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作者：周艺彪编

出版社：复旦大学出版社

出版时间：2017-12-01

书籍编号：30505860

ISBN：9787309133707

正文语种：中文

字数：253610

版次：1

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：地理信息系统与公共卫生

作者：周艺彪

出版社：复旦大学出版社

出版时间：2017-12-01

ISBN：9787309133707

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地理信息系统与公共卫生

主编　周艺彪

编委（以章节次序为序）

周艺彪　郑盛邦　宋秀霞　潘　翔

杨　亚　于　鑫　高建川　史　研

伍劲屹　肖鹏磊　程婉婷

前　言
Preface

地理信息系统作为一门综合性学科，虽然萌芽于20世纪60年代，但已经广泛应用于国民经济生活和国防建设的各个领域和渗透到众多学科领域。随着地理信息系统、全球定位系统和遥感技术（“3S”技术）的不断发展和高度集成，逐步实现了对各种空间信息进行快速收集、处理、分析及可视化表达。目前已在公共设施管理、交通、城市规划与管理、环境保护监测、公共安全与减灾救助、医疗卫生、商业和军事等许多领域展示了广阔的应用前景。

公共卫生是关系到广大群众身体健康的一项重要的公共事业，是一门通过保障措施、评价和政策发展来预防疾病、延长人类寿命及促进人类的身心健康的科学和艺术。地理信息系统的发展促进了公共卫生事业的发展，使其研究向着更符合人类社会现实需求的方向发展。利用地理信息系统，很方便地描述和分析人群疾病、健康和卫生事件的时空分布规律，探索影响特定人群健康状况的因素，为疾病的防治、健康的促进及卫生服务提供帮助。

本书是在作者进行国家“863”计划项目、国家自然科学基金重大项目和面上项目及国家科技重大专项等多个项目实践和教学实践基础上编写而成，目的是为了促进地理信息系统等技术在公共卫生领域得到更广泛的应用，突出地理信息系统技术和方法在公共卫生领域中的实践作用。本书共分21章，第1章至第5章主要介绍地理信息系统和公共卫生及基本概念和调查设计。第6章至第9章以ArcGIS 10软件为基础介绍数据收集与编辑、空间数据的转换与处理等。第10章至第11章介绍遥感系统和全球定位系统。第12章至第16章主要介绍空间数据的可视化和空间分析方法。第17章至第21章主要介绍地理信息系统等技术与方法在传染性疾病、慢性非传染性疾病、环境卫生、卫生管理和伤害中的应用。部分章节后有若干实例，可帮助复习。

本书由周艺彪负责全书的总体设计、组织、审校和定稿工作，杨亚、宋秀霞、潘翔、郑盛邦、肖鹏磊、高建川、史妍、伍劲屹、程婉婷、于鑫等负责部分章节的编写，杨宇、李林瀚、王英鉴、董淑容、杨东见等参与了部分章节的校对工作，复旦大学出版社编辑在本书的编写和出版过程中给与了大力的支持和帮助，在此一并致以衷心的感谢。

由于作者水平有限和学科的不断发展，书中难免有不妥或错误之处，敬请各位专家、学者、教师、同学和读者批评指正。

周艺彪

2017年8月7日于复旦大学

第一章　绪　　论

地理信息系统（geographic information system, GIS）是一门综合性学科，结合了地理学、地图学及遥感技术和计算机科学。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。随着地理信息系统、全球定位系统（global positioning systems, GPS）和遥感技术（remote sensing, RS）（简称“3S”技术）的不断发展，以GIS、GPS和RS为基础，将GIS、GPS和RS 3种独立技术高度集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息进行快速准确的收集、处理、分析及可视化表达。目前，“3S”技术已广泛应用于公共设施管理、交通、城市规划与管理、环境保护监测、公共安全与减灾救助、医疗卫生、商业和军事等多个领域，已显示其广阔的应用前景。

