第1 章　導　　論
隨著信息社會的到來， 人類社會進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。隨著計算機技術的出現及其快速發(fā)展， 對空間位置信息和其他屬性類信息進行統(tǒng)一管理的地理信息系統(tǒng)也隨之快速發(fā)展起來， 在此基礎上進行空間信息挖掘和知識發(fā)現是當前亟待解決的問題， 也是GIS 研究的熱點和難點之一。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） 是在計算機軟硬件支持下，對整個或者部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)處理和管理的對象是多種地理空間實體數據及其關系， 包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據等， 主要用于分析和處理一定地理區(qū)域內分布的各種現象和過程， 解決復雜的規(guī)劃、決策和管理問題。
1.1.2 　GIS 系統(tǒng)構成
一個完整的地理信息系統(tǒng)主要由四個部分構成， 即硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、地理空間數據和系統(tǒng)管理操作人員。其中計算機硬件、軟件系統(tǒng)是GIS 使用工具， 空間數據庫反映了GIS 的地理內容， 而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表達方式。
1.硬件系統(tǒng)
計算機硬件系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的實際物理配置的總稱， 可以是電子的、電的、磁的、機械的、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系， 受硬件指標的支持或制約。GIS 由于其任務的復雜性和特殊性， 必須由計算機設備支持。構成計算機硬件系統(tǒng)的基本組件包括輸入/輸出設備、中央處理單元、存儲器等。這些硬件組件協(xié)同工作， 向計算機系統(tǒng)提供必要的信息， 使其完成任務， 也可以保存數據以備現在或將來使用， 或將處理得到的結果或信息提供給用戶。
2.軟件系統(tǒng)
GIS 運行所需的軟件系統(tǒng)有三個。
1） 計算機系統(tǒng)軟件
由計算機廠家提供的、為用戶使用計算機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， 也可以包括數據庫管理系統(tǒng)、計算機圖形軟件包、計算機圖像處理系統(tǒng)、CAD 等， 用于支持對空間數據的輸入、存儲、轉換、輸出和與用戶接口等操作。
3） 應用分析程序
系統(tǒng)開發(fā)人員或用戶根據地理專題或區(qū)域分析模型編制的用于某種特定任務的程序， 是系統(tǒng)功能的擴展與延伸。在GIS 工具支持下， 應用程序的開發(fā)應是透明的和動態(tài)的， 與系統(tǒng)的物理存儲結構無關， 并能隨著系統(tǒng)應用水平的提高不斷優(yōu)化和擴充。應用程序作用于地理專題或區(qū)域數據， 構成GIS 的具體內容， 這是用戶最為關心的真正用于地理分析的部分， 也是從空間數據中提取地理信息的關鍵。用戶進行系統(tǒng)開發(fā)的大部分工作是開發(fā)應用程序， 而應用程序的水平在很大程度上決定系統(tǒng)應用的優(yōu)劣和成敗。
3.系統(tǒng)開發(fā)、管理與使用人員
人是構成GIS 的重要因素。地理信息系統(tǒng)從其設計、建立、運行到維護的整個生命周期， 處處都離不開人的作用。僅有系統(tǒng)軟硬件和數據還不能構成完整的地理信息系統(tǒng)， 還需要人進行系統(tǒng)組織、管理、維護和數據更新， 以及系統(tǒng)擴充完善、應用程序開發(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。地理信息系統(tǒng)專業(yè)人員是地理信息系統(tǒng)應用的關鍵， 而強有力的組織是系統(tǒng)運行的保障。
4.地理空間數據
地理空間數據是以地球表面空間位置為參照的自然、社會和人文經濟景觀數據， 可以是圖形、圖像、文字、表格和數字等。它是由系統(tǒng)的建立者通過數字化儀、掃描儀、鍵盤、磁帶機或其他系統(tǒng)通信設備輸入GIS ， 是系統(tǒng)程序作用的對象， 是GIS 所表達的現實世界經過模型抽象的實質性內容。不同用途的GIS ， 其地理空間數據的種類、精度均不相同， 包括以下三種信息。
1） 已知坐標系中的位置
已知坐標系中的位置即幾何坐標， 標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， 如經緯度、平面直角坐標、極坐標等。采用數字化儀輸入時通常采用數字化儀直角坐標或屏幕直角坐標。
2） 實體間的空間關系
實體間的空間關系通常包括： 度量關系， 如兩個地物之間的距離遠近； 延伸關系（或方位關系） ， 定義了兩個地物之間的方位； 拓撲關系， 定義了地物之間連通、鄰接等關系， 是GIS 分析中最基本的關系， 其中包括了網絡結點與網絡線之間的樞紐關系、邊界線與面實體間的構成關系、面實體與島或內部點的包含關系等。
3） 與幾何位置無關的屬性
與幾何位置無關的屬性即通常所說的非幾何屬性或簡稱屬性， 是與地理實體相聯(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、人口數量等。非幾何屬性一般是經過抽象的概念， 通過分類、命名、量算、統(tǒng)計得到。任何地理實體至少有一個屬性， 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算實現的。因此， 屬性的分類系統(tǒng)、量算指標對系統(tǒng)的功能有較大的影響。
1.1.3 　GIS 功能與應用
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， 據此，可以把GIS 功能分為五個方面。
1.數據采集與輸入
數據采集與輸入， 即將系統(tǒng)外部原始數據傳輸到GIS 系統(tǒng)內部， 并將這些數據從外部格式轉換到系統(tǒng)便于處理的內部格式的過程。多種形式和來源的信息要經過綜合和一致化的處理過程。數據采集與輸入要保證地理信息系統(tǒng)數據庫中的數據在內容與空間上的完整性、數值邏輯一致性與正確性等。一般而論， 地理信息系統(tǒng)數據庫建設的投資占整個系統(tǒng)建設投資的70 % 以上， 并且這種比例在近期內不會有明顯的改變。因此，信息共享與自動化數據輸入成為地理信息系統(tǒng)研究的重要內容， 自動化掃描輸入與遙感數據集成最為人們所關注。掃描技術的改進、掃描數據的自動化編輯與處理仍是地理信息系統(tǒng)數據獲取研究的關鍵技術。
2.數據編輯與更新
數據編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯。圖形編輯主要包括拓撲關系建立、圖形編輯、圖形整飾、圖幅拼接、投影變換及誤差校正等； 屬性編輯主要與數據庫管理結合在一起完成。數據更新則要求以新記錄數據來替代數據庫中相對應的原有數據項或記錄。由于空間實體都處于發(fā)展進程中， 獲取的數據只反映某一瞬時或一定時間范圍內的特征。隨著時間推移， 數據會隨之改變， 數據更新可以滿足動態(tài)分析之需。
3.數據存儲與管理
數據存儲與管理是建立地理信息系統(tǒng)數據庫的關鍵步驟， 涉及空間數據和屬性數據的組織。柵格模型、矢量模型或柵格/矢量混合模型是常用的空間數據組織方法�？臻g數據結構的選擇在一定程度上決定了系統(tǒng)所能執(zhí)行的數據分析的功能， 在地理數據組織與管理中， 最為關鍵的是如何將空間數據與屬性數據融為一體。目前大多數系統(tǒng)都是將二者分開存儲， 通過公共項（一般定義為地物標識碼） 來連接。這種組織方式的缺點是數據的定義與數據操作相分離， 無法有效記錄地物在時間域上的變化屬性。
4.空間數據分析與處理
空間查詢是地理信息系統(tǒng)， 以及許多其他自動化地理數據處理系統(tǒng)應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)與其他計算機系統(tǒng)的根本區(qū)別。模型分析是在地理信息系統(tǒng)支持下， 分析和解決現實世界中與空間相關的問題， 它是地理信息系統(tǒng)應用深化的重要標志。
5.數據與圖形的交互顯示
地理信息系統(tǒng)為用戶提供了許多表達地理數據的工具， 其形式既可以是計算機屏幕顯示， 也可以是諸如報告、表格、地圖等硬拷貝圖件， 可以通過人機交互方式來選擇顯示對象的形式。尤其要強調的是地理信息系統(tǒng)的地圖輸出功能， GIS 不僅可以輸出全要素地圖， 也可根據用戶需要， 輸出各種專題圖、統(tǒng)計圖等。
地理信息系統(tǒng)的大容量、高效率及與其結合的相關學科的推動使其運籌帷幄， 成為國家宏觀決策和區(qū)域多目標開發(fā)的重要技術支撐， 也成為與空間信息有關各行各業(yè)的基本分析工具。其強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、災害預測、土地調查與環(huán)境管理、國防、宏觀決策等方面得到廣泛、深入的應用。
地理信息系統(tǒng)以數字形式表示自然界， 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據， 具有極強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雜的地理數據的任務， 更為重要的是要完成地理分析、評價、預測和輔助決策的任務。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)真正走向實用的關鍵。
1.1.4 　GIS 技術與發(fā)展
地理信息系統(tǒng)的發(fā)展已近40 年， 用戶的需要、技術的進步、應用方法的提高及有關組織機構的建立等因素， 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， 注重空間數據的地學處理。該時期GIS 發(fā)展的動力來自于新技術的應用、大量空間數據處理的生產需求等方面， 專家興趣與政府推動也起到積極的引導作用。進入70 年代， 地理信息系統(tǒng)進入鞏固發(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。隨著計算機技術的迅速發(fā)展， 數據處理速度加快， 為地理信息系統(tǒng)軟件的實現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)應用領域迅速擴大， 涉及許多的學科和領域， 此時地理信息系統(tǒng)發(fā)展最顯著的特點是商業(yè)化實用系統(tǒng)進入市場。90 年代是地理信息系統(tǒng)的用戶化時期， 地理信息系統(tǒng)已成為許多機構必備的工作系統(tǒng)， 社會對地理信息系統(tǒng)的認識普遍提高， 需求大幅度增加， 從而使得地理信息系統(tǒng)應用領域擴大化、深入化， 地理信息系統(tǒng)向現代社會最基本的服務系統(tǒng)發(fā)展。
進入21 世紀， GIS 應用向更深的層次發(fā)展， 展現新的發(fā)展趨勢。
1.網絡GIS （Web-GIS）
網絡地理信息系統(tǒng)（Web-GIS） 指基于Internet 平臺、客戶端應用軟件采用網絡協(xié)議、運行在Internet 上的地理信息系統(tǒng)。一般由多主機、多數據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)展的新機遇。
2.組件式GIS （Com-GIS）
組件式GIS 是GIS 技術與組件技術結合的產物。其基本思想是： 把GIS 的各種功能模塊進行分類， 劃分為不同類型的控件， 每個控件完成各自相應的功能。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 的出現為新一代GIS 應用提供新的工具，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， 一般有基礎組件、高級通用組件、行業(yè)性組件三級結構。
3.虛擬現實GIS （VR GIS）
虛擬現實GIS （virtual reality GIS ， VR GIS） 在20 世紀90 年代開始出現， 是一種專門用于研究地球科學， 或以地球系統(tǒng)為對象的虛擬現實技術， 是虛擬現實與地理信息系統(tǒng)相結合的產物。近年來， VR GIS 甚至融入到Web-GIS 和Com-GIS 之中。理想的VR GIS 應具有四種特征。
（1） 對現實的地理區(qū)域非常真實的表達。
（2） 用戶在所選擇的地理帶（地理范圍） 內外自由移動。
（3） 三維（立體） 數據庫的標準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 的特點表現在以下幾個方面： 區(qū)域表達的真實性； 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實中地理環(huán)境、事物和現象是不斷發(fā)展變化的， 但靜態(tài)GIS 僅對其進行“快照” 式表達， 只關心某一瞬間的地理現象， 對其前后的數據不保留， 也沒有比較分析。而時態(tài)GIS 將時間概念引入到GIS 中， 跟蹤和分析空間數據隨時間的變化， 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， 預測未來時刻將會呈現的狀態(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、相互獨立的和封閉的平臺開發(fā)， 采用各自不同的空間數據格式， 數據組織方式有很大差異， 這使得不同GIS 軟件間交換數據很困難。為滿足地理數據的共享和繼承、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， 實現了在異構環(huán)境下多個地理信息系統(tǒng)或其應用系統(tǒng)之間的互相通信和協(xié)作。
6.3S 集成
雖然GIS 在其理論和應用技術上有很大發(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、準確更新之要求。與GIS 獨立、平行發(fā)展的全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS） 則為GIS 適應社會發(fā)展的需求提供了可能性。目前， 國際上3S 的研究和應用開始向集成化方向發(fā)展。這種集成應用中， GPS 主要用于實時、快速地提供目標的空間位置； RS 用于實時提供目標及其環(huán)境的信息、發(fā)現地球表面的各種變化， 及時對GIS 數據進行更新； GIS 則是對多種來源的時空數據進行綜合處理、集成管理和動態(tài)存取， 作為新的集成系統(tǒng)的基礎平臺， 并為智能化數據采集提供地學知識。
1.2 　GIS 空間分析
對地觀測和計算機技術的發(fā)展大大加強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識和把握地球和社會的空間運動規(guī)律， 進行虛擬、科學預測和調控， 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現并得到進一步飛躍； GIS 也因為有了空間分析這一強有力的理論支持而獲得更強大的生命力和更廣闊的發(fā)展空間�？臻g分析已被認為是地理信息系統(tǒng)中最核心、最重要的理論之一， 也是GIS 系統(tǒng)區(qū)別于其他計算機輔助設計系統(tǒng)的關鍵所在。
1.2.1 　空間分析
現代空間分析概念的提出， 起源于20 世紀60 年代地理和區(qū)域科學的計量革命。在起步階段， 主要是將統(tǒng)計分析的定量手段用于分析點、線、面的空間分布模式。在60