什么是GIS?

GIS的中文全称是地理信息系统(GIS, Geographic Information System),它是一种基于计算机的工具,可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。这种能力使GIS与其他信息系统相区别,从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

我们当今面临世界的最主要的挑战是——人口过多,环境污染,森林破坏,自然疾病等。这些都与地理因素有关。

不论是从事一种新的职业,还是寻找生长香蕉的最合适的土壤,或是为救护车计算最佳的行车路线,这些本地问题也都有地理因素。

地图制作和地理分析已不是新鲜事,但GIS执行这些任务比传统的手工方法更好更快。而且,在GIS技术出现之前,只有很少的人具有利用地理信息来帮助做出决定和解决问题的能力。今天,GIS 已是一个全球拥有数十万的人员和数十亿美元的产业。GIS已在全世界的中学、学院、大学里被讲授。在每个领域里的专家不断地意识到按地理的观点来思考和工作所带来的优越性。

那么GIS的组成部分又有哪些呢?

从应用的角度,地理信息系统由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境;数据是GIS的重要内容;方法为GIS建设提供解决方案;人员是系统建设中的关键和能动性因素,直接影响和协调其它几个组成部分。

硬件主要包括计算机和网络设备,存储设备,数据输入,显示和输出的外围设备等等。

软件主要包括以下几类:操作系统软件、数据库管理软件、系统开发软件、GIS 软件,等等。GIS软件的选型,直接影响其它软件的选择,影响系统解决方案,也影响着系统建设周期和效益。

数据是GIS的重要内容,也是GIS系统的灵魂和生命。数据组织和处理是GIS应用系统建设中的关键环节,涉及许多问题:

——应该选择何种(或哪些)比例尺的数据?

——已有数据现势性如何?

——数据精度是否能满足要求?

——数据格式是否能被已有的GIS软件集成?

——应采用何种方法进行处理和集成?

——采用何种方法进行数据的更新和维护,等等。方法指系统需要采用何种技术路线,采用何种解决方案来实现系统目标。方法的采用会直接影响系统性能,影响系统的可用性和可维护性。

人是GIS系统的能动部分。人员的技术水平和组织管理能力是决定系统建设成败的重要因素。系统人员按不同分工有项目经理、项目开发人员、项目数据人员、系统文档撰写和系统测试人员等。各个部分齐心协力、分工协作是GIS系统成功建设的重要保证。

GIS应用系统建设需要从以上五个方面着手。

再来说说GIS的功能。就GIS本身来说,大多数功能较全的GIS一般均具备四种类型的基本功能,它们分别是:

数据采集与编辑功能

GIS的核心是一个地理数据库,所以建立GIS的第一步是将地面的实体图形数据和描述它的属性数据输入到数据中,即数据采集.为了消除数据采集的错误,需要对图形及文本数据进行编辑和修改。

属性数据编辑与分析

属性数据比较规范,适应于表格表示,所以许多地理信息系统都采用关系数据库管理系统管理. 通常的关系数据库管理系统(RDBMS)都为用户提供了一套功能很强的数据编辑和数据库查询语言,即SQL,系统设计人员可据此建立友好的用户见界面,以方便用户对属性数据的输入、编辑与查询. 除文件管理功能外, 属性数据库管理模块的主要功能之一是用户定义各类地物的属性数据结构. 由于GIS中各类地物的属性不同, 描述他们的属性项及值域亦不同, 所以系统应提供用户自定义数据结构的功能,系统还应提供修改结构的功能,以及提供拷贝结构、删除结构、合并结构等功能.

制图功能

GIS的核心是一个地理数据库。建立GIS首先是将地面上的实体图形数据和描述它的属性数据输出到数据库中并能编制用户所需要的各种图件。因为大多数用户目前最关心的是制图。从测绘角度来看,GIS是一个功能极强的数字化制图系统。然而计算机制图需要涉及计算机的外围设备,各种绘图仪的接口软件和绘图指令不尽相同,所以GIS中计算机绘图的功能软件并不简单,ARC/INFO的制图软件包具有上百条命令,它需要设置绘图仪的种类,绘图比例尺,确定绘图原点和绘图大小等. 一个功能强的制图软件包还具有地图综合,分色排版的功能. 根据GIS的数据结构及绘图仪的类型,用户可获得矢量地图或栅格地图. 地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图, 而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图,如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高线图等等. 还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图,如坡度图、坡向图剖面图等等.

