第1章 绪论

1.1 基本概念

全球已处于信息化加速发展的时代，信息技术改变了人类的生活和工作方式，信息的获取和管理水平已经成为衡量一个国家综合实力的主要标志，信息技术已成为影响国家综合实力和国际竞争力的关键因素。信息资源已经成为一种财富，在社会生产和人类生活中已经开始发挥日益重要的作用。当前是我国全面建设小康社会，加快推进社会主义现代化建设，努力建设美丽中国、实现中国梦的关键时期，是形成完善的水利基础设施体系，全面深化水利改革和管理的关键时期，也是水利信息化建设的攻坚时期。水土保持信息化作为水利信息化的重要组成部分，也取得了显著的成效，同样处于发展和建设的攻坚拔寨时期。为了帮助大家全面系统地了解和掌握水土保持信息化工作，有必要熟悉以下几个基本概念。

1.1.1 信息系统

1.1.1.1 信息系统的概念

信息是经过加工后的数据，它正确反映客观事物状态及客观事实，对接受者的行为能产生影响，对接受者决策具有价值。

信息系统由人、硬件、软件和数据资源组成，目的是及时、正确地收集、加工、存储、传递和提供信息，实现组织中各项活动的管理、调节和控制。信息系统是一个向单位或部门提供全面信息服务的人机交互系统。它与应用单位的信息流程、制度、政策、目标、策略、组织、人力、财务、物资、对外联系，甚至传统和工作习惯都有密切的关系。一个系统的开发与运行，不只是某一个技术问题，而是涉及许多管理问题，如领导重视、用户的合作等，它们往往是系统成败的决定性因素。一旦环境和需求发生变化，信息系统必须进行适应性维护，否则将会导致无法继续使用。

1.1.1.2 信息系统的组成

信息系统包括信息处理系统和信息传输系统两个方面。信息处理系统是对数据进行处理，使其获得新的结构与形态或者产生新的数据。信息传输系统是把信息从一个地方传输到另外一个地方。信息的作用只有在广泛的交流中才能充分发挥出来。

1.1.1.3 信息系统的类型

（1）作业信息系统。作业信息系统的任务是处理组织的业务、控制作业过程和支持办公事务，并更新有关数据库，通常由业务处理系统、过程控制系统和办公自动化系统三部分组成。业务处理系统目的是迅速、及时、正确地处理大量信息，提高管理工作的效率和水平。过程控制系统主要是指用计算机控制正在进行的生产过程。

（2）管理信息系统。根据《中国企业管理百科全书》，管理信息系统是指以人为中心，以计算机和通信为手段，对数据进行各种加工和处理，能为一个组织机构提供管理、控制、预测和辅助决策信息的人机交互系统。也就是说，是对管理信息进行收集、传输、存储与处理，形成多用户共享系统，直接为基层和各级管理部门服务的系统。其最大的特点是高度集中，能将组织中的数据和信息集中起来进行快速处理和统一使用。

（3）决策支持系统。决策支持系统主要通过结合个人的智力资源和计算机的能力来改进决策的质量，是一个基于计算机的支持系统，服务于处理半结构化问题的管理决策制定者。

1.1.2 地理信息系统

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一个技术系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

GIS以计算机技术为核心，以遥感技术、数据库技术、通信技术、图像处理等技术为手段，以遥感影像、地形图、专题图、统计信息、调查资料以及网络资料等为数据源，按照统一地理坐标和统一分类编码，对地理信息收集、存储、处理、分析、显示和应用，并能为有关部门规划、管理、决策和研究提供服务。

一个完整的GIS主要由4部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（空间数据）和系统管理操作人员。其中计算机硬件系统和软件系统是核心，空间数据是内容，系统操作人员决定了系统的工作方式和信息的表达方式。

1.1.2.1 地理信息系统类型

（1）按内容分类，可以分成专题地理信息系统、区域地理信息系统和地理信息系统工具3类。前两者是面向应用的，是针对某一特定专业或区域而开发的应用型地理信息系统。而后者是GIS工具包，具有GIS数据采集、处理、管理、分析和输出等基本功能，用户可以在GIS工具的基础上二次开发建设满足自身需求的地理信息系统。

（2）按性能分类，可以分为空间管理型GIS、空间分析型GIS和空间决策型GIS三类。空间管理型GIS侧重于对空间数据的管理，空间分析型GIS侧重于空间数据的分析，空间决策型GIS侧重于辅助决策。

