第一节 地理信息系统及其应用教学设计思路

第一节

地理信息系统及其应用

学习目标：

1.了解地理信息系统的概念、发展，掌握地理信息系统的组成及工作过程。(难点) 2.了解地理信息系统在城市建设和管理中的应用。(重点) 3.培养学生热爱科学的情感，感受科技发展对生产、生活带来的巨大影响。

[自

主

预

习·探

新

知] 1．地理信息系统

(1)概念

以采集、存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。

(2)功能

除了一般信息系统的存储、管理数据外，还能显示数据的空间分布，并且有强大的空间查询、分析、模拟、统计和预测等功能。

(3)系统组成

包括地理数据、GIS软件、硬件、GIS人员、应用模型五部分。

(4)工作过程

口诀法记忆地理信息系统的功能

地理信息系统功能多，存储、管理数据不用说；

显示数据空间分布快，提供空间查询很灵活；

分析和模拟神通广，统计和预测美名播。

2．地理信息系统与城市管理

(1)GIS的应用领域

包括资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、公安、水利、公共设施、商业金融等人们生产生活的各个领域。

1/13

(2)GIS在城市建设和管理中的典型应用

应用领域

城市规划和管理

基础设施管理

土地利用与管理

生态环境管理

[自主诊断] 正误判断

(1)地理信息系统主要是记录地理事物的计算机系统。

(

) 应用

城市规划的设计、工程选址、城市管理和辅助决策

工程设计、应急抢修、日常维护管理等工作

土地利用状况的监控和管理

城市生态规划、环境评价、环境与区域可持续发展的决策分析、环保设施的管理等

(2)地理信息系统区别于其他信息系统的最本质特征在于它是空间数据。

(3)GIS技术是地图的延伸。

(

) (

) (4)如果将GIS技术用来监测森林火灾，可以预测、判断引起火灾的原因。

(

) (5)要想动态显示北极冰川面积近30年的变化状况，并预测其变化趋势，需要应用的技术手段为地理信息系统。

【提示】

(1)×

地理信息系统借助计算机系统，不仅能输入、管理、输出地理信息，还能进行空间分析和动态预测，完成人类难以完成的任务，与简单的绘图系统有本质的区别。

(2)√

地理信息系统是由庞大而复杂的空间资料组成的，与其他信息系统相比，具有空间性。

(3)√

RS技术是人的视力的延伸，GIS技术是地图的延伸，可分别处理RS和GPS技术提供的图像和数据，GPS技术可以精确测定经纬度和高程，建立三维坐标。

(4)×

GIS技术在自然灾害监测中可以通过现有的火势情况，结合风向、森林面积等观测分析火势的蔓延方向，并制定出详细的灭火方案。做不到预测、判断引起火灾的原因。

(5)√

要显示北极冰川面积的动态变化状况，并预测其变化趋势，要利用2/13

(

)

地理信息系统。

[合

作

探

究·

地理信息系统

材料

石门县地处湘西北，是著名的柑橘产区。该县根据气候、地形和土地利用等因素，采用地理信息系统和气候区划方法，对柑橘种植区进行综合气候区划，使农业走上了可持续发展道路。

【思考交流】

1．石门县柑橘种植区划运用了地理信息系统的哪些功能？

【提示】

分析、模拟与统计功能。

2．除气候要素外，你认为该农业区划数据库的建立还需要哪些地理图层？

【提示】

地形图层、水文图层、土地利用图层和土壤图层。

[归纳总结]

1．地理信息系统的组成及作用

组成

硬

件

软

件

计算机和网络设备，存储设备，数据输入、显示和输出的外围设备

用途

GIS基本设备

主要包括以下几类：操作系统软件、数据库GIS软件提供存储、分析、管理软件、系统开发软件、GIS软件等

基础数据

地质、地貌、

地形数据等

规划、房地产、交通、

专题数据

环保、公用事业数据等

显示地理数据的功能

GIS建立在地理数据的基础上，数据组织和处理是GIS应用系统建设中的关键环节

数

据

应

用

模

型

人员

解决不同的问题，要使用不同的模型，如人口扩散模型、商业选址模型、路径分析模型等

从事GIS系统开发的专业人员

使用GIS完成工作的用户

解决各种实际问题的数学模型

组织、协调、管理、应用

3/13

2.地理信息系统的工作流程

[拓展延伸]

正确区分GIS与电子地图

电子地图是GIS的一种应用产品；GIS是可以随时修改和更新的计算机软件系统，而电子地图只是把GIS的阶段性成果做成供人们查询的产品。

[题组对练] 1．2017年7月8日，美国加州，当地灌木丛和树丛发生火灾，随后火势蔓延，过火面积超过6000英亩(约合36421亩)。有超过1000名消防员在各个火场救火，当局也派出5架直升机和4架飞机协助灭火。根据材料，完成(1)～(2)题。

