前 言


　　根据国家教委高等学校地理教学指导委员会审定的我国高校地理系有关 专业的培养规格和教学的基本要求，已将地理信息系统列为必修课程，并建 议编写适合于综合性大学和高等师范院校地理系使用的《地理信息系统》教 材。为此，由华东师范大学、南京大学和北京大学组织有关同志联合编写了 本教材。
　　地理信息系统（Geographical Information System，简称 GIS）是一门 介于地球科学与信息科学之间的交叉学科，它是近年来迅速发展起来的一门 新兴技术学科。它将地学空间数据与计算机技术相结合，通过系统建立、操 作与模型分析，产生对资源、环境、区域规划、管理决策、灾害防治等方面 的有用信息。我国许多大学、科研机构和应用部门，正在从事 GIS 方面的教 学、研究和应用开发工作，使 GIS 成为现代地学发展的强有力技术工具和定 量化的重要途径之一。作为一门新兴的高技术，地理信息系统已引起我国科 技界，特别是地理学界的广泛重视。陈述彭教授在《地理系统与地理信息系 统》一文中，充分阐明了地理信息系统在地理学中的重要作用，指出它是地 理学发展的一个重要方向。
地理信息系统的出现是近 20 年来地理学的一个革命性事件。它发展之
快、应用之广、影响之深刻是其它地理学科无可比拟的。H. D. Parker 认为， 地理信息系统的时代已经到来。在西方发达国家，GIS 已在众多管理、生产 部门得以广泛普及，高等学校的地学类学科大都已开设 GIS 方面的课程，而 且具有应用和开发 GIS 能力的毕业生，一直受到用人单位的广泛欢迎。我国 的环境、地质、农业、林业、国土、规划等部门，对 GIS 也给予越来越多的 重视，编写 GIS 教材，培养熟悉和应用 GIS 方面的人才是当前地理教学改革 的重要方面。
本教材以地球科学和环境科学为基础，应用系统科学和信息科学的理论
和方法，论述自然环境、生态环境和经济环境等方面的数据采集、处理及分 析模型的应用、图像编辑、系统的管理、成果的输出等。教材以地理信息系 统的基本概念、基础理论、基本技术和应用方法为主线，并以应用为重点组 织教材，形成具有中国特色的地理信息系统教材体系。
为配合本教材的教学，还编写了《地理信息系统实习教材》，并研制了
GIS—TP 软件系统，该系统可在 286 以上规格 IBM 兼容微机上操作，该系统 包括数据采集、图像入库、DEM 生成、数据格式转换、双向查询、数据分析 模型、图形输出、微机 GIS 应用等功能，操作方便，可全汉化面向用户。该 系统是实习教材的一部分，既与教材紧密配合，又可直接应用于地理学的科 研实践。
　　地理信息系统总课时为 72 学时，实习时数为 20 学时左右，约占总课时 三分之一为宜。
　　本书编写分工是第一、三、四章张超、邬伦，第二章余国培，第五章李 满春、高文，第六章陈丙咸、赵荣、第八章高文，第七、九章邬伦、张超、 任伏虎、程承旗编写，初稿完成后，由张超、邬伦、陈丙咸进行统稿。在修 改过程中华东师范大学梅安新教授、南京大学黄杏元教授、北京师范大学彭 望琭副教授提出了许多宝贵意见，对本教材修改给予了很大帮助，在此表示 衷心地感谢。
　　
　　本书插图由华东师范大学地理系朱一平绘制，研究生邓青书、应伟勇、 姚文杰、梁梅、刘素霞协助整理图件，打印书稿，在此一并致谢。
　　书中错误和不足之处，希望有关高校和读者，在使用本教材过程中，给 予批评指正。
编者
1995 年 3 月于上海

地理信息系统

第一章 绪论

§1.地理信息系统的产生


　　地理学的发展与人类生产活动中的技术进步有密切的关系，如果说世界 范围的地理大发现和地理制图技术的革新，促进了近代地理学的诞生，那么， 现代科学方法——系统论、信息论、控制论的形成与现代高新技术——计算 机技术、空间技术和自动化技术的应用，为面临信息时代地理学的发展，展 示出更加广阔的前景。
　　信息时代以信息资源的科学管理和充分利用为特征。它必将要求地理学 的高度现代化，既要求为国土整治、流域开发、区域规划等提供宏观的辅助 决策信息，又要为地学工程提供微观辅助设计的具体数据，因此，对地理信 息的采集、管理和分析，提出了更高的要求，可以说，地理决策的科学性， 取决于对地理信息获取和分析的技术水平。这就是地理信息系统（Geographic Information System，简称 GIS）必然产生的历史背景。

一、地图和空间信息


　　地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有存储、分析 与显示地理信息的功能。
20 世纪以来，人们对地形图和各种专题地图（例如自然资源专题地图）
的需求量迅速增加。立体航空摄影和遥感成像技术的发展，使摄影测量工作 者能以很高的精度、快速地进行大面积测量，同时也为地学专家们如地理学 家、土壤学家、生态学家、地质学家和土地利用专家等提供了优越的条件， 进行一定精度的制图工作，所产生的专题地图已是资源调查和管理的有用的 信息资源。
岩石、土壤、植物群落及人地关系的空间分析，都是从定性研究开始的。
然而，测量或调查得到的大量数据，仅用分类与制图的方法，不可能得到充 分地利用。定量描述存在两个方面的障碍：一是数据容量大和数据测量不足 的矛盾；二是还缺乏合适的数学工具来描述与分析空间数量关系。30 年代和
40 年代期间，与统计法、时间序列法的发展并行，首次发展了描述空间变化
的一些适用的数学方法，但这些方法的发展终因运算工具缺乏而被迫停止。
60 年代数字计算机投入使用以来，空间信息的概念模式、专题地图数量化及 空间分析才得到真正的发展，其实际应用成为可能。
　　计算机应用于制图与信息管理以前，各类地图都被看成空间数据库，空 间信息则以点、线、面的形式记录，这些基本实体（点、线、面）再用各种 显示技巧（符号、颜色和文字编码）加以表示并用图例说明，更为详细的信 息则记载于附件中。由此产生如下的一些问题：①原始数据必须大大压缩或 分类，才能使地图易于理解和表示，因而损失掉许多细部特征；②比例尺一 定时，一个大面积制图区域，需用多幅地图描绘，经验证明，人们感兴趣的 部分有时恰恰落在多幅地图的接边地带；③一旦数据表示于地图后，要从中 恢复某些数据以便与其它空间数据组合分析时显得很困难；④印刷地图是静 态定性资料，如要为特殊目的进行定量空间分析时，难以凭借新收集的信息。 特别是一幅地图印刷出版后，不可能不修改，目前科研、生产与管理工作都
　　
要求及时得到有关地表变化的信息，这种情况下传统制图方法就完全不适应 了，例如天气图等，因数据每天甚至每小时都在变化，要及时更新数据库的 数据并立即绘出新的地图，传统的手工制图是绝对办不到的。
　　近年来，人们能用航空摄影特别是卫星遥感，监测地表资源、环境变化， 或了解沙漠化、土壤侵蚀等缓慢变化过程，或监视森林火灾、洪水、蝗灾和 天气迅速变化状况等。然而航空和遥感产品是图像和记录在磁带上的数据 流，而不是地图。数字数据是二维阵列中的像元编码，而不是人们熟悉的表 示地表点线面特征的图示符号，像元编码仅仅是用来表示一定波段中电磁辐 射反射强度的数字，需要新的设备将这些数据流转换成图像，再从图像中识 别有意义的物体。最初，是物理学家、数学家、计算机科学家在军事部门的 大力支持下发展起了新兴的遥感技术、图像分析技术和模式识别技术等，传 统的制图工作者反而没有从事这方面的研究工作。制作遥感图像的新实践者 们采用了与测量学家、地图制图学家及其它传统空间分析领域中的科学家完 全不同的方法。起初，他们有点夸大其词地宣称：不需要费用过高的外业测 量就有能力用遥感和图像分析技术进行地表特征的识别与制图。后来他们才 认识到只有与实地数据结合，遥感数据分析中产生的结果才具有真正价值， 就是说要使判别结果与实地一致，就必须进行适当的外业调查与地学相关分 析。并且，还应按适当的大地测量网对图像进行定位纠正，否则获取的信息 不能有确切的相关位置，因此，遥感、地面测量与调查分析和制图技术必须 紧密结合起来。
地理信息系统使地理信息（包括遥感）综合管理、充分利用、定量分析、
动态更新与快速成图成为可能。

