說明：
本文為湯國安《地理信息系統教程》（第二版）筆記，
適用于南京師范大學考研初試專業(yè)課地理信息系統842，
主要內容為課本簡化，帶有些許個人理解。
作者水平有限，難免錯漏，如有還請指出。

第1章 概論

1.1 GIS基本概念

1.1.1 信息與地理信息

數據與信息

數據：人類在認識世界和改造世界過程中，定性或定量描述食物和環(huán)境的直接或間接原始記錄。（未經加工的對客觀對象的表示）

信息：用文字、數字、符號、語言、圖像等介質來表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征，從而向人們（或系統）提供關于現實世界新的事實和知識，作為生產、建設、經營、管理、分析和決策的依據。

信息的特征：客觀性、適用性、可傳輸性、共享性

地理數據和地理信息

地理數據：表達地理特征和地理現象之間關系的數據。

地理信息：有關地理實體和地理現象的性質、特征和運動狀態(tài)的表征和一切有用的知識，它是對表達地理特征和地理現象之間關系的地理數據的解釋。

地理數據的特征

• 空間上的分布性：地理信息具有空間定位的特點，先定位后定性，并在區(qū)域上表現出分布式特點，其屬性表現為多層次，因此地理數據庫的分布或更新也應是分布式。
• 時間上的序列性：地理信息隨著時間呈現變或不變的特性。
• 數量上的海量性：反映地理數據的巨大性，地理數據既有空間特征，又有屬性特征，還具有時間特征，因此數據量巨大。
• 載體的多樣性：地理信息的載體有地理實體和 地理現象的文字、數字、地圖和影像等符號信息載體（主要），以及紙質、光盤、硬盤等物理介質載體。

地理實體或地理對象的數據描述：空間位置、屬性數據、時域數據

地理信息的特征

• 空間相關性：任何地理事物都是相關的，并且在空間上相距越近則空間相關性越大，反之越小，同時地理事物的空間相關性具有區(qū)域性特點。
• 空間區(qū)域性：空間區(qū)域性是地理信息的天然特性，不僅體現在數據上的分區(qū)組織，而且在應用方面也是面向區(qū)域的，即一個部門或專題必然也是面向所管理的服務或區(qū)域的。
• 空間多樣性：在不同區(qū)域和地方，地理數據的變化趨勢是不同的，所以地理信息的分析結果需要依賴于其位置；不同區(qū)域對地理信息的需求不一樣，特別對于地理信息服務，信息的生產、存儲和使用安排需要考慮不同地方對信息的需求不同。
• 空間層次性：同一區(qū)域上的地理對象具有多重屬性；不同空間尺度數據具有不同的空間信息特征。

1.1.2 信息系統

信息系統：具有采集、管理、分析和表達數據能力的系統，由計算機硬件、軟件、數據和用戶四大要素（+知識）組成。

信息系統的類型

按處理對象的不同類型分：

• 空間信息系統（地理信息系統）
• 非空間信息系統

按應用層次分

• 事務處理系統
• 管理信息系統
• 決策支持系統（地理信息系統）

1.1.3 地理信息系統

地理信息系統定義

地理信息系統：既是跨越地球科學、空間科學和信息科學的一門應用基礎學科，有是一項工程應用技術，是以地學原理為依托，在計算機軟硬件系統支持下，研究空間數據的采集、處理、存儲、管理、分析、建模、顯示和傳播的相關理論方法和應用技術，以解決復雜的管理、規(guī)劃和決策等問題。

地理信息系統的內涵

GIS的基本內涵：

• GIS的物理外殼是計算機化的技術系統，它又由若干個相互關聯的子系統構成，這些子系統的結構及其優(yōu)劣程度直接影響著GIS的硬件平臺的功能和效率、數據處理的方式和產品輸出的類型。
• GIS的操作對象是空間數據，即點、線、面、體這類有空間位置和空間形態(tài)特征并且能夠很好地表達地理實體和地理現象的基本元素。每一個空間技術都按統一的地理坐標進行編碼，這也是GIS區(qū)別于其它信息系統的根本標志和技術難點。
• GIS的技術優(yōu)勢在于它的數據綜合、模擬和分析評價能力，可以得到常規(guī)方法或普通信息系統難以得到的重要信息，實現地理空間過程演化的模擬和預測。
• GIS與測繪學和地理學有著密切的關系
  • 測繪學
    • 為空間實體提供不同比例尺和精度的定位數
    • 現代測繪技術獲得數字信息產品為GIS提供豐富和更為及時的信息源，并促使GIS向更高層發(fā)展
  • 地理學
    • GIS的理論依托
    • 信息地理學
    • 地學的第三代語言——用數字形式來描述空間實體

