第1 章　導(dǎo)　　論
隨著信息社會的到來， 人類社會進(jìn)入了信息大爆炸的時代。面對海量信息， 人們對信息的要求發(fā)生了巨大變化， 對信息的廣泛性、精確性、快速性及綜合性要求越來越高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)及其快速發(fā)展， 對空間位置信息和其他屬性類信息進(jìn)行統(tǒng)一管理的地理信息系統(tǒng)也隨之快速發(fā)展起來， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行空間信息挖掘和知識發(fā)現(xiàn)是當(dāng)前亟待解決的問題， 也是GIS 研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。地理信息系統(tǒng)空間分析也越來越凸顯其重要作用。
1.1 　地理信息系統(tǒng)
1.1.1 　基本概念
地理信息系統(tǒng)（geographical information system ， GIS） 是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)處理和管理的對象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系， 包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等， 主要用于分析和處理一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程， 解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題。
1.1.2 　GIS 系統(tǒng)構(gòu)成
一個完整的地理信息系統(tǒng)主要由四個部分構(gòu)成， 即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、地理空間數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理操作人員。其中計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)是GIS 使用工具， 空間數(shù)據(jù)庫反映了GIS 的地理內(nèi)容， 而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表達(dá)方式。
1.硬件系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的實(shí)際物理配置的總稱， 可以是電子的、電的、磁的、機(jī)械的、光的元件或裝置， 是GIS 的物理外殼。系統(tǒng)的規(guī)模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至軟件都與硬件有極大的關(guān)系， 受硬件指標(biāo)的支持或制約。GIS 由于其任務(wù)的復(fù)雜性和特殊性， 必須由計(jì)算機(jī)設(shè)備支持。構(gòu)成計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基本組件包括輸入/輸出設(shè)備、中央處理單元、存儲器等。這些硬件組件協(xié)同工作， 向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供必要的信息， 使其完成任務(wù)， 也可以保存數(shù)據(jù)以備現(xiàn)在或?qū)�來使用�?或?qū)⑻幚淼玫降慕Y(jié)果或信息提供給用戶。
2.軟件系統(tǒng)
GIS 運(yùn)行所需的軟件系統(tǒng)有三個。
1） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件
由計(jì)算機(jī)廠家提供的、為用戶使用計(jì)算機(jī)提供方便的程序系統(tǒng)， 通常包括操作系統(tǒng)、匯編程序、編譯程序、診斷程序、庫程序， 以及各種維護(hù)使用手冊、程序說明等，是GIS 日常工作所必需的軟件。
2） 地理信息系統(tǒng)軟件和其他支持軟件
包括通用的GIS 軟件包， 也可以包括數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖形軟件包、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)、CAD 等， 用于支持對空間數(shù)據(jù)的輸入、存儲、轉(zhuǎn)換、輸出和與用戶接口等操作。
3） 應(yīng)用分析程序
