GIS基礎概念-1

[GIS 學科樹]

 

1. 地理信息和地理數據

地理數據 是指表征地理圈或地理環境固有要素或物質的數量、質量、分布特征、聯系和規律的數字、文字、圖像和圖形等的總稱。地理信息是有關地理實體的性質、特征和運動狀態的表征和一切有用的知識，它是對地理數據的解釋。在地理信息中，其位置是通過數據進行標識的，這是地理信息區別於其它類型信息的最顯著的標志。地理信息具有區域性、多維結構特性和動態變化的特性：

1. 區域性是通過經緯網等建立的地理坐標來實現空間位置的標識；
2. 多維結構特性即在二維空間的基礎上實現多專題的第三維結構；
3. 地理信息的時序特征十分明顯，可以按時間尺度將地理信息划分為超短期的（如台風、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低溫）、中期的（如土地利用、作物估產）、長期的（如城市化、水土流失）、超長期的（如地殼變動、氣候變化）等。

地理數據是各種地理特征和現象間關系的符號化表示，包括空間位置、屬性特征及時態特征三部分。

•     空間位置數據描述地物所在位置，這種位置既可以根據大地參照系定義，如大地經緯度坐標，也可以定義為地物間的相對位置關系，如空間上的距離、鄰接、重疊、包含等；
•     屬性數據又稱為非空間數據，是屬於一定地物、描述其特征的定性或定量指標，即描述了信息的非空間組成部分，包括語義與統計數據等；
•     時態特征是指地理數據采集或地理現象發生的時刻或時段，時態數據對環境模擬分析非常重要，越來越受到地理信息系統學界的重視。

從地理實體到地理數據、從地理數據到地理信息的發展，反映了人類認識的一個巨大飛躍。

 

2.地理信息系統¶

 

地理信息系統（Geographical Information System，GIS）是一種決策支持系統，它具有信息系統的各種特點。地理信息系統與其他信息系統的主要區別在於其存儲和處理的信息是經過地理編碼的，地理位置及與該位置有關的地物屬性信息成為信息檢索的重要部分。在地理信息系統中，現實世界被表達成一系列的地理要素和地理現象，這些地理特征至少由空間位置參考信息和非位置信息兩個組成部分。

地理信息系統的定義是由兩個部分組成的。一方面，地理信息系統是一門學科，是描述、存儲、分析和輸出空間信息的理論和方法的一門新興的交叉學科；另一方面，地理信息系統是一個技術系統，是以地理空間數據庫（Geospatial Database）為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。

 

地理信息系統按其內容可以分為三大類：

1）專題地理信息系統（Thematic GIS），是具有有限目標和專業特點的地理信息系統，為特定的專門目的服務。例如，森林動態監測信息系統、水資源管理信息系統、礦業資源信息系統、農作物估產信息系統、草場資源管理信息系統、水土流失信息系統等。

2）區域信息系統（Regional GIS），主要以區域綜合研究和全面的信息服務為目標，可以有不同的規模，如國家級的、地區或省級的、市級和縣級等為各不同級別行政區服務的區域信息系統；也可以按自然分區或流域為單位的區域信息系統。區域信息系統如加拿大國家信息系統、中國黃河流域信息系統等。許多實際的地理信息系統是介於上述二者之間的區域性專題信息系統，如北京市水土流失信息系統、海南島土地評價信息系統、河南省冬小麥估產信息系統等。

3）地理信息系統工具或地理信息系統外殼（GIS Tools），是一組具有圖形圖像數字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等地理信息系統基本功能的軟件包。它們或者是專門設計研制的，或者在完成了實用地理信息系統后抽取掉具體區域或專題的地理系空間數據后得到的，具有對計算機硬件適應性強、數據管理和操作效率高、功能強且具有普遍性的實用性信息系統，也可以用作GIS教學軟件。

 

3.地理信息系統的功能概述

地理信息系統的核心問題可歸納為五個方面的內容：位置、條件、變化趨勢、模式和模型。

1）位置（Locations）

即在某個特定的位置有什么。

首先，必須定義某個物體或地區信息的具體位置，常用的定義方法有：通過各種交互手段確定位置，或者直接輸入一個坐標；其次，指定了目標或區域的位置后，可以獲得預期的結果以及其所有或部分特性，例如當前地塊所有者、地址、土地利用情況、估價等。

