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地理信息系统的概念及应用

时间:2021-01-28 百科知识 版权反馈
【摘要】:15 地理信息系统及应用15.1 概述15.1.1 地理信息地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。其核心部分是计算机软硬件系统,空间数据库反映了GIS的地理内容,而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。
地理信息_测量学

15 地理信息系统及应用

15.1 概述

15.1.1 地理信息

地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。总体上,地理信息可以归结为自然环境信息和社会经济信息两大方向。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一个显著标志。

空间信息是指所研究对象的空间定位与地理分布有关的信息,即指研究对象的位置、数量、质量、分布特征、相互联系与制约等。空间信息由空间数据表达。简单地说,空间信息就是指具有定位数据的信息。例如,大到世界各大洲、各国家的地理分布,小到一幢房屋、一棵树,由于它们有定位数据(如用x、y、z坐标表示),所以都属于空间信息的范畴;而图书情报、财务等方面的信息,由于没有定位数据,就不属于空间信息。

15.1.2 地理信息系统

地理信息系统(Geographic Information System,简写GIS)是一种以采集、储存、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的信息系统。

地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系,包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等,用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程,解决复杂的规划、决策和管理问题。

可将地理信息系统的特点归纳如下:

(1)GIS的物理外壳是计算机化的技术系统,它又由若干个相互关联的子系统构成,如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等。这些子系统的优劣直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。

(2)GIS的操作对象是空间数据,即具有点、线、面、体三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码,实现对其定位、定性和定量的描述,这是GIS区别于其他类型信息系统的根本标志,也是其技术难点之所在。

(3)GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力,可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息,实现地理空间过程演化的模拟和预测。

(4)GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供了各种不同比例尺和精度的定位数据;电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用,可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息,为GIS提供丰富和更为实时的信息源,并促使GIS向更高层次发展。

(5)GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的;按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。

15.2 地理信息系统的组成

完整的GIS主要由四个部分组成,即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据库系统管理与操作人员,如图15-1所示。其核心部分是计算机软硬件系统,空间数据库反映了GIS的地理内容,而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。

15.2.1 计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称,可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置,是GIS的物理外壳,系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系,受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性,必须由计算机设备支持。GIS硬件配置一般包括四个部分(如图15-2所示):

图15-1 地理信息系统的组成

图15-2 GIS硬件配置

(1)计算机主机:含显示器、键盘、鼠标等。

(2)数据输入设备:数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通信端口等。

(3)数据存储设备:光盘刻录机、磁带机、光盘、移动硬盘、磁盘阵列等。

(4)数据输出设备:笔式绘图仪、喷墨绘图仪(打印机)、激光打印机等。

15.2.2 计算机软件系统

计算机软件系统是指GIS运行所必需的各种程序,通常包括计算机系统软件、GIS软件和其他支撑软件以及应用分析程序。其配置如图15-3所示。

图15-3 GIS软件配置

1)计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统,通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等,是GIS日常工作所必需的。

2)GIS软件和其他支撑软件

可以是通用的GIS软件,也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。

GIS软件按功能可分为以下几类:

(1)数据输入

将系统外部的原始数据(多种来源、多种形式的信息)传输给系统内部,并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式的过程。数据输入方式与使用的设备密切相关,常有三种形式:①手扶跟踪数字化仪的矢量跟踪数字化;②扫描数字化仪的光栅扫描数字化;③键盘输入。

(2)数据存储与管理

数据存储和数据库管理涉及地理元素(表示地表物体的点、线、面)的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。用于组织数据库的计算机系统称为数据管理系统(DBMS)。空间数据库的操作包括数据格式的选择和转换、数据的连接、查询、提取等。

(3)数据分析与处理

数据分析与处理是指对单个或多个图件及其属性数据进行分析运算和指标量测。在这种操作中,以一幅或多幅图输入,而分析计算结果则以一幅或多幅新生成的图件表示,在空间定位上仍与输入的图件一致,故可称为函数转换。

(4)数据输出与表示

数据输出与表示是指将地理信息系统内的原始数据或经过系统分析、转换、重新组织的数据以某种用户可以理解的方式提交给用户。如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上,或采用CRT(Cathode Ray Tub)显示器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出,也可以将结果数据记录于磁盘等存储介质设备或通过通信线路盘等存输到用户的其他计算机系统。

