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GIS

空间分析

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第一章导论

随着信息社会的到来，整个社会进入了信息大爆炸的时代。面对海量信息，人们对于

信息的要求发生了巨大变化，对信息的广泛性、精确性、快速性及综合性要求越来越高。

随着计算机技术的出现及其快速发展，对空间位置信息和其它属性类信息进行统一管理的

地理信息系统也随之快速发展起来，在此基础上进行空间信息挖掘和知识发现是当前亟待

解决的问题，也是 GIS 研究的热点和难点之一，地理信息系统的空间分析作用也因此越来

越凸显其重要性。

1.1 地理信息系统

1.1.1 基本概念

地理信息系统（Geographical Information System，Geo-Information System，简称 GIS），

是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分地球表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。地理信息系统处理和管理的对象

是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性

数据等，用于分析和处理一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策

和管理问题。

1.1.2 GIS 系统构成

完整的地理信息系统主要由四个部分构成，即硬件系统、软件系统、地理空间数据和

系统管理操作人员。其核心是软硬件系统，空间数据库反映了 GIS 的地理内容，而管理人

员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。

1. 硬件系统

计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、

机械的、光的元件或装置，是 GIS 的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、

使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS 由于其任务的

复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出

设备、中央处理单元、存储器等，这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，

使其完成任务；保存数据以备现在或将来使用；将处理得到的结果或信息提供给用户。

2. 软件系统

GIS 运行所需的软件系统如下：

（1）计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户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、程序说明等，是 GIS 日

常工作所必需的软件。

（2）地理信息系统软件和其他支持软件

包括通用的 GIS 软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图

像处理系统、CAD 等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。

（3）应用分析程序

系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的

程序，是系统功能的扩充与延伸。在 GIS 工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态

的，与系统的物理存储结构无关，而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序

作用于地理专题或区域数据，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应用性优劣和成败。

3. 系统开发、管理与使用人员

人是 GIS 中的重要构成因素，地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命

周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，

还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，并灵活

采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。对于合格的系统设计、运行和使用

来说，地理信息系统专业人员是地理信息系统应用的关键，而强有力的组织是系统运行的

保障。

4. 地理空间数据

地理空间数据是以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以

是图形、图像、文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、

磁带机或其他系统通讯输入 GIS，是系统程序作用的对象，是 GIS 所表达的现实世界经过

模型抽象的实质性内容。不同用途的 GIS 其地理空间数据的种类、精度均不相同，一般情

况下包括如下三种数据：

（1）已知坐标系中的位置

即几何坐标，标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、

平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐

标。

（2）实体间的空间关系

实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近；延伸关系（或

方位关系），定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系，

是 GIS 分析中最基本的关系，其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面

实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。

（3）与几何位置无关的属性

即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。

属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级；定性

描述的属性如土壤种类、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。

非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、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、量算指标对系统的功能有较大的影响。

1.1.3 GIS 功能与应用

地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和

模型，依据这些问题，可以把 GIS 功能分为以下几个方面：

1. 数据采集与输入

数据采集与输入，即将系统外部原始数据传输到 GIS 系统内部之过程，并将这些数据

从外部格式转换到系统便于处理的内部格式的过程。多种形式和来源的信息存在着综合和

一致化的过程。数据采集与输入要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。一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建

设投资的 70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因而使得信息共享与自

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。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。

