مواضيع المحاضرة: Geographic Information Systems
background image

Fundamentals

(

Geo

graphic Information Systems

)


background image

2

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

GIS--What is it?

No easy answer anymore!

• Geographic/Geospatial Information 

– information about places on the earth’s surface
– knowledge about “what is where when”

(Don’t forget time!)

– Geographic/geospatial:  synonymous

• GIS--what’s in the S?

– Systems: the technology
– Science: the concepts and theory
– Studies: the societal context


background image

3

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Geographic Information Technologies

• Global Positioning Systems (GPS)

– a system of earth-orbiting satellites which can provide precise 

(100 meter to sub-cm.)  location on the earth’s surface (in lat/long 
coordinates or equiv.)

• Remote Sensing (RS)

– use of satellites or aircraft to capture information about the 

earth’s surface

– Digital ortho images a key product (map accurate digital photos)

• Geographic Information Systems (GISy)

– Software systems with capability for input, storage, 

manipulation/analysis and output/display of geographic (spatial) 
information

GPS and RS are sources of input data for a GISy.
A GISy provides for storing and manipulating GPS and RS data.


background image

4

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Defining Geographic Information Systems 

(GIS)

• The common ground between information processing and 

the many fields using spatial analysis techniques. 
(Tomlinson, 1972)

• A powerful set of tools for collecting, storing, retrieving, 

transforming, and displaying spatial data from the real 
world. (Burroughs, 1986)

• A computerised database management system for the 

capture, storage, retrieval, analysis and display of spatial 
(locationally defined) data. (NCGIA, 1987)

• A decision support system involving the integration of 

spatially referenced data in a problem solving 
environment. (Cowen, 1988)


background image

5

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Geographic Information System: 

intuitive description

• A map with a database behind it.
• A virtual representation of the 

real world and its infrastructure. 

• A consistent “as-built” of the 

real world, natural and manmade

Which is  
• queried to support on-going 

operations

• summarized to support strategic 

decision  making and policy 
formulation

• analyzed to support scientific 

inquiry


background image

6

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Why Study GIS?

• 80% of  local government activities estimated to be geographically based

– plats, zoning, public works (streets, water supply, sewers), garbage collection, land 

ownership and valuation, public safety (fire and police)

• a significant portion of state government has a geographical component

– natural resource management
– highways and transportation

• businesses use GIS for a very wide array of applications

– retail site selection & customer analysis
– logistics: vehicle tracking & routing
– natural resource exploration (petroleum, etc.)
– precision agriculture

– civil engineering and construction

• Military and defense 

– Battlefield management
– Satellite imagery interpretation

• scientific research employs GIS

– geography, geology, botany 
– anthropology, sociology, economics, political science
– Epidemiology, criminology


background image

7

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

The major areas of GIS application

• Local Government

– Public works/infrastructure management (roads, water, sewer)
– Planning and environmental management
– property records and appraisal  

• Real Estate and Marketing

– Retail site selection, site evaluation 

• Public safety and defense

– Crime analysis, fire prevention, emergency management, military/defense

• Natural resource exploration/extraction

– Petroleum, minerals, quarrying

• Transportation

– Airline route planning, transportation planning/modeling

• Public health and epidemiology
• The Geospatial Industry

– Data development, application development, programming


background image

8

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Examples of Applied GIS

Urban Planning, Management & 
Policy

– Zoning, subdivision planning
– Land acquisition
– Economic development
– Code enforcement
– Housing renovation programs
– Emergency response
– Crime analysis
– Tax assessment

Environmental Sciences

– Monitoring environmental risk
– Modeling stormwater runoff
– Management of watersheds, 

floodplains, wetlands, forests, aquifers

– Environmental Impact Analysis
– Hazardous or toxic facility siting
– Groundwater modeling and 

contamination tracking

Political Science

– Redistricting
– Analysis of election results
– Predictive modeling

Civil Engineering/Utility

– Locating underground facilities
– Designing alignment for freeways, transit
– Coordination of infrastructure maintenance

Business

– Demographic Analysis
– Market Penetration/ Share Analysis
– Site Selection

Education Administration

Attendance Area Maintenance

Enrollment Projections

School Bus Routing

Real Estate

– Neighborhood land prices
– Traffic Impact Analysis
– Determination of Highest and Best Use

Health Care

– Epidemiology

Needs Analysis

Service Inventory


background image

9

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

What GIS Applications Do:

manage, analyze, communicate

• make possible  the automation of activities involving geographic data

– map production
– calculation of areas, distances, route lengths
– measurement of slope, aspect, viewshed
– logistics: route planning, vehicle tracking, traffic management 

• allow for the integration of data hitherto confined to independent domains 

(e.g property maps and air photos).

• by tieing data to maps, permits the succinct communication of complex 

spatial patterns (e.g environmental sensitivity).

• provides answers to spatial queries (how many elderly in Richardson live 

further than 10 minutes at rush hour from ambulance service?)