(5)用户接口模块

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。

3)应用分析程序

应用分析程序是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序,是系统功能的扩充与延伸。在优秀的GIS工具支持下,应用程序的开发应是透明的和动态的,与系统的物理存储结构无关,随着系统应用水平的提高而不断优化和扩充。

15.2.3 地理空间数据

地理空间数据是GIS的操作对象,是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。地理空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照,描述自然、社会和人文经济景观的数据,主要包括数字、文字、图形、图像和表格等。这些数据可以通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统输入GIS,数据资料和统计资料主要是通过图数转换装置转换成计算机能够识别和处理的数据。图形资料可用数字化仪输入,图像资料多采用扫描仪输入,由图形或图像获取的地理空间数据以及由键盘输入或转储的地理空间数据,都必须按一定的数据结构将它们进行存储和组织,建立标准的数据文件或地理数据库,才便于GIS对数据进行处理或提供用户使用。不同用途的GIS,其地理空间数据的种类、精度都是不同的,但基本上都包括三种互相联系的数据类型。

(1)某个已知坐标系中的位置,即几何坐标,标识地理实体在某个已知坐标系(如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系)中的空间位置,可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标,也可以是矩阵的行、列数等。

(2)实体间的空间相关性,即拓扑关系,表示点、线、面实体之间的空间联系,如网络结点与网络线之间的枢纽关系、边界线与面实体间的构成关系、面实体与岛或内部点的包含关系等。

(3)地理属性,即常说的非几何属性或简称属性(Attribute),是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种,前者包括名称、类型、特性等,后者包括数量和等级。定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等,定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念,通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性,而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的,因此,属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。

15.2.4 系统管理和操作人员

人是地理信息系统中的重要构成因素,GIS不同于一幅地图,而是一个动态的地理模型,仅有系统软件硬件和数据还构不成完整的地理信息系统,需要人进行系统组织、管理和维护以及数据更新、系统扩充完善、应用程序开发,并采用地理分析模型提取多种信息。

地理信息系统必须置于合理的组织联系中,如图15-4所示。如同生产复杂产品的企业一样,组织者要尽量使整个生产过程形成一个整体。要做到这些,不仅要在硬件和软件方面投资,还要在适当的组织机构中重新培训工作人员和管理人员方面投资,使他们能够应用新技术。近年来,硬件设备连年降价而性能则日趋完善与增强,但有技能的工作人员及优质廉价的软件仍然不足,只有在对GIS合理投资与综合配置的情况下,才能建立有效的地理信息系统。

图15-4 GIS系统管理

15.3 地理信息系统的应用

15.3.1 地理信息系统的发展概况

在世界范围内,由于计算机的软硬件均得到飞速的发展,网络已进入千家万户,地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统,尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。另外,社会对地理信息系统认识普遍提高,需求大幅度增加,从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题,例如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划,美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略也包括地理信息系统。毫无疑问,地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。

我国地理信息系统方面的工作自20世纪80年代初才开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志,在几年的起步发展阶段中,我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步,积累了经验,为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。

地理信息系统进入发展阶段的标志是从第七个五年计划开始。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。许多部门同时开展了地理信息系统研究与开发工作,如全国性地理信息系统(或数据库)实体建设、区域地理信息系统研究和建设、城市地理信息系统、地理信息系统基础软件或专题应用软件的研制和地理信息系统教育培训。

自20世纪90年代起,地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划,强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化,力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部应用走向实用化和生产化,为国民经济重大问题提供分析和决策依据。努力实现基础环境数据库的建设,推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化。

15.3.2 地理信息系统的数据获取与处理

地理信息系统的一个重要的部分就是数据。GIS中没有了数据,便成了无米之炊。也可以说,地理空间数据是地理信息系统的血液,如同汽油汽车的血液一样。实际上整个地理信息系统都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的。空间数据源、空间数据的采集手段、生产工艺、数据的质量都直接影响到地理信息系统应用的潜力、成本和效率。

1)地理信息系统的数据源

通常,根据实际应用的需要,来寻找并确定数据源。地理数据的获取手段很多,其中现代的测量学(包括全球定位系统)、定点观测、航空和航天遥感、统计调查等均是数据采集的重要手段,如图15-5所示。

