地理信息系统概论 - 地理信息系统（1）

（2017-06-30 银河统计）

一、什么是地理信息系统

地理信息系统简称GIS(Geographic Information System)系统。

GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的数据库系统，该系统设计用来支持空间数据采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

（---美国联邦数字地图协调委员会）

地理信息系统以地表与近地表的自然、社会、经济、文化等现象分布的空间信息为研究对象，利用计算机、遥感、地理信息、卫星定位等现代技术进行空间信息的采集、处理、分析以及应用系统开发，是研究空间信息基本理论和技术方法的综合性学科。21世纪是空间信息技术蓬勃发展的时代，地理信息科学已在现代国防和国民经济建设中广泛应用，并将发挥越来越重要的作用。

1、地理数据

地理数据是各种地理特征和现象间关系的数量化表示，人们常把地理数据称为空间数据。

用一定的测度方式描述和衡量地理对象的有关矢量化标志。对于不同的地理实体、地理要素、地理现象、地理事件、地理过程，需要采用不同的测度方式和测度标准进行描述和衡量，这就产生了不同类型的地理数据。

地理数据直接或间接关联着相对于地表的某个地点的数据，是表示地理位置、分布特点的自然现象和社会现象的数据集，包括自然地理数据和社会经济数据。如土地覆盖类型数据、地貌数据、土壤数据、水文数据、植被数据、居民地数据、河流数据、行政境界及社会经济方面的数据等。

2、地理数据的特征

• 空间特征：表示现象的空间位置或现在所处的地理位置（经度和纬度）。包括定位数据和拓扑数据；
• 属性特征：表示专题属性（地表现象的名称、类别、数量等）；
• 时间特征：指现象或物体随时间的变化。其变化的周期有超短期的，短期的，中期的，长期的；
• 依据空间数据来源的不同分为：地图数据、地形数据、属性数据、影象数据等；
• 依据表示对象的不同分为：点，线，面、体数据。

3、空间数据结构

地理数据又称为空间数据。空间数据结构 （SpatiaI Data Structure）是指空间数据适合于计算机存储、管理、处理的逻辑结构，是空间数据在计算机内的组织和编码形式，是地理实体的空间排列和相互关系的抽象描述。空间数据编码是指空间数据结构的具体实现，是将图形数据、影像数据、统计数据等资料按一定的数据结构转换为适合计算机存储和处理的形式。

空间数据结构是带有结构的空间数据单元的集合。这些数据单元是数据的基本单位, 一个数据单元可以由几个数据项组成, 数据单元之间存在某种联系叫做结构。所以, 研究空间数据结构, 是指研究空间目标间的相关关系, 包括几何和非几何的关系。数据结构是数据模型的表述, 数据结构往往通过一系列的图表和矩阵, 以及计算机码的数据记录来说明。

随着多维数据在计算机应用方面的数量的增长，空间数据管理的研究成了当前的热点。空间数据(多维数据)包括：点、线段、区域，三维或更高维中的多面体。

4、地理信息系统的基本功能

从总体上看，地理信息系统的功能可分为：

• 数据采集

  数据采集是GIS的基本功能，主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。

  传统GIS的地理数据来源于纸质地图，常用的方法是数字化扫描，如手扶跟踪数字化仪。随着技术的发展，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。

  自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。随着扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键。交互式地图识别是自动化扫描输入方法的一种较为现实的途径。

  遥感数据集成是另外一种新型数据采集方式。遥感数据已经成为GIS的重要数据来源，与地图数据不同的是，遥感数据输入到GIS较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情。因此，GIS中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的GIS产品（如ARCGIS、 MAPGIS）中都具有功能齐全的图像处理子系统。

  地理数据采集的另一项主要技术进展是GPS技术在测绘中的应用。GPS可以。确、快速地确定人或物在地球表面的位置，因此，可以利用GPS辅助原始地理信息的采集。

• 数据处理与存储管理

  对数据的存储管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及对空间数据和属性数据的组织。初步的数据处理主要包括数据格式化、转换和综合。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换。数据转换包括数据格式转换、数据比例尺的变换等，数据比例尺的变换涉及数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图综合包括数据平滑和特征集结等。

