(Course of Geographic Information System)
前 言
一、课程意义
二、课程安排
三、可选教材
1、当前时代特点要求
3、专业要求
开始学习
2、GIS发展势头迅速
1、信息时代特点
前言
1）信息的巨大物化力量
由于信息爆炸，人们的工作重点从单纯的物质生产转移到对信息的处理上来，因为对信息的合理管理和利用会产生巨大的经济效益。如股市信息
2）信息资源的科学管理和充分利用
由于社会进步，人类开始觉悟到对资源的利用不能简单掠夺，而应当合理地管理利用，把开发和保护结合起来。其表现为：兴起城市规划，污水、环境资源管理与利用，灾害监测系统，三峡工程等。
3） 信息产业的形成与壮大
信息产业的发展日益迅猛，已成为当代经济发展的重要特点。例如：1990年世界信息产业的产值达1489亿美圆，到90年代中期已突破1万亿美圆，成为跃居传统产业之上的最大产业之一。现代发达国家信息产业的产值率占国民生产总值的40%-60%，年增长是传统产业的3-5倍。 而约80%信息与空间分布有关，使得地理信息系统的发展更为迅猛。
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2、地理信息系统发展趋势前所未有
前言
目前，GIS 在科学界、技术界和商业界，在社会、经济和管理部门全面发展和推广应用，其标志为：
---投入使用的GIS系统，每2-3年翻一翻；
---GIS市场的年增长率为35%以上，目前从事GIS的厂家数目急增，主要厂家年销售量增长均在100%以上；
---愈来愈多的地区性和国际性会议以GIS为主题，讨论GIS理论及各种应用；
---愈来愈多的学术刊物和论文采用GIS为标题；
---愈来愈多的学科如地理、工程学、森林学、城乡规划、计算机科学、测量与制图学、航测与遥感学等，将GIS作为其发展方向加以强调；
---愈来愈多的大学增加关于GIS的课程，对GIS感兴趣的人愈来愈多；
---。。。
总之，包括GIS在内的信息技术正不断渗入到各行各业，并将彻底改变人们的工作方式、生活环境。
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3、专业要求
前言
在上述大环境下，社会急需GIS专业人才， GIS专业需要该课程作为主干课程；
接触GIS的程度不同，对GIS的理解不同；为了正确理解GIS，掌握GIS基本理论和方法，共同学习本课程。
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三、参考教材
[1]地理信息系统教程，胡鹏等，武汉大学出版社
[2]地理信息系统基础 ，龚健雅，科学出版社
[3]地理信息系统原理与方法，吴信才，电子工业出版社
[4] 地理信息系统原理与方法, 边馥苓 ,测绘出版社
前言
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二、课程安排
前言
什么是GIS？
GIS能作什么？
如何实现？
如何发展？
第一章 绪论 :GIS概念,与相关学科关系,GIS组成,GIS的功能与应用等
第二至八章：GIS数据结构、数据输入、数据处理、数据管理和空间分析等
第九章：GIS发展热点
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第一章 绪论
§1-1 GIS概念
§1-2 GIS发展
§1-3 GIS 构成
§1-4 GIS 功能和应用
二、信息与数据
三、地理信息与地学信息
四、信息系统和GIS
一、国际GIS的发展
二、我国GIS的发展
一、GIS组成
二、硬件配置
三、软件配置
一、GIS功能
二、GIS应用
一、例子
§1-5 GIS 相关学科
一、GIS构成
二、GIS学科树
一、GIS相关学科
一、例子
如何为一公园选择合理位置？
依山傍水； 交通方便； 较安静……
要求
方案2
条件2
方案1
条件1
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
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处理、分析
空间分析
算法
现实世界
获取
水系信息
地形信息
道路信息
植被信息等
+
+
+
空间
数据库
存储
二、信息与数据
第一章 绪论
1、信息
1）定义：
信息是现实世界在人们头脑中的反映。它以文字、数据、符号、声音、图象等形式记录下来，进行传递和处理,为人们的生产，建设，管理等提供依据。
2）信息的特性：
A、客观性：任何信息都是与客观事实相联系的，这是信息的正确性和精确度的保证。
B、适用性：问题不同，影响因素不同，需要的信息种类是不同的。信息系统将地理空间的巨大数据流收集，组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息，这是由建立信息系统的明确目的性所决定的。
如股市信息，对于不会炒股的人来说，毫无用处，而股民们会根据它进行股票的购进或抛出，以达到股票增值的目的。
C、传输性：信息可在信息发送者和接受者之间进行传输信息的传输网络，被形象地称为“信息高速公路”。
D、共享性：信息与实物不同，信息可传输给多个用户，为用户共享，而其本身并无损失，这为信息的并发应用提供可能性。
§1-1 GIS概念
2、数据
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
指输入到计算机并能被计算机进行处理的数字、文字、\符号、声音、图象等符号。
数据是对客观现象的表示，数据本身并没有意义。数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。
3、两者关系
（有人认为，输入的都叫数据，输出的都叫信息，其实不然）。
数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。
只有数据对实体行为产生影响才成为信息，数据只有经过解释才有意义，成为信息。
例如“1、”“0”独立的1、0均无意义。
当它表示某实体在某个地域内存在与否，它就提供了“有”“无”信息，当用它来标识某种实体的类别时，它就提供了特征码信息。
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三、地理信息与地学信息
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
1、地理信息
1）定义： 指与研究对象的空间地理分布有关的信息。它表示地理系统诸要素的数量、质量、分布特征，相互联系和变化规律的图、文、声、像等的总称。
2）特点：
A、地域性：（是地理信息区别于其它类型信息的最显著标志）。
地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相联系，它的这种定位特征是通过公共的地理基础来体现的。
B、多维结构：
指在同一位置上可有多种专题的信息结构。如某一位置上的地理信息包括（例图）
C、时序特征：
