【文章內(nèi)容簡介】 計人員）、一般技術(shù)人員（代碼設(shè)計員、數(shù)據(jù)錄入員、系統(tǒng)管理員）、管理人員（領(lǐng)導(dǎo)決策者、各開發(fā)階段的公關(guān)協(xié)調(diào)人員）。第三節(jié)GIS功能一、GIS基本功能和核心功能GIS基本功能包括：空間數(shù)據(jù)/信息采集、空間數(shù)據(jù)/信息處理（包括編輯）、空間數(shù)據(jù)/信息存儲、空間數(shù)據(jù)/信息分析、模型分析及空間數(shù)據(jù)/信息輸出等。空間分析功能是GIS的核心功能，也是GIS與其它系統(tǒng)區(qū)別的重要標(biāo)志。二、GIS應(yīng)用功能GIS應(yīng)用模型分析是GIS支持下處理和分析問題的方法體現(xiàn)，也是GIS應(yīng)用深化的重要體現(xiàn)。GIS典型的應(yīng)用有：專題地圖制圖及空間分析；地理數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出；多媒體可視化或虛擬表達。第四節(jié)GIS類型一般地，可根據(jù)GIS的研究內(nèi)容、功能和作用等對GIS類型進行劃分。按功能分為應(yīng)用功能（工具型、應(yīng)用型、大眾型）、軟件功能（專業(yè)、桌面、手持、組件等）。按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為矢量GIS、柵格GIS和矢—柵GIS。按維數(shù)分為2DGIS、3DGIS、TGIS。按軟件和支持環(huán)境分為GIS模塊、集成GIS、核心GIS等。第五節(jié)GIS發(fā)展簡史一、世界GIS發(fā)展簡史二、中國GIS發(fā)展簡史三、全球GIS發(fā)展趨勢當(dāng)前，GIS正向著集成化、產(chǎn)業(yè)化和社會化發(fā)展規(guī)律方向邁進。從單機、二維、封閉向開放、網(wǎng)絡(luò)、多維、動態(tài)的方向發(fā)展?？偟谋憩F(xiàn)為：①GIS已成為一門綜合性技術(shù)，即GIS集成技術(shù)、3S技術(shù)（包括一般GIS、RS和GPS）和地球信息科學(xué)等名詞的出現(xiàn)。②GIS產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展勢頭強勁。③GIS網(wǎng)絡(luò)化已構(gòu)成當(dāng)今社會的熱點。④地理信息科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展。具體的體現(xiàn)在：①軟、硬件發(fā)展。②數(shù)據(jù)資源日益豐富，共享機制健全。③GIS學(xué)科成熟、④GIS理論技術(shù)研究走向深入。⑤應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊。⑥GIS建設(shè)開發(fā)走上高效率的技術(shù)路線。第二章GIS的地理基礎(chǔ)第一節(jié)地球空間的認知及表達人類認識地球可以說經(jīng)歷了三次大飛躍，第一次“地理大發(fā)現(xiàn)”對地球是球體的認識，第二次“哥白尼的日心說”對地球繞日運動的認識，第三次“數(shù)字地球”對地球信息的認識，則有助于人類監(jiān)控地球，人們對地球科學(xué) 的認知走過了艱難的歷程。從日地關(guān)系來看，地球空間包括被太陽風(fēng)包圍著的、受地球磁場控制的空間區(qū)域，也是各種應(yīng)用衛(wèi)星、空間站和載人飛船運行的主要空間區(qū)域，是地球最重要的宇宙環(huán)境。地理學(xué)主要研究地球表層的環(huán)境特點及演變規(guī)律。空間實體，是人們用于概括表達對表層（現(xiàn)實世界）有意義的環(huán)境，是對現(xiàn)實世界有意義的東西的統(tǒng)稱。