高中地理中图版必修3第三节 地理信息系统的应用教案设计

第三、四节　地理信息系统的应用和数字地球

学习目标：1.了解地理信息系统和数字地球的定义。2.理解地理信息系统的功能和流程并结合实例学会分析地理信息系统可以解决的四类问题。(重点)　3.会使用常见的GIS产品，能分别说明地理信息系统在城市管理中的应用。(重点)　4．掌握数字地球的核心思想和应用前景。(难点)

1．地理信息系统的应用

(1)地理信息系统

①概念

依靠计算机实现地理信息的收集、处理、存储、分析和应用的系统，简称GIS。

②功能

③工作流程

→→→→

(2)地理信息系统可以解决的四类基本问题

①与分布、位置有关的基本问题

查询“地点”和“状况”；查询符合一定条件的地物位置。

②趋势分析

通过某地物随时间变化的过程，分析其发展趋势。

③模式问题

揭示各种地物之间的空间关系。

④模拟问题

利用已掌握的规律建立起一定模型，模拟具备某种条件时将出现的结果。

(3)地理信息系统在城市管理中的应用

①城市信息管理与服务：向城市居民提供日常工作与生活所需的各种信息。

②城市规划：查询和统计，并用三维影像显示市貌，分析城市现状，有效管理城市地下管网。

⑤城市环境管理：主要包括环境规划与决策、监测、评价、预测与模拟等。

[特别提醒]　地理信息系统(GIS)不同于一般地图。一般地图是用符号系统表达区域内各种自然和社会经济现象的分布、联系以及变化等内容的图形。地理信息系统(GIS)是专门处理地理空间数据的计算机系统。

2．数字地球

(1)数字地球

①含义：对真实地球及相关现象的统一性的数字化重现与再认识。

②应用技术：全球定位系统、遥感技术、地理信息系统、虚拟技术、网络技术等。

③核心思想

a．用数字化手段统一处理地球问题。

b．最大限度地利用信息资源。

④基础

a．全球网络

要求信息网络嵌入到每个人的日常生活中。

b．分布式存储

信息分开存储到全球各地的计算机中。高速宽带网络的建设及其传输速度，是建立数字地球的重要基础。

⑤最大特征与依据——虚拟现实技术。

⑥重要信息源：高分辨率卫星影像。

[特别提醒]　数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存储，而是分散存储在数以万计的数据库中。这意味着参与数字地球的服务器需要由高速网络来连接。

(2)数字地球的应用前景

①数字地球与可持续发展

模拟人类活动对生产和环境的影响，制定可持续发展的对策。

②数字地球与政府决策

a．可为国家大型工程决策提供重要的参考数据。

b．为政府对城市的管理提供依据。

③数字地球与百姓生活

通过数字地球可网上购物，接受远程教育，参加交互娱乐项目等。

(1)地理信息系统的实现，依赖于计算机系统，因此该系统只由计算机软、硬件构成。                            (　　)

(2)地理信息系统的功能与地图是一样的。  (　　)

(3)数字地球的最大特征是虚拟现实技术。  (　　)

(4)数字地球的基础是全球网络与集中式存储。 (　　)

(5)下列研究项目中，主要应用GIS进行的有 (　　)

①近20年来广东省GDP的增长情况分析　②近10年来珠江三角洲花卉基地的分布变化情况分析　③广州市地铁线路的规划设计　④近10年来广州市城区建设情况调查与居民住宅小区布局研究　⑤中国银行广东省分行基金走势和投资项目分析研究

A．②③④　　　　　 B．①③④

C．②④⑤     D．③④⑤

提示：(1)×　地理信息系统由硬件、软件、数据、人员构成。

(2)×　地理信息系统不仅供查询，并能进行多种空间分析，所以其功能比地图要全面的多。

(3)√　数字地球的最大特征是虚拟现实技术。

(4)×　数字地球的基础是全球网络与分布式存储。

(5)A　[地理信息系统可以解决四类基本问题：与分布、位置相关的基本问题，趋势分析，模式问题，模拟问题。近20年来广东省GDP的增长情况分析以及中国银行广东省分行基金走势和投资项目分析研究利用一般的数据分析软件就可以实现。]

