第1篇地理信息系统及其开发
第1章地理信息系统概论
1.1信息与信息系统
信息是近代科学的一个专门术语。关于信息有各种不同的定义，狭义信息论将信息定义为人们获得信息前后主体（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。在很多书中还采用如下的定义：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，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。
那么，数据又是什么呢？一般来说，数据是通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，数据不仅包括数字，还包括文字、符号、图形、图像以及各种可以转换成数据的现象。数据是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。例如同样的数据1和0都是普通阿拉伯数字符号，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有（用1表示）无（用0表示）的挖主息；当在绘图矩阵中表示绘线或不绘线时，它就提供抬笔落笔的信息等等。地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，目的是为了获得数据中所包含的信息。对于同一数据由于每个人的解释榀能不同，因而获得信息量的我少与人的知识水平和经验有关。
在信息科学领域中，信息与数据不可分离，信息用记录在各种物理介质中的数据来表达，数据中所包含的意义就是信息。数据只是信息的载体，并不等于信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能得到数据中所包含的信息。通常在不会引起混乱的情况下，人们往往对信息和数据这两个术语的使用不加以严格区分。
系统是具有特定功能，由相互联系的若干要素所构成的一个整体。对计算机而言，系统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定相关关系联系起来进行工作的集合体，其内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及要素之间的联系方式所决定。
信息系统是具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为企业、部门或组织的决策过程提供有用的信息。在信息社会中，我们所说的信息系统大部分都由计算机系统支持，例如图书情报信息系统、商业服务管理系统、资源与环境信息系统等。
1.2.1地图
地图是地理学家最常用的地理信息载体和地理语言，主要有地表形态和地表物分布（水系、植被、居民点、交通网、国界和行政区划等）的普通地理图、地形图，以及详细客观地表示某种（或某些）自然要素的专题地图。
苏联地图学家萨里谢夫将地图定义为：由数学所确定的经过概括并用形象符号表示的地理表面上的图形，用其表示各种自然现象和社会现象的分布、状况的联系，根据每种地图的具体用途对所表示现象进行选择和概括，结果得到的图形叫做地图。也就是说地图包括三个方面的内容：
·由数学决定的结构，即必须首先确定地球表面上点的地理坐标或其他坐标，以及这些点在地图平面上的直角坐标或其他坐标之间的严格的映射函数关系。确定了这些函数关系后，才可以利用地图来研究它表示的地物的空间关系和联系。
·特殊的符号系统。地图采用便于空间定位的专用图解符号，用于表示各种现象、性质及其相互关系，以及记录、转换和传递各种自然和社会现象的知识，从而在地图上构成客观实际的形象。
·现象的表示、取合和概括，或称为地图综合。这是由于地图受到图幅比例的限制和图解符号表示的可能性制约，地图在应用中也常需要对自然景观进行取舍和概括表示。
地图是一种图像，从地图上我们可以获得一个地区或整个地球表面在同一时间的空间现象。它们建立超地物形状、尺寸和相对的视觉形象，从而可从地图上得出地表景象的空间尺度，即空间坐标、长度、面积、高度和体积，除表示地物的数量和质量方面的特征外，地图还可以表示地物之间的空间联系和其他联系，即邻近性、包含性、叠置性、相对距离、从属关系、经济和交通方面的联系等等。
对于能够理解地图符号的使用者来说，地图是自然世界的一种模型，是制图人根据对自然世界的认识，用概括和简化的可视化形式客观反映自然世界在某些方面的结构，读图是通过对地图符号的理解，建立起地图所表示的客观实际的空间模型。这是一种思维模型，它的建立依赖于制图人和读图人对制图符号的“约定”，地图是制图人和读图人之间交流自然空间信息的图像载体。
地图表达的对象可以是具体的(如居民区植被、土壤等)和抽象的(如人口密度、工农业产值、影响范围等)、现实的(如河网、道路、城市土地利用)和预期的(规划中的灌溉网、规划的道路和土地利用规划)。更为重要的是，地图还可表示自然现象的发生发展过程，例如城市扩展图、土地利用变化图、土壤侵蚀速率图等。
由于地图在表达空间地理信息时具有精确、简洁、丰富、动态、灵活等特点，所以地图已经成为地理工作者普遍使用的地理语言，也是地理信息系统的最重要的数据源。事实上，地图也是地理信息系统向用户输出信息的重要形式之一。
1.2.2空间数据
空间数据是单个或群体地以空间位置为参照的数据，地理空间数据是指人们通过观测所得到的地球上某些地物景观的空间数据。
一般来说，空间位置可以通过以下两种方法表示：