對于空間實體來說，它是有形狀的，可用維度表達。一、地理實體和地理數(shù)據(jù)地理實體和地理數(shù)據(jù)概念（1）地理實體：GIS的研究對象是地理實體，即指地球表層自然現(xiàn)象和社會經(jīng)濟要素中不能再分割 的單元，可進一步簡化、抽象分為點、線、面、體等實體類型。（2）地理數(shù)據(jù)：用于描述空間要素的空間位置。①離散要素：是指觀測值是不連續(xù)的、形成分離的要素，并可單個識別。②連續(xù)要素：是指觀測值是連續(xù)的要素。地理數(shù)據(jù)與地理實體的關(guān)系 地理數(shù)據(jù)是地理實體的概括，反映地理實體在地表分布的定位數(shù)據(jù)是依據(jù)一定的地表定位參照系統(tǒng)。地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號化表示，反映了實體空間、屬性和時間三個特征，也是地理空間分析的三大基本要素。（1）空間特征：包括地理位置和空間關(guān)系，定位數(shù)據(jù)描述地物所在位置，這種位置既可以根據(jù)大地參照系定義，也可以定義為地物間的相對位置關(guān)系。（2）屬性特征：又稱為非空間特征，是屬于一定地物、描述其特征的定性或定量指標(biāo)。（3）時間特征：是指地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時刻或時段，反映時序變化等。地理數(shù)據(jù)與比例尺用地理數(shù)據(jù)表示現(xiàn)實世界經(jīng)歷了一定的對地理實體的概括和綜合過程的。在GIS中，地理數(shù)據(jù)對地理實體概括描述的程度主要以地圖比例尺表示。地圖比例尺定義為地圖上一條直線段的長度與其在地面上相應(yīng)的水平投影長度之比。GIS中常使用圖解式比例尺（隨著顯示在計算機屏幕上的地圖的放大或縮小，圖解比例尺相應(yīng)地按比例拉長或縮短）。GIS表達地理實體主要與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量多少有關(guān)；GIS中地理數(shù)據(jù)的精度及其所表示的地理實體的詳略程度，主要取決于原始地圖或影像資料的比例尺。地理數(shù)據(jù)的分類與編碼（1）屬性數(shù)據(jù)編碼 在GIS中，通常把與幾何數(shù)據(jù)的表示密切相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)用編碼的形式表示，并與幾何數(shù)據(jù)一起管理。編碼是指確定屬性數(shù)據(jù)的代碼的方法和過程。代碼是一個或一組有序的易于被計算機或人識別與處理的符號，是計算機鑒別和查找信息的主要依據(jù)和手段。編碼的直接產(chǎn)物就是代碼，而分類分級則是編碼的基礎(chǔ)。（2）分類編碼的原則分類是將具有共同的屬性或特征的事物或現(xiàn)象歸并在一起，而把不同屬性或特征的事物或現(xiàn)象分開的過程。分類的基本原則：科學(xué)性、系統(tǒng)性、可擴性、實用性、兼容性、穩(wěn)定性、不受比例尺限制及靈活性等。（3）分類碼和標(biāo)識碼分類碼是直接利用信息分類的結(jié)果制定的分類代碼，用 于標(biāo)記不同類別信息的數(shù)據(jù)。分類碼一般由數(shù)字、或字符、或數(shù)字字符混合構(gòu)成。標(biāo)識碼是間接利用信息分類的結(jié)果，在分類的基礎(chǔ)上，對某一類數(shù)據(jù)中各個實體進行標(biāo)識，以便能按實體進行存儲和逐個進行查詢檢索。標(biāo)識碼通常由定位分區(qū)和各要素實體代碼兩個碼段構(gòu)成。二、地理實體類型及空間關(guān)系地理實體空間基本類型及表示方法按空間分布特征，地理實體類型可劃分為點、線、面、體。相應(yīng)地實體的維數(shù)就有0、3維之分。（1）點狀：包括實體點、注記點、內(nèi)點、角點、節(jié)點等。