
? 目的
– 数据集成
– 在数据类型、坐标系、数据结构上满足 GIS要求
– 专题的分层数据
? 地理数据结构化
– 拓扑编码
– 空间索引
? 数据格式转换
? 数据压缩
? 误差探测
? 边界匹配
? 数据纠正
? 投影转换
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数据格式转换
?数据结构转换
– 相同数据结构的不同组织形式转换
?矢量拓扑结构变换
?栅格数据转换
– 不同数据结构转换
?矢量到栅格
?栅格到矢量
?不同介质转换
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四,GIS的功能
——功能实现 之 数据组织与管理
? 数据的集成过程
几何数据与属性数据组织
? 数据结构
矢量结构、栅格结构、栅格 /矢量结构
决定着 GIS的数据分析能力、效率和精度
?数据管理
层次模型、网络模型,关系模型
混合管理模式
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四,GIS的功能
——功能实现 之 检索与分析
空间检索
空间分析
空间分析
地形分析
网络分析
缓冲区分析
几何量测
地图分析
叠置分析
统计分析
决策分析
位置查询
属性查询
拓扑查询
空间查询
2012年 3月 20日星期二
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四,GIS的功能
——功能实现 之 数据输出
? 数据交换
? 统计表格
? 制图：专题地图、影象地图、统计地图、地形图
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四,GIS的功能
——功能实现 之 用户界面
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四,GIS的功能
——功能实现 之 二次开发
?GIS的空间分析技术与手段是有限的，
而实际应用模型是无可枚举的，任何
GIS都应提供二次开发工具。
?定制菜单、程序与可视化界面等
?GIS二次开发环境,
专用工具：如 Arc/Info的 AML语言；
通用语言：如 VC++,VB,Delphi等
组件开发：如 MapInfo的 MapX；
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51 五,GIS的特征与相关学科
—— 相关学科（ 1）
地理学
遥感
制图学
CAD与
计算机图形学
测量与摄影测量
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五,GIS的特征与相关学科
—— 相关学科（ 2）
地理学
地图制图学
数据库理论
机助设计
软件工程
人工智能
城市规划
测量学
摄影测量
遥感
地理学
计算机科学
信息科学
资源管理
GIS
GIS的相关学科技术
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征
? GIS与计算机辅助设计 CAD
? GIS与数据库管理系统（ DBMS）
? GIS与管理信息系统（ MIS）
? GIS与遥感信息处理系统（ RS）
? GIS与机助制图系统、地图数据库
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 1）
GIS与 CAD
1,坐标参考系统
2,处理图形、非图形数据
3,对空间对象的空间相关关系建立和处理
? CAD不能建立地理坐标系统和完成地理坐标变换；
? CAD处理多为规则图形，而 GIS为非几何图形；
? CAD图形功能强而属性处理能力弱,GIS图形与属
性的操作比较频繁，且专业化特征比较强；
? GIS的数据量比 CAD大得多，数据结构、数据类型
复 杂，数据之间联系紧密；
? CAD不具备地理意义上的查询和分析能力；
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 2）
GIS与 MIS
1,对属性数据进行管理和处理
2,对图形数据进行存储
? GIS对图形和属性数据共同管理、分析和应用；
? MIS一般只处理属性数据，对图形数据以文件形式
进行管理，图形要素不能分解、查询，图形与数据
之间没有联系；
? 管理地图和地理信息的 MIS不一定就是 GIS,MIS在
概念上更接近 DBMS。
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 3）
GIS与 RS处理系统
? 遥感数据是 GIS的重要信息源。经过遥感信息系统处理的遥感
信息，或进入 GIS系统作为制图的背静图象，或是与经过分类
的信息协同 GIS与遥感的集成分析。
? 遥感图象信息处理系统是专门用于对遥感数据进行处理的软件，
主要强调对遥感数据的几何处理、灰度处理和专题信息提取，
具有较强的制图功能，可设计丰富的符号和注记，虽有空间叠
置分析空能，但由于缺少实体空间关系的描述，难以进行空间
实体的空间关系查询、属性查询及网络分析等。
? 遥感图象处理系统不能看作是 GIS。
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五,GIS特征与相关学科
—— 特征（续 4）
GIS与机助制图系统、地图数据库
1,GIS的主要技术基础
? 强调空间数据的处理、显示与表达
? 空间分析能力
2,GIS包含数字制图系统的全部功能
? 地图数据库若空间分析能力较强，可升格为
GIS，而 GIS若空间分析能力较弱，则退化
为地图数据库。
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58 六,GIS应用领域
——测绘与地图制图
? 地理信息系统技术源于机助制图 。 地理信息系统
（ GIS） 技术与遥感 （ RS）, 全球定位系统 （ GPS）
技术在测绘界的广泛应用, 为测绘与地图制图带来
了一场革命性的变化 。
? 集中体现在：地图数据获取与成图的技术流程发
生的根本的改变；地图的成图周期大大缩短；地图
