地理信息系统
1.1 地理信息系统的基本概念
1.1.1 地理数据与地理信息
\1. 地理数据
地理数据（geographical data）是指各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包含空间位置、属性特征和时态特征三部分。空间位置数据描述地物所在的位置，这种位置既可以是在大地参考系下的绝对位置，也可以是地物间的相对位置；属性特征是对地物特征的定性或定量描述；时态特征数据是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。
2. 地理信息
地理信息（geographical information）是有关地理实体和地理现象的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征和地理现象之间关系的地理数据的解释。地理信息具有一般信息的特点之外，还具有独特的特征：
（1）定位特征：地理信息属于空间信息，位置的识别与数据相关联，是地理信息区别与其他类型信息的显著标志。
（2）多维特征：在二维空间的基础上实现三维结构。
（3）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。
1.1.2 地理信息系统
地理信息系统（GIS）是一种特定的十分重要的空间信息系统。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。
地理信息系统既是跨越地球科学、空间科学和信息科学的一门应用基础学科，又是一项工程应用技术，它是以地学原理为依托，在计算机软硬件的支持下，研究空间数据的采集、处理、存储、管理、分析、建模和显示的相关理论方法和应用技术，以解决复杂的管理、规划和决策等问题。
1.1.3 GIS组成
图1.GIS组成
GIS功能的实现需要一定的环境支持，GIS 运行环境包括计算机硬件系统、软件系统、空间数据、地学模型和管理与应用人员五大部分。
\1. 硬件系统
计算机与一些外部设备及网络设备的连接构成GIS的硬件系统，用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据。一般包括：计算机主机，数据输入输出设备，数据存储设备以及网络设备。
\2. 软件系统
软件系统是指 GIS 运行所必需的各种程序，通常包括 GIS 支撑软件、GIS 平台软件和 GIS应用软件三类。
图2.GIS软件系统组成
（1）GIS支撑软件：任何GIS软件都需要一个基础的运行环境，例如，常用的操作系统包括移动端的安卓、IOS，PC端的Windows、Linux、人大金仓等；GIS数据的存储管理，通常也需要依赖于大型企业级数据库，有 Oracle、Microsoft SQL Server等。
（2）GIS平台软件：GIS平台软件包含处理地理信息的各种高级功能，可作为其他应用系统建设的平台。最为典型的 GIS平台如国外的 ArcGIS 商业平台，QGIS 开源平台等；国内的有GeoScene、MapGIS、GeoStar、SuperMap等商业平台。
（3）GIS应用软件：GIS 的应用行业非常广泛。基础平台软件提供的功能并不能满足各行业对 GIS 的业务需求。这就需要 GIS 开发人员基于某个 GIS 平台已有的功能和开放的接口，结合某个行业的具体业务需求开发出符合行业需要的 GIS 应用系统。
3. 空间数据
是地理信息系统操作的对象，具体描述空间实体的空间特征、属性特征和时间特征。
4. 地学模型
GIS 的地学模型是根据具体的地学目标和问题，以 GIS 已有的操作和方法为基础，构建能够表达或模拟特定现象的计算机模型。
5. 应用人员
具体可以将 GIS 的应用人员分为科学研究人员、项目管理人员、软件设计人员、系统开发人员、数据维护人员和普通用户六类。
2.1 地理信息系统功能及应用功能
2.1.1 GIS的基本功能
GIS的基本功能包括：数据采集，数据编辑与处理，数据存储、组织与管理，空间查询与空间分析，数据输出与可视化表达，应用模型与系统开发。
2.1.2 GIS应用功能
GIS 的应用功能不同于其基本功能。GIS 的基本功能是所有GIS都应具有的，其功能固定且有限。而应用功能则面向不同的应用环境及需求，构建了不同的应用模型，专注于行业内特定问题的解决。
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图3.GIS应用功能
2.2 GIS不同平台之间数据转换
2.2.1 MapGIS数据转换为ArcGIS数据
MapGIS向ArcGIS数据格式转换可以通过多种方式实现，如通过E00文件进行转换，E00数据是一种ArcGIS提供的外部交换格式，通常用于和其它GIS系统进行数据转换。
2.2.2 AutoCAD数据转换为ArcGIS数据
\1. ArcGIS 内置 Data Interoperability 工具箱下“快速导入（Quick Import）”工具。该工具就是内置的 FME（Feature Manipulate Engine的简称，是加拿大 Safe Software 公司开发的空间数据转换处理系统），使用该工具必须单独安ArcGIS_Data_Interop_for_Desktop .exe，同时勾选对应模块的许可。
\2. CAD 至地理数据库 (CAD To Geodatabase) 工具：测试数据：chp9\my.dwg，和上面的“快速导入工具”一样。
\3. 可以直接将CAD数据直接添加进ArcMap之中。
图4. CAD转ArcGIS
2.2.3 ArcGIS转CAD
ArcGIS转CAD，有两种方法：Quick Export工具和“导出为 CAD（Export CAD）”工具。
\1. Quick Export工具
（1）从工具箱中找到 Quick Export 工具，选择 Input Layer 为 DGX 线。
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图5.Quick Export 导入DGX
（2）单击Output Dataset右侧按钮，下面Search输入框输入DWG，选择Autodesk AutoCAD DWG/DXF。
（3）单击OK按钮后，设置输出DWG，也可以是DXF格式，单击“Parameters…” 按钮。选择Extended Entity Data，输出的CAD 数据带扩展属性。
\2. “导出为CAD”工具
输出CAD版本支持CAD R14、CAD2000到CAD2018等各种版本，可以是DXF，也可以是DWG。如果勾选“追加到现有文件”，则允许将输出文件内容添加到现有CAD 输出文件后面，现有CAD 文件内容不会丢失。
3.1 地理信息系统的发展史
3.1.1 开拓时期（20世纪50-60年代）
1967年，世界上第一个真正投入应用的地理信息系统由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。罗杰·汤姆林森博士开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统。此阶段，硬件系统的功能弱，计算机存储能力小且存取速度慢。因此GIS软件的研制主要是针对具体的GIS应用进行的。
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图6.GIS之父罗杰·汤姆林森
3.1.2 巩固发展时期（20世纪70年代）
该阶段关注的主要是空间地理信息的管理，计算机硬件技术和软件技术迅速发展，数据处理速度加快，内存容量增大，还推出了大容量存储设备–磁盘，这为地理数据的录入、存储、输出等提供了强有力的支撑。
3.1.3 大发展时期（20世纪80年代）
第四代计算机的推出，以及计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。在系统软件方面，完全面向数据管理的数据库管理系统(DBMS)通过操作系统(OS)管理数据，数据处理开始和数学模型、模拟等决策工具结合。这个时期GIS发展的总体特点是：栅格矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等方法得以发展；具有属性数据的单张或部分图幅可以与其他图幅自动拼接；采用命令语言建立空间数据管理系统。
3.1.4 应用普及时代（20世纪90年代）
此时期应用需求大幅度增加，表现出地理信息系统走向地理信息服务的趋势，发展趋势包括：网络GIS、互操作GIS、地理信息共享与标准化、时态GIS、3S集成、虚拟GIS、移动GIS等内容。
3.1.5 大变革时代（21世纪初至今）