  GIS中的数据分为栅格数据（X、Y）和矢量数据（经、纬度）两大类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。

  大多数GIS中采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层（如道路层、水系层、公共设施层等），整张地图是所有层叠加的结果。在与用户的交互过程中只处理涉及的层，而不是整幅地图。GIS的主要功能之一是管理大量的专业地图，按专题分类将各部门所需的地图合理地组织为空间数据库。几十乃至上百张图按地图网格拼装为一个图层，而每张图层上包括的对象在取舍上有严格的分类标准。按专业含义由粗到细划分为层次状专题分类，每一图层上的空间对象归属于某一专题类，因此常称为专题图层。这些图层与各行业的更为专业的图层相叠置（透明叠放在一起），并进行空间关系分析，可以得出有用的决策信息。

• 图形显示和地图制作

  GIS来源于地图，也离不开地图。GIS的一个基本功能就是能根据用户的要求，通过对数据的提取和分析，以图形的方式表示结果。当GIS数据被描绘在地图上时，信息就变得容易理解和解释。GIS不只是为了有效地存储、管理、查询和操作地理数据，更重要的是以可视化的形式将数据或经过深加工的地理信息呈现在用户面前，方便地通过图形认识地理空间实体和现象及其相互关系。

  好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。

  为了能够全面、充分地反映系统所关心区域的空间地理信息，有必要采用多种比例尺共存的方式，以满足GIS的多层次需求。某一地区在某一比例尺条件下的地理资料，不仅代表了在该种比例尺条件下对于该区域地理空间结构的抽象和概括，而且也代表了在该种比例尺条件下对于该区域地理功能的抽象和概括。由于在地理信息系统中的地图数据采取了分层组织管理方法，因而在显示时也可以采取该方法，即同比例尺条件下可以采用多图层方式来表达地理实体。

  除了常见的二维平面地图之外，地理信息三维显示也成为地理信息一个重要的表现方式。利用三维显示技术，可以更为直观形象地表现地理环境信息，更容易让用户接受和理解。

注：左上 - 地图； 右上 - 卫星照片； 左下 - 3D模拟图片； 右下 - 实拍照片

• 空间查询与分析

  对地理空间的查询与分析功能，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间数据查询与分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应用领域是至关重要的。

  空间查询是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能，即可把满足一定条件的空间对象查出，并将其按空间位置绘出，同时列出它们的相关属性等。空间查询是支持综合图形与文字的多种查询的主要方法，它支持由图查图、由图查文和由文查图，并给出新图和有关数据。

  空间模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别，它以空间数据和属性数据为基础，回答真实地理客观世界的有关问题。地理信息系统的空间分析可分为：拓扑分析、方位分析、度量分析、混合分析、栅格分析和地形分析等。

二、常用地理信息系统

国际上主流的GIS软件是ESRI公司的软件，这是一个大的概念，它还包括桌面版的ArcGIS,其中包含若干个应用程序，比如ArcMap（用于配置二维工程地图，地图显示和打印输出用）、ArcGloble（配置三维工程地图的桌面程序）、ArcCatalog（用于图形数据的管理，类似于windows的文件管理器）、ArcReader（用于三维地图显示，功能比ArcGloble简单，不适合于大量数据）、ArcTool（一个工具集，用于批量数据处理等工作，非常强大和实用的工具箱）；ESRI的开桌面版的开发包是ArcEngine；网络版的开发包是ArcGIS Server。

国内的重要的软件就是超图公司的SurperMap，其他软件有MapInfo（开发工具MapX）和我国地质大学的MapGIS软件，以及若干开源的软件。

百度地图API和高德地图API是为开发者免费提供的基于地图的应用程序接口,包括JavaScript、iOS、Andriod、静态地图、Web服务等多种版本。百度地图API和高德地图API空间数据分析功能不如ArcGIS桌面版强大，但在地图及图层显示、空间数据查询、数据更新方面功能非常强大，是开发网络地图项目的首选。

