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  • 地理信息系统

    地理信息系统(Geographic Information System或Geo-Information system,GIS)有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。位置与地理信息既是LBS的核心,也是LBS的基础。一个单纯的经纬度坐标只有置于特定的地理信息中,代表为某个地点、标志、方位后,才会被用户认识和理解。用户在通过相关技术获取到位置信息之后,还需要了解所处的地理环境,查询和分析环境信息,从而为用户活动提供信息支持与服务。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    英文名: 地理信息系统 其他外文名: Geographic Information System
    常见软件: 超擎图形 英文缩写: GIS
    类别: 既是LBS的核心,也是LBS的基础

    目录

    简介 /地理信息系统 编辑

    地理信息系统地理信息系统
    地理信息系统(GIS,Geographic Information System)是一门综合性学科,结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学,已经广泛的应用在不同的领域,是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统,随着GIS的发展,也有称GIS为“地理信息科学”(Geographic Information Science),近年来,也有称GIS为"地理信息服务"(Geographic Information service)。GIS是一种基于计算机的工具,它可以对空间信息进行分析和处理(简而言之,是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。GIS与其他信息系统最大的区别是对空间信息的存储管理分析,从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。
    GIS可以分为以下五部分:
    人员,是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务,开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足,但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。
    数据,精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
    硬件,硬件的性能影响到软件对数据的处理速度,使用是否方便及可能的输出方式。
    软件,不仅包含GIS软件,还包括各种数据库,绘图、统计、影像处理及其它程序。
    过程,GIS 要求明确定义,一致的方法来生成正确的可验证的结果。
    地理信息系统的组成
    GIS属于信息系统的一类,不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性,在GIS中的两种地理数据成分:空间数据,与空间要素几何特性有关;属性数据,提供空间要素的信息。

    地理信息系统(GIS)与全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)合称3S系统。地理信息系统(GIS) 是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上, 这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。例如,根据在数据库中的位置对数据进行识别。实习者通常也认为整个GIS系统包括操作人员以及输入系统的数据。


    地理信息系统(GIS)技术能够应用于科学调查、资源管理、财产管理、发展规划、绘图和路线规划。例如,一个地理信息系统(GIS)能使应急计划者在自然灾害的情况下较易地计算出应急反应时间,或利用GIS系统来发现那些需要保护不受污染的湿地。

    发展历史/地理信息系统 编辑

    史前

    15,000年前,在拉斯考克(Lascaux)附近的洞穴墙壁上,法国的Cro Magnon猎人画下了他们所捕猎动物的图案。与这些动物图画相关的是一些描述迁移路线和轨迹线条和符号。这些早期记录符合了现代地理资讯系统的二元素结构:一个图形文件对应一个属性数据库。

    18世纪

    18世纪地形图绘制的现代勘测技术得以实现,同时还出现了专题绘图的早期版本,例如:科学方面或人口普查资料。约翰·斯诺在1854年,用点来代表个例,描绘了伦敦的霍乱疫情,这可能是最早使用地理方法的位置。 他对霍乱分布的研究指向了疾病的来源----一个位于霍乱疫情爆发中心区域百老汇街的一个被污染的公共水泵。 约翰·斯诺将泵断开,最终终止了疫情爆发。

    20世纪初期

    20世纪初期将图片分成层的“照片石印术”得以发展。它允许地图被分成各图层,例如一个层表示植被和另一层表示水。这技术特别用于印刷轮廓-绘制,这是一个劳力集中的任务,但他们有一个单独的图层意味着他们可以不被其他图层上的工作混淆。这项工作最初是玻璃板上绘制,后来,塑料薄膜被引入,具有更轻,使用较少的存储空间,柔韧等等的优势。当所有的图层完成,再由一个巨型处理摄像机结合成一个图像。彩色印刷引进后,层的概念也被用于创建每种颜色单独的印版。尽管后来层的使用成为当代地理信息系统的主要典型特征之一,刚才所描述的摄影过程本身并不被认为是一个地理信息系统 - 因为这个地图只有图像而没有附加的属性数据库。

