最近调研GIS开发的可行性,先入个门,ERSI官网上这篇文章觉得不错,写得浅显易懂,让我对GIS也开始有了一个初步的认识。
· 什么是GIS · 为什么要用GIS · 用GIS能做什么 · 如何做GIS分析 · GIS软件 · 数据 · GIS技术标准 |
简单的说,GIS系统将描述位置(地方)的层信息结合在一起,通过这些信息可以使你更好地认识这个位置(地方)。你可以按照需要选择使用哪些层信息,比如找一个更好的地段设立店铺、分析环境危害、通过综合城市中相同的犯罪,发现犯罪类型等等。
GIS系统是将描述“在什么地方”的信息与描述“这是什么”的信息相链接的制图软件。与画在纸上的地图不同,GIS是“所见即所得”的,一个GIS地图关联许多不同的层信息。
一幅画在纸上的地图,你所能做的操作就是打开它。这时候展现在你面前的是关于城市、道路、山峦、河流、铁道和行政区划的一些表现。城市在这些地图上只能用一个点或一个圈表示、道路是一条黑线、山峰是一个很小的三角、而湖泊则是一个蓝色的块。
同纸质地图一样,GIS产生的数字地图也是用象素或点表示诸如城市这样的信息,用线表示道路这样的信息、小块表示湖泊等信息。
但是不同的是,这些信息都来自数据库,并且只在用户选择显示它们的时候才被显示。数据库中存储着诸如这个点的位置、道路的长度、甚至湖泊的面积等信息。
数字地图上的每一条信息都位于一个层上,用户可以根据需要打开或关闭这些层。一个层也许构成了一个地区所有的道路信息,另外的层也许表现了同一个地区所有湖泊的信息。当然,也许还会有一个层描述所有的城市信息。
这是Lakewood市地图,哪些信息需要被显示决定了在制作地图时需要的层。在这副地图中显示了河流信息,洪灾危害地区,数字正色摄影,分区信息棗甚至定位了社区灾害救援志愿者的信息。 |
为什么分层是如此重要呢?GIS同纸质地图相比,强大之处就是运用GIS你可以根据你行动的目的去选择你想看的信息。商人们为某一特定城市绘制客户地图所显示的信息当然与市政工程师希望看到的同一城市自来水管线信息非常不同。这两幅地图都是以相同的街道和街区地图为基础 的,但是他们在这张地图上添加了不同的信息。
改进企业的数据综合能力
应用GIS技术的一个最重要的好处就是提高管理企业和资源的能力。GIS系统能够通过一些基于位置的数据(如地址等)将数据集关联在一起,帮助企业中的各个部门和分部共享数据。通过建立共享数据库,一个部门可以从其它部门的工作中获利——数据只要被收集和整理一次,但可以被不同部门多次使用。
更好地决策
“知己知彼”才能更好地决策,现在GIS为决策提供了更多、更直观的信息。虽然GIS不是一个自动决策系统,但是一个为决策过程提供查询、分析和地图数据支持的工具。
举例来说,GIS可以帮助房地产开发商找到最佳的建房地段,并且满足如下一系列要求,最小的环境影响,在低风险、低犯罪率的地区,靠近人口密集的市中心。所有的这些数据都可以用地图的形式简洁而清晰地显示出来,或者出现在相关的报告中,使得决策的制定者不必再浪费精力在分析和理解数据上,而可以 直接关注真实的结果。因为GIS可以快速的生成结果,并且可以高效和快速地对这些方案进行评估。
制作地图
由于一些原因,我们经常把 GIS 软件称为 “ 绘图软件 ” 。而我们也会经常把 GIS 所做的绘图工作与绘制地图联系起来,其实在很多情况下 GIS 技术可以灵活地绘制各种各样的地形,甚至可以绘制人体。 GIS 可以描绘任何你希望用图形显示的数据。 |
