第一章 绪论
1.1 地理信息系统基础
1963年，加拿大学者R.F.Tomlinson首先提出了地理信息系统这一概念，并开发出了世界上第一个地理信息系统（CGIS）。随着计算机软硬件和通讯技术的不断进步，地理信息系统的理论和技术方法已得到了飞速的发展，其研究和应用已渗透到自然科学及应用技术的很多领域，如地理学，地质学，环境监测，土地利用，城市规划，交通安全等等，并日益受到各国政府和产业部门的重视。
1.1.1地理信息系统的基本概念
1.数据
是对客观事物的符号表示。在计算机科学中是指所有能输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。它可以是字母、数字或其它符号，如$，图形、图象、声音。数据项可以按目的组织成数据结构。 数据只有对实体行为产生影响时才能成为信息。例如，同样的数据“1”，“0”，在通过灰度表达空间实体存在的模型中，它就提供了有（一般用1表示）或无（一般用0表示）的信息；当用来控制笔式绘图仪绘图笔的状态时，它就提供了抬笔或落笔的信息。
2.信息
信息是经过加工后的数据，它对接受者有用，对决策或行为有现实或潜在的价值（见图1-1）。到目前为此，对信息还没有一个确切的定义。狭义信息论把信息定义为人们获取信息前后（人、生物和机器等）与外部客体（环境、其他人、生物和机械等）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，是表征事物的一种普通形式。一般认为，信息的定义如下：信息是人们或机器提供的关于现实世界新的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体
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的物理形式的改变而改变。例如，某一棵树的高度数据为15米（十进制），如果以十六进制的形式存储则为F。但是，不管它的存储形式如何改变，它向人们传达的信息是唯一的：这棵树不是幼树。
数据存储
处理器 数据 信息
图1-1 数据到信息的转换示意图
信息具有以下一些基本属性：
(1)事实性：事实是信息的中心价值，不符合事实的信息不仅没有价值，而且可能价值为负。事实是信息的第一和基本的性质。
(2)等级性：对于同一问题，处于不同的管理层次，要求不同的信息。信息和管理层一样，一般分为战略级、策略级和管理级。一般说来，战略信息来源于外部，如企业的发展方向、目标等；策略信息有内有外，如新产品品种，生产效益，与同行业的比较等；执行信息大多来源于内部，如职工的考勤记录，生产指标的完成情况等；
(3)可压缩性：在不丢失信息本质的情况下，我们可以对信息进行集中、综合和概括。如对文件的压缩和解压缩。
(4)扩散性：信息的扩散是其本性，它力图冲破保密的非自然约束，通过各种渠道和手段向四方传播。
(5)传输性：信息是可以传输的，可以借助各种工具和手段（如书籍、杂志、电话、电视、卫星等）传输到很远的地方。
(6)分享性或共享性：信息的分享性或共享性有利于成为人类社会的一种资源。
(7)增殖性：用于某中目的的信息，可能随着时间的推移，价值耗尽，但对另一目的可能又显示价值。例如，对环境污染参数的处理。当前的有限信息对环境污染程度的预测可能没有多大的作用，但是，随着信息的增多，我们可以建立预测模型，从大量的可能杂乱无章的信息中得到环境变化的规律。
(8)转换性：信息、能源、材料是人类利用的三项重要的宝贵资源。
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它们三位一体，但可以相互转换。通过能源和材料可以换取信息，而信息的大量使用，又可以节省能源和材料。如利用遥感信息及相关处理技术调查地理地貌，可以节约大量的人力，物力。
3.地理信息
地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图象和图形等的总称。地理信息具有以下三个特征：
(1) 地理信息属于空间信息，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他信息的一个显著的标志。一般情况下，地理信息的空间位置是通过地理坐标加以表达的。