    60年代早期 

    GIS之父:罗杰·汤姆林森
    60年代早期,在核武器研究的推动下,计算机硬件的发展导致通用计算机“绘图”的应用。
    1967年,世界上第一个真正投入应用的地理信息系统由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。罗杰·汤姆林森博士开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统(CGIS ) ,用于存储,分析和利用加拿大土地统计局( CLI,使用的1:50,000比例尺,利用关于土壤农业、休闲,野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息,以确定加拿大农村的土地能力。)收集的数据,并增设了等级分类因素来进行分析。
    CGIS是“计算机制图”应用的改进版,它提供了覆盖,资料数字化/扫描功能。它支持一个横跨大陆的国家坐标系统,将线编码为具有真实的嵌入拓扑结构的“弧”,并在单独的文件中存储属性和区位信息。由于这一结果,汤姆林森已经成为称为“地理信息系统之父”,尤其是因为他在促进收敛地理数据的空间分析中对覆盖的应用。
    CGIS一直持续到20世纪70年代才完成,但耗时太长,因此在其发展初期,不能与如Intergraph这样的销售各种商业地图应用软件的供应商竞争。CGIS一直使用到20世纪90年代,并在加拿大建立了一个庞大的数字化的土地资源数据库。它被开发为基于大型机的系统以支持一个在联邦和省的资源规划和管理。其能力是大陆范围内的复杂数据分析。CGIS未被应用于商业 。微型计算机硬件的发展使得象ESRI和CARIS那样的供应商成功地兼并了大多数的CGIS特征,并结合了对空间和属性信息的分离的第一种世代方法与对组织的属性数据的第二种世代方法入数据库结构。20世纪80年代和90年代产业成长刺激了应用了GIS的UNIX工作站和个人计算机飞速增长。至20世纪末,在各种系统中迅速增长使得其在相关的少量平台已经得到了巩固和规范。并且用户开始提出了在互联网上查看GIS数据的概念,这要求数据的格式和传输标准化。

    建模系统/地理信息系统 编辑

    数据建模

    将湿地地图与在机场、电视台和学校等不同地方记录的降雨量关联起来是很困难的。然而,GIS能够描述 地表、地下和大气的二维三维特征。
    例如,GIS能够将反映降雨量的雨量线迅速制图。
    这样的图称为雨量线图。通过有限数量的点的量测可以估计出整个地表的特征,这样的方法已经很成熟。 一张二维雨量线图可以和GIS中相同区域的其它图层进行叠加分析。

    拓扑建模

    在过去的35年,在湿地边上有没有任何加油站或工厂经营过?有没有任何满足在2英里内且高出湿地的条件的这类设施?GIS可以识别并分析这种在数字化空间数据中的这种空间关系。这些拓扑关系允许进行复杂的空间建模和分析。地理实体间的拓扑关系包括连接(什么和什么相连)、包含(什么在什么之中)、还有邻近(两者之间的远近)。

    网络建模

    如果所有在湿地附近的工厂同时向河中排放化学物质,那么排入湿地的污染物的数量要多久就能达到破坏环境的数量?GIS能模拟出污染物沿线性网络(河流)的扩散的路径。诸如坡度、速度限值、管道直径之类的数值可以纳入这个模型使得模拟得更精确。网络建模通常用于交通规划、水文建模和地下管网建模。

    GIS/地理信息系统 编辑

    地理信息只是一堆数字纪录,需要有合适的软件去把它表示出来;与此同时,地理信息数据库的建立,亦有赖合适软件的帮助,把地理数据信息化。现时在工商界方面的市场普遍被两大地理资讯系统巨头ESRI及Mapinfo所垄断,但他们亦能够提供一套整全的地理资讯系统,以供客户使用。政府及军方机构往往用到特别打造的软件,例如开源的GRASS或其他专门的系统,以配合他们的特殊需要。虽然现时有不少自由的阅览GIS资料的工具,一般大众可以轻易取得的地理信息,还得依靠Google Earth或微软的Virtual Earth之类的系统。这些系统所提供的资料更往往偏重地域中心,例如:你可以清楚找到一个位于美国偏远小镇的停车位,但却不能看得清楚一条位于首尔江南区的大街。
    互联网连结编程界面
    在互联网服务普及的今天,不少地理资讯系统都提供编程界面,让用户通过这些界面及其系统建立各自的地理资讯信息页面。这些编程界面,有利用VBA或JavasScript的。让用户很容易就可以提供卫星图片或地图的连结页面,甚至加上行车路线或道理位置等信息。
    移动GIS
    通过与流动装置的结合,地理资讯系统可以为用户提供即时的地理信息。一般汽车上的导航装置都是结合了卫星定位设备(GPS)和地理资讯系统 (GIS)的复合系统;在香港曾经很流行的地图王,则是一套可以安装在PDA或手提电话上的即时地图系统。
    汽车导航系统是地理资讯系统的一个特例,它除了一般的地理资讯系统的内容以外,还包括了各条道路的行车及相关信息的数据库。这个数据库利用矢量表示行车的路线、方向、路段等信息,又利用网络拓扑的概念来决定最佳行走路线。地理数据文件(GDF)是为导航系统描述地图数据的ISO标准。汽车导航系统组合了地图匹配、GPS定位和来计算车辆的位置。地图资源数据库也用于航迹规划、导航,并可能还有主动安全系统、辅助驾驶及位置定位服务(Location Based Services, LBS)等高级功能。汽车导航系统的数据库应用了地图资源数据库管理。
    RTK
    移动定位系统,精确定位误差厘米级。