(1)灭火飞机在选择飞行路线时，可以利用一种以采集、存储、管理、分析和描述________有关数据的空间信息系统(

) ①地球表面

②地理分布

③大气状况

④宇宙环境

A．①②

C．①④

B．③④

D．②③

(2)灭火飞机在飞行过程中，主管人员可以通过地理信息系统(

) ①查询设备的位置

②选择最佳转移线路

③模拟设备状态

④了解天气信息

A．②③④

C．①②④

B．①③④

D．①②③

(1)A

(2)D

[第(1)题，地理信息系统采集、存储、管理、分析和描述的数据是关于地球表面和地理分布的，与大气状况和宇宙环境无关。第(2)题，了解天气信息不是GIS提供的功能。] 2．地理信息系统能够建立数据模型，即通过一定的方式将所要表示的内容转变为数据，这是GIS与地图最基本的差异。据此回答(1)～(2)题。

4/13

(1)GIS与普通地图共同的特点是(

) A．信息量一样大

B．都便于查询各种信息

C．都能够进行空间分析

D．都利于数据化处理各种信息

(2)与传统地图相比，GIS有优越性，不表现在(

) A．纸绘地图更精确

B．GIS更有利于信息更新

C．GIS较地图直观性强

D．GIS可以快速进行各种空间分析

(1)C

(2)A

[第(1)题，信息量大、便于查询信息和有利于数据化处理的是GIS的特点。进行空间分析则是两种地图共有的特点。第(2)题，GIS是以数据形式存储信息，比纸绘地图要精确。A项说法错误。]

地理信息系统与城市管理

材料

长沙市为了解决公交车、出租车的违章行为，市交警部门推出了“公交地理信息系统”。该系统建立在电子地图的基础上，使公交车重叠率、换乘系数等运行状况一目了然。交通管理部门根据该系统提供的数据，进行综合分析，采用了将有些站点易位、增设公交站点以及在一些主干道上设置公交专用道(公交快车走廊)等措施，有效地扭转了该市公交塞车的局面。在城市管理中广州市可利用GIS提供的完善的网络分析模型，结合天然气网、自来水网中的阀门、开关等设备的状态、气压、水压等各种信息，实现网络压力和流向分析、渗透监测和流量分析、工作流程处理、野外施工检测、故障分析及提供抢修方案等。

【思考交流】

1．GIS在城市管理中有哪些功能？

【提示】

GIS在城市管理中的功能主要有应用电子地图、空间查询、空间分析、空间模拟、趋势分析、决策应用。

2．是否涉及人类生产、生活的课题都可以用GIS进行研究？

【提示】

GIS所采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构和动态变化规律的，因此，不反映地理空间分布特征的有关课题，一般不用GIS进行研究。

5/13

3．目前，GIS在城市建设和管理中的典型应用有哪些方面？

【提示】

主要有城市规划和管理，基础设施管理如道路交通、电力、电信、燃气、自来水、排污等，土地利用与管理，生态环境管理等。

[归纳总结]

1．地理信息系统在城市管理中的功能

2．地理信息系统在灾害监测中的应用

应用地理信息系统，并借助于遥感技术，可有效地监测和预报洪涝灾害、森林火灾等。

3．地理信息系统在医疗救护方面的应用

[拓展延伸]

GIS在道路交通中的应用

GIS能够查询道路的通行状况，迅速定位事故地点，提供交通疏散的方案。6/13

在道路设计中，GIS能够将多种数据叠加，为道路规划提供直接的分析依据，如最佳路径分析、最小造价分析等；在道路建设中，GIS能够帮助掌握工程进度，控制工程质量。在道路及交通管理中，查询路况信息，为道路养护服务。

[题组对练] 3．GIS是用于空间分析的计算机系统，某中学地理小组将它作为课题研究。据此完成(1)～(2)题。

(1)下列四图，是同学们为家乡所作的自然、社会经济方面的资料分析图，其中只适宜用GIS数据库软件制作的是(

)

(2)同学们拟分析家乡人口分布与自然条件的关系，在GIS数据库中，须调用的专题图层有下列中的(

) ①地形图层

②土壤图层

③气候图层

④人口图层

⑤商业网点图层

⑥农业图层

⑦工业图层

⑧城市图层

⑨交通图层

A．①②③④

C．⑤⑥⑦⑧

B．③④⑤⑥

D．⑥⑦⑧⑨

(1)C

(2)A

[第(1)题，空间分析能力是GIS的主要功能，也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。空间分析要求地理事物有明确的地理位置。贫困人口分布的分析是空间性的数据分析，可以用GIS软件处理和分析，故C项正确；A、B、D三项只具有时间性，没有空间性，不能用GIS软件处理分析。第(2)题，要调用图中的人口要素和自然要素图层。] 4．GIS中，不同类型的地理空间信息存储在不同的图层上，叠加不同的图层可以分析不同要素的相互关系。据此回答(1)～(2)题。

