1.1. 地理信息系统的基本概念

当今信息技术突飞猛进,信息产业获得空前发展,信息资源得到爆炸式扩张。 多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题时所必需的重要信息资源,是信息高速公路上的重要列车。 信息时代人类对信息资源采集、管理、分析提出了很高的要求。 系统论、信息论、控制论的形成,计算机技术、通信技术、 人造卫星遥感等空间技术、自动化技术的应用,为信息资源的科学管理展示出更加广阔的前景。 地理信息系统是在上述学科不断发展的历史背景下产生的, 它是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、 城市科学、空间科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。 地理信息系统的迅速发展不仅为地理信息现代化管理提供契机, 而且有利于其它高新技术产业的发展,可为人类提供规划、管理、决策的有用信息。

1.1.1. 信息与数据

信息是现实世界在人们头脑中的反映。人们用数字、文字、符号、语言、图形、影像、声音等把它记录下来,进行交流、传递或处理。信息向人们提供关于现实世界各种事实的知识,例如,一个人的存在,可以从姓名、性别、年龄、籍贯、政治面貌、社会关系、职称、工资等方面信息来描述,当一个人的情况发生变化时,如年龄变化、工资改变、政治进步等,均应及时地对反映他的信息进行更新。因此也可以说,信息是客观事物的存在及演变情况的反映。

信息具有四方面特点:

  1. 客观性。信息是客观存在的,任何信息都是与客观事物紧密联系的,但同一信息对不同的部门来说会有完全不同的重要性。
  2. 适用性。信息对决策是十分重要的,它可作为生产、管理、经营、分析和决策的依据,因而它具有广泛适用性。
  3. 传输性。信息可以在信息发送者和接受者之间传输,既包括系统把有用信息送至终端设备(包括远程终端)和以一定形式提供给有关用户,也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。信息在传输、使用、交换时其原始意义不被改变。
  4. 共享性。现代信息社会中,信息共享是一最基本的特点,共享使信息被多用户使用。随着科学的进步和社会的发展,信息已经与能源、材料一样重要。各个领域对于信息应用的要求越来越高,信息就是金钱,信息就是成功和胜利的保征,谁掌握了信息的脉搏,谁就是未来竞争的胜利者。

由于需要对信息进行加工、处理、管理、使用,就要把信息记录下来,记录信息的手段有数字、文字、符号、声音、图像等。对于计算机而言,数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象(数字、文字、符号、声音、图像等),在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号,没有任何实际意义,只是一种数学符号的集合,只有在其上加上某种特定的含义,它才代表某一实体或现象,这时数据才变成信息。地理信息系统的建立,首先是收集数据,然后对数据进行处理。成功的GIS系统必须保证数据的正确表达及数据无误差传播。在不同阶段,数据在GIS处理框架中的赋存形态是不同的,同一实体在不同的GIS数据结构中,其描述数据表现为不同形式,甚至其数据在量上的值也是不同的。同一数据不同的人解释,其结果可能不同,必须保障正确地表达数据的语义信息,并使其在应用中能被正确地理解,保证用户间数据流畅通。

信息与数据是不可分离的,有着十分密切的联系,即信息是数据的内涵,是数据的内容和解释,而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载体,只有理解了数据的含义,对数据作解释,才能得到数据中所包含的信息。地理信息系统的建立过程就是信息(或数据)按一定方式流动的过程。在通常情况下,对信息和数据可不作严格区分,在不引起误解的情况下可以通用,如“数据处理”与“信息处理”在一般情况下有相同的含义。

1.1.2. 空间数据与地图

研究自然总是从搜集个别的自然现象、物体的空间特征开始的。空间特征又称空间信息,空间信息可以从三方面来描述:位置信息、非位置信息(属性信息)和时间信息。位置信息与非位置信息彼此独立地随时间发生变化。空间数据是以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。位置信息用定位数据(亦称几何数据)来记录,它反映自然现象的地理分布,具有定位的性质;非位置信息用属性数据来记录,它描述自然现象、物体的质量和数量特征。例如,地面上的山峰,可以从其所在的经度和纬度得知其具体的位置,而相应地理位置上的峰顶高程数据就是属性数据;一个井泉,可以从地形图上确定它的地理坐标(几何数据),而井泉的地面高度、性质、涌水量等参数则是该井泉的一系列属性信息;地质学家研究断裂构造,一方面要搜集断层通过的确切地点(几何数据),另一方面要记录该断层在不同地点的产状、性质和它的断距(属性数据)。时间是空间物体存在的形式之一,空间和时间相互联系而不能分割,时间信息反映空间物体的时序变化及发展过程与规律,无论是几何数据还是属性数据,都是在某一时刻采集的空间信息,时间信息也可隐含在属性数据中。

