西北大学城市与资源学系 谢元礼
地理信息系统
谢元礼
xieyuanli@sohu.com
西北大学城市与资源学系 GIS教研室
西北大学城市与资源学系 谢元礼
第
一
章
绪
论
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
西北大学城市与资源学系 谢元礼
第一节 基本概念
信息和数据
地理信息
地理信息的特征
信息系统
地理信息系统
地理信息系统的特征
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狭义信息论将信息定义,
– 为人们获得信息前后对事物认识的差别；
广义信息论将信息定义,
– 信息是指主体 (人、生物和机器 )与外部客体 (环境、其
它人、生物和机器 )之间相互联系的一种形式。是主体
和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征
的一种普遍形式。
本书定义：
信息是 用文字、数字、符号、语言、图像等介质来
表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，
从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事
实和知识,作为生产、建设、经营、管理、分析
和决策的依据。
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信息的特点：
? 信息的客观性,与客观事物紧密相联系的；
? 信息的适用性，信息对决策是十分重要；
? 信息的传输性。信息可以在信息发送者和接受者
之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备
(包括远程终端 )，和以一定形式提供给有关用户，
也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。
? 信息的共享性。信息与实物不同，它可以传输给
多个户，为多个用户共享，而其本身并无损失。
信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一
项重要资源。
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数据：（ Data)
通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的
符号，是用以载荷信息的物理符号，在计
算机化的地理信息系统中，数据的格式往
往和具体的计算机系统有关，随载荷它的
物理设备的形式而改变。
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数据的特点,
? 数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。
例如：,1”和,0”，当用来表示某一种实体在某个
地域 内存在与否时，它就提供了有 (1表示 )无 (0表
示 )的信息。
? 地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对
数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、
分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含
的信息。对同一数据每个人的解释可能不同，因
而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。
? 信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，
而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载
体。
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地理信息
地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态
的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征
与地理现象之间关系的地理数据的解释。
或者定义为：表征地理系统诸要素的数量、质量、
分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、
图像和图形等的总称 。
从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都
叫做地理信息。它脱胎于地图，它们都是地理信
息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功
能。
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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。
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什么是 GIS？
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。
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A Definition of GIS
? GIS is a System of computer software,
hardware and data,and personnel to
help manipulate,analyze and present
information that is tied to a spatial
location.
-- A method to visualize,manipulate,
analyze,and display spatial data
--,Smart Maps” linking a database to
the map
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What is NOT GIS
? GPS – Global Positioning System
? A static map – paper or digital
– Maps are often a,product” of a GIS
– A way to visualize the analysis
? A software package
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?北美、欧洲,Geographical Information System
?加拿大,Geomatigue
?中国,Resource and Environmental Information
System
?技术内涵,Geo-relational Information System
?信息科学,Spatial Information System
?应用类型,Natural Resources Information System
Land Information System
Transportation Geographical Information
System
?地学应用,GeoScience
?专业杂志,Geographical Information Science(英国 )
Geo-Information System （德国）
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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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地理信息系统的特点
? 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
? 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，
具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能
产生高层次的地理信息。
? 具有公共的地理定位基础，所有的地理要素，要按经纬度
或者特有的坐标系统进行严格的空间定位，才能使具有时
序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，
将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续