7/13

(1)城市交通图层与城市人口分布图层的叠加，可以(

) A．为商业网点选址

B．分析建筑设计的合理性

C．计算城市水域面积

D．估算工农业生产总值

(2)对2010年与2017年城市土地利用图层进行分析，能够(

) A．计算交通流量的变化

B．预测洪涝灾害的发生

C．了解城市地域结构变化

D．预测城市降水变化趋势

(1)A

(2)C

[第(1)题，城市交通图层和城市人口分布图层的叠加，反映了该地区的交通通达度和消费人口的多少，因此可以为商业网点选址。第(2)题，构成城市土地利用图层的信息主要有住宅区、商业区、工业区等因素，对其进行分析，可以了解城市地域结构的变化。] [图

表

解

读·悟

技

巧] [图表探讨] 读用来存储不同信息的GIS图层图，探讨以下问题。

探讨1：图示的“图层”按自然和人文两个方面分类，属于自然地理方面的有哪些？属于人文地理方面的有哪些？

【提示】

自然地理方面：水系、地形和地块。人文地理方面：土地利用和居民点。

探讨2：若要研究邮电通信点的布局问题，你认为还应增加哪些图层？请简单说明一下原因。

【提示】

交通线路图和居民分布密度图。邮电通信点的布局要具备两个条件：一是分布在居民点内或居民分布集中的地区；二是要布局在交通便利的地方，即位于交通干线上。

8/13

[读图方法] 阅读时需要关注下列几点：

(1)此图反映GIS的信息存储方式，分图层存储不同的信息。

(2)通过图层的叠加，可以形成地理信息的综合反映。

(3)该图可以查询哪些地理信息及需要查询的图层。

[读图训练] 叠加分析就是将同一地区的两层或多层地图要素重叠在一起进行图层和属性运算，产生新的图层和属性的过程。图中甲、乙分别为同一地区两种要素分布图。据此完成(1)～(2)题。

(1)若将甲、乙两图层进行叠加，得到的新图是(

)

(2)若甲、乙分别为城市交通网和地租等值线图层，叠加后生成新图层的图形信息是(

) A．城市道路网类型

B．污染工业布局规划

C．城市功能分区结构

D．城市商业网点分布

(1)A

(2)D

[第(1)题，本题考查学生对图层叠加的把握程度，甲、乙叠加后可得到新图A。第(2)题，城市交通网和地租等值线图层叠加后生成新图层的图形信息是交通线与地租等值线分布，即城市商业网点的分布。]

[课堂·小结] 9/13

[当

堂

达

标·固

双

基] 题组1

地理信息系统

地理信息系统(GIS)所采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构及其动态变化规律的。据此完成1～3题。

【导学号：50682083】

1．互联网上的电子地图与纸质地图相比，其优点是(

) ①成本低、效益高

②信息容量大

③信息更新快

④描述地物详细、准确

A．①②④

C．②③④

B．①②③④

D．①③④

2．下列课题中，不能应用GIS进行研究的有(

) A．近50年来，世界粮食总量与人均产量变化趋势分析

B．近10年来，上海市区人口分布变化特征与城市建设相关性分析

C．浙江省西部地区土地利用状况与农业结构变化特征分析

D．上海市浦东新区内环线的主要道路交叉点交通流量状况通报及优化公交线网、站点分布的方案设计

3．应用GIS技术的最终目的是(

) A．处理信息

C．便于信息查询

B．记录信息

D．为地理决策提供依据

1.B

2.A

3.D

[第1题，电子地图是GIS的一种集成表现，其特点是制作成本低，信息容量大且更新快，描述地物详细、准确，不像传统纸质地图那样制作需要耗费大量的人力和物力，数据更新周期长。第2题，GIS所采集的信息是按地理空间分布特征，来反映地理实体结构及动态变化规律的。A项中世界粮食10/13

总量与人均产量变化不是地理空间分布特征，因此不能用GIS进行研究。第3题，GIS技术能对信息进行存储处理，便于信息查询，但最终目的是为决策提供依据。] 题组2

地理信息系统与城市管理

GIS具有地图处理、数据库和空间分析这三项功能，可以像传统地图一样，解决与“地点”“状况”有关的查询。但GIS还能进行趋势分析，复杂的“模式分析”和用“虚拟模拟”进行预测性分析等。据此完成4～5题。

