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1 第一章 GIS GIS GIS 的概念和需求 理解 GIS GIS GIS 的三种角度： GIS 是一个用于管理、分析和显示地理信息的系统。地理信息可以通过一系 列地理数据集来表达。而地理数据集则通过使用简单的，普通数据结构来为地理 信息建模。GIS 包含了一套用以处理地理数据的综合工具。 我们可以从多个角度来理解地理信息系统是如何工作于地理信息的： 1． 从空间数据库的角度看：GIS 是一个包含了用于表达通用 GIS 数据模型 （要素、栅格、拓扑、网络等等）的数据集的空间数据库。 2． 从空间可视化的角度看：GIS 是一套智能地图，同时也是用于显示地表 上的要素和要素间关系的视图。底层的地理信息可以用各种地图的方式进行表 达，而这些表现方式可以被构建成"数据库的窗口"，来支持查询、分析和信息 编辑。 3． 从空间处理的角度看：GIS 是一套用来从现有的数据集获取新数据集的 信息转换工具。这些空间处理功能从已有数据集提取信息，然后进行分析，最终 将结果导入到数据集中。 这三种观点在 ESRI ArcGIS 中分别用 ArcCatalog（GIS 是一套地理数据集的 观点） 、ArcMap（GIS 是一幅智能的地图）和 ArcToolbox（GIS 是一套空间处理 工具）来表达。这三部分是组成一个完整 GIS 的关键内容，并被用于所有 GIS 应用中的各个层面。 从空间数据库的角度： GIS 是世界上独一无二的一种数据库――空间数据库（Geodatabase） 。它是 一个"用于地理的信息系统"。从根本上说，GIS 是基于一种使用地理术语来描述 世界的结构化数据库 这里我们来回顾一些在空间数据库中重要的基本原理。 地理表现形式 作为 GIS 空间数据库设计工作的一部分，用户要指定要素该如何合理的表 现。例如，地块通常用多边形来表达，街道在地图中是中心线（centerline）的形 式，水井表现为点等等。这些要素会组成要素类，每个要素类都有共同的地理表 现形式。 每个 GIS 数据集都提供了对世界某一方面的空间表达，包括： 基于矢量的要素（点、线和多边形）的有序集合 2 诸如数字高程模型和影像的栅格数据集 网络 地形和其它地表 测量数据集 其他类型数据，诸如地址、地名和制图信息 描述性的属性 除了地理表现形式以外，地理数据集还包括传统的描述地理对象的属性表。 许多表和空间对象之间可以通过它们所共有的字段（也常称为"关键字"）相互 关联。就像它们在传统数据库应用中一样，这些以表的形式存在的信息集和信息 3 关系在 GIS 数据模型中扮演着非常关键的角色。 空间关系： 拓扑和网络 空间关系， 比如拓扑和网络， 也是一个 GIS 数据库的重要部分 。 使用拓扑是为了管理要素间的共同边界、定义和维护数据的一致性法则，以及支 持拓扑查询和漫游（比如，确定要素的邻接性和连接性） 。拓扑也用于支持复杂 的编辑，和从非结构化的几何图形来构建要素（例如，用线来构建多边形） 。 地理要素共享几何形状。可以使用节点、边、面的关系来描述要素的几何形状 网络是描述一个能够相互贯通的 GIS 对象相连的图。这对于模拟路径和交 通、管线、设备、水文学以及其它基于网络的应用非常重要。 4 在这个网络示例中，街道要素代表连接它们的端点（称为"连接"）的边。转向模 型可用于控制从一边到另一边的通行能力 专题图层与数据集: GIS 将空间数据组织成一系列的专题图层和表格。 由于 GIS 中的空间数据集 具有地理参考，因此它们具有现实世界的位置信息并互相叠加。 