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书名：地理信息科学导论
定价：79.0
ISBN：9787030588708
作者：无
版次：1
出版时间：2018-09
内容提要：
地理信息科学是集地理、信息、测绘和遥感等科学于一体的交叉学科，在应用过程中形成了理论、技术、系统、工程、应用和服务等方面的知识体系。全书首先介绍了地理信息科学的形成、体系、发展趋势及与其他学科的关系；其次研讨了地理认知与传播、地理信息表达和地理信息基本特征等理论问题；然后详细论述了地理信息获取处理、地理空间数据管理、地理信息可视化和地理空间分析的技术体系；*后介绍了地理信息系统、地理信息工程、地理信息系统应用和地理信息服务等。
目录：
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1地理信息科学的形成 1
1.2地理信息科学的体系 15
1.3地理信息科学发展趋势 31
1.4与其他科学的关系 32
1.5本书内容和基础知识 35
第2章 地理认知与传播 37
2.1认知与地理认知 37
2.2信息与地理信息 43
2.3地理信息传输 56
第3章 地理信息表达 65
3.1地理实体概念 65
3.2地理实体地图表达 70
3.3地理实体数据表达 74
第4章 地理信息基本特征 101
4.1地理信息时空特征 101
4.2地理信息尺度特征 114
4.3地理信息不确定性 123
第5章 地理信息获取处理 139
5.1地理信息感知技术 139
5.2地理数据获取技术 145
5.3地理数据处理技术 159
第6章 地理空间数据管理 169
6.1地理空间数据模型 169
6.2地理空间数据存储技术 189
6.3地理空间数据索引 195
6.4空间数据引擎披术 201
6.5地理空间数据库系统 203
第7章 地理信息可视化 206
7.1地理信息可视化概述 206
7.2普通地图数据可视化 210
7.3专题地理数据可视化 223
7.4地理三维数据可视化 229
7.5地理时空数据可视化 234
第8章 地理空间分析 240
8.1地理空间图形分析 240
8.2地理统计分析 251
8.3地理过程建模分析 260
8.4地理空间决策支持 266
第9章 地理信息系统 276
9.1地理信息系统概述 276
9.2基础地理信息系统 280
9.3网络地理信息系统 284
9.4移动地理信息系统 299
第10章 地理信息工程 307
10.1地理信息工程概述 307
10.2地理信息工程过程 317
10.3地理信息标准 325
10.4地理信息工程质量 328
第11章 地理信息系统应用 337
11.1应用系统概述 337
11.2应用分析模型 341
11.3应用系统案例 360
第12章 地理信息服务 371
12.1地理信息服务概述 371
12.2政务地理信息服务 383
12.3地理信息位置服努 392
12.4地理信息导航服务 395
12.5汽车自动驾驶系统 404
主要参考文献 414
在线试读：
第1章 绪论
地理( geography)是关于人地关系的学问，是研究地球表层自然和人文现象的时空变化规律的科学。在当今信息时代，为了更好地解决地理问题，地理学“如饥似渴”地吸收信息科学( information science)的精华，用数据表示地理现象，用计算机模拟和推演地理规律，辅佐人们分析地理问题和进行科学决策。在地理科学与信息科学交叉融合过程中产生了一门从信息流的角度研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其时空变化规律的科学——地理信息科学( geographic information science．GIScience)。它是以地理学理论为基础，以测绘技术为数据获取工具，以计算机数据库存储管理为核心，以图形可视化为信息传播手段，以数学建模分析计算应用为目的，以地理现象的位置和形态特征为操作对象，通过地理现象的感知测量、获取处理、存储管理、量算、可视化分析、捕值统计、建模推理、模拟和预测等方法求解地理问题，在实践应用过程中形成了独有的理论、方法和技术体系。
1.1地理信息科学的形成
地理信息科学是以应用为目的，以技术为引导，在为社会各行各业服务中逐步从地理科学、测绘科学、遥感科学和信息科学申交叉形成的一门边缘学科。它的形成与发展经历了计算机辅助地图制图和地理信息系统（geographic information system，GIS或GISystem）两种不同的发展思路。GIS与多种信息技术集成构建了地理信息服务(geographic informationservlce．GIService)。随着地理信息应用与服务的广度和深度逐渐加深，人们开始探索地理信息理论问题，从GISystem到GIService再到GIScience。
1.1.1地图制图催生了数字地图制图
20世纪50年代，计算机控制的行式打印机开始能够输出图形。人们把行式打印机输出图形引入地图制图，产生了计算机辅助地图制图技术，其主要特征为将连续的以模拟方式存在于纸质地图的物体离散化，以便计算机能够识别、存储和处理。1964年，英国牛津自动制图系统问世。1967年，美国H.T.费希尔领导的实验室研制出组合统计制图软件包。1970年，美国人口统计局设计出具有拓扑编辑功能的双重独立地图编码( dual independent mapencoding，DIME)技术，奠定了机助制图数据结构的拓扑学基础。在我国，1972年中国科学皖地理研究所开始研制制图自动化系统，刘岳在制图自动化的进展和实研究中实现了多种曲线光滑、绘制等值线图、统计图和趋势面分析等程序；1977年6月南京大学地理系开设了计算机制图课程；1978年解放军测绘学院刘光运等实现了地形图图廓整饰自动化；1981年吴忠性和杨启和完成了“在电子计算机辅助制图情况下地图投影变换的研究”等。20世纪80年代专题地图的计算机制图得到了广泛的应用。从1995年开始，计算机制图逐渐进入实用化和规模化阶段。中国地质大学研制冉地图编辑出版系统MapCAD，实现了地图制图与地图制印一体化（编印一体化）的突破，通过数字制图技术与桌面出版系统的有机结合，形成了桌面地图出版系统，通过激光照排系统输出把地图编绘的成果输出成高精度的分色胶片，直接制版印刷，从而使地图生产实现批量化和实用化，走上了全数字化生产的发展道路。