GIS的应用

材料一　地理信息系统可应用的领域相当广泛，可以说，凡是用到地图或需要处理地理空间数据的领域，都可以借助GIS技术。下图反映了目前我国大多数城市所存在的交通拥堵严重的现象。

材料二　地理信息系统是城市规划的重要工具。GIS数据存储采用“分层”技术，即将地图中的不同要素，存储在不同的“层”中。将不同的“层”要素进行重叠，就形成不同主题的地图。在GIS中，不同类型的地理空间信息储存在不同的图层上，叠加不同的图层可以分析不同要素间的相互关系。

问题1　根据所学知识，简要回答GIS在解决城市交通拥堵问题时可以在哪些方面发挥积极的作用。

提示：快速查询道路通行状况，迅速定位事故地点，提供交通疏散方案；为道路规划提供最佳路径分析；查询路况信息，为道路养护和应急抢修提供服务等。

问题2　未来五年上海将计划形成“海、空、铁、陆、水五路并举的格局”，城市土地利用状况将发生变化。五年以后，如果你要了解上海市近五年以来土地使用性质的变化、地块轮廓的变化等内容，在GIS系统中，你需要对哪些图层进行对比分析？若将上海的城市人口分布图层与城市交通图层叠加，即可为城市的哪种功能活动选址提供参考？

提示：近五年来上海市每年的土地利用图层。商业网点选址。

问题3　若你想利用假期去香港中文大学参观，但你对香港又不熟悉，你将怎样利用GIS进行路径查询？

提示：利用网络GIS调出香港中文大学所在位置附近地区的地图，查出车站(机场)到香港中文大学最合理的公交路线。

问题4　地理信息系统能否对城市环境问题进行治理？

提示：不能。地理信息系统可以为我们进行生态环境监测的决策提供依据，但是环境问题的治理还需要人们的实际行动。

[归纳总结]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．地理信息系统可以解决的基本问题

2.在城市管理中的应用

GIS的工作流程

地理信息系统能对地理空间数据进行输出、管理、分析和表达，其简要程序和每个程序含义图示如下：

1．随着科学技术水平提高，地理信息技术运用到防灾减灾工作上的频率越来越高。读“GIS分层图”，完成(1)～(2)题。

(1)根据上图可以推断出正在分析的地质灾害最可能为(　　)

A．崩塌     B．地震

C．滑坡     D．泥石流

(2)一位年轻研究员不小心把完整的图示弄丢了，现在需要制作出完整的图示，他需要填补的甲最可能是(　　)

A．坡面起伏状况     B．坡向

C．坡面侵蚀     D．地层厚度

(1)C　(2)B　[第(1)题，图示的地质灾害与坡度、倾斜的地层及活动断层有关，判断为滑坡。地震是地球内力的释放，与坡度无关；崩塌、泥石流与顺向坡面关联度不高。第(2)题，图示甲与地层倾斜图层合成的是顺向坡面，可判断甲是坡向。]

数字地球

材料一　数字虚拟生活

当你戴上头盔时，就看到地球出现在太空中。然后通过某个工具，对所看到的影像进行放大。随着分辨率的不断提高，你看见了大陆，然后是乡村、城市，最后是具体的房屋、树木以及其他天然或人造的景观。

你不受限制地穿越空间和时间。在以虚拟的方式去巴黎卢浮宫参观后，又通过对时间的反向推移，借助新闻短片、报纸等主要的原始资料学习法国的历史。你向自己的电子信箱发送一些有用的信息，留待将来使用。在这里，时间序列可以从现在延伸到遥远的过去，甚至延伸到恐龙时代。