2）條件（Conditions）

即什么地方有滿足某些條件的東西。

首先，可以用下列方式指定一組條件，如從預定義的可選項中進行選取；填寫邏輯表達式；在終端上交互地填寫表格。

其次，指定條件后，可以獲得滿足指定條件的所有對象的列表，如在屏幕上以高亮度顯示滿足指定條件的所有特征，例如，其所位於的土地類型為居民區、估價低於200,000美元、有四個卧室而且是木制的的房屋。

3）變化趨勢（Trends）

該類問題需要綜合現有數據，以識別已經發生了或正在發生變化的地理現象。

首先，確定趨勢，當然趨勢的確定並不能保證每次都正確，一旦掌握了一個特定的數據集，要確定趨勢可能要依賴假設條件、個人推測、觀測現象或證據報道等。

其次，針對該趨勢，可通過對數據的分析，對該趨勢加以確認或否定。地理信息系統可使用戶快速獲得定量數據以及說明該趨勢的附圖等。例如，通過GIS，可以識別該趨勢的特性：有多少柑桔地塊轉作它用？現在作為何用？某一區域中有多少發生了這種變化？這種變化可回溯多少年？哪個時間段能最好反映該趨勢？1年、5年還是10年？變化率是增加了還是減少了？

4）模式（Patterns）

該類問題是分析與已經發生或正在發生事件有關的因素。地理信息系統將現有數據組合在一起，能更好地說明正在發生什么，找出發生事件與哪些數據有關。

首先，確定模式，模式的確定通常需要長期的觀察、熟悉現有數據、了解數據間的潛在關系。

其次，模式確定后，可獲得一份報告，說明該事件發生在何時何地、顯示事件發生的系列圖件。例如，機動車輛事故常常符合特定模式，該模式（即事故）發生在何處？發生地點與時間有關嗎？是不是在某種特定的交叉處？在這些交叉處又具有什么條件？

5）模型（Models）

該類問題的解決需要建立新的數據關系以產生解決方案。

首先，建立模型，如選擇標准、檢驗方法等。

其次，建立了一個或多個模型后，能產生滿足特定的所有特征的列表，並着重顯示被選擇特征的地圖，而且提供一個有關所選擇的特征詳細描述的報表。例如要興建一個兒童書店，用來選址的評價指標可能包括10、15、20分鍾可到達的空間區域。附近居住的10歲或10歲以下的兒童的人數、附近家庭的收入情況、周圍潛在競爭的情況。

 

為了完成上述的地理信息系統的核心任務，需要采用不同的功能來實現它們。盡管目前商用GIS軟件包的優缺點是不同的，而且它們在實現這些功能所采用的技術也是不一樣的，但是大多數商用GIS軟件包都提供了如下功能：

  數據的獲取（Data Acquisition）、數據的初步處理（Preliminary data Processing）、數據的存儲及檢索（Storage and Retrieval）、數據的查詢與分析（Search and Analysis）、圖形的顯示與交互（Display and Interaction）。

 

 

GIS功能概述（橢圓）以及它們的表現（矩形）¶

 

空間信息處理和分析的六個組成部分

1. 空間操作，如地圖的並、交、差運算，緩沖區計算，選擇等等；
2. 空間統計分析，用於描述和分析空間數據的關系，如空間自相關分析；
3. 空間模型，注重於空間現象、空間結構、空間關系和空間位置的分析，如網絡分析和水系生成等等；
4. 空間表現/可視化，側重於表達空間信息；
5. 空間數據庫管理，包括空間數據庫設計，空間數據結構，空間數據管理和空間查詢。
6. 空間模型庫管理，包括為空間決策支持系統提供模型的管理等等。

 

 

系統各環節的內容:

1.數據采集、監測與編輯¶

主要用於獲取數據，保證地理信息系統數據庫中的數據在內容與空間上的完整性、數值邏輯一致性與正確性等。一般而論，地理信息系統數據庫的建設占整個系統建設投資的70%或更多，並且這種比例在近期內不會有明顯的改變。因此，信息共享與自動化數據輸入成為地理信息系統研究的重要內容。目前可用於地理信息系統數據采集的方法與技術很多，有些僅用於地理信息系統，如手扶跟蹤數字化儀；目前，自動化掃描輸入與遙感數據集成最為人們所關注。掃描技術的應用與改進，實現掃描數據的自動化編輯與處理仍是地理信息系統數據獲取研究的主要技術關鍵。

 

2.數據處理¶

初步的數據處理主要包括數據格式化、轉換、概括。數據的格式化是指不同數據結構的數據間變換，是一種耗時、易錯、需要大量計算量的工作，應盡可能避免；數據轉換包括數據格式轉化、數據比例尺的變化等。在數據格式的轉換方式上，矢量到柵格的轉換要比其逆運算快速、簡單。數據比例尺的變換涉及到數據比例尺縮放、平移、旋轉等方面，其中最為重要的是投影變換；制圖綜合（Generalization）包括數據平滑、特征集結等。目前地理信息系統所提供的數據概括功能極弱，與地圖綜合的要求還有很大差距，需要進一步發展。

 

3,數據存儲與組織

這是建立地理信息系統數據庫的關鍵步驟，涉及到空間數據和屬性數據的組織。柵格模型、矢量模型或柵格/矢量混合模型是常用的空間數據組織方法。空間數據結構的選擇在一定程度上決定了系統所能執行的數據與分析的功能；在地理數據組織與管理中，最為關鍵的是如何將空間數據與屬性數據融合為一體。目前大多數系統都是將二者分開存儲，通過公共項（一般定義為地物標識碼）來連接。這種組織方式的缺點是數據的定義與數據操作相分離，無法有效記錄地物在時間域上的變化屬性。

 

4,空間查詢與分析

空間查詢是地理信息系統以及許多其它自動化地理數據處理系統應具備的最基本的分析功能；而空間分析是地理信息系統的核心功能，也是地理信息系統與其它計算機系統的根本區別，模型分析是在地理信息系統支持下，分析和解決現實世界中與空間相關的問題，它是地理信息系統應用深化的重要標志。地理信息系統的空間分析可分為三個不同的層次。

 

5,空間檢索¶

包括從空間位置檢索空間物體及其屬性和從屬性條件集檢索空間物體。“空間索引”是空間檢索的關鍵技術，如何有效地從大型的地理信息系統數據庫中檢索出所需信息，將影響地理信息系統的分析能力；另一方面，空間物體的圖形表達也是空間檢索的重要部分。

 

6.空間拓撲疊加分析

空間拓撲疊加實現了輸入要素屬性的合並（Union）以及要素屬性在空間上的連接(Join)。空間拓撲疊加本質是空間意義上的布爾運算。

 

7.空間模型分析

在空間模型分析方面，目前多數研究工作着重於如何將地理信息系統與空間模型分析相結合。其研究可分三類：

第一類是地理信息系統外部的空間模型分析，將地理信息系統當作一個通用的空間數據庫，而空間模型分析功能則借助於其它軟件；

第二類是地理信息系統內部的空間模型分析，試圖利用地理信息系統軟件來提供空間分析模塊以及發展適用於問題解決模型的宏語言，這種方法一般基於空間分析的復雜性與多樣性，易於理解和應用，但由於地理信息系統軟件所能提供空間分析功能極為有限，這種緊密結合的空間模型分析方法在實際地理信息系統的設計中較少使用；

第三類是混合型的空間模型分析，其宗旨在於盡可能地利用地理信息系統所提供的功能，同時也充分發揮地理信息系統使用者的能動性。

 

8.圖形與交互顯示¶

地理信息系統為用戶提供了許多用於地理數據表現的工具，其形式既可以是計算機屏幕顯示，也可以是諸如報告、表格、地圖等硬拷貝圖件，尤其要強調的是地理信息系統的地圖輸出功能。一個好的地理信息系統應能提供一種良好的、交互式的制圖環境，以供地理信息系統的使用者能夠設計和制作出高質量的地圖。

 

 

 

 

 

 

[來源]:https://www.osgeo.cn/tutorial/