系統(tǒng)開發(fā)人員或用戶根據(jù)地理專題或區(qū)域分析模型編制的用于某種特定任務(wù)的程序， 是系統(tǒng)功能的擴(kuò)展與延伸。在GIS 工具支持下， 應(yīng)用程序的開發(fā)應(yīng)是透明的和動態(tài)的， 與系統(tǒng)的物理存儲結(jié)構(gòu)無關(guān)， 并能隨著系統(tǒng)應(yīng)用水平的提高不斷優(yōu)化和擴(kuò)充。應(yīng)用程序作用于地理專題或區(qū)域數(shù)據(jù)， 構(gòu)成GIS 的具體內(nèi)容， 這是用戶最為關(guān)心的真正用于地理分析的部分， 也是從空間數(shù)據(jù)中提取地理信息的關(guān)鍵。用戶進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的大部分工作是開發(fā)應(yīng)用程序， 而應(yīng)用程序的水平在很大程度上決定系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)劣和成敗。
3.系統(tǒng)開發(fā)、管理與使用人員
人是構(gòu)成GIS 的重要因素。地理信息系統(tǒng)從其設(shè)計(jì)、建立、運(yùn)行到維護(hù)的整個生命周期， 處處都離不開人的作用。僅有系統(tǒng)軟硬件和數(shù)據(jù)還不能構(gòu)成完整的地理信息系統(tǒng)， 還需要人進(jìn)行系統(tǒng)組織、管理、維護(hù)和數(shù)據(jù)更新， 以及系統(tǒng)擴(kuò)充完善、應(yīng)用程序開發(fā)， 并靈活采用地理分析模型提取多種信息， 為研究和決策服務(wù)。地理信息系統(tǒng)專業(yè)人員是地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵， 而強(qiáng)有力的組織是系統(tǒng)運(yùn)行的保障。
4.地理空間數(shù)據(jù)
地理空間數(shù)據(jù)是以地球表面空間位置為參照的自然、社會和人文經(jīng)濟(jì)景觀數(shù)據(jù)， 可以是圖形、圖像、文字、表格和數(shù)字等。它是由系統(tǒng)的建立者通過數(shù)字化儀、掃描儀、鍵盤、磁帶機(jī)或其他系統(tǒng)通信設(shè)備輸入GIS ， 是系統(tǒng)程序作用的對象， 是GIS 所表達(dá)的現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)過模型抽象的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容。不同用途的GIS ， 其地理空間數(shù)據(jù)的種類、精度均不相同， 包括以下三種信息。
1） 已知坐標(biāo)系中的位置
已知坐標(biāo)系中的位置即幾何坐標(biāo)， 標(biāo)識地理景觀在自然界或包含某個區(qū)域的地圖中的空間位置， 如經(jīng)緯度、平面直角坐標(biāo)、極坐標(biāo)等。采用數(shù)字化儀輸入時通常采用數(shù)字化儀直角坐標(biāo)或屏幕直角坐標(biāo)。
2） 實(shí)體間的空間關(guān)系
實(shí)體間的空間關(guān)系通常包括： 度量關(guān)系， 如兩個地物之間的距離遠(yuǎn)近； 延伸關(guān)系（或方位關(guān)系） ， 定義了兩個地物之間的方位； 拓?fù)潢P(guān)系， 定義了地物之間連通、鄰接等關(guān)系， 是GIS 分析中最基本的關(guān)系， 其中包括了網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)線之間的樞紐關(guān)系、邊界線與面實(shí)體間的構(gòu)成關(guān)系、面實(shí)體與島或內(nèi)部點(diǎn)的包含關(guān)系等。
3） 與幾何位置無關(guān)的屬性
與幾何位置無關(guān)的屬性即通常所說的非幾何屬性或簡稱屬性， 是與地理實(shí)體相聯(lián)系的地理變量或地理意義。屬性分為定性和定量兩種。定性包括名稱、類型、特性等； 定量包括數(shù)量和等級。定性描述的屬性如土壤種類、行政區(qū)劃等； 定量描述的屬性如面積、長度、土地等級、人口數(shù)量等。非幾何屬性一般是經(jīng)過抽象的概念， 通過分類、命名、量算、統(tǒng)計(jì)得到。任何地理實(shí)體至少有一個屬性， 而地理信息系統(tǒng)的分析、檢索和表示主要是通過對屬性的操作運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的。因此， 屬性的分類系統(tǒng)、量算指標(biāo)對系統(tǒng)的功能有較大的影響。
1.1.3 　GIS 功能與應(yīng)用
地理信息系統(tǒng)要解決的核心問題包括位置、條件、變化趨勢、模式和模型， 據(jù)此，可以把GIS 功能分為五個方面。
1.數(shù)據(jù)采集與輸入
