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地理信息系统GIS
2006年5月19日 9:27  来源:中国新通信  作者:李伟章
  地理信息系统(GIS,Geography Information System)是一门由信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学等多门学科综合而成的新学科,其核心是计算机科学,基本技术是数据库、地图可视化及空间分析技术。简单地说,GIS是处理地理数据(信息)的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。

  1 概述

  国外业界认为,19世纪以来普遍应用的地图和专题图可以认为是一种模拟的地理信息系统。按此定义,我国地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理图碑,它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全国各级行政机构,是宋代的中国地图。

  地理信息系统中“地理”的概念并非指传统的地理学,而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标(空间)数据、属性数据以及以此为基础的各种应用技术。

  1963年,加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息这一术语,他指出“要把地图变为数字形式的地图,以便计算机进行分析与处理”的新概念,从此开创了利用计算机技术处理地理空间数据的先河。1971年他主持建立了世界上第一个GIS———加拿大地理信息系统(CGIS),用于自然资源的管理和规划

  空间位置、属性及时间是地理信息的三个基本要素。地理信息既有空间特征,又有各种属性特征,并随时间而变化,具有海量数据量。例如车辆导航系统,与导航相关的信息如城市建设、道路建设、路况均随时间而变。另外,系统所用导航地图中应包含景点、超市、加油站、餐馆、旅馆、停车场等空间属性供用户查讯,且这些属性亦随时间而变化。

  古往今来,几乎人类的所有活动都是发生在地球上,都与地球表面位置(即地理空间位置)息息相关,随着计算机技术的日益发展和普及,地理信息系统以及在此基础上发展起来的“数字地球”、“数字城市”在人们的生产和生活中将会起着越来越重要的作用。

  2 GIS的研究内容

  2.1 输入

  地理数据(信息)如何输入到GIS中是一项费钱、费时的任务。大多数GIS的地理数据来源于纸质地图,常用的方法是数字化和扫描。数字化的主要问题是低效率和高代价;扫描输入则面临另一个问题,扫描得到的栅格数据如何变换成GIS数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式,就这一领域目前的研究进展而言,全自动的智能地图识别短期内没有实现的可能。因而,交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径,市场上已有多种交互式矢量化软件出售。

  目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式,遥感就是其中的一种形式。遥感数据已经成为GIS的重要数据来源,与地图数据不同的是遥感数据输入到GIS较为容易,但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情。因此,GIS中开始大量融入图像处理技术,许多成熟的GIS产品,如MAPGIS中都具有功能齐全的图像处理子系统。

  地理数据采集的另一项主要进展是GPS技术。GPS可以准确、快速地确定人或物在地球表面的位置,因而,除了作为原始地理信息的来源外,GPS在车辆跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等方面具有很大的潜力。

  2.2 存储

  GIS中的数据分为栅格数据(X、Y)和矢量数据(经、纬度)两大类,如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。在计算机高速发展的今天,尽管微机的硬盘容量已达到GB级,但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图这类对象仍是不够的。GIS的数据存储有其独特之处,大多数的GIS系统中采用了分层技术,即根据地图的某些特征,把它分成若干层(例如道路层、景点层、公共设施层等),整张地图是所有层叠加的结果。在与用户的交互过程中只处理涉及到的层,而不是整幅地图,因而能够对用户的要求做出快速反应。

  2.3 地理数据的操作和分析

  GIS中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段。对图形数据(点、线、面)和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴CAD和通用数据库中的成熟技术;有所不同的是GIS中空间数据与属性数据(例如景点介绍、宾馆客房价格等)紧密结合在一起,形成对地物的描述。问题是,对其中一类数据的操作势必影响到与之相关的另一类数据,因而操作带来的数据一致性和操作效率问题仍是GIS数据操作的主要问题。

  地理数据的分析功能,即空间分析,是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间数据分析功能,用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论,这对于许多应用领域(例如商业选址、抢险救灾等)是至关重要的。

  2.4 输出

  GIS输出是将用户查询的结果或是数据分析的结果以文本、图形、多媒体、虚拟现实等形式输出,是GIS问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种:在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。对于一些对输出精度要求较高的应用领域,高质量的输出功能对GIS是必不可少的。这方面的技术主要包括:数据校正、编辑、图形修饰、误差消除、坐标变换、出版印刷等。

  3 GIS主要应用范围

  物质世界中的任何地物都被牢牢地打上了时空的烙印。人们的生产和生活中80%以上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统(GIS)作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科,近年来得到了广泛关注和迅猛发展。目前,GIS的主要应用范围为:

  3.1 直观、便捷地集成各种地理属性数据

  由于地物的空间位置具有客观性,而地物本身又具有纷繁复杂的特性,除了具有自然特性以外,还具有社会经济特性。描述这些特性的属性数据非常丰富,但都可以通过具有同一坐标参考系统的空间位置进行统一组织。GIS为各种数据的集成提供了统一的框架,在此基础上可以直观表达地物及其空间关系。例如:基于电子地图一个地区的森林、矿山、农田、电站、湖泊等的资源分布;一个城市的餐厅、旅馆、超市、银行、医院等的公共设施分布。

  3.2 信息资源管理方面的应用

  GIS是一个具有结构和功能的系统,能获取和输入空间数据,并进行空间数据的处理和分析,并将结果按一定的方式输出。通过这种方式,各个行业的信息资源都可以按各自的要求进行处理,从而提高信息资源的管理和利用效率。各个行业信息系统的建设就是典型的例子,如地籍信息系统、林业资源管理信息系统、自来水设施管理信息系统、矿产资源管理信息系统、污染源管理信息系统、旅游资源管理信息系统、地下水资源管理信息系统等等。