时空的动态变化引起地理信息的属性数据或空间数据的变化。因此，一实时的GIS系统要求能及时采集和更新地理信息，使得地理信息具有现势性。以免过时的信息造成决策的失误或因为缺少可靠的动态数据，不能对变化中的地理事件或现象作出合理的预测预报和科学论证。例如98年龙王庙特大洪水险情正是武汉勘测设计院利用先进的摇感、GPS技术测得实时数据为抗洪决策提供可靠依据。显然，如果用过时数据，这将造成多大的损失，这就是地理信息的时序特征。
2、地学信息
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。
地理信息的信息源是地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等；
地学信息所表示的信息范围更广泛，不仅来自地表，还包括地下、大气层甚至宇宙空间。它是人们深入认识地球系统、适度开发资源、保护环境的前提和保证。
3、两者信息源不同
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四、信息系统和地理信息系统
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
1、信息系统( Information System ,IS )
1）系统：
由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成，能完成特定功能的有机整体。
2）信息系统：
能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。具有采集、管理、分析和表达数据的能力。
3）类型：从适用于不同管理层次角度出发、信息系统分为下列不同类型。
事务处理系统、管理信息系统：主要支持操作层人员的日常事务处理，图书管理，借还书。
决策支持系统：从MIS中获取信息，进行推测，以辅助决策。
人工智能、专家系统：用计算机模仿人类思维过程进行推理，在医学上应用较成功。
为有效地对信息流进行控制，组织、管理、充分利用，就需要建立某种信息系统，那么对地理信息进行管理、利用就需要建立地理信息系统。
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2、地理信息系统( Geographic Information System ,GIS)
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
1）定义：不同领域、不同专业对GIS的理解不同，目前没有完全统一的被普遍接受的
A、GIS是对地理环境有关问题进行分析和研究的一门学科，它将地理环境的各种要素，包括它们的空间位置形状及分布特征和与之有关的社会、经济等专题信息以及这些信息之间的联系等进行获取、组织、存储、检索、分析，并在管理、规划与决策中应用。
B、 为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统。---美国国家地理信息与分析中心
C、 是在计算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，并回答用户问题为主要任务的计算机系统。
D、GIS是一种获取、存储、检索、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。--英国教育部
2）理解
a GIS是一计算机系统，既然是系统，就要具有系统的基本功能，数据采集、管理、分析和表达，所以每个GIS系统都是由若干具有一定功能的模块组成。
b GIS的处理对象是有关的地理分布数据，也就是空间数据，为了能对这些空间数据进行定位，定性和定量的描述，决定了GIS要对空间数据按统一地理坐标进行编码，这是GIS与其他信息系统不同的根本所在。
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3、GIS与其它IS之间的关系和区别
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
G
IS
空间数据和属性数据的联合体
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图片摘自 张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘
1）GIS与其它IS之间的关系（信息系统分类）
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
信息系统（IS)
非空间信息系统
空间信息系统（SIS）
如厂矿企业管理、财务等MIS
非地理信息系统
CAD/CAM
地理信息系统（GIS）
专题GIS
综合信息系统
地籍信息系统
城市管线信息系统
城市规划与管理IS
区域资源与环境IS
……
……
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2）GIS与其它IS的区别
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
A、GIS与一般MIS：
GIS离不开数据库技术。数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。
GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。
如电话查号台是一个一般MIS，只能回答用户询问的电话号码，而通信信息系统除了可查询电话号码外，还提供用户的地理分布、空间密度、最近的邮局等空间关系信息。
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B、GIS与CAD/CAM
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
管理了图形数据和非空间属性数据的系统不一定是GIS，如ＣＡＤ，ＣＡＭ
ＧＩＳ处理的数据大多来自于现实世界，较之人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；
GIS的属性库结构复杂，功能强大；
强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；
GIS采用地理坐标系 。
ＣＡＤ研究对象为人造对象—规则几何图形及组合；
图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；
ＣＡＤ中的拓扑关系较为简单；
一般采用几何坐标系 。
都有空间坐标系统；
都能将目标和参考系联系起来；
都能描述图形数据的拓扑关系；
都能处理属性和空间数据
GIS与CAD 不同点
GIS与CAD共同点
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GIS与CAM
CAM是GIS的重要组成部分；
综合图形和属性数据进行深层次的空间分析，提供辅助决策信息。