二、计算机地图制图


　　六七十年代期间，空间数据应用的主要领域是资源调查、土地评价和规 划等领域，各学科领域的科学家们认识到地表各特征之间的相互联系、相互 影响这一事实后，开始寻找一种综合的多学科、多目标的调查分析方法来评 价地表特征。实践中，规划师、土地利用工作者已从原理上认识到各种单项 资源测量数据的组合和综合，可以简单地在透光桌上将绘在透明薄膜上的单 项图进行多图叠置处理来完成组合工作，并找出各叠置层上多边形边界一致 的部分。与此同时，一些建筑师和城市规划师用计算机在格网纸上打印统计 数值并绘出简单地图。在他们设计的绘图软件中包括一系列数据分析和数据 处理模块，用这些模块可以产生等值区域或等值线内插值，而且能用多种方 法显示分析结果。在这些软件中还包括著名的栅格制图程序和自动进行地图 叠置的程序。
　　到 70 年代后期，由于计算机硬件的持续发展，计算机地图制图的历程向 前迈进了一大步。地图制图领域使用计算机必要性在于：①能更快更便宜地 生产现有地图；②能生产特殊用户需要的地图；③能在缺少技术人员的情况 下生产地图；④允许用同样的数据进行不同图形表示的实验；⑤易于进行统 计分析；⑥改变了仅以印刷地图当作空间数据存储介质的现状，增大了信息 载负量，因而减少了数据压缩分类和数据综合对质量的影响；⑦能生产手工 方法难以生产的地图，如三维地图、立体地图等；⑧能生产那些已确定地图 内容取舍原则而连续生产的地图；⑨自动化的引入能导致整个地图生产过程
　　
的工艺革新、工时节省和技术改进。 引入机助制图后，在地图生产部门，自动化的机助制图技术，通常仅用
于精确的底图绘制、等高线扫描、印刷图的制版胶片图准备等。看来，许多 制图工作者还没有意识到这项新技术的潜力，即有了数字形式的制图数据并 存储于大型数据库中之后就可以用来进行许多非常重要的空间问题分析。因 而当时有人对“计算机地图制图”的评论是：“计算机制图就象一个具有青 年运动员的体格和儿童思维能力的人一样”。事实上计算机制图方法的应用 已形成两种主要趋势，一种是现有制图任务的自动化，重点放在制图精度和 质量，另一种则侧重于空间分析，而忽视精细图形输出。计算机制图技术的 发展对地理信息系统的产生起了有力地促进作用。

三、地理信息系统


　　计算机用于制图和空间分析的历史表明，在一些较为相关的学科领域 中，数据自动获取、数据分析和数据表示等得到了同步发展。这些领域包括 地形制图、专题制图、市政工程、土壤科学、测量与航测、城乡规划、公用 事业网、遥感与图像分析等。军事领域也占重要地位。这样在各个领域的应 用中做了许多重复的工作，在当前克服了技术和有关概念上的问题之后，有 可能将多种空间数据处理学科连接在一起，组成目的广泛的地理信息系统（图
1-1）。

　　实际上所有这些独立发展的学科都试图找出一种相同的程式，即为多种 目的发展一套强有力的工具来收集、存储、随意检索、变换和显示从自然界 获取的数据，这一套工具构成了“地理信息系统”（有时称为土地信息系统）。 地理数据从以下几方面描述自然界的物体：①一定坐标系中的位置；②与位 置无关的属性（如岩性、地价、pH 值等）；③相互间的空间关系（拓扑关系）， 这种关系描述物体间是如何连接在一起的，或一物体如何在其它物体间移 动。
　　地理信息系统不同于计算机地图制图，后者主要考虑可视材料的显示和 处理，不太注重可视实体具有或不具有的非图形属性，而这种属性数据在分 析中可能非常有用。现代 GIS 必须具有良好的计算机图形软件，但图形软件 包本身不足以完成用户希望完成的任务。
地理信息系统与计算机辅助设计（CAD）确有许多共同之处，CAD 主要用

于绘制范围广泛的技术图形，大至飞机小至微芯片等。GIS 和 CAD 共同点是 二者都要有坐标参考系统，但前者处理非图形属性数据、描述与分析图形单 元间拓扑关系的功能明显强于后者。它们之间的主要区别还在于 GIS 的容量 大得多，数据输入方式不同，所用的数据分析方法具有专业化特征等。这种 差别有时可能相当大，即便是一个很有效的 CAD 系统，也可能完全不适合于 地理信息分析处理。
　　地理信息系统的含义远远超过对地表形状的编码、存储和检索，其实际 内涵是：地理信息系统中的数据，无论是可见的（记于纸上）或是不可见（记 于磁介质上），都被认为是自然环境的一种表现模式。因为这些数据可以被 访问、变换、交互式处理，还可以作为研究环境过程、分析发展趋势、预估 规划决策可能结果的基础。GIS 能为规划者、决策者披露可能的变化情况， 提供行动方针的重要指导思想，使他们不至犯下不可能挽回的错误。
　　
§2.地理信息系统的基本概念


一、信息与数据


　　信息（Information）是近代科学的一个专门术语，已广泛地应用于社会 各个领域。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 信息前后对事物认识的差别；广义信息论认为，信息是指主体（人、生物和 机器）与外部客体（环境、其它人、生物和机器）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，是表征事物特征的一种普遍形 式。
　　本书采用如下的定义：信息是向人们或机器提供关于现实世界各种事实 的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理形式的各种改变 而改变。信息具有如下的特点：①信息的客观性。任何信息都是与客观事物 紧密相联系的；②信息的适用性。信息对决策是十分重要的，建立地理信息 系统的目的就是为生产、管理和决策服务的，因而信息具有适用性；③信息 的传输性。信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信 息送至终端设备（包括远程终端），和以一定形式提供给有关用户，也包括 信息在系统内各子系统之间的传输和交换。④信息的共享性。信息与实物不 同，它可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的 这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。
数据（Data）是通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，不仅
数字是数据，而且文字、符号和图像也是数据。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。数据只有对实体行为产生影响时 才成为信息。例如同样的数据“1”和“0”，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（1 表示）无（0 表示）的信息。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，即对数据进行运算、排序、 转换、分类、增强等，其目的就是为了得到数据中包含的信息。对同一数据 每个人的解释可能不同，因而获得信息量的多少与人的知识水平和经验有 关。
信息与数据虽然有词义上的差别，但信息与数据是不可分离的，即信息
是数据的内涵，而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载体，只有理 解了数据的含义，对数据作解释才能得到数据中所包含的信息。地理信息系 统的建立和进行，就是信息（或数据）按一定方式流动的过程，在通常情况 下，并不严格区分地使用“信息”和“数据”两个术语。

