第五章 空间数据的管理技术
?物流活动常处于运动的和非常分散的状
态，因此 地理信息系统 (GIS)和全球定位
系统 (GPS)等技术能够将物品移动的空间
数据进行有效的管理 。本章对 GIS和 GPS，
从概述、定义、分类、特征、组成与功
能、运行机理和在物流信息系统中的作
用进行介绍，使读者了解空间数据管理
的实用技术的原理。
第一节地理信息系统
?一、地理信息系统 (GIS)概述
?(一 )地理信息系统 (GIS)的产生
?GIS萌芽于 20世纪 60年代初,美国麻省
理工学院首次提出计算机图形学术，并
证明了交互计算机图形学是一个可行的、
有用的研究领域，从而显示出这一科学
分支的独立地位。
?(二 )地理信息系统 (GIS)与其他学科的关系
? 空间分析的理论学方法 为 GIS提供了有
关空间分析的基本观点与方法，成为 GIS
的基础。而 GIS的发展也为地理问题的解
决提供了全新的技术手段,地学数据处理
系统是以地学数据的搜集、存储、加工、
集成、再生成等数据处理为目标，为 GIS
提供符合一定标准和格式数据的信息系统。
GIS与相关学科
地理学
遥感
制图学
CAD与
计算机图形学
测量与摄影测量
?地学数据的处理分为两个层次：
? 1．以 数据格式、数据量、存在介质、精度、
空间表示法等为特征的 GIS外部数据处理,其
目的是为 GIS利用数据做准备，如遥感数字图
像的校正、图像增强、图像分类；
? 2,在 GIS内部数据的处理，它包括水平方向
的专题层内部数据处理、垂直方向上的专题层
之间的数据处理、适于不同比例尺需要的变焦
数据处理、用于动态分析的四维数据处理、用
于网络分析的运筹法数据处理。 数据处理系统
的数据包括具有统计性质的空间数据、遥感数
据、地学专题空间数据等。
?地图是记录地理信息的一种图形语言形
式 。 GIS脱胎于地图，并成为地图信息
的又一种新的载体形式，它具有存储、
分析、显示等功能，尤其是计算机制图
为地图的数字表示、操作和显示提供了
成套方法，为 GIS的图形输出设计提供
了技术支持。同时，地图仍是目前 GIS
的重要数据来源之一。
?两者间有着一定的差别,地图强调的是
数据分析、符号化与显示,而 GIS则注
重于信息分析 。从 GIS的发展过程可以
看出,GIS的产生、发展与制图信息系
统存在着密切的联系，两者的相通之处
是其于空间数据的空间信息表达、显示
和处理。从系统组成和功能上，一个
GIS拥有机助制图系统的所有组成和功
能，并且 GIS还有数据处理的功能。
? 随着电子制图系统 (EMS,Electronic mapping
system)的出现和发展，产生了 电子图集,它有许多新
的特征：
? 1,图文和数据多媒体集成,把图形的直观性、数
字的准确性、声音的引导性和亲切感相结合，充分利
用了读者的各种感官；
? 2,查询检索和分析决策功能,能够支持从地图图
形到非空间数据和从非空间数据到图形的双向检索；
? 3,图形动态变化功能,从开窗缩放、浏览阅读等
基本功能到地图动画功能、多维动画的图形模拟等；
? 4,具有良好的用户界面,使读者介入地图的生成
过程；
? 5,多级比例尺之间的相互转换,由于计算机屏幕
幅面的限制和计算机潜在计算机功能和巨大的存储能
力，要求具有多级比例尺不同程度的制图综合功能。
?数据库管理系统 (DBMS)主要设计用于
存储、管理和查询非空间的非空间数据,
并具备一些基本的统计分析功能，它是
现代 GIS不可缺少的重要组成部分之一，
它所具有的功能是 GIS有关数据操作功
能的重要组成部分。但是,一般 DBMS
在处理空间数据时缺乏空间分析能力。
?计算机图形理论是现代 GIS的技术理论
之一,计算机图形学提供了图形处理、
显示的软、硬件以及技术方法 。人工智
能的发展给 GIS的技术进步也带来了积
极的影响，虽然目前 GIS还没有充分利
用人工智能的各种技术，但它 提供了智
能化技术系统的设计技术与方法 。
?计算机网络技术 的发展则为 GIS的构件
技术的形成提供了新的机遇，为使地理
作系统发展成为社会信息基础设施的重
要组成部分奠定了基础。
?遥感作为空间数据采集手段,已成为
GIS的主要信息源与数据更新途径。遥
感图像处理系统包含若干复杂的解析函
数，并有许多方法用于信息的增强与分
类，但遥感系统本身的空间分析能力有
限，并 难与 DBMS系统相连。
?大地测量 为 GIS提供了精确定位的控制
信息，尤其是 全球定位系统 (GPS)可快
速、廉价地获取地表特征的数字位置信
息。 航空相片 及其精确测量方法的应用
使得摄影测量成为 GIS主要的地形数据
来源。 遥感是 GIS的主要数据源与更新
手段,同时,GIS的应用又进一步支持
遥感信息的综合开发与利用。
?(三 )GIS的发展
? GIS与地理空间信息的表示、处理、
分析和应用手段的不断发展紧密相连。
? GIS的存在与发展已历经 30余年，尤
其是北美地区，可将 GIS发展分为以下
几个阶段：
?1,20世纪 60年代为 GIS开拓期，注重于
空间数据的地学处理。
?2,20世纪 70年代为 GIS的巩固发展期，
注重于空间地理信息的管理。
? 3,20世纪 80年代为 GIS技术大发展时期，
注重于空间决策支持分析。
目前对 GIS的认识可归为三个相互独
立又相互关联的观点。
?一是 地图观点,强调 GIS作为信息载体
与传播媒介的地图功能，认为 GIS是一
种地图数据处理与显示系统,因此，每
个地理数据集可看成是一张地图，通过
地图代数实现数据的操作与运算，其结
果仍然再现为一张具有新内容的地图。
测绘及各专题地图部门非常重视 GIS的
快速生产高质量地图的能力。
?第二种观点称为 数据库观点,强调数据
库系统在地理信息系统中的重要地位，
认为一个完整的 DBMS是任何一个成功
的 GIS不可缺少的部分。
?第三种观点则是 分析工具 观点，强调
GIS的空间分析与模型分析功能，认为
GIS是一门空间信息科学。
?第三种观点普遍地为 GIS界所接受，并
认为这是区分 GIS与其他地理数据自动
化处理系统的惟一特征。
二、地理信息系统 (GIS)的定义、分
类和特征
? (一 )定义
? GIS可定义 为由计算机系统、地理数据和用户组成
的，通过对地理数据的集成、存储检索、操作和分析，
生成并输入各种地理信息，从而为土地利用、资源管
理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及
政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规
划、管理决策服务 。
? GIS可简单定义为 用于采集、模拟、处理、检索、分
析和表达地理空间数据的计算机信息系统。 它是有关
空间数据管理和空间信息分析的计算机系统。
GIS定义 —定义类型
?面向数据处理过程定义
?面向专题应用定义
?面向工具箱定义
?面向数据库定义
GIS定义 —作用与地位
?地图观点：地图数据处理与显示
?数据库观点：计算机角度
?分析工具观点：空间分析与空间建模
GIS定义 —术语
? 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）
GIS定义
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）
GIS定义 —概念框架
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
GIS定义 —对 GIS的理解
?GIS的物理外壳是计算机化的技术系统
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对空间数据的管理好操作，是 GIS区别于其它信息
系统的根本标志，也是技术难点之一。
GIS定义 —对 GIS的理解（续）
?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。
GIS引入地学界，如同 Fortran语言引入计算机科学界一样重
要。
美国学者 K,I.兰菲尔
GIS定义 —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
(二 )分类
信息系统按照是否含空间信息分为非空间
信息系统 (一般指管理信息系统 )和空间信息
系统。
?空间信息系统分为非 GIS(一般 CAD／ CAM)
和 GIS。
?GIS依照其应用领域可分为土地信息系统、
资源管理信息系统、地学信息系统等 ；
?根据其使用的数据模型，可分为矢量、栅
格和混合型信息系统；
?根据其服务对象，可分为专题信息系统和
区域信息系统。
?管理信息系统是以管理为目的，在计算
机硬件和软件支持下具有存储、处理、
管理和分析数据能力的信息系统，这类
信息系统的最大特征是它处理的数据没
有或者不包括空问特征。
?另一类管理信息系统是以具有空间分析
功能的 GIS为支持、以管理为目标的信
息系统，它利用 GIS的各种功能实现对
具有空间特征的要素进行处理分析以达
到管理区域系统的目的，如城市交通管
理信息系统。
? (三 )特征
与一般的管理信息系统相比,GIS具有以下特征：
? 1,GIS使用了 空间数据与非空间数据,并通过
DBMS将两者联系在一起共同管理、分析和应用；而
MIS只有非空间数据库的管理，即使存储了图形，也
往往以文件形式等机械形式存储，不能进行有关空间
数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等，不能
进行复杂的空间分析。
? 2,GIS强调 空间分析,通过利用空间解析式模型来