随着计算机技术和智能设备的进一步发展，学界从地理信息系统到地理信息科学，更加注重学科建设与学科创新；业界从地理信息系统到地理信息服务，使服务更加智能。新的应用需求有以智慧城市为建设目标的海绵城市、智能管网、智能电网、智能物流和共享交通等一系列专业型和大众化服务。
3.2 国内外主流GIS软件
3.2.1 国外主流软件
\1. ArcGIS：
ArcGIS软件是美国ESRI公司在全面整合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术等其他方面的计算机主流技术之后，成功推出的代表GIS较高技术水平的全系列GIS产品。ArcGIS系列软件包括：ArcGIS Desktop（专业GIS应用的完整套件），ArcGIS Engine（定制开发GIS应用的嵌入式开发组件），ArcSDE、ArcIMS和ArcGIS Server（服务端GIS），ArcGIS Mobile（ESRI公司移动GIS解决方案之一），ArcGIS Online（一个面向全球用户的公有云GIS平台）。
\2. Skyline：
是美国Skyline公司研发的三维数字地球平台软件。可利用遥感航测影像数据、数字高程数据以及其他二三维数据搭建出一个对真实世界进行模拟的三维场景。
\3. Bentley：
Bentley软件是一个BIM软件系列，软件公司名字叫Bentley，产品是基于Microstation开发的一系列行业软件。Bentley软件的特点是专业化程度高，数据和平台统一性强。具有内存小，更便捷，互操作性高等优点。
3.2.2 国内主流GIS
\1. GeoScene：
是易智瑞公司推出的一款新一代国产地理信息平台。GeoScene平台以云计算为核心，并融合各类最新IT技术，具有强大的地图制作、空间数据管理、大数据与人工智能挖掘分析、空间信息可视化以及整合、发布与共享的能力。
\2. MapGIS：
中地数码集团的产品，是中国具有完全自主知识版权的地理信息系统，实现遥感处理与GIS完全融合，支持空中、地上、地表、地下全空间真三维一体化的GIS开发平台。
\3. SuperMap：
北京超图公司开发的新一代GIS软件系统，是一套全组件开放式GIS软件平台。
3.3 GIS领域研究和发展
3.3.1 数据获取方面
\1. 倾斜摄影测量：
相对于竖直航空摄影在地物里面信息获取方面的缺陷，倾斜航空摄影可以快速获取大范围区域地表物体三维立体面信息，具有较高精度。
\2. 近景摄影测量：
采用地面或者近地面短距离摄影测量设备进行，近景摄影测量更注重于对单个地物的超高精度测量，可完美还原如雕塑、文物、景观等复杂地物。
\3. 影像智能识别：
在人工智能技术的加持下，对遥感影像解译样本展开深度学习，计算机自动从影像提取要素的能力越来越强，精度越来越高。
\4. 智能数据匹配：
智能数据匹配是利用搜索引擎获取的海量网络信息进行筛选，获得与地理位置相关联的信息，并与地图数据进行匹配，达到快速发现变化，自动进行更新的目的。
\5. 空间信息扩展（地下、深海、深空）：
随着探索和测量手段的不断发展，人类活动的范围已经扩大到了地下空间、深海、外太空甚至地外行星，观测尺度从空间更是扩展到了时空。
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图7.BAE公司为美国研发深海定位导航系统
3.3.2数据分析方面
\1. 高效的数据管理：
数据管理技术基于NoSQL、分布式存储、空间数据模型等的发展，GIS数据的管理模型为更好的数据应用提供良好基础。
\2. 跨行业数据透视：
空间数据分析和挖掘一直是GIS最强大的武器，随着大数据、云计算的发展，数据进入一个爆炸时代，GIS数据与很多行业数据进行交叉，产生奇妙的化学反应。
3.迅捷的处理速度：
数据分析出现两种趋势，一是实时化，可以根据运行轨迹实时的计算出场景变化；二是深度化，计算覆盖面变广，涵盖信息越来越多，获取更多抽象的、内涵丰富的数据加工产品。
3.3.3 数据呈现方面
\1. 无线扩张的三维空间
\2. VR和AR技术的发展
\3. 丰富多彩的Web地图
\4. GIS专业化应用
3.3.4 当代GIS的技术发展趋势
\1. 地理空间信息公共服务