GIS 集成了多种类型的空间数据 在一个 GIS 中，同类型的地理对象集合被组织成图层，例如地块、水井、 建筑物、正射影像以及基于栅格的数字高程模型（DEM） 。明确定义的地理数据 集对于一个实用的地理信息系统是相当重要的，同时专题信息集合使用层来组 织，这样的思想也是 GIS 数据集一个关键的思想。 数据集可以用于表达： 原始量测值（例如卫星影像） 经过解译的信息 通过空间分析和建模处理而得来的数据 通过层之间共同的地理位置，我们可以很容易地得到多个层之间的空间关 系。 GIS 使用普通的对象类来管理这些简单的图层， 同时凭借一套功能丰富的工 具获取数据层之间的关键联系。 GIS 会使用通常是来自不同组织机构，并且具有各种表现方式的大量数据 集。因此对于 GIS 数据集很重要的是： 使用简单并易于理解 易于同其他的地理数据集结合使用 能够被有效地编辑与校验 5 能够形成具有内容详实，使用和目标描述明确的清晰文档 任何的 GIS 数据库或者用基于文件的数据组织方式都遵循这些共同的原则 与概念。每个 GIS 都需要有一个机制依据这些原则来描述地理数据，并且通过 一套综合的工具来使用和管理此信息。 从空间可视化的 GIS，即地理信息系统，是一种专门用于管理、分析和展示地理信息的系统。它涉及三个主要角度的理解：空间数据库、空间可视化和空间处理。在ESRI的ArcGIS中，这三个方面分别由ArcCatalog、ArcMap和ArcToolbox来体现。 1. **空间数据库**：GIS是一个独特的空间数据库，称为Geodatabase，用于存储和管理地理信息。它包含各种GIS数据模型，如要素、栅格、拓扑和网络等。GIS数据集通过不同的地理表现形式来表达现实世界的元素，如地块（多边形）、道路（中心线）和水井（点）。这些数据集还包含描述性属性，允许通过共享字段将表和空间对象相互关联。拓扑和网络是空间关系的重要组成部分，用于管理要素边界、确保数据一致性，支持查询和编辑。 2. **空间可视化**：GIS是智能地图，提供对地表要素和它们之间关系的视觉展示。地图不仅是数据的视觉表现，也是查询、分析和编辑的界面。GIS通过交互式地图、3D场景、报告、图表等形式展现地理信息，允许用户探索时间序列数据和网络关系。 3. **空间处理**：GIS作为一个信息转换工具，能够从现有数据集中提取新信息并进行分析。空间处理功能涵盖了从数据集到数据集的信息转换，支持复杂的编辑操作和非结构化几何图形的构造。 ArcGIS的核心组件包括： - **ArcCatalog**：用于管理和组织地理数据集，提供了查看、组织和管理空间数据库的界面。 - **ArcMap**：提供地图制作和地理信息的可视化，用户可以创建、编辑和分析地图。 - **ArcToolbox**：包含了一系列用于执行空间分析、数据管理和转换的工具。 在设计GIS数据集时，考虑的关键因素包括： - **地理表现形式**：决定如何合理地表达地理要素，如使用多边形、线或点。 - **属性表**：包含描述性信息，通过关键词与空间对象关联。 - **空间关系**：通过拓扑和网络描述要素间的相互关系，如邻接性、连接性。 - **专题图层和数据集**：将不同类型的地理对象组织成图层，便于叠加和分析。 GIS数据集的设计应具备以下特性： - **可理解性**：数据结构简单明了。 - **互操作性**：易于与其他地理数据集整合。 - **编辑与验证效率**：提供有效的编辑和校验工具。 - **文档完整性**：清晰的文档说明数据集的用途和内容。 GIS是将空间数据与非空间数据结合，通过空间数据库、可视化工具和处理算法，提供对地理现象的深入理解和决策支持。无论是用于城市规划、环境研究还是灾害响应，GIS都是一个强大的工具，它将抽象的数据转化为直观的地理信息，帮助人们更好地理解世界。