计算机制图的诞生不但改变着传统的地图制作技术，引起地图生产方式和地图面貌的变化，也改变了地图使用的实质，也促使地图制图理论与方法的研究不断深入。
1．计算机制图过程
计算机制图指运用电子计算机的处理分析功能制作地图。根据地图制图原理，利用电子计算机和图形输入、输出等设备，通过应用数据库技术和图形的数字处理方法，实现地图信息的离散化、编辑、传输、处理，*后以自动或人机结合的方式输出地图，称为计算机辅助地图制图，简称机助制图，也称数字制图或自动化制图。计算机制图可分为编辑准备阶段、数字化阶段、计算机处理阶段、图形输出四个阶段。①编辑准备阶段。收集地图资料和地图数据，并加以分析评价，确定地图投影和比例尺，选择地图内容和表示方法，确定使用的软件和数字化方法，*后成果是数字化规范。②数字化阶段。地图和影像通过数字化变为机器可读的数字。数字化方法有很多种。早期是采用脱机肛茨机方式的手扶跟踪数字化方法。这种方法的速度较慢，但实用、可靠、数据处理简单。现在*普遍方式是扫描数字化方法，将像片或地图通过扫描数字化仪离散为一系列由不同灰庋值构成的二维矩阵像元组，速度快，但所含数据量相当大。③计算机处理指计算机对数据进行的各种加工，包括数据的编辑加工、数据检索和更新，以及图形的变换、简化和处理，如比例尺和投影的变换、数据压缩和内容分类、专门要素的符号化等。④图形输出指计算机驱动绘图机输出图形。根据数据的不同来源、不同图形特点和对绘图质量的不同要求，可以采用矢量绘图机、光栅绘图机、阴极射线管显示或计算机输出缩微胶片等。
2．计算机制图系统组成
计算机制图系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
1)硬件系统
典型的计算机制图硬件系统由以下几部分构成：①图形输入设备（键盘、鼠标、数字化仪、图形输入板和扫描仪等），数字化仪可将地图图形转换为数字形式，常用的有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。②电子计算机，用于处理地图信息和控制绘图装置，主要设备有主机（计算机）、显示器、外存储器（软盘、硬盘和光盘等）。③图形输出设备，自动绘图机可根据计算机输出数据进行绘图，可分为数控绘图机和扫描绘图机。
目前，微型计算机硬件系统中央处理器（central processing unit，CPU）的功能更加强大、内外存储器的容量更大，图形处理和显示设备的性能优越，茌速度、精度及内外存容量等方面已能充分满足计算机绘图的要求，为处理各种复杂图形提供了更好的硬件环境。计算机网络技术又实现了（图形）软件资源和硬件资源的共享。
2)软件系统
由于地图内容和制作过程复杂，计算机制图软件系统的类型和功能也多种多样。按数据类型可分为矢量制图软件和栅格制图软件；按设备类别可分为行式打印机制图软件、绘图机软件和屏幕显示软件；按制图目的可分为地形图制图软件、专题地图制图软件和晒图制图软件；按应用功能可分为基本软件、功能软件和应用软件等。根据目前开发的机助制图软件，制图程序分为：①数据采集、编辑和管理。②基本绘图操作。③绘制地图的点、线和面状符号。④插值和绘制等值线。⑤三维图形表示。⑥建立地图数学基础和地图投影转换。⑦图表和统计地图的显示。⑧屏幕显示系统。⑨距离和面积的量算。⑩其他分析和处理程序。
早期的计算机制图软件由各类研究单位和院校自己研制，国内教学机构、科研院所及工矿企业根据计算机硬件环境和业务需求，自主开发了各种计算机绘图软件，主要解决地图的数据获取、处理和图形自动绘制。随着国内外商业软件的发展与功能完备，自主开发和维护软件费用太高，因此广大制图工作者逐步用商业化的、通用的图形类软件制作地图。美国Autodesk公司的AutoCAD软件、加拿大Corel公司的CoreIDRAW、美国Adobe公司的Illustrator、Freehand，以及图像处理软件Photoshop等是当今世界上应用*广泛的计算机辅助设计软件，这些软件的图形表现完美，工具丰富，支持用户定义符号、图层操作、矢量栅格叠加，且系统稳定，可直接输出成印前系统接受的eps格式，输出挂网胶片，其应用遍及机械、建筑、地质、交通、气象等众多领域。国内常用的计算机制图软件有MapCAD、方正智绘等。
通用图形类软件在生产一些图集、插图等幅面较小、不需要同时获取空间数据的实际应用方面有一定优势，但是也存在一定的问题：①这些软件的重点在通用图形设计上，而不是专门针对地图制图，在使用之前必须做很多准备工作，如建立符号库、分层设定等，使用不是很方便；②这些软件都是封闭的系统，只能接受一些通用的图彤或图像格式数据，不能接受地图矢量数据（空间数据），生产作业只能在该软件中采集、编辑和输出；③数据按图形方式组织，地图符号没有相应的地理属性，因而这些数据文件不能作为空间数据使用；④采用平面坐标系。各类绘图软件没有地图投影功能，给多种地图数据格式转换、地图投影变换和坐标变换带来很多网难。
为了解决上述问题，部分商业软件提供二次开发环境，如Microstation、AutoCAD，制图工作者在此基础上开发了一些制图系统，使其满足地图制图的特殊要求。
3．地图数据特点
计算机制图带来了巨大的经济和社会效益。国家、军事部门和企业根据各自对地图数据的需要，投入了大量的人力、物力，进行各种比例尺的地图数字化，产生了大量的地图数据。与其他数据相比，地图数据有特殊的数学基础、非结构化数据结构和动态变化的时间特征，给数据获取、处理和存储带来很大难度，如何妥善保存和科学管理这些地图数据是人们长期以来十分关注的课题。随着计算机数据组织存储技术的发展，地图数据的维护、更新和管理经历了从低级向高级的发展过程。*初采用文件系统的形式，后来逐步发展为地图数据库系统( map database system,MDBS).