分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策。
? 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。
? 地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；
而其内涵确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，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。
信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行
和数据的交换来仿真。
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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。
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GIS与其它系统的区别
? GIS有别于 DBMS（数据库管理系统）,GIS具有以某种
选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简
单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，
因此,GIS是能对空间数据进行分析的 DBMS,GIS必须
包含 DBMS。
? GIS有别于 MIS（管理信息系统）,GIS要对图形数据和
属性数据库共同管理、分析和应用,GIS的软硬件设备要
复杂、系统功能要强； MIS则只有属性数据库的管理，即
使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、
查询、没有拓扑关系。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。
? GIS有别于地图数据库,地图数据库仅仅是将数字地图有
组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形
数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的
信息，它只是 GIS的一个数据源。
? GIS有别于 CAD系统,二者虽然都有参考系统，都能描述
图形，但 CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能
弱，更缺乏分析和判断能力。
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地理信息系统（ GIS）与管理信息系统（ MIS）
比较项目 GIS MIS
数据类型 有空间分布特性,由点、线、面及相互关系构成 主要为属性数据和统计分析数据
数据源 图形图像及地理特征属性 表格、统计数据、报表
输出结果 图形图像产品、统计报表、文字 报告、表格 表格、报表、报告
硬件配置
外设：数字化仪、扫描仪、绘图
仪、打印机、磁带机
主机：要求高档微机或工作站
打印机、键盘、一般微机
软件
要求高，价格昂贵 如：
ARC/INFO、微机版约 3.0万,工作
站版约 5-10万
要求低、便宜，标准规格统一，
如 ORACAL,FOXBASE 等
处理内容（采
用目的或分析
内容）
用于系统分析、检索、资源开发
利用或区域规划，地区综合治理，
环境监测，灾害预测预报
查询、检索、系统分析、办公管
理。如 OS
工作方式 人机对话，交互作用程度高 人为干预少
两者均以计算机为核心，数据量大而复杂（共同点）
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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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地
理
信
息
系
统
的
研
究
内
容
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本课程的教学目的和要求
? 掌握 GIS的概念，了解 GIS组成和基本功能；
概念框架、理解,GIS组成、基本功能
? 掌握 GIS的数据处理流程
采集、编辑、组织、管理、分析、输出；
? 熟悉 GIS空间分析基本技术和方法，具有用 GIS解
决本专业相关问题的能力；
? 了解 GIS的发展与趋势
通过该门课程的学习，使学生掌握地理信息系统的
基本原理、基本方法与常用 GIS软件的操作,为
GIS的开发应用打下理论基础。
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本课程教学内容
? 第一章 绪论（ 2学时）
? 第二章 空间信息基础（ 4 学时）
? 第三章 空间数据结构（ 4学时）
? 第四章 空间数据库（ 6学时）
? 第五章 空间数据采集与处理（ 4学时）
? 第六章 GIS空间分析原理与方法（ 14学时）
? 第七章 地理信息系统产品输出（ 2学时）
? 第八章 地理信息系统设计与标准化（ 14学时）
? 第九章 GIS新技术与数字地球简介 (2学时 )
? 总结全课程（ 2学时）
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主要参考文献
核心教材：
汤国安等，地理信息系统,2000，科学出版社
参考文献：
? 龚健雅 地理信息系统基础,2001，科学出版社
? 王家耀 空间信息系统原理,2001，科学出版社
? 乌伦等，地理信息系统 -原理、方法与应用,2001，北京
大学出版社
? 汤国安，计算机地学制图与分析,1994，西北大学出版社
? 汤国安等,ArcView地理信息系统空间分析方法,2002，
科学出版社
? 刘良明,ArcView基础教程,2001，测绘出版社
?, 测绘学报,,, 地理学报,,, 遥感学报,,, 武汉大
学学报（信息版）,,, 测绘通报,,, 中国图形图像学
报,,, 计算机辅助图形学报, 等相关期刊
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主要网站
? http://www.gischina.com/
? http://www.gisky.com/
? http://www.gisempire.com/
? http://www.digitalearth.net.cn/
? http://www.digitalearth.gov/
? http://www.othermap.com/
? http://www.honox.com/
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GIS课程特点
? 学科与技术的统一体
GIS是 一门学科,用以描述一切与地理（广义的地
理概念）相关的内容,GIS集空间数据采集、存储、管
理和分析于一体，是由计算机科学、测绘科学、遥感技
术、信息科学、管理科学和应用学科组成的新兴交叉边
缘学科。同时 GIS又是 一个技术系统,即以空间数据为
处理对象，以空间数据组织和处理为基础，采用地学模
型分析方法，及时提供多种空间地理信息和动态地理信
息，为研究环境过程、分析发展趋势、预估规划决策等
服务的计算机技术系统。学科发展促成 GIS理论体系的
形成，而技术系统发展则加强了 GIS的应用范围。
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GIS课程特点
? 发展与内容更新的快速性
短短的 40余年发展历史,GIS却经历了以空间数据地
学处理为主的 开拓发展期,注重地理信息管理的 巩固发展
期,以空间决策与支持分析为特点的 理论和技术突破阶段
以及广泛应用的 社会化阶段 。其技术发展、内容更新之快，
非其他学科可比，特别是在 90年代以来，随着计算机技术
的快速发展，地理信息系统表现得异常活跃,在内容上从
地理信息到地理信息科学再到地球信息科学的形成，技术
上则从地理信息系统到组件式地理信息系统再到开放式地
理信息系统、网络地理信息系统等。目前 GIS正朝着以系
统为中心向以数据为中心转变、从面向地图处理向面向客
观空间实体与关系处理的转变、由单纯的二维处理向多维
处理的转变和从管理型向分析决策型转变的方向发展
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GIS课程特点
? 多学科集成、渗透性较强
地理信息系统是多学科、多技术交叉的空间信息系
统。在理论上依托于地理学、测绘学、数学等基础性学科；
在技术上取决于计算机软硬件技术、航空航天技术、遥感
与雷达技术等的进步；在应用上则依赖于具体应用学科如
交通、城市规划、资源管理等理论和技术的发展。