空间数据库管理功能

地理对象通过数据采集与编辑后,形成庞大的地理数据集。对此需要利用数据库管理系统来进行管理。GIS一般都装配有地理数据库,其功效类似对图书馆的图书进行编目,分类存放,以便于管理人员或读者快速查找所需的图书。其基本功能包括:1.数据库定义2.数据库的建立与维护3.数据库操作4.通讯功能

空间分析功能

通过空间查询与空间分析得出决策结论,是GIS的出发点和归宿。在GIS中这属于专业性,高层次的功能。与制图和数据库组织不同,空间分析很少能够规范化,这是一个复杂的处理过程,需要懂得如何应用GIS目标之间的内在空间联系并结合各自的数学模型和理论来制定规划和决策。由于它的复杂性,目前的GIS在这方面的功能总的来说是比较低下的。典型的空间分析有:

拓扑空间查询

空间目标之间的拓扑关系有两类,一种是几何元素的节点、弧段和面块之间的关联关系,用以描述和表达几何要素间的拓扑数据结构,另一种是GIS中地物之间的空间拓扑关系,这种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进行查询.

缓冲区分析

缓冲区分析是根据数据库的点、线、面实体,自动建立其周围一定宽度范围的缓冲区多边形,它是地理信息系统重要的和基本的空间分析功能之一.

叠置分析

将同一地区,同一比例尺的两组或更多的多边形要素的数据文件进行叠置,根据两组多边形边界的交点来建立具有多重属性的多边形或进行多边形范围的属性特征的统计分析.

空间集合分析

空间集合分析是按照两个逻辑子集给定的条件进行逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算。地学分析

地理信息系统除有以上基本功能外,还提供一些专业性较强的应用分析模块,如网络分析模块,它能够用来进行最佳路径分析,以及追踪某一污染源流经的排水管道等等.土地适应性分析可以用来评价和分析各种开发活动包括农业应用、城市建设、农作物布局、道路选线等用地,优选出最佳方案,为土地规划提供参考意见.发展预测分析可以根据GIS中存储的丰富信息,运用科学的分析方法,预测某一事物如人口、资源、环境、粮食产量等,及今后的可能发展趋势,并给出评价和估计,以调节控制计划或行动.另外,利用地理信息系统还可以进行最佳位址的选择,新修公路的最佳路线选择,辅助决策分析和地学模拟分析等等.

数字高程模型的建立

数字高程模型有三种主要的形式,包括格网DEM、不规则三角网(TIN),以及由两者混合组成的DEM。格网DEM数据简单,便于管理,但因格网高程是原始采样点的派生值,内插过程将损失高程精度,仅适合于中小比例尺DEM的构建。TIN直接利用原始高程取样点重建表面,它能充分利用地貌特征点、线,较好地表达复杂的地形,但TIN存储量大,不便于大规模规范管理,并难以与GIS的图形矢量数据或栅格数据以及遥感影像数据进行联合分析应用。所以一般的GIS都提供了两种数字高程模型的软件包,用户可以根据需要进行选择。地形分析:包括等高线分析,透视图分析,坡度坡向分析,断面图分析及地形表面面积和挖填方体积计算。最佳路径分析,追踪污染源流分析,农业布局合理性分析,城市布局合理性分析,道路选线分析等。

提起GIS的在实际生活中的应用,那可是有很多呢!地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展,广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。具体如下:

资源管理(Resource Management):

主要应用于农业和林业领域,解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场) 分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。

资源配置(Resource Configuration):

在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。

城市规划和管理(Urban Planning and Management) :

空间规划是GIS的一个重要应用领域,城市规划和管理是其中的主要内容。例如,在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。

土地信息系统和地籍管理(Land Information System and Cadastral Applicaiton):

土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容,借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。

生态、环境管理与模拟(Environmental Management and Modeling):

区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。

应急响应(Emergency Response):

解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时,如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。

地学研究与应用(Application in GeoScience):

地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。ArcInfo系统就是一个很好的地学分析应用软件系统。

商业与市场(Business and Marketing):

商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数,建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。

房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。

基础设施管理(Facilities Management):

城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成,而且可以大大提高工作效率。

选址分析(Site Selecting Analysis):

根据区域地理环境的特点,综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素,在区域范围内选择最佳位置,是GIS的一个典型应用领域,充分体现了GIS的空间分析功能。

网络分析(Network System Analysis):

建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型,研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。

可视化应用(Visualization Application):

以数字地形模型为基础,建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型,实现多角度浏览,可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。