早期MDBS谩计与建设的主要目的是地图生产。大规模地图数据库建设主要资料来源是普通地形图。地图数据是某一特定比例尺的地图经数字化而产生的，以相应的图式、规范为标准，依然保留着地图的各项特征。地图数据强调可视化，忽略了实体的空间关系。因此，地图数据有以下几个特点。
(1)地图比例尺影响。地图数据是某一特定比例尺的地图经数字化而产生的。地理物体表示的详细程度，不可避免地受地图综合的影响。经过了人为制图综合，地理物体的几何精度（形状）和质量特征已经不是现实世界中的真实反映。为了满足地图应用的需要，应对不同比例尺地图建立不同地理数据库。
(2)按地图印刷色彩分层管理。为满足地图印刷的需求，依据地图制图覆盖理论，对地图数据按色彩分层管理，而不是按照地理物体的自然属性进行分类分级。这种分层不仅割裂了地理物体之间的有机联系，还导致了同一个地物在不同层内重复存储。例如，河流两岸的加固陡坎隐含着河流的水涯线，道路与绿化带平行接壤使道路边沿线隐含着绿化带的边沿，河流、道路和铁路等线状地物可能隐含着区划界限。
(3)地图图幅限制了数据范围。受印刷机械、纸张和制图设备的限制，传统的地图用图幅限制地图的大小，地图数据用图幅来组织和管理。地图图幅割裂了地理物体的完整性和连续性。例如，一条境界线因为地图的分幅而断作几条记录存储在不同的图幅内。
(4)强调数据可视化，忽略了实体的空间关系。地图数据主要为地图生产服务，强调数据的可视化特征。采取的方式主要为“图形表现属性”，地理物体的数量特征和质量特征用大量的辅助符号表示，包括线型、粗细、颜色、纹理、文字注记、大小等数十种。地图数据是以相应的图式、规范为标准的，依然保留着地图的各项特征。各种地理现象之间的空间位置关系，如道路两旁的植被或农田、与之相邻的居民地等，是通过读图者的形象思维从地图上获取的。地理物体如道路、居民地和河流在空间关系上是相互联系的有机整体，但在地图数据表示中是相互孤立的。因此，地图数据不强调实体的关系表示。
随着科学技术的发展和地图数据应用的深入，特别是计算机技术、数据库技术、网络通信技术的发展，地图数据的应用已不再局限于制作地图这一单一用途上，特别是计算机应用于地学研究，迫切需要以地图数据为基础，融合各种地学数据，包括资源、环境、经济相社会等领域的一切带有地理坐标的数据，通过属性数据描述地理实体的定性特征，用数字表示地理实体的数量特征、质量特征和时间特征。初期的地图数据仅仅把各种地理实体简单地抽象成点、线和面，这远远不能满足实际需要，必须进一步用计算机表示它们之间的关系（空间关系）。广大科学工作者开始思索如何利用它来反映自然和社会现象的分布、组合、联系及其时空发展和变化，研究在计算机存储介质上如何科学、真实地描述、表达和模拟现实世界中地理实体或现象、相互关系及分布特征。地图数据与位置相关的社会信息（属性数据）相结合，形成了各种地理数据。基于计算机技术解决与地理信息有关的数据获取、存储、传输、管理、分析及其在地学领域的应用导致了GIS的产生和发展。
1.1.2应用分析催生了地理信息系统
GIS概念的提出，要追溯到20世纪50年代。几乎与计算机制图同时，人们用计算机来收集、存储和处理各种与地理空间分布有关的属性数据，并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务。1956年，奥地利测绘部门首先利用计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统( land information system，LIS)周于地籍管理。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出GIS这一术语，并建立了世界上**个加拿大地理信息系统( Canada geographic information system．CGIS)，用于自然资源的管理与规划。1981年美国环境系统研究所公司( Environmental Systems Research Institute，ESRI)发布了Arclnfo商业软件。2001年ESRI推出ArcGIS 8.1．其提供了对地理数据的创建、管理、综合、分析能力。国际商用机器公司( International Business Machines Corporation，IBM)和Colorado公共服务公司开始致力于用计算机工具管理公用事业的设施，也就是电力线、煤气管道、阀门、仪表、土地等。2000年北京超图软件股份有限公司推出了SuperMap软件。这些GIS软件为用户提供地理数据的处理和分析能力。研究GIS主要是为了解决各种地理问题。地图数据与其他专题地理信息结合，由此产生了反映自然和社会现象的分布、组合、联系及其时空发展和变化的地理数据。计算机地理数据可科学、真实地描述、表达相模拟现实世界中地理实体或现象、相互关系以及分布特征。地理数据是一类具有多维特征，即时间维、空间维及众多的属性维的数据。其时间维描绘了空间对象随着时间的迁移行为和状态的变化；空间维决定了空间数据具有方向、距离、层次和地理位置等空间属性；属性维则表示空间数据所代表的空间对象的客观存在的性质和属性特征。
在地理信息表示方面，空间关系通过一定的数据结构来描述与表达具有一定位置、属性和形态的地理实体之间的相互关系。当人们用数字形式描述空间物体，并使系统具有特殊的空间查询、空间分析等功能时，就必须把空间关系映射成适合计算机处理的数据结构，这时必须考虑数据的表示方法。
在地理信息组织上，为了满足地理分析需求，不受传统图幅划分的限制组织数据，在人们认识世界和改造世界的一定区域（即现实世界地理空间）内，不管逻辑上还是物理上均组织为连续的整体。
从理论上讲，地物在地理空间只有**的地理数据表示，空间物体本身没有比例尺的含义，应尽可能详细、真实地描述物体形状、几何精度和属性。但人们对地理环境的认识往往需要一个从总体到局部、从局部到总体反复认识的过程。为了满足人们对地理空间这种认识需求，必须考虑空间物体的多尺度性，以满足不同的社会部门或学科领域的人群对空间信息