用GIS技术绘制地图比用传统的手工操作或自动制图工具更加灵活。一个GIS系统从数据库中提取数据创建地图。现有的纸质地图也同样可以数字化并转化进GIS系统。
基于GIS的绘图数据库可以是连续的,也可以以任意比例尺显示。也就是说可以生产以任意地段为中心,任意比例尺的地图产品,并且可以有效地选择各种符号高亮显示某些特征。只要拥有数据,地图可以用任意比例尺创建很多次。
这一点非常重要,因为当我们说“我看见了”时常常意味的是“我理解了”。模式识别是人类优于其他动物之处。人们在表格中通过行和列了解数据和通 过直观的地图了解数据有非常大的不同,这不仅仅是美学上的原因,而是根本上的不同——用直观的方式了解数据会对你认识事务之间的关系和最终得出结论产生非 常大的影响。GIS为人们将事实以更清晰、更引人注目的方式展示,提供了一个编辑和制图工具。
对“在什么地方”绘图
绘制“在什么地方”的地图可以帮你确定所查询特征的正确位置,还可以了解下一步在什么地方采取行动。
1. 发现特征——人们经常用地图对特征进行“在什么地方”或者“是什么”的查询。
2. 发现模式——通过在地图上对特征分布的查询,可以发现这一类特征的模式。
地图显示可能会对航天器在离开和靠近机场时造成危害的人为目标(建筑物、天线和塔等),和地形特征的位置。 Map courtesy of General Command of Mapping Cartography Department, Ankara, Turkey. |
对数量绘图
人们对数量绘制地图,找到那些符合他们标准和需要采取行动的最大量或最小量的地方。或者了解他们之间的关系。这需要在简单的位置特征的地图基础上,加上更多的附加信息。
比如,童装公司不仅需要知道在他们商店附近的都有哪些邮政编码区,还需要知道那些有孩子的、高收入家庭所在的邮政编码区。再比如,公共卫生机构不仅要对医生的分布绘图,也许还要对在每个人口普查区内每1000人的平均医生数进行绘图,以了解什么地方可以得到良好的医疗服务,什么地方没有。
下图由Silent Spring Institute of Newport, Massachusetts提供,显示了Cape Cod relative乳腺癌发病数量的地区分布,用来研究杀虫剂和有毒化学制剂的使用与发病数量的关系。
对密度绘图
当你在简单的位置特征地图上查看密度信息时,如果地图上有很多不同的特征,你就很难在上面发现那些事件发生频率较高的地区。密度图可以使你衡量单位面积的特征数量,以便清楚地了解特征的分布情况。
在对某一区域绘图时,密度图非常有用。地图可以显示人口普查区的人口数量,大区比小区有更多的人口数。但是某些小区域内单位面积的人口数可能会比某些大区域高,它们有更高的人口密度。
查询里面有什么
用GIS可以监控哪些事件正在发生,并通过对特殊区域内部情况绘图,来确定是否采取特殊行动。比如:地方检查官将监控和毒品交易相关的逮捕活动,如果它们发生在离学校1000英尺范围内,那么将会得到更严厉的处罚。
地图显示了离Palo Verde核电厂10英里半径内的所有学校、高速路、
报警器等设施。此地图用户应急规划。Map courtesy of Maricopa County
Department of Transportation, Phoenix, Arizona.
查询邻近有什么?
