概论
# GIS 基本概念
# 信息与地理信息
# 数据和信息
数据 (data) 是人类在认识世界和改造世界过程中，定性或定量对事物和环境描述的直接或间接原始记录，是一种未经加工的原始资料，是客观对象的表示。
信息 (information) 是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。
# 数据和信息的联系与区别
信息来源于数据，是数据内涵的意义和数据内容的解释。信息是一种客观存在，而数据是客观对象的一种表示，其本身并不是信息。
数据所蕴涵的信息不会自动呈现出来，需要利用一种技术，如统计、解译、编码等对其解释，信息才能呈现出来。信息是数据的表达，数据是信息的载体。
# 地理数据和地理信息
地理数据 (geographic data) 是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等总称。
地理信息 (geographic information) 是有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征和地理现象之间关系的地理数据的解释。
# 地理数据的特征
- 空间上的分布性 地理信息具有空间定位的特点
- 时间上的序列性 地理信息随着时间呈现变或不变的特性
- 数量上的海量性 地理数据的巨大性，地理数据既有空间特征，又有属性特征
- 载体的多样性 地理信息的第一载体是地理实体和地理现象的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、光盘、硬盘等物理介质载体
- 位置和属性的对应性 地理实体和地理现象具有明确的位置特征和属性特征，两者之间是相互对应和关联的
# 地理信息的特征
- 空间相关性 任何地理事物是相关的，并且在空间上相距越近则相关性越大，空间距离越远则相关性越小，同时地理信息的相关性具有区域性特点
- 空间区域性 区域性是地理信息的天然特性，不仅体现在数据上的分区组织，而且在应用方面也是面向区域的，即一个部门或专题必然也是面向所管理或服务的区域的
- 空间多样性 在不同地方或区域上，地理数据的变化趋势是不同的，地理信息的多样性意味着地理信息的分析结果需要依赖于其位置，才能得出合乎逻辑的解释
- 空间层次性 地理信息的层次性首先体现在同一区域上的地理对象具有多重属性，不同空间尺度数据具有不同的空间信息特征
# 信息系统
# 信息系统及其类型
信息系统 (information system) 是具有采集、管理、分析和表达数据能力的系统。在计算机时代信息系统都部分地或全部地由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。
# 地理信息系统
# 地理信息系统的定义
地理信息系统（Geographic Information System 或 Geo-Information System，简称 GIS） 既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，又是一项工程应用技术，它是以地学原理为依托，在计算机软硬件的支持下，研究空间数据的采集、处理、存储、管理、分析、建模和显示的相关理论方法和应用技术，以解决复杂的管理、规划和决策等问题。
# 地理信息系统的内涵
- GIS 的物理外壳是计算机化的技术系统，并由若干个相互关联的子系统构成。
- GIS 的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有空间位置和空间形态特征并且能够很好地表达地理实体和地理现象的基本元素。
- GIS 的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息。
- GIS 与测绘学和地理学等学科有着密切的关系。测绘应用为 GIS 提供丰富和更为实时的信息源，并促使 GIS 向更高层次发展。地理学是 GIS 的理论依托。
# 地理信息系统的基本特征
- 数据的空间定位特征。空间位置特征是地理空间数据有别于其他数据的本质特征。空间位置特征是地理数据所特有的，没有位置的数据不能称为地理数据。
- 空间关系处理的复杂性。地理信息系统除要完成一般信息系统的工作外，还要处理与之对应的空间位置和空间关系，以及与属性数据的一一对应处理。空间关系处理的复杂性的另一技术难点是数据的管理。
- 海量数据管理的能力。地理数据是地理信息系统的管理对象，其本身就是海量数据；GIS 在执行空间分析的过程中，不断地产生新的空间数据，这些数据也具备海量特征。
# 地理信息系统的外延
# GIS 的术语
由于学科背景、应用目的以及应用部门的差异，GIS 在全称上不尽相同，这也导致对 GIS 所做出的定义也不同。
尽管 GIS 在全称上有所区别，但基本上都强调了：
- GIS 处理的是空间数据和空间信息；
- 处理过程是基于计算机的；