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GIS课程特点
? 空间抽象性
地理信息系统中的数据，无论是可见的还是不可见
的，都是自然环境的一种表现模式，是数字化的现实世界，
这是建立在对自然环境的抽象和描述基础上。由于计算机
的数字化特征，空间对象须离散化的表达，即把空间对象
抽象表达为点、线、面、体等具有位置和属性特征的地理
实体。
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第二节 GIS的发展概况
地理信息系统的产生
? 现代科学方法
– 系统论、信息论、控制论
? 现代高新技术
– 计算机技术、空间技术和自动化技术
现代科学方法和现代高新技术的形成与应用
为 GIS的产生提供了先决条件，也预示信息
时代的到来。
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国外不少人认为,19世纪以来普遍应用的地图和专
题图就是一种模拟式的地理信息系统。照此定义，
我国的地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理
图碑，它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全
国各级行政机构，是宋代的中国地图。
到本世纪 50年代，随着电子计算机科学的兴起和它
在航空摄影测量学与地图制图学中的应用以及政
府部门对土地利用规划与资源管理的要求，使人
们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理
各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数
据，并通过计算机对数据的分析来直接为管理和
决策服务，这才导致了现代意义上的地理信息系
统的问世。
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1956年,奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数
据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信
息系统（ LIS）用于地籍管理。
1963年,加拿大测量学家 R.F.Tomlinson首先提出了地理信
息这一术语，并于 1971年建立了世界上第一个 GIS—— 加
拿大地理信息系统（ CGIS），用于自然资源的管理和规划。
稍后，美国哈佛大学研究出 SYMAP系统软件。由于当时计算
机水平的限制，使得 GIS带有更多的机助制图色彩，地学
分析功能极为简单。
与此同时，国外许多与 GIS有关的组织和机构纷纷建立，例
如，美国 1966年成立了城市和区域信息系统协会
（ URISA）,1969年又建立起州信息系统全国协会
（ NASIS）；国际地理联合会（ IGU）于 1968年设立了地理
数据收集和处理委员会（ CGDSP）。这些组织和机构的建
立为传播 GIS知识，发展 GIS技术起了重要的推动作用。
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地理信息系统的发展的四个阶段
60年代起源于北美,加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调
查资料，于 60年 代开始建立地理信息系统（ CGIS），于 70年代
初投入产品生产；同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间
分析实验室，建立通 用的制图软件包，竭力发展空间分析模型
和软件。
70年代是 GIS发展的巩固阶段,美国、加拿大、英国、西德、瑞典
和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、
财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信
息系统。
80年代为地理信息系统的大发展阶段,计算机的迅速发展和普及，
地理信息系统也逐 步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向
应用阶段。
90年代至今为地理信息系统的应用普及时代,由于计算机的软硬
件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息系统已成
为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上
由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与
工作计划等。从美国的,国家信息基础设施：行动计划
（ National Information Infrastructure,简称 NII）” 建设到数
字地球的提出，由“数字地球”细化到“数字中国”、“数字省
区”、“数字城市”,“数字小区”直到“企业信息化”、
“电子商务”、“数字通讯”、“虚拟现实”等众多的信息化领
域的工作已全面铺开。
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GIS在我国的发展
? 准备阶段, 1978年到 1980年，进行舆论准备，正
式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。
? 起步阶段, 1981年到 1985年，理论探索和区域
性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系
统规范。
? 初步发展阶段, 1986年到 90年代。地理信息系统
的研究被列入我国“七 五”攻关课题，并且作为
一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设
相结合，并取得了重要进 展和实际应用效益。
? 快速发展阶段, 90年代末到现在。理论日趋成熟，
应用日益广泛，三维 GIS,WEBGIS走向应用，
GIS市场开始形成。
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第三节 地理信息系统的构成
系
统
软
件
系
统
硬
件
空间
数据
用户
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计算机硬件系统
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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计算机软件系统
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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地理空间数据
定位
拓扑关系
属性
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系统开发、管理和使用人员
咨询
管理
信息管
理
数据整理
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系统的应用模式（单机式）
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系统的应用模式（局域网模式）
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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系统的应用模式（广域网模式）
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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GIS的 基本功能
? 输入
? 查询
? 编辑
? 分析
? 输出
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GIS基本功能的实现过程
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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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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主要 GIS软件