分析空间数据,GIS的成功应用依赖于空间分析模型
的研究与设计。
? 3,GIS的成功应用不仅取决于技术体系，而且 依靠
一定的组织体系 (包括实施组成、系统管理员、技术
操作员、系统开发设计者等 )。
三、地理信息系统 (GIS)的组成
与功能
?(一 )地理信息的组成
?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 。而地理数据则是
各种地理特征和现象间关系的符号化表
示，包括 空间位, 属性特征 (简称属性 )
及时域特征 三部分。
?空间位置 数据描述地物所在位置。这种位置
既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度
坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，
如空间上的相邻、包含等；
?属性特征 有时又称非空间数据，是属于一定
地物、描述其特征的定性或定量指标。
?时域特征 是指地理数据采集或地理现象发生
的时刻／时段。时间数据对环境模拟分析非
常重要。空间位置、属性及时问是地理空间
分析的三大基本要素。
(二 )地理信息的特征
地理信息除了具有信息的一般特性，如共享
性、客观性等外，还具有以下独特特性：
1．地理信息具有空间定位的特点
? 先定位后定性，并在区域上表现出分布式
特点，不可重叠，其属性表现为多层次，因
此地理数据库的分布或更新也应是分布式。
2．数据量大
? 地理信息既有空问特征，又有属性特
征，并包括一个较长的发展时段，因此
其数据量很大。如全国 1,400万土地利
用数据，经过一定的综合后，其 ARC／
INFO的 Coverage格式数据量为 8,2兆。
尤其是随着全球对观测计划不断发展，
我们每天都可以获得上万亿的关于地球
资源、环境特征的数据。这必然对数据
处理与分析带来很大压力。
3．信息载体的多样性
? 地理信息的第一载体是地理实体的物
质和能量本身，除此之外，还有描述地
理实体的文字、数字、地图和影像等符
号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物
理介质载体。对于地图来说，它不仅是
信息的载体，也是信息的传播媒介。
?(三 )GIS的组成
? 一个典型的 GIS应包括三个基本部分：
计算机系统 (硬件、软件 )、地理数据库
系统、应用人员与组织机构 。
GIS的组成 —概论
系
统
软
件
系
统
硬
件
空间
数据
用户
GIS的组成 —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
GIS的组成 —硬件 — 应用模式
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
GIS的组成 —硬件 — 应用模式
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
GIS的组成 —硬件 — 应用模式
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
GIS的组成 —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
GIS的组成 —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。
GIS的组成 —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 。 Oracle,Informix、
Ingress等关系数据库管理软件都相继增加了空间
数据类型。而 ESRI公司的 SDE（ Spatial Database
Engine）也是基于关系数据库的空间数据管理平台。
? 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
GIS的组成 —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
GIS的组成 —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
GIS的组成 —管理人员
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。
(四 ) 地理信息系统 (GIS)的功能
（核心问题）
?位置（ Locations）
?条件（ Conditions）
?趋势（ Trends）
?模式（ Patterns）
?模型（ Models）
GIS的功能 —基本功能 —位置
? 某个特定位置有什
么？
? 几何查属性
? 例：国家属性查询
GIS的功能 —基本功能 —条件
? 满足给定条件的
地理对象分布
? 属性查位置
? 例：客户分布
GIS的功能 —基本功能 —趋势
? 地理对象随时间的
变化
? 例：人口变化趋势
GIS的功能 —基本功能 —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
GIS的功能 —基本功能 —模型
? 解决问题方案
? 基于模型的
? 例：公园选址
GIS的功能 —基本功能实现
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
GIS的功能 —基本功能实现 数据获取
GIS的功能 —功能实现 编辑变换与处理
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、栅个格转化，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
GIS的功能 —功能实现 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
GIS的功能 —功能实现 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
GIS的功能 —功能实现 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
GIS的功能 —功能实现 用户界面
GIS的功能 —功能实现 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；
GIS特征
? GIS与 CAD,CAM
? 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
GIS特征（续）
GIS与 CAD,CAM：
? 坐标参考系统
? 处理图形、非图形数据；
? 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若，而 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；
GIS特征（续）
GIS与 MIS
? 对属性数据进行管理和处理
? 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。
GIS特征（续）
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。
? 面向位置的特征
? 遥感图象处理系统不能看作是 GIS。
GIS特征（续）
GIS与机助制图系统、地图数据库
? 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
? 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。
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）
主要 GIS软件
GIS软件性能分析
四、地理信息系统 (GIS )的运行机理
? (一 )地理空间的定义与数据的组织
? GIS中的空间概念常用“地理空间” (Geo—
spatial)来表述。一般来说,地理空间被定义为
绝对空间和相对空间两种形式。
?绝对空间 是具有属性描述的空间位置的集合，
它由一系列不同位置的空间坐标值组成；
?相对空间 是具空间属性特征的实体的集合，
它是由不同实体之间的空间关系构成。
?依据地理实体之间 不同的特征 (如公路和
铁路的建造方式不同而将它们视为不同
的类 )、相似的特征 (如公路和铁路都具
有运输功能而将它们视为一类 )以及 不同
地理实体的组合特征 (如飞机跑道、出租
车道、建筑楼群和停车场共同组成飞机
场 )来对地理特征进行分类，以实现空间
数据的组织。
?在 GIS中，对空间实体的数据描述分为空间特
征和属性特征，
?属性特征 是对于空间特征的描述，属性值包
括数字值和非数值两种，例如描述道路实体
的属性特征包括：道路类型,1表示高速公路，
2表示主干道,3表示居民街道,5表示其他；
路面物质构成,1表示水泥,2表示柏油,3表
示碎石；道路宽度,M米；小巷数量,N个；
道路名字：每条路的名字。
? 每一条道路都有一组属性对其进行描述，这
样的表被称为属性表。
?空间特征数据的表达方式包括各种数据结构，
并表现为点、线、面等各种图形符号信息；
?属性特征数据的表达方式包括基于地理特征
(包括空间特征和属性特征 )的多种分类关系的
表格。
?GIS正是通过建立空间特征数据的图形符号表
达与属性特征数据的表格表达之间的联系，
才具备了强大的空间分析能力。
?如何建立空间特征数据和属性特征数据之间
的联系?