(2) 地理信息具有多维结构的特征。一般情况下，可以利用图形实 体的系统标识码实现对多专题的第三维信息的的分析和处理。这为多元信息的复合研究和探索地理现象间的内在规律奠定了基础。
(3)地理信息具有时序和动态变化的特征。根据研究对象的不同，结合时间的尺度，可以把地理信息分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水），中期的（如土地利用，作物估产），长期的（如城
中间点 市化，水土流失），超长期的（如地理环境的变化，地壳变形）。
结点
结点、中间点 弧 段 弧段
多边形 (a)矢量图形
多 边 形 （b）矢量模型
图1-2 矢量图形及简化模型
4.数据模型
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数据模型是客观事物及其联系的描述，这种描述包括数据内容和各类实体数据之间联系的描述，它是数据库设计的基础。对数据库而言，数据模型反映了数据的整体逻辑结构，或用户所看到的数据之间的逻辑结构，反应了实体之间的逻辑关系。例如，在GIS的矢量模型中，结点或中间点由空间坐标对表示，而弧段由一系列的结点和中间点组成，面则是弧段组成的封闭多边形。这些关系的描述，清晰地反映了矢量结构图形实体的逻辑关系。图1-2(b)描述了图1-2(a)的一个简单数据模型。
5.数据结构
数据结构研究的是数据的逻辑关系及数据表示，或研究信息在计 算机中的组织和表示方法。如果说，数据模型较为抽象，那么，数据结构就是些具体的东西。在图1-3的数据结构中，弧段的首尾结点标识码StartNodeID和EndNodeID位于用户标识码(UserID)之后，也就是说，三个标识码的位置是固定的。当然，UserID也可以位于EndNodeID之后，但当某一图形实体的数据结构确定后，各参数或字段的相对位置也就固定了。
ARCIDUserIDStartNodeID EndNodeIDLeftPolyIDRightPolyID(x1,y1),...(内点坐标）
图1-3 弧段图形实体的矢量结构 6.树
B E K L F A C G H M D I J 图 1-4 树的示意图 树是n(n>0)个结点的有限集合 T。在一棵树中，满足如下两个条件：
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(1)有且仅有一个特定的称为根的结点；
(2)其余的结点可分为m(m>0)个互不相交的有限集合T1，T2，…，Tm，其中每个集合又是一棵树，并称其为根的子树。
在图1-4中，结点数为13。其中，A为根，其余结点分为三个互不相交的子集T1={B，E，F，K，L}，T2={C，G}，T3={D，H，I，J，M}。T1、T2、T3都是根A的子树，其本身也是一棵树。例如T1，其根为B，其余结点分为两个互不相交的子集：T4={E,K,L}，T5={F}。T4、T5都是B的子树，T4中E为根，{K}，{L}是E的两棵互不相交的子树，其本身又是只有一个根结点的树。
1.1.2地理信息系统发展的历史背景和原因
20世纪60、70年代，随着资源开发与利用、环境保护等问题的日益突出，人类社会迫切需要一种能够有效地分析、处理空间信息的技术、方法和系统。与此同时，计算机软硬件技术也得到了飞速的发展，与此相关的计算机图形和数据库技术也开始走向成熟。这为地理信息系统理论和技术方法的创立提供了动力和技术支持。虽然计算机制图（Computer Cartography）、数据库管理（Database Management）、计算机辅助设计(Computer Aided Deisgn)、管理信息系统（Management Information System，简称MIS）、遥感、应用数学和计量地理学等技术能够满足处理空间信息的部分需求（如绘图），但无法全面地完成对地理空间信息的有效处理。究其原因，主要有如下几点：
(1)计算机制图着重于数据分类和自动符号表达。归根到底是利用计算机技术代替传统的手工制图，实现工程图形的计算机处理。
(2)数据库管理系统主要实现对非图形数据的管理。