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第四节 GIS与相关学科与技术的关系
地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的
特点，这些交叉的学科包括地理学、测量学、地
图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数
学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关
的学科。
目前数据库技术 (DBMS)、计算机辅助设计
（ CAD）、计算机辅助制图 (CAM)和计算机图形
学 (Computer Graphics)软件包已被许多 GIS研究
者所采用，但这些系统不是为地理意义而设计的，
无法取代 GIS的作用,
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第五节 地理信息系统的应用
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。
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? 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
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Wherever Spatial Data Analys is Needed
? Emergency Services – Fire & Police
? Environmental – Monitoring & Modeling
? Business – Site Location,Delivery Systems
? Industry – Transportation,Communication,
Mining,Pipelines,Healthcare
? Government – Local,State,Federal,Military
? Education – Research,Teaching Tool,
? Administration
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城市土地利用信息系统
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电信资源管理
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铁路地理信息系统
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公安警用地理信息系统
属性查询
查询
专题图
作战指挥
地图切换
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医疗机构信息查询
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作业与思考
? 什么是 GIS？它具有什么特点？
? GIS与其它信息系统有什么区别？
? 简述 GIS的构成。
? 简述 GIS的发展。
? 举例说明 GIS可应用的行业。
地理信息系统
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一
章
绪
论
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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第一节 基本概念
信息和数据
地理信息
地理信息的特征
信息系统
地理信息系统
地理信息系统的特征
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狭义信息论将信息定义,
– 为人们获得信息前后对事物认识的差别；
广义信息论将信息定义,
– 信息是指主体 (人、生物和机器 )与外部客体 (环境、其
它人、生物和机器 )之间相互联系的一种形式。是主体
和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物特征
的一种普遍形式。
本书定义：
信息是 用文字、数字、符号、语言、图像等介质来
表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，
从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事
实和知识,作为生产、建设、经营、管理、分析
和决策的依据。
西北大学城市与资源学系 谢元礼
信息的特点：
? 信息的客观性,与客观事物紧密相联系的；
? 信息的适用性，信息对决策是十分重要；
? 信息的传输性。信息可以在信息发送者和接受者
之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备
(包括远程终端 )，和以一定形式提供给有关用户，
也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。
? 信息的共享性。信息与实物不同，它可以传输给
多个户，为多个用户共享，而其本身并无损失。
信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一
项重要资源。
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数据：（ Data)
通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的
符号，是用以载荷信息的物理符号，在计
算机化的地理信息系统中，数据的格式往
往和具体的计算机系统有关，随载荷它的
物理设备的形式而改变。
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数据的特点,
? 数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。
例如：,1”和,0”，当用来表示某一种实体在某个
地域 内存在与否时，它就提供了有 (1表示 )无 (0表
示 )的信息。
? 地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对
数据进行处理，即对数据进行运算、排序、转换、
分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含
的信息。对同一数据每个人的解释可能不同，因
而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有关。
? 信息与数据是不可分离的，即信息是数据的内涵，
而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载
体。
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地理信息
地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态
的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征
与地理现象之间关系的地理数据的解释。
或者定义为：表征地理系统诸要素的数量、质量、
分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、
图像和图形等的总称 。
从另一个角度来说，一切与空间位置有关的信息都
叫做地理信息。它脱胎于地图，它们都是地理信
息的载体，具有存储、分析与显示地理信息的功
能。
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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。
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什么是 GIS？
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。
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A Definition of GIS
? GIS is a System of computer software,
hardware and data,and personnel to
help manipulate,analyze and present
information that is tied to a spatial
location.