?空间特征是通过坐标值和拓扑关系来表达,
属性特征又是组织成表格中一系列的记录 。
如果对于每一个具有拓扑关系的空间特征以
及这个空间特征的一个描述记录赋予共同并
且是惟一的标识符 (Identifier)，那么，由于这
个标识符保证了在空间特征和属性记录之间
一一对应的关系，这样，就可以通过空间记
录查找并显示属性信息，或者依据存储在属
性表格中的属性生成具有地学分析意义的空
间图形，如地图。一个空间特性可以具有多
个属性特征描述集合。
?(二 )空间数据的编码
GIS中的实体 (对象 )一般包括三种基本信息，
语义信息、度量信息和关系结构信息。
?语义信息表明实体的类型；
?度量信息用于描述实体的形状和位置等几何属性；
?关系结构信息用于描述一个实体与其他实体
的联系；
?空间数据的编码则主要是 指语义信息的数据
化，它是建立在地理特征的分类及其等级组
织基础之上的空间信息数据编码 。
?空间数据的编码 用于表明实体元素在数据分类分
级中的层次关系和属性性质 。编码由主码和子码
共同组成的；
?主码表示实体元素的类别；
?子码则是对实体元素的标识和描述，子码又可分
为识别码的描述码 (有时还需要有参数码 )；
?识别码用于睢一地址标识具体的实体元素；
?描述码则是对实体元素的进一步性质描述。
?如果规定编码格式为，主码占 3位，子
码占 5位，则每个属性编码占 1个字节。
通常，可采用 2字节的无符号整型数 (范
围为 0～ 65535)记录属性编码。
?从理论说，用 无符号整型数可编码 65536种不
同的实体元素, 足以表示现有地形而上学图
规范和图式中的所有类别，且有扩充余地。
为了与有关标准进行相互转换，并将编码组
织成树结构，可用无符号整型数的前二位 (范
围为 0— 64)记录主码，后三位 (范围为 0— 999)
记录子码 (其中 0。 499表示识别码,500,999
表示描述码 )。这样的编码可表示 65种主码，
每种主码下可有 1,000种子码，并且还有 536
种大于或等于 65,000的特殊用途编码。这种
属性编码仅占 2字节，并且具有可扩充性。
?(三 )空间数据描述
? 空间位置、专题特征以及时间是表达
现实世界空间变化的三个基本要素。空
间数据是有关空间位置、专题特征以及
时间信息的符号记录。而数据质量则是
空间数据在表达这三个基本要素时，所
能够达到的准确性、一致性、完整性，
以及它们三者之间统一性的程度。
?空间数据是对现实世界中空间特征和过
程的抽象表达。由于现实世界的复杂性
和模糊性，以及人类认识和表达能力的
局限性，只能在一定程度上接近真值。
在某些应用中，用户可能根据需要来对
数据进行一定的删、减和扩充，这对数
据记录本身来说是一种误差。
? 1．数据情况说明：要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等
作出准确、全面和详尽的说明。
? 2．位置精度或称定位精度：为空间实体的坐标数据与实体真实位置
的接近程度，常表现为空间三维坐标数据精度。它包括数据基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度 (形状保真度 )、像元定
位精度 (图像分辨率 )等。
? 3．属性精度：指空间实体的属性与其真值相符的程度。通常取决于
地理数据的类型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与代码的正确
性、要素属性值的准确性及其名称的正确性等。
? 4．时间精度：可以通过数据更新的时间和频度来表现。
? 5．逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据
内容 (包括空间特征、专题特征和时间特征 )，以及拓扑性质上的内在一
致性。
? 6．数据完整性：指地理数据在范围、内容及结构等
方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间
实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完
整性。
? 7．表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表
达与真实地理世界吻合性，包括空间特征、专题特征
和时间特征表达的合理性等。 空间数据质量的评价，
就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、
专题和时间特征从世系 (继承性 )、位置精度、属性精
度、逻辑一致性、完整性和表现形式准确性进行评价。
数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从
数字质量产生和扩散的所有过程和环节人手，分别用
一定的方法减少误差。空间数据质量控制常见的方法
有：传统的手工方法、元数据方法、地理相关法。
(四 )地理空间数据库系统
?GIS数据库系统的变化表现为：
? 1．面向对象模型的应用，使地理空间数据
库系统具有更丰富的语义表达能力，并具有
模拟和操纵复杂的地理对象的能力。
? 2．多媒体技术的发展拓宽了地理空间数据
库系统的应用领域。现在广义的地理信息不
仅包括图形、图像和属性信息，而且还包括
音频、视频、动画等多媒体信息。
?3．虚拟现实技术促进了地理空间数据库的可
视化。这里地理空间数据被转换成一种虚拟
环境，人们可以进入该数据环境中，寻找不
同数据集之间的关系，感受数据所描述的环
境。
? 4．分布式处理和 Client／ Server模式的应用，
使地理空间数据库具有 Internet／ Intranet连接
能力，实现分布式事务处理、透明存取、跨
平台应用、异构网互联、多协议自动转换等
功能。
? 影像地图的显示：传统意义上的 地图是以纸质为载体
记录了非数字形式的图形,因而地图被描述为,地球
表面全部或某部分选定特征在平面上的图形表达,。
? 但是，任何图片或空间数据都可以表达为数字影像。
在 GIS中建立的数字影像与其他的影像 (例如医疗影像 )
是有区别的：它们是 地址编码过 的，即影像中的像元
点具有准确的投影位置记录，并且一般能够显示几种
空间数据类型及其注记。 GIS中的影像在显示时，既
表现出了传统地图的特性，又具有数字影像的特征，
因此被成为制图影像。
? 影像地图的构成：与空间对象关联的图形的要素，在
显示时，任意空间对象类型如点、线、不规则多边形
和像元，都可关联到图表要素上。
? 常见空间对象类型的图形要素表达形式：点要素、线
要素、不规则多边形要素、像元点要素。
? 在图形显示中，后显示的图形要素要覆盖先显示的图
形要素，所以在制图影像中不同类型的空间对象的显
示顺序是很重要的。
? 一般的显示顺序是：像元点数据、多边形数据，然后
是线状和点数据。
? 地图注记：地图影像的第二个主要内容是注记，注记
通常最后绘制，叠置在影像的地理要素之上。 注记包
括标志点、标题、文本框、图例、线状比例尺、方格
网和指北箭头等 。标志点一般与点状物体相对应，在
地图上有特定的位置；在某些系统中，标志点随着地
图比例尺的增大或缩小而自动变化。标题和文本框可
放在特定位置，有与标志点相似的特征。控制点、格
网线或分度张用于指示地理坐标或投影坐标。在某些
系统特定的文本文件中，图例与空间物体的类别相对
应。一般来说，地图注记的设计应尽可能灵活，这样
才有助于生产高质量的地图影像。
(五 )GIS的地理信息构成和信
息结构
? 地理信息是对地理实体特征的描述，地理实体特征一
般分为四类：
? 1．空间特征，描述地理实体空间位置、空间分布及
空间相对位置关系。
? 2．属性特征，描述地理实体的物理属性和地理意义。
? 3．关系特征，描述地理实体之间所有的地理关系，
包括空间关系、
? 分类关系、隶属关系等基本关系的描述，也包括对由基
本地理关系所构成的复杂地理关系的描述。
? 4．动态特征，描述地理实体的动态变化特征。地理
信息对这些特征的描述，是以一定信息结构为基础的。
(六 )地理信息的分类与编码
? 1．地理信息的分类
地理信息分类一般采用线分类法。
? 2．地理信息的编码
对地理信息的代码设计是在分类体系基础上进行的，
中国所编制的地理信息代码中，以层次码为主。目前，
已形成国家标准的地理信息方面的分类及代码已有多
个，例如,GB2260=80,中华人民共和国行政区划代
码,, GB／ T13923— 92,国土基础信息数据分类与
代码,, GBl4804— 93,1,500,1,1,000,1,200
地形图要素分类与代码,, GB／ T5660— 1995,1,5，
000,1,10,000,1,25,000,1,50,000,1：
100,000地形图要素分类与代码, 。
(七 )地理信息规范及标准的制定
?制定地理信息技术标准的主要对象、一
般要求和编制标准体系表是为促进全球
地理信息资源的开发、利用和共享，国
际标准化组织在 1994年 3月的技术局会
议上，决定成立地理信息／地球信息专
业技术委员会。该技术委员会的工作范
围为数字地理信息领域标准化。
(八 )GIS信息共享
? 一般 GIS存在地理信息是封闭、独立
的系统，没有统一的标准，不同的数据
格式、数据存储和数据处理方法难以共
享； GIS及其应用系统的开发都是基于
具体、相互独立和封闭的平台，并且在
数据语义无法直接进行应用系统之间的
数据共享等问题。
五、地理信息系统 (GIS)在物流
信息系统中的作用
? GIS应用于物流信息系统，可通过客
户邮编和详细地址字符串，自动确定客
户的地理位置 (经纬度 )和客户所在的中
心站和分站。
?通过基于 GIS的查询、地图表现的辅助
决策，实现对物流配送、投递路线的合
理调度和安排客户投递排序，用地图符
号在地图上表示客户的地理位置，不同
类型的客户 (如 A,B,c类客户等 )采用
不同的标志。
?物流地理信息系统主要应用包括以下几
个功能：
?客户地址定位：地址定位就是系统由一
个地理点的地址字符串确定其地理位置，
包括自动定位、交互定位两类。
?自动定位：自动定位由业务系统调用，
通过业务系统传来的业务点的地址字符
串确定其地理位置，并传回业务系统。
?交互定位：交互定位是指通过地理信息
系统交互，在地图上漫游查找，直到确
定地理位置 (经纬度 )为止
?机构区域划分：用户基于综合评估模型
和地理信息系统的查询、地图表现，实
现对机构区域编辑。
?站点选址：由用户基于分站综合评估模
型和地理信息系统的查询、地图表现，
实现对业务机构的站点选址。
?投递排序、路线编辑：通过地理信息系