(3)计算机辅助设计偏重于设计并对所设计的物体用图形符号进行表达。确切的说，计算机辅助设计是在人的参与下，以计算机为中心的一整套系统对设计对象的最佳设计，即辅助设计人员完成包括资料检索、计算、确定图形形状、自动绘图和打印等一系列设计过程。
(4)管理信息系统是一个由人 、计算机等组成的能对信息进行收集、传递、存储、加工、维护和使用的系统。归纳起来，管理信息系统的主要功能有如下几条：
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1)尽可能及时全面地提供信息和数据，以支持达到系统目标的决策；
2)准备和提供统一格式的信息，使各种统计工作简化； 3)利用指定的数学方法分析数据，可以根据过去的数据预测将来的情况；
4)对不同的管理层次给出不同的要求和不同细度的报告，以期最快、及时作出决策；
5)有效地利用管理信息系统的人和设备，使信息成本最低。 管理信息系统的概念图如图1-5所示。
(5)遥感是关于从一定距离使用各种传感器获取特定目标的各种图象，并对这类图象进行处理和分析以提取信息的技术。
(6)虽然在各种应用数学基础上发展起来的计量地理学强调的是空间研究，但它的研究对象主要与下列内容有关：
1)空间与过程的研究。这是关于地域分布与地域过程的研究，主要查明地表事物的分布位置、成因及变化。
2)生态研究。主要对人地关系的研究。
3)区域研究。主要是地理区域的相似形和差异性研究。
高级管理人员 （计划、控制、决策）
中级管理人员 管理信息（计划、控制、决策） 系统
计算机 职能人员
数据库
其它分 市场分 生产分 财务分
系统 系统 系统 系统
图1-5 管理信息系统概念图
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综上所述，CAD等系统功能相对较为单一，无法同时处理图形、图象、数据库管理、空间分析等问题。在此情况下，地理信息系统理论和技术方法的出现就是历史的必然。事实上，地理信息系统理论和技术也可以看作是计算机图形学、CAD、MIS、数据库管理、遥感与计量地理学等学科综合发展的产物（图1-6）。
图1-6 GIS与相关学科的关系 1.1.3 地理信息系统的定义
地理信息系统（Geographical Information System,简称GIS）又称空间信息系统（Spatial Information System），它所处理的对象是我们人类社会赖以生成的地球三维空间中的物体。由于研究和应用领域的不同，人们对地理信息系统的定义仍然存在着分歧。从学术观点来看，人们对GIS有如下三种观点：地图观，数据库观，空间分析观，即：
(1)地图观：持地图观的人主要来自景观学派和制图学派，他们认为GIS是一个地图处理和显示系统。在该系统中，每个数据集被看成是一张地图、或一个图层（layer）、或一个专题(theme)、或覆盖(coverage)。利用GIS的相关功能对数据集进行操作和运算，就可以得到新的地图。
(2)数据库观：持数据库观点的人主要来自于计算机学派，他们强调数据库理论和技术方法对GIS设计、操作的重要性。
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(3)空间分析观：持此种观点的人主要来自于地理学派。他们强调空间分析和模拟的重要性。实际上，GIS的空间分析功能是它与CAD、MIS等系统的主要区别之一，也是GIS理论和技术方法发展的动力。
根据地理信息系统的功能和应用， GIS的定义主要有如下四种： (1)面向数据处理过程的定义：地理信息系统是一个具有输入、存储、查询、分析和输出地理数据的计算机系统。
(2)面向专题应用的定义：根据处理信息的类型来定义地理信息系统，如房地产管理信息系统，土地管理信息系统，城市交通管理信息系统，资源开采管理信息系统等。
(3)工具箱定义：这种定义基于软件系统分析的观点，认为地理信息系统包括各种复杂的处理空间数据的计算机程序和各种算法。工具箱定义系统地描述了地理信息系统应具备的功能，这为软件系统的评价提供了基本的技术指标。
(4)数据库定义：强调分析工具与数据库管理系统的联接。一个通用的地理信息系统可以看成是许多特殊的空间分析方法与数据库管理系统的结合。