-- A method to visualize,manipulate,
analyze,and display spatial data
--,Smart Maps” linking a database to
the map
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What is NOT GIS
? GPS – Global Positioning System
? A static map – paper or digital
– Maps are often a,product” of a GIS
– A way to visualize the analysis
? A software package
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?北美、欧洲,Geographical Information System
?加拿大,Geomatigue
?中国,Resource and Environmental Information
System
?技术内涵,Geo-relational Information System
?信息科学,Spatial Information System
?应用类型,Natural Resources Information System
Land Information System
Transportation Geographical Information
System
?地学应用,GeoScience
?专业杂志,Geographical Information Science(英国 )
Geo-Information System （德国）
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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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地理信息系统的特点
? 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
? 以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，
具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能
产生高层次的地理信息。
? 具有公共的地理定位基础，所有的地理要素，要按经纬度
或者特有的坐标系统进行严格的空间定位，才能使具有时
序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，
将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续
分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决策。
? 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。
? 地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；
而其内涵确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，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。
信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行
和数据的交换来仿真。
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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。
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GIS与其它系统的区别
? GIS有别于 DBMS（数据库管理系统）,GIS具有以某种
选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简
单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，
因此,GIS是能对空间数据进行分析的 DBMS,GIS必须
包含 DBMS。
? GIS有别于 MIS（管理信息系统）,GIS要对图形数据和
属性数据库共同管理、分析和应用,GIS的软硬件设备要
复杂、系统功能要强； MIS则只有属性数据库的管理，即
使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、
查询、没有拓扑关系。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。
? GIS有别于地图数据库,地图数据库仅仅是将数字地图有
组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形
数据和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策的
信息，它只是 GIS的一个数据源。
? GIS有别于 CAD系统,二者虽然都有参考系统，都能描述
图形，但 CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能
弱，更缺乏分析和判断能力。
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地理信息系统（ GIS）与管理信息系统（ MIS）
比较项目 GIS MIS
数据类型 有空间分布特性,由点、线、面及相互关系构成 主要为属性数据和统计分析数据
数据源 图形图像及地理特征属性 表格、统计数据、报表
输出结果 图形图像产品、统计报表、文字 报告、表格 表格、报表、报告
硬件配置
外设：数字化仪、扫描仪、绘图
仪、打印机、磁带机
主机：要求高档微机或工作站
打印机、键盘、一般微机
软件
要求高，价格昂贵 如：
ARC/INFO、微机版约 3.0万,工作
站版约 5-10万
要求低、便宜，标准规格统一，
如 ORACAL,FOXBASE 等
处理内容（采
用目的或分析
内容）
用于系统分析、检索、资源开发
利用或区域规划，地区综合治理，
环境监测，灾害预测预报
查询、检索、系统分析、办公管
理。如 OS
工作方式 人机对话，交互作用程度高 人为干预少
两者均以计算机为核心，数据量大而复杂（共同点）
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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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地
理
信
息
系
统
的
研
究
内
容
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本课程的教学目的和要求
? 掌握 GIS的概念，了解 GIS组成和基本功能；
概念框架、理解,GIS组成、基本功能
? 掌握 GIS的数据处理流程
采集、编辑、组织、管理、分析、输出；
? 熟悉 GIS空间分析基本技术和方法，具有用 GIS解
决本专业相关问题的能力；
? 了解 GIS的发展与趋势
通过该门课程的学习，使学生掌握地理信息系统的
基本原理、基本方法与常用 GIS软件的操作,为
GIS的开发应用打下理论基础。
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本课程教学内容
? 第一章 绪论（ 2学时）
? 第二章 空间信息基础（ 4 学时）