數(shù)據(jù)采集與輸入， 即將系統(tǒng)外部原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾IS 系統(tǒng)內(nèi)部， 并將這些數(shù)據(jù)從外部格式轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)便于處理的內(nèi)部格式的過程。多種形式和來源的信息要經(jīng)過綜合和一致化的處理過程。數(shù)據(jù)采集與輸入要保證地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在內(nèi)容與空間上的完整性、數(shù)值邏輯一致性與正確性等。一般而論， 地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建設(shè)的投資占整個系統(tǒng)建設(shè)投資的70 % 以上， 并且這種比例在近期內(nèi)不會有明顯的改變。因此，信息共享與自動化數(shù)據(jù)輸入成為地理信息系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容， 自動化掃描輸入與遙感數(shù)據(jù)集成最為人們所關(guān)注。掃描技術(shù)的改進(jìn)、掃描數(shù)據(jù)的自動化編輯與處理仍是地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取研究的關(guān)鍵技術(shù)。
2.數(shù)據(jù)編輯與更新
數(shù)據(jù)編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯。圖形編輯主要包括拓?fù)潢P(guān)系建立、圖形編輯、圖形整飾、圖幅拼接、投影變換及誤差校正等； 屬性編輯主要與數(shù)據(jù)庫管理結(jié)合在一起完成。數(shù)據(jù)更新則要求以新記錄數(shù)據(jù)來替代數(shù)據(jù)庫中相對應(yīng)的原有數(shù)據(jù)項(xiàng)或記錄。由于空間實(shí)體都處于發(fā)展進(jìn)程中， 獲取的數(shù)據(jù)只反映某一瞬時或一定時間范圍內(nèi)的特征。隨著時間推移， 數(shù)據(jù)會隨之改變， 數(shù)據(jù)更新可以滿足動態(tài)分析之需。
3.數(shù)據(jù)存儲與管理
數(shù)據(jù)存儲與管理是建立地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵步驟， 涉及空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織。柵格模型、矢量模型或柵格/矢量混合模型是常用的空間數(shù)據(jù)組織方法�？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇在一定程度上決定了系統(tǒng)所能執(zhí)行的數(shù)據(jù)分析的功能， 在地理數(shù)據(jù)組織與管理中， 最為關(guān)鍵的是如何將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)融為一體。目前大多數(shù)系統(tǒng)都是將二者分開存儲， 通過公共項(xiàng)（一般定義為地物標(biāo)識碼） 來連接。這種組織方式的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)的定義與數(shù)據(jù)操作相分離， 無法有效記錄地物在時間域上的變化屬性。
4.空間數(shù)據(jù)分析與處理
空間查詢是地理信息系統(tǒng)， 以及許多其他自動化地理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)具備的最基本的分析功能。而空間分析是地理信息系統(tǒng)的核心功能， 也是地理信息系統(tǒng)與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的根本區(qū)別。模型分析是在地理信息系統(tǒng)支持下， 分析和解決現(xiàn)實(shí)世界中與空間相關(guān)的問題， 它是地理信息系統(tǒng)應(yīng)用深化的重要標(biāo)志。
5.數(shù)據(jù)與圖形的交互顯示
地理信息系統(tǒng)為用戶提供了許多表達(dá)地理數(shù)據(jù)的工具， 其形式既可以是計(jì)算機(jī)屏幕顯示， 也可以是諸如報(bào)告、表格、地圖等硬拷貝圖件， 可以通過人機(jī)交互方式來選擇顯示對象的形式。尤其要強(qiáng)調(diào)的是地理信息系統(tǒng)的地圖輸出功能， GIS 不僅可以輸出全要素地圖， 也可根據(jù)用戶需要， 輸出各種專題圖、統(tǒng)計(jì)圖等。
地理信息系統(tǒng)的大容量、高效率及與其結(jié)合的相關(guān)學(xué)科的推動使其運(yùn)籌帷幄， 成為國家宏觀決策和區(qū)域多目標(biāo)開發(fā)的重要技術(shù)支撐， 也成為與空間信息有關(guān)各行各業(yè)的基本分析工具。其強(qiáng)大的空間分析功能及發(fā)展?jié)摿κ沟肎IS 在測繪與地圖制圖、資源管理、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災(zāi)害預(yù)測、土地調(diào)查與環(huán)境管理、國防、宏觀決策等方面得到廣泛、深入的應(yīng)用。