ＣＡＭ侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有地图辅助设计和产生高质量矢量地图的输出机制；
它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺乏拓扑关系；
它与数据库的联系通常是一些简单的查询。
都有地图输出、空间查询、分析和检索功能
GIS与CAM 不同点
GIS与CAM共同点
CAM（Computer Adid Map)--计算机地图系统\计算机辅助制图
第一章 绪论
§1-1 GIS概念
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§1-2 GIS发展
第一章 绪论
GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家 提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一本术语，并建立了第一个GIS___加拿大GIS，随后GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来。
诺基尔。汤姆林逊
1、60年代，探索时期（GIS思想和技术方法的探索）人们关注什么是GIS，GIS能干什么。
2、70年代，巩固时期，（这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进 GIS迅速发展）。这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。
3、80年代，实破阶段，也是GIS普遍发展和推广应用阶段，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。
4、90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。
一、国际GIS的发展状况
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二、我国GIS发展
我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：
1、 70年代，准备阶段：
一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。
2、 80年代，试验起步阶段:
这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。
3、 90年代，我国GIS发展阶段：
我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。
4、 96年以来，是我国GIS产业化阶段。
近几年来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和图土资源调查中发挥效益，一批高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等这些都标志我国GIS产业已进入新的发展阶段。
第一章 绪论
§1-2 GIS发展
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§1-3 GIS 构成
第一章 绪论
从计算机的角度看，GIS是由软件、硬件、数据和用户组成。
用户
软件
硬件
地理空间数据
数据（系统分析与处理的对象、构成系统的应用基础）
硬件（各种设备-物质基础）
软件（支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统）
用户（GIS服务的对象，分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户）
由于计算机的飞速发展和地理信息的时序特征，硬件寿命3-5年，软件（5-15年），数据（1-2年，5-70年不等）GIS需要不断维护、更新，所以用户要不断进行知识更新。
一、GIS组成
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二、硬件配置
第一章 绪论
§1-3 GIS 构成
数字化、解析测图仪、扫描仪 遥感处理设备等
前面说过，GIS作为技术系统必须具备数据的采集、管理、分析、表达和显示功能，一定功能必须由一定的软件、硬件实现，所以GIS的硬件配置为：
计算机 硬盘 光盘 等存储设备
存贮
处理
打印机 绘图仪 显示终端 等
输出
服务器、网络适配器、传输介质、调制解调器等网络设备。
网络
随着网络普及，信息共享成为时代要求，GIS要有网络功能
输入
功能
硬件配置
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三、软件配置
第一章 绪论
§1-3 GIS 构成
GIS应用软件
GIS硬件
操作系统
GIS专业平台软件
GIS用户界面
GIS数据库
有了计算机硬件之后，首先需要OS,DOS,WINDOWS,UNIIX等。裸机，没装任何OS的机子，是不能工作的。
GIS应用软件在GIS软件层次的外层，外层以内层软件为基础，共同完成用户指定的任务。
1、GIS软件层次
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2、GIS基础软件主要模块
第一章 绪论
§1-3 GIS 构成
图形及属性编辑
空间数据输入与转换
空间数据管理系统
空间查询与空间分析
制图与输出
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§1-4 GIS 功能和应用
第一章 绪论
GIS能作什么？
一、GIS 功能
缓冲区分析
叠加分析
空间查询
网络分析
地形分析
。。。
数据采集与输入
数据编辑与更新
数据存储与管理
空间查询与分析
数据显示与输出
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数据采集与输入
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
现实世界
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文字报告、遥感图象等
数字化仪
扫描仪
解析测图仪
键盘 等
编辑、接边、分层、图形与属性连接、加注记等
空间数据库
空间查询
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
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空间数据库
哈尔滨在哪里？
空间查询
属性查询
78路公交经过哪些站？
叠加分析
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
空间数据库
为某工厂选址，首先找出地价<1万元m;
且地形起伏较小的区域?