? 第三章 空间数据结构（ 4学时）
? 第四章 空间数据库（ 6学时）
? 第五章 空间数据采集与处理（ 4学时）
? 第六章 GIS空间分析原理与方法（ 14学时）
? 第七章 地理信息系统产品输出（ 2学时）
? 第八章 地理信息系统设计与标准化（ 14学时）
? 第九章 GIS新技术与数字地球简介 (2学时 )
? 总结全课程（ 2学时）
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主要参考文献
核心教材：
汤国安等，地理信息系统,2000，科学出版社
参考文献：
? 龚健雅 地理信息系统基础,2001，科学出版社
? 王家耀 空间信息系统原理,2001，科学出版社
? 乌伦等，地理信息系统 -原理、方法与应用,2001，北京
大学出版社
? 汤国安，计算机地学制图与分析,1994，西北大学出版社
? 汤国安等,ArcView地理信息系统空间分析方法,2002，
科学出版社
? 刘良明,ArcView基础教程,2001，测绘出版社
?, 测绘学报,,, 地理学报,,, 遥感学报,,, 武汉大
学学报（信息版）,,, 测绘通报,,, 中国图形图像学
报,,, 计算机辅助图形学报, 等相关期刊
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主要网站
? http://www.gischina.com/
? http://www.gisky.com/
? http://www.gisempire.com/
? http://www.digitalearth.net.cn/
? http://www.digitalearth.gov/
? http://www.othermap.com/
? http://www.honox.com/
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GIS课程特点
? 学科与技术的统一体
GIS是 一门学科,用以描述一切与地理（广义的地
理概念）相关的内容,GIS集空间数据采集、存储、管
理和分析于一体，是由计算机科学、测绘科学、遥感技
术、信息科学、管理科学和应用学科组成的新兴交叉边
缘学科。同时 GIS又是 一个技术系统,即以空间数据为
处理对象，以空间数据组织和处理为基础，采用地学模
型分析方法，及时提供多种空间地理信息和动态地理信
息，为研究环境过程、分析发展趋势、预估规划决策等
服务的计算机技术系统。学科发展促成 GIS理论体系的
形成，而技术系统发展则加强了 GIS的应用范围。
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GIS课程特点
? 发展与内容更新的快速性
短短的 40余年发展历史,GIS却经历了以空间数据地
学处理为主的 开拓发展期,注重地理信息管理的 巩固发展
期,以空间决策与支持分析为特点的 理论和技术突破阶段
以及广泛应用的 社会化阶段 。其技术发展、内容更新之快，
非其他学科可比，特别是在 90年代以来，随着计算机技术
的快速发展，地理信息系统表现得异常活跃,在内容上从
地理信息到地理信息科学再到地球信息科学的形成，技术
上则从地理信息系统到组件式地理信息系统再到开放式地
理信息系统、网络地理信息系统等。目前 GIS正朝着以系
统为中心向以数据为中心转变、从面向地图处理向面向客
观空间实体与关系处理的转变、由单纯的二维处理向多维
处理的转变和从管理型向分析决策型转变的方向发展
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GIS课程特点
? 多学科集成、渗透性较强
地理信息系统是多学科、多技术交叉的空间信息系
统。在理论上依托于地理学、测绘学、数学等基础性学科；
在技术上取决于计算机软硬件技术、航空航天技术、遥感
与雷达技术等的进步；在应用上则依赖于具体应用学科如
交通、城市规划、资源管理等理论和技术的发展。
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GIS课程特点
? 空间抽象性
地理信息系统中的数据，无论是可见的还是不可见
的，都是自然环境的一种表现模式，是数字化的现实世界，
这是建立在对自然环境的抽象和描述基础上。由于计算机
的数字化特征，空间对象须离散化的表达，即把空间对象
抽象表达为点、线、面、体等具有位置和属性特征的地理
实体。
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第二节 GIS的发展概况
地理信息系统的产生
? 现代科学方法
– 系统论、信息论、控制论
? 现代高新技术
– 计算机技术、空间技术和自动化技术
现代科学方法和现代高新技术的形成与应用
为 GIS的产生提供了先决条件，也预示信息
时代的到来。
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国外不少人认为,19世纪以来普遍应用的地图和专
题图就是一种模拟式的地理信息系统。照此定义，
我国的地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理
图碑，它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全
国各级行政机构，是宋代的中国地图。
到本世纪 50年代，随着电子计算机科学的兴起和它
在航空摄影测量学与地图制图学中的应用以及政
府部门对土地利用规划与资源管理的要求，使人
们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理
各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数
据，并通过计算机对数据的分析来直接为管理和
决策服务，这才导致了现代意义上的地理信息系
统的问世。
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1956年,奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数
据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信
息系统（ LIS）用于地籍管理。
1963年,加拿大测量学家 R.F.Tomlinson首先提出了地理信
息这一术语，并于 1971年建立了世界上第一个 GIS—— 加
拿大地理信息系统（ CGIS），用于自然资源的管理和规划。
稍后，美国哈佛大学研究出 SYMAP系统软件。由于当时计算
机水平的限制，使得 GIS带有更多的机助制图色彩，地学
分析功能极为简单。
与此同时，国外许多与 GIS有关的组织和机构纷纷建立，例
如，美国 1966年成立了城市和区域信息系统协会
（ URISA）,1969年又建立起州信息系统全国协会
（ NASIS）；国际地理联合会（ IGU）于 1968年设立了地理
数据收集和处理委员会（ CGDSP）。这些组织和机构的建
立为传播 GIS知识，发展 GIS技术起了重要的推动作用。
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地理信息系统的发展的四个阶段
60年代起源于北美,加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地调
查资料，于 60年 代开始建立地理信息系统（ CGIS），于 70年代
初投入产品生产；同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间
分析实验室，建立通 用的制图软件包，竭力发展空间分析模型
和软件。
70年代是 GIS发展的巩固阶段,美国、加拿大、英国、西德、瑞典
和日本等国对地理信息系统的研究均投入了大量的人力、物力、
财力，研究不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信