统的地图表现，实现对送货投递路线的
合理编辑 (如：创建、删除、修改 )和客
户投递排序。
第二节全球定位系统
?一、全球定位系统的概述
?全球定位系统 (GPS,Global Positioning
System)。
系统的工作原理
?虽然 GPS系统有着如此神奇的应用，
工作原理却不神秘，它的计算基础是
大家都熟知的三角计算法则。下面通
过一个最简单的例子来说明它的计算
过程：
?某人在一个陌生城市迷
路了，只好向别人问路，
被告知此地距甲地 625
英里,由此推测该人可
能在以甲地为圆心，以
625英里为半径的圆周
上的任何一点，
?可是究竟是哪一点却
不得而知。只好再次
询问，得知此地同时
距乙地 650英里，综合
这两条信息，范围被
缩小到两个点。
?第三次询问得知该处距丙地
615英里，这时便能很清楚
地知道自己的所在位置。由
此看来根据三角计算法则，
只要知道某未知地距其他三
个已知地的距离，就可以推
算处该处精确的二维位置，
再加上一个空间高度的已知
值便能很容易确定它在三维
空间的位置。
?GPS之所以能够定位导航，是因为每台
GPS接收机无论在任何时刻、在地球上
任何位置都可以同时接收到最少 4颗 GPS
卫星发送的空间轨道信息。
二、全球定位系统 (GPS)的定义与分类
? (一 )GPS定义
? 全球卫星定位系统是利用卫星星座 (通信卫
星 )、地面控制部分和信号接收机对对象进行动
态定位的系统。 GPS能对静态、动态对象进行
动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受
天气和时间的限制反馈空间信息。
(二 )GPS分类
?GPS接收机的分类有多种分类方法：
? 1．按接收机的用途分类
? (1)导航型接收机：此类接收机主要用于运
动载体的导航，它可以实时给出载体的位置
和速度。这类接收机一般采用 C／ A码伪距测
量，单点实时定位精度较低，一般为± 25m，
有 SA影响时为± 100m。 这类接收机价格便宜，
应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收
机还可以进一步分为：
? 车载型 —— 用于车辆导航定位；
? 航海型 —— 用于船舶导航定位；
? 航空型 —— 用于飞机导航定位。由
于飞机运行速度快，因此，在航空
上用的接收机要求能和达应高速运
动。
? 星载型 —— 用于卫星的导航定位。
由于卫星的运动速度达 7km／ s以上，
因此对接收机的要求更高。
?(2)测地型接收机：测地型接收机主要用于精
密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要
采用载波相位观测值进行相对定位，定位精
度高。仪器结构复杂，价格较贵。
?(3)授时型接收机：这类接收机主要利用 GPS
卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用
于天文台及无线电通讯中时间同步。
2．按接收机的载波频率分类
? (1)单频接收机：单频接收机只能接收 L,载
波信号，测定载波相位观测值进行定位。由
于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收
机只适用于短基线 (<15kin>)的精密定位。
? (2)双频接收机：双频接收机可以同时按收
L，,L2载波信号。利用双频对电离层延迟不
一样的精性，可以消除电离层对电磁波信号
延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几
千公里的精密定位。
3．按接收机通道数分类
?GPS接收机能 同时接收多颗 GPS卫星的
信号,为了分离接收到的不同卫星信号，
以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，
具有这样功能的器件称为天线信号通道。
根据接收机所具有的通道种类可分为：
多能道接收机、序贯通道接收机、多路
多用通道接收机 。
4．按接收机工作原理分类
? (1)码相关型接收机：是利用码相关技术得到伪
距观测值。
? (2)平方型接收机：平方型接收机利用载波信号
的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波
信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信
号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪
距观测值。
? (3)混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接
收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以
得到载波相位观测值。
? (4)干涉型接收机：这种接收机是将 GPS卫星作
为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站
间距离。
三、全球定位系统 (GPS)的组成与功能
(一 )GPS的组成
GPS系统包括三大部分：
?空间部分一 GPS卫星星座；
?地面控制部分一地面监控系统；
?用户设备部分一 GPS信号接收机。
?1,GPS工作卫星及定位星座
? GPS工作卫星及定位星座 由 21
颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星
组成 GPS卫星星座,记做
(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀
分布在 6个轨道平面内，轨道倾
角度为 55度，各个轨道平面之间
相距 60度，即轨道的升交点赤经
各相差 60度。每个轨道平面内各
颗卫星之间的升交角距相差 90度，
轨道平面的卫星颗数随着时间和
地点的不同而不同，最少可见到
4颗，最多可以见到 11颗 。
?在用 GPS信号导航定位时，为了
解算测站的三维坐标，必须观测
4颗 GPS卫星，称为定位星座。
?GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。其
编号方法有：
?按发射先后次序编号；按 PRN(卫星所采用的
伪随机噪声码 )的不同编号；
?NASA编号 (美航空航天局对 GPS卫星的编号 )；
国际编号 (第一部分为该星发射年代，第二部
分表示该年中发射卫星的序号，字母 A代表发
射的有效负荷 )；按轨道位置顺序编号等。
在导航定位测量中，一般采用 PRN编号。
?在 GPS系统中,GPS卫星的作用如下：
? (1)用 L波段的两个无线载波 (19cm和 24cm)向
广大用户连续不断地发送导航定位信号 。每
个载波用导航信息 D(t)和伪随机码 (PRN)测距
信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定
位的伪随机码叫 C／ A(又叫 S码 )，精密测距码
(用于精密定位 )叫 P码。由导航电文可以知道
该卫星当前的位置和卫星的工作情况。
? (2)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面
注入站用 S波段 (10cm波段 )发送到卫星的导航
电文和其他有关信息,并通过 GPS信号电路，
适时发送给广大用户。
? (3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星
的 高度命令，适时地改正运行偏差或启用备
用时钟等 。
? 2．地面监控系统
? 对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知
点。星的位置是依据卫星发射的星历 —— 描
述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗 GPS
卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供
的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及
卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地
面设备进行监测和控制。地面监控系统另一
重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标
准 —— GPS时间系统。这就需要地面站监测各
颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入
站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设
备。
?GPS工作卫星的地面监控系统包括一个
主控站、三个注入站和五个监测站。主
控站设在美国本土科罗拉多。
?主控站的任务是搜集、处理本站和监测
站收到的全部资料，计算出每颗卫星的
星历和 GPS时间系统，将预测的卫星星
历、钟差、状态数据以及大气传播改正
编制成导航电文传送到注入站。
?三个注入站分别设在大西洋的阿林松岛、
印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦
加兰。任务是将主控站发来的导航电文
注入到相应卫星的存储器。每天注入三
次，每次注入 14天的星历。此外，注入
站能自动向主控站发射信号，每分钟报
告一次自己的工作状态。
?五个监测站均用 GPS信号接收机对每颗
可见卫星每 6分钟进行一次伪距测量和
积分多普勒观测，采集气象要素等数据。
在主控站的遥控下自动采集定轨数据并
进行各项改正，每 15分钟平滑一次观测
数据，依此推算出每 2分钟间隔的观测
值，然后将数据发送给主控站。
?3,GPS信号接收机
? GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度
截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这
些卫星的运行，对所接收到的 GPS信号进行变
换、放大和处理，以便测量出 GPS信号从卫星
到接收机天线的传播时间,解译出 GPS卫星所
发送的导航电文,实时地计算出测站的三维
位置，甚至三维速度和时间 。
四、全球定位系统 (GPS)的运行机理
(一 )GPS卫星定位的基本原理
? GPS最初是由美国国防部开发的，利
用离地面约两万多公里高的轨道上运行
的 24颗人造卫星所发射出来的讯号，以
三角测量原理计算出收讯者在地球上的
位置。 GPS采用的是全球性地心坐标系
统，坐标原点为地球质量中心 。
?(二 )GPS定位
? GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电
文中含有卫星的位置信息。用户用 GPS接收机
在某一时刻同时接收三颗以上的 GPS卫星信号
测量出测站点 (接收机在某一时刻同时接收三
以上 GPS卫星的距离并解算出该时刻 GPS卫星
的空间坐标，据此利用距离交汇法解算出测
站 P的位置。
(三 )GPS接收机的组成及工作原理
?GPS卫星发送的导航定位信号，是一种
可供无数用户共享的信息资源。对于陆
地、海洋和空间的广大用户，只要用户
拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS
信号的接收设备，即 GPS信号接收机。
五、全球定位系统 (GPS)在物流信息
系统中的作用
?第三方物流在提供的服务中有 2／ 3的是
基本的运输服务。
? 移动数据库技术配合 GPS技术，可以
用于智能交通管理、大宗货物运输管理。
GPS车辆监控调度系统采用了 GPS全球
卫星定位技术和无线数据通信技术，可
对移动中的 车辆进行实时监控和调度 。
?在运输方面，利用移动计算机与 GPS／ GIS车
辆信息系统相连，使得整个运输车队的运行
受到中央调度系统的控制。中央调度系统可
以对车辆的位置、状况等进行实时监控。利
用这些信息可以对运输车辆进行优化配置和
调遣，极大地提高运输工作的效率，同时能
够加强成本控制。另外，通过将车辆载货情
况以及到达目的地的时间预先通知下游单位
配送中心或仓库等，有利于下游单位合理地
配置资源、安排作业，从而提高运营效率，
节约物流成本。
?物流活动常处于运动的和非常分散的状
态，因此 地理信息系统 (GIS)和全球定位
系统 (GPS)等技术能够将物品移动的空间
数据进行有效的管理 。本章对 GIS和 GPS，
从概述、定义、分类、特征、组成与功
能、运行机理和在物流信息系统中的作
用进行介绍，使读者了解空间数据管理
的实用技术的原理。
第一节地理信息系统
?一、地理信息系统 (GIS)概述
?(一 )地理信息系统 (GIS)的产生
?GIS萌芽于 20世纪 60年代初,美国麻省
理工学院首次提出计算机图形学术，并
证明了交互计算机图形学是一个可行的、
有用的研究领域，从而显示出这一科学
分支的独立地位。
?(二 )地理信息系统 (GIS)与其他学科的关系
? 空间分析的理论学方法 为 GIS提供了有
关空间分析的基本观点与方法，成为 GIS
的基础。而 GIS的发展也为地理问题的解
决提供了全新的技术手段,地学数据处理
系统是以地学数据的搜集、存储、加工、
集成、再生成等数据处理为目标，为 GIS
提供符合一定标准和格式数据的信息系统。
GIS与相关学科
地理学
遥感
制图学
CAD与
计算机图形学
测量与摄影测量
?地学数据的处理分为两个层次：
? 1．以 数据格式、数据量、存在介质、精度、
空间表示法等为特征的 GIS外部数据处理,其
目的是为 GIS利用数据做准备，如遥感数字图
像的校正、图像增强、图像分类；
? 2,在 GIS内部数据的处理，它包括水平方向
的专题层内部数据处理、垂直方向上的专题层
之间的数据处理、适于不同比例尺需要的变焦
数据处理、用于动态分析的四维数据处理、用
于网络分析的运筹法数据处理。 数据处理系统
的数据包括具有统计性质的空间数据、遥感数
据、地学专题空间数据等。
?地图是记录地理信息的一种图形语言形
式 。 GIS脱胎于地图，并成为地图信息
的又一种新的载体形式，它具有存储、
分析、显示等功能，尤其是计算机制图
为地图的数字表示、操作和显示提供了
成套方法，为 GIS的图形输出设计提供
了技术支持。同时，地图仍是目前 GIS
的重要数据来源之一。
?两者间有着一定的差别,地图强调的是
数据分析、符号化与显示,而 GIS则注
重于信息分析 。从 GIS的发展过程可以
看出,GIS的产生、发展与制图信息系
统存在着密切的联系，两者的相通之处
是其于空间数据的空间信息表达、显示
和处理。从系统组成和功能上，一个
GIS拥有机助制图系统的所有组成和功
能，并且 GIS还有数据处理的功能。
? 随着电子制图系统 (EMS,Electronic mapping
system)的出现和发展，产生了 电子图集,它有许多新
的特征：
? 1,图文和数据多媒体集成,把图形的直观性、数
字的准确性、声音的引导性和亲切感相结合，充分利
用了读者的各种感官；
? 2,查询检索和分析决策功能,能够支持从地图图
形到非空间数据和从非空间数据到图形的双向检索；
? 3,图形动态变化功能,从开窗缩放、浏览阅读等
基本功能到地图动画功能、多维动画的图形模拟等；
? 4,具有良好的用户界面,使读者介入地图的生成
过程；
? 5,多级比例尺之间的相互转换,由于计算机屏幕
幅面的限制和计算机潜在计算机功能和巨大的存储能
力，要求具有多级比例尺不同程度的制图综合功能。
?数据库管理系统 (DBMS)主要设计用于
存储、管理和查询非空间的非空间数据,
并具备一些基本的统计分析功能，它是
现代 GIS不可缺少的重要组成部分之一，
它所具有的功能是 GIS有关数据操作功
能的重要组成部分。但是,一般 DBMS
在处理空间数据时缺乏空间分析能力。
?计算机图形理论是现代 GIS的技术理论
之一,计算机图形学提供了图形处理、
显示的软、硬件以及技术方法 。人工智
能的发展给 GIS的技术进步也带来了积
极的影响，虽然目前 GIS还没有充分利
用人工智能的各种技术，但它 提供了智
能化技术系统的设计技术与方法 。
?计算机网络技术 的发展则为 GIS的构件
技术的形成提供了新的机遇，为使地理
作系统发展成为社会信息基础设施的重
要组成部分奠定了基础。
?遥感作为空间数据采集手段,已成为
GIS的主要信息源与数据更新途径。遥
感图像处理系统包含若干复杂的解析函
数，并有许多方法用于信息的增强与分
类，但遥感系统本身的空间分析能力有
限，并 难与 DBMS系统相连。
?大地测量 为 GIS提供了精确定位的控制
信息，尤其是 全球定位系统 (GPS)可快
速、廉价地获取地表特征的数字位置信
息。 航空相片 及其精确测量方法的应用
使得摄影测量成为 GIS主要的地形数据
来源。 遥感是 GIS的主要数据源与更新
手段,同时,GIS的应用又进一步支持
遥感信息的综合开发与利用。
?(三 )GIS的发展
? GIS与地理空间信息的表示、处理、
分析和应用手段的不断发展紧密相连。
? GIS的存在与发展已历经 30余年，尤
其是北美地区，可将 GIS发展分为以下
几个阶段：
?1,20世纪 60年代为 GIS开拓期，注重于
空间数据的地学处理。
?2,20世纪 70年代为 GIS的巩固发展期，
注重于空间地理信息的管理。
? 3,20世纪 80年代为 GIS技术大发展时期，
注重于空间决策支持分析。
目前对 GIS的认识可归为三个相互独
立又相互关联的观点。
?一是 地图观点,强调 GIS作为信息载体
与传播媒介的地图功能，认为 GIS是一
种地图数据处理与显示系统,因此，每
个地理数据集可看成是一张地图，通过
地图代数实现数据的操作与运算，其结
果仍然再现为一张具有新内容的地图。
测绘及各专题地图部门非常重视 GIS的
快速生产高质量地图的能力。
?第二种观点称为 数据库观点,强调数据
库系统在地理信息系统中的重要地位，
认为一个完整的 DBMS是任何一个成功
的 GIS不可缺少的部分。
?第三种观点则是 分析工具 观点，强调
GIS的空间分析与模型分析功能，认为
GIS是一门空间信息科学。
?第三种观点普遍地为 GIS界所接受，并
认为这是区分 GIS与其他地理数据自动
化处理系统的惟一特征。
二、地理信息系统 (GIS)的定义、分
类和特征
? (一 )定义
? GIS可定义 为由计算机系统、地理数据和用户组成
的，通过对地理数据的集成、存储检索、操作和分析，
生成并输入各种地理信息，从而为土地利用、资源管
理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及
政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规
划、管理决策服务 。
? GIS可简单定义为 用于采集、模拟、处理、检索、分
析和表达地理空间数据的计算机信息系统。 它是有关
空间数据管理和空间信息分析的计算机系统。
GIS定义 —定义类型
?面向数据处理过程定义
?面向专题应用定义
?面向工具箱定义
?面向数据库定义
GIS定义 —作用与地位
?地图观点：地图数据处理与显示
?数据库观点：计算机角度
?分析工具观点：空间分析与空间建模
GIS定义 —术语
? 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）
GIS定义
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）
GIS定义 —概念框架
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
GIS定义 —对 GIS的理解
?GIS的物理外壳是计算机化的技术系统
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对空间数据的管理好操作，是 GIS区别于其它信息
系统的根本标志，也是技术难点之一。
GIS定义 —对 GIS的理解（续）
?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。
GIS引入地学界，如同 Fortran语言引入计算机科学界一样重
要。
美国学者 K,I.兰菲尔
GIS定义 —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
(二 )分类
信息系统按照是否含空间信息分为非空间
信息系统 (一般指管理信息系统 )和空间信息
系统。
?空间信息系统分为非 GIS(一般 CAD／ CAM)
和 GIS。
?GIS依照其应用领域可分为土地信息系统、
资源管理信息系统、地学信息系统等 ；
?根据其使用的数据模型，可分为矢量、栅
格和混合型信息系统；
?根据其服务对象，可分为专题信息系统和
区域信息系统。
?管理信息系统是以管理为目的，在计算