    开发工具/地理信息系统 编辑

    组件式工具

    组件式GIS开发工具是计算机技术发展的产物,代表了GIS开发的发展方向。它不仅有标准的开发平台和简单易用的标准接口,还可以实现自由、灵活的重组。组件式GIS开发工具的核心技术是微软的组件对象[2]模型(COM)技术,新一代组件式GIS开发工具多是采用ActiveX控件技术实现的。比较常见的组件式GIS开发工具有:TatukGIS公司的Developer Kernel、ThinkGeo公司的Map Suite GIS、Intergraph 公司推出的Geomedia,ESRI公司推出的MapObjects,GEOCONCEPT集团推出的Geoconcept Development Kits等。
    优势:在无缝集成和灵活性方面优势明显。GIS开发者不必掌握专门的GIS系统开发语言,只要熟悉基于Windows平台的通用集成开发环境,了解控件的属性、方法和事件,就可以实现GIS系统开发了。

    集成式工具

    集成式GIS开发工具意思是集合了各种功能模块的GIS开发包。比较常见的有:ESRI公司推出的ArcGIS、MapInfo 公司的MapInfo、GEOCONCEPT集团的Geoconcept等。
    优势:各项功能已形成独立的完整系统,提供了强大的数据输入输出功能空间分析功能、良好的图形平台和可靠性能,缺点是系统复杂、庞大和成本较高,并且难于与其它应用系统集成。

    模块式工具

    模块式GIS开发工具是把GIS系统按功能分成一些模块来运行。比较常见的有:Intergraph公司的MGE。
    优势:开发的GIS系统具有较强的针对性,便于二次开发和应用。

    网络工具

    WebGIS是指基于Internet平台的GIS地理信息系统,是利用网络技术来扩展和完善GIS地理信息系统的新技术。WebGIS还处于初级发展阶段,不过已经有很多公司推出了WebGIS开发工具,TatukGIS公司的Internet Server (IS)、 ThinkGeo公司的Map Suite Web Edition、MapInfo公司的MapInfo ProSever、Intergraph公司的GeoMedia Web Map、GEOCONCEPT集团的Geoconcept Internet Server(GCIS)等。
    优势:开发的GIS系统具有良好的可扩展性和跨平台特性,使GIS真正实现大众化。

    原则和要求/地理信息系统 编辑

    地理信息有多种来源和不同特点,地理信息系统要具有对各种信息处理的功能。从野外调查、地图、遥感、环境监测和社会经济统计多种途径获取地理信息,由信息的采集机构或器件采集并转换成计算机系统组织的数据。这些数据根据数据库组织原理和技术,组织成地理数据库

    地理数据库是系统的核心部分。库中各种地理数据通常以多边形(矢量)方式和网格(光栅)方式进行组织。多边形作为区域的基本单元可以是某一级行政、经济区划单位,或某一地理要素的类型轮廓,它是由地理要素的专题信息(如类型代码)和几何信息(多边形边界的xу 坐标值及其拓扑信息)构成(见多边形数据系统)。网格方式对某一区域按地理坐标或平面坐标建立规则的网格,并对每个网格单元按行、列顺序赋于不同地理要素代码,构成矩阵数据格式(见网格数据系统)。为了实现数据资源的共享和互换,地理数据库必须做到数据规范化和标准化,并有效地对各种地理数据文件进行管理,实现对数据的监控、维护、更新、修改和检索。地理数据通过软件的处理,进行分析计算,并加以显示。显示的方式有地理图、统计表和其他形式。 

    组成/地理信息系统 编辑

    包括硬件设备和软件系统两大部分。地理信息系统主要硬件设备有:①数据采集装置,有各种类型的数字化仪;②人机图形交互装置,可采用高分辨率的彩色图形显示器和输入部件;③中央处理装置,通常使用不同类型的数字计算机;④数据存储设备,作为计算机的外存设备,主要是大容量的磁盘和磁带机;⑤图形输出设备,有矢量式或光栅式绘图机、静电式符号打印设备等。

    地理信息系统软件分为系统软件和应用软件。系统软件包括计算机系统提供的操作系统、语言编译系统、数据库管理系统和数学库,还有数字化操作软件、基本的显示绘图软件等。应用软件范围广泛,功能多样,如处理多边形信息和网格信息的各种程序、多元统计分析程序、各种地理分析程序以及应用绘图程序等。   

    特点/地理信息系统 编辑

    公共的地理定位基础;
    具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力;
    系统以分析模型驱动,具有极强的空间综合分析和动态预测能力,并能产生高层次的地理信息;
    以地理研究和地理决策为目的,是一个人机交互式的空间决策支持系统。

    产品分类/地理信息系统 编辑

    按功能

    专题地理信息系统(Thematic GIS)
    区域地理信息系统(Regional GIS)
    地理信息系统工具(GIS Tools)

    按内容

    城市信息系统
    自然资源查询信息系统
    规划与评估信息系统
    土地管理信息系统等
    GIS中使用的技术

    信息来源

    如果能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来,就可以判断出哪块湿地在一年的某些时候会干涸。一个GIS系统就能够进行这样的分析,它能够将不同来源的信息以不同的形式应用。对于源数据的基本要求是确定变量的位置。位置可能由经度、纬度和海拔的x,y,z坐标来标注,或是由其他地理编码系统比如ZIP码,又或是高速公路英里标志来表示。任何可以定位存放的变量都能被反馈到GIS。一些政府机构和非政府组织正在生产制作能够直接访问GIS的计算机数据库。可以将地图中不同类型的数据格式输入GIS。GIS系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式。例如,通过分析由遥感生成的数字卫星图像,可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。
    同样,人口调查或水文表格数据也可在GIS系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。