选择的需求。
综上所述，从数据内容、获取手段、表示方法和数据组织上看，这些数据均已超出地图数据的表达能力，为了与地图教据区分，人们称之为地理数据。管理地理数据的系统是地理数据库( geographic data base，GDB)系统。GDB在一定的地域内，将地理空间信息和一些与该地域地理信息相关的属性信息结合起来，实现对地理几何特征和属性信息的采集、更新和综合管理。在地理数据库系统基础上，加上地理数据分析应用功能，形成了GISystem。
1．地理信息系统定义
GISystem是以地理空间数据库为基础，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的计算机技术系统，有以下3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，具有空间性和动态性；②以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，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。
一般来说，GISystem可定义为：用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。从GISystem应周角度，可进一步定义为：GISystem由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计、规划和管理决策服务。国际学术界对它的定义多种多样，如俄罗斯学者Trofimov认为GISystem是：一种解决各种复杂的地理相关问题，具有内部联系的，一组方法上、数学上、软件硬件上和组织上的工具集合；英国著名GIS与自动制图学家H.D .Paraker认为GISystem
是：“一种存储、分析和显示空间信息和非空间信息的信息技术。有些学者，如Calkins和R．F．Tomlinson，甚至认为GIS并不一定基于计算机，在Star和Estes合著的《地理信息系统导论》一书中，还专门讨论了人工GIS。
国内对GISystem的定义不统一：黄杏元等编著的《地理信息系统概论》中把GISystem定义为：GISystem是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。或者简单地说，GISystem就是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。李德r在他的文章《当前国际地理信息系统的研究和应用现状》中认为，GISystem是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关数据的空间信息系统；邬伦等在《地理信息系统——原理、方法和应用》中定义GISystem是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学科交叉的产物，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统；边馥苓编著的《GIS地理信息系统原理和方法》中定义的GISystem是反映人们赖以生存的现实世界的现势与变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。
本书的解释是：GISystem是地理信息与信息系统的集成产物（图1.1），是进行地理空间数据的采集、储有、管理、运算、分析、显示和描述的计算机信息系统，与其他信息系统相比，具有以下特点。
(1) GISystem的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GISystem的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。
(2) GISystem的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的*根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GISystem区别于其他类型信息系统的根本标志，也是其技术难点所在。
(3)GISystem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，实现地理空间过程演化的模拟和预测。
(4) GISystem重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。
(5) GISystem中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性教据，以及以此为基础而挖掘出来的知识。
(6) GISystem是一种以地理（空间）坐标为骨干的信息系统。
2．地理信息系统组成
GISystem由硬件、软件、数据、方法和人员五部分组成。硬件和软件为GISystem建设提供环境；数据是GISystem的重要内容；方法为GISystem建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其他几个组成部分。其核心内容是计算机硬件和软件，地理空间数据反映了应用GISystem的信息内容，用户决定了系统的工作方式。
(1)硬件系统。计算机硬件系统是计算机系统中实际物理设备的总称，主要包括计算机主机、输入设备、存储设备和输出设备。
(2)软件系统。计算机软件系统是GIS运行时所必需的各种程序。包括：①计算机系统软件。这些软件通常由计算机生产厂家提供。②GIS软件及其支撑软件。包括GIS工具或GIS实用软件程序，以完成空间数据的输入、存储、转换、输出及其用户接口功能等。③应用程序。这
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ISBN：9787030588708