分布式地理信息应用(Distributed Geographic Information Application):

随着网络和Internet技术的发展,运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统应用类型,其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享,以及远程空间导航等。

再来说说GIS的相关技术。GIS与其他几种信息系统密切相关,但由于其处理和分析地理数据的能力使其与它们相区别。尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类,但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及GPS 技术。

桌面制图

桌面制图系统用地图来组织数据和用户交互。这种系统的主要目的是产生地图:地图就是数据库。大多数桌面制图系统只有及其有限的数据管理、空间分析以及个性化能力。桌面制图系统在桌面计算机上进行操作,例如PC机,Macintosh以及小型UNIX工作站。

计算机辅助设计CAD

计算机辅助设计(CAD)系统促进了产生建筑物和基本建设的设计和规划。这种设计需要装配固有特征的组件来产生整个结构。这些系统需要一些规则来指明如何装配这些部件,并具有非常有限的分析能力。CAD系统已经扩展可以支持地图设计,但管理和分析大型的地理数据库的工具很有限。

遥感和GPS

遥感是一门使用传感器对地球进行测量的科学和技术,例如,飞机上的照相机,全球定位系统(GPS)接收器,或其他设备。这些传感器以图象的格式收集数据,并为利用、分析和可视化这些图象提供专门的功能。由于它缺乏强大的地理数据管理和分析作用,所以不能叫作真正的GIS。

数据库管理系统

数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据,其中包括地理数据。DBMS使存储和查找数据最优化,许多GIS为此而依靠它。相对于GIS而言,它们没有分析和可视化的工具。

谈及GIS的变迁及发展,据了解,上世纪50年代末至60年代,随着计算机技术在工业应用中的推广,地学工作者尝试将不同内容的地图信息转化为数字形式——利用计算机分析、处理地图内容的应用,首先是从建立土地规划等自然资源管理信息系统开始的。1956年,奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库,随后,各周的土地测绘和管理部门也逐步开始将士地信息系统用于地籍管理。而这便是GIS的萌芽。

GIS作为一门综合性的边缘学科,它的发展汲取了地理学、测量学、制图学、电子学和汁算机科学等学科的养份,特别是计算机之徒数据库管理、计算机辅助设计、遥感和计量地理学等学科的进展,为GIS的发展创造了有利的条件。伴随着计算机科学在航空测量学与地图制图学中的应用,以及政府对上地规划与资源管理的要求,人们开始利用计算机收集、存储、处理各种与空间和地理分布有关的图形和数据,直接为管理和决策服务,这导致了现代意义上的GIS问世。

GIS在过去往往被认为是一项专门技术,仅仅应用于政府决策、灾害评估、资源调查、城市规划、土地管理等方面。进入21世纪以来,随着GIS技术的发展和市场的需求,其应用领域不断深入,人们的日常生活、学习和工作等各个范围无不接触到GIS相关信息。且基于互联网的地理信息系统(WebG1S)成为近年来GIS研究领域的一个热门话题,也是当前GIS的一个重要发展方向。随着计算机技术和网络技术发展,GIS网络化技术得以迅速发展。人们通过互联网可以很方便地查询和获取不同地域、不同时段的地理数据,也可以进行数据的实时发布和修改,真正实现数据共享。目前在美国、西欧和日本等发达国家,已建立了国家问、洲际间的GIS,GIS应用的国际化、全球化已成为一种必然趋势。

GIS还推动着低碳经济,地理信息系统是创建、管理、发布和传播地理知识的工具和平台,在智能交通、智能电网、清洁能源勘探与生产等方面,为全球低碳经济的发展起到了很好的推动作用。

首先,智能交通是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统。它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线,为交通参与者提供多样性的服务。通过实时路况检测,地理信息系统可分析计算m每个路口红绿灯的合理延时长度,减少汽车等待时间。据悉,采用智能交通。将使交通拥堵降低25%,城市污染下降10%,燃料使用量降低25%,碳排放量降低10%以上。仅北京每天就可减排2000多吨二氧化碳。

其次,风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视,并成为碳减排的重要力量。风力发电设施的开发远比在微风中架个风车要复杂得多,建立一座风力发电场需要研究地理方位、风能储量、环境因素等一系列变量。通过地理信息系统分析各种数据,人们可以判断哪里适合修建风力发电场,以及如何配置电网以减少传输损耗,提高清洁能源的利用率。

最后,照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40分钟照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消费。可以说,太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。借助地理信息