（3）按系统开发用户分类，可以分为最终用户使用的GIS、专业用户使用的GIS和软件开发人员使用的GIS三类。最终用户主要关注处理的结果，不关心过程，因此只要能提供用户所需的结果就可以了。专业用户主要关注GIS的空间分析功能，在此基础上得到需要的结果或扩展成专业的应用系统，因此专业用户使用的GIS要具有较强的空间分析功能和可扩充性。软件开发人员主要关注GIS的集成与开发，因此软件开发人员使用的GIS要以组件为核心，为系统开发提供技术手段，方便开发人员使用。

（4）按系统结构分类，可以分为单机结构GIS和网络结构GIS。单机结构GIS只能在独立的计算机上使用，网络结构GIS则支持在局域网和Internet环境下使用。

（5）按研究对象分布范围分类，可以分为全球性GIS和区域性GIS。全球性GIS的研究对象分布在全球范围内，区域性GIS的研究对象分布在某一特定区域。

1.1.2.2 地理信息系统功能

GIS功能强大，能够提供采集、处理、管理、分析等功能和成熟的决策分析模型。

（1）数据采集功能。数据采集是GIS建设的首要任务。它将地球表层目标地物的分布位置与属性通过输入设备输入计算机，成为GIS能够操作与分析的基础空间数据。

（2）数据处理功能。在图形数据录入完毕后，把需要的空间数据、遥感数据、专题图（点、线、面）进行各种处理，包括坐标转换、图层拼接、建立拓扑关系等。

（3）数据管理功能。GIS将空间数据，主要包括地理属性数据与地理空间数据，通过时空数据库进行管理，实现对数据的编辑修改和检索查询功能。

（4）空间分析功能。空间分析是对分析空间数据有关技术的统称，是GIS的核心。空间分析以空间数据库为基础，为GIS提供一些基本和常用的处理和分析能力，用于提取地理空间信息，解决用户工作中的实际问题。

（5）空间建模和空间决策支持功能。它是更高层次的GIS分析功能，结合了数据、模型、专业知识辅助用户做出决策。

（6）空间可视化与制图输出功能。利用计算机图形图像学技术和方法，将大量数据形象而直观地显示出来，方便用户使用，并可通过输出设备输出。

1.1.3 遥感

遥感（Remote Sensing，RS），顾名思义为遥远的感知。它是一种远离目标，在不与目标对象直接接触的情况下，通过某种平台上装载的传感器获取其特征信息，然后对所获取的信息进行提取、判定、加工处理及应用分析的综合性技术。

遥感技术通过观测地物反射或发射的电磁波的特性，识别物体以及物体存在环境，目的是为了获取研究对象的特征信息。

遥感技术系统是一个从信息收集、存储、处理到判读分析和应用的完整的技术体系。它能够实现对全球范围的多层次、多视角、多领域的立体探测，是获取地球资源的重要的现代高科技手段，在各行各业中应用广泛。遥感技术系统一般包含4个部分：遥感平台、传感器、遥感数据接收与处理系统、遥感解译系统。

1.1.3.1 遥感数据质量指标

如何评价遥感数据质量的好坏，是用户非常关心的问题。分辨率是遥感中衡量数据质量的一个重要指标，主要包括空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率。

（1）空间分辨率。它是指遥感图像像元的大小，是表征影像分辨地面目标细节能力的指标。像元是指将地面信息离散化所形成的栅格单元，单位一般是米。像元越小，空间分辨率越大，图像越清晰。

（2）时间分辨率。它是指对同一目标地物重复探测时，相邻两次探测的时间间隔。它能够提供地物动态变化的信息，可用来监测地物的变化。

（3）光谱分辨率。它是指传感器所能记录的电磁波谱中，某一特定的波长范围。波长范围越窄，光谱分辨率越高。高光谱遥感能提供丰富的光谱信息，有利于地物的识别。

（4）辐射分辨率。它是指传感器对光谱信号强弱的敏感程度、区分能力，即探测器的灵敏度——传感器探测元件在接收光谱信号时能分辨的最小辐射度差，或指对两个不同辐射源的辐射量的分辨能力，一般用灰度的量化级数来表示。

1.1.3.2 遥感的特点

（1）宏观观测，大范围获取数据资料。采用航空或航天遥感平台获取的航空像片或卫星影像比在地面上获取的观测视域范围大得多，并且可以拍摄到人类难以到达的地区，获得第一手的资料，为地球资源和环境的研究提供重要的数据源。

（2）动态监测，快速更新监控范围数据。对地观测卫星可以快速且周期性地实现对同一地点的连续观测，从而达到动态监测的目的。遥感这种获取信息快、更新周期短的特点，有利于及时发现病虫害、洪水及火灾等自然灾害，有效地预测预报灾害的发展趋势，为抗灾、减灾工作提供可靠的科学依据。