二、地理信息与地理信息系统


　　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。从地理数据到地理信息的 发展，是人类认识地理事物的一次飞跃。地球表面的岩石圈、水圈、大气圈 和人类活动等是最大的地理信息源。地理科学的一个重要任务就是迅速地采 集到地理空间的几何信息、物理信息和人为信息，并适时地识别、转换、存
　　
储、传输、再生成、显示、控制和应用这些信息。 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
理信息区别于其它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的识别；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 个专题型实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之 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。地理信息的时序特征十分明显，因此可以按照时间尺度将地理 信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、 中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长 期的（如地壳变动、气候变化）等。地理信息的这种动态变化的特征，一方 面要求地理信息的获取要及时，并定期更新；另一方面要从其自然的变化过 程中研究其变化规律，从而做出地理事物的预测与预报，为科学决策提供依 据。认识地理信息的这种区域性、多层次性和动态变化的特征对建立地理信 息系统，实现人口、资源、环境等的综合分析、管理、规划和决策具有重要 意义。
　　地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下， 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，为地理研究和地理决策 服务而建立起来的计算机技术系统。因此，地理信息系统具有以下三个方面 的特征：
1.具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
　　2.以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分 析、多要素综合分析和动态预测的能力；并能产生高层次的地理信息；
3.由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规
的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以 完成的任务；计算机系统的支持是 GIS 的重要的特征，使 GIS 得到快速、精 确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和动态分析。
地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵确是
由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小 的、高度信息化的地理系统。信息的流动及信息流动的结果，完全由计算机 程序的运行和数据的交换来仿真，地理学家可以在 GIS 支持下提取地理系统 不同侧面、不同层次的空间和时间特征信息，也可以快速地模拟自然过程的 演变和思维过程，取得地理预测和实验的结果，选择优化方案，避免错误的 决策。
　　当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他面对的就不再是毫 无意义的数据，而是空间数据组成的客观世界的一个抽象模型，它比地图所 表达的自然世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观测这个现实 世界模型的各方面的内容，也可以提取这个模型所表达现象的各种空间尺度 指标，更为重要的是，它可以将自然发生或人为规划的过程加在这个数据模 型上，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信 息系统的深刻的内涵。
地理信息系统按其内容可以分为三大类：
1.专题地理信息系统：是具有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，如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作 物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统、环境管理信 息系统等。
　　2.区域地理信息系统：主要以区域综合研究和全面信息服务为目标。可 以有不同规模，如国家级的、地区或省级的、市级或县级等为各不同级别行 政区服务的区域信息系统，也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系 统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国橡树岭（OakRidge）地区信 息系统、圣地亚哥县信息系统、我国黄河流域信息系统等。
　　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、上海市环境管理信息系统、海南岛土地评价信 息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。
　　3.地理信息系统工具：它是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询 检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是 专门研究的，或者在完成实用地理信息系统后抽去具体的区域或专题的地理 空间数据后得到的，这些软件适于用来作为地理信息系统支撑软件以建立专 题或区域性的实用性地理信息系统，也可用作教学软件。由于地理信息系统 软件设计技术较高，而且重复编制比较复杂的基础软件也造成人力的极大浪 费，因此采用地理信息系统工具，无疑是建立实用地理信息系统的一条捷径。 目前地理信息系统工具的研究还不十分成熟，在功能覆盖、应用程序接口、 硬件适应面和使用灵活性上还不能满足不同领域不同层次的需要，但随着人 们对它的重视和研究工作的开展，水平会大大提高，成为类似商用的数据库 管理系统（如 dBASEIII 等）的软件工具。
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
美国环境系统研究所研制的 ARC/INFO 系统，美国耶鲁大学森林与环境研究学 院的 MAP（Map Analysis Package）系统，以及北京大学研制的微机地理信 息系统工具 Spaceman 等。
在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅
可以节省软件开发的人力、物力、财力，缩短系统建立周期，提高系统技术 水平，而且使地理信息系统技术易于推广，并使广大地学工作者可以将更多 的精力投入高层次的应用模型开发上。

§3.地理信息系统的组成


　　地理信息系统主要由四个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系 统、地理空间数据库和系统管理人员。地理信息系统的组成，可综合表示为
图 1-2。

一、计算机硬件系统


　　图 1-3 表示地理信息系统的一般硬件组成。中央处理机（CPU）与磁盘驱 动器连接在一起提供存储数据和程序的空间；数字化仪或其它数字化设备将 地图或航片等被数字化材料转换成数字形式送入计算机；绘图仪或其它类型 的显示设备用于表示数据处理结果；磁带（盘）机主要用来存储数据和程序 或与其它系统进行通讯。用户通过可视显示器（VDU）或终端控制计算机和外 围设备（绘图仪、打印机、数字化仪等）。

二、计算机软件系统

计算机软件系统是指地理信息系统运行所必须的各种程序。通常包括：
1.计算机系统软件：由计算机厂家提供的为用户开发和使用计算机提供 方便的程序系统。通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库 程序以及各种维护使用手册。
　　















2.地理信息系统软件：地理信息系统软件应包括五类基本模块（图 1-
4），即下述诸子系统：数据输入和检验、数据存储和管理、数据变换、数据 输出和表示、用户接口等。
　　（1）数据输入和校验：包括能将现有地图、外业观测数据、传感器获取 的数据转换成计算机兼容的数字形式的各种转换软件（图 1-5）。许多计算 机工具都可用于输入，例如人机交互终端（键盘与显示器）、数字化仪、扫 描仪（卫星或飞机上直接记录数据或用于地图或航片的扫描仪）以及从磁带、 磁盘、磁鼓上读取数字或数据的装置等。数据检验是通过观测、统计分析和 逻辑分析检查数据中存在的错误，并通过适当的编辑方式加以改正。事实上 数据输入和检验都是建立地理数据库必须的过程。
（2）数据存储和管理：是地理信息系统的关键组成部分之一。数据存储
和数据库管理（图 1-6）涉及地理元素（表示地表物体的点、线、面）的位 置、连接关系及属性数据如何构造和组织，使其便于计算机处理和系统用户 理解等。用于组织数据库的计算机程序，称为数据库管理系统（DBMS）。地 理数据库包括数据格式的选择和转换、数据的联结、查询、提取等。

（3）数据变换（图 1-7）：包括两类操作：①变换的目的是从数据中消 除错误，数据更新，与其它数据库匹配；②为回答 GIS 提出的问题而采用的 大量数据分析方法。空间数据和非空间数据可单独或联合进行变换运算。比 例尺变换、数据与投影匹配（投影变换）、数据的逻辑检索、面积和边长计 算等，都是 GIS 中一般的变换特征。其它一些变换处理可能极其偏重于专业 应用，也可能是将数据合并到一个只满足特定用户需要的专门化 GIS 系统。













　　这里特别要指出的空间分析函数变换，它是指对单幅或多幅图件及其属 性数据进行分析运算和指标量测。在这种操作中，以一幅或多幅图作为输入， 而分析运算结果则以一幅或多幅新生成的图件表示，在空间定位上仍与输入 的图件一致，故可称为函数转换。空间函数转换可分为基于点或像元的空间 函数，如基于像元的算术运算、逻辑运算或聚类分析等；基于区域的空间函 数如叠加分类、区域形状量测等；基于邻域的空间函数如像元连通性、扩散、 最短路径搜索等。量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指 标的计算。
　　对空间数据的处理和分析，是地理信息系统功能的主要体现，也是系统 应用数学方法的重要前提，其目的是为了取得系统应用所需要的信息，或对 原有信息结构形式的转换。由上面的分析可知，这些转换、分析和应用类型 是极其广泛的，它既包括比例尺和投影的数字变换、数据处理和分析，还包 括地理或空间模型的建立。
　　（4）数据显示与输出（图 1-8）：是指地理信息系统内的原始数据或经 系统分析和处理的结果传输给用户，它以报表、统计图、查询应答、地图形 式在屏幕上显示，或通过打印机、绘图仪输出，也可通过通讯网络传输到其 它计算机系统供用户使用。
　　
　　（5）用户接口模块：该模块用于接收用户的指令和程序或数据，是用户 和系统交互的工具，主要包括用户界面，程序接口与数据接口。由于地理信 息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，用户界面（或人机界 面）是地理信息系统应用的重要组成部分，它通过菜单技术、用户询问语言 的设置，还可采用人工智能的自然语言处理技术与图形界面（GUI）等技术， 提供多窗口和光标或鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出操作指令提供方 便。该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这就使地 理信息系统成为人机交互的开放式系统。而程序接口和数据接口可分别为用 户联接各自特定的应用程序模块和使用非系统标准的数据文件提供方便。
　　3.应用分析软件：是指系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析的 模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充和延伸。应用 程序作用于地理专题数据或区域数据，构成 GIS 的具体内容，这是用户最为 关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。 用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大 程度上决定系统的实用性优劣和成败。

