汤国安《地理信息系统教程》（第二版）笔记（1）——概论

说明：
本文为汤国安《地理信息系统教程》（第二版）笔记，
适用于南京师范大学考研初试专业课地理信息系统842，
主要内容为课本简化，带有些许个人理解。
作者水平有限，难免错漏，如有还请指出。

第1章 概论

1.1 GIS基本概念

1.1.1 信息与地理信息

1. 数据与信息

数据：人类在认识世界和改造世界过程中，定性或定量描述食物和环境的直接或间接原始记录。（未经加工的对客观对象的表示）

信息：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。

信息的特征：客观性、适用性、可传输性、共享性

2. 地理数据和地理信息

地理数据：表达地理特征和地理现象之间关系的数据。

地理信息：有关地理实体和地理现象的性质、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和地理现象之间关系的地理数据的解释。

地理数据的特征

• 空间上的分布性：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，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。
• 时间上的序列性：地理信息随着时间呈现变或不变的特性。
• 数量上的海量性：反映地理数据的巨大性，地理数据既有空间特征，又有属性特征，还具有时间特征，因此数据量巨大。
• 载体的多样性：地理信息的载体有地理实体和 地理现象的文字、数字、地图和影像等符号信息载体（主要），以及纸质、光盘、硬盘等物理介质载体。

地理实体或地理对象的数据描述：空间位置、属性数据、时域数据

3. 地理信息的特征

• 空间相关性：任何地理事物都是相关的，并且在空间上相距越近则空间相关性越大，反之越小，同时地理事物的空间相关性具有区域性特点。
• 空间区域性：空间区域性是地理信息的天然特性，不仅体现在数据上的分区组织，而且在应用方面也是面向区域的，即一个部门或专题必然也是面向所管理的服务或区域的。
• 空间多样性：在不同区域和地方，地理数据的变化趋势是不同的，所以地理信息的分析结果需要依赖于其位置；不同区域对地理信息的需求不一样，特别对于地理信息服务，信息的生产、存储和使用安排需要考虑不同地方对信息的需求不同。
• 空间层次性：同一区域上的地理对象具有多重属性；不同空间尺度数据具有不同的空间信息特征。

1.1.2 信息系统

1. 信息系统：具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统，由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素（+知识）组成。
2. 信息系统的类型

按处理对象的不同类型分：

• 空间信息系统（地理信息系统）
• 非空间信息系统

按应用层次分

• 事务处理系统
• 管理信息系统
• 决策支持系统（地理信息系统）

1.1.3 地理信息系统

1. 地理信息系统定义

地理信息系统：既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，有是一项工程应用技术，是以地学原理为依托，在计算机软硬件系统支持下，研究空间数据的采集、处理、存储、管理、分析、建模、显示和传播的相关理论方法和应用技术，以解决复杂的管理、规划和决策等问题。

2. 地理信息系统的内涵

GIS的基本内涵：

• GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，这些子系统的结构及其优劣程度直接影响着GIS的硬件平台的功能和效率、数据处理的方式和产品输出的类型。
• GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有空间位置和空间形态特征并且能够很好地表达地理实体和地理现象的基本元素。每一个空间技术都按统一的地理坐标进行编码，这也是GIS区别于其它信息系统的根本标志和技术难点。
• GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟和分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。
• GIS与测绘学和地理学有着密切的关系
  • 测绘学
    • 为空间实体提供不同比例尺和精度的定位数
    • 现代测绘技术获得数字信息产品为GIS提供丰富和更为及时的信息源，并促使GIS向更高层发展
  • 地理学
    • GIS的理论依托
    • 信息地理学
    • 地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体

3.地理信息系统基本特征

• 数据的空间定位特征：空间位置特征是地理数据独有的
• 空间关系处理的复杂性
  • 空间数据处理的复杂性：地理信息系统除了要完成一般信息系统的工作外，还要处理与之对应的空间位置和空间关系，以及与属性数据的一一对应问题；
  • 数据的管理：空间数据是不定长的，而且新的空间数据及其关系在空间分析过程中能不断产生
• 海量数据特征
  • 地理数据本身是海量数据
  • 空间分析过程中产生的数据也是海量数据
  • 海量数据带来系统运转、数据组织、网络传输等一系列的技术难题

1.1.4 地理信息系统外延

1. 地理信息系统术语

GIS定义的四种观点：

• 面向数据处理过程的定义：从GIS的数据流程角度来定义，即把GIS定义为空间数据的采集、存储、管理和分析的技术系统
• 面向专题应用的定义：在面向过程定义的基础上，强调GIS处理的数据类型
• 面向工具箱的定义：基于软件系统，认为GIS是处理复杂地理空间数据工具的集合
• 面向数据库的定义：在面向工具箱的定义的基础上，更加强调分析工具和数据库间的链接，GIS是空间分析方法和数据管理系统的集合

2. GIS中“S”含义演变

• 地理信息系统Geographic Information System
• 地理信息科学Geographic Information Science
• 地理信息服务Geographic Information Service

1.2 GIS的组成

• 硬件系统
• 软件系统
  • GIS支撑软件
    • 操作系统OS
    • 数据库管理系统DBMS
  • GIS平台软件
    • 基础应用程序ArcMap
    • 软件开发包（Software Development Kit, SDK）
  • GIS应用软件（支持具体领域需要）
• 空间数据（几何坐标、拓扑关系、非几何属性）
• 地学模型：根据具体的地学目标和问题，根据GIS已有的操作和方法为基础，构建表达或模拟特定现象的地学模型ArcGIS的Model Buildings
• 应用人员
  • 科学研究人员
  • 项目管理人员
  • 软件设计人员
  • 系统开发人员
  • 数据维护人员
  • 普通用户