显然，上述四种定义都具有局限性，并未全面反映地理信息系统的内涵。
考虑到地理信息系统与数据库、CAD等理论和技术的区别，我们认为，地理信息系统是由计算机软硬件、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的采集、输入、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为工程设计、土地利用、资源管理、城市管理、环境监测、管理决策等应用服务的系统，是计算机科学、遥感与航测技术、计算机图形学、计算机辅助设计、应用数学、地理学、地质学等学科综合发展的产物。
1.2 地理信息系统的组成、功能及应用
1.2.1 地理信息系统的组成
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应用人员和组织机构 硬件、系统软件 数据库管理系统 数据库
数 据 输 入 子 系 统
地理信息系统
数 据存 储与检索子系统
数 据 处 理 与分析 子 系 （b）
输 出 子 系 统
（a）
图1-7 地理信息系统的组成
从系统论和应用的角度出发，地理信息系统被分为四个子系统(图1-7(a)），即计算机硬件和系统软件，数据库系统，数据库管理系统，应用人员和组织机构。
(1)计算机硬件和系统软件：这是开发、应用地理信息系统的基础。其中，硬件主要包括计算机、打印机、绘图仪、数字化仪；系统软件主要指操作系统。
(2)数据库系统：系统的功能是完成对数据的存储，它又包括几何（图形）数据和属性数据库。事实上，几何和属性数据库可以合二为一，即属性数据存在于几何数据中，这也是目前地理信息系统研究的主要内容之一。
(3)数据库管理系统：这是地理信息系统的核心。通过数据库管理系统，可以完成对地理数据的输入、处理、管理、分析和输出。
(4)应用人员和组织机构：专业人员，特别是那些复合人才（既懂专业又熟悉地理信息系统）是地理信息系统成功应用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障。由于地理信息系统的应用往往具有专业背景，所以，无论是需求分析、总体设计，还是专业功能的开发和应用，都离不开专业人员的参与。
从数据处理的角度出发，地理信息系统又被分为数据输入子系统，数据存储与检索子系统，数据分析和处理子系统，数据输出子系统(图1-7(b))。
(1)数据输入子系统：负责数据的采集、预处理和数据的转换（主要
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指不同管理信息系统间的数据交流）。
(2)数据存储与检索子系统：负责组织和管理数据库中的数据，以便于数据查询、更新与编辑处理；
(3)数据分析与处理子系统：负责对数据库中的数据进行计算和分析、处理。如面积计算，储量计算，体积计算，缓冲区分析，空间叠置分析等。
(4)数据输出子系统：以表格、图形、图象方式将数据库中的内容和计算、分析结果输出到显示器、绘图纸或透明胶片上。
1.2.2 地理信息系统的应用
随着信息技术的发展和GIS理论、技术方法的进步，GIS的应用早 已渗透到人类生活的许多方面。可以说，只要研究对象或多或少与三维空间有关，就可以利用地理信息系统去解决相关问题。到目前为此，GIS在如下几个方面得到了普遍的应用，取得了明显的经济效益和社会效益。
(1)专题地图制图。如地形测量、人口、社会经济指标统计图等； (2)矿产资源评价：应用于地质制图、工程地质、地质灾害、品位 估算与预测等；
(3) 环境评价与监测：环境影响评价、灌溉适宜性评价、污染评价 等；
(4) 土地、水资源调查与管理：土地管理、道路设计、文物保护、 水质评价等；
(5) 资源开采：主要完成生产图形的绘制与修改、开采技术参数的 评价与预测、基础数据的管理等；
(6) 管网、交通模拟模型：煤气管道、污水管道、输电线路、铁路、 公路的网络模型研究；
(7)导航系统：空中管制、海图制作等；
(8)城市规划：居民点、商业网点、道路的设计，各种管网工程的 设计与管理，各种城市景观的规划与设计；