三、地理空间数据


　　地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文 经济景观的数据，这些数据可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系 统建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其它系统通讯输入 GIS，
是 GIS 所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，地理信息系统的数据
模型包括三个互相联系的方面：
　　1.在某个已知坐标系中的位置：即用几何坐标标识地理实体的空间位 置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时，常采用数 字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。
　　2.实体间的空间相关性：地理事物点、线、面实体间的空间联系，用拓 扑关系（Topology）来表示，如网络结点与网络之间的枢纽关系（图 1－9
（a））、边界线与面实体间的构成关系（如图 1-9（b））、面实体与内部 点包含关系（图 1-9（c））。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、格式 转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统特色 之一。

　　3.与几何位置无关的属性：地理数据模型中，将地理事物或现象的性质 描述为属性（At-tribute）的数据，它是与地理实体相联系的地理变量。属 性分为定性和定量的两种，定性的包括名称、类型、特性等，它描述的属性 有气候类型、土地利用、行政区划等；定量的包括数量和等级，它描述的属 性如面积、长度、土地等级、人口数量、降水量、积温等。属性一般是经过 抽象的概念，通过分类、命名、量测、统计得到。任何地理实体至少有一个 属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现 的。因此属性的分类系统、量测指标对系统的建设有较大的影响。
　　地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统独有的空间数据 结构和数据编码，也决定了它独具的空间数据管理方法和系统空间数据分析 能力，成为地理学研究与资源环境管理的重要工具。

四、系统开发、管理和使用人员


人是地理信息系统中重要构成因素，GIS 不同于一幅地图，而是一个动 态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要 人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发， 并采用地理分析模型提取多种信息，为地理学研究和地理决策服务。















　　地理信息系统合理的组织状况如图 1-10 所示。如同生产复杂产品的企业 一样，组织者要尽量使整个生产过程形成一个整体。要真正做到这些，不仅 要在硬件和软件方面投资，还要在适当的组织机构中重新培训工作人员和管 理人员方面投资，使他们能够应用新技术。近年来，硬件设备连年降价而性 能则日趋完善与增强，但有技能的工作人员及优质廉价的软件仍然不足。只 有在对 GIS 合理投资与综合配置的情况下，才能建立有效的地理信息系统。
　　
§4.地理信息系统的应用


　　地理信息系统的应用即人应用 GIS 对地球表层人文经济和自然资源及环 境等多种信息进行管理和分析，以掌握城乡和区域的自然环境和经济地理要 素的空间分布、空间结构、空间联系和空间过程的演变规律，使它成为国家 宏观决策和区域多目标开发的依据，从而为区域经济发展服务。
　　地理信息通过数值化录入，压缩存贮与系统管理，便于维护和提取，而 且成本低、速度快，可以对地理学理论模式进行快速的和重复的分析测试（例 如土地适宜性分析），便于在短期内对大范围地区进行科学和政策标准的评 价；可以有效地对多时期的变化进行动态监测和分析比较；可以将数据收集、 空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，这在工作效率和经济效益上 都明显地占有优势。因而，地理信息系统在国内外都有成功的应用实例。如 美国三里岛核电站事故中就是应用地理信息系统及时作出判断与决策；又如 利用地理信息系统进行世界小麦大面积估产、全球大气环流形势和海况预 报、环境管理；加拿大应用 CGIS 完成全国土地资源潜力估算；中国西南地区 国土资源信息系统用于资源分析、评价、预测和合理开发利用等。

一、管理和决策对地理信息系统的要求


　　城市与区域研究要求地理信息系统在信息表示、管理和分析方面满足其 空间、动态、定量和综合性要求。
1.区域地理信息的表示与管理：区域地理实体或景观表现为多种空间类
型，可大致抽象为点、线、面三种类型。点，具有几何确定位置，在空间分 析中将某些具有一定空间的地理实体（如城市）抽象为点：线具有一定的走 向和长度，表示线状地物或点之间的地理联系，最重要的线状地物为交通线； 面具有确定的范围和形态，表示空间连续分布的地理景观或作用范围。点线 结合组成网络；线面结合成为地带；面点结合成为地域类型；点线面结合组 成区域。
用于城市和区域研究的地理信息系统必须有效地表示地理空间上点线面
实体。其数据拓扑结构由点（Point）、弧（Arc）、多边形（Polygon）、数 据平面（Plane）等四个级别组成。弧可以用来表示地理线，多边形用来表示 地理面，数据平面用来表示空间区域内某一方面地理要素的内容。
城市与区域研究具有高度综合性，涉及自然、社会、人文经济等多方面
的要素，因此 GIS 不仅要采用几何图形表示空间位置，还必须以属性方式表 示图形的地理意义。前已述及属性可以是定性的名称、类型和特征，也可以 是定量表示的数量和等级。图形和属性是地理模型抽象的产物，图形是几何 的抽象，属性是概念和度量的抽象，二者之间存在有机的联系。在 GIS 中要 求既可以在属性意义上进行空间查询和分析，又可以空间定位地进行属性列 表、统计运算和属性信息处理，并支持图形-属性空间分析模型。属性的图形 基础可以是地理景观单元，也可以是空间坐标像元，视研究者要求而定。
　　目前正在发展一种面向对象的数据库（Object Oriented Database）， 根据地理景观的结构特点，设计空间数据结构，实现属性和图形在数据结构 上的统一。
城市和区域的信息管理，要求数据项的选择应符合区域模型，要素过多

