GIS的计算机基础

GIS计算机基础的认识

大学生涯刚刚开始的时候，GIS对于我来说是一个陌生的名词，对于GIS相关知识的了解几乎等于零，从大一开始到现在，通过老师的讲解，课堂的知识，课外的了解，对GIS的相关知识有了一定得了解。GIS是运用系统工程的原理、方法研究地理信息系统建设开发的方法、工具和管理的一门工程技术。它的目标在于研究一套可行的工具系统，解决GIS建设中的最优问题，即解决GIS系统的最优设计、最优控制和最优管理问题，力求通过最小的投入，最合理地配置资金、人力和物力而获得最佳的GIS产品。GIS工程自身遵循着一套科学的设计原理和方法，是系统工程普遍的具体应用。以空间信息作为其管理对象的GIS，与一般的信息系统相比，尤具特殊性。GIS工程跨越了多种学科，不仅仅涉及到工程领域，还涉及到社会、经济等领域。为了解决这些领域的问题，除了需要纵向技术之外（如空间分析、计算管理、人工智能等技术），还要有一种技术从横向把它们组织起来，这种技术就是GIS工程，也即研制GIS所需要的思想、技术、方法和理论等体系化的总称。作为GIS专业的一名学生具有一定的计算机基础知识是非常重要的。 GIS所需要的计算机基础知识，包括： 1）计算机组成原理：简单概述了计算机的发展历史，介绍了计算机的硬件组成，重点是各种输入/输出设备，这是GIS数据录入和制图输出所必需的，此外，虚拟现实设备——包括数字手套、头盔显示器的介绍将有助于理解数字地球部分的虚拟现实技术。 2）数据库知识：介绍了数据库，数据库管理系统的基本概念以及层次、网状、关系三种数据模型，并针对关系数据库讲述了其基本操作和SQL。 3）数据结构和算法：介绍了数据结构的基本概念，以及对于GIS软件实现非常重要的两种数据结构——树和图，最后给出了算法的定义以及算法效率的衡量指标，可以作为GIS算法设计的指导。 4）地理信息系统概论：介绍了地理信息系统的基本理论、技术体系及其应用方法，地理信息系统的数据类型，数据结构，数据存储方式，以及数字高程模型。还介绍GIS相关的计算机硬件软件以及新的发展趋势。作为GIS的基础理论知识5）计算机图形学：介绍二维三维图形的各种生成绘制算法，介绍图形裁剪填充旋转投影等图形变换的算法，作为GIS系统各种中个制图的图形的生成的算法基础。6）软件工程概论：软件工程是一门研究如何用系统化、规范化、数量化等工程原则和方法去进行软件的开发和维护的学科。软件工程包括两方面内容：软件开发技术和软件项目管理。软件开发技术包括软件开发方法学、软件工具和软件工程环境。软件项目管理包括软件度量、项目估算、进度控制、人员组织、配置管理、项目计划等。软件工程的框架可概括为：目标、过程和原则。

1．计算机组成原理

1．计算机的基本组成

按照诺伊曼理论建立起来的当代计算机，应当具有输入/输出功能、存储记忆功能、计算功能、判断功能和自我管理功能。从功能模拟的角度，Neumann计算机通常由与上述功能对应的功能部件组成，这些部件主要包括输入/输出设备、存储器和中央处理单元。

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一些新的输入输出设备：

随着计算机技术的发展，出现了一些新的、更加方便的输入输出设备，下面是其中的简单介绍：

源数据自动化设备：包括条形码阅读机，磁性墨水字符阅读机（用于支票上的数字）。 语音录入：也称为“语音识别”，允许用户通过讲话向系统发出指令。 数码相机：可以直接得到数字图像，并由软件进行进一步的处理。

计算机的发展是GIS诞生的基础之一,GIS系统离不开计算机而存在,计算机组成原理对GIS的开发构建应用都有着深刻的影响.GIS系统的输入输出由单一的纸质产品到包裹纸质产品多媒体产品在内的多样化的产品输入输出，这些都需要跟进计算机技术的更新，紧密的结合计算机技术推动GIS不断向前发展。

2．数据库系统基础

目前，数据库管理系统（DBMS,Data Base Management System）正日益进入最终用户的日常应用，人们每天都在日常生活中用到数据库，如使用信用卡购物、订票、书目查询等等，在使用过程中，用户不需要了解数据的具体存取和管理方式，正是数据管理系统提供了这些功能。

2．1数据库的基本概念

定义数据库管理系统之前，必须首先定义这种系统的基本成分——数据库，一个数据库有四个主要成分：数据、联系、约束和模式。数据是所存储的逻辑实体在计算机中的二进制表示；联系表示数据项之间的某种对应；约束是定义正确数据状态的断言；一种模式描述数据库中数据的组织和联系。

模式为数据库管理系统各个组成部分的使用和应用的安全定义数据库的各种视图。模式将数据存储的物理外表与逻辑表示分开。内部模式定义数据在物理数据存储区中如何组织以及放在何处。概念模式模型按照适当的数据库数据模型（如关系模型或对象模型）定义所存储数据的结构。外部模式为特定用户们定义数据库的一个或多个视图。

数据库管理系统为访问数据库提供服务，同时维护存储数据所要求的正确性和一致性。 在数据库管理系统中，运行的工作单元是事务单元，在此之上定义了一致性和正确性。事务应该支持ACID属性。ACID属性包括：事务运行的原子性、一致性、独立性和事务执行的持久性。