- 强调学科的综合和空间数据的继承处理。
# GIS 中 S 的演变
- 系统（System），是从技术层面的角度论述地理信息系统的，即面向区域、资源、环境等规划、管理、分析和处理地理数据的计算机技术系统，但更强调的是其对地理数据的管理和分析能力；
- 科学（Science），是广义上的地理信息系统，常称之为地理信息科学，是一个具有理论和技术的科学体系；
- 遥感等信息技术、互联网技术、计算机技术等的应用和普及，地理信息系统已经从单纯的技术型和研究型逐步向地理信息服务层面转移，在这一层面上，“S”一词代表着服务（Service）。
# GIS 的组成
# 硬件系统
计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，是 GIS 的物理外壳。可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的原件或装置。
# 软件系统
软件系统是指 GIS 运行所必需的各种程序，通常包括 GIS 支撑软件、GIS 平台软件和 GIS 应用软件三类：
- GIS 支撑软件是指 GIS 运行所必需的各种软件环境。操作系统如 Windows、Linux 等，数据库系统如 Microsoft SQL Server 和 PostSQL 等。
- GIS 平台软件包括 GIS 功能所必需的各种处理软件和扩展开发包。最为典型的 GIS 平台如国外的 ArcGIS 商业平台，QGIS 开源平台等；国内的有 SuperMap 和 MapGIS 等商业平台。
- GIS 应用软件一般是在 GIS 平台软件的基础上，通过二次开发所形成的具体的应用软件, 一般是面向应用部门的。如与不动产相关的审批系统、与国土相关的土地资源管理系统、与城市规划相关的辅助决策系统及与地名相关的地名管理与信息化服务系统等。
# 空间数据
数据是 GIS 的核心内容，有人将它称之为 GIS 的血液。地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文件、表格和数字等。
地理空间数据主要包括带有空间位置信息的数据、与空间位置相关的属性数据及用于描述数据关系和特性的数据等内容。其基本上都包括三种互相联系的数据类型：
某个已知坐标系中的位置。即几何坐标，标识地理实体和地理现象在某个已知坐标系中的空间位置。
实体间的空间相关性。即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。
与几何位置无关的属性。即常说的非几何属性或简称属性，是与地理实体和地理现象相联系的地理变量或地理意义。
地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。
# 地学模型
GIS 的地学模型是根据具体的地学目标和问题，以 GIS 已有的操作和方法为基础，构建能够表达或模拟特定现象的计算机模型。
# 人员
人员是 GIS 中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行和维护的整个生命周期，都离不开人的作用。仅有系统的软硬件、数据和模型构不成完整的地理信息系统。
# GIS 的功能
GIS 实现了对空间数据的采集、编辑、存储、管理、分析及表达等处理过程，并基于此过程获得了更加有用的地理信息与知识。此处“有用的地理信息与知识”可以概括为位置、条件查询、趋势、模型、模拟这 5 个基本问题。
# 基本功能需求
- 位置。位置问题回答“某个地方有什么？”
- 条件查询。条件问题即“符合某些条件的地理对象在哪里”的问题
- 趋势。趋势即某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程
- 模型。模式问题即地理对象实体和现象的空间分布之间的空间关系问题
- 模拟。模拟即某个地方如果具备某种条件会发生什么问题，建立通用的分析模型进行未来的预测和决策
# GIS 的基本功能
数据采集功能。
数据是 GIS 的血液，贯穿于 GIS 的各个过程。数据采集是 GIS 的第一步，即通过各种数据采集设备（如数字化仪、全站仪、调查等）来获取现实世界的描述数据，并输入 GIS 系统。GIS 应该尽可能提供与各种数据采集设备的通讯接口。
数据编辑与处理
为保证数据在内容、逻辑、数值上的一致性和完整性，需要对数据进行编辑、格式转换、拼接等一系列的处理工作。GIS 系统应该提供强大的、交互式的编辑功能，包括图形编辑、数据变换、数据重构、拓扑建立、数据压缩、图形数据与属性数据的关联等内容。
数据存储、组织与管理
由于空间数据本身的特点，一般信息系统的中数据结构和数据库管理系统并不适合管理空间数据，GIS 必须发展自己特有的数据存储、组织和管理的功能。
空间查询与空间分析