• perform complex spatial modelling (what if scenarios for transportation 

planning, disaster planning, resource management, utility design)


background image

10

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

GIS System Architecture and Components

Data Input

Query Input

Geographic 

Database

Output: Display 

and Reporting

Transformation 

and Analysis


background image

11

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Knowledge Base for GIS

GIS

Application Area:

public admin.
planning
geology
mineral exploration
forestry
site selection
marketing
civil engineering
criminal justice
surveying

Computer
Science/MIS

graphics
visualization 
database
system administration
security

Geography
and related:

cartography
geodesy
photogrammetry
landforms
spatial statistics.

The convergence of technological 
fields and traditional disciplines.


background image

12

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

The GIS Data Model


background image

13

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

The GIS Data Model: Purpose

• allows the geographic features in real 

world locations to be digitally represented 
and stored in a database so that they can be 
abstractly presented in map (analog) form, 
and can also be worked with and 
manipulated to address some problem

(see associated diagrams)


background image

14

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals


background image

15

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

GIS Data Model

A layer-cake of information


background image

16

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

The GIS Model: example

roads

hydrology

topography

Here we have three layers or themes:

--roads, 
--hydrology (water),
--topography (land elevation)

They can be related because precise geographic 
coordinates are recorded for each theme.

longitude

longitude

longitude

Layers are comprised of two data types

Spatial data which describes location  (where)
Attribute data specifing what, how much,when

Layers may be represented in two ways:
•in vector format as points and lines
•in raster(or image) format as pixels

All geographic data has 4 properties:

projection, scale, accuracy and resolution


background image

17

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Spatial and Attribute Data 

• Spatial data (where)

– specifies location
– stored in a shape file, geodatabase or similar geographic file

• Attribute (descriptive) data (what, how much, when)

– specifies characteristics at that location, natural or human-

created

– stored in a data base table 

GIS systems traditionally maintain spatial and attribute data 

separately, then “join” them for display or analysis

– for example, in ArcView, the Attributes of … table is used to  

link a shapefile (spatial structure) with a data base table
containing attribute information in order to display the attribute 
data spatially on a map


background image

18

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Representing Data with Raster and Vector Models

Raster Model

• area is covered by grid with (usually) equal-sized, square cells
• attributes are recorded by assigning each cell a single value 

based on the majority feature (attribute) in the cell, such as land 
use type.

• Image data is a special case of raster data in which the “attribute”  

is a reflectance value from the geomagnetic spectrum

– cells in image data often called pixels (picture elements)

• Vector Model

The fundamental concept of vector GIS is that all geographic 

features in the real work  can be represented either as:

• points or dots  (nodes): trees, poles, fire plugs, airports, cities
• lines (arcs)streams, streets, sewers,
• areas (polygons)land parcels, cities, counties, forest, rock type 

Because representation depends on shape, ArcView refers to files containing 

vector data as shapefiles


background image

19

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

R T

1

R

T

2

H

R

3

R

4

R R

5

R

6

R

T

T

H

7

R

T

T

8

R

9

R

Real World

Vector Representation

Raster Representation

Concept of 
Vector and Raster

line

polygon

point


background image

20

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Images—dumb rasters
(although they look good!)

Smart Raster—5 feet grids

Smart Vector—Pavement polygons

Dumb Images

& Smart GIS Data


background image

21

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Projection, Scale, Accuracy and Resolution

the key properties of spatial data

• Projection: the method by which the curved 3-D surface of the 

earth is represented by X,Y coordinates on a 2-D flat map/screen 

– distortion is inevitable

• Scale: the ratio of distance on a map to the equivalent distance on 

the ground

– in theory GIS is scale independent but in practice there is an implicit range  of 

scales for data output in any project

• Accuracy: how well does the database info match the real world 

– Positional: how close are features to their real world location?
– Consistency: do feature characteristics in database match those in real world 

• is a road in the database a road in the real world?

– Completeness: are all real world instances of features present in the database?

• Are all roads included.

• Resolution: the size of the smallest feature able to be recognized

– for raster data, it is the pixel size

The tighter the specification, the higher the cost.


background image

22

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Examples


background image

23

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Street Network layer: lines

Land Parcels layer: polygons

Raster (image)  Layer
Digital Ortho Photograph Layer:

Digital Ortho photo: combines the 
visual properties of a photograph 
with the positional accuracy of a 
map, in computer readable form.

Vector
Layers

Layers

Projection: State Plane, North Central Texas Zone, NAD 83
Resolution: 0.5 meters 
Accuracy: 1.0 meters
Scale:

see scale bar

0

1500

3000 Feet


background image

24

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Overlay based on Common Geographic Location


background image

25

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Parcels within a half mile buffer of Park and Central

Photographic Image

Scanned Drawing

Analysis

Data Table


background image

26

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Anatomy of a GIS Database:

City of Plano

Vector Layers

Attribute Tables

Raster
Layers


background image

27

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Software for GIS: 

The Main Players

ESRI, Inc., Redlands, CA

– clear market leader with about a third of the market
– originated commercial GIS with their ArcInfo product in 1981
– privately owned by Jack Dangermond, a legend in the field 
– Strong in gov., education, utilities and business logistics

MapInfo, Troy N.Y.