息系统。
80年代为地理信息系统的大发展阶段,计算机的迅速发展和普及，
地理信息系统也逐 步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向
应用阶段。
90年代至今为地理信息系统的应用普及时代,由于计算机的软硬
件均得到飞速的发展，网络已进入千家万户，地理信息系统已成
为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上
由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与
工作计划等。从美国的,国家信息基础设施：行动计划
（ National Information Infrastructure,简称 NII）” 建设到数
字地球的提出，由“数字地球”细化到“数字中国”、“数字省
区”、“数字城市”,“数字小区”直到“企业信息化”、
“电子商务”、“数字通讯”、“虚拟现实”等众多的信息化领
域的工作已全面铺开。
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GIS在我国的发展
? 准备阶段, 1978年到 1980年，进行舆论准备，正
式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。
? 起步阶段, 1981年到 1985年，理论探索和区域
性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系
统规范。
? 初步发展阶段, 1986年到 90年代。地理信息系统
的研究被列入我国“七 五”攻关课题，并且作为
一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设
相结合，并取得了重要进 展和实际应用效益。
? 快速发展阶段, 90年代末到现在。理论日趋成熟，
应用日益广泛，三维 GIS,WEBGIS走向应用，
GIS市场开始形成。
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第三节 地理信息系统的构成
系
统
软
件
系
统
硬
件
空间
数据
用户
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计算机硬件系统
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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计算机软件系统
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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地理空间数据
定位
拓扑关系
属性
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系统开发、管理和使用人员
咨询
管理
信息管
理
数据整理
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系统的应用模式（单机式）
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系统的应用模式（局域网模式）
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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系统的应用模式（广域网模式）
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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GIS的 基本功能
? 输入
? 查询
? 编辑
? 分析
? 输出
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GIS基本功能的实现过程
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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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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主要 GIS软件
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第四节 GIS与相关学科与技术的关系
地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的
特点，这些交叉的学科包括地理学、测量学、地
图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数
学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关
的学科。
目前数据库技术 (DBMS)、计算机辅助设计
（ CAD）、计算机辅助制图 (CAM)和计算机图形
学 (Computer Graphics)软件包已被许多 GIS研究
者所采用，但这些系统不是为地理意义而设计的，
无法取代 GIS的作用,
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第五节 地理信息系统的应用
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。
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? 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
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Wherever Spatial Data Analys is Needed
? Emergency Services – Fire & Police
? Environmental – Monitoring & Modeling
? Business – Site Location,Delivery Systems
? Industry – Transportation,Communication,
Mining,Pipelines,Healthcare
? Government – Local,State,Federal,Military
? Education – Research,Teaching Tool,
? Administration
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西北大学城市与资源学系 谢元礼
西北大学城市与资源学系 谢元礼
城市土地利用信息系统
西北大学城市与资源学系 谢元礼
电信资源管理
西北大学城市与资源学系 谢元礼
铁路地理信息系统
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公安警用地理信息系统
属性查询
查询
专题图
作战指挥
地图切换
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医疗机构信息查询
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作业与思考
? 什么是 GIS？它具有什么特点？
? GIS与其它信息系统有什么区别？
? 简述 GIS的构成。
? 简述 GIS的发展。
? 举例说明 GIS可应用的行业。