材料二　利用数字地球保障儿童的安全。

问题1　材料一中提到了数字地球在未来日常生活中的应用，其应用领域主要有哪些？其中涉及的最主要的技术是什么？

提示：网上旅游、远程教育。涉及的最主要的技术是虚拟现实技术。

问题2　材料二中数字地球是如何保障儿童安全的？

提示： 给孩子佩戴GPS，如果儿童独自外出，母亲在家打开实时跟踪屏，利用接收到的信息来了解孩子的实时位置，看护自己的孩子。

问题3　数字地球除了在日常生活中的应用外，还在可持续发展研究和政府决策中发挥作用，试分别举例说明。

提示：可持续发展：模拟未来20年森林面积的变化，研究全球生态环境变化趋势。

政府决策：通过GIS分析犯罪模式和犯罪频率，合理分配警力资源。

问题4　从科学家、政府官员、普通百姓三个角色出发，分别简述数字地球的应用前景。

提示：科学家：可方便地获得地形、土壤类型、气候、植被、土地利用变化、矿产、森林、资源等方面的信息，应用空间分析与虚拟现实技术，模拟人类活动对生产和环境的影响，制定可持续发展的对策。

政府官员：数字地球可为国家大型工程决策提供重要的参考数据；数字地球也能为政府对城市的管理提供依据。

普通百姓：我们坐在家里，就可接受远程教育，进行网上购物，参加交互娱乐项目；还可轻松游览各国的风景名胜，逛遍各国的博物馆、美术馆、艺术画廊等。

[归纳总结]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．数字地球与各种应用技术的关系

全球定位系统、遥感、地理信息系统、虚拟现实技术、网络技术等是数字地球的基础。它们之间的关系如下图所示：

2．数字地球的应用

图示法理解数字地球与“3S”技术之间的关系

2．数字地球其实就是信息化的地球，是一个完整的地球信息化的模型。据此完成(1)～(2)题。

(1)数字地球实现以后，科学家们可以(　　)

A．制定可持续发展的对策 B．控制全球气温升高

C．控制人口增长速度     D．控制全球贫富差距

(2)数字地球应用于政府决策的领域有(　　)

①国家大型工程决策　②城市管理　③疾病防控

④防灾减灾　⑤远程教育

A．①②④⑤     B．①②③⑤

C．①②③④     D．①③④⑤

(1)A　(2)C　[第(1)题，数字地球实现以后，通过全球信息共享，依靠计算机的虚拟现实技术，对地球上的各种空间信息数据综合分析处理，可制定可持续发展的对策。第(2)题，数字地球可为政府决策提供依据，如大型工程建设、城市管理、疾病防控、防灾减灾等。远程教育是对百姓生活的影响。]

GIS图层的判读

下图是某专题研究建立的地理信息系统(GIS)图层。

【探讨1】　结合图层，该专题研究可能是什么？

提示：耕地分类及评价。

【探讨2】　如果利用图中信息进行深埋垃圾场选址，还需增加哪些图层？

提示：区域规划、水文地质图层等。

第一步：看图名，明确图层组成

上图为水系、土地利用、居民点、地形和土壤五大图层。

第二步：析图层，分析空间联系

同一地区不同图层表示该地区不同地理事物或现象的分布情况，不同的图层相互叠加就会形成各种地理事物或现象综合分布图，用于分析叠加事物或现象相关的应用领域。常见的叠加图层及延伸应用如下表所示：

综合思维——数字地球

2018年4月17日至19日，由国际数字地球学会主办的第七届国际数字地球峰会在非洲摩洛哥杰迪代市召开。国际数字地球学会总部设在中国，以推动和传播“数字地球”理念发展为宗旨，打造数字地球国际交流合作平台，促进数字地球科学技术提升，推动数字地球全球和区域应用，服务全球可持续发展。

依托数字地球实施精准农业系统、智能运输系统、“数字黄河”专业应用系统等。“数字黄河”可查阅黄河相关基础设施、专业应用等信息，可指导黄河防汛、水量调度等。

读图，完成1～2题。

黄河基础地理信息系统与“数字黄河”的关系

1．关于上图反映的“数字黄河”的叙述，不正确的是(　　)

A．可以用来查阅获取黄河的有关信息

B．可以用来指导黄河防汛和水量调度

C．对普通老百姓而言，距离较远，价值不大

D．“数字黄河”的建设需要不断完善和更新

2．有关“数字地球”的叙述，正确的是(　　)