地理信息系統(tǒng)以數(shù)字形式表示自然界， 具有完備的空間特性， 它可以存儲和處理不同地理發(fā)展時期的大量地理數(shù)據(jù)， 具有極強(qiáng)的空間信息綜合分析能力， 是地理分析的有力工具。地理信息系統(tǒng)不僅要完成管理大量復(fù)雜的地理數(shù)據(jù)的任務(wù)， 更為重要的是要完成地理分析、評價、預(yù)測和輔助決策的任務(wù)。因此， 研究廣泛適用于地理信息系統(tǒng)的地理分析模型， 是地理信息系統(tǒng)真正走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。
1.1.4 　GIS 技術(shù)與發(fā)展
地理信息系統(tǒng)的發(fā)展已近40 年， 用戶的需要、技術(shù)的進(jìn)步、應(yīng)用方法的提高及有關(guān)組織機(jī)構(gòu)的建立等因素， 深深影響著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程。
20 世紀(jì)60 年代初期， 地理信息系統(tǒng)處于萌芽和開拓期， 注重空間數(shù)據(jù)的地學(xué)處理。該時期GIS 發(fā)展的動力來自于新技術(shù)的應(yīng)用、大量空間數(shù)據(jù)處理的生產(chǎn)需求等方面， 專家興趣與政府推動也起到積極的引導(dǎo)作用。進(jìn)入70 年代， 地理信息系統(tǒng)進(jìn)入鞏固發(fā)展期， 注重空間地理信息的管理。資源開發(fā)、利用乃至環(huán)境保護(hù)問題成為首要解決之疑難， 需要有效地分析、處理空間信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展， 數(shù)據(jù)處理速度加快， 為地理信息系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)提供了必要條件和保障。80 年代是地理信息系統(tǒng)的大發(fā)展時期， 注重空間決策支持分析。地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大， 涉及許多的學(xué)科和領(lǐng)域， 此時地理信息系統(tǒng)發(fā)展最顯著的特點(diǎn)是商業(yè)化實(shí)用系統(tǒng)進(jìn)入市場。90 年代是地理信息系統(tǒng)的用戶化時期， 地理信息系統(tǒng)已成為許多機(jī)構(gòu)必備的工作系統(tǒng)， 社會對地理信息系統(tǒng)的認(rèn)識普遍提高， 需求大幅度增加， 從而使得地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大化、深入化， 地理信息系統(tǒng)向現(xiàn)代社會最基本的服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展。
進(jìn)入21 世紀(jì)， GIS 應(yīng)用向更深的層次發(fā)展， 展現(xiàn)新的發(fā)展趨勢。
1.網(wǎng)絡(luò)GIS （Web-GIS）
網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（Web-GIS） 指基于Internet 平臺、客戶端應(yīng)用軟件采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、運(yùn)行在Internet 上的地理信息系統(tǒng)。一般由多主機(jī)、多數(shù)據(jù)庫和多個客戶端以分布式模式連接在Internet 上而組成， 包括以下四個部分： Web-GIS 瀏覽器（ browser） 、Web-GIS 服務(wù)器、Web-GIS 編輯器（ editor） 、Web-GIS 信息代理（ informationagent） 。Web-GIS 開拓了地理信息資源利用的新領(lǐng)域， 為GIS 信息的高度社會化共享提供了可能， 是傳統(tǒng)GIS 發(fā)展的新機(jī)遇。
2.組件式GIS （Com-GIS）
組件式GIS 是GIS 技術(shù)與組件技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。其基本思想是： 把GIS 的各種功能模塊進(jìn)行分類， 劃分為不同類型的控件， 每個控件完成各自相應(yīng)的功能。各個控件之間， 以及GIS 控件與其他非GIS 控件之間， 通過可視化的軟件開發(fā)工具集成， 形成滿足用戶特定功能需求的GIS 應(yīng)用系統(tǒng)。長期以來， 由于GIS 開發(fā)周期長、難度大， 在一定程度上制約了GIS 的發(fā)展。組件式GIS 的出現(xiàn)為新一代GIS 應(yīng)用提供新的工具，具有集成靈活、成本低、開發(fā)便捷、使用方便、易于推廣、可視化界面等優(yōu)點(diǎn)， 一般有基礎(chǔ)組件、高級通用組件、行業(yè)性組件三級結(jié)構(gòu)。
3.虛擬現(xiàn)實(shí)GIS （VR GIS）