    资料展现

    GIS数据以数字数据的形式表现了现实世界客观对象(公路、土地利用、海拔)。 现实世界客观对象可被划分为二个抽象概念: 离散对象(如房屋) 和连续的对象领域(如降雨量或海拔)。这二种抽象体在GIS系统中存储数据主要的二种方法为:栅格(网格)和矢量。
    栅格(网格)数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。它与栅格(网格)图像是类似的,除了使用合适的颜色之外,各个单元记录的数值也可能是一个分类组(例如土地使用状况)、一个连续的值(例如降雨量)或是当数据不是可用时记录的一个空值。栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。通常存储单元代表地面的方形区域,但也可以用来代表其它形状。栅格数据既可以用来代表一块区域,也可以用来表示一个实物。
    矢量数据利用了几何图形例如点、线(一系列点坐标),或是面(形状决定于线)来表现客观对象。例如,在住房细分中以多边形来代表物产边界,以点来精确表示位置。矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。利用等高线和不规则三角形格网(TIN)来表示海拔或其他连续变化的值。TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。三角形所在的面代表地形表面。
    利用栅格或矢量数据模型来表达现实既有优点也有缺点。栅格数据设置在面内所有的点上都记录同一个值,而矢量格式只在需要的地方存储数据,这就使得前者所需的存储的空间大于后者。对于栅格数据可以很轻易地实现覆盖的操作,而对于矢量数据来说要困难得多。矢量数据可以像在传统地图上的矢量图形一样被显示出来,而栅格数据在以图象显示时显示对象的边界将呈现模糊状。
    除了以几何向量坐标或是栅格单元位置来表达的空间数据外,另外的非空间数据也可以被存储。在矢量数据中,这些附加数据为客观对象的属性。例如,一个森林资源的多边形可能包含一个标识符值及有关树木种类的信息。在栅格数据中单元值可存储属性信息,但同样可以作为与其他表格中记录相关的标识符。

    资料采集

    数据采集——向系统内输入数据——它占据了GIS从业者的大部分时间。有多种方法向GIS中输入数据,在其中它以数字格式存储。
    印在纸或聚酯薄膜地图上的现有数据可以被数字化或扫描来产生数字数据。数字化仪从地图中产生向量数据作为操作符轨迹点、线和多边形的边界。扫描地图可以产生能被进一步处理生成向量数据的光栅数据。
    测量数据可以从测量器械上的数字数据收集系统中被直接输入到GIS中。从全球定位系统(GPS)——另一种测量工具中得到的位置,也可以被直接输入到GIS中。遥感数据同样在数据收集中发挥着重要作用,并由附在平台上的多个传感器组成。传感器包括摄像机、数字扫描仪和激光雷达,而平台则通常由航空器和卫星构成。 大部分数字数据来源于图片判读和航空照片。软拷贝工作站用来数字化直接从数字图像的立体象对中得到的特征。这些系统允许数据以二维或三维捕捉,它们的海拔直接从用照相测量法原理的立体象对中测量得到。现今,模拟航空照片先被扫描然后再输入到软拷贝系统,但随着高质量的数字摄像机越来越便宜,这一步也就可被省略了。 卫星遥感提供了空间数据的另一个重要来源。这里卫星使用不同的传感器包来被动地测量从主动传感器如雷达发射出去的电磁波频谱或无线电波的部分的反射系数。遥感收集可以进一步处理来标识感兴趣的对象和类例如土地覆盖的光栅数据。
    除了收集和输入空间数据之外,属性数据也要输入到GIS中。对于向量数据,这包括关于在系统中的对象的附加信息。
    输入数据到GIS中后,通常还要编辑,来消除错误,或进一步处理。对于向量数据必须要“拓扑正确”才能进行一些高级分析。比如说,在公路网中,线必须与交叉点处的结点相连。像反冲或过冲的错误也必须消除。对于扫描的地图,源地图上的污点可能需要从生成的光栅中消除。例如,污物的斑点可能会把两条本不该相连的线连在一起。

    资料操作

    GIS可以执行数据重构来把数据转换成不同的格式。例如,GIS可以通过在具有相同分类的所有单元周围生成线,同时决定单元的空间关系,如邻接和包含,来将卫星图像转换成向量结构。
    由于数字数据以不同的方法收集和存储,两种数据源可能会不完全兼容。因此GIS必须能够将地理数据从一种结构转换到另一种结构。