机硬件和软件支持下具有存储、处理、
管理和分析数据能力的信息系统，这类
信息系统的最大特征是它处理的数据没
有或者不包括空问特征。
?另一类管理信息系统是以具有空间分析
功能的 GIS为支持、以管理为目标的信
息系统，它利用 GIS的各种功能实现对
具有空间特征的要素进行处理分析以达
到管理区域系统的目的，如城市交通管
理信息系统。
? (三 )特征
与一般的管理信息系统相比,GIS具有以下特征：
? 1,GIS使用了 空间数据与非空间数据,并通过
DBMS将两者联系在一起共同管理、分析和应用；而
MIS只有非空间数据库的管理，即使存储了图形，也
往往以文件形式等机械形式存储，不能进行有关空间
数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等，不能
进行复杂的空间分析。
? 2,GIS强调 空间分析,通过利用空间解析式模型来
分析空间数据,GIS的成功应用依赖于空间分析模型
的研究与设计。
? 3,GIS的成功应用不仅取决于技术体系，而且 依靠
一定的组织体系 (包括实施组成、系统管理员、技术
操作员、系统开发设计者等 )。
三、地理信息系统 (GIS)的组成
与功能
?(一 )地理信息的组成
?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 。而地理数据则是
各种地理特征和现象间关系的符号化表
示，包括 空间位, 属性特征 (简称属性 )
及时域特征 三部分。
?空间位置 数据描述地物所在位置。这种位置
既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度
坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，
如空间上的相邻、包含等；
?属性特征 有时又称非空间数据，是属于一定
地物、描述其特征的定性或定量指标。
?时域特征 是指地理数据采集或地理现象发生
的时刻／时段。时间数据对环境模拟分析非
常重要。空间位置、属性及时问是地理空间
分析的三大基本要素。
(二 )地理信息的特征
地理信息除了具有信息的一般特性，如共享
性、客观性等外，还具有以下独特特性：
1．地理信息具有空间定位的特点
? 先定位后定性，并在区域上表现出分布式
特点，不可重叠，其属性表现为多层次，因
此地理数据库的分布或更新也应是分布式。
2．数据量大
? 地理信息既有空问特征，又有属性特
征，并包括一个较长的发展时段，因此
其数据量很大。如全国 1,400万土地利
用数据，经过一定的综合后，其 ARC／
INFO的 Coverage格式数据量为 8,2兆。
尤其是随着全球对观测计划不断发展，
我们每天都可以获得上万亿的关于地球
资源、环境特征的数据。这必然对数据
处理与分析带来很大压力。
3．信息载体的多样性
? 地理信息的第一载体是地理实体的物
质和能量本身，除此之外，还有描述地
理实体的文字、数字、地图和影像等符
号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物
理介质载体。对于地图来说，它不仅是
信息的载体，也是信息的传播媒介。
?(三 )GIS的组成
? 一个典型的 GIS应包括三个基本部分：
计算机系统 (硬件、软件 )、地理数据库
系统、应用人员与组织机构 。
GIS的组成 —概论
系
统
软
件
系
统
硬
件
空间
数据
用户
GIS的组成 —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
GIS的组成 —硬件 — 应用模式
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
GIS的组成 —硬件 — 应用模式
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
GIS的组成 —硬件 — 应用模式
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
GIS的组成 —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
GIS的组成 —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。
GIS的组成 —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 。 Oracle,Informix、
Ingress等关系数据库管理软件都相继增加了空间
数据类型。而 ESRI公司的 SDE（ Spatial Database
Engine）也是基于关系数据库的空间数据管理平台。
? 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
GIS的组成 —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
GIS的组成 —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
GIS的组成 —管理人员
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。
(四 ) 地理信息系统 (GIS)的功能
（核心问题）
?位置（ Locations）
?条件（ Conditions）
?趋势（ Trends）
?模式（ Patterns）
?模型（ Models）
GIS的功能 —基本功能 —位置
? 某个特定位置有什
么？
? 几何查属性
? 例：国家属性查询
GIS的功能 —基本功能 —条件
? 满足给定条件的
地理对象分布
? 属性查位置
? 例：客户分布
GIS的功能 —基本功能 —趋势
? 地理对象随时间的
变化
? 例：人口变化趋势
GIS的功能 —基本功能 —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
GIS的功能 —基本功能 —模型
? 解决问题方案
? 基于模型的
? 例：公园选址
GIS的功能 —基本功能实现
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
GIS的功能 —基本功能实现 数据获取
GIS的功能 —功能实现 编辑变换与处理
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、栅个格转化，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
GIS的功能 —功能实现 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
GIS的功能 —功能实现 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
GIS的功能 —功能实现 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
GIS的功能 —功能实现 用户界面
GIS的功能 —功能实现 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；
GIS特征
? GIS与 CAD,CAM
? 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
GIS特征（续）
GIS与 CAD,CAM：
? 坐标参考系统
? 处理图形、非图形数据；
? 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若，而 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；
GIS特征（续）
GIS与 MIS
? 对属性数据进行管理和处理
? 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。
GIS特征（续）
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。
? 面向位置的特征
? 遥感图象处理系统不能看作是 GIS。
GIS特征（续）
GIS与机助制图系统、地图数据库
? 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
? 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。
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）
主要 GIS软件
GIS软件性能分析
四、地理信息系统 (GIS )的运行机理
? (一 )地理空间的定义与数据的组织
? GIS中的空间概念常用“地理空间” (Geo—
spatial)来表述。一般来说,地理空间被定义为
绝对空间和相对空间两种形式。
?绝对空间 是具有属性描述的空间位置的集合，
它由一系列不同位置的空间坐标值组成；
?相对空间 是具空间属性特征的实体的集合，
它是由不同实体之间的空间关系构成。
?依据地理实体之间 不同的特征 (如公路和
铁路的建造方式不同而将它们视为不同
的类 )、相似的特征 (如公路和铁路都具
有运输功能而将它们视为一类 )以及 不同
地理实体的组合特征 (如飞机跑道、出租
车道、建筑楼群和停车场共同组成飞机
场 )来对地理特征进行分类，以实现空间
数据的组织。
?在 GIS中，对空间实体的数据描述分为空间特
征和属性特征，
?属性特征 是对于空间特征的描述，属性值包
括数字值和非数值两种，例如描述道路实体
的属性特征包括：道路类型,1表示高速公路，
2表示主干道,3表示居民街道,5表示其他；
路面物质构成,1表示水泥,2表示柏油,3表
示碎石；道路宽度,M米；小巷数量,N个；
道路名字：每条路的名字。
? 每一条道路都有一组属性对其进行描述，这
样的表被称为属性表。
?空间特征数据的表达方式包括各种数据结构，
并表现为点、线、面等各种图形符号信息；
?属性特征数据的表达方式包括基于地理特征
(包括空间特征和属性特征 )的多种分类关系的
表格。
?GIS正是通过建立空间特征数据的图形符号表
达与属性特征数据的表格表达之间的联系，
才具备了强大的空间分析能力。
?如何建立空间特征数据和属性特征数据之间
的联系?