– Aggressive newcomer in early 1990s, but now well-established.
– Strong presence in business, especially site selection & marketing, and telecom

Intergraph (Huntsville, AL)

– origins in proprietary CAD hardware/software
– Older UNIX-based MGE (Modular GIS Environment) evolved from  CAD 
– Current  GeoMedia was the first true MS Windows-based GIS
– strong in design, public works,  and FM (facilities management), but weakening

Bentley Systems (Exton, PA)

– MicroStation GeoGraphics, originally developed with Intergraph, is now their exclusive and 

main product..

– Strong in engineering; advertises itself as “geoengineering”

Autodesk  (San Rafael, CA)

– Began as PC-based CAD, but now the dominant CAD supplier
– First GIS product  AutoCAD Map introduced in 1996
– Primarily small business/small city customer base

The main  two 
“pure GIS” 
companies.


background image

28

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

ESRI Product Line-up: 

ArcGIS client products 

(Fall 2007)

ArcReader (“adobe acrobat” for maps) & ArcExplorer (spatial data viewer) 

Free viewers for geographic data. 

ArcGIS 9.x  Desktop: 

two primary modules (MS only)

1.

ArcMap: for data display, map production, spatial analysis, data editing

2.

ArcCatalog: for data management and preview

ArcToolbox, for specialized data conversions and analyses, available as a window in both

Available capabilities within these modules are “tiered” in three levels

ArcView: viewing, map production, spatial analysis, basic editing:

ArcEditor: ArcView, plus specialized editing:

ArcInfo: ArcView & ArcEditor  plus special analyses and conversions:

Extensions: for special apps.: Spatial Analyst, 3D Analyst, Geostatistics, Business Analyst, etc.
ArcObjects: to build specialized capabilities within ArcMap or ArcCatalog using VB for Applications 

ArcGIS Workstation (for UNIX and MS)

the old command line ArcInfo 7.1

ArcGIS Engine (MS NT/2000/XP

)

Set of embeddable GIS components (ArcObjects software objects) for use in building custom 
applications

Runs under Windows, Unix and Linux, with support for Java, C++, COM and .NET

Replaces MapObjects which were based upon a previous generation of GIS objects

Notes:

ArcView 3.3 the only GUI option for UNIX.
ArcGIS 8  released 2000 to integrate two previous standalone products: ArcView and ArcInfo
ArcGIS 9  released 2004 providing the full capability that should have been in ArcGIS 8!!!

--full support for all data types (coverages, shapefiles, geodatabases)
--full support for all previous geoprocessing analyses 
--Modelbuilder for scripting and repetitive processing
--ArcEngine for building custom applications


background image

29

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

ArcGIS Server:

three tiers of capability

Data services:  ArcSDE (Spatial Database Engine)

middleware to support spatial data storage in standard DBMS on server 

Supports all major industry databases:  

Oracle, SQL-Server, IBM DB2, Ingres

Map services:   ArcIMS (Internet Map Server)

Provides maps and simple query to a user without a desktop GIS

Accessed via web interface

Analytic services:  

Permits the creation of server-based  specialized GIS applications

Provides full range of GIS capabilities to a user without a desktop GIS 

Accessed via web interface  

(prior to 9.2 these were sold as three separate products)

ArcGIS On-line Services

On-line services  made available on the Internet with a subscription

Normally charged on a “per transaction” basis, but can be flat fee

built and operated by ESRI (or other others), usually based on ArcGIS Server

ESRI Product Line-up: 

ArcGIS server products

(Fall 2007)


background image

Clients

ESRI  ArcGIS System

Files

(Personal Geodatabase,
Shapefiles, Coverages,
Grids, tins, etc)

ArcSDE Services

Database storage/access

Databases

Multi-user Geodatabases

(in Oracle, SQL Server,

IBM DBII, etc)

ArcInfo

ArcEditor

ArcView

ArcIMS Services

Map display & query

ArcExplorer

Browser

Internet

ArcPad

ArcEngine/
ArcObjects
Application
Development &
Customization

c:\ ArcGIS Workstation

Consistent interface
Increasing capability

ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox

ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox

ArcMap
ArcCatalog
ArcToolbox

Source: ESRI with mods.

Handheld/Wireless

$

ArcServer Services

Full GIS analysis


background image

31

9/28/2015 Ron Briggs, UTDallas, GIS Fundamentals

Future Generic GIS Internet Enterprise 

Web Server

Databases

Broker

Browsers

Web

Applications

Services

( built on 
.Net, SOAP/XML, Java API)

Source: Reza Wahadj, CSIG04, with mods

.

Dallas

Durban

Delhi




رفعت المحاضرة من قبل: Medoo Chan
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 148 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل