地理信息技术

GIS（Geographic Information System）,中文译名“地理信息系统”，是国际上20世纪60年代发展起来的一门新兴技术。它是利用现代计算机图形和数据库技术来处理地理空间及其相 关数据的计算机系统，是融地理学、测量学、几何学、计算机科学和应用对象为一体的综合性高新技术。其最大的特点就在于: 它能把地球表面空间事物的地理位置及其特征有机地结合在一起，并通过计算机屏幕形象、直观地显示出来。这一特点使得GIS具有更加广泛的用途。

       地理信息是指表征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数字、文字、图像和图形等的总称。地 理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志。凡是与空间位置有关的信息都属于地理信息，在现 实生活中所存在的信息有80%是与空间位置有关系的。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性。地理信息系统是以描述、采集、存储、管理、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。它是以地理空间数据 库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地 理信息，为各类研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。

1、GIS系统组成

    GIS一般由以下四大部分组成:

（1）硬件

    GIS的硬件是一组电子设备。它通常包括中央处理器（CPU）、磁盘存储器、显示器、绘图仪、数字化仪和扫描仪等。 其中，中央处理器用来处理数据，磁盘存储器用来存储数据和程序，数字化仪和扫描仪用来输入数据，显示器和绘图仪用来显示与输出数据。

（2）软件

    GIS的软件是一个含若干程序模块的软件包。它主要包括数据输入和格式转换模块、数据编辑模块、数据管理模块、数据 操作模块以及数据显示和输出模块等。其中，数据输入和转换模块负责空间数据及属性数据的输入，实现不同的GIS数据格式之间的互为转换; 数据编辑模块负责建立空间数据的拓扑关系，实现空间数据和属性数据的关联，完成数据的增加、删除和修改; 数据管理模块负责数据库的定义、建立、访问和维护; 数据操作模块负责对空间数据进行放大、缩小和漫游操作，对空间数据及属性数据进行双向查询，对空间数据进行缓冲区分析、叠加分析及网络分析等; 数据显示和输出模块负责显示或输出地形图、专题图、文档与表格。

（3）数据

    GIS的数据是和空间地理要素相关的数据。GIS数据按类型可分为空间数据和属性数据。其中空间数据通常为几何图形 或图像数据，属性数据通常为文档或表格数据。GIS数据按内容又可以分为基础数据，如地质、地貌、地形数据; 专题数据，如规划、房地产、交通、环保、公用事业、公安和消防等数据; 宏观数据，如综合统计指标数据。

（4）用户

    GIS的用户是使用GIS的操作者。这些操作者必须受过严格的培训，具有GIS的基本概念，熟悉专业的管理业务，具 备通用的计算机操作能力，能够在实际工作中运用GIS软件来处理管理中的日常事物。

2、GIS基本方法

（1）数据采集

    建设GIS的首要工作是 建立地理数据库，而建立地理数据库的第一步是要确定其数据源并获取数据。GIS的数据源是多 种多样的，从总体上可分为空间数据和属性数据两大类。空间数据也称几何图形与图像数据，它包括现在的和历史的地形图、专题图及遥感影像等。其中地形图是空 间数据最重要的数据源。属性数据也称文档与表格数据，它包括所有与地理要素有关的特征信息，如某个街区的面积、人口、绿化率及配套设施等。在收集好各种数据资料之后，还必须对这些数据资料进行分类和标准化。分类就是将数据按客观的特征进行归纳、分层和分 级，以便今后系统对这些数据进行扩充、更新和维护。标准化就是确定数据的统一格式和编码，这有利于保障数据的正确性和对数据进行检索与分析。在完成数据资 料的收集，并经过分类和标准化处理以后，就可将数据输入到计算机中。

（2）空间数据结构

    GIS的核心是地理数据库，而地理数据库中最重要的数据是空间数据。空间数据结构就是指空间数据在地理信息系统内的 组织和编码形式。人们可以用自己的眼睛来有效地识别地球表面的各种实物，但计算机却做不到。要使计算机能够识别这些实物，则必须先由 人将地球表面的各种实物抽象化，再通过形象的几何图形或图像数据即空间数据加以描述之后，才能让计算机对其进行识别。空间数据有两种基本的描述形式: 栅格数据和矢量数据。