成图精度大幅度提高；地图的品种大大丰富 。 数字
地图, 网络地图, 电子地图等一批崭新的地图形式
为广大用户带来了巨大的应用便利 。 测绘与地图制
图进入了一个崭新的时代 。
2012年 3月 20日星期二
合肥工业大学
土建学院测量工程系
59 六,GIS应用领域
——国土资源勘察与管理
? 资源清查是地理信息系统最基本的职能, 这时系
统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起, 并
通过系统的统计和覆盖分析功能, 按多种边界和属
性条件, 提供区域多种条件组合形式的资源统计和
进行原始数据的快速再现 。
? 以土地利用类型为例, 可以输出不同土地利用类
型的分布和面积, 按不同高程带划分的土地利用类
型, 不同坡度区内的土地利用现状, 以及不同时期
的土地利用变化等, 为资源的合理利用, 开发和科
学管理提供依据 。
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60 六,GIS应用领域
——城乡规划与管理
城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特
点的问题, 它涉及资源, 环境, 人口, 交通, 经济,
教育, 文化和金融等多个地理变量和大量数据 。 地
理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归
并到统一系统中, 最后进行城市与区域多目标的开
发和规划, 包括城镇总体规划, 城市建设用地适宜
性评价, 环境质量评价, 道路交通规划, 公共设施
配置, 以及城市环境的动态监测等 。 这些规划功能
的实现, 是以地理信息系统的空间搜索方法, 多种
信息的叠加处理和一系列分析软件 (回归分析, 投入
产出计算, 模糊加权评价, 0-l规划模型, 系统动力
学模型等 )加以保证的 。
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61 六,GIS应用领域
——灾害监测与预报
? 利用地理信息系统, 借助遥感遥测的数据, 可以有效地用于
森林火灾的预测预报, 洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算,
为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息 。 1994年的美国洛
杉机大地震, 就是利用 ARC／ INFO进行灾后应急响应决策支
持, 成为大都市利用 GIS技术建立防震减灾系统的成功范例 。
? 据我国大兴安岭地区的研究, 通过普查分析森林火灾实况,
统计分析十几万个气象数据, 从中筛选出气温, 风速, 降水,
温度等气象要素, 春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等 14
个因子, 用模糊数学方法建立数学模型, 建立微机信息系统的
多因子的综合指标森林火险预报方法, 对预报火险等级的准确
率可达 73%以上 。
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62 六,GIS应用领域
——环境保护
? 利用 GIS技术建立城市环境监测, 分析及预报信
息系统；为实现环境监测与管理的科学化自动化提
供最基本的条件；
? 在区域环境质量现状评价过程中, 利用 GIS技术
的辅助, 实现对整个区域的环境质量进行客观地,
全面地评价, 以反映出区域中受污染的程度以及空
间分布状态；
? 在野生动植物保护中的应用, 采用 GIS空间分析
功能, 帮助世界珍稀动物改变它们濒于灭种的境地 。
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63 六,GIS应用领域
——军事与国防
? 现代战争的一个基本特点就是, 三 S”技术被广泛
地运用到从战略构思到战术安排的各个环节 。 它往
往一定程度上决定了战争的成败 。
? 如海湾战争期间, 美国国防制图局为战争的需要
在工作站上建立了 GIS与遥感的集成系统, 它能用自
动影像匹配和自动目标识别技术, 处理卫星和高空
侦察机实时获得的战场数字影像, 及时地将反映战
场现状的正射影影像叠加到数字地图上, 数据直接
传送到海湾前线指挥部和五角大楼, 为军事决策提
供 24小时的实时服务 。
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64 六,GIS应用领域
——宏观决策支持
? 地理信息系统利用拥有的数据库, 通过一系列决
策模型的构建和比较分析, 为国家宏观决策提供依
据 。
? 例如系统支持下的土地承载力的研究, 可以解决
土地资源与人口容量的规划 。 我国在三峡地区研究
中, 通过利用地理信息系统和机助制图的方法, 建
立环境监测系统, 为三峡宏观决策提供了建库前后
环境变化的数量, 速度和演变趋势等可靠的数据 。
? 国务院国情地理信息系统的建立与应用 。
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65 六,GIS应用领域
——数字城市与 3S集成
? 全球定位系统 （ GPS）, 遥感 （ RS） 和地理信息
系统 （ GIS） 是建立数字城市的三大支撑技术, 也是
核心技术之一 。
? 这三大技术工具各具特色, 数字城市需要综合运
用这三大技术的特长, 方可形成和提供所需的对地
观测, 信息处理和分析模拟的能力 。
? 3S一体化的模式可分为三种体系结构：对称型体
系结构；表面无缝的体系结构；整体柔和型体系结
构；其中整体柔和型体系结构将是 3S一体化的最高
级形式, 也是 3S一体化技术的最终发展定位 。
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地理信息系统 GIS及其应用
总之, 地理信息系统正越来越成为国民经济各有
关领域必不可少的应用工具, 相信它的不断成熟与
完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献 。
谢谢 ！