(9)教练与模拟：基于GIS和虚拟现实（Virtual Reality 简称VR） 技术，可以实现飞行、军事演习等的模拟。
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1.3 应用地理信息系统理论及技术方法的优越性
到目前为此，世界各国已设计出大量实用化的地理信息系统，比较著名的有美国环境系统研究所（ESRI）于80年代初推出的ARC/INFO,澳大利亚GENASYS公司开发的Genamap，中国地质大学开发的MAPGIS,武汉测绘科技大学开发的Geostar,北京大学遥感与地理信息系统研究所开发的Citystar等等。地理信息系统的应用已在如下几个方面改变了人们的思维方式和工作方法。
1． 地理信息系统是管理空间信息的最佳选择
就传统意义上的数据库而言，无论是FoxPRO,还是Oracle,Sybase,它们管理的信息类型主要是文字和数字，对图形的管理功能则十分薄弱。众所周知，地理信息系统的数据库包括图形和属性两部分，图形数据库主要负责点（point）、线(line,arc)、面(surface)、体(body)等图形实体的管理，而各类图形实体的属性管理则由FoxPRO,Oracle等数据库来承担。事实上，人类对地球三维空间中任意实体的表达，应该是图形和属性的并集，这样，才能对物体进行较为精确的描述。所以，只有地理信息系统才能对空间目标进行有效的描述；
2． 地理信息系统不仅是一个管理系统，而且还是一个分析系统
对地理信息系统而言，不仅图形实体具有属性信息、拓扑关系，而且还有大量的分析模型。所以，人们不仅能够得到图形信息，而且还可以图文并茂地对地学现象进行分析研究，为决策提供依据。例如，利用GIS系统的图形和数字高程模型（DEM），可以圈定环境的污染范围和程度，得到地形的坡向图，计算矿体的储量；
3． 为地图的快速绘制和更新提供了强有力的手段
数字地图的生产是地理信息系统发展的原始动力之一。建立在地理
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信息系统基础上的地图生产系统将具有如下优点：
（1） 数字地图的生产不仅仅是一次孤立的制图实践，不是简单地 对已有底图的数字复印，而是要从地图上提取所有包含的数据，即点、线、多边形以及相关的属性，进而建立一个相互连接的空间和非空间数据库，从这些数据库中可以派生出大量的数字和图形。例如，可以根据地形图自动生成坡向图，而无需先人工绘制好坡向图后，再数字化进计算机管理信息系统中；
（2）实现不同比例尺间图形的自动转换。在图1-5中，图（a）,(b)的比例尺分别为1:2000，1:5000，弧段AB为河堤的位置，AB右侧的
BBA1:2000(a)A1:5000(b)
图1-5 比例尺自动变化示意图
短线为代表河堤的图例符号。根据国家的有关行业规范，1：2000，1：5000图形的河堤图例符号具有一些差异。所以，如果利用CAD方法以1：2000的图形为基础生成1：5000的图形，那么，后者的河堤符号就需重新交互式绘制。但如果利用GIS系统，1：5000的图形就可以完全自动生成。这是因为，GIS系统可以利用图例与AB弧段间的拓扑关系自动删除1：2000图形上的图例，然后再自动调入1：5000图形河堤的图元，并根据已有的排列基点和方向（这些参数可以放到属性数据库中），最后得到正确的1：5000的图形。
4． 与RS、GPS的结合，实现了地球空间信息的动态管理
RS、GPS与GIS的结合，为GIS的实际应用提供了强大的数据源，而且这些数据具有时间维的特性，这就为实现人类对地球空间数据的动
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态管理奠定了坚实的基础并使之成为可能。由于通过RS、GPS得到的数据不仅信息量大，而且速度快，这也为GIS技术适应现代通讯和管理技术的飞速发展提供了保证。
5． 为实现“数字地球”提供了理论和技术上的支持
实现地球的数字化为人类社会的发展提供了美好的前景。显然，通过传统的数据采集和处理方法是不可能实现上述目标的。由于GIS系统不仅能够处理各种空间信息，而且还可以方便地建立它们之间的联系，并可以接收RS、GPS数据，这就可能实现信息流的动态传递，把传统方法所处理的孤立事件关联起来，最终实现人类社会的可持续发展。