作者：无
版次：1
出版时间：2018-09
内容提要：
地理信息科学是集地理、信息、测绘和遥感等科学于一体的交叉学科，在应用过程中形成了理论、技术、系统、工程、应用和服务等方面的知识体系。全书首先介绍了地理信息科学的形成、体系、发展趋势及与其他学科的关系；其次研讨了地理认知与传播、地理信息表达和地理信息基本特征等理论问题；然后详细论述了地理信息获取处理、地理空间数据管理、地理信息可视化和地理空间分析的技术体系；*后介绍了地理信息系统、地理信息工程、地理信息系统应用和地理信息服务等。
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前言
第1章 绪论 1
1.1地理信息科学的形成 1
1.2地理信息科学的体系 15
1.3地理信息科学发展趋势 31
1.4与其他科学的关系 32
1.5本书内容和基础知识 35
第2章 地理认知与传播 37
2.1认知与地理认知 37
2.2信息与地理信息 43
2.3地理信息传输 56
第3章 地理信息表达 65
3.1地理实体概念 65
3.2地理实体地图表达 70
3.3地理实体数据表达 74
第4章 地理信息基本特征 101
4.1地理信息时空特征 101
4.2地理信息尺度特征 114
4.3地理信息不确定性 123
第5章 地理信息获取处理 139
5.1地理信息感知技术 139
5.2地理数据获取技术 145
5.3地理数据处理技术 159
第6章 地理空间数据管理 169
6.1地理空间数据模型 169
6.2地理空间数据存储技术 189
6.3地理空间数据索引 195
6.4空间数据引擎披术 201
6.5地理空间数据库系统 203
第7章 地理信息可视化 206
7.1地理信息可视化概述 206
7.2普通地图数据可视化 210
7.3专题地理数据可视化 223
7.4地理三维数据可视化 229
7.5地理时空数据可视化 234
第8章 地理空间分析 240
8.1地理空间图形分析 240
8.2地理统计分析 251
8.3地理过程建模分析 260
8.4地理空间决策支持 266
第9章 地理信息系统 276
9.1地理信息系统概述 276
9.2基础地理信息系统 280
9.3网络地理信息系统 284
9.4移动地理信息系统 299
第10章 地理信息工程 307
10.1地理信息工程概述 307
10.2地理信息工程过程 317
10.3地理信息标准 325
10.4地理信息工程质量 328
第11章 地理信息系统应用 337
11.1应用系统概述 337
11.2应用分析模型 341
11.3应用系统案例 360
第12章 地理信息服务 371
12.1地理信息服务概述 371
12.2政务地理信息服务 383
12.3地理信息位置服努 392
12.4地理信息导航服务 395
12.5汽车自动驾驶系统 404
主要参考文献 414
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第1章 绪论
地理( geography)是关于人地关系的学问，是研究地球表层自然和人文现象的时空变化规律的科学。在当今信息时代，为了更好地解决地理问题，地理学“如饥似渴”地吸收信息科学( information science)的精华，用数据表示地理现象，用计算机模拟和推演地理规律，辅佐人们分析地理问题和进行科学决策。在地理科学与信息科学交叉融合过程中产生了一门从信息流的角度研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其时空变化规律的科学——地理信息科学( geographic information science．GIScience)。它是以地理学理论为基础，以测绘技术为数据获取工具，以计算机数据库存储管理为核心，以图形可视化为信息传播手段，以数学建模分析计算应用为目的，以地理现象的位置和形态特征为操作对象，通过地理现象的感知测量、获取处理、存储管理、量算、可视化分析、捕值统计、建模推理、模拟和预测等方法求解地理问题，在实践应用过程中形成了独有的理论、方法和技术体系。
1.1地理信息科学的形成
地理信息科学是以应用为目的，以技术为引导，在为社会各行各业服务中逐步从地理科学、测绘科学、遥感科学和信息科学申交叉形成的一门边缘学科。它的形成与发展经历了计算机辅助地图制图和地理信息系统（geographic information system，GIS或GISystem）两种不同的发展思路。GIS与多种信息技术集成构建了地理信息服务(geographic informationservlce．GIService)。随着地理信息应用与服务的广度和深度逐渐加深，人们开始探索地理信息理论问题，从GISystem到GIService再到GIScience。
1.1.1地图制图催生了数字地图制图
20世纪50年代，计算机控制的行式打印机开始能够输出图形。人们把行式打印机输出图形引入地图制图，产生了计算机辅助地图制图技术，其主要特征为将连续的以模拟方式存在于纸质地图的物体离散化，以便计算机能够识别、存储和处理。1964年，英国牛津自动制图系统问世。1967年，美国H.T.费希尔领导的实验室研制出组合统计制图软件包。1970年，美国人口统计局设计出具有拓扑编辑功能的双重独立地图编码( dual independent mapencoding，DIME)技术，奠定了机助制图数据结构的拓扑学基础。在我国，1972年中国科学皖地理研究所开始研制制图自动化系统，刘岳在制图自动化的进展和实研究中实现了多种曲线光滑、绘制等值线图、统计图和趋势面分析等程序；1977年6月南京大学地理系开设了计算机制图课程；1978年解放军测绘学院刘光运等实现了地形图图廓整饰自动化；1981年吴忠性和杨启和完成了“在电子计算机辅助制图情况下地图投影变换的研究”等。20世纪80年代专题地图的计算机制图得到了广泛的应用。从1995年开始，计算机制图逐渐进入实用化和规模化阶段。中国地质大学研制冉地图编辑出版系统MapCAD，实现了地图制图与地图制印一体化（编印一体化）的突破，通过数字制图技术与桌面出版系统的有机结合，形成了桌面地图出版系统，通过激光照排系统输出把地图编绘的成果输出成高精度的分色胶片，直接制版印刷，从而使地图生产实现批量化和实用化，走上了全数字化生产的发展道路。