通过对相邻事务绘制地图,可以了解在离特征一定范围内所发生的情况。比如:城市规划者需要对离计划中的溶液仓库500英尺范围内的所有居民进行情况通报。
这副地图显示了在氯烟羽轨迹3英里范围内所有的设施情况。紧急情况响应
小组可以用它跟踪烟羽的轨迹,在必要时通知和转移临近设施。
对变化绘图
对一个区域的变化绘图,可以对特征的状态进行预测,判定行为的方向,对行为和政策的结果进行评估。
1. 通过对过去一段时间经过的事务的位置和行为绘图,可以对他们的行为有更深刻地理解。比如:气象学家通过研究飓风的经过轨迹,可以对未来可能发生情况的时间、地点进行预报。
2. 变化趋势图可以对未来的需求提供参考。比如:警察局长需要对每个月犯罪模式进行分析,帮助他决定哪个分局的警力需要加强。
3. 对一个行为或事件前后的情况绘图,可以了解行为或事件所产生的影响。在商业分析中,对地区广告投入之前和之后的销售情况进行绘图,可以了解在什么地方的广告投入最有效。
地图显示了安德鲁飓风在1992年8月24日经过墨西哥湾的轨迹。不同颜色的
点表示在不同时间段飓风的最大速度。范围从35-50英里每小时(浅蓝色点)
到125-150英里每小时(红色点)。
设计问题
GIS分析通常是从明确你需要哪些信息开始的。比如:
这些问题越细越好,它们可以帮助你决定如何进行分析,用何种手段去分析,以及如何显示结果。
地图显示火箭发动机对环境产生的可能的噪声危害区域,深蓝色的区域噪声最大,
大于129分贝,在缓冲区(在锯齿线所围绕的深色区)外是低于120分贝。地图由
Lockheed Martin Space Operations, Stennis Space Center友情提供
选择数据
你应用的数据和特征的类型决定着用何种方法进行分析。也就是说:如果您知道你需要用特殊的手段回答问题,那么你就需要找到所需的额外的数据。
数据可以有多种来源:组织内部的数据库、相关管理器、CAD文件、互联网、商业数据提供商、政府组织等等。
你的需求和预算决定了你使用何种数据以及如何得到它们。许多分析需要十分高质量和精确的数据。
在这个路线分析中,用户选择显示9套数据:公共汽车站,公共汽车
线路,高速公路和主干路,城市和州边界,河流特征以
及人文特点(公园,学校等)
选择分析方法
需要解决的问题和如何运用分析结果决定了你用哪些方法进行分析。
举个例子来说,如果你仅仅想大致了解城市入室抢劫的情况,那么你只需要将个别案例显示在地图上。但是如果这些信息将被用作审判的证据,那么你就希望能够对给定时间段内的犯罪行为的位置信息和数量做更详细的分析。
本图显示在San Diego市内6个月的时间内,枪击时间和武器被盗位置
的关系。地图由San Diego警察局友情提供。
处理数据
一旦选择了分析方法,你就要按照你的需求处理数据。
如果你想对某个事件的位置绘制地图,那么你需要对你的数据赋予地理特征(比如经纬度或地址信息)以及对你的数据赋予属性值。
如果你希望对数量绘图,比如在公园中的植被数量,就需要选择一个分类办法,并决定将用多少种类划分你的数据。
如果你想找出里面有什么,你需要测量一个区域或将一些不同的层信息关联在一起。
上图是一副为旅游者准备的地图,Good Shepherd Engineering and Computing of Bethlehem, Palestine选择显示那些和宗教和历史相关的遗志相关内容,以及在伯利
恒市推荐的旅游线路,酒店和饭馆信息。地图的最终用途决定着地图的特色。
查看结果
最后一个步骤就是查看分析结果并且根据这个结果指导行为。
这些结果可以通过数字地图显示,并且打印成纸质地图,也可以结合电子表格或图表显示。虽然许多GIS系统都强调制图功能,但是软件可以灵活地按照你的需要以最佳的方式显示分析结果。
GIS软件提供了存储、分析和显示位置信息的功能和工具。GIS软件的主要组件包括:
GIS软件可以是低端的商业制图软件简单显示销售区域,也可以是对复杂的自然保护区进行管理和研究的高端软件。
在GIS系统中应用数据
使用地理数据
在GIS系统中,自然界信息被划分成不同主题而又相互关联的层进行存储。一个层可以是任何包含相似要素的集合,如,用户群、建筑物、街道、湖泊或是邮政编码。