4．如果将GIS用来监测森林火灾，可以(

) A．用来分析、判断引起火灾的原因

B．预测森林火灾发生的地点

C．预测森林火灾后所造成的后果

D．及时知道火灾地点、范围，分析火势蔓延方向

5．有的渔民已经利用GIS技术来寻找鱼群。如果普遍应用这一技术(

) A．可以使渔获量持续增长

B．可能导致过度捕捞，使渔业资源枯竭

C．绝对会增加渔业的生产成本

D．会促进渔业生产，加大对渔业资源的开发利用，提高渔民的生活水平

4.D

5.B

[第4题，利用GIS监测森林火灾，主要是监测森林火灾的现状，将先后不同时间的火灾图层叠加在一起可以分析其蔓延方向，以利于制定科学合理的灭火方案。第5题，GIS可以寻找鱼群，暂时增加捕捞量，随着产量增加，生产成本会逐渐降低，但由于过度捕捞会导致渔业资源枯竭，渔民的收益大减。] 6．GIS的数据存储采用分层技术，叠加不同图层后可以分析地理事物的相互关系。现已有某城市交通线路分布图层、地形图层等，若在该城市进行污水处理厂选址，还应增加(

) ①大气污染图层

②土地利用图层

③水系分布图层

④土壤类型图层

A．①②

C．②③

B．①③

D．②④

C

[要进行污水处理厂的选址，要考虑到本地区河流水系的分布，而且还要了解本区域土地的规划利用方向，因此在已有的交通线路分布图层和地形图层的基础上，需要增加土地利用图层，以及水系分布图层。] 11/13

下图为某工程应用地理信息系统(GIS)选址工作流程图。读图，完成7～8题。

【导学号：50682084】

7．最有可能采用图示流程进行选址的工程是(

) A．汽车加油站

C．大型游乐园

B．地下水天然下渗补给区

D．放射性废弃物储存场

8．图示GIS处理与分析流程中，a环节所示功能为(

) A．趋势分析

C．预测分析

B．叠图分析

D．缓冲分析

7.D

8.B

[第7题，此图显示GIS的工作流程，采用叠加图层分析的方法，最终选址在低人口密度、适宜地质、不接近主要道路的非生态保护区，说明该工程可能有很强的污染性。第8题，其中a环节表现为不同地理要素如道路、地质、人口密度等图层的叠加分析。] [教材活动点拨] 教材P77活动

1．略

2．目前，对地理信息系统的定义还存在分歧，可归结为以下四类：

(1)面向数据处理过程的定义：认为地理信息系统由地理数据的输入、存储、查询、分析、输出等子系统组成。

(2)面向专题应用的定义：在面向过程定义的基础上，按其分析的信息类型来定义地理信息系统，如土地利用信息系统、矿产资源管理信息系统等。

(3)工具箱定义：这种定义基于软件系统分析的观点，认为地理信息系统包括各种复杂的处理空间数据的计算机程序和各种算法。

(4)数据库定义：在工具箱定义的基础上，更加强调分析工具和数据库间的连接。

12/13

3．略

教材P81～82活动

国外GIS软件，如哈佛大学开发的SYMAP系列软件等。

目前，国内下列GIS软件在解决实际工程能力和技术创新等方面表现突出，如MapGIS6.6、SuperMapGIS2003、地网V5.0、CiloMap等。

教材P85活动

课题①GIS的发展历程

国外地理信息系统的发展历程：国际上地理信息系统的发展始于20世纪60年代，地理信息系统起源于北美，世界上第一个运行性的地理信息系统是在1963年加拿大土地调查局为了处理大量的土地调查资料，由测量学家R.F.Tomlinson提出并建立的。同一时期美国哈佛大学的计算机图形与空间分析实验室，建立了SYMAP系统软件，竭力发展空间分析模型和制图软件。20世纪70年代以后，GIS朝实用方向迅速发展。美国、加拿大、英国、西德、瑞典、日本等发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。20世纪80年代是GIS普及和推广应用的大发展阶段，由于新一代高性能计算机的普及和迅速发展，GIS也逐步走向成熟。20世纪90年代，GIS已成为确定性产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番。GIS已渗透到各行各业，愈来愈多的国际性会议、学术刊物以GIS为主题，它已成为人们规划管理中不可缺少的应用工具。

中国地理信息系统的发展历程：中国的地理信息系统研究与应用始于20世纪70年代末80年代初，虽然历史较短，但发展很快。大体分三个阶段：第一阶段，1978～1980年为准备阶段，主要是舆论准备，队伍组建，开始GIS的启蒙研究。第二阶段，1981～1985年为起步阶段，主要对GIS进行理论探索和区域性实验研究，并制定国家GIS的规范，进行信息采集、数据库模型设计。1985年国家资源与环境信息系统实验室成立。第三阶段，从1986年到现在，为GIS的全面发展阶段，作为一个全国性的研究领域，GIS已逐步和国民经济建设相结合，取得了重大进展和实际应用效益。

13/13