计算机制图的诞生不但改变着传统的地图制作技术，引起地图生产方式和地图面貌的变化，也改变了地图使用的实质，也促使地图制图理论与方法的研究不断深入。
1．计算机制图过程
计算机制图指运用电子计算机的处理分析功能制作地图。根据地图制图原理，利用电子计算机和图形输入、输出等设备，通过应用数据库技术和图形的数字处理方法，实现地图信息的离散化、编辑、传输、处理，*后以自动或人机结合的方式输出地图，称为计算机辅助地图制图，简称机助制图，也称数字制图或自动化制图。计算机制图可分为编辑准备阶段、数字化阶段、计算机处理阶段、图形输出四个阶段。①编辑准备阶段。收集地图资料和地图数据，并加以分析评价，确定地图投影和比例尺，选择地图内容和表示方法，确定使用的软件和数字化方法，*后成果是数字化规范。②数字化阶段。地图和影像通过数字化变为机器可读的数字。数字化方法有很多种。早期是采用脱机肛茨机方式的手扶跟踪数字化方法。这种方法的速度较慢，但实用、可靠、数据处理简单。现在*普遍方式是扫描数字化方法，将像片或地图通过扫描数字化仪离散为一系列由不同灰庋值构成的二维矩阵像元组，速度快，但所含数据量相当大。③计算机处理指计算机对数据进行的各种加工，包括数据的编辑加工、数据检索和更新，以及图形的变换、简化和处理，如比例尺和投影的变换、数据压缩和内容分类、专门要素的符号化等。④图形输出指计算机驱动绘图机输出图形。根据数据的不同来源、不同图形特点和对绘图质量的不同要求，可以采用矢量绘图机、光栅绘图机、阴极射线管显示或计算机输出缩微胶片等。
2．计算机制图系统组成
计算机制图系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
1)硬件系统
典型的计算机制图硬件系统由以下几部分构成：①图形输入设备（键盘、鼠标、数字化仪、图形输入板和扫描仪等），数字化仪可将地图图形转换为数字形式，常用的有手扶跟踪数字化仪和扫描数字化仪。②电子计算机，用于处理地图信息和控制绘图装置，主要设备有主机（计算机）、显示器、外存储器（软盘、硬盘和光盘等）。③图形输出设备，自动绘图机可根据计算机输出数据进行绘图，可分为数控绘图机和扫描绘图机。
目前，微型计算机硬件系统中央处理器（central processing unit，CPU）的功能更加强大、内外存储器的容量更大，图形处理和显示设备的性能优越，茌速度、精度及内外存容量等方面已能充分满足计算机绘图的要求，为处理各种复杂图形提供了更好的硬件环境。计算机网络技术又实现了（图形）软件资源和硬件资源的共享。
2)软件系统
由于地图内容和制作过程复杂，计算机制图软件系统的类型和功能也多种多样。按数据类型可分为矢量制图软件和栅格制图软件；按设备类别可分为行式打印机制图软件、绘图机软件和屏幕显示软件；按制图目的可分为地形图制图软件、专题地图制图软件和晒图制图软件；按应用功能可分为基本软件、功能软件和应用软件等。根据目前开发的机助制图软件，制图程序分为：①数据采集、编辑和管理。②基本绘图操作。③绘制地图的点、线和面状符号。④插值和绘制等值线。⑤三维图形表示。⑥建立地图数学基础和地图投影转换。⑦图表和统计地图的显示。⑧屏幕显示系统。⑨距离和面积的量算。⑩其他分析和处理程序。
早期的计算机制图软件由各类研究单位和院校自己研制，国内教学机构、科研院所及工矿企业根据计算机硬件环境和业务需求，自主开发了各种计算机绘图软件，主要解决地图的数据获取、处理和图形自动绘制。随着国内外商业软件的发展与功能完备，自主开发和维护软件费用太高，因此广大制图工作者逐步用商业化的、通用的图形类软件制作地图。美国Autodesk公司的AutoCAD软件、加拿大Corel公司的CoreIDRAW、美国Adobe公司的Illustrator、Freehand，以及图像处理软件Photoshop等是当今世界上应用*广泛的计算机辅助设计软件，这些软件的图形表现完美，工具丰富，支持用户定义符号、图层操作、矢量栅格叠加，且系统稳定，可直接输出成印前系统接受的eps格式，输出挂网胶片，其应用遍及机械、建筑、地质、交通、气象等众多领域。国内常用的计算机制图软件有MapCAD、方正智绘等。
通用图形类软件在生产一些图集、插图等幅面较小、不需要同时获取空间数据的实际应用方面有一定优势，但是也存在一定的问题：①这些软件的重点在通用图形设计上，而不是专门针对地图制图，在使用之前必须做很多准备工作，如建立符号库、分层设定等，使用不是很方便；②这些软件都是封闭的系统，只能接受一些通用的图彤或图像格式数据，不能接受地图矢量数据（空间数据），生产作业只能在该软件中采集、编辑和输出；③数据按图形方式组织，地图符号没有相应的地理属性，因而这些数据文件不能作为空间数据使用；④采用平面坐标系。各类绘图软件没有地图投影功能，给多种地图数据格式转换、地图投影变换和坐标变换带来很多网难。
为了解决上述问题，部分商业软件提供二次开发环境，如Microstation、AutoCAD，制图工作者在此基础上开发了一些制图系统，使其满足地图制图的特殊要求。
3．地图数据特点
计算机制图带来了巨大的经济和社会效益。国家、军事部门和企业根据各自对地图数据的需要，投入了大量的人力、物力，进行各种比例尺的地图数字化，产生了大量的地图数据。与其他数据相比，地图数据有特殊的数学基础、非结构化数据结构和动态变化的时间特征，给数据获取、处理和存储带来很大难度，如何妥善保存和科学管理这些地图数据是人们长期以来十分关注的课题。随着计算机数据组织存储技术的发展，地图数据的维护、更新和管理经历了从低级向高级的发展过程。*初采用文件系统的形式，后来逐步发展为地图数据库系统( map database system,MDBS).