栅格数据结构

栅格数据的结构实际上就是像元阵列，每个像元由行和列来确定它的位置，并有一个唯一的值与之对应。栅格数据是对地理 空间信息的量化和离散描述，其每个像元的值可以用1位二进制来表示，可以用1个字节来表示，也可以用3个字节来表示。栅格数据结构强调的是图像。这种结构 的数据简单、直观，便于人的肉眼进行识别，适合于作GIS的背景显示。

矢量数据结构

矢量数据的结构实际上就是坐标集合，这些坐标集可以精确地定义图形的位置、形状和大小。其最常用的坐标系是二维笛卡 尔平面直角坐标系。

矢量数据结构强调的是几何图形。这种结构的数据相对栅格结构的数据精度高，所占空间小，是高效的图形数据结构。它可 以清楚地表示点、线、面各空间实体之间的关系，在GIS中便于计算机进行识别以及作空间查询与分析。

无论是矢量数据还是栅格数据，它们在GIS中都有其特定的作用，不能简单地强调某种数据描述的重要性。只有将矢量数 据和栅格数据结合起来使用，才能使GIS发挥最佳的效果。

（3）GIS编辑与管理

地理数据通过数据采集并按既定的数据结构被输入到计算机里之后，还需要对其进行编辑与管理。其中编辑的主要任务有:

©建立空间数据的拓扑关系。所谓拓扑关系是指几何图形元素之间的链接关系。对空间数据建立拓扑关系有利于GIS对其 进行查找和分析。

©实现空间数据和属性数据的连接。空间数据和属性数据在GIS中是以不同的组织形式分别存储，但是GIS又要对这些 数据进行综合性处理，因此这就需要在它们之间通过一个与空间数据和属性数据两者一起存储的唯一的标识符来连接。

©完成数据的增加、删除和修改。这项处理是GIS一项经常性的操作。在系统进行更新和维护时尤其如此。

3、GIS基本功能

（1）空间查询与空间分析功能

       空间查询和空间分析是从GIS目标之间的空间关系中获取派生的信息和新的知识，用以回答有关空间关系的查询和应用分 析。 GIS面向用户的应用功能不仅仅表现在它能提供一些静态的查询、检索数据，更有意义的在于用户可以根据需要建立一个应用分析的模式，通过动态分析，为评 价、管理和决策服务。如空间信息量测与分析、统计分析、地形分析、网络分析、叠置分析、缓冲分析、决策支持等。

（2）拓扑空间查询

       在此操作中，用户将地图当作查询工具，而不仅仅是数据载体。空间目标之间的拓扑关系可以有两类：一种是几何元素的结 点、弧段和面块之间的关联关系，用以描述和表达几何元素间的拓扑关系；另一种是GIS中地物之间的空间拓扑关系，可以通过关联关系和位置关系隐含表达，用 户需通过特殊的方法查询。这些空间关系主要有以下几项：面与面的关系，如检索与某个面状地物相邻的所有多边形及属性；线与线的关系，如检索与某一主干河相 关联的所有支流；点与点的关系，如检索到某点一定距离内的所有点状地物；线与面的关系，如检索某公路所经过的所有县市或某县市内的所有公路；点与线的关 系，如某河流上的所有桥梁；点与面的关系，如检索某市所有银行分布点。

（3）缓冲区分析

缓冲区用以确定围绕某地要素绘出的定宽地区，以满足一定的分析条件。点的缓冲区是个圆饼，线的缓冲区是个条带状，多 边形的缓冲区则是个更大的相似多边形。缓冲区分析是GIS中基本的空间分析功能之一，尤其对于建立影响地带是必不可少的。如道路规划中建立缓冲区以确定道 路两边若干距离内的土地利用性质。

（4）叠加分析

        叠加分析提供根据两幅或两幅以上图层在空间上比较地图要素和属性的能力，通常有合成叠加和统计叠加之分，前者是根据 两组多边形边界的交点建立具有多重属性的多边形，后者则进行多边形范围的属性特征统计分析。合成叠加得到一张新的叠加图，产生了许多新多边形，每个多边形 都具有两种以上的属性。统计叠加的目的是统计一种要素在另一种要素中的分布特征。