    系统转换

    财产所有权地图与土壤分布图可能以不同的比例尺显示数据。GIS中的地图数据必须能被操作以使其与从其它地图获得的数据对齐或相配合。在数字数据被分析前,它们可能得经过其它一些将它们整合进GIS的处理,比如,投影与坐标变换。 地球可以用多种模型来表示,对于地球表面上的任一给定点,各个模型都可能给出一套不同的坐标(如纬度,经度,海拔)。最简单的模型是假定地球是一个理想的球体。随着地球的更多测量逐渐累积,地球的模型也变得越来越复杂,越来越精确。事实上,有些模型应用于地球的不同区域以提供更高的精确度(如北美坐标系统,1983-NAD83-只适合在美国使用,而在欧洲却不适用)。
    投影是制作地图的基础部分,它是从地球的一种模型中转换信息的数学方法,它将三维的弯曲表面转换成二维的媒介(比如纸或电脑屏幕)。不同类型的地图要采用不同的投影系统,因为每种投影系统有其自身的合适的用途。比如一种可以精确反映大陆形状的投影会歪曲大陆的相对尺寸(翻译的是英文的维基百科)

    空间分析

    空间分析能力是GIS的主要功能,也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物,以及对空间事物做出定量的描述。一般地讲,它只回答What(是什么?)、Where(在哪里?)、How(怎么样?)等问题,但并不(能)回答Why(为什么?)。空间分析需要复杂的数学工具,其中最主要的是空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等,其主要任务是对空间构成进行描述和分析,以达到获取、描述和认知空间数据;理解和解释地理图案的背景过程;空间过程的模拟和预测;调控地理空间上发生的事件等目的。
    空间分析技术与许多学科有联系,地理学、经济学、区域科学、大气、 地球物理、水文等专门学科为其提供知识和机理。除了GIS软件捆绑空间分析模块外,也有一些专用的空间分析软件,如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。

    行业概况/地理信息系统 编辑

    供求关系是一个地理信息系统行业能否快速发展的前提。目前来看,市场需求是很大的,而供应方面却略显不足,尤其是拥有核心知识产权,专利产品及服务质量过硬的企业并不多,行业整体缺乏品牌效应。在需求旺盛的阶段,行业需求巨大,发展前景好,这是毋庸置疑的。业内企业共同努力,尤其需要发挥尽善尽美的研发精神,进一步提高研发技艺,降低成本,真正解决客户的实际困难,严把质量关,提供最可靠的产品及服务。

    类型/地理信息系统 编辑

    按性质分为静态非空间模式、静态空间模式、动态非空间模式和动态空间模式 4种地理信息系统。静态非空间模式系统以瞬时段经济社会数据为主要管理对象,它与现行的手工统计信息系统接口;动态非空间模式系统处理随时间变化的经济社会数据,它与手工统计信息系统有密切关系;静态空间模式系统和动态空间模式系统的特点要与地图数据空间遥感数据接口,反映各种地理要素的空间变化特征和过程。一个大型的地理信息系统,根据各地理要素的数据性质包含上述4种模式,而以动态空间数据模式为其核心。小型、初级地理信息系统则仅采用静态非空间模式,以满足地方或小城镇对地理信息的需求。

    按应用功能分为专题地理信息系统、区域地理信息系统和地理信息技术处理系统。专题地理信息系统是根据专门地理问题的需求而建立的,如土地利用信息系统、能源信息系统、水资源信息系统、旅游信息系统城市规划管理信息系统。区域地理信息系统以一定的区域作为研究对象,既有区域综合地理信息系统,也有区域专题信息系统,直接服务于区域发展的部门和综合数据管理。地理信息技术处理系统是面向技术处理的,如遥感数据处理系统、计算机辅助制图系统、地理数据分析系统等。

    性质定位/地理信息系统 编辑

    地理信息系统是地理科学信息科学计算机科学等的交叉学科,是一门新兴的学科,在社会、经济建设中有着非常广泛的应用。北京大学于1990年开始在地理类本科生课程中开设地理信息系统概论,并定为必修科目,1998年正式设立地理信息系统本科专业,是我国最早开设这一专业的院校之一,为社会培养了大批的高层次人才。

    在地理信息系统本科专业的课程设置中,地理信息系统概论是一门骨干必修基础课,也是学生第一门地理信息系统专业课程。目前,地理信息系统概论已经是北京大学地球与空间科学学院的及环境科学学院的本科必修课程,同时也是众多相关院系的选修课程。这门课程的基础定位是:使学生掌握正确的专业基本概念和基础认识,掌握地理信息系统的基本框架结构,了解地理信息系统的应用及发展状况,从而为其后续专业及相关的学习和研究指引正确方向、打好坚实基础。

    指导思想/地理信息系统 编辑

    地理信息系统是一门综合性的应用学科,它对于学生的地理科学及信息科学、计算机科学基础要求比较高。同时,地理信息系统目前发展非常迅速,应用越来越广泛,因而尽管本课程是一门基础课程,其内容的更新速度确实非常迅速的。结合这些特点,基于课程目的和课程定位,本课程建设的基本指导思想是:

    1、坚持理论与实践相结合。本课程作为本科生的入门课程,对相关的基础概念、基础知识及基本原理需要进行充分、翔实的讲解,使学生牢固的予以掌握

    2、坚持基础理论体系与最新进展相结合。本课程讲授地理信息系统的完整的理论体系与框架,以便为学生的后续学习研究打好基础。

    3、坚持个性化教育的原则。地理信息系统是一个交叉学科,需要的专业背景知识较多,包括地理科学、信息科学及计算机科学等,同时其应用方向又非常广泛。

    4、积极运用新型的教学手段。针对课程中的重点与难点,本课程积极采用文字图片视频动画等新型教学手段,以提高课程的趣味性,提高学生的参与程度,帮助学生进行理解和记忆。由于地理信息系统本身就是软件系统,因而课堂教学讲授中还采用了现场操作、现场演示的教学方法,并大力鼓励学生走上讲台进行操作,大大提高了学生的参与程度。

    教学内容/地理信息系统 编辑

    本课程教学的主要内容包括四个主要模块:

    模块一:基本概念和理论
    要点1:概述
    地理信息系统的基本概念:信息数据地理数据地理信息;地理信息系统及其重要类型;地理信息功能概述;地理信息系统的研究内容;地理信息系统发展简史
    要点2:从现实世界到比特世界
    对现实世界的地理认知:认知与认知模型;现实世界的抽象:现实世界-概念世界-地理空间世界-纬度世界-项目世界;比特世界
    要点3:空间数据模型
    空间数据模型基本概念;场模型;要素模型;基于要素的空间关系分析;网络结构模型;时空模型;三维模型
    要点4:空间参照系与地图投影(本部分系针对非地理专业学生设置,不是正式授课内容)
    地球椭球体;坐标系;地图投影基本问题;高斯-克吕格投影;地形图的分幅与编号
    要点5:GIS中数据
    数据涵义与类型;数据的测量尺度:命名量-次序量-间隔量-比率量;地理信息系统数据质量:数据质量来源与控制;空间数据元数据:元数据的基本概念-元数据的应用-元数据的获取-元数据的存储与功能实现。

    模块二:地理信息系统的框架与功能
    要点1:空间数据获取与处理
    地图数字化:概述-地图数据类型-数字化仪数字化-扫描矢量化及常用算法;空间数据录入后处理:坐标变化-图形拼结-拓扑生成。
    要点2:空间数据管理
    空间数据库:空间数据库-GIS内部数据结构;栅格数据及其编码:栅格数据结构-决定栅格单元代码的方式-编码方法;矢量数据结构及其编码:矢量数据结构-编码方法;矢量与栅格结构的比较与转换算法;空间索引机制;空间信息查询:基于属性特征的查询-基于空间关系和属性特征的查询(SQL)-空间扩展sql查询语言(GSQL)。
    要点3:空间分析
    空间查询与量算;空间变换;再分类;缓冲区分析;叠加分析;网络分析;空间插值;空间统计分类分析
    要点4:数字地形模型(DTM)与地形分析
    DEM与DTM;DEM的主要表示方法:规则网格模型-等高线模型-TIN模型-层次模型;DEM模型的相互转换:不规则点生成TIN-网格DEM转成TIN;等高线转为格网DEM-利用格网DEM提取等高线-TIN转为格网DEM;DEM建立:DEM数据采集方法-数字摄影测量-DEM数据质量控制;DEM的分析与应用:格网DEM应用-TIN分析应用。
    要点5:空间建模与空间决策支持
    空间分析过程及其模型;空间决策支持模型:空间分析决策的复杂性,基本理论与方法-空间决策系统-空间决策的模型管理;专家系统:专家系统的基本组成、知识处理与系统实例;数据仓库与空间数据挖掘:数据仓库-数据挖掘-空间数据挖掘;GIS空间分析与空间动态建模:GIS与空间动态模型的结合方式-元胞自动机简介-元胞自动机模拟林火蔓延模型-元胞自动机的局限性;空间相互作用与位置(分配模型):空间优化模型的定义与分类-静态离散空间优化模型的数学表达(线性规划)。
    要点6:空间数据表现与地图制度
    地理信息系统数据表现与地图学数学法则-符号-制图综合;地图的符号;专题信息表现:分类与内容-表现方法-表现手段;专题地图设计:图幅基本轮廓设计-区域范围的确定-专题地图数学基础的设计-图面设计;制图综合:概念-影响因素-基本方法;地理信息的可视化:基本概念-地学可视化类型-虚拟地理环境。

    模块三:地理信息系统应用
    要点1:3S集成技术
    遥感简介;GPS简介;GIS/RS的集成及具体技术;GIS/GPS的集成及具体技术;GIS/RS/GPS的集成。
    要点2:网络地理信息系统
    网络的基本概念;分布式地理信息系统:分布式系统和C/S模型-网络地理信息系统的组合方式-网络地理信息系统的概念设计;WebGIS:简介与实现技术。
    要点3:地理信息系统应用实例
    城市规划、建设管理;农业气候区划;大气污染监测管理;道路交通管理;地震灾害和损失估算;地貌研究;医疗卫生军事应用。
    要点4:地理信息系统应用项目组织与管理
    地理信息系统应用项目简介:模式与分类-开发方式;应用项目策略规划;应用项目合同;应用项目软硬件规划;子项目划分与管理;项目预算;人员管理;开发与数据管理;项目控制与评估;软件研制与开发质量管理:ISO9000-CMM模型。
    要点5:地理信息系统软件工程技术
    软件工程简介;GIS领域的体系结构与构件;GIS需求分析;数据管理设计;界面设计;GIS设计模式;使用CASE工具。