早期MDBS谩计与建设的主要目的是地图生产。大规模地图数据库建设主要资料来源是普通地形图。地图数据是某一特定比例尺的地图经数字化而产生的，以相应的图式、规范为标准，依然保留着地图的各项特征。地图数据强调可视化，忽略了实体的空间关系。因此，地图数据有以下几个特点。
(1)地图比例尺影响。地图数据是某一特定比例尺的地图经数字化而产生的。地理物体表示的详细程度，不可避免地受地图综合的影响。经过了人为制图综合，地理物体的几何精度（形状）和质量特征已经不是现实世界中的真实反映。为了满足地图应用的需要，应对不同比例尺地图建立不同地理数据库。
(2)按地图印刷色彩分层管理。为满足地图印刷的需求，依据地图制图覆盖理论，对地图数据按色彩分层管理，而不是按照地理物体的自然属性进行分类分级。这种分层不仅割裂了地理物体之间的有机联系，还导致了同一个地物在不同层内重复存储。例如，河流两岸的加固陡坎隐含着河流的水涯线，道路与绿化带平行接壤使道路边沿线隐含着绿化带的边沿，河流、道路和铁路等线状地物可能隐含着区划界限。
(3)地图图幅限制了数据范围。受印刷机械、纸张和制图设备的限制，传统的地图用图幅限制地图的大小，地图数据用图幅来组织和管理。地图图幅割裂了地理物体的完整性和连续性。例如，一条境界线因为地图的分幅而断作几条记录存储在不同的图幅内。
(4)强调数据可视化，忽略了实体的空间关系。地图数据主要为地图生产服务，强调数据的可视化特征。采取的方式主要为“图形表现属性”，地理物体的数量特征和质量特征用大量的辅助符号表示，包括线型、粗细、颜色、纹理、文字注记、大小等数十种。地图数据是以相应的图式、规范为标准的，依然保留着地图的各项特征。各种地理现象之间的空间位置关系，如道路两旁的植被或农田、与之相邻的居民地等，是通过读图者的形象思维从地图上获取的。地理物体如道路、居民地和河流在空间关系上是相互联系的有机整体，但在地图数据表示中是相互孤立的。因此，地图数据不强调实体的关系表示。
随着科学技术的发展和地图数据应用的深入，特别是计算机技术、数据库技术、网络通信技术的发展，地图数据的应用已不再局限于制作地图这一单一用途上，特别是计算机应用于地学研究，迫切需要以地图数据为基础，融合各种地学数据，包括资源、环境、经济相社会等领域的一切带有地理坐标的数据，通过属性数据描述地理实体的定性特征，用数字表示地理实体的数量特征、质量特征和时间特征。初期的地图数据仅仅把各种地理实体简单地抽象成点、线和面，这远远不能满足实际需要，必须进一步用计算机表示它们之间的关系（空间关系）。广大科学工作者开始思索如何利用它来反映自然和社会现象的分布、组合、联系及其时空发展和变化，研究在计算机存储介质上如何科学、真实地描述、表达和模拟现实世界中地理实体或现象、相互关系及分布特征。地图数据与位置相关的社会信息（属性数据）相结合，形成了各种地理数据。基于计算机技术解决与地理信息有关的数据获取、存储、传输、管理、分析及其在地学领域的应用导致了GIS的产生和发展。
1.1.2应用分析催生了地理信息系统
GIS概念的提出，要追溯到20世纪50年代。几乎与计算机制图同时，人们用计算机来收集、存储和处理各种与地理空间分布有关的属性数据，并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务。1956年，奥地利测绘部门首先利用计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统( land information system，LIS)周于地籍管理。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出GIS这一术语，并建立了世界上**个加拿大地理信息系统( Canada geographic information system．CGIS)，用于自然资源的管理与规划。1981年美国环境系统研究所公司( Environmental Systems Research Institute，ESRI)发布了Arclnfo商业软件。2001年ESRI推出ArcGIS 8.1．其提供了对地理数据的创建、管理、综合、分析能力。国际商用机器公司( International Business Machines Corporation，IBM)和Colorado公共服务公司开始致力于用计算机工具管理公用事业的设施，也就是电力线、煤气管道、阀门、仪表、土地等。2000年北京超图软件股份有限公司推出了SuperMap软件。这些GIS软件为用户提供地理数据的处理和分析能力。研究GIS主要是为了解决各种地理问题。地图数据与其他专题地理信息结合，由此产生了反映自然和社会现象的分布、组合、联系及其时空发展和变化的地理数据。计算机地理数据可科学、真实地描述、表达相模拟现实世界中地理实体或现象、相互关系以及分布特征。地理数据是一类具有多维特征，即时间维、空间维及众多的属性维的数据。其时间维描绘了空间对象随着时间的迁移行为和状态的变化；空间维决定了空间数据具有方向、距离、层次和地理位置等空间属性；属性维则表示空间数据所代表的空间对象的客观存在的性质和属性特征。
在地理信息表示方面，空间关系通过一定的数据结构来描述与表达具有一定位置、属性和形态的地理实体之间的相互关系。当人们用数字形式描述空间物体，并使系统具有特殊的空间查询、空间分析等功能时，就必须把空间关系映射成适合计算机处理的数据结构，这时必须考虑数据的表示方法。
在地理信息组织上，为了满足地理分析需求，不受传统图幅划分的限制组织数据，在人们认识世界和改造世界的一定区域（即现实世界地理空间）内，不管逻辑上还是物理上均组织为连续的整体。
从理论上讲，地物在地理空间只有**的地理数据表示，空间物体本身没有比例尺的含义，应尽可能详细、真实地描述物体形状、几何精度和属性。但人们对地理环境的认识往往需要一个从总体到局部、从局部到总体反复认识的过程。为了满足人们对地理空间这种认识需求，必须考虑空间物体的多尺度性，以满足不同的社会部门或学科领域的人群对空间信息