A．就是指“3S”技术的应用

B．一个由数据和信息组成的地球

C．主要反映现实问题，不能应用于可持续发展

D．可以方便地获取信息，模拟人类活动对环境产生的影响，制定可持续发展的对策

1．C　2.D　[第1题，从图中可知，“数字黄河”很好地应用了地理信息技术，可以用来查阅获取黄河的相关基础设施、专业应用等信息，可指导黄河防汛、水量调度。当然，该系统还应继续完善，不断更新。第2题，数字地球是以地理信息技术为基础，信息化的地球是地球的虚拟对照体，人们可以通过这个模型，快速、形象地了解地球上的任何一点、任何方面的信息，为可持续发展研究提供条件。]

(教师独具)

题组1　GIS的应用

GIS即地理信息系统，具有地图处理、数据库和空间分析等功能。GIS可以像传统纸质地图一样，解决“地点”“状况”等有关查询，但GIS还能进行趋势分析、复杂的“模式”分析，还可以用“虚拟模拟”进行预测性分析。据此完成1～2题。

1．下面属于地理信息系统组成的是 (　　)

①GIS软件　②GIS人员　③应用模型　④GIS数据分析　⑤GIS数据输出

A．①②③　 B．②③④

C．③④⑤     D．①②⑤

2．通过地图、遥感图像、野外考察等获得数据的GIS技术程序是(　　)

A．数据处理     B．数据采集

C．数据分析     D．信息输出

1．A　2.B　[第1题，地理信息系统由GIS软件、GIS硬件(计算机等)、地理数据、GIS人员、应用模型五个部分组成。第2题，获得数据的过程是数据采集。]

地理信息系统(GIS)可应用于城市规划研究。读图，回答3～4题。

3．该城市中心区位于图示区域的  (　　)

A．东北部      B．西南部

C．西北部     D．东南部

4．若在该区域新建物流中心，最宜选择在  (　　)

A．甲      B．乙

C．丙      D．丁

3．B　4.D　[第3题，城市中心是商业区，商业区中心地价高，据地价图层可知位于西南部(注意图中方向标)。第4题，建物流中心的区位要求是地价较低、交通便利，综合各种图示，丁地符合条件。]

题组2　数字地球

中国政府和学术界在数字地球的基础上提出了“数字中国”的构想。构想中的“数字中国”将建立一个统一完整的国家公用信息网。它集成了国家信息网、国土资源信息网、长江流域监控网等网络的信息，并将促进这些系统的综合利用。据此回答5～6题。

5．有关数字地球的叙述，正确的是  (　　)

A．数字地球就是指因特网

B．数字地球就是“信息高速公路”

C．数字地球只能方便人们的生活，并不能创造实实在在的财富

D．数字地球是用数据通信技术使地球上信息的表达方式日益数字化

6．下列不属于“数字中国”服务领域的工作是(　　)

A．了解长江流域的水土流失状况

B．了解股市行情

C．通缉罪犯

D．设计时装

5．D　6.D　[第5题，数字地球的核心是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会等方面的问题，最大限度地利用地球信息资源。“3S”技术为其提供技术支撑，因特网、信息高速公路是其所依赖的技术。第6题，设计时装主要是指计算机技术在生产、生活中的应用。]

(教师用书独具)

教材P90探索

地理信息系统首先采集数据，标定过去几年的犯罪地点，然后进行数据处理、空间分析，获得分析犯罪频率和犯罪模式，根据分析结果，重新分配警力，使警力资源合理利用，从而减少了青少年的持枪犯罪行为。通过这个例子我们可以看出：地理信息系统是在收集信息的基础上，处理、存储、分析和应用，最大限度地合理解决问题。

    从这个事例可以看出GIS具有以下三种功能：地图的功能(如标定过去几年的犯罪地点)、数据库的功能(如总结利用过去的犯罪信息)、空间分析的功能(如分析犯罪频率的空间规律及对犯罪行为空间建模)。

教材P96思考

GIS可以对区域内自然资源条件、区位和交通、人口和劳动力条件以及社会经济条件等进行更精确的分析、评价。

地理信息系统在公众生活服务方面应用广泛。随着个人电脑与互联网的迅速普及，地理数据的应用已深入社会公众生活的方方面面，为居民生产、生活和出行提供方便快捷的地理数据服务。例如，人们外出旅游，可以通过旅游网站查询到旅游费用、时刻表、旅游线路、目标地的景点分布和服务项目等存储在GIS数据库中的数据。