3.地理信息系統基本特征

• 數據的空間定位特征：空間位置特征是地理數據獨有的
• 空間關系處理的復雜性
  • 空間數據處理的復雜性：地理信息系統除了要完成一般信息系統的工作外，還要處理與之對應的空間位置和空間關系，以及與屬性數據的一一對應問題；
  • 數據的管理：空間數據是不定長的，而且新的空間數據及其關系在空間分析過程中能不斷產生
• 海量數據特征
  • 地理數據本身是海量數據
  • 空間分析過程中產生的數據也是海量數據
  • 海量數據帶來系統運轉、數據組織、網絡傳輸等一系列的技術難題

1.1.4 地理信息系統外延

地理信息系統術語

GIS定義的四種觀點：

• 面向數據處理過程的定義：從GIS的數據流程角度來定義，即把GIS定義為空間數據的采集、存儲、管理和分析的技術系統
• 面向專題應用的定義：在面向過程定義的基礎上，強調GIS處理的數據類型
• 面向工具箱的定義：基于軟件系統，認為GIS是處理復雜地理空間數據工具的集合
• 面向數據庫的定義：在面向工具箱的定義的基礎上，更加強調分析工具和數據庫間的鏈接，GIS是空間分析方法和數據管理系統的集合

GIS中“S”含義演變

• 地理信息系統Geographic Information System
• 地理信息科學Geographic Information Science
• 地理信息服務Geographic Information Service

1.2 GIS的組成

• 硬件系統
• 軟件系統
  • GIS支撐軟件
    • 操作系統OS
    • 數據庫管理系統DBMS
  • GIS平臺軟件
    • 基礎應用程序ArcMap
    • 軟件開發(fā)包（Software Development Kit, SDK）
  • GIS應用軟件（支持具體領域需要）
• 空間數據（幾何坐標、拓撲關系、非幾何屬性）
• 地學模型：根據具體的地學目標和問題，根據GIS已有的操作和方法為基礎，構建表達或模擬特定現象的地學模型ArcGIS的Model Buildings
• 應用人員
  • 科學研究人員
  • 項目管理人員
  • 軟件設計人員
  • 系統開發(fā)人員
  • 數據維護人員
  • 普通用戶

1.3 GIS功能

1.3.1 基本功能需求

• 位置：某個地方有什么→空間查詢
• 條件：符合某些條件的地理對象在哪里→較為復雜的空間查詢SQL
• 趨勢：某個地方發(fā)生的某個時間及其隨事件變化的過程
• 模式：地理對象實體和現象的空間分布之間的空間關系問題
• 模擬：某個地方如果具備某種條件會發(fā)生什么的問題

1.3.2 GIS的基本功能

• 數據采集
• 數據編輯與處理
• 數據存儲、組織和管理
• 空間查詢與空間分析
• 數據輸出和可視化表達
• 應用模型與系統開發(fā)

1.3.3 GIS應用功能

可以從五個方面考慮：

• 社會經濟/政府
  • 地方管理
  • 交通規(guī)劃
  • 社會服務規(guī)劃
  • 城市管理
  • 援助與發(fā)展
• 國防警務
  • 目標位置識別
  • 戰(zhàn)術支持決策
  • 智能數據集成
  • 國土安全與防恐
• 商業(yè)
  • 市場份額分析
  • 運輸車輛管理
  • 保險
  • 零售點位置
• 公共服務
  • 網絡管理
  • 服務提供
  • 電力與通信
  • 緊急維護
• 環(huán)境管理
  • 垃圾填埋場選擇
  • 礦物分布制圖
  • 污染檢測
  • 自然災害評估
  • 災害管理與救濟
  • 資源管理
  • 環(huán)境影響評估

1.4 GIS與其它學科的關系

1.4.1 與相關學科關系

• 地理學（地理科學）
  • GIS的理論基礎
  • GIS幫助地學發(fā)展
• 測繪學和遙感
  • 為GIS提供快速、可靠、多時相、可靠的信息源
  • 理論和算法可直接用于空間數據的變換、處理
• 機助地圖制圖系統
  • 早期的GIS受影響較大，但不應局限于制圖
• 計算機輔助設計（CAD）
  • 提供數據輸入和圖形顯示的基礎軟件
• 數據庫管理系統DBMS
  • GIS的核心
• 數學
  • 應用于GIS空間數據的分析

1.4.2 與其它信息系統區(qū)別與聯系

GIS與機助地圖制圖系統的區(qū)別與聯系

• 機助地圖制圖系統類似GIS中空間數據處理、顯示與表達部分的特化系統
• GIS還需要有豐富的空間分析功能

GIS與數據庫管理系統DBMS的區(qū)別與聯系

• GIS需要功能強大的空間數據的管理功能
• GIS還需要圖形數據的采集、空間數據的可視化和空間分析等功能

GIS和計算機輔助設計CAD的區(qū)別與聯系：

• 共同點是兩者都有坐標參考系統，都能描述處理圖形數據機器空間管理，也都能處理非圖形數據
• 區(qū)別是CAD處理多為幾何圖形機器組合，屬性功能較弱，多為單幅操作；GIS處理多為地理空間的自然目標和人工目標，圖形復雜，有較強的空間分析功能，對海量數據管理能力更強
• 需要注意的是，CAD圖形處理能力尤為突出，可以作為機助地圖制圖系統使用

GIS與遙感圖像處理系統的去和聯系

遙感圖像處理系統目前還不可用作地理信息系統，但有兩者集成的趨勢。

1.5 GIS應用范疇

略，但不代表不重要，參見書P18表1.3

1.6 地理信息系統發(fā)展歷程

地理信息系統的開拓期（1950s-1960s）

關注空間數據的地學處理，受硬件限制軟件技術發(fā)展緩慢，主要針對GIS應用進行研制

地理信息系統的鞏固發(fā)展期（1970s）

背景：硬件技術和軟件技術得到迅速發(fā)展。

特點：GIS充分利用了新的計算機技術，但系統的數據分析能力仍然很弱；在地理信息系統技術方面為有新的突破；系統的應用與開發(fā)多限于某個機構；專家個人的影響削弱，政府的影響增強；人機圖形交互技術的發(fā)展成為這一時期軟件的最重要進展

地理信息系統技術大發(fā)展時期（1980s）

背景：集成電路、第四代計算機、計算機網絡、DBMS、OS；地理信息系統的應用領域迅速擴大，許多國家制定了GIS發(fā)展規(guī)劃，建立了GIS相關的政府、學術機構，商業(yè)化發(fā)展

特點：

• 矢量-柵格轉換技術、自動拓撲編碼以及多邊形中拓撲誤差檢測等方法得以發(fā)展，開辟了處理圖形和屬性數據的途徑；
• 具有屬性數據的單張或部分圖幅可以與其它圖幅或部分在圖邊自動拼接，從而構成更大圖幅文件
• 采用命令語言建立空間數據管理系統，數據處理功能

地理信息系統的應用普及年代（1990s）

特點：

• 多源數據信息共享
• 數據實現跨平臺操作
• 平衡計算負載和網絡流量負載
• 操作與管理簡單化
• 應用普及化、大眾化

標志技術：

• 數字地球：用數字化手段統一處理地球問題和最大限度利用信息資源

• 格網GIS（Grid GIS）：基于格網計算的GIS平臺

• 虛擬現實GIS（VR GIS）：通過虛擬建模語言（）virtual reality model language, VRML）把GIS數據轉換到VR中

• 移動GIS：無線通信技術、移動定位技術和WebGIS的結合

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

地理信息系統的大變革時代（2000s-）

• 物聯網（the Internet of Things, IoT）與智慧城市
  • 物聯網技術是智慧城市的基礎
  • 對物聯網所產生的數據的管理和分析需要GIS實現
  • 物聯網也拓展了GIS的應用領域
• 云計算（cloud computing）與數據中心
  • 計算和分析都在云端完成
  • 已經成為企業(yè)級GIS的核心技術
• 大數據與并行計算
  • 實時動態(tài)的時空大數據處理與分析
  • 基于Hadoop和Spark等并行計算基數的空間數據處理與管理技術方案
• 機器學習與人工智能

總結

以上是生活随笔為你收集整理的汤国安《地理信息系统教程》（第二版）笔记（1）——概论的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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