公共卫生是关系广大人民群众身体健康的一项公共事业，是一门通过评价、政策发展和保障措施来预防疾病、延长人类寿命及促进人类的身心健康的科学和艺术。具体内容包括对重大疾病尤其是传染病（如血吸虫病、结核病、艾滋病和肝炎等）的预防、监测和治疗，对食品、药品、公共环境卫生的监督管制，以及相关的卫生宣传、健康教育、免疫接种等。许多公共卫生领域的数据中往往包含一些与空间因素相关的信息，约80%的流行病学资料具有空间属性，如人群或动物的发病总发生在一定的空间位置，而处在某一空间位置的地理环境或社会因素又影响着疾病的发生。又如地方病只发生在某些特定地理区域，我国有80％的地区有地方病分布，受地方病威胁的人口多达4.2亿多，约有3 600多万地方病患者。而所谓地方病的产生，主要与地理环境中的某些因素有关。地理学与医学相互融合产生了一门新的交叉学科——医学地理学（medical geography）。它是研究人群疾病和健康状况的地理分布与地理环境的关系，以及医疗保健机构和设施地域合理配置的学科。其研究领域包括自然环境、生态环境和地球人文社会环境对人体健康和疾病的影响，为人体健康提供合理的理论和措施。随着“3S”技术的发展，也极大地促进医学地理学科的发展，使其研究向着更符合人类社会现实需求的方向发展。流行病学是公共卫生及预防医学领域的基础应用学科，也是公共卫生实践的科学基础。对健康及疾病的研究可以通过观察疾病对个体的影响和动物实验的结果，以及描述其在人群中的分布情况进行。在传统描述性流行病学的研究中，有5个核心的W(what, who, where, when, why/how)，即显示了空间属性对于流行病学分析的重要性。一旦发生疾病的暴发流行，需通过卫生系统，对某一个时间与空间位置中的病患进行调查与监测，并对疾病的空间分布特征进行分析，研究疾病暴发流行的原因及其影响因素，进而确定高危人群和高发地区，制定预防措施。但传统的流行病学研究并不注重对空间信息的利用分析。随着“3S”技术和空间分析技术的发展，认识到空间信息对于流行病学研究有着巨大的价值，就产生了一门新兴的流行病学分支——空间流行病学（spatial epidemiology)。它是流行病学的一个分支，是一门描述、定量分析和解释疾病在地理上分布变化的学科，即利用地理信息系统和空间分析技术，描述和分析人群疾病、健康和卫生事件的空间分布规律，探索影响特定人群健康状况的因素，为疾病的防治和健康的促进等提供服务。

第二章　地理信息系统

第一节　基本理论

一、基本概念

信息是指用文字、数字、符号、语言、图像、图形等介质来表达事件、事物或现象等的内容、数量和特征，从而向人们（或系统）提供的关于现实世界新的事实和知识，具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。地理信息是关于地理实体、现象或关系的本质、特征及其运动状态、规律的表征和一切有用的知识。地理信息的特征除了具备信息的一般特征外，还有空间分布性、数据量大、信息载体多样性和时序性等特征。

地理信息系统是以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面（包括大气层在内）与空间和地理分布有关的数据的计算机空间信息系统。随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”(geographic information science），近年来，也有称GIS为“地理信息服务”（geographic information service）。由于不同的部门和不同的应用目的，GIS的定义也有所不同。在面向数据处理过程的定义中，Goodchild把GIS定义为“采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合技术系统”。Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”，俄罗斯学者也把GIS定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合”。地理信息系统是一门综合性学科，结合地理学与地图学及遥感和计算机科学，已经广泛地应用于不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理，把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作集成在一起。