?空间特征是通过坐标值和拓扑关系来表达,
属性特征又是组织成表格中一系列的记录 。
如果对于每一个具有拓扑关系的空间特征以
及这个空间特征的一个描述记录赋予共同并
且是惟一的标识符 (Identifier)，那么，由于这
个标识符保证了在空间特征和属性记录之间
一一对应的关系，这样，就可以通过空间记
录查找并显示属性信息，或者依据存储在属
性表格中的属性生成具有地学分析意义的空
间图形，如地图。一个空间特性可以具有多
个属性特征描述集合。
?(二 )空间数据的编码
GIS中的实体 (对象 )一般包括三种基本信息，
语义信息、度量信息和关系结构信息。
?语义信息表明实体的类型；
?度量信息用于描述实体的形状和位置等几何属性；
?关系结构信息用于描述一个实体与其他实体
的联系；
?空间数据的编码则主要是 指语义信息的数据
化，它是建立在地理特征的分类及其等级组
织基础之上的空间信息数据编码 。
?空间数据的编码 用于表明实体元素在数据分类分
级中的层次关系和属性性质 。编码由主码和子码
共同组成的；
?主码表示实体元素的类别；
?子码则是对实体元素的标识和描述，子码又可分
为识别码的描述码 (有时还需要有参数码 )；
?识别码用于睢一地址标识具体的实体元素；
?描述码则是对实体元素的进一步性质描述。
?如果规定编码格式为，主码占 3位，子
码占 5位，则每个属性编码占 1个字节。
通常，可采用 2字节的无符号整型数 (范
围为 0～ 65535)记录属性编码。
?从理论说，用 无符号整型数可编码 65536种不
同的实体元素, 足以表示现有地形而上学图
规范和图式中的所有类别，且有扩充余地。
为了与有关标准进行相互转换，并将编码组
织成树结构，可用无符号整型数的前二位 (范
围为 0— 64)记录主码，后三位 (范围为 0— 999)
记录子码 (其中 0。 499表示识别码,500,999
表示描述码 )。这样的编码可表示 65种主码，
每种主码下可有 1,000种子码，并且还有 536
种大于或等于 65,000的特殊用途编码。这种
属性编码仅占 2字节，并且具有可扩充性。
?(三 )空间数据描述
? 空间位置、专题特征以及时间是表达
现实世界空间变化的三个基本要素。空
间数据是有关空间位置、专题特征以及
时间信息的符号记录。而数据质量则是
空间数据在表达这三个基本要素时，所
能够达到的准确性、一致性、完整性，
以及它们三者之间统一性的程度。
?空间数据是对现实世界中空间特征和过
程的抽象表达。由于现实世界的复杂性
和模糊性，以及人类认识和表达能力的
局限性，只能在一定程度上接近真值。
在某些应用中，用户可能根据需要来对
数据进行一定的删、减和扩充，这对数
据记录本身来说是一种误差。
? 1．数据情况说明：要求对地理数据的来源、数据内容及其处理过程等
作出准确、全面和详尽的说明。
? 2．位置精度或称定位精度：为空间实体的坐标数据与实体真实位置
的接近程度，常表现为空间三维坐标数据精度。它包括数据基础精度、平面精度、高程精度、接边精度、形状再现精度 (形状保真度 )、像元定
位精度 (图像分辨率 )等。
? 3．属性精度：指空间实体的属性与其真值相符的程度。通常取决于
地理数据的类型，且常常与位置精度有关，包括要素分类与代码的正确
性、要素属性值的准确性及其名称的正确性等。
? 4．时间精度：可以通过数据更新的时间和频度来表现。
? 5．逻辑一致性：指地理数据关系上的可靠性，包括数据结构、数据
内容 (包括空间特征、专题特征和时间特征 )，以及拓扑性质上的内在一
致性。
? 6．数据完整性：指地理数据在范围、内容及结构等
方面满足所有要求的完整程度，包括数据范围、空间
实体类型、空间关系分类、属性特征分类等方面的完
整性。
? 7．表达形式的合理性：主要指数据抽象、数据表
达与真实地理世界吻合性，包括空间特征、专题特征
和时间特征表达的合理性等。 空间数据质量的评价，
就是用空间数据质量标准要素对数据所描述的空间、
专题和时间特征从世系 (继承性 )、位置精度、属性精
度、逻辑一致性、完整性和表现形式准确性进行评价。
数据质量控制是个复杂的过程，要控制数据质量应从
数字质量产生和扩散的所有过程和环节人手，分别用
一定的方法减少误差。空间数据质量控制常见的方法
有：传统的手工方法、元数据方法、地理相关法。
(四 )地理空间数据库系统
?GIS数据库系统的变化表现为：
? 1．面向对象模型的应用，使地理空间数据
库系统具有更丰富的语义表达能力，并具有
模拟和操纵复杂的地理对象的能力。
? 2．多媒体技术的发展拓宽了地理空间数据
库系统的应用领域。现在广义的地理信息不
仅包括图形、图像和属性信息，而且还包括
音频、视频、动画等多媒体信息。
?3．虚拟现实技术促进了地理空间数据库的可
视化。这里地理空间数据被转换成一种虚拟
环境，人们可以进入该数据环境中，寻找不
同数据集之间的关系，感受数据所描述的环
境。
? 4．分布式处理和 Client／ Server模式的应用，
使地理空间数据库具有 Internet／ Intranet连接
能力，实现分布式事务处理、透明存取、跨
平台应用、异构网互联、多协议自动转换等
功能。
? 影像地图的显示：传统意义上的 地图是以纸质为载体
记录了非数字形式的图形,因而地图被描述为,地球
表面全部或某部分选定特征在平面上的图形表达,。
? 但是，任何图片或空间数据都可以表达为数字影像。
在 GIS中建立的数字影像与其他的影像 (例如医疗影像 )
是有区别的：它们是 地址编码过 的，即影像中的像元
点具有准确的投影位置记录，并且一般能够显示几种
空间数据类型及其注记。 GIS中的影像在显示时，既
表现出了传统地图的特性，又具有数字影像的特征，
因此被成为制图影像。
? 影像地图的构成：与空间对象关联的图形的要素，在
显示时，任意空间对象类型如点、线、不规则多边形
和像元，都可关联到图表要素上。
? 常见空间对象类型的图形要素表达形式：点要素、线
要素、不规则多边形要素、像元点要素。
? 在图形显示中，后显示的图形要素要覆盖先显示的图
形要素，所以在制图影像中不同类型的空间对象的显
示顺序是很重要的。
? 一般的显示顺序是：像元点数据、多边形数据，然后
是线状和点数据。
? 地图注记：地图影像的第二个主要内容是注记，注记
通常最后绘制，叠置在影像的地理要素之上。 注记包
括标志点、标题、文本框、图例、线状比例尺、方格
网和指北箭头等 。标志点一般与点状物体相对应，在
地图上有特定的位置；在某些系统中，标志点随着地
图比例尺的增大或缩小而自动变化。标题和文本框可
放在特定位置，有与标志点相似的特征。控制点、格
网线或分度张用于指示地理坐标或投影坐标。在某些
系统特定的文本文件中，图例与空间物体的类别相对
应。一般来说，地图注记的设计应尽可能灵活，这样
才有助于生产高质量的地图影像。
(五 )GIS的地理信息构成和信
息结构
? 地理信息是对地理实体特征的描述，地理实体特征一
般分为四类：
? 1．空间特征，描述地理实体空间位置、空间分布及
空间相对位置关系。
? 2．属性特征，描述地理实体的物理属性和地理意义。
? 3．关系特征，描述地理实体之间所有的地理关系，
包括空间关系、
? 分类关系、隶属关系等基本关系的描述，也包括对由基
本地理关系所构成的复杂地理关系的描述。
? 4．动态特征，描述地理实体的动态变化特征。地理
信息对这些特征的描述，是以一定信息结构为基础的。
(六 )地理信息的分类与编码
? 1．地理信息的分类
地理信息分类一般采用线分类法。
? 2．地理信息的编码
对地理信息的代码设计是在分类体系基础上进行的，
中国所编制的地理信息代码中，以层次码为主。目前，
已形成国家标准的地理信息方面的分类及代码已有多
个，例如,GB2260=80,中华人民共和国行政区划代
码,, GB／ T13923— 92,国土基础信息数据分类与
代码,, GBl4804— 93,1,500,1,1,000,1,200
地形图要素分类与代码,, GB／ T5660— 1995,1,5，
000,1,10,000,1,25,000,1,50,000,1：
100,000地形图要素分类与代码, 。
(七 )地理信息规范及标准的制定
?制定地理信息技术标准的主要对象、一
般要求和编制标准体系表是为促进全球
地理信息资源的开发、利用和共享，国
际标准化组织在 1994年 3月的技术局会
议上，决定成立地理信息／地球信息专
业技术委员会。该技术委员会的工作范
围为数字地理信息领域标准化。
(八 )GIS信息共享
? 一般 GIS存在地理信息是封闭、独立
的系统，没有统一的标准，不同的数据
格式、数据存储和数据处理方法难以共
享； GIS及其应用系统的开发都是基于
具体、相互独立和封闭的平台，并且在
数据语义无法直接进行应用系统之间的
数据共享等问题。
五、地理信息系统 (GIS)在物流
信息系统中的作用
? GIS应用于物流信息系统，可通过客
户邮编和详细地址字符串，自动确定客
户的地理位置 (经纬度 )和客户所在的中
心站和分站。
?通过基于 GIS的查询、地图表现的辅助
决策，实现对物流配送、投递路线的合
理调度和安排客户投递排序，用地图符
号在地图上表示客户的地理位置，不同
类型的客户 (如 A,B,c类客户等 )采用
不同的标志。
?物流地理信息系统主要应用包括以下几
个功能：
?客户地址定位：地址定位就是系统由一
个地理点的地址字符串确定其地理位置，
包括自动定位、交互定位两类。
?自动定位：自动定位由业务系统调用，
通过业务系统传来的业务点的地址字符
串确定其地理位置，并传回业务系统。
?交互定位：交互定位是指通过地理信息
系统交互，在地图上漫游查找，直到确
定地理位置 (经纬度 )为止
?机构区域划分：用户基于综合评估模型
和地理信息系统的查询、地图表现，实
现对机构区域编辑。
?站点选址：由用户基于分站综合评估模
型和地理信息系统的查询、地图表现，
实现对业务机构的站点选址。
?投递排序、路线编辑：通过地理信息系
统的地图表现，实现对送货投递路线的
合理编辑 (如：创建、删除、修改 )和客
户投递排序。
第二节全球定位系统
?一、全球定位系统的概述
?全球定位系统 (GPS,Global Positioning
System)。
系统的工作原理
?虽然 GPS系统有着如此神奇的应用，
工作原理却不神秘，它的计算基础是
大家都熟知的三角计算法则。下面通
过一个最简单的例子来说明它的计算
过程：
?某人在一个陌生城市迷
路了，只好向别人问路，
被告知此地距甲地 625
英里,由此推测该人可
能在以甲地为圆心，以
625英里为半径的圆周
上的任何一点，
?可是究竟是哪一点却
不得而知。只好再次
询问，得知此地同时
距乙地 650英里，综合
这两条信息，范围被
缩小到两个点。
?第三次询问得知该处距丙地
615英里，这时便能很清楚
地知道自己的所在位置。由
此看来根据三角计算法则，
只要知道某未知地距其他三
个已知地的距离，就可以推
算处该处精确的二维位置，
再加上一个空间高度的已知
值便能很容易确定它在三维
空间的位置。
?GPS之所以能够定位导航，是因为每台
GPS接收机无论在任何时刻、在地球上
任何位置都可以同时接收到最少 4颗 GPS
卫星发送的空间轨道信息。
二、全球定位系统 (GPS)的定义与分类