（5）距离分析及相邻相接分析

        距离分析提供了在地图上距离的功能，相邻分析确定哪些地图要素与其它要素相接触或相邻，而相接分析则结合距离和相邻 分析两者的针对性，提供确定地图要素间邻近或邻接的功能。相邻和相接分析广泛应用于环境规划和影响评价的公共部门。大多数GIS软件目前不能直接进行相邻 相接分析，而是通过先建立一定要求的缓冲区，再与其它图形要素进行叠置分析的间接方法解决。

（6）地形分析

      通过数字地形模型DTM，以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形，再从中内插提取各种地形分析数据，地形分析包括 以下内容：

     ©等高线分析

      等高线图是人们传统上观测地形的主要手段，可以从等高线上精确地获得地形的起伏程度，区域内各部分的高程等。

       ©透视图分析

        等高线虽然精确，但不够直观，用户往往需要从直观上观察地形的概貌，所以GIS通常具有绘制透视图的功能，有些系统 还能在三维空间格网上着色，使图形更为逼真。

       ©坡度坡向分析

        在DTM中计算坡度和坡向，派生出坡度坡向图供地形分析（如日照分析、土地适宜性分析等）。

        ©断面图分析

        用户可以在断面图上考察该剖面地形的起伏并计算剖面面积，以便用于工程设计和工程量算。

       ©地形表面面积和填挖方体积计算

       利用DTM数据，可以比较容易地求出所需要地区的地形表面面积以及施工区域内填挖方的体积（土石方量）。

4、GIS开发方式

地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型:一是应用型地理信息系统,以某一专业?领域或工作为主要内容,包括专题 地理信息系统和区域综合地理信息系统。二是工具型地理信息系统,也就是GIS工具软件包,如ARC INFO等,具有空间数据输入?存储?处理?分析和输出等GIS基本功能?应用型GIS有多种开发方式可供选择：

（1）独立开发

指不依赖于任何GIS工具软件,从空间数据的采集?编辑到数据的处理分析及结果输出,所有的算法都由开发者独立设 计,然后选用某种程序设计语言,如VisualC++?Delphi等,在一定的操作系统平台上编程实现?这种方式的好处在于无须依赖任何商业GIS工具 软件,减少了开发成本,但一方面对于大多数开发者来说,能力?时间?财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比,而且独立 开发的成本可能远高于购买GIS工具软件的费用?

（2）单纯二次开发

        指完全借助于GIS工具软件提供的开发环境进行应用系统开发?GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语 言,如ESRI的ArcView提供了Avenue语言,MapInfo公司研制的 MapInfo Professional提供了MapBasic语言等等?用户可以利用这些宏语言,以原GIS工具软件为开发平台,开发出自己的针对不同应用对象的应用 程序?这种方式省时省心,但进行二次开发的宏语言,作为编程语言功能较弱,用它们开发出的应用程序可能不尽如人意?

（3）集成二次开发

        集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件,如ArcView?MapInfo等,实现GIS的基本功能,以通用软 件开发工具尤其是可视化开发工具,如Delphi?VisualC++?VisualBasic?PowerBuilder等为开发平台,进行二者的集成 开发?它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理?分析功能,又可以利用其它可视化开发语言具有的高效?方便等编程优点,集二者之所长, 不仅能大大提高应用系统的开发效率,而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果,更强大的数据库功能,而且可靠性好?易于移植?便 于维护?集成二次开发目前主要有两种方式:

        ①OLE DDE

        采用OLE Automation技术或利用DDE技术,用软件开发工具开发前台可执行应用程序,以OLE自动化方式或DDE方式启动GIS工具软件在后台执行,利用 回调技术动态获取其返回信息,实现应用程序中的地理信息处理功能;

       ②GIS控件

      利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件,如ESRI的MapObjects? MapInfo公司的MapX等,在Delphi等编程工具编制的应用程序中,直接将GIS功能嵌入其中,实现地理信息系统的各种功能?

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