點有特定位置，不能按比例尺表示。（2）線狀：包括線段、邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡(luò)等呈線狀或帶狀延伸分布。在GIS中，看成具有相同屬性的點的軌跡、線或折線，由一系列的有序集坐標(biāo)表示，并有實體長度、彎曲度、方向性等特性。（3）面狀或體狀：即多邊形或多面體，呈面狀分布，且其分布面積和實際形狀輪廓能按比例表示。離散型面狀實體呈不連續(xù)的區(qū)域分布，連續(xù)型面狀實體在空間上每一點呈連續(xù)的區(qū)域分布。復(fù)雜實體可由簡單實體組合來表達。用點、線、面兩兩之間組合可表達復(fù)雜的空間問題。在地圖上，通過地圖概括或比例尺改變，實體維數(shù)的表示可以改變。在GIS中，實體維數(shù)的表示是根據(jù)比例尺改變的。地理實體的空間關(guān)系（1）拓撲關(guān)系：指滿足拓撲幾何學(xué)原理的空間數(shù)據(jù)點間的相互關(guān)系，即用結(jié)點、圓弧和多邊形所表示的實體之間的鄰接、關(guān)聯(lián)和包含等關(guān)系，或指雖圖形保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關(guān)系不變的性質(zhì)。種類：依系統(tǒng)元素之間的關(guān)系可分為關(guān)聯(lián)性、鄰接性、連通性、包含性等。①關(guān)聯(lián)性：指不同類要素之間。②鄰接性：指同類元素之間。③連通性：是衡量網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的程度，常用于網(wǎng)絡(luò)分析中確定路徑或分析街道是否相通等。④包含性：指面狀的實體包含了哪些線（?。Ⅻc或面狀實體。拓撲關(guān)系表達：GIS領(lǐng)域目前對于拓撲關(guān)系的表達普遍采用Egenhofer的9交叉模型。意義：①拓撲關(guān)系能清楚地反映實體之間的邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系，它比幾何關(guān)系具有更大的穩(wěn)定性，不隨地圖投影而變化，即使脫離坐標(biāo)系，也能確定地理實體之間的空間位置關(guān)系。②拓撲有助于空間要素的查詢，利用拓撲關(guān)系可以解決許多實際問題。③根據(jù)拓撲關(guān)系可重建地理實體，這對于虛擬GIS發(fā)展很有利。（2）距離關(guān)系：用于描述空間實體之間 的距離等關(guān)系。（3）方向關(guān)系：描述空間實體之間在空間上的排列次序，如前后、左右、上下、東、南、西、北等方位關(guān)系。三、地理數(shù)據(jù)、地理實體與圖層在GIS中，地理數(shù)據(jù)是以圖層為單位進行組織和存儲的。一幅圖層表示一種類型的地理實體，是一個獨立的數(shù)據(jù)集。由于一幅圖層反映某一特定的主題，因此，它又稱為專題數(shù)據(jù)層。圖層表示法是以圖層為結(jié)構(gòu)表示和存儲綜合反映某一地區(qū)的自然、人文現(xiàn)象的地理分布特征和過程的地理數(shù)據(jù)，這種方法實際上源自傳統(tǒng)的專題地圖表示法。一個圖層只能用于描述單一地理實體（點、線或面）。地理數(shù)據(jù)或?qū)嶓w分層基本原則和方法（1）在劃分圖層時遵循基本的原 則：①不同的圖形對象類型存放在不同的圖層。②基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)作為單獨圖層。③依系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)的處理方式不同而分層存放。（2）實施的方法：①專題分層：每圖層對應(yīng)一個專題，包含某一種或某一類數(shù)據(jù)或?qū)嶓w。