1.3 GIS功能

1.3.1 基本功能需求

• 位置：某个地方有什么→空间查询
• 条件：符合某些条件的地理对象在哪里→较为复杂的空间查询SQL
• 趋势：某个地方发生的某个时间及其随事件变化的过程
• 模式：地理对象实体和现象的空间分布之间的空间关系问题
• 模拟：某个地方如果具备某种条件会发生什么的问题

1.3.2 GIS的基本功能

• 数据采集
• 数据编辑与处理
• 数据存储、组织和管理
• 空间查询与空间分析
• 数据输出和可视化表达
• 应用模型与系统开发

1.3.3 GIS应用功能

可以从五个方面考虑：

• 社会经济/政府
  • 地方管理
  • 交通规划
  • 社会服务规划
  • 城市管理
  • 援助与发展
• 国防警务
  • 目标位置识别
  • 战术支持决策
  • 智能数据集成
  • 国土安全与防恐
• 商业
  • 市场份额分析
  • 运输车辆管理
  • 保险
  • 零售点位置
• 公共服务
  • 网络管理
  • 服务提供
  • 电力与通信
  • 紧急维护
• 环境管理
  • 垃圾填埋场选择
  • 矿物分布制图
  • 污染检测
  • 自然灾害评估
  • 灾害管理与救济
  • 资源管理
  • 环境影响评估

1.4 GIS与其它学科的关系

1.4.1 与相关学科关系

• 地理学（地理科学）
  • GIS的理论基础
  • GIS帮助地学发展
• 测绘学和遥感
  • 为GIS提供快速、可靠、多时相、可靠的信息源
  • 理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理
• 机助地图制图系统
  • 早期的GIS受影响较大，但不应局限于制图
• 计算机辅助设计（CAD）
  • 提供数据输入和图形显示的基础软件
• 数据库管理系统DBMS
  • GIS的核心
• 数学
  • 应用于GIS空间数据的分析

1.4.2 与其它信息系统区别与联系

1. GIS与机助地图制图系统的区别与联系

• 机助地图制图系统类似GIS中空间数据处理、显示与表达部分的特化系统
• GIS还需要有丰富的空间分析功能

2. GIS与数据库管理系统DBMS的区别与联系

• GIS需要功能强大的空间数据的管理功能
• GIS还需要图形数据的采集、空间数据的可视化和空间分析等功能

3. GIS和计算机辅助设计CAD的区别与联系：

• 共同点是两者都有坐标参考系统，都能描述处理图形数据机器空间管理，也都能处理非图形数据
• 区别是CAD处理多为几何图形机器组合，属性功能较弱，多为单幅操作；GIS处理多为地理空间的自然目标和人工目标，图形复杂，有较强的空间分析功能，对海量数据管理能力更强
• 需要注意的是，CAD图形处理能力尤为突出，可以作为机助地图制图系统使用

4. GIS与遥感图像处理系统的去和联系

遥感图像处理系统目前还不可用作地理信息系统，但有两者集成的趋势。

1.5 GIS应用范畴

略，但不代表不重要，参见书P18表1.3

1.6 地理信息系统发展历程

1. 地理信息系统的开拓期（1950s-1960s）

关注空间数据的地学处理，受硬件限制软件技术发展缓慢，主要针对GIS应用进行研制

2. 地理信息系统的巩固发展期（1970s）

背景：硬件技术和软件技术得到迅速发展。

特点：GIS充分利用了新的计算机技术，但系统的数据分析能力仍然很弱；在地理信息系统技术方面为有新的突破；系统的应用与开发多限于某个机构；专家个人的影响削弱，政府的影响增强；人机图形交互技术的发展成为这一时期软件的最重要进展

3. 地理信息系统技术大发展时期（1980s）

背景：集成电路、第四代计算机、计算机网络、DBMS、OS；地理信息系统的应用领域迅速扩大，许多国家制定了GIS发展规划，建立了GIS相关的政府、学术机构，商业化发展

特点：

• 矢量-栅格转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等方法得以发展，开辟了处理图形和属性数据的途径；
• 具有属性数据的单张或部分图幅可以与其它图幅或部分在图边自动拼接，从而构成更大图幅文件
• 采用命令语言建立空间数据管理系统，数据处理功能

4. 地理信息系统的应用普及年代（1990s）

特点：

• 多源数据信息共享
• 数据实现跨平台操作
• 平衡计算负载和网络流量负载
• 操作与管理简单化
• 应用普及化、大众化

标志技术：

• 数字地球：用数字化手段统一处理地球问题和最大限度利用信息资源

• 格网GIS（Grid GIS）：基于格网计算的GIS平台

• 虚拟现实GIS（VR GIS）：通过虚拟建模语言（）virtual reality model language, VRML）把GIS数据转换到VR中

• 移动GIS：无线通信技术、移动定位技术和WebGIS的结合

  • 无线定位服务wireless location service（基于位置的服务Location Based Service, LBS？）
  • geo-information for anyone and anything at anywhere and anytime，4A服务

5. 地理信息系统的大变革时代（2000s-）

• 物联网（the Internet of Things, IoT）与智慧城市
  • 物联网技术是智慧城市的基础
  • 对物联网所产生的数据的管理和分析需要GIS实现
  • 物联网也拓展了GIS的应用领域
• 云计算（cloud computing）与数据中心
  • 计算和分析都在云端完成
  • 已经成为企业级GIS的核心技术
• 大数据与并行计算
  • 实时动态的时空大数据处理与分析
  • 基于Hadoop和Spark等并行计算基数的空间数据处理与管理技术方案
• 机器学习与人工智能