1.4 地理信息系统理论、技术方法和应用的发展趋势
地理信息系统的设计是一个复杂的系统工程。为了设计出一个实用化的地理信息信息系统，不仅需要强大的计算机硬件和系统软件的支持，而求需要设计专门的数据模型、数据结构以及大量的数据处理方法。归纳起来，地理信息系统理论和技术方法的发展主要表现在以下几个方面。
1. 所依附的计算机硬件环境逐步微机化
在地理信息系统发展的初期，由于计算机运行速度、内存和外存容量、软件开发工具的限制，相应的软件系统功能较弱。后来的GIS系统大多以高性能的工作站和中小型计算机为硬件开发和运行平台，但由于昂贵的硬件价格，使得GIS系统无法在大范围内得到推广应用，用户主要是那些重要的政府研究部门和大型公司。到目前为此，由于微型计算机的性能价格比已可以与功能强大的工作站相媲美，所以，几乎所有的GIS系统都有其微机版本。这也是现在一般的科研院所和单位都能使用GIS的主要原因。
2. 不同的数据模型趋于一体化
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这里将要讨论的数据模型主要与管理图形数据库有关（因属性数据 库仍主要是关系模型，没有太大的变化）。就图形数据库而言，矢量和栅格是其主要的数据模型。由于与两种数据模型相关的软件系统各有其优缺点，如栅格模型适合图象处理、分析评价，而矢量模型则适合图形处理，所以，在较长的时间内大多数专业人员主要开展矢量或栅格模型的研究。
随着GIS理论和技术方法的推广使用，特别是RS、GPS数据与GIS的结合，使得矢量和栅格模型走向了一体化，即在栅格模型的基础上加入矢量模型，实现了栅格和矢量的统一。从相关文献可以看出，无论是二维，还是三维地理信息系统，栅格模型和矢量模型的统一是目前GIS领域的研究热点之一。
3. 图形处理的三维可视化
二维GIS系统的开发和应用是与计算机软硬件技术的发展水平相适 应的，图形的可视化和虚拟现实化是人类追求的主要目标。目前，由于计算机硬件和软件技术得到了空前的发展，实现空间研究对象的可视化已在逐步变成现实。从国内外的文献可以看出，空间目标的可视化不仅是目前GIS研究领域的热点，而且也代表了GIS的发展方向。
4. 系统开发的专业化
由于地理信息系统的应用最终与专业有关，所以地理信息系统的开 发逐步走向专业化。即使ARC/INFO等通用GIS软件开发平台，他们在开发之初，也带有专业化的背景。在国内，MAPGIS、CITYSTAR、GEOSTAR虽然是通用平台，但他们的应用领域仍分别主要是地图出版、城市日常管理、地表测绘。事实上，对不同的专业，它需要大量的专业化命令。如果采用通用化的GIS开发平台，势必需要进行二次开发。由于通用平台数据模型和数据结构的限制，使得二次开发的软件系统可能满足不了专业化的需求。另一方面，由于受到软件版权保护法的约束，通用平台的使用必将大大增加专业化软件系统的成本。
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5．系统的网络化设计
这里主要指万维网地理信息系统（WebGIS）。传统的GIS与WebGIS的区别主要为：
(1) 传统的GIS大多是独立的单机系统，而WebGIS系统是基于 Client-Server（简称C/S）体系结构的。
(2)WebGIS利用互联网进行用户和服务器间的信息交流，而传统的GIS即使能够运行于服务器，其服务器和用户端之间的信息交流通常是限于单机和局域网上；
(3)WebGIS是一个分布式系统，用户和服务器可以位于不同的地点和不同的计算机平台上。
显然，WebGIS的开发和应用符合通讯和信息技术的发展趋势。
诸如Java,Visual C++等软件开发工具的出现，使得GIS系统的开发不再具有神秘的色彩，专业化GIS系统的开发变得较为容易。目前，与电力、城市管网工程、城市规划、土地利用等有关的专业化GIS系统已经出现，并取得了良好的经济效益和社会效益。
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