会拖长系统建立和数据更新周期，失去动态性特点；要素不足，不利于全面 的综合分析。此外，区域地理要素既相互关联，在形态和类型上又很不一致， 既有具体的，又有抽象的，GIS 数据结构要适合于各种形态，要素之间的地 理关系也力求在数据结构中得到正确的反映，数据库要具有开放性。
　　地理区域具有层次性，因此对于区域信息管理也必须按照区域等级系统 划分为不同的层次，具有不同的精度。对于较大尺度的地理区域，信息量较 大，在 GIS 中要求采用适用的编码方法进行数据压缩，减少冗余。为满足区 域综合空间分析的要求，区域要素要按照共同的地理空间配准。
　　2.区域空间指标和空间关系量测：空间指标在区域定量分析、区内差异 分析、区域对比、区域间联系研究等方面具有重要意义。定量量测区域空间 指标和区域地理景观间的空间关系是 GIS 特有的能力。计算机高速运算能力 和有效的地理数据空间结构，使得这种量测得以高效准确地实现。区域空间 指标包括：
（1）几何指标：如位置、长度（距离）、面积、体积、形状、方位等；
　　（2）自然地理参数：如坡度、坡向、河网密度、切割程度、年降水量、 积温等；
　　（3）经济地理指标：如集中化指数、区位商、差异指数、地理关联系数、 吸引范围、交通便利程度等；
（4）人文社会指标：如人口密度、人均收入、社会福利等。
　　城市与区域地理要素之间的空间区位关系可抽象为点、弧、线、多边形 之间的空间几何关系，对它们的量测包括点—点、点—线、点—区域、线— 线、区域—区域关系的量测。
3.区域综合分析：区域综合分析是一个复杂的系统问题，区域分析的复
杂性决定了所采取的分析手段的多样性。它们包括：
　　（1）常规数理统计分析方法：在地理信息系统中应用常规数理统计方法 关键在于如何与空间位置相联系。数理统计通常是针对属性进行的，要具有 空间分析的意义必须将分析结果与图形相联系。通常采用逐点分析、景观单 元分析、行政单元分析等方法；
（2）GIS 空间分析函数：空间分析函数是对地理空间数据按一定规则进
行转换的图像函数，基于一定的空间分析算法，以一个或多个数据平面作为 输入，函数运算结果产生新的数据平面。许多区域分析模型要求首先由空间 分析函数将原始数据进行变换，以获取符合模型要求形式的地理空间信息， 例如在经济地理综合评价中，要求将诸如中心城市、商业网点、重要居民点、 大工厂、公路、铁路等点状和线状地理实体的影响扩展到整个空间区域，通 常要由空间分析函数运算来完成，如①以两点或线段的中分线划分控制范 围；②按邻近距离划分控制范围的圈层结构；③空间插值或拟合；④空间计 数，即采用一定区域内的数据点数或线段长度作为区域指标，如城市密度、 交通密度等；⑤由理论公式决定影响范围。
　　采用距离计算函数可以将交通网络图转换为各空间点距交通线最小范 围，作为交通便利程度指标参加评价；采用空间计数函数可以计算各地理分 区内点状地物个数，作为区域聚集程度指标参加评价，也可作为灾害评价依 据，采用该函数可以得到诸如城市密度等空间分布指标，对区域分析有很大 帮助。在区域地貌研究中可以计算单位面积内水系与沟谷长度，得到切割密 度图参加构造稳定性评价；在环境污染评价中，可根据区域内各污染源的位
　　
置、源强、密度、风向、风速等指标，采用点源扩散公式确定污染物浓度场 等。
　　空间分析函数包括点函数（仅仅涉及各空间点的各地理要素的属性内 容），区域函数（涉及某个区域内空间点的共同性质）和邻近检测函数（涉 及空间与其邻近点的相应空间关系）等三种类型。
　　（3）地理模型分析：地理模型分析是地理信息系统区别于其它计算机系 统的重要标志，地理信息系统通过地理模型分析从空间数据中提取有用信 息，达到地理分析和辅助决策的目的，没有强有力的地理模型分析，只能停 留在地理数据库的水平，称不上地理信息系统。
　　模型就是将系统的各个要素，通过适当的筛选，用一定的表现规则所描 述出来的简明映像。通常表达了某个系统的发展过程或发展结果。例如经济 地理模型是用来描述经济地理各要素之间的相互关系，通常反映经济地理过 程及其发展趋势或结果，比如空间相互作用模型、距离衰减模型、中心地理 论等。由于地理模型通常涉及同一区域的各种自然、经济、人文要素的空间 数据，因此在 GIS 中要求数据质量和精度、坐标系统与设计方式、获取数据 的时间与量测方法、地图比例尺、分类系统等的一致性；以保证分析结果的 科学性。
城市与区域是一个动态系统，处于不断演化发展过程中。城市与区域研
究的目的，正是在于探索其动态演化规律，预测自然和人为过程的发展趋势， 指导人类选择最佳的对策，这是地理信息系统最高层次的应用。GIS 用于模 拟和预测时，需要 GIS 数据结构中具有时间轴的标识，能支持快速的数据更 新，并具有系统模拟和动态分析的功能。
地理信息系统利用地理模型，进行城市与区域系统的动态模拟，不仅可
以提取系统各时期不同的多种空间指标，还可以将自然发生或人为规划的动 态过程施行于这个数据模型组，使人类在地理事件发生之前取得未来的精确 预测信息，以避免决策失误带来的损失。

二、地理信息系统的应用功能


　　1.资源清查：资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要 任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能， 按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始 数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布 和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状， 以及不同时期的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供 依据。又如中国西南地区国土资源信息系统，设置了三个功能子系统，即数 据库系统、辅助决策系统、图形系统。资源数据存储了 1500 多项 300 多万个。 该系统提供了一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及西南地区资源合 理开发配置模型。该系统可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县 产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图、重大项目规划图等不同内容 的专业图。
　　2.城乡规划：城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问 题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理 变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到
　　
统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、 城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置， 以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空 间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件（回归分析、投入产出 计算、模糊加权评价、0-1 规划模型、系统动力学模型等）加以保证的。我 国大城市数量居于世界前列，根据加快中心城市的规划建设，加强城市建设 决策科学化的要求，利用地理信息系统作为城市规划、管理和分析的工具， 具有十分重要的意义。
　　3.灾害监测：借助遥感遥测数据的搜集，利用地理信息系统，可以有效 地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾 抢险和防洪决策提供及时准确的信息，例如据我国大兴安岭地区的研究，通 过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、 风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等 14 个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合 指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达 73％以上。又如黄河 三角洲地区防洪减灾信息系统，在 ARC/INFO 地理信息系统软件支持下，借助 于大比例尺数字高程模型加上各种专题地图如土地利用、水系、居民点、油 井、工厂和工程设施以及社会经济统计信息等，通过各种图形叠加、操作、 分析等功能，可以计算出若干个泻洪区域及其面积，比较不同泻洪区域内的 土地利用、房屋、财产损失等，最后得出最佳的泻洪区域，并制定整个泻洪 区域内的人员撤退、财产转移和救灾物资供应等的最佳运输线路。
4.环境管理：环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域，一个
大中型城市每年搜集和监测的环境数据可能多达 100 万个，对如此大量的数 据，应使其有效地为环境管理决策及其它用途服务。一个地方的环境管理信 息系统的功能有：
（1）为环境管理部门提供数据和信息存储方法——基础数据库系统；
（2）提供环境管理的数据统计、报表和图形编制方法；
（3）建立环境污染的若干模型，为环境管理决策提供支持；
（4）提供环保部门办公软件；
（5）提供信息传输的方法和手段。 例如上海市环境管理信息系统具有如下主要特征：
（1）建立了动态数据库，可以存储环境监测数据（包括污染源和环境质
量）和其它有关数据（如环境标准、水文、气象等），对大多数环境管理功 能来说，实现了数据共享；
　　（2）面向环境质量管理，可以对环境质量状况的统计、评价、预测、规 划以及其它管理提供支持；
　　（3）为实现面向污染源的污染控制管理提供支持，可以实现排污收费、 排污许可证制度的管理；
　　（4）为便于用户使用，系统设计一个界面友好的窗口菜单系统，使用方 便，可以提供不同形式的输出，包括屏幕显示，表格打印，图形绘制，磁盘 传输等，还预留了远程通讯接口。
　　5.宏观决策：地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的 构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力 的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通
　　
过利用地理信息系统和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡宏观决 策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。

§5.地理信息系统的研究内容


一、研究内容

地理信息系统研究内容主要有以下三个方面（图 1-11）：
　　1.地理信息系统基本理论研究：包括研究地理信息系统的概念、定义和 内涵；地理信息系统的信息论研究；建立地理信息系统的理论体系；研究地 理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探 讨地理信息系统发展方向等理论问题。
? ?概念、定义、内涵
? ?信息论分析
? ?
? ?理论体系
?——基本理论?
? ?构成、特点、功能、任务
? ?发展历史
? ?
? ??发展方向
? ?硬件配置
? ?数据结构
? ?
? ?输入、输出系统
? ?
地理信息系统 ——技术系统 空间数据管理
?
? ?用户界面
? ?
? ?地理信息系统工具
? ?微机地理信息系统
?
? ?应用系统设计
? ?数据采集与校验
? ?
?——应用方法?专题分析模型
? ?
? ?GIS与遥感结合
? ??地学专家系统
?
?
图 1-11 地理信息系统内容体系
　　2.地理信息系统技术系统设计：包括地理信息系统硬件设计与配置；地 理空间数据结构及表示；输入与输出系统；空间数据库管理系统；用户界面 与用户工具设计；地理信息系统工具软件研制；微机地理信息系统的开发等。
　　3.地理信息系统应用方法论研究：包括应用系统设计和实现方法；数据 采集与校验；空间分析函数与专题分析模型；地理信息系统与遥感技术结合 方法；地学专家系统研究等。
　　地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生，地理信息系统 的应用使技术系统不断完善，并逐渐发展了地理信息系统的理论；理论研究 又指导开发新一代高效地理信息系统，并不断拓宽其应用领域，加深应用的 深度；地理信息系统的应用，又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。 因此上述三个方面的研究内容是相互联系相互促进的。从目前状况看，对技 术系统的研制和实现进行的工作较多，应用方法研究不足，而理论研究工作 则很薄弱。
　　
二、相关学科