随着计算机网络技术的发展和普遍应用，越来越多的地理空间信息被送到网络上提供大众服务。例如，谷歌地图（Google Map, https://www.google.com/maps）、微软地图（bing maps, https://cn.bing.com/ditu）、天地图（https://www.tianditu.gov.cn）、开放街道图（OpenStreetMap, 简称OSM，https://www.openstreetmap.org）、百度地图（https://map.baidu.com）等，都提供了在网络地图上查询各种与位置相关信息的功能。
\2. 组件GIS
GIS软件大多数都已经过渡到基于组件的体系结构。一般都采用COM/DCOM技术。组件体系结构为GIS软件工程化开发提供了强有力的保障。一方面组件采用面向对象技术，软件模块化更加清晰，软件模块的重用性更好，另一方面也为用户的二次开发提供了良好的接口。组件接口是二进制接口，它可以跨语言平台调用。
3.互联网GIS
互联网为地理信息系统提供了新的操作平台，互联网与地理信息系统的结合，即Web GIS是GIS发展的必然趋势。Web GIS使用户不必购买昂贵的GIS软件，而直接通过Internet获取GIS数据和使用GIS功能，以满足不同层次用户对GIS数据的使用要求。Web GIS在用户和空间数据之间提供可操作的工具，而且这种数据信息是动态的、实时的。
\4. 多维动态GIS
传统的GIS都是二维的，仅能处理和管理二维图形和属性数据。有些软件也具有2.5维数字高程模型（DEM）地形分析功能。随着技术的发展，三维建模和三维GIS迅速发展，而且具有很大的市场潜力。随着对时态问题和地理过程建模的研究，时态GIS的研究逐步得到了重视。多维动态GIS成为了当代GIS发展的一个重要方向。当前的多维动态GIS主要有以下几种：1）DEM地形数据和地面正射影像纹理叠加在一起，形成三维的虚拟地形景观模型。2) 在虚拟地形景观模型之上，将地面建筑物竖起来，形成城市三维GIS。3) 真三维GIS。它不仅表达三维物体表面（地面和地面建筑物的表面），也表达物体的内部，如矿山，地下水等物体。4）时态GIS。时态GIS是当前GIS研究与发展的一个重要方向。一般在二维GIS上加上时间维，称为时态GIS。如果三维GIS之上再考虑时态问题，称为四维GIS或三维动态GIS。
\5. 移动GIS
随着计算机软、硬件技术的高速发展，特别是Internet和移动通信技术的发展，GIS由信息存贮与管理的系统发展到社会化的、面向大众的信息服务系统。移动GIS是一种应用服务系统，其定义有狭义与广义之分，狭义的移动GIS是指运行于移动终端并具有桌面GIS功能的GIS系统。广义的移动GIS是一种集成系统，是GIS、GNSS、移动通信、互联网服务、多媒体技术等的集成。
\6. 实时GIS
随着位置服务技术（LBS）和天空地各种传感器的广泛应用，产生了海量的时空序列数据。为了快速接入、存储、管理这些时空序列数据，维护时空关系，描述和分析时空变化过程，满足对日益频发的各种自然和人文突发事件的检测、预警、应急响应以及智慧城市建设等的需求，迫切需要研发一种面向动态地理对象与动态过程模拟的新一代实时GIS系统。
\7. 地理信息网络共享与互操作
高速发展，特别是Internet和移动通信技术的发展，GIS由信息存贮与管理的系统发展到社会化的、面向大众的信息服务系统。移动GIS是一种应用服务系统，其定义有狭义与广义之分，狭义的移动GIS是指运行于移动终端并具有桌面GIS功能的GIS系统。广义的移动GIS是一种集成系统，是GIS、GNSS、移动通信、互联网服务、多媒体技术等的集成。
\6. 实时GIS
随着位置服务技术（LBS）和天空地各种传感器的广泛应用，产生了海量的时空序列数据。为了快速接入、存储、管理这些时空序列数据，维护时空关系，描述和分析时空变化过程，满足对日益频发的各种自然和人文突发事件的检测、预警、应急响应以及智慧城市建设等的需求，迫切需要研发一种面向动态地理对象与动态过程模拟的新一代实时GIS系统。
\7. 地理信息网络共享与互操作
传统的GIS由于各软件的数据结构、数据模型、软件体系结构不同，致使不同GIS软件的空间信息难以共享。为此，开放地理信息联盟（OGC, Open Geospatial Consortium）和国际标准化组织（ISO/TC211）制定了一系列有关地理信息共享与互操作的标准。网络（Web）服务技术是地理信息共享与互操作最容易实现和推广使用的技术，例如，基于Web的地图服务规范，利用具有地理空间位置信息的数据制作地图，并使用Web服务技术发布地图信息，它可以被任何支持Web服务的软件调用与嵌入，使不同GIS软件建立的空间数据库可以相互调用地理信息。