这些数据或者包含着明确的地理信息,如经纬度坐标,或者只是存储一些不明确的参考信息,如地址、邮编、人口普查区、森林观测站编号或是道路名称。
在工作中,GIS系统需要明确的地理信息。一个GIS系统可以通过“地理编码”将那些不明确的参考信息自动转化为明确的地理信息,,或者将某些诸如地址类信息定位到地球的某个点上。
地图投影和坐标系统
所有的数据必须能正确匹配,显示时才能相互叠加。这就意味着它们必须在相同的地图投影和坐标系统中。
在选择地图投影和坐标系统时需要考虑很多问题,包括地图数据位于地球的什么区域,这个地区有多大,以及你是否需要保证长度或面积的量算精度。
地图投影 地图投影将地球上的位置信息转化到了平面的地图上。所有的地图投影方式在显示地图要素时,都不同程度的扭曲了要素的形状、面积、距离或方向。(这就解释了为什么在有些世界地图上格陵兰岛看起来同北美洲的面积一样大) |
运用 Lambert Azimuthal Equal Area 投影绘制的北美高程图 |
如果你绘制像县或镇那样的小块地图,这种变形通常被忽略。绘制的区域越大,这种变形的影响就越大。
世界地图以 Gall cylindrical 投影显示,两极地区以 Postel azimuthal 投影显示。 原图由捷克共和国的 T-Mapy 和 SHOCart 友情提供 |
坐标系统
坐标系统定义了二维空间中定位要素所用的单位以及原点。经度和纬度也是一种坐标系(经常称为“地理”坐标系统)
如果你使用一个原有的GIS数据库,那么可能的在这个数据库中的数据使用的是相同的坐标系和投影。如果你从不同的数据源采集数据,那么你需要确认数据的坐标系和投影信息。
运用地理属性
任何一个地理要素都会有一个或多个属性来识别这个要素是什么,描述信息,或者要素的一些相关度量。你所做的分析类型部分依靠于你使用的属性类型。
这些属性值的类型包括:
类别
类是相同元素的集合。它可以帮助你组织和使用数据。具有相同类别值的所有要素都在某些方面具有相似性,并且与其它类别值的要素相区别。比如:你可以用高速公路,公路,和城市道路来对道路进行分类;用入室抢劫,行窃,袭击等对犯罪分类。
类的值可以用数值编码或文字来描述,为了在表格中节约空间,文字的值经常被写成缩写。
级别 分级把要素按从高到低的顺序排列。当直接的量测比较困难或者数值代表一个综合因素时,就进行分级。比如:很难量化一条河流的风景值。可是你可以认定流经高山峡谷的那段河流的景色要比流过农场景色好。 既然级别是相对的,你仅仅知道那些要素的排列顺序 —— 你并不需要知道这个值比那个值高或低多少。比如:你只需要知道 3 级比 2 级高,比 4 级低,但你并不知道究竟高或低多少。 |
此副地图分级显示了印地安那州杀虫剂污染情况。绿色是低污染区,浅黄色是轻微污染,橙色是中度污染,红色区是高度污染区。地图由 Purdue University, West Lafayette, Indiana 友情提供 |
你可以根据其它的一些要素属性(通常是类型或类别)进行分级,比如,你可以按照某一农作物的土壤适宜性对所有土壤进行分级。
计数和数量
数目和数量显示了总数。计数代表地图要素的真实数目。数量可以是要素的任何相关度量值,比如,在一个公司中有多少雇员。运用计数和数量可以使你发现每个要素的真实的值,以及数量。
比率
比率是用要素中的一个量除以另一个量,得出两个量之间的对比关系。比如:用一个地区中人口的数据除以这一地区的家庭数,就得出了每个家庭的平均人口数。运用比率统一了面积大和小、要素多和少的区域间的不同,因此地图可以更精确地显示要素分布状态。
比例和密度 比例显示了每个值在总数中所占的比例。比如:在一个地区的 18-30 岁的人口数除以总人口数,就显示了在这个地区 18-30 岁的人口占总人口的比率。比例通常以百分数的形式出现。 密度显示了要素的分布或者是单位面积中的值。比如:提取每一平方英里土地中的人口数,就得到了平方英里中的人口密度。 |
连续和不连续值
类别和级别不是连续的值——它们在数据层中是一个固定的数字,并且许多要素都有相同的值。
计数、数量和比率都是连续的值——每个要素可以从最大到最小值范围内取任何唯一的值。认识到这一点是非常重要的,因为知道了从最大到最小值的分布情况,可以帮助确定如何对它们进行分组描述,这样就可以了解数据的模式。
什么是元数据?