（3）技术手段多样，可获取海量信息。遥感技术可提供丰富的光谱信息，根据应用目的，用户可以选用不同功能和性能指标的传感器及工作波段，为科学研究、生产实践提供丰富的数据信息。

（4）应用领域广泛，经济效益高。遥感已广泛应用于城市规划、农业、土地管理、地质探矿、环境保护等诸多领域，随着遥感图像的空间、时间和光谱分辨率的提高，以及与地理信息系统和全球定位系统的结合，它的应用领域会更加广泛。

1.1.4 空间数据库

数据库是按照一定的组织方式来组织、存储和管理数据的“仓库”。建立数据库并使用维护的软件称为数据库管理系统（Database Management System，DBMS），它能有组织、动态地存储大量数据，方便用户检索查询。通常由数据库、硬件、软件和数据库管理员组成。

空间数据库是用来存储和管理空间数据与属性数据的数据库。空间数据库系统（Spatial Database Management System，SDBMS）是以一些通用的DBMS为基础进行数据类型、查询方法以及索引方法等拓展，使DBMS能进行空间数据的管理功能。简言之就是该数据库系统能够管理空间对象、空间的几何元素及其拓扑关系，以及涉及的属性数据和元数据。

1.1.4.1 空间数据类型

空间数据按照其特征可分为空间特征数据（地理数据）和属性特征数据。属性特征数据又分为时间属性数据和专题属性数据。

（1）空间特征数据。空间特征数据是指记录空间实体位置、拓扑关系和几何特征的数据，它是区别一般数据的标志。

（2）时间属性数据。空间数据是在某一时间或时段内采集、计算而来的，时间属性数据则是指记录空间实体采集、变化时间的数据。

（3）专题属性数据。专题属性数据是指记录空间实体各种性质的数据，如土地利用类型、行政区名称、地形坡度、坡向等。

1.1.4.2 空间数据结构

数据结构是指数据组织形式，符合计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据结构是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述，它可以分为矢量结构和栅格结构两种。

（1）矢量结构。在矢量结构中，地理实体用点、线、面表示，其位置由二维平面直角坐标系中的坐标来表达。空间关系主要包含空间度量关系（描述空间实体间的距离）、空间方位关系（如东、西、南、北、前、后、左、右等）、空间拓扑关系（空间点、线、面之间的逻辑关系，如关联、邻接、包含等）；矢量属性数据描述空间实体的专题特性，常用数值或字符来表示。空间数据属性同空间实体图形数据紧密联系，一个空间数据的属性对应于一个特定的空间位置。矢量结构的优点是数据精度高，所占存储空间小，但不便于进行空间分析。

（2）栅格结构。在栅格结构中，空间被规则地分割成一个个小正方形，地理实体用它们所占据的栅格的行列号来表达。栅格数据空间关系通过算法计算而得到，如四邻域、八邻域等算法。栅格数据的值代表了该位置的属性。因此，栅格结构可以同时具有空间信息和属性信息，有利于空间分析，但数据冗余量大。

1.1.5 C/S结构与B/S结构

1.1.5.1 C/S结构

C/S（Client/Server）结构即客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通信开销。C/S结构的基本原则是将计算机应用任务分解成多个子任务，由多台计算机分工完成，即采用“功能分布”原则。客户端完成数据处理、数据表示以及用户接口功能，服务器端完成数据库管理系统（DBMS）的核心功能。

Client和Server常常分别部署在不同的计算机上，Client程序的任务是将用户的要求提交给Server程序，再将Server程序返回的结果以特定的形式显示给用户；Server程序的任务是接收客户程序提出的服务请求，进行相应的处理，再将结果返回给客户程序。

1.1.5.2 B/S结构

B/S（Browser/Server）结构即浏览器和服务器结构，是Web兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用。客户机上只要安装一个浏览器，如Internet Explorer，服务器安装SQL Server、Oracle、MySQL、KingbaseES等数据库。浏览器通过Web Server 同数据库进行数据交互。B/S结构是伴随着因特网的兴起，对Client/Server结构的一种改进。从本质上说，B/S结构也是一种C/S结构，它可看作是一种由传统的二层模式C/S结构发展而来的三层模式C/S结构在Web上应用的特例。

1.1.6 管理信息系统应用的先决条件

开发管理信息系统是一项关系单位、行业全局的复杂工程，开发周期一般较长，因此，必须采取积极而慎重的态度，草率上马不可能达到预期目的，必须在系统开发前就积极创造一系列条件。主要的先决条件包括科学的管理基础、领导重视、业务管理人员的积极性、配套的开发维护队伍和适当的资源条件等五个方面，否则会有许多问题和麻烦，甚至导致失败。