地理信息系统的发展，明显地体现出多学科交叉的特点，这些交叉的学 科包括地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、计算机 科学，以及一切与处理和分析空间数据有关的学科。目前数据库技术（DBMS）、 计算机辅助设计、计算机辅助制图（CAM）和计算机图形学（Computer Graphics）软件包已被许多 GIS 研究者所采用，但这些系统不是为地理意义 而设计的，无法取代 GIS 的作用。GIS 正是这些相关学科与地理学相结合的 基础上发展起来的（图 1-12）。
　　
§6.地理信息系统的发展趋势



一、GIS 的发展阶段


　　地理信息系统的创立和发展是与地理空间信息的表示、处理、分析和应 用手段的不断发展分不开的。考察地理信息系统的发展，可分为 60 年代的起 始发展阶段、70 年代的巩固阶段和 80 年代的大发展阶段。
　　地理信息系统起源于北美。加拿大国家土地调查局为了处理大量的土地 调查资料，于 60 年代开始建立地理信息系统，经过十多年的试验与研究，于
70 年代初投入产品生产，成为世界上第一个运行性地理信息系统。同一时期 的美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室，建立通用的制图软件包， 竭力发展空间分析模型和软件。国际地理联合会（IGU）在 1968 年成立了地 理数据收集和处理委员会，对组织地理信息系统的国际讨论，促进这一领域 的发展起了重要作用。
　　70 年代，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在 世界各地纷纷研制，美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对地理信 息系统的研究均投入了大量的人力、物力、财力。在这一阶段，国际地理联 合会召开了几次地理信息系统会议，并于 1972 年出版了地理信息系统方面的 第一本专著《地理数据处理》。人员培训受到重视，许多大学培养 GIS 人才， 创建了地理信息系统实验室。
美国地质调查局发展了 50 多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地
理、地形和水资源信息，较典型的有 GIRAS，主要用于输入处理、分析和输 出全国范围土地利用和土地覆盖制图的空间数据；日本国土地理院从 1974 年开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、 行政区划、土地利用、地形地质等信息，为国家和地区土地规划服务；瑞典 在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德 哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。
在这期间，世界上发展了许多功能较强的地理信息系统，出现了大量的
数据库，但这些系统的分析功能和 60 年代相比，并没有得到很大的扩充，而 且数据库的容量一般都比较小，因此说 70 年代为巩固阶段。
80 年代为地理信息系统的大发展阶段。随着计算机的迅速发展和普及，
地理信息系统也逐步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段。如 加拿大、日本、英国、荷兰、瑞典等国将地理信息系统用于国土规划、支持 资源与环境管理决策，同时发展中的第三世界国家，在高技术的冲击下，也 迈开了信息时代的步伐，开始引进、应用和发展自己的地理信息系统。
　　在此期间，地理信息系统已进入多学科领域，由比较简单的、单一功能 的、分散的系统发展成为多功能的、用户共享的综合性信息系统，并向智能 化发展，应用专家系统知识，进行分析、预报和决策。如已开始用地理信息 系统来研究全球厄尔尼诺现象和全球沙漠化问题。此外，还发展了操作地理 信息系统，如美国地质调查局应用地理信息系统，对美国三里岛核泄漏事件
在 24 小时内就做出反应，并迅速地对核扩散进行影响评价。 高性能的微型计算机的问世，使得微机地理信息系统蓬勃发展，并得到
广泛的应用。这一发展，使得地理信息系统工具具有更高的效率、更强的独

立性和通用性，更少依赖于应用领域和硬件环境，为地理信息系统的建立和 应用开辟了新的途径。
此外，在此期间出现了一些性能较好的软件，如美国环境系统研究所
（ESRI）开发的 ARC/INFO 地理信息系统。

二、GIS 在我国的发展


　　地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，从 70 年代末开始。虽然历 史较短，但是发展还是很快。地理信息系统在中国，亦称为资源与环境信息 系统，它们的研究对象和研究内容是一致的。中国地理信息系统发展的技术 基础是计算机地图制图、计算机技术、计量地理和遥感技术。中国地理信息 系统的发展也可分为三个阶段。第一阶段从 1978 年到 1980 年为准备阶段， 主要进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍、组织个别实验研究。第 二阶段从 1981 年到 1985 年为起步阶段。这一阶段主要是对地理信息系统进 行理论探索和区域性实验研究。并在此基础上制定国家地理信息系统规范。
1981 年在四川渡口二滩进行试验，以航空遥感资料为基础，进行信息采集和 数据库模型设计。从 1984 年开始，国家测绘局测绘科学研究所着手组建中国 国土基础信息系统。1985 年国家资源与环境信息系统实验室成立，这是一个 新型的开放性研究实验室。第三阶段从 1986 年到现在为初步发展阶段。地理 信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究 领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。 这个阶段全国形成了一个比较系统的研究计划：一方面，以研究资源与环境 信息系统的国家规范和标准、省、市、县级的规范和区域性的规范为主体， 解决信息共享和系统兼容的问题；另一方面开展全国性的自然资源与环境、 国土和水土保持信息系统的建立和应用模式研究，开展结合水土保持、洪水 预警和救灾对策、防护林生态和城市环境等方面区域信息系统研究；第三方 面是研制和发展软件系统和专家系统，从技术上支撑上述研究领域的开拓与 发展。在这个阶段，全国建成了一批数据库，如林业部研制的全国森林资源 数据库；开发了一系列空间信息处理和制图软件，如南京大学的微机制图系 统及地图绘制软件包、中国科学院地理研究所的地理网络法软件系统；建立 了一些具有分析和应用深度的地理模型和基础性的专家系统，如北京大学的 地理专家系统、中国科学院综考会的资源开发模型工具库系统、武汉测绘学 院的基于 GIS 的专题地图设计专家系统、华东师范大学的地理应用程序软件 包等；完成了一批综合性、区域性和专题性的信息系统，如中国科学院的中 国国土基础信息系统、黄土高原水土流失信息系统、黄河下游洪水险情预警 信息系统、黄河三角洲区域信息系统、洞庭湖堤境区域信息系统、三北、京 津唐地区生态信息系统，高校遥感联合中心的三川河流域区域治理与开发信 息系统，北京师范大学的区域土地适宜性评价信息系统、小流域地理信息系 统，国家地震局的地震预测预报信息系统，北京大学的遥感地理信息系统， 华东师范大学的县级地理信息系统，南京大学的省、市、县区域规划与管理 信息系统等；开始出版有关地理信息系统理论、技术和应用等方面的著作， 并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的讨论和实验。现已在全国 范围内形成了地理信息系统的科研队伍，逐步建立了不同层次、不同规模的 研究中心和实验室。