1. 专门位置表示法
通过空间实体与某些数据要素之间空间位置的联系来表示，即表示为绝对坐标和相对坐标。专门位置法可以表示：
·小尺度空间现象的点或大尺度空间现象的抽象的点，如城镇、高程控制点、交通网络的结点等；
·具有线性特征的线段，如水系、公路等；
·有规则的面，如栅格、像元等：
·用于面状描述的不规则多边形，如土壤分布、植被类型、空间影响范围等。
2. 列名位置表示法
用名称或编码等可标识的数码表示。如邮政编码、街区地址、门牌号码等。它们只表示空间实体的组合和偶然的联系，本身并不能完整地表达空间位置，而需参照其他空间要素。如地图上地名与编码结合起来才能确定实体的空间位置。
地理空间数据可以用来描述地球上可更新与不可更新的自然资源、人类赖以生存的自然环境、人文经济与劳动力资源的有关信息，包括：地形地貌、土壤、岩石矿藏、植被、水、土地利用、行政界限、交通网络、政治分区、邮政区、公共设施位置、土地界限、土地价值、土地所有权、人口普查分区、人口分布、收入分配、经济区划、环境污染、疾病影响范围、自然灾害公布等。
空间数据表示了各种空间现象之间的空间关系，如邻接、距离、重叠、包含等。空间现象的其他属性也可以用数据表示，有时在一定程度上空间关系或属性隐含于数据结构中，可以根据记录格式和数据结构计算出来。
1.3地理信息与地理信息系统
1.3.1地理信息
地理信息是指表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。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类型信息的最显著的标志。地理信息的这种定位特征，是通过经纬网或公路网建立的地理坐标来实现空间位置识别的，地理信息还具有多维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构。而各个专题之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各图层之间的综合研究提供了可能，也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供了方便。
1.3.2地理信息系统
地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。简而言之，地理信息系统是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统，它是一种特殊而又十分重要的信息系统。
从学术与技术的角度看，地理信息系统是19世纪60年代开始迅速发展起来的一门新技术，结合计算机、系统工程、经济管理等多学科的知识，属跨学科的技术系统。它所涉及的内容主要包括：
·有关的计算机硬、软件
·空间数据的获取及计算机输入
·空间数据模型及其数据表达
·属性数据的数据库存储及处理
·数据的共享、分析与应用
·数据的显示与视觉化
·地理信息系统的项目管理、开发、质量保证与标准化
·地理信息系统的机构设置与人员培训等
在本书中，我们将从功能或内容上来讨论地理信息系统，即把地理信息系统看成是一种以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型信息管理系统。
一般说来，地理信息系统按其内容可以分为三大类：
·专题信息系统(Thematic Information System)这是具有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门的目的服务，如矿产资源管理信息系统、农作物估产信息系统、灾害监测信息系统等。
·区域信息系统(Regional Information System)主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标。可以有不同的规模，如国家级的、地区或省、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以是按自然分区或流域为单位的区域信息系统，如加拿大国家信息系统、我国黄河流域信息系统等。
事实上，许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统等。
·地理信息系统工具(GIS-Tool)也称地理信息系统开发平台或外壳，它是具有地理信息系统基本功能的工具软件或开发平台，供其他系统调用或进行二次开发。国内外已在不同档次的计算机设备上研制了一批地理信息系统工具，如美国耶鲁大学森林与环境学院的Map软件包(Map Analysis Package)、MapInfo公司的MapInfo系统，以及北京大学研制的微机地理信息系统工具Spaceman等。将地理信息系统外壳与数据库系统结合，用以完成图形图像数字化、地理数据的存储管理、查询检索、结果输出等任务，就可以开发出相应的决策支持系统、专家系统等。
另一方面，也可以从其他角度对地理信息系统进行分类。例如：
按数据结构的不同可将地理信息系统分为：①基于多边形的，即矢量型地理信息系统；②基于格网的，即栅格型地理信息系统。
按照系统用途可将地理信息系统分为：①自然资源清查信息系统；②城市信息系统：③规划和评价信息系统：④空间分析型的地理信息系统；⑤人才和智力资源信息系统。
按系统职能的不同可以分为：①地形信息系统；②专题信息系统；②土地资源信息系统；④地籍信息系统；⑤人口统计信息系统等等。
1.4地理信息系统的构成