二、GIS的特点

GIS是一种特定的空间信息系统，与其他信息系统相比，除具有计算机化的技术系统特点外，还具有以下特点。

（一）GIS的操作对象是地理实体或空间数据

所谓地理实体指的是在人们生存的地球表面附近的地理图层（大气图、水图、岩石图、生物图）中可相互区分的事物和现象，即地理空间中的事物和现象。在地理信息系统中，所操作的只能是实体的数据，它们都有描述其质量、数量、时间特征的属性数据，也有其非属性的数据——空间数据，即以点、线、面方式编码并以（X、Y）坐标串储存管理的离散型空间数据，或者以一系列栅格单元表达的连续型空间数据。地理实体数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的描述，即空间特征数据和属性特征数据统称为地理数据。GIS以地理实体数据作为处理和操作的主要对象，这是它区别于其他类型信息系统的根本标志。

（二）在数据综合、模拟与分析评价能力方面具有显著优势

GIS具有独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形创造和可视化表达手段，以及地理过程的演化模拟和空间决策支持功能等。其中，通过地理空间分析可以产生常规方法难以获得的重要信息，实现在系统支持下的地理过程动态模拟和决策支持，这既是GIS的研究核心，也是GIS的重要贡献。

（三）GIS与测绘学和地理学密切相关

地理学是一门研究人—地相互关系的科学，研究各自然界面的生物、物理、化学过程，以及探求人类活动与资源环境间相互协调的规律，这为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为GIS的基础理论依托。测绘学不但为GIS提供各种不同比例尺和精度的定位数据，而且其理论和算法可直接用于空间数据的变换和处理。GIS是以一种全新的思想和手段来解决复杂的规划、管理和地理相关问题。例如，城市规划、商业选址、环境评估、资源管理、灾害监测、全球变化，甚至在现代企业中作为制定科学经营战略的一种重要手段，因为企业对外界的认知能力和信息处理能力提高了，就能创造空间上的竞争优势。解决这些复杂的空间规划和管理问题，这是GIS应用的主要目标之一。

第三章　公共卫生

公共卫生（public health）是在人类与传染病和其他疾病的斗争中随着生命科学的启蒙和发展而逐渐形成的。顾名思义，公共卫生是研究公共健康问题的科学。医学的目的是治疗疾病，公共卫生所关注的则是所有人群的整体良好状态。它考虑的是怎样才能最大限度地消除不健康因素、预防疾病、延长寿命和促进健康。但它又与预防医学有一定的区别，更注重于宏观管理、卫生政策和公共卫生实践。为了能够利用地理信息系统对公共卫生资源公平、有效、合理地配置，必须要明确什么是公共卫生？公共卫生的具体内容是什么？哪些卫生服务领域应该纳入公共卫生范畴？

第四章　空间数据分析

1963年，加拿大测量学家Roger F.Tomlinson首先提出地理信息系统（GIS）这个概念，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS)，用于加拿大土地资源的管理和规划。地理信息系统与多个学科交叉，应用领域极其广泛，如在资源环境管理、道路交通管理、城市规划、灾害监测、公共卫生等领域的应用。因此不同领域的专家对地理信息系统有不同的理解，目前比较普遍采用的定义是1989年Dueker和Kjerne提出的：“GIS是由硬件、软件、数据、人员、机构和制度组成的信息系统，用于采集、整理、分析、散发地球上的地理信息”。该定义较为全面地考虑了GIS的组成部分和主要功能。

长久以来，公共卫生缺乏一个完整、精辟的定义，人们对于公共卫生的理解也趋于片面，甚至早年，公共卫生被混淆为“养成良好生活卫生习惯”“保护环境卫生”“预防疾病的策略”等。随着社会经济的进步，公共卫生的定义不断完善和发展，公共卫生着重点也随之发展，使之更契合当前的需求，顺应未来的发展趋势。虽然公共卫生的涵盖领域不断在扩充，但根据现有定义可分解为4块主要研究内容，包括疾病控制、环境卫生、健康促进和公共卫生管理。公共卫生的四大块主要研究内容或多或少都与空间或地理信息有关联。而空间地理信息资料是GIS开展研究的基础核心。地理空间资料成了两者相互合作的契合点（图4-1），GIS在公共卫生上的运用发挥了它的空间数据分析和结果可视化等功能，公共卫生使用GIS技术拓宽了GIS的应用范围。两者相互作用，为人类健康提供强有力的支持。