    模块四:地理信息系统的前沿问题与发展趋势
    要点1:地理信息系统标准
    地理信息系统标准简介;ISO/TC211;OpenGIS。
    要点2:地理信息系统与社会
    GIS的社会化;GIS的社会化的相关问题:产业-政策-法律-教育与评估认证;社会对GIS发展的影响。
    要点3:地球信息科学和数字地球
    地球信息科学的概念与研究内容;数字地球的产生背景与概念;数字地球核心技术综述;国家信息基础设施和国家空间数据基础设施。

    课程特色/地理信息系统 编辑

    地理信息系统地图学
    地理信息系统概论课程的的主要特色是:

    1、坚持理论与实践相结合。本课程作为本科生的入门课程,对相关的基础概念、基础知识及基本原理需要进行充分、翔实的讲解,使学生牢固的予以掌握。同时,为了改变学生在基础课程中容易“死记硬背”的问题,突出地理信息系统的应用特点,在课堂教学中引用大量应用实例;本课程还设置了专门的实习课,并安排了专门的实习课教师,布置了具体的实习作业,以使学生能够掌握常见的应用系统的使用和操作,并提高学生的实际动手解决问题的能力。

    2、坚持基础理论体系与最新进展相结合。本课程讲授地理信息系统的完整的理论体系与框架,以便为学生的后续学习研究打好基础。同时,考虑到学科的快速发展,在基础理论的基础上,增加了地理信息科学与数字地球、地理信息系统与社会、地理信息系统标准、地理信息系统工程的章节,以使学生对学科的最前沿发展有所了解、有所掌握。

    3、坚持个性化教育的原则。地理信息系统是一个交叉学科,需要的专业背景知识较多,包括地理科学、信息科学及计算机科学等,同时其应用方向又非常广泛。针对这个特点,我们在教材编制中涵括了常见的基础知识,如部分计算机网络常识、地图学的基本原理等,并在课程中对基础知识有欠缺的同学进行有针对性的辅导。同时,在安排专题讲座及课程实习时,也不是千篇一律,而是针对学生的专业方向进行了相应的安排。

    4、注重提高学生的实践动手能力。考虑到地理信息系统学科的应用特色,本课程非常注重提高学生实际的动手能力。在授课现场增加了提问,实际操作等内容,并通过课程作业、实习、综合作业的方式要求学生实际动手解决问题。这最终又加强了学生对基础知识的掌握。

    5、积极运用新型的教学手段。针对课程中的重点与难点,本课程积极采用文字、图片、视频、动画等新型教学手段,以提高课程的趣味性,提高学生的参与程度,帮助学生进行理解和记忆。由于地理信息系统本身就是软件系统,因而课堂教学讲授中还采用了现场操作、现场演示的教学方法,并大力鼓励学生走上讲台进行操作,大大提高了学生的参与程度。

    教学方式/地理信息系统 编辑

    在地理信息系统概论的教学中,教学组非常注重学生的主动思考,主动学习,并大力强调学生的动手实践。
    1、本课程的基本教学方式是课堂讲授。
    2、有针对性的课下作业。
    3、实习教学是教学的重要一环。
    4、鼓励学生参与科研
    5、提供网络交流平台辅助教学。  

    语义学 /地理信息系统 编辑

    万维网联盟的语义网运动中出现的工具和技术被证明在信息系统的数据集成问题中十分有用。相应地,这种技术已被提议作为一种促进GIS应用之间的互操作性和数据重用的手段,并启用了新的分析机制。
    本体是这种语义方法的关键组成部分,因为它们遵循一个在特定领域的概念和关系下被机器可读的正式规范。反过来,这使得地理信息系统专注于一个的数据的意义,而不是它的语法或结构。临时本体是在GIS应用领域开发的,例如由英国地形测量局和美国宇航局喷气推进实验室开发的SWEET本体开发得水文本体论。此外,简单的本体和语义元数据标准正在由万维网联盟地理培育集团发表出来以便在网络上表述地理空间数据。