教材P96复习题

1．常规的地图一般绘制在纸张等介质上，这种地图称为模拟地图。模拟地图制图工艺过程复杂，成图周期长，不易保存和及时更新。而利用地理信息系统可以制作电子地图。电子地图与纸质地图相比，具有很多优势：首先，电子地图以计算机屏幕为显示设备，以存储器为存储设备，易于保存和更新；其次，电子地图动态生成，表达方法多种多样；再次，电子地图缩放自如，便于浏览地理信息；最后，电子地图与数据库相连接，具有查询、计算和统计、分析功能。

2．RS是三种技术的基础，是信息源的主要渠道；GPS是在RS基础上实现的，其主要功能是定位与导航；GIS是在前二者基础上实现的，空间信息查询定位只是GIS最基本的功能之一，除此之外还有其他的基本功能。具体而言，RS、GPS、GIS三者既有分工又有联系。RS主要用于地理信息数据的获取，GPS主要用于地理信息的空间定位，GIS主要用来对地理信息数据进行管理、更新、分析等。RS为GIS提供地理信息数据，可加快GIS数据库的更新，保证地理信息系统的时效性；GPS为RS信息数据的目标选择、野外验证、图像分类等提供地面定位坐标信息，为更好地利用RS解决实际问题提供支持。

“3S”技术之间的关系如下图所示：

教材P97探索

这位同学的想法在未来可以实现。采用虚拟技术和网络技术，跨越时间和空间。全球定位系统主要作用是定位和导航，遥感技术主要作用是及时、迅速地获得信息和数据，地理信息系统主要作用是储存、管理、分析数据。

教材P101思考

数字地球的应用领域十分广泛，如预测气候变化、治理环境污染、防灾减灾、保持生物多样性、解决政治或经济危机、增加农业产出等。数字地球将对所容纳的大量行业部门、企业和私人添加的信息进行研究和分析。例如，基础设施建设的规划，全国铁路、交通运输的规划，城市发展的规划，海岸带开发，西部开发。房地产公司可以将房地产信息链接到数字地球上；旅游公司可以将酒店、旅游景点，包括它们的风景照片和录像等链接到数字地球上；世界著名的博物馆和图书馆可以将其收藏的图像、声音、文字等放入数字地球中；甚至将商店里面货架上的商品制作成多媒体或虚拟产品放入数字地球中，让用户任意挑选。

教材P101复习题

　随着人们对数字地球认识的逐渐加深和数字技术的不断发展，人们的社会生活正在悄然发生变化：传统的光学照相机正逐渐被数码照相机取代；普通的模拟电视逐步让位于数字电视；常规的纸质信函、电报渐渐被电子邮件和手机短信代替；纸质档案、办公文件逐渐被电子文档所取代等等；这一切变化虽然发生时间不长，但是发展速度很快，极大地改变着人类的生存方式。现在，网上数字图书馆、视频会议、电子商务、电子政务、电子教育、网上电子银行、网上购物等，又正在向我们走来。这一切，均源自数字技术的发展，源自数字地球的到来。

数字地球的核心思想，就是用数字化的手段整体性地解决与空间位置相关的问题和最大限度地利用信息资源。它需要很多学科，特别是信息科学技术的支撑，如信息高速公路、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存储技术、可视化和虚拟现实技术等，并与遥感、地理信息系统、全球定位系统技术相融合。数字地球的服务对象覆盖整个社会层面。数字地球的建设面向全社会，无论专业技术人员还是普通老百姓，都可以从中获得所需的信息。对于普通百姓而言，数字地球提供了前所未有的方便。我们坐在家里，就可接受远程教育，进行网上购物，参加交互娱乐项目，还可轻松游览各国的风景名胜，逛遍各国的博物馆、美术馆、艺术画廊等。总之，数字地球与百姓的生活有着千丝万缕的联系，可以这样说，只要是我们能够想到的方面，数字地球就能提供帮助。