第1章 绪论
1.1 GIS概述
GIS是Geographic Information System(地理信息系统的)缩写，是在计算机软件和硬件技术支持下，对全部或部分地球空间中的有关地理空间数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS技术把地图的视觉化效果、地利分析功能和一般的数据库操作（如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使GIS与其他信息系统区别开来，从而使其在事件揭示、结果预测、战略规划中具有实用价值。
GIS技术起源于地图学。早期的地图学只是作为一种技术和科学，这种认识一直持续到20世纪初。1950年在关于城乡规划的教科书中，Jacqueline Trywhitt首次提出地图叠加技术，Ian McHarg则是高速公路规划的早期技术制定者之一。随着计算机技术的发展，Roger Tomlinson创造性的提出将计算机技术应用于制图学的思想，并于20世纪60年代开发了加拿大地理信息系统（CGIS），这标志着GIS开始大面积应用的开始。1969年Laura和Jack Dangermond建立了ESRI（环境系统研究所），率先提出把要素的空间表达与数据表中的属性链接起来，并以此思维开发出了占据全球市场90%以上份额的ArcGIS软件。
几乎所有的人类活动都与GIS应用密切相关，包括商业、农业、工业、国防情报、工程建设、政府、健康和人类服务、自然环境保护、公共安全、教育、交通、公共设施和通信等。
1.2 GIS组成
一个完整的GIS主要由四个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、空间数据和应用人员。核心是计算机硬件和软件系统，空间数据反映GIS的地理空间信息，应用人员则决定了系统的工作方式和信息表达方式。
（1）计算机硬件系统是GIS的物理外壳。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入输出设备、中央处理单元（计算机）、存储器等。这些硬件协同工作，像计算机系统提供必要的信息完成任务；保存数据备用，处理结果打印或输出给最终的用户。
（2）计算机软件系统是指必须的各种程序的总称。GIS中的软件系统通常包括：
1）计算机系统软件
由计算机厂家提供的、为最终用户使用计算机提供方便的程序，通常包括操作系统、汇编程序、诊断程序以及各种维护使用手册、程序说明等。
2）地理信息系统软件
包括通用的GIS软件软件包，同时可以包含数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD等。主要用于空间数据的输入、存储、转换、输出等。
3）应用分析程序
系统开发人员或用户根据分析模型编制的用于解决某些特定任务的程序，是GIS的扩充与延伸。在这些工具的支持下，应用程序的开发是动态的和透明的，与系统的物理存储无关，随着应用水平的不断提高，应用分析程序构成了GIS的具体内容，是用户真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中挖掘地理信息的关键所在。
（3）空间数据
空间数据是GIS系统的核心，整个GIS系统都是围绕GIS数据展开的。GIS数据采集、录入、编辑、保存和管理在GIS系统是成本最高的一项，需要花费大量的时间和精力完成。
空间数据是指地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。GIS中的空间数据主要包含：
1） 已知坐标的位置
即通常所说的几何坐标数据，标识地理空间中某个区域的空间位置，如经纬度、平面坐标。城市规划中常见的是各种地形图（包括矢量和纸质的地形图）、遥感影像图等。
2）实体间的空间关系
实体间的空间关系包括：度量关系，如地物之间的距离；方位关系，如地物之间的方位；拓扑关系，如地物之间的连通、邻接等关系。
3）与位置无关的属性
即通常所说的属性，是与地理实体相联系的地理变量。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级；定性描述的属性如土地利用种类、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。
（4）应用人员
人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。一个周密规划的地理信息系统项目应包括负责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运行系统的用户。
1.3 GIS功能
（1）数据采集、编辑与存储功能：包括图形数据采集与编辑和属性数据编辑与分析。城市规划中可以完成从获取CAD数据、遥感影像数据、属性数据等，并能够完成数据的编辑，图形数据与属性数据的空间连接，以及保存分发数据等。
（2）专题制图功能：根据GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图，而且可以根据用户需要分层输出城市规划所需的各种专题地图，如行政区划图、土地利用图、道路交通图、城镇体系图、经济分布图、等高线图等。还可以通过空间分析得到一些特殊的地理学分析用图，如坡度图、坡向图、剖面图等。
（3）空间查询与空间分析功能：空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。
通过空间分析可以解决城市规划中如下的问题：
①位置分析：分析研究地理对象的空间位置、周边的环境以及相互关系，挖掘出该位置的各种特性，如土地适宜性评价、现状面积统计等。
②变化趋势：分析地理对象的空间演化趋势，如土地利用变化情况等。
③模式研究：研究地理对象的空间分布模式、集聚特征以及实物间的相互关系，如收入空间分布情况，污染物空间扩散程度等。
④模型研究：应用特定的算法建立模型的方式研究地理实物特征的方法，如水文模型研究河网分级、径流、流域面积等。
1.4 GIS软件
GIS技术经过多年的发展，已经形成了比较成熟的软件产业。GIS软件包含商业软件和开源软件两大类。
（1）商业软件
①ArcGIS：是目前市场占有率最高的软件，也是目前功能最全、使用最广泛的GIS成熟商业软件。其空间分析功能异常强大，本书主要以本软件为主讲解GIS在城市规划中的应用。
②MapInfo：是目前使用较广泛的GIS软件。该软件执行效率高，操作简单，容易上手，特别是在专题制图功能上有特色，稍显不足的是其分析功能较弱，且在大容量数据处理时效率低下。
③Idrisi:基于栅格处理的GIS产品，该软件中的Land Change Model在土地利用变化研究方面有很好的应用，尤其适用于环境科学、遥感和土地管理。
④MapGIS：由武汉中地信息技术有限公司开发的国产GIS平台，目前在国土资源部门应用较广泛，拥有完整的软件模块。
⑤SuperMap：由北京超图软件股份有限公司开发的拥有自主知识产权的GIS软件。目前国内主要用于二次开发的基础平台来使用。
（2）开源软件
①GRASS：Geographic Resources Analysis Support System，地球资源支持分析系统，支持栅格和适量的开源GIS，主要用于地球科学、政府部分和学术应用。
②Fragstats：生态栅格数据分析的开源软件，主要用于生态景观分析。
③SAGA：以地球科学为主设计的开源GIS软件，主要针对地形和水文分析。
1.5 GIS在城市规划中的作用
（1） 管理现状数据，包括土地利用现状数据、道路数据、遥感影像数据等。
（2）制图功能：制作各类专题图，包括现状道路、土地利用、土地利用规划、建筑高度分布图等。
（3）统计功能：统计各地类面积、长度、容积率等。
（4） 分析功能：土地适宜性评价分析，服务设施服务半径和选址，商业设施布局优化，三维地形分析，坡度，坡向，通视分析，填挖方分析等。
（5） 三维景观实时动态模拟。
（6） 规划项目可行性评价。
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