元数据经常被定义为“关于数据的数据”。元数据是使数据可用的附加信息(除了空间数据和属性数据外),也就是为了运用这些数据所必须了解的一些信息。
元数据描述了关于数据的一组典型特征但通常不包含数据本身。元数据包括:
元数据为什么重要?
空间元数据是非常重要的,因为它不但可以描述数据是什么,而且可以减少空间数据集的大小。
空间数据同样支持软件和企业标准。基于软件数据标准的好处是程序更易于使用,并且用户可以更容易地在系统和平台间转移数据。通过建立元数据,你可以在所有部门内统一数据的命名、定义、编目和操作标准。这依次为彼此间理解、合作和共享资源起到了非常巨大的作用。
空间元数据是重要的,因为它使空间数据的访问和管理变得更容易。元数据为临时和初级用户的诸如:“我如何知道我的需求是什么?”这类问题提供了 指南。元数据为这部分用户提供在感兴趣区域内哪些信息是可用的,这些信息在什么地方,趋势是什么,是什么样的格式,以及有什么样的使用权限等信息。对于空间数据的专业人士,元数据提供了对要素以及属性项一级的元数据管理。这样,数据更新可以更简单并且结合进日常的数据使用中。元数据并不是终极,它是一个大 大提升你应用空间数据的工具,并且帮助你在GIS中的获得更大的利益。
绘图 制图是 GIS 最基本的功能。地图为显示数据提供了一个其它方式所不能提供的途径。更重要的是,不用熟练的绘图专家,也可以运用 GIS 制图。 GIS 通过从 GIS 数据库中提取数据创建地图。也就是说 GIS 数据库中的任何修改都可以自动地在下次制图中得到体现。用最小的投入就可以更新地图。 GIS 提供了一个制图版面和绘图工具,帮助人们创建一目了然并且引人注目的文档。 GIS 还可以结合多媒体技术 —— 在地图,图表和表格中链接视频和音频信息。 |
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数据为什么重要
应用GIS创建地图,你需要好的数据。比如:如果你想了解你客户的位置,你要利用客户地址数据库创建地图。为了让地图可用,你需要确认用户地址是正确无误的。
数据类型和模型
GIS数据有三种基本的格式。
此外,这些数据可以被进一步划分为两种数据模型:
该幅地图显示了矢量数据(街道)叠加在栅格数据(山脉和山谷)上的显示效果 |
不连续的要素,比如客户的位置,以及区域数据通常用矢量数据描述 连续的数值,比如海拔高度。连续的类,比如植被类型都通常用栅格数据模型描述 |
选择正确的数据
当你为你的GIS系统选择数据时,你需要经过一个过程,根据需求列出需要的数据并进行研究。下面是在你确定需要什么数据时要考虑的最重要的一些问题。
你用这些数据做什么? 你是想绘制一幅地图还是进行一个特定类型的分析 ? 你是否想将客户信息定位到街道地址或者是电话交换区?你还是只想绘制一个正确的街道图,或者你需要运用 GIS 软件开发一个投递路线图。 你需要仔细地考虑上面这些问题。因为下面问题的答案取决于你如何回答上面的那些问题。不仅要考虑你的中长期目标,同时也要考虑目前你需要完成的功能。 |
你需要用到哪些特殊的地理要素?
为了使你的GIS系统更有效,你需要确定数据的详细程度。比如:你是否需要所有的街道或主要高速公路数据?如果是的,那么你需要多少比例尺的数据——1:24000“地区级”比例尺的主要高速公路数据,还是1:3000000“国家级”比例尺的。即便像道路那样的看似简单的地理特征,你也需要确定是需要中心线数据、双线街道数据或者连通的路径数据。
你需要这些地理要素的哪些属性?