2. 数据编辑与更新

数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完

成；图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、投影变换以及误

差校正等。数据更新则要求以新纪录数据来替代数据库中相对应的数据项或纪录。由于空

间实体都处于发展进程中，获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。随着时

间推移，数据会随之改变。数据更新可以满足动态分析之需。

3. 数据存储与管理

数据存储与管理是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据

的组织。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。空间数据

结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能；在地理数据组织与管

理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。目前大多数系统都是将二者

分开存储，通过公共项（一般定义为地物标识码）来连接。这种组织方式的缺点是数据的

定义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。

4. 空间数据分析与处理

空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的

分析功能；而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它计算机系统

的根本区别，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。

5. 数据与图形的交互显示

地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏

幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，可以通过人机交互方式来选择显

示对象的形式，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。GIS 不仅可以输出全要素

地图，也可根据用户需要，输出各种专题图、统计图等。

6. 地理信息系统应用

地理信息系统的大容量、高效率及其结合的相关学科的推动使其具有运筹帷幄的优

势，成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术支撑，也成为与空间信息有关各行各

业的基本工具，其强大的空间分析能力及其发展潜力使得 GIS 在以下方面已得到广泛、深

入的应用：测绘与地图制图、资源管理、城乡规划、灾害预测、土地调查与环境管理、国

防、宏观决策等方面表现出强大的生命力。

地理信息系统以数字世界表示自然界，具有完备的空间特性，可以存储和处理不同地

理发展时期的大量地理数据，并具有极强的空间信息综合分析能力，是地理分析的有力工

具。因此，地理信息系统不仅要完成管理大量复杂的地理数据之任务，更为重要的是要完

成地理分析、评价、预测和辅助决策的任务，必须发展广泛的适用于地理信息系统的地理

分析模型，这是地理信息系统真正走向实用的关键。

1.1.4 GIS 技术与发展

地理信息系统的发展已历经 30 余年，用户的需要、技术之进步、应用方法的提高以

及有关组织机构的建立等因素，深深影响着地理信息系统的发展历程。

60 年代初期，地理信息系统处于萌芽和开拓期，注重空间数据的地学处理。该时期

GIS 发展的动力来自于新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等方面，专家兴趣与

政府推动也起到积极的引导作用；进入 70 年代，地理信息系统进入巩固发展期，注重于

空间地理信息的管理。资源开发、利用乃至环境保护问题成为首要解决之疑难，需要有效

地分析、处理空间信息；随着计算机技术的迅速发展，数据处理速度加快，为地理信息系

统软件的实现提供了必要条件和保障；80 年代则是地理信息系统的大发展时期，注重于空

间决策支持分析。地理信息系统应用领域迅速扩大，涉及到许多的学科和领域，此时地理

信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场；90 年代是地理信息系统的用户化

时代，地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，社会对地理信息系统认识普遍提高，

需求大幅度增加，从而使得地理信息系统应用领域扩大化、深入化，地理信息系统向现代

社会最基本的服务系统发展。

进入新世纪，GIS 应用向更深的层次发展，展现新的发展趋势。

1. 网络 GIS（Web-GIS）

网络地理信息系统（Web-GIS）指基于 Internet 平台、客户端应用软件采用网络协议、

运行在 Internet 上的地理信息系统。一般由多主机、多数据库和多个客户端以分布式模式

连接在 Internet 上而组成，一般有以下四个部分：Web-GIS 浏览器（browser）、Web-GIS

服务器、Web-GIS 编辑器（Editor）、Web-GIS 信息代理（information agent）。Web-GIS 开

拓了地理信息资源利用的新领域，为 GIS 信息的高度社会化共享提供了可能，是传统 GIS

发展的新机遇。

2. 组件式 GIS（Com-GIS）

组件式 GIS 是 GIS 技术与组件技术结合的产物。其基本思想是：把 GIS 的各种功能模

块进行分类，划分为不同类型的控件，每个控件完成各自相应功能；各个控件之间，以及

GIS 控件与其它非 GIS 控件之间，通过可视化的软件开发工具集成起来，形成满足用户特

定功能需求的 GIS 应用系统。长期以来，由于 GIS 开发周期长、难度大在一定程度上制约

了 GIS 发展，组件式 GIS 的出现为新一代 GIS 应用提供新的工具，具有集成灵活、成本低、

开发便捷、使用方便、易于推广、可视化界面等特点，一般有基础组件、高级通用组件、

行业性组件三级结构。

3. 虚拟现实 GIS（VR GIS）

虚拟现实 GIS（Virtual Reality GIS，简称 VR GIS）在 20 世纪 90 年代开始出现，是一

种专门用于研究地球科学，或以地球系统为对象的虚拟现实技术，是虚拟现实与地理信息

系统相结合的产物。近年来，VR GIS 甚至融入到 Web-GIS 和 Com-GIS 之中。理想的 VR GIS

应包含下列特征：

（1）对现实的地理区域非常真实的表达；

（2）用户在所选择的地理带（地理范围）内外自由移动；

（3）三维（立体）数据库的标准 GIS 功能（查询、选择、空间分析等）；

（4）可视化功能必须是用户接口的自然整体部分。

VR GIS 的特点表现在以下几个方面：区域表达的真实性、空间、时间维的漫游、查

询、用户和系统之间的交互作用；海量丰富的信息等。

4. 时态 GIS（TGIS）

时态 GIS 是相对于静态 GIS 而言的。现实中地理环境、事物和现象是不断发展变化的，

但静态 GIS 仅对其进行“快照”式表达，只关心某一瞬间的地理现象，对其前后的数据不

保留，也没有比较分析。而时态 GIS 将时间概念引入到 GIS 中，跟踪和分析空间数据随时

间的变化，不仅描述系统在某时刻的状态，而且描述系统沿时间变化之过程，预测未来时

刻将会呈现的状态，以获得系统变化的趋势。

5. 互操作 GIS

目前 GIS 系统大多基于具体的、相互独立的和封闭的平台开发，采用各自不同的空间

数据格式，数据组织方式有很大差异，这使得不同 GIS 软件间交换数据很困难。为解决地

理数据的共享和继承、地理操作的分布与共享等需求，互操作 GIS 被提上议事日程，这是

一个新的 GIS 集成平台，实现了在异构环境下多个地理信息系统或其应用系统之间的互相

通信和协作。

6. 3S 集成

虽然 GIS 在其理论和应用技术上有很大发展，但靠传统 GIS 的使用却不能满足目前社

会对信息快速、准确更新之要求。与 GIS 独立、平行发展的全球定位系统（GPS）和遥感

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