图4-1　GIS与公共卫生的关系

第五章　调查设计

调查设计（survey design）又称研究设计，即有关科学研究的具体内容、方法的设想和计划。一般来说，公共卫生研究的目的是观察和分析研究事件的特征及其与研究因素的联系，并科学地制定和评价公共卫生策略措施。“公共卫生的本质是以流行病学为其科学核心，联合多学科通过有组织的社区努力来解决预防疾病和促进健康的问题”。地理信息系统和流行病学相结合是利用地理信息系统和空间分析技术来描述和分析人群疾病和健康事件的空间分布特点及发展变化规律，探索影响特定人群健康状况的决定因素，为防治疾病、促进健康及卫生服务提供策略和措施。其主要任务是疾病制图、点源或线源危险因素评估、疾病聚类分析、地理学相关研究等，因此需要研究者以空间思维的方式对某一疾病或健康事件进行观察、概括和分析其空间维度，时间维度和属性维度。

第六章　ArcGIS 10入门介绍

第一节　ArcGIS 10概述

20世纪90年代以来，美国环境系统研究所公司（Environmental Systems Research Institute, Inc.简称Esri）相继推出了多个版本系列的ArcGIS软件，其产品不断更新扩展，作为一个全面的、可伸缩的地理信息系统平台，ArcGIS为用户构建一个完善的GIS系统，提供完整的解决方案。在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术以及云计算等主流计算机技术之后，Esri成功于2010年推出了新一代GIS软件——ArcGIS 10，在ArcGIS 9的数据服务器ArcSDE和ArcGIS Desktop、ArcGIS Server、ArcGIS Engine和ArcGIS移动产品的框架基础上添加了ArcGIS Online功能。

一、ArcGIS 10体系

（一）ArcGIS Desktop

ArcGIS桌面是一套集成的应用程序的总称，包括ArcMap、ArcCatalog、ArcGlobe、ArcScene、ArcToolbox和ModelBuilder。通过通用的应用界面，用户可以实现任何从简单到复杂的GIS任务。ArcGIS桌面可以分为4个级别产品。

ArcReader、ArcView、ArcEditor和ArcInfo。ArcReader是一个免费的地图数据（PMF）浏览、查询及打印出版工具；ArcView提供了综合性的数据使用、制图、分析，以及简单的数据编辑和空间处理工具；ArcEditor是在ArcView基础上增加了高级的地理数据库编辑和数据创建功能；ArcInfo是ArcGIS Desktop的旗舰产品，扩展了复杂GIS分析功能和丰富的空间处理工具。相互关系如图6-1所示。

图6-1　ArcView、ArcEditor和ArcInfo功能构成对比

（二）ArcGIS Server

ArcGIS Server主要包括如GIS服务器、Web服务器、客户端、数据服务器，以及管理器与ArcCatalog管理等部分，可进行空间数据管理、空间可视化（制图）和空间分析。依据其功能和服务器规模差异，可分为3个级别的版本：基础版、标准版和高级版，功能逐级递增。基础版提供用于空间数据管理的GIS服务器，它主要利用ArcSDE技术来组织和管理地理数据集。标准版为用户提供用于空间数据管理和可视化（制图）的GIS服务器，包含所有基础版的功能。高级版提供用于空间数据管理、制图、3D可视化和基于浏览器的编辑、地理处理、空间分析、建模等功能。高级版包含所有基础版和标准版的功能。

（三）ArcGIS Engine

ArcGIS Engine为使用C++、COM、NET或Java的ArcGIS开发者提供软件组件库，构建专门的GIS应用解决方案。

（四）ArcGIS Mobile

ArcGIS 10提供了可以满足简单和复杂的移动应用需求的解决方案。ArcPad以地图为基础，可快速，便捷实现数据采集，大大提高了野外数据的可用性和有效性。ArcGIS Mobile包含一个以任务为向导的移动应用程序，并使用Web服务架构完成数据同步，可进行现场地图浏览、现场观测和现场数据采集任务。ArcGIS Desktop和ArcGIS Engine集中组建的移动GIS系统，一般可在高端平板电脑中执行需要更为复杂的地理工具才能完成的现场任务。