虛擬現(xiàn)實(shí)GIS （virtual reality GIS ， VR GIS） 在20 世紀(jì)90 年代開始出現(xiàn)， 是一種專門用于研究地球科學(xué)， 或以地球系統(tǒng)為對象的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)， 是虛擬現(xiàn)實(shí)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。近年來， VR GIS 甚至融入到Web-GIS 和Com-GIS 之中。理想的VR GIS 應(yīng)具有四種特征。
（1） 對現(xiàn)實(shí)的地理區(qū)域非常真實(shí)的表達(dá)。
（2） 用戶在所選擇的地理帶（地理范圍） 內(nèi)外自由移動。
（3） 三維（立體） 數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)GIS 功能（查詢、選擇、空間分析等） 。
（4） 可視化功能必須是用戶接口的自然整體部分。
VR GIS 的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面： 區(qū)域表達(dá)的真實(shí)性； 空間、時間維的漫游、查詢； 用戶和系統(tǒng)之間的交互作用； 海量豐富的信息等。
4.時態(tài)GIS （TGIS）
時態(tài)GIS 是相對于靜態(tài)GIS 而言的�，F(xiàn)實(shí)中地理環(huán)境、事物和現(xiàn)象是不斷發(fā)展變化的， 但靜態(tài)GIS 僅對其進(jìn)行“快照” 式表達(dá)， 只關(guān)心某一瞬間的地理現(xiàn)象， 對其前后的數(shù)據(jù)不保留， 也沒有比較分析。而時態(tài)GIS 將時間概念引入到GIS 中， 跟蹤和分析空間數(shù)據(jù)隨時間的變化， 不僅描述系統(tǒng)在某時刻的狀態(tài)， 而且描述系統(tǒng)沿時間變化之過程， 預(yù)測未來時刻將會呈現(xiàn)的狀態(tài)， 以獲得系統(tǒng)變化的趨勢。
5.互操作GIS
目前GIS 系統(tǒng)大多基于具體的、相互獨(dú)立的和封閉的平臺開發(fā)， 采用各自不同的空間數(shù)據(jù)格式， 數(shù)據(jù)組織方式有很大差異， 這使得不同GIS 軟件間交換數(shù)據(jù)很困難。為滿足地理數(shù)據(jù)的共享和繼承、地理操作的分布與共享等需求， 互操作GIS 被提上議事日程， 這是一個新的GIS 集成平臺， 實(shí)現(xiàn)了在異構(gòu)環(huán)境下多個地理信息系統(tǒng)或其應(yīng)用系統(tǒng)之間的互相通信和協(xié)作。
6.3S 集成
雖然GIS 在其理論和應(yīng)用技術(shù)上有很大發(fā)展， 但靠傳統(tǒng)GIS 的使用卻不能滿足目前社會對信息快速、準(zhǔn)確更新之要求。與GIS 獨(dú)立、平行發(fā)展的全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS） 則為GIS 適應(yīng)社會發(fā)展的需求提供了可能性。目前， 國際上3S 的研究和應(yīng)用開始向集成化方向發(fā)展。這種集成應(yīng)用中， GPS 主要用于實(shí)時、快速地提供目標(biāo)的空間位置； RS 用于實(shí)時提供目標(biāo)及其環(huán)境的信息、發(fā)現(xiàn)地球表面的各種變化， 及時對GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行更新； GIS 則是對多種來源的時空數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、集成管理和動態(tài)存取， 作為新的集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺， 并為智能化數(shù)據(jù)采集提供地學(xué)知識。
1.2 　GIS 空間分析
對地觀測和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展大大加強(qiáng)了人們對空間信息的分析和處理能力。人們渴望利用這些空間信息來認(rèn)識和把握地球和社會的空間運(yùn)動規(guī)律， 進(jìn)行虛擬、科學(xué)預(yù)測和調(diào)控， 迫切需要建立空間信息分析的理論和方法體系。地理信息系統(tǒng)自出現(xiàn)后， 吸取了所有能夠利用的空間分析的理論和方法， 并將它們植入到GIS 系統(tǒng)中去。在GIS 系統(tǒng)支持下， 空間分析順利得以實(shí)現(xiàn)并得到進(jìn)一步飛躍； GIS 也因?yàn)橛辛丝臻g分析這一強(qiáng)有力的理論支持而獲得更強(qiáng)大的生命力和更廣闊的發(fā)展空間�？臻g分析已被認(rèn)為是地理信息系統(tǒng)中最核心、最重要的理論之一， 也是GIS 系統(tǒng)區(qū)別于其他計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
1.2.1 　空間分析
現(xiàn)代空間分析概念的提出， 起源于20 世紀(jì)60 年代地理和區(qū)域科學(xué)的計(jì)量革命。在起步階段， 主要是將統(tǒng)計(jì)分析的定量手段用于分析點(diǎn)、線、面的空間分布模式。在60