  3.3 辅助决策方面的应用

  采用GIS的重要目的之一是辅助解决与空间相关的问题,其核心功能是空间分析,通过空间分析为各类用户提供管理和商业上的辅助决策。如疾病/林火等突发事件的监测与预警、设施故障处理、基站选址、商业选址、客户分布管理、房地产管理等。

  3.4 制作地图

  GIS是在计算机辅助制图(CAD)基础上发展起来的一门学科,是电子地图(矢量化地图)制作的重要工具。采用GIS可以将数据矢量化,从而使与空间有关的各种数据(信息)叠加到电子地图上。对空间数据进行各种渲染,高效、高性能、高度自动化处理是GIS制作地图的重要特点。

  3.5 提供与获得空间位置相关的服务

  通过GIS可提供和获得与空间位置相关的服务,如获得一定范围、精度和一定要素的空间数据或将空间数据矢量化分层叠加到电子地图上,进行与地理位置有关信息(如地名、路线、加油站、停车场、车辆修理厂等)查询,还可通过GPS定位终端和蜂窝移动通信网络进行位置查询、监控和导航等。

  3.6 基于Internet的WebGIS

  由于地理信息和大量的空间数据都是以文字、数字、图形、影像和多媒体方式表示的,将它们数字化,送入Internet,便可方便、快速和及时地将地理信息传送到全球的任何一个地方,以发挥地理信息在各行各业中的应用价值。GIS工作者只需在Internet上建立一些GIS网站,亿万网民就可通过GIS浏览器(即视窗GIS)随时随地根据需要来查询和浏览GIS。 

  3.7 蜂窝移动通信与GIS

  对移动通信行业而言,GIS系指通过蜂窝移动通信网络和/或手机内置GPS接收机获取用户手机位置,以及其它相关信息(例如附近的旅馆、商店、景点、交通状况等)并在电子地图配合下提供基于位置的增值业务系统。GIS将定位信息(经、纬度)和电子地图相结合,将地图和手机位置同时显示在手机屏幕(导航、导购、导游等)或远端的计算机屏幕上(跟踪、指挥、调度、监控、报警等),使用户可以方便、直观地使用定位服务。事实上目前蜂窝移动通信网所提供的基于位置的增值业务,几乎全部都是通过GIS来实现的。

  3.8 空间数据基础设施建设 

  “数字地球”一词已在世界范围内广为传播,但很多人并不理解其真正含义,仅把它理解成全球零散的各种数字信息在Internet上的流通。按照美国副总统戈尔在阐述“数字地球”概念时所举的例子,它实际上就是一个GIS。要实现地球数字化必须有数据基础,数字地球的基础是空间数据基础设施。空间数据基础设施建设包括空间数据服务体系、空间数据交换网站、数字地球空间数据框架和空间数据标准体系的建立。“数字地球”主要内容之一为“数字城市”,生活在未来“数字城市”的市民可以通过In-ternet、IPTV有线电视、手机和公共查讯触摸屏等终端获取出行、购物、旅游、交通、住宿、教育、文化、娱乐、房产交易、证券交易等综合信息服务。

  4 GIS技术的发展

  4.1 组件式GIS的研究

  建立一个小型的GIS己不是一两个人所能完成的,“数字地球”的建立更是一个极为庞大的系统工程,需要世界各地的人们参与。因此,把庞大的GIS软件系统分解成众多的GIS“元件”,可按应用需要将这些“元件”组装成“定做系统”。怎样将这些GIS“元件”通过标准的系统环境(如OLE和OpenDOC)与其它非GIS的“元件”嵌接,有效地实现系统合成,就成了GIS的研究方向。一旦实现了这一步,全世界的人都可以参与GIS的建设,完善数据库,建立丰富的元件库,用户可根据需要拼装调用。这种组件式的GIS的各元件或数据应该是分布式的存贮,通过分布式对象管理系统进行管理。 
  4.2 三维GIS技术

  三维GIS是许多应用领域对GIS的基本要求。三维GIS和二维GIS相比,可以帮助人们更加准确真实地认识我们的客观世界。以前的三维显示只能应用在大型的主机和图形工作站上,且只在极少数的部门如地震预测、石油勘探、航空视景模拟器中得到应用。随着计算机技术的发展,硬件成本不断地降低,一台普通的PC机就可以很轻松地进行真三维显示和分析。以前的GIS大多提供了一些较为简单的三维显示和操作功能,但这与真三维表示和分析还有很大差距。现在,三维GIS可以支持真三维的矢量和栅格数据模型以及以此为基础的三维空间数据库,解决三维空间操作和分析问题。 

  4.3 多媒体GIS技术

  多媒体技术正在进入GIS中,以改善GIS的数据采集、数据处理以及成果表达与输出的效能,发挥声、像等多媒体的应用。目前,图形、图像的立体显示己成功地融入数字摄影测量系统(DPS)中,DPS与GIS的集成和多媒体技术的应用将把我们感兴趣的东西变成一个虚拟实体。还可以将GIS以“虚拟现实”的方式输出,人们可通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等来感知GIS的输出。

  由上可见,地理信息系统已在人类生活和国民经济中起着十分重要的作用,预计地理信息系统在未来的几十年中将保持高速发展的势头,成为高科技领域的核心技术,并已被公认为21世纪的支柱产业。

 
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