虽然数据库管理系统一般提供了数据库查询语言，如 SQL 语言。但对于 GIS 而言，需要对通用数据库的查询语言进行补充或重新设计，使之支持空间查询。一个功能强大的 GIS 软件，应该设计一些空间查询语言，满足常见的空间查询的要求。
GIS 所提供的是常用的空间分析工具是有限的，而应用分析却是无限的，不同的应用目的可能构建不同的应用模型。GIS 空间分析为建立和解决复杂的应用模型提供了基本工具。
数据输出与可视化表达
通过图形、表格和统计图表显示空间数据及分析结果是 GIS 项目的必须。GIS 脱胎于计算机制图，因而 GIS 的一个主要功能就是计算机地图制图，包括地图符号的设计、配置与符号化、地图注记、图幅整饰、统计图表制作、图例与布局等项内容。
应用模型与系统开发
随着 GIS 在各行各业的应用越来越广泛，常规 GIS 无法满足各类型的应用需求。因此，GIS 也具有相应二次开发功能，用于开发满足特定行业需求的应用模型或应用软件系统。GIS 的二次开发功能包通常会提供完整的 API 和开发环境。
# GIS 的应用功能
GIS 的应用功能面向不同的应用环境及需求，构建了不同的应用模型，专注于行业内特定问题的解决。
# GIS 与其他学科的关系
# 与相关学科的关系
GIS 是现代科学技术发展和社会需求的产物。
空间分析是 GIS 的核心，地理学作为 GIS 的分析理论基础，可为 GIS 提供引导空间分析的方法和观点。
测绘学和遥感技术不但为 GIS 提供快速、可靠、多时相和廉价的多种信息源，而且它们中的许多理论和算法可直接用于空间数据的变换、处理。
建立在计算机技术和空间信息技术基础上的 GIS 数据库和空间分析方法，并不受传统地图纸平面的限制。
总之，遥感技术可以为资源检测和环境监测提供丰富、实时的宏观信息，并为计算机制图系统和 GIS 的数据更新提供可靠、快速的数据源。但遥感对浩如烟海的社会经济统计数据，人类活动的大量信息却无力获取。计算机制图技术可为地理信息的时空分布和产品输出提供先进的手段，但它本身无区域综合、分析和决策的功能；GPS 技术、数字摄影测量和遥感技术可成为 GIS 数据采集和及时更新的主要技术手段和有力支撑；而 GIS 既能提供信息查询、检索服务，又能提供综合分析评价，它在资源和技术方面的博才与运筹帷幄的优势，是遥感、GPS 和自动制图技术所不及的。
只有它们的有机结合，才能使遥感和 GPS 技术所获取的瞬时信息经过积累和延伸，才具有反映自然历史发展过程和人为影响的能力，并达到实时处理的功能，为科学管理、规划决策服务。
# 与其他信息系统的区别与联系
# GIS 应用范畴
# GIS 发展历程
# 课后题
# 名词解释
数据：数据是人类在认识世界和改造世界过程中，定性或定量对事物和环境描述的直接或间接原始记录，是一种未经加工的原始资料，是客观对象的表示。
信息：信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。
地理数据：地理数据是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等总称。
地理信息：地理信息是有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征和地理现象之间关系的地理数据的解释。
地理信息系统：地理信息系统（Geographic Information System 或 Geo-Information System，简称 GIS）既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，又是一项工程应用技术，它是以地学原理为依托，在计算机软硬件的支持下，研究空间数据的采集、处理、存储、管理、分析、建模和显示的相关理论方法和应用技术，以解决复杂的管理、规划和决策等问题。
应用模型：
GIS 支撑软件：
GIS 平台软件：
GIS 应用软件：
GIS 地学模型：
数字地球：
网络 GIS：
移动 GIS：
时空大数据：
# 简答题
1. 你是如何理解地理信息系统概念的？
2. GIS 同时作为地理信息系统、地理信息科学和地理信息服务的简称，试阐述你对它们的理解？
3. 试论述空间数据和应用模型在地理信息系统中的作用和地位。
4. 地理信息系统的基本功能和应用功能的区别和联系是什么？
5. 地理信息技术的出现和发展，对地理学和测绘学产生了哪些重要的影响？
6. 网络技术的出现和发展使 GIS 技术产生哪些主要的变化？
7. 大数据技术的出现给地理信息系统带来了哪些机遇和挑战？
8. 人工智能的兴起和发展，将对地理信息系统产生哪些影响？
# 论述题
1. 试通过查询网络资源或结合日常生活经历，举出几个国内外 GIS 应用的例证。
2. 通过网络查询我国有关地理信息系统的主要研究机构及其在全国的分布。
3. 我国有关地理信息系统技术的刊物有哪些？各有什么特点？
4. 根据你所掌握的资料，分析地理信息系统的发展前景？
5. 列举一些常用的工具型 GIS 软件和成熟的应用型 GIS 软件，并论述其主要特点。