还用街道数据做例子,参考你的应用目的,你需要确定是否需要以下这些属性的一部分或全部。包括:街道名、公路号、道路等级、道路表面等级、地址范围、交通流量以及地下通道和过街天桥等。
你需要多大地理范围内的数据? 能够获得的数据可以小到一个邮政号码区或一个人口普查区,也可以大到整个世界。你需要确定你所需数据的范围。 |
在你感兴趣的地区,你需要研究哪一级别的地理信息?
你感兴趣的地区通常可以分成更小的区域。比如对一个州,你可能需要根据人口统计区,街区,邮政编码区或有线电视区进行统计研究。
数据需要时效性吗?
在一些应用中,比如利用遥感影像或航空影像进行土地利用规划应用中,获得最新的数据是非常重要的。但是在另外一些应用中,也许一到两年前采集的数据也可以被接受。
你的硬件环境是什么?
确定你的硬件环境,是Windows还是Windows NT,或者是Macintosh、也可能是UNIX工作站,或者这些你都需要。
你用什么GIS软件?
这个问题的答案决定了你需要那种格式的数据。
有多少并发用户同时访问数据?以及这些用户的分布情况。
单用户、在同一位置的多个用户,多用户访问一个服务器,或者分布在几个地区办事处的独立用户,在你购买数据许可类型的时候需要考虑这些情况。
你何时需要这些数据?
许多“即拿即用”的数据集可以在几个工作日内得到。但是如果你需要自定义数据集,就要提前规划。完成那些需要客户化数据的定单一般需要几个星期的时间。
你是否需要定期的数据更新,如果是,更新周期是多少?
确定是否需要完全的数据替换还是只需要事务性的数据更新(只更新变化的部分)。数据提供商对维护数据有多种处理方法。有时最好在数据使用协议中加入数据的维护的条款。
哪些数据集需要同一个数据商提供? 也 许可能在一些成功的应用中所有的数据都是来自于不同的数据提供商。但是请记住这些数据提供商都是按照自己的特色独立地开发数据,并且数据来源也不一样。因 此,并不能保证来自不同数据供应商的数据集可以精确匹配,也不能保证在不同数据集中要素关键属性是相同的。这时需要考虑建立一个通用的坐标系统。 如果你的项目非常庞大(比如如果你想获得整个国家的数据),你首先需要认真考虑在一个小的范围内,如一两个县内,测试你可能需要的数据集是否匹配(如建立一个试点)。 |
你是否计划从小系统开始,然后再对你的系统进行扩充?还是希望一步到位?
有许多理由,都决定这你要从小的系统着手,比如先建立一个省会地区或几个州的数据库,然后再将数据库扩展到整个州或整个国家。如果是这样。你期望的数据库扩展时间表是什么?数据提供商在做报价和提供数据使用许可时应将你的时间表考虑进去。
你是否想发布这些数据的衍生产品?
如果你计划创建一些硬拷贝或印刷地图来分发或销售,不论这种行为是在企业内部还是外部,这取决于数据的使用许可方式。在Intranet和 Internet上发布数据都需要授权。大多数数据提供商在使用协议中限制这种再分发的情况。如果你不确定这种情况是否被合法,请同你的销售代表联系。
数据源
一个GIS系统有多种数据来源,包括标准的或专有的地图和图形文件、影像、CAD数据、电子表格、关系型数据库等许多其它数据源。数据可能是免费的或付费的,可以由商业机构、非赢利机构、教育单位和政府部门提供,也可以从GIS用户内部获得。
1994年,一些GIS团体共同发起了一个旨在发布地理信息系统标准的组织——“Open GIS Consortium GIS(OGC)”。
在这之前由于缺乏统一的标准,在组织内部的GIS技术很难与其它信息系统相集成,在系统与系统间,系统与用户间以及用户与用户间共享GIS数据需要花费相当大的时间和精力。
现在OGC有超过200个会员单位,OGC希望能够完整地将GIS数据和技术集成进主流的计算机技术中,能够在信息基础设施建设中推广符合标准技术的GIS软件,并将其贯穿系统的始终。
OGC的成员包括世界领先技术的软件公司,通讯公司,计算机制造厂商,系统集成商等。如果希望更多了解OGC以及他们的项目规划和成就,请访问www.opengis.org。