（五）ArcGIS Online

ArcGIS Online是构建在ArcGIS“云架构”之上的在线资源库。ArcGIS Online中包含的资源主要有以下4个。

1．ArcGIS Online地图服务　各种类型的底图、专题图。例如，地形图、人口分布图等。

2．ArcGIS Online任务服务　各类ArcGIS用户可以获取的、网络上的Geoprocessing服务。

3．ArcGIS网络制图　利用ArcGIS的网络制图模块来构建和部署应用系统，支持Flex, JavaScript或Microsoft Silverlight的开发环境。

4．地图社区　通过Esri的社区地图计划，建立在线的公共资源平台。

第七章　数据采集与编辑整理
第一节　数据采集

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图7-1　数据采集与处理流程
空间数据采集指将现有地图、遥感图像、实测数据、文本资料等转换成空间数据库可用的数据。数据采集可分为属性数据采集和图形数据采集。不同的数据源，有不同的采集与处理方法，基本流程如图7-1所示。
一、数据源种类与采集方法
地理信息系统的数据源是指建立地理信息系统数据库所需要的各种类型数据的来源，主要包括以下几种。
（一）地图数据
各种类型的地图是GIS的最主要数据源之一，通常采用扫描矢量化的方法来采集。地图是地理数据的传统描述形式，是具有共同参考坐标系统的点、线、面的二维平面形式的表示，内容丰富，图上实体间的空间关系直观，而且实体的类别或属性可以用不同的符号加以识别和表示。主要包括普通地图和专题地图两类。普通地图是以相对平衡的详细程度表示地球表面上的自然地理和社会经济要素，主要表达居民地、交通网和水系等。其中大比例尺地形图具有较高的几何精度，真实反映区域地理要素的特征。专题地图着重反映一种或少数几种专题要素，如地质、地貌和土壤等原始资料。使用地图作为数据源时应注意，因为地图有以下的几个特点：①地图储存介质的缺陷。由于地图多为纸质，存放条件的不同可能导致不同程度的变形，具体应用时，须对其进行校正。②地图现势性较差。传统地图更新需要的周期较长，造成现存地图的现势性不能完全满足实际需要。③地图投影的转换。由于地图投影的存在，使得对不同地图投影的地图数据进行交流前，须先进行地图投影的转换。
（二）遥感图像数据
遥感图像是GIS中一个极其重要的数据源，对于它们的采集与处理，已有完整的摄影测量、遥感图像处理的理论与方法。通过遥感影像可以快速、准确地获得大面积的、综合的各种专题信息，航天遥感影像还可以取得周期性的资料，这些都为GIS提供了丰富的信息。每种遥感影像都有其自身的成像规律、变形规律，所以在应用时要注意影像的纠正、影像的分辨率等方面的问题。
（三）实测数据
实测数据主要指各种野外实验、实地测量所得数据，包括平板仪测量，一体化野外数字测图、空间定位测量等，它们通过转换可直接进入GIS的空间数据库。通常具有精度高和现势性强的优点，是GIS的重要数据来源。实测数据指各类野外测量所采集的数据。
（四）统计数据
人口、自然资源等方面的大量统计资料、国民经济的各种统计数据，常常也是GIS的数据源，尤其是属性数据的重要来源。可采用扫描仪输入作为辅助性数据，也可直接用键盘输入。
（五）数字数据
随着各种专题图件的制作和各种GIS系统的建立，直接获取数字图形数据和属性数据的可能性越来越大。数字数据也成为GIS获取数据的重要来源之一。但需注意数据格式的转换和数据精度、可信度的问题。已有的数字化数据通常可通过相应的数据交换方法转换为当前系统可用的数据。