空间数据的表示方法很多,空间信息的载体可以是数字形式记录在磁盘上,也可以是记录在纸上的地图,最常用的也是人们最习惯的方法是以地图形式来表示空间数据。地图是表达客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型,是反映地理实体的图形,是对地理实体的简化和再现。它不仅能反映客观事物的瞬时存在,而且能反映自然界的动态变化;不仅能反映某事物独立存在的属性,而且能反映诸事物的空间分布、组合和相互联系及其在时间中的变化。地图由点、线、面组成,它们被称为地图元素。例如,地图上的点可以是矿点、采样点、高程点、地物点和城镇等;线可以是地质界线、铁路、公路、河流等;面可以是土壤类型、水体、岩石类型等。地图元素由空间参考坐标系中的位置和非空间属性加以定义,地图通常是地理数据的二维表示,但也不排除多维表示,只是三维以上的表示难以在平面上描绘出来罢了。地图的图例起着说明作用,是空间实体与非空间属性联系的关键。非空间属性可以用颜色、符号、数字、文字表示,使其明显易读,图例则对它们进行注释。

1.1.3. 地理信息与地学信息

地理信息是表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。从地理数据到地理信息的发展,是人类认识地理事物的一次飞跃。地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等是最大的地理信息源。地理科学的一个重要任务就是迅速地采集到地理空间的几何信息、物理信息和人为信息,并实时地识别、转换、存储、传输、再生成、显示、控制和应用这些信息。

地理信息属于空间信息,其位置的识别是与数据联系在一起的,这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息的这种定位特征,是通过经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置的识别;地理信息还具有多维结构的特征,即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构,而各个专题型、实体型之间的联系是通过属性码进行的,这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能,也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供了方便。

地学信息所表示的信息范围更广,它不仅来自地表,还包括地下、大气层,甚至宇宙空间。凡是与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。地学信息具有无限性、多样性、灵活性、共享性等特点。同地球上的自然资源、能源本身不同,地学信息不但没有限度,而且会爆炸式地增长。随着人类社会的发展,地学信息是人们深入认识地球系统、适度开发资源、净化能源、保护环境的前提和保证。人类将从地学信息中赢得预测、预报的时间,获得调控人流、物质和能量的科学依据及有效途径。

1.1.4. 信息系统和地理信息系统

能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现,并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。信息系统的四大功能为数据采集、管理、分析和表达。信息系统是基于数据库的问答系统。在辅助决策过程中,信息系统可提供有用的信息。从计算机科学角度看信息系统是由硬件、软件、数据和用户四个主要部分组成的。在计算机时代,大部分重要的信息系统都是部分或全部由计算机系统支持的,如目前流行的图书情报信息系统、经营信息系统、企业管理信息系统、金融管理信息系统、人事档案信息系统、空间信息系统和其它一些信息系统等。其中空间信息系统是一种十分重要而又与其它类型信息系统有显著区别的信息系统,因为它所要采集、管理、处理和更新的是空间信息。因此,这类信息系统在结构上也比其它一般信息系统复杂得多,功能上也较其它信息系统强得多。

地理信息系统,简称GIS(Geographic Information System)。关于GIS国内外有许多定义,不同的应用领域,不同的专业,对它的理解是不一样的,目前还没有一个完全统一的被普遍接受的定义。有人认为GIS是管理和分析空间数据的计算机系统,在计算机软硬件支持下对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理,完成数据输入、存储、处理、管理、分析、输出等功能,对数据实行有效管理,研究各种空间实体及其相互关系,通过对多因素信息的综合分析可以快速地获取满足应用需要的信息,并能以图形、数据、文字等形式表示处理结果。有人认为GIS是一种特定而又十分重要的空间信息系统,它以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球(包括大气层在内)空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。有人认为GIS就是数字制图技术和数据库技术的结合。有人则按研究专业领域不同给予不同的名称,如地籍信息系统、土地信息系统、环保信息系统、管网信息系统和资源信息系统等。1987年DOE(英国教育部)下的定义:“GIS是一种获取、存贮、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。1988年美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)下的定义:“为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统”。应该说,上述定义均比较科学地阐明了GIS的对象、功能和特点。实际上,地理信息系统(GIS)是在计算机软硬件支持下,以采集、存贮、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据,并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。