地价<1万元m
坡度小于3度的地形信息
空间检索
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满足两条件的区域
+
缓冲区分析
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
空间数据库
道路的噪音影响范围?
街道中心线
空间检索
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城市环境评价
网络分析
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
空间数据库
哪条路最近,如何乘车?
道路信息
空间检索
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地形分析
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
空间数据库
航道淤积, 挖槽方案比较?
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地形信息
空间检索
数据显示与输出
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
空间数据库
各种需求?
各种信息
空间检索
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二、GIS 主要 应用领域
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
资源管理
区域和城乡规划
灾害监测
环境评估
作战指挥
交通运输
宏观决策
商业金融、通讯邮电、日常生活等各领域
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资源管理
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
GIS最初就是起源于资源清查，是GIS的最基本的职能，目前趋于成熟的主要应用领域。资源清查包括土地资源，森林资源和矿产资源的清查、管理、土地利用规划，野生动物的保护等。GIS的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，并通过统计，叠量分析等功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和资源现状分析，从而为资源的合理开发、利用提供依据。
GIS在国际上典范中有：
A、加拿大应用GIS完成全国土地资源潜力和估算
B、利用GIS进行世界小麦大面积估产的高准确率---这些说明GIS在资源清查方面的应用趋于成熟。
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图片摘自 张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘
区域和城乡规划
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
在进行区域和城镇规划的过程中，要处理许多不同性质和不同特点的问题，涉及多方面要素，如资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等，GIS将这些数据信息归算到城市的统一系统之中，最后进行城市和区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划，城市建设用地适宜性评价，城市环境选质量评价，道路交通规划，公共设施配置及城市环境动态监测等，这些功能的实现是以GIS的一些数据处理和分析算法加以保证的，如GIS的空间搜索方法，多信息叠加处理和一系列的分析软件，回归分析，投入产出计算，模糊加权评价等。
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灾害监测
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
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GIS方法和多时相的遥感数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和淹没损失估算，确定泄洪区内人员撤退、财产转移和救灾物资供应的最佳路线，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。
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环境评估
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
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作战指挥
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
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交通运输
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
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宏观决策
第一章 绪论
§1-4 GIS 功能和应用
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GIS利用地理数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，可为国家宏观决策提供依据。例如我国在三峡地区的研究中通过利用GIS和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡工程的宏观决策提供了建库前后环境变化的数量，速度和演变趋势等可靠数据。
图片摘自 张超主编的《地理信息系统教程》所配光盘
§1-5 GIS 相关学科
第一章 绪论
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GIS
计算机科学
数据库理论
软件工程
计算机图形学
图象处理
人工智能
网络计算
数学
几何学
拓扑学
统计分析
地理学、测绘学、地学
地图学
RS、GPS
其他应用科学
二、GIS学科树
数学
运算研究
统计学
地理统计学
认知科学
计算机科学
测量
遥感
摄影测量学
制图学
可视化
符号学
信息存储
数据库
模式识别
计算几何
计算机图形学
人工智能
旅游业
航运
市场
资产管理
产业/商业
矿产开发
设施维护
公共信息查询
公共管理
考古学
人文地理学
社会科学
健康护理规划
流行病学
环境科学
地貌学
土壤科学
森林学
地质学
生态学
水文学
气象学
地形测量
环境测量
社会、经济测量
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