三、发展趋势

目前地理信息系统的主要发展趋势集中在以下几个方面：
　　1.空间数据结构与数据管理：传统的栅格和矢量结构各有特点，目前倾 向于两种结构并存。需要设计高效的栅格—矢量相互转换算法来支持栅格和 矢量统一的系统。特别是适用于微机地理信息系统更具有特殊意义。为满足 建立大规模实用系统的需要，图形空间数据压缩技术也在发展。空间数据库 系统的研制，包括逻辑结构的设计和适合于地理实体表示的物理存储结构的 研究正在从理论走向实用；一种面向对象的数据模型由于更适合定义复杂的 地理实体和对复杂事物的直接操作而被接受，实用的语言界面正在开发。新 的空间数据结构，如“真三维”、“时空四维”等结构也正在探索中。
　　2.数据自动输入技术：图形和属性数据的输入历来是 GIS 建立的一个“瓶 颈”，自动输入的发展将最终解决这个问题。GIS 自动输入包括对属性表格 的扫描和识别、图形扫描和追踪、拓扑关系自动生成、图例符号的自动标识 等。
　　3.GIS 的微机化：微机化是地理信息系统普及的关键。由于微机在速度、 容量和功能等方面的限制，微机 GIS 软件技术的发展难度较大。目前国外许 多著名的系统作了微机化，国内的许多系统大多也是针对微机开发的，至今 尚未有商品化的成果。
4.GIS 与遥感的进一步结合：GIS 与遥感结合主要采用两种方式，一种是
通过软件接口完成数据结构的相互转换，将图像处理的结果输入 GIS，或将 GIS 专题信息传入遥感图像处理系统进行信息复合及辅助信息分类；另一种 是将 GIS 与遥感处理系统组成一个统一的软件系统，以完成信息复合、交互 查询、自动分类、更新等 GIS 功能。这是 GIS 与遥感图像结合的高级形式。 国外在中小型机上开发的一些 GIS，已具有 GIS 与遥感叠加交互查询等功能。
5.GIS 的智能化：以专家经验式知识为基础的 GIS，具有更强的分析和表
达复杂地学问题的能力，引起了普遍重视。美国加州大学巴巴拉分校研制的 以专家知识为基础的 KBGIS-Ⅱ就是其中之一。这些系统并不十分完善，主要 是由于 GIS 所面临问题的复杂性，以及地理专家知识还没有计算机化，智能 化的 GIS 代表着一个令人鼓舞的重要发展方向。
6.GIS 应用模型开发：应用模型不足，是阻碍 GIS 实用化的原因之一，
目前应用模型的开发已受到较大的重视，比较引人注目的是：①引进空间化 的数理统计和系统分析方法；②通过实例研究，建立专业模型，如水土流失、 森林火灾预报、土地评价、地貌分析、旅游资源评价、环境污染评价等，作 为模型工具提供用户使用。在 GIS 应用中，应用模型是联系 GIS 应用系统与 常规专业研究的纽带，模型的建立绝不是纯数学或技术性的问题，它必须以 广泛深入的专业知识为基础。专业研究深入程度决定了所建模型的质量与效 果。事实上正是地理模型把 GIS 应用系统和常规专业研究紧密地结合在一起 了。因此，应用模型是今后研究的重点和发展的主要方向之一。
　　7.具有统一标准的分布式系统：由于 GIS 的迅速发展，建立具有统一规 范标准的多级、分布式系统，已成为地理信息系统发展的必然趋势，国外的 一些重要的 GIS 软件系统如 ARC/INFO、MIPS 等都发展了网络通讯功能。
8.宏观应用和微观应用进一步加强，并形成新的产业：GIS 从早期主要

为地理、环境、资源、测量等宏观项目决策服务，开始进入城市和大企业等 微观管理领域。GIS 与经济和社会发展的结合更加紧密，而且从企业应用走 向政府应用，出现了综合性系统与专业性系统共存共荣的局面。同时，GIS 正在形成一门产业，1991 年世界范围内与 GIS 软、硬件有关的总收入为 70 亿美元。在美国当前经济衰退中，GIS 的收入仍呈上升趋势。
　　9.加强 GIS 教育：为了发展和推广 GIS 应用系统，必须采取多种形式， 加强 GIS 的宣传教育，在一些高等学校开设 GIS 课程，系统讲授 GIS 的内容， 对在职技术人员、领导干部可以办短训班或举办讲座，专门介绍某个软件工 具或应用系统，从而提高广大管理人员的素质，使 GIS 真正转化为实际生产
力，有效地推动区域经济的发展和社会的进步。

第二章 空间数据采集


　　地理信息系统的价值很大程度上取决于系统内所包含数据内容的数量与 质量。地理信息系统具有为回答各种询问而转换原始空间数据的能力。虽然 有些转换能力如数据的清除和追加，比例尺与投影的变化等对地理信息系统 与机助地图制图系统来说是共有的，然而地理信息系统在对空间数据、非空 间数据以及空间数据与非空间数据结合方面的大量操作与分析并由此所产生 新的信息方面是其特有的。要达到这一目的，一个良好的地理信息系统必需 要能接受各种类型与各种格式的数据。地理信息系统数据采集，是指将非数 字化形式的各种信息通过某种方法数字化，并经过编辑处理，变为系统可以 存储管理和分析的形式。
　　
§1.地理信息系统的数据



一、数据的种类与形式


　　地理信息系统建立数据库的第一步是要确定该系统的数据源。地理信息 系统的数据源是多种多样的，从总体上可分为图形图像数据与文字数据二大 类。
　　图形图像数据包括现有的地图、工程图、规划图、照片、航空与遥感影 像等。目前各种类型的地图是重要的信息源。这不仅是因为地图的内容直观 与丰富，而且是由于在地理信息系统诞生以前，地图是表示空间与非空间信 息强有力的手段，从某种意义上说，一册完备的专题地图集是一个很好的人 工操作地理信息系统。遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的数据源， 它至少具有下列一些特点：①能取得大面积、综合的信息；②速度快；③降 低数据储存冗余和不连续性；④能提供各类专题所需要的信息。各种文字数 据包括各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等， 如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据。确定应用哪些类型的数据是 由系统的功能所确定的，例如要建立一个土地的适宜性和承载力的信息系 统，所需要的数据有地形、土壤类型、降雨、地下水位、运输条件等。
按照数据的储存形式，可将数据源分为图形、图表与数字化形式。图形、
图表数据包括现有的地图、照片、记录及各类文件。而计算机的磁盘、磁带 等是以数字化的形式来保存数据的。目前许多空间数据以及人口统计、地形 等数据均是以数字化形式向用户提供，数字化形式的数据可以方便地输入地 理信息系统内，便于用户使用。