百度地图API和高德地图API主要功能包括：提供基本地图展现、搜索、定位、逆/地理编码、路线规划、LBS云存储与检索等功能。

地图API适用于PC端、移动端、服务器等多种设备，多种操作系统下的地图应用开发。如百度地图JavaScript API是一套由JavaScript语言编写的应用程序接口，它能够帮助您在网站中构建功能丰富、交互性强的地图应用程序。百度地图API不仅包含构建地图的基本功能接口，还提供了诸如本地搜索、路线规划等数据服务。适用于PC或移动设备端的基于浏览器的开发。JS版本还为用户开放了开源库，简化开发。

三、地理信息系统的运用

许多学科受益于地理信息系统技术。活跃的地理信息系统市场导致了GIS组件的硬件和软件的低成本和持续改进。这些发展反过来导致这项技术在科学、政府、企业和产业等方面更广泛的应用。应用包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流。地理信息系统也分化出定位服务(LBS)。LBS使用GPS通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置(最近的餐厅,加油站,消防栓),移动设备(朋友,孩子,一辆警车)或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理。随着GPS功能与日益强大的移动电子(手机、pad、笔记本电脑)整合，这些服务继续发展。

地统计学起源于20世纪60年代，早期主要应用于研究地质学现象的空间结构和进行空间估值。其创始人Marheron将其简单定义为：随机函数在自然现象勘察及估计中的应用。从中可以看出，地统计学主要是利用随机函数对不确定的现象进行探索分析，并结合采样点提供的信息对未知点进行估计和模拟。地统计学最初主要用于采矿业和石油勘探中，但随着传统统计学方法在空间数据分析上的无能为力，越来越多涉及到空间分析的学科求助于地统计学的研究工具。如今，地统计学已经被广泛用于地理学、生态学、环境科学、土壤学等诸多领域的研究中。特别是GIS的发展带来的空间数据极大丰富，越来越多的科学家求助于地统计学来分析空间数据。

GIS是对空间数据进行搜集、存储、检索、转换、显示及分析的一门技术。它可以将具有地理坐标的数据信息作为一个专题层，或地图文档来进行管理。作为一个强大的数据库系统，它可以存储具有同样空间范围的多种专题信息。编辑、操作这些空间数据，对于现有的GIS软件已不成问题，但对空间数据分布格局进行建模，抽取其特征还很欠缺。这就需要像地质统计(geostatistics)这类空间分析的统计技术。

地统计学近年来在国际上发展迅猛，特别是GIS的发展，对空间分析功能提出了一个新的要求，使得地统计学成为多个学科重视的焦点。但到目前为止，二者之间的结合还很少，或非常欠缺。如大型软件ArcGis，从8版本以后加入了扩展模块，其中即有地统计学。但内容仅限于克里金系列方法，而对于模拟方法还是一片空白。所以，未来将两者结合起来将是一种必然的趋势。一种比较快捷的方式是利用组件式思想，将地统计学软件内嵌到GIS软件内部。这种结合方式要考虑到两个原本不同系统的融合，所以稍显繁琐，且二者关系较为松散。但针对目前强大的需求，这无疑是一种多快好省的方法。

银行统计地理信息系统系列文章介绍包括两方面内容：

• 百度地图API和高德地图API注意功能在网络项目开发中的运用
• R语言和Python空间数据分析和建模

针对时间，统计学有较完善的时间序列分析技术，但空间数据分析技术是传统统计学的一项空白。GIS系统是将位置相关现象进行量化及展示的最好工具，利用GIS工具可以比较容易获取和位置相关现象的大数据，从而为构建和完善统计学时间、空间和属性大数据分析技术提供了坚实的数据基础。

空间统计研究起步于上个世纪70年代，空间统计其核心就是认识与地理位置相关的数据间的空间依赖、空间关联等关系，通过空间位置建立数据间的统计关系。空间统计学依赖于tablor地理学第一定律，即空间上越临近的事物拥有越强的相似程度；和空间异质性，即空间位置差异造成的行为不确定现象。

最后，奉上Tobler的地理学第一定律，做为空间统计分析的基本准则！

The first law of geography (Tobler's First Law):

All attribute values on a geographic surface are related to each other, but closer values are more strongly related than are more distant ones.