    社会应用/地理信息系统 编辑

    随着GIS在决策中的普及,学者们已经开始审议地理信息系统的社会影响。有人认为 ,地理信息的生产、分配、利用和表述的很大程度上与社会环境有关。其他相关议题包括版权、隐私和审查的讨论。较为乐观的GIS社会应用是将它作为一个公众参与的工具来应用。
    规划
    测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要
    国家测绘地理信息局日前印发了《测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要》,目标是到2015年,建成数字中国地理空间框架和信息化测绘体系。规划还提出,争取把地理信息产业纳入国家战略性新兴产业规划。
    统计显示,截至“十一五”末,我国地理信息产业总值突破1000亿元;而到“十二五”末,这一数字有望突破2000亿元。倍增的规模将给地理信息产业链上下游企业带来巨大的市场空间。
    推进地理信息资源整合
    规划提出,要加快推进地理信息资源整合和数字城市建设。据统计,“十一五”期间,我国数字城市建设试点和推广城市已达130个。国家测绘地理信息局副局长王春峰表示,“十二五”期间将在全国全面推进数字城市建设,力争完成全部333个地级市和部分有条件的县级市的数字城市建设。
    国家测绘地理信息局日前发布的2011年测绘工作要点明确要求,进一步加快数字城市建设步伐,力争在2011年完成100个以上、启动100个以上数字城市建设,使数字城市覆盖全国2/3以上的地级城市。业内人士指出,基于这样的建设速度,未来3-5年,数字化城市管理平台的市场容量将超过100亿元。
    值得注意的是,“十一五”末,公众版国家地理信息公共服务平台“天地图”开通并产生重要影响。规划提出,“十二五”期间将“天地图”服务功能延伸到省级和市级,并加大“天地图”推广应用工作力度,将其打造成为互联网内容服务的中国自主品牌。
    争取纳入新兴产业规划
    规划还表示将继续完善产业发展政策,争取把地理信息产业纳入国家战略性新兴产业规划。鼓励地理信息企业参与政府采购,推动企业自主创新产品在政府投资项目中的应用,努力实现重大测绘工程中国产装备使用比例超过50%。
    规划还提出,要深入挖掘基于位置的地理信息服务等方面的市场潜力,大幅度提高地理信息服务业务覆盖范围和市场盈利水平。其中包括加大地理信息技术与有关技术的集成应用,培育新的经济增长点。加大地理信息技术和位置服务产品在电子商务电子政务、智能交通、现代物流等方面的应用;开发基于地理信息的电子游戏产品、地理信息电视频道以及基于物联网的位置服务产品等。
    随着多项引导性政策的出台,地理信息产业链上下游企业将迎来巨大的市场机遇。
    巡更应用
    地理信息系统(GeographicInformationSystem),简称GIS系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS通常和GPS结合使用。对于大范围的、露天的巡更巡检,巡更人员手持GPS巡检器,实时接收GPS卫星定位消息(时间、经纬度),并按预先设定的时间间隔自动发送或者在特定地点手动发送定位信息到无线通讯前置机。无线通讯前置机在收到定位信息后将数据传输到管理系统平台,系统软件采用GIS电子地图技术,动态显示和回放巡检轨迹,交由GIS分析可得该巡逻点的详细信息

    专业设置/地理信息系统 编辑

    培养目标

    本专业培养具备地理信息系统与地图学的基本知识、基本技能,能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作,能在城市、区域、资源、环境、交通、人口、住房、土地、基础设施和规划管理等领域从事与地理信息系统有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的地理信息系统高级专门人才。

    培养要求 

    本专业学生主要学习地理信息系统和地图学、遥感技术方面的基本理论和基本知识,受到应用基础研究和技术开发方面的科学思维和科学实验训练,只有较好的科学素养,具有地理信息系统研究、设计与开发的基本技能及初步的教学、研究、开发和管理能力。

    知识能力

    1、掌握数学物理计算机科学等方面的基本理论和基本知识;
    2、掌握地理信息系统和地图学的基本理论、基本知识和基本实验技能,以及地理信息系统技术开发的基本原理和基本力法;
    3、了解相邻专业如地理学资源环境与城乡规划管理、测绘工程等的一般原理和方法;
    4、了解国家科学技术政策、知识产权、可持续发展战略等有关政策和法规;
    5、了解地理信息系统的理论前沿、应用前景和最新发展动态,以及地理信息系统产业发展状况;
    6、掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法;具有-定的实验设计、创造实验条件,归纳、整理、分析实验结果,撰写论文,参与学术交流的能力。

    主干学科

    地理学、地图学、计算机科学与技术、摄影测量与遥感学、GPS。

    主要课程

    自然地理学、人文地理学、经济地理学、地图学、遥感技术、数据库技术、地理信息系统原理、地理信息系统设计与应用等。

    实践教学

    普通物理实验、自然地理实习、测量学实习、地图学实习、GIS原理实验、空间数据库设计、空间分析课程设计、GIS项目开发与设计、数字图像处理实验、遥感技术与方法实验等。根据课程要求,最好从一年级时便安排教学实习,也可到高年级时安排。包括室内与野外实习、生产实习和毕业论文等,一般安排10--20周。

    中国的发展

    目前中国处于高速发展阶段,它是数字城市的支撑技术之一,很多行业都引入了GIS软件平台,提高信息化水平,多数高校都开设了该学科,培养的学生就业率也高,国内GIS公司有数千家,国产GIS软件占据国内市场份额75%以上,打破了国外GIS软件垄断市场的局面。

    相关文献

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