二、数据的精度与误差来源


　　数据获取是空间信息自动化项目经费中最昂贵的部分。据统计，在地理 信息系统中数据获取的代价是整个 GIS 代价的 50％—80％。初学者往往认 为，因为我们采用了现代化的计算机技术，因此所获取的数据是高精度甚至 于是无误差的。其实不然，即使是最优秀的地理信息系统操作人员，在数据 搜集并将其输入到系统内时，均会产生这样那样的误差。
GIS 使用数字化数据，因而便关系到数字制图数据的标准。美国数字比
制图数据标准全国委员会（NCDCDS，1988）确定了六个基本的数字化制图数 据，如线状、位置精度、属性精度、逻辑的连贯性、完整性和时间精度，对 每种元素均确定了检验其精度的标准。
　　对于误差的来源，有不同的分类方法。P. A. Burrough 在土地资源评价 地理信息系统原理（Principles of Geographical Information System for Land Resources Assessment）一书中，认为误差一词的概念是广义的，它不 仅包含错误，也具有误差，平均“方差”的统计概念。他将误差分为三组共
14 类。 第一组为明显的误差，是最明显和最容易觉察到的，它包括：
　　1.数据的年代：出于经费与时间的限制，在同一研究项目中往往采用了 不同年代的数据，如在使用现有的地图和数据的同时，又使用了最新的遥感
　　
影像和现场调查的数据，其实有时候某些原有数据已不适合现有的标准或现 有状况已有所变化。
　　2.区域误差：在所研究的区域所要提取的某种数据，如土壤类型，已在 部分地域内有现存的数据，对缺乏数据的另一部分地区重新获取数据时，由 于标准与人员的不同，而产生了区域间数据的误差。
3.地图比例尺：由于同一研究中采用不同比例尺底图所造成的误差。
4.观察的密度不同而产生的误差。
　　5.相关：由于经费太昂贵或其它原因对所需要的数据难以获取时，采用 相关数据而造成的误差。
　　6.格式：有两类重要的数据格式。第一类是指安排数据方式，也就是指 数据的结构，数据是以矢量还是以栅格形式来安排的，如是以栅格形式，便 与其像元的大小有关。第二类是指数据的本身，它们的比例尺、投影和分类 方式。在一种格式向另一种格式转换，或一个系统向另一个系统转换时，往 往不是绝对无误的。
　　7.可接近性：由于部门与部门之间，或地区与地区之间数据的保密，一 些用户往往不能直接获取所需要的数据，如环境数据等。
　　8.代价：出于经济方面的原因，项目主持人有时要在可取到数据的精度 与代价之间作出选择。
第二组为原始测量的误差。这组误差往往在工作人员使用这些数据的过
程中才会发觉。它包括：位置误差、内容误差和获取数据时不同环境差异所 造成的误差。
第三组是由数据处理过程所引起的误差。这类误差也许是最重要的，因
为它包含了错误、误差和在数据处理过程中所引起的误差。这类误差也最难 以弄清，因为它不仅要求用户具有对数据的直接了解，而且也要熟悉数据的 结构和计算方法。这一组误差包括：计算机原数含误差；拓扑分析所造成的 误差：分类及生成各类问题（如方法学，内插）时所引起的误差等。
也有将 GIS 的数据接获取方式分为二大类的，第一类是指数据直接来源
于野外（地面调查）、相片（包括遥感影像）等，第二类数据来源于现有的 文件，如地图、图表等。这两类方法所获取的数据质量和质量精度是不相同 的。

三、对现有数据的获取


　　为建立一个地理信息系统所需要的全部数据，均由系统的设计人员按一 定的格式，统一的标准而获取。这是最理想的方法，但一般说来是难以达到 的。因此便要利用许多已有数据。国家资源与环境信息系统规范在“专业数 据分类和数据项目建议总表”中，将数据分为社会环境、自然环境和资源与 能源三大类共 14 小项，并规定了每项数据的内容及基本数据来源（表 2－1）。
表 2－1 专业数据分类和数据项目建议总表





















等

























续表

项目 内容 基本数据来源
（Ⅱ）自然环境

（ 6 ）地形 1.海拔高程（按Ⅴ级格式网点）
2.山峰高程，水库、湖面高程
3.湖泊，水库，水深，大陆架以及海深
4.地形图与遥感资料检索
（ 7 ）海岸及海域 1.分县海岸长度，线段坐标
2.分县岛屿岸线、面积、长度、坐标
3.基本海况：滩涂面积，潮汐，台风，常年 风向，底质，温度，海浪等
（ 8 ）水系及流域 1.流域划分界线及面积（ 100km2 以上与省
界交点，控制站点，水库坝址及坐标，分段 节点）
2.流域辖区（按第Ⅲ级格网）
3.水系交汇点（坐标，面积）及干、支流等 级，长度（交叉点坐标）
（ 9 ）基础地质 1.地表岩类或沉积层及其时代
2.断层性质（特别是活动性质）
3.地球物理观测点（重力、地磁、地震等
4.人工地震（浅层、中层和深部，包括海上
5.地球化学观测点及其特性
6.环境地质（地盘沉降，土壤承压力，滑坡 泥石流，崩塌等）
7.地震烈度区划

国家测绘局


（同上）
（同上）
海洋局 海洋局 海洋局


水电部 水电部 水电部





地矿部 地矿部、地震局 地矿部、石油部 地震局、中科院 石油部、地矿部、地 局、煤炭部中科院等 地矿部，中科院
地震局

（Ⅲ）资源与能源
（ 10 ）土地资源 1.地貌类型（包括海岸和浅海）
2.土壤类型（包括土壤肥力等）
3.土地利用类型
4.灾害（风沙，盐碱，台风，雪害，水土流 失，旱涝，霜冻，寒潮）



中科院、农牧渔业部 中科院等 国家测绘局、农牧渔 部、林业部等 气象局、水电部、农
渔业部、中科院等








续表?

项目 内容 基本数据来源 （ 11 ）气候和水热资源 1.辐射量，日照量和云量（按第Ⅲ极格 网）
2.热量资源（年最高温、最低温，年均 温，月均温，积温等）
3.降水（年最高，年最低，年、月平均 积雪量等）
4.风能
5.陆地水文（最高，最低流量，年、月 平均流量，含沙量，洪峰，污染等）
6.冰川，雪被，冻土
7.湖泊，水库，港湾
8.地下水 国家气象局 国家气象局 国家气象局

国家气象局 水电部


中科院、交通部、水电部， 中科院
水电部等 （ 12 ）生物资源 1.主要作 物，分年的耕作面积，亩产 灌溉面积等
2.森林类型、面积，树种，蓄积量，采 伐、更新面积
3.草场类型、面积、产草量、载畜量
4.淡水养殖与渔业（种类、面积、产量 等）
5.病虫害，减产频率和程度
6.野生植物，野生动物资源 农牧渔业部 林业部 农牧渔业部 农牧渔业部 农牧渔业部
农牧渔业部，林业部 （ 13 ）矿产资源 1.煤炭，泥炭（类型、储量、矿区矿点 生产能力）
2.石油，天燃气，油页岩（类型、储量 油田、生产能力）
3.黑色金属（分类、储量、矿山、生产 能力）
4.有色金属（分类、储量、矿山、生产 能力）
5.稀土元素（分类、储量、矿山、生产 能力）
6.非金属（分类、储量、矿山、生产能 力）




地矿部、煤炭部、石油部、 冶金部、有色金属总公司等 （ 14 ）海洋资源 1.海洋能源
2.海洋养殖与水产
3.海底矿产资源
4.海涂资源


国家海洋局等



世界上许多国家也提供数字化形式的数据。美国政府部门向用户提供数
据项目及数据源单位为：
数据项目 数据源单位
数字高程模型 USGS/NMD （ U. S. Geological

Survery/National Mapping Division）
数字地形模型（DTM） DMA（Defence Mapping Agency） 土地利用和土地覆盖 USGS/NMD
所有权和理论边界运输 USGS/NMD，DOE（Department of Energy） 水文 USGS/NMD 社会经济和人口数据 USCB（U. S. Census Bureau）
土壤 USDA/SCS （ U. S. Department of
Agriculture/Soil Consevation Service）
湿地 USFWS （ U. S. Fish and Wildlife
Service）
　　遥感数据 NASA，NOAA（National Aeronautic and Space Administration ， National Oceanic and Atmospheric Administration）
　　
§2.信息输入方法


　　地理信息系统信息输入包括空间数据输入与属性数据输入，以及空间数 据与属性数据的连接。空间数据是指这类数据所处的空间位置；属性数据（或 非空间数据）是指这类数据定义空间数据或制图特征所表示的内容。地理信 息系统中属性数据可能记录土地利用、土壤特征、所有权关系、植被类型、 病虫害等等许多属性。
　　空间信息输入基本方法有两种，第一种方法是将地理实体以 x，y 坐标的 形式，以顺时针或逆时针方法依次输入。第二种方法是用点、线、多边形和 格网邻接的方法来表示地理实体（图 2—1）。
特征数码 位置 点
线 11 x ， y （点）
21 x1 ， y1 ， x2 ， y2 ，?， xn ， yn （线） 多边形 31 x1 ， y1 ， x2 ， y2 ，?， x1 ， y1 （多边形）