选择的需求。
综上所述，从数据内容、获取手段、表示方法和数据组织上看，这些数据均已超出地图数据的表达能力，为了与地图教据区分，人们称之为地理数据。管理地理数据的系统是地理数据库( geographic data base，GDB)系统。GDB在一定的地域内，将地理空间信息和一些与该地域地理信息相关的属性信息结合起来，实现对地理几何特征和属性信息的采集、更新和综合管理。在地理数据库系统基础上，加上地理数据分析应用功能，形成了GISystem。
1．地理信息系统定义
GISystem是以地理空间数据库为基础，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的计算机技术系统，有以下3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，具有空间性和动态性；②以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，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。
一般来说，GISystem可定义为：用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。从GISystem应周角度，可进一步定义为：GISystem由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计、规划和管理决策服务。国际学术界对它的定义多种多样，如俄罗斯学者Trofimov认为GISystem是：一种解决各种复杂的地理相关问题，具有内部联系的，一组方法上、数学上、软件硬件上和组织上的工具集合；英国著名GIS与自动制图学家H.D .Paraker认为GISystem
是：“一种存储、分析和显示空间信息和非空间信息的信息技术。有些学者，如Calkins和R．F．Tomlinson，甚至认为GIS并不一定基于计算机，在Star和Estes合著的《地理信息系统导论》一书中，还专门讨论了人工GIS。
国内对GISystem的定义不统一：黄杏元等编著的《地理信息系统概论》中把GISystem定义为：GISystem是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统。或者简单地说，GISystem就是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。李德r在他的文章《当前国际地理信息系统的研究和应用现状》中认为，GISystem是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关数据的空间信息系统；邬伦等在《地理信息系统——原理、方法和应用》中定义GISystem是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学科交叉的产物，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统；边馥苓编著的《GIS地理信息系统原理和方法》中定义的GISystem是反映人们赖以生存的现实世界的现势与变迁的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，在计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统。
本书的解释是：GISystem是地理信息与信息系统的集成产物（图1.1），是进行地理空间数据的采集、储有、管理、运算、分析、显示和描述的计算机信息系统，与其他信息系统相比，具有以下特点。
(1) GISystem的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GISystem的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。
(2) GISystem的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的*根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GISystem区别于其他类型信息系统的根本标志，也是其技术难点所在。
(3)GISystem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，实现地理空间过程演化的模拟和预测。
(4) GISystem重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。
(5) GISystem中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性教据，以及以此为基础而挖掘出来的知识。
(6) GISystem是一种以地理（空间）坐标为骨干的信息系统。
2．地理信息系统组成
GISystem由硬件、软件、数据、方法和人员五部分组成。硬件和软件为GISystem建设提供环境；数据是GISystem的重要内容；方法为GISystem建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其他几个组成部分。其核心内容是计算机硬件和软件，地理空间数据反映了应用GISystem的信息内容，用户决定了系统的工作方式。
(1)硬件系统。计算机硬件系统是计算机系统中实际物理设备的总称，主要包括计算机主机、输入设备、存储设备和输出设备。
(2)软件系统。计算机软件系统是GIS运行时所必需的各种程序。包括：①计算机系统软件。这些软件通常由计算机生产厂家提供。②GIS软件及其支撑软件。包括GIS工具或GIS实用软件程序，以完成空间数据的输入、存储、转换、输出及其用户接口功能等。③应用程序。这