地理信息系统GIS概述

时间:2008-11-21   来源:   网友评论:0   人气: 203 作者:

1. 什么是地理信息系统

   地理信息系统,简称GIS(Geographic Information System)。顾名思义,地理信息系统是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息,又常称为空间信息。一般来说,GIS可定义为:"用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术"。从GIS系统应用角度,可进一步定义:"GIS由计算机系统、地理数据和用户组成,通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析,生成并输出各种地理信息,从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识,为工程设计和规划、管理决策服务"(陈述彭,1999)。

  人类生活在地球上,80%以上的信息与地球上的空间位置有关。GIS的出现是信息技术及其应用发展到一定程度的必然产物。地理信息系统萌芽于上世纪的60年代。1962年,加拿大的Roger F. Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据,并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统(CGIS),以实现专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和规划等;与此同时,美国的Duane F. Marble在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统,以支持大规模城市交通研究,并提出建立地理信息系统的思想。70年代是地理信息系统走向实用的发展期。美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力和财力。到1972年CGIS全面投入运行与使用,成为世界上第一个运行型的地理信息系统;在此期间美国地质调查局发展了50多个地理信息系统,用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息;1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统,存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息;瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统,如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。但由于当时的GIS系统多数运行在小型机上,涉及的计算机软硬件、外部设备及GIS软件本身的价格都相当昂贵,限制了GIS的应用范围。

  80年代是GIS的推广应用阶段,由于计算机技术的飞速发展,在性能大幅度提高的同时,价格迅速下降,特别是工作站和个人计算机的出现与完善,使GIS的应用领域与范围不断扩大。GIS与卫星遥感技术相结合,开始用于全球性问题的研究,如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等(李德仁,1994);从土地利用、城市规划等宏观管理应用,深入到各个领域解决工程问题,如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。在这一时期,出现了一大批代表性的GIS软件,如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINPO、ERDAS、Microstation等,其中ARC/INFO已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用,并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。

  90年代为GIS的用户时代,随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及,GIS成为了一个产业,投入使用的GIS系统,每2~3年就翻一番,GIS市场的增长也很快。目前,GIS的应用在走向区域化和全球化的同时,己渗透到各行各业,涉及千家万户,成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时,GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络(包括Web GIS)、多维的方向发展。

  我国地理信息系统方面的工作始于80年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始,地理信息系统研究作为政府行为,正式列入国家科技攻关计划,开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1994年中国GIS协会在北京成立,标志中国GIS行业已形成一定规模。九五期间,国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持,1996年,为支持国产GIS软件的发展,原国家科委开始组织软件评测,并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。1998年,国产软件打破国外软件的垄断,在国内市场的占有率达25%。同年,在抽样调查25个省市19个行业的1000多个单位中,全部使用了地理信息系统(秦其明、袁胜元,2001)。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测,在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用,在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。

2. 地理信息系统的组成

  GIS的应用系统由五个主要部分构成,即硬件、软件、数据、人员和方法。

2.1 硬件

  硬件是指操作GIS所需的一切计算机资源。目前的GIS软件可以在很多类型的硬件上运行,从中央计算机服务器到桌面计算机,从单机到网络环境。一个典型的GIS硬件系统除计算机外,还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备。根据硬件配置规模的不同可分为简单型、基本型、网络型。图1是典型的网络型GIS硬件配置(修文群,1999),图2是一个典型的基本型GIS硬件配置,它是一般用户最常用的配置。

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        图1 网络型GIS硬件系统                                                图2 基本型GIS硬件系统     

 

2.2 软件

  软件是指GIS运行所必须的各种程序。主要包括计算机系统软件和地理信息系统软件两部分。地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有:输入和处理地理信息的工具;数据库管理系统工具;支持地理查询、分析和可视化显示的工具;容易使用这些工具的图形用户界面(GUI)。

2.3 数据

  数据是一个GIS应用系统的最基础的组成部分。空间数据是GIS的操作对象,是现实世界经过模型抽象的实质性内容确良。图3展示了GIS对现实世界的信息表达与分层。

  一个GIS应用系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。数据来源包括室内数字化和野外采集,以及从其他数据的转换。数据包括空间数据和属性数据,空间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及几何拓扑关系。

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2.4 人员

  人是地理信息系统中重要的构成要素,GIS不同于一幅地图,它是一个动态的地理模型,仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统,需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发,并采用空间分析模型提取多种信息。因此,GIS应用的关键是掌握实施GIS来解决现实问题的人员素质。这些人员既包括从事设计、开发和维护GIS系统的技术专家,也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。一个GIS系统的运行班子应有项目负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。

2.5 方法

  这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法,即常说的应用模型。它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题的。如基于GIS的矿产资源评价模型、灾害评价模型等。

3. 地理信息系统的主要功能

  一个GIS软件系统应具备五项基本功能,即数据输入、数据编辑、数据存贮与管理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。图4是一个典型的GIS功能框图。

 

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3.1 数据输入

  数据输入是建立地理数据库必须的过程。数据输入功能指将地图数据、物化遥数据、统计数据和文字报告等输入、转换成计算机可处理的数字形式的各种功能。对多种形式、多种来源的信息,可实现多种方式的数据输入,如图形数据输入、栅格数据输入、GPS测量数据输入、属性数据输入等。用于地理信息系统空间数据采集的主要技术有两类,即使用数字化仪的手扶跟踪数字化技术和使用扫描仪的扫描技术。手扶跟踪数字化曾在相当长的时间内是空间数据采集的主要方式。扫描数据的自动化编辑与处理是空间数据采集技术研究的重点,随着扫描仪技术性能的提高及扫描处理软件的完善,扫描数字化技术的使用越来越普遍。

3.2 数据编辑与处理

  数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成,图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。

3.3 数据的存储与管理

  数据的有效组织与管理,是GIS系统应用成功与否的关键。主要提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量数据结构、光栅数据结构、矢栅一体化数据结构是存储 GIS的主要数据结构。数据结构的选择在相当程度上决定了系统所能执行的功能。    数据结构确定后,在空间数据的存储与管理中,关键是确定应用系统空间与属性数据库的结构以及空间与属性数据的连接。目前广泛使用的GIS软件大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法,用GIS管理空间数据,用关系数据库管理属性数据。图5是一个典型的地学数据分层管理概念模型,其中展示了空间图层及其属性的连接。

 

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3.4 空间查询与分析

  空间查询与分析是GIS的核心,是GIS最重要的和最具有魅力的功能,也是GIS有别于其他信息系统的本质特征。地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容:

  l 空间检索:包括从空间位置检索空间物体及其属性、从属性条件检索空间物体;

  l 空间拓扑叠加分析:实现空间特征(点、线、面或图像)的相交、相减、合并等,以及特征属性在空间上的连接;

  l 空间模型分析:如数字地形高程分析、BUFFER分析、网络分析、图像分析、三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型分析等。

3.5 可视化表达与输出

  中间处理过程和最终结果的可视化表达是GIS的重要功能之一。通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式,对于图形数据,根据要素的信息密集程度,可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素地图,也可以根据用户需要,分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。

  除上述五大功能外,还有用户接口模块,用于接收用户的指令、程序或数据,是用户和系统交互的工具,主要包括用户界面、程序接口与数据接口。由于地理信息系统功能复杂,且用户又往往为非计算机专业人员,用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分,使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。

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