? (一 )GPS定义
? 全球卫星定位系统是利用卫星星座 (通信卫
星 )、地面控制部分和信号接收机对对象进行动
态定位的系统。 GPS能对静态、动态对象进行
动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受
天气和时间的限制反馈空间信息。
(二 )GPS分类
?GPS接收机的分类有多种分类方法：
? 1．按接收机的用途分类
? (1)导航型接收机：此类接收机主要用于运
动载体的导航，它可以实时给出载体的位置
和速度。这类接收机一般采用 C／ A码伪距测
量，单点实时定位精度较低，一般为± 25m，
有 SA影响时为± 100m。 这类接收机价格便宜，
应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收
机还可以进一步分为：
? 车载型 —— 用于车辆导航定位；
? 航海型 —— 用于船舶导航定位；
? 航空型 —— 用于飞机导航定位。由
于飞机运行速度快，因此，在航空
上用的接收机要求能和达应高速运
动。
? 星载型 —— 用于卫星的导航定位。
由于卫星的运动速度达 7km／ s以上，
因此对接收机的要求更高。
?(2)测地型接收机：测地型接收机主要用于精
密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要
采用载波相位观测值进行相对定位，定位精
度高。仪器结构复杂，价格较贵。
?(3)授时型接收机：这类接收机主要利用 GPS
卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用
于天文台及无线电通讯中时间同步。
2．按接收机的载波频率分类
? (1)单频接收机：单频接收机只能接收 L,载
波信号，测定载波相位观测值进行定位。由
于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收
机只适用于短基线 (<15kin>)的精密定位。
? (2)双频接收机：双频接收机可以同时按收
L，,L2载波信号。利用双频对电离层延迟不
一样的精性，可以消除电离层对电磁波信号
延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几
千公里的精密定位。
3．按接收机通道数分类
?GPS接收机能 同时接收多颗 GPS卫星的
信号,为了分离接收到的不同卫星信号，
以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，
具有这样功能的器件称为天线信号通道。
根据接收机所具有的通道种类可分为：
多能道接收机、序贯通道接收机、多路
多用通道接收机 。
4．按接收机工作原理分类
? (1)码相关型接收机：是利用码相关技术得到伪
距观测值。
? (2)平方型接收机：平方型接收机利用载波信号
的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波
信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信
号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪
距观测值。
? (3)混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接
收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以
得到载波相位观测值。
? (4)干涉型接收机：这种接收机是将 GPS卫星作
为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站
间距离。
三、全球定位系统 (GPS)的组成与功能
(一 )GPS的组成
GPS系统包括三大部分：
?空间部分一 GPS卫星星座；
?地面控制部分一地面监控系统；
?用户设备部分一 GPS信号接收机。
?1,GPS工作卫星及定位星座
? GPS工作卫星及定位星座 由 21
颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星
组成 GPS卫星星座,记做
(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀
分布在 6个轨道平面内，轨道倾
角度为 55度，各个轨道平面之间
相距 60度，即轨道的升交点赤经
各相差 60度。每个轨道平面内各
颗卫星之间的升交角距相差 90度，
轨道平面的卫星颗数随着时间和
地点的不同而不同，最少可见到
4颗，最多可以见到 11颗 。
?在用 GPS信号导航定位时，为了
解算测站的三维坐标，必须观测
4颗 GPS卫星，称为定位星座。
?GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。其
编号方法有：
?按发射先后次序编号；按 PRN(卫星所采用的
伪随机噪声码 )的不同编号；
?NASA编号 (美航空航天局对 GPS卫星的编号 )；
国际编号 (第一部分为该星发射年代，第二部
分表示该年中发射卫星的序号，字母 A代表发
射的有效负荷 )；按轨道位置顺序编号等。
在导航定位测量中，一般采用 PRN编号。
?在 GPS系统中,GPS卫星的作用如下：
? (1)用 L波段的两个无线载波 (19cm和 24cm)向
广大用户连续不断地发送导航定位信号 。每
个载波用导航信息 D(t)和伪随机码 (PRN)测距
信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定
位的伪随机码叫 C／ A(又叫 S码 )，精密测距码
(用于精密定位 )叫 P码。由导航电文可以知道
该卫星当前的位置和卫星的工作情况。
? (2)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面
注入站用 S波段 (10cm波段 )发送到卫星的导航
电文和其他有关信息,并通过 GPS信号电路，
适时发送给广大用户。
? (3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星
的 高度命令，适时地改正运行偏差或启用备
用时钟等 。
? 2．地面监控系统
? 对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知
点。星的位置是依据卫星发射的星历 —— 描
述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗 GPS
卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供
的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及
卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地
面设备进行监测和控制。地面监控系统另一
重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标
准 —— GPS时间系统。这就需要地面站监测各
颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入
站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设
备。
?GPS工作卫星的地面监控系统包括一个
主控站、三个注入站和五个监测站。主
控站设在美国本土科罗拉多。
?主控站的任务是搜集、处理本站和监测
站收到的全部资料，计算出每颗卫星的
星历和 GPS时间系统，将预测的卫星星
历、钟差、状态数据以及大气传播改正
编制成导航电文传送到注入站。
?三个注入站分别设在大西洋的阿林松岛、
印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦
加兰。任务是将主控站发来的导航电文
注入到相应卫星的存储器。每天注入三
次，每次注入 14天的星历。此外，注入
站能自动向主控站发射信号，每分钟报
告一次自己的工作状态。
?五个监测站均用 GPS信号接收机对每颗
可见卫星每 6分钟进行一次伪距测量和
积分多普勒观测，采集气象要素等数据。
在主控站的遥控下自动采集定轨数据并
进行各项改正，每 15分钟平滑一次观测
数据，依此推算出每 2分钟间隔的观测
值，然后将数据发送给主控站。
?3,GPS信号接收机
? GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度
截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这
些卫星的运行，对所接收到的 GPS信号进行变
换、放大和处理，以便测量出 GPS信号从卫星
到接收机天线的传播时间,解译出 GPS卫星所
发送的导航电文,实时地计算出测站的三维
位置，甚至三维速度和时间 。
四、全球定位系统 (GPS)的运行机理
(一 )GPS卫星定位的基本原理
? GPS最初是由美国国防部开发的，利
用离地面约两万多公里高的轨道上运行
的 24颗人造卫星所发射出来的讯号，以
三角测量原理计算出收讯者在地球上的
位置。 GPS采用的是全球性地心坐标系
统，坐标原点为地球质量中心 。
?(二 )GPS定位
? GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电
文中含有卫星的位置信息。用户用 GPS接收机
在某一时刻同时接收三颗以上的 GPS卫星信号
测量出测站点 (接收机在某一时刻同时接收三
以上 GPS卫星的距离并解算出该时刻 GPS卫星
的空间坐标，据此利用距离交汇法解算出测
站 P的位置。
(三 )GPS接收机的组成及工作原理
?GPS卫星发送的导航定位信号，是一种
可供无数用户共享的信息资源。对于陆
地、海洋和空间的广大用户，只要用户
拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS
信号的接收设备，即 GPS信号接收机。
五、全球定位系统 (GPS)在物流信息
系统中的作用
?第三方物流在提供的服务中有 2／ 3的是
基本的运输服务。
? 移动数据库技术配合 GPS技术，可以
用于智能交通管理、大宗货物运输管理。
GPS车辆监控调度系统采用了 GPS全球
卫星定位技术和无线数据通信技术，可
对移动中的 车辆进行实时监控和调度 。
?在运输方面，利用移动计算机与 GPS／ GIS车
辆信息系统相连，使得整个运输车队的运行
受到中央调度系统的控制。中央调度系统可
以对车辆的位置、状况等进行实时监控。利
用这些信息可以对运输车辆进行优化配置和
调遣，极大地提高运输工作的效率，同时能
够加强成本控制。另外，通过将车辆载货情
况以及到达目的地的时间预先通知下游单位
配送中心或仓库等，有利于下游单位合理地
配置资源、安排作业，从而提高运营效率，
节约物流成本。