（六）文本资料数据
各种文字报告和立法文件在一些管理类的GIS系统中，有很大的应用，如在土地资源管理、灾害监测、水质和森林资源管理等专题信息系统中，各种文字说明资料对确定专题内容的属性特征起着重要的作用。可用键盘直接输入。
二、属性数据采集
属性数据即空间实体的特征数据，一般包括名称、等级、数量、代码等多种形式，属性数据的内容有时直接记录在栅格或矢量数据文件中，有时则单独输入数据库存储为属性文件，通过关键码与图形数据相联系。属性数据一般采用键盘输入。
（一）属性数据的编码
属性数据的编码是指确定属性数据的代码的方法和过程。对于要直接记录到删格或者矢量数据文件中的属性数据必须先对其进行编码，将各种属性数据变为计算机可以识别与处理的数字或字符形式，便于GIS储存管理。
属性数据编码一般要基于以下几个原则。
1．系统性和科学性　编码系统在逻辑上必须满足所涉及学科的科学分类方法，不仅要体现该类属性本身的自然系统性，还要能反映出同一类型中不同的级别特点。
2．一致性　编码的一致性是对象的专业名词、术语的定义等必须严格保持一致，对代码所定义的同一名词、术语必须是唯一的。
3．标准化和通用性　为满足未来有效的信息传输和交流，所制定的编码系统必须在有可能的条件下实现标准化。
4．简捷性　在满足国家标准的前提下，每一种编码应该是以最小的数据量载负最大的信息量。
5．可扩展性　应考虑到在实际使用时往往会出现新的类型需要加入到编码系统中。
（二）编码内容
1．登记部分　用来标识属性数据的序号，可以是简单的连续编号，也可划分不同层次进行顺序编码。
2．分类部分　用来标识属性的地理特征，可采用多位代码反映多种特征。
3．控制部分　用来通过一定的查错算法，检查在编码、录入和传输中的错误，在属性数据较大的情况下具有重要意义。
（三）编码方法
编码方法为：①列出全部制图对象清单； ②制定对象分类、分级原则和指标，将制图对象进行分类、分级； ③拟定分类代码系统； ④代码及其格式。设定代码使用的字符和数字、码位长度、码位分配等； ⑤建立代码和编码对象的对照表。这是编码最终成果档案，是数据输入计算机进行编码的依据。
目前，较为常用的编码方法有层次分类编码法与多源分类编码法两种基本类型：
1．层次分类编码法　按照分类对象的从属和层次关系为排列顺序的一种代码，它的优点是能明确表示出分类对象的类别，代码结构有严格的隶属关系。
2．多源分类编码法　又称独立分类编码法，是指对于一个特定的分类目标，根据诸多不同的分类依据分别进行编码，各位数字代码之间并没有隶属关系。
（四）属性数据校核
属性数据录入的过程中可能存在如观察错误、数据过时和数据输入错误等，因此在录入后需要对其进行校对，主要包括：属性数据与空间数据是否正确关联，标识码是否唯一，不含空值；属性数据是否准确，属性数据的值是否超过其取值范围等。
三、图形数据采集
（一）地图数字化
地图数字化是指把传统的纸质地图或其他材料上的地图转换为计算机可识别的图形数据的过程，以便进一步在计算机中进行存储、分析和输出。数字化方式常用的有3种。
1．手扶跟踪数字化　手扶跟踪数字化要求特定的手扶跟踪数字化仪。除对处理简单图形要素效率较高外，也适于更新和补充少量的内容。这种方式数字化的速度比较慢，工作量大，自动化程度低，数字化精度与作业员的操作有很大关系，所以目前已基本上不再采用。
2．扫描数字化　目前，地图数字化一般采用扫描矢量化的方法，要求有一定的扫描设备及配套的栅格编辑和矢量化软件。对栅格图像的矢量化有软件自动矢量化和屏幕

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