②時間序列分層：把不同時間或不同時期的數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)層。③幾何特征分層：把點、線、面不同的幾何特征數(shù)據(jù)分成不同的層。地理數(shù)據(jù)或?qū)嶓w分層的目的（1）便于空間數(shù)據(jù)的管理：空間數(shù)據(jù)分為若干數(shù)據(jù)層后，對所有空間數(shù)據(jù)的管理就簡化為對各數(shù)據(jù)層的管理，而一個數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)往往比較單一，數(shù)據(jù)量也相對較小，管理起來就相對簡單。（2）加快空間數(shù)據(jù)查詢速度：對分層的空間數(shù)據(jù)進行查詢時，不需要對所有空間數(shù)據(jù)進行查詢，只需要對某一層空間數(shù)據(jù)進行查詢即可。（3）增加了空間數(shù)據(jù)顯示的靈活性：分層后的空間數(shù)據(jù)，便于任意選擇需要顯示的圖層。（4）有利于進行空間分析：對不同數(shù)據(jù)層進行疊加，可進行各種目的的空間分析，特別有利于地圖的疊加分析。處理數(shù)據(jù)時應(yīng)注意的問題（1）某些空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)要求把點、線、面實體分別組織、存儲在不同的圖層中。（2）同一種幾何類型，但功能不同的地理實體應(yīng)分別組織、存儲在不同的圖層中。（3）反映同一地理實體但具有不同比例尺或不同資料來源的地理數(shù)據(jù)應(yīng)分別組織、存儲在不同的圖層中。（4）對來源于不同部門或需要經(jīng)常更新的地理數(shù)據(jù)應(yīng)分別組織、存儲在不同 的圖層中。（5）當(dāng)研究的區(qū)域范圍較廣時，由于地理數(shù)據(jù)量大，應(yīng)注意合理分幅，然后再將各分幅數(shù)據(jù)分別存儲，構(gòu)建所需的圖層。第二節(jié)地球形狀與地球空間模型一、地球的形狀長期以來，人們對地球形狀的認識常描述為球體、或橢球體、或不規(guī)則的橢球體、或具有高低起伏的扁球體。在研究地球形狀時，主要視精度的需求而定。對現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)表達可以采用地球空間模型。地圖和GIS其實都是地球模型，地圖以圖形符號來記載和表示地理數(shù)據(jù)；GIS以數(shù)字形式來記載和表示地理數(shù)據(jù)。二、地球空間模型地球的自然表面：是一個高低起伏、不規(guī)則的表面，包括海陸表面。地球大地水準面：假設(shè)當(dāng)海水處于完全靜止的平衡狀態(tài)時，從海平面延伸到所有大陸下部，而與地球重力方向處處正交的一個連續(xù)、閉合的水準面，也就 是地球引力場的等勢面，稱為大地水準面。地球橢球體模型：以大地水準面為基準建立起來的地球橢球體模型，表面是個規(guī)則的數(shù)學(xué)表面，橢球體的大小通常用兩個半徑——長半徑a（也叫赤道半徑）和短半徑b（也叫極半徑），或由一個半徑和扁率u或偏心率e來決定。對于旋轉(zhuǎn)橢球體的描述，由于計算年代不同，所用方法不同；測定地區(qū)不同，其描述方法也不同。一百多年來，各國研究者對地球橢球體進行了眾多研究，提出了多組地球橢球體參數(shù)。不同的GIS軟件，所提供的旋轉(zhuǎn)橢球體模型種類有不同。我國于1954年開始采用前蘇聯(lián)克拉索夫斯基橢球體作為地球表面幾何模型，即1954年北京坐標(biāo)系。20世紀70年代末建立了新的1980西安坐標(biāo)系，采用了國際大地測量與地球物理聯(lián)合會（IUGG）提供的橢球體。1984年后采用了世界大地坐標(biāo)（WGS84）橢球體，建立的是國家大地坐標(biāo)系。2008年7月1日后啟用2000 國家大地坐標(biāo)系。