2.2数据库的数据模型

按照描述数据与数据间关系的方法不同，数据库常用的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型。

层次模型 网状模型 关系模型

面向对象数据库模型

关系模型是目前最为流行的数据模型，关系模型查找很方便，数据冗余度小，但关系联结时效率较低。

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网络和层次以及关系模型都适合那些结构简单以及访问有规律的数据。这些模型的最佳应用领域有个人记录管理，清单控制，终端用户销售，商业记录等，所有这些应用领域都只有相当简单的数据结构、联系以及数据使用模式。但是，当试图把这三种模型应用于更高级的领域时，数据不能用类似于记录这样的简单结构来表示了，访问和操作方法也不再简单。 面向对象数据库的引入就是为了满足一再出现的复杂信息的共享。在复杂数据进入数据库以后，数据库提供了存贮信息的统一视图，与具体存贮结构无关。把物理数据结构与逻辑数据结构分开，同时控制数据的共享及保持数据的正确性、完整性和一致性，大大方便了应用程序的开发和维护，减少生命周期内的各种费用。通过一组优化的程序来管理数据，使得整体效果更优，性能更稳定。

2.3数据库管理系统

数据库管理系统（DBMS）是为数据库访问提供服务的软件，同时维护所有数据必需的特性。数据库管理系统为支持应用程序访问和操作数据库数据提供下列服务：

1）事务处理2）并发控制3）恢复4）安全5）语言接口6)容错性7)数据目录8）存储管理

数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据，其中包括地理数据。

DBMS使存储和查找数据最优化，许多GIS为此而依靠它。相对于GIS而言，它们没有分析和可视化的工具。数据库是整个GIS系统里面必不可少的一部分.

3．数据结构和算法

3.1数据结构的概念 3．1．1数据结构

从提出一个实际问题到计算机解出答案需要经过下列步骤：首先从实际问题抽象出一个数学模型，然后设计一个解此数学模型的算法，最后编出程序、进行测试、调整直至得到最终解答。寻求数学模型的实质是分析问题，从中提取操作的对象以及这些操作对象之间含有的关系，然后用数学语言加以描述。描述这样一类问题的数学模型不再是数值方程，而是诸如表、树和图等的非数值性的数据结构。因此，简单说来，数据结构就是一门研究非数值性程序设计中计算机操作的对象以及它们之间的关系和运算等的学科。

3．1．2基本术语

下面是数据结构中常用到的名词和术语的含义： 1）数据2）数据元素3）数据对象 4）数据结构

简单说来，数据结构是带有结构的数据元素的集合。从上述面的例子可以看到，被计算机加工的数据元素都不是孤立的，在它们之间存在着某种联系，这种相互的关系，通常称做结构。数据的物理结构，又称存贮结构，是数据结构在计算机中的映象（或表示）。

5）数据类型，是程序设计语言中所允许的变量的种类，换句话说，是变量可能取的值和能作的运算的集合。在每一种程序设计语言中都有一组它所允许的基本数据类型。各种语言所能提供变量类型的多少决定了该语言功能的强弱。我们可以把数据类型看作是程序设计语言中已经实现的数据结构，如复数、数组等。因此，数据类型实际上是数据结构（包括逻

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辑结构和存贮结构）及其运算的总称。

在地理信息系统中，合适的数据结构和数据类型可以减少占用的存储空间，可以更合理的组织海量数据，可以应用图数据结构进行网络分析，判断两个空间要素之间的连通性及其最短路径。

3.3算法

3．2．1算法的概念和特性

数据结构和算法构成了计算机程序，所谓算法是对特定问题求解步骤的一种描述，它是指令的有限序列，其中每个指令表示一个或者多个操作。一个算法还具有以下五个重要特征：

1）有穷性2）确定性3）可行性4）输入5）输出 3．2．2算法设计的要求

设计一个“好”的算法应该考虑达到以下目标： 1）正确性2）可读性3）健壮性4）效率与低存储量需求

算法应该满足具体问题的要求，对于输入数据能够得到符合规格说明的结果。算法的可读性有助于人对算法的理解，便于修改和调试。当输入数据非法时，算法也能够正确处理，而不会出错。

决定一个算法的效率和存储需求的因素包括书写程序的语言、生成的机器代码的质量、机器执行指令的速度等等，但最重要的是算法解决问题的规模。一个算法是由控制结构（顺序、分支和循环三种）和原操作构成，通常是在算法中选取一个基本原操作，并以该操作重复执行的次数作为算法的时间度量。

在GIS系统中选择合适的算法是非常的重要的，这关系到整个GIS系统的性能。 4）地理信息系统概论 4.1GIS基本概念

4.1.1信息革命与GIS的产生 1．信息革命：

人类社会发展进程，计算机的应用（第一次信息革命），信息产业的兴起与发展 信息高速公路与数字地球（第二次信息革命） 2．GIS是信息时代地学科学的必然产物

3.地理信息：与空间地理分布有关的信息，具有空间定位和多维结构的性质。 信息系统：具有对数据进行各种处理功能并可向用户提供辅助预决策信息的计算机系统。

4.GIS的定义：

能够处理各种地理空间信息并能以多种形式输出的计算机系统。外观表现：计算机硬软件系统。实际上GIS就是计算机程序和地理空间数据组织成的地理空间信息模型。

5．GIS的工作模式：

以地理信息世界模拟表达地理现实世界，通过信息联系反映客观实体之间联系，对客观世界中各种具有空间特征的事物、关系和过程进行描述，分析和仿真。

6.GIS的发展

(1)国外：已进入商品化生产阶段。

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