它是全球地心坐標(biāo)系在我國使用的具體體現(xiàn)。同時，國家測繪局公告2000國家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過渡期為8至10年。應(yīng)用GIS技術(shù)來模擬、反演區(qū)域地理過程或現(xiàn)象是地學(xué)應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢，但地表不同區(qū)域參數(shù)的選擇是GIS地學(xué)應(yīng)用模型構(gòu)建的關(guān)鍵。第三節(jié)空間參照基礎(chǔ)的坐標(biāo)系一、坐標(biāo)系統(tǒng)與GIS有關(guān)的坐標(biāo)系統(tǒng)主要有：地理坐標(biāo)，屬于球面坐標(biāo)系統(tǒng)；投影坐標(biāo)，屬于平面坐標(biāo)系統(tǒng)。球面坐標(biāo)一般模式：由基圈、始圈和終圈構(gòu)成的球面三角。常見的坐標(biāo)系（1）地理坐標(biāo)系：屬于球面坐標(biāo)系，它的基圈是赤道，始圈是本初子午線，終 圈是所在地的經(jīng)線，緯線和經(jīng)線相交定點，用緯度（φ）和經(jīng)度（λ）表示，即（φ，λ）。地球表面空間要素的位置是基于用經(jīng)、緯度值表示 的地理坐標(biāo)系。（2）平面坐標(biāo)系：若把地球曲面視為平面，或地球曲面投影后的平面，可用狄卡爾直角坐標(biāo)系（x，y）表示地面的位置，單位“米”或“千米”。GIS用戶通常是在平面上對地圖要素進行處理，地球表面空間要素的位置是基于用x軸和y軸表示的平面坐標(biāo)系。（3）高程系：如果考慮高度，對應(yīng)于每一個空間點位置，可以用大地坐標(biāo)系的形式表示，即（φ，λ，h），也可用空間大地直角坐標(biāo)系表達，即（x，y，z）表示。目前，國內(nèi)常見高程系有黃海高程系和地方高程系。二、地圖投影地圖投影的基本問題定義：將地球橢球面上的點映射到平面上來的方法。每一種投影都與一個坐標(biāo)系統(tǒng)相聯(lián)系。坐標(biāo)系統(tǒng)是一套說明某一物體地理坐標(biāo)的參數(shù)，其中參數(shù)之一就為“投影”。投影關(guān)系說明如何將圖形物體顯示于平面上，而坐標(biāo)系統(tǒng)則顯示出地形地物所在的相對位置。地圖投影與GIS 地圖是GIS的主要數(shù)據(jù)來源，在采集地圖數(shù)據(jù)并輸入GIS的過程中，就要考慮地圖投影的系統(tǒng)配置。為確保GIS在同一系統(tǒng)內(nèi)或在不同系統(tǒng)之間的信息（或數(shù)據(jù)）能夠?qū)崿F(xiàn)交換和共享，配準是第一步。否則后續(xù)所有基于GIS的空間分析、處理及應(yīng)用都是不可能的。可以說地圖投影對GIS的影響是滲透在GIS建設(shè)的各個方面，下圖可以反映出地圖投影與GIS的關(guān)系。地圖投影在GIS中的作用（1）GIS以地圖方式顯示地理信息。地圖是平面，而地理信息則是在地球橢球面上，因此地圖投影在GIS中不可缺少。投影是一個GIS項目的首要任務(wù)。（2）GIS數(shù)據(jù)庫中地理數(shù)據(jù)以地理坐標(biāo)存儲時，則以地圖為數(shù)據(jù)源的空間數(shù)據(jù)必須通過投影變換轉(zhuǎn)換成地理坐標(biāo)；而輸出或顯示時，則要將地理坐標(biāo)表示的空間數(shù)據(jù)通過投影變換轉(zhuǎn)換成指定投影的平面坐標(biāo)。（3）在GIS中，地理數(shù)據(jù)的顯示可根據(jù)用戶的需要而指定投影方式，但當(dāng)所顯示的地圖與國家基本地圖系列的比例尺一致時，一般采用國家基本系列地圖所用的投影。統(tǒng)一地圖投影系統(tǒng)（1）地球曲面轉(zhuǎn)換成平面是應(yīng)用了地圖投影的原理，在空間信息