图15-5 地理信息系统的数据源

确定地理信息系统的数据源是地理信息系统建立数据库的第一步。地理信息系统的数据源是多种多样的,按照不同的指标,可以有不同的数据分类。

从总体上分类,地理信息系统的数据可以分为图形图像数据与文字数据两大类。其中,文字数据包括各类调查报告、文件、统计数据、实际数据与野外调查的原始记录等,具体如人口数据、经济数据、土壤成分、环境数据等;图形图像数据包括现有的地图、工程图、规划图、照片、航空与遥感影像等。

具体地讲,可以分为以下几种类型:

(1)地图

各种类型的地图是地理信息系统最主要的数据源。因为地图是地理数据的传统描述形式,是具有共同参考坐标系统的点、线、面的二维平面形式的表示。地图上实体间的空间关系直观,而且实体的类别或属性可以用各种不同的符号加以识别和表示。其方法是地图的数字化,如地图手扶跟踪数字化、地图扫描矢量化

(2)摄影与遥感影像数据

摄影与遥感影像是地理信息系统中一个极其重要的信息源。通过像片和遥感影像可以快速、准确地获得大面积的、综合的各种专题信息,航测、遥感影像还可以取得周期性的资料,这些都为GIS提供了丰富的信息。但是因为每种航测、遥感影像都有其自身的成像规律和变形规律,所以对其应用要注意影像的纠正、影像的分辨率、影像的解译特征等方面的问题。

(3)统计数据

国民经济的各种统计数据常常也是地理信息系统的数据源,如人口数据、国民生产总值等。

(4)实测数据

各种实测数据,如野外数据采集的全站仪(电子平板)测量、GPS定位测量,特别是一些GPS点位数据、地籍测量数据常常是地理信息系统中很准确和现势性很强的数据。

(5)数字数据

目前,随着各种专题图件的制作和各种GIS系统的建立,直接获取数字图形数据和属性数据的可能性越来越大。数字数据也成为GIS数据源中不可缺少的一部分。但是对数字数据的采集需注意数据格式的转换和数据精度、可信度的问题。

(6)各种文字报告和立法文件

各种文字报告和立法文件在一些管理类的系统中,有很大的应用。如在城市规划管理信息系统中,各种城市管理法规及规划报告在规划管理工作中起着很大的作用。

不同方式获取的数据源,需要采用不同的处理方式,使其成为地理信息系统中有用的数据。

2)地理信息系统的数据输入

数据输入是对数据进行必要编码和写入数据库的操作过程。任何GIS都必须考虑空间数据和属性数据(非空间数据)两方面数据的输入。GIS应用的首要问题是所有输入的数据都必须转换为与特定系统数据格式相一致的数据结构,因此迫切需要通过先进的计算机全自动录入或数据采集技术为GIS提供可靠的数据。现在已经形成标准数字地理数据集合格式,数据转换的自动方法已经开始使用,数据采集的数字方法已能直接用于产生数字文件。

(1)空间数据的输入

空间数据主要指图形实体数据。空间数据输入则是通过各种输入设备完成图数转化的过程,将图形信号离散成计算机所能识别和处理的数据信号的过程。通常在GIS中用到的图形数据类型,包括各种地图、航天航空像片、遥感数据和野外点采样数据(数字测图、GPS定位)等。用户可以依据如何应用图形数据、图形数据的类型、现有设备状况、现有人力资源状况和经济状况等因素综合考虑,选用单一方法或几种方法结合起来输入所需要的图形数据。空间数据的采集,可以说是长期制约地图数据库与地理信息系统建设的“瓶颈”,也是当前国内外研究的热点和难点。实现空间数据的快速采集与更新,必须解决3个问题:一是图形图像识别的智能化;二是多种信息源数据采集的技术集成;三是数据资源的共享。其中,难度最大、最迫切需要解决的是第一个问题。下面介绍几种常用方法。

①键盘输入

就是通过手工在计算机终端上输入数据。实际上就是将图形元素点、线、面实体的地理位置数据(各种坐标系中的坐标)通过键盘输入到数据文件或程序中去。实体坐标可以用地图上的坐标网或将其他格网覆盖在材料上量取,这是最简单又不用任何特殊设备的图形数据输入法

②手扶跟踪数字化输入

a.数字化仪

数字化仪由电磁感应板(操作平台)和坐标输入控制器(游标)组成。普通地图可用胶带纸固定在操作平台上,当游标放到操作平台上时,由于电磁感应,游标在图上的相对位置就会转变成电信号。靠预先设计好的软件,传输给计算机的电信号能以光标的形式显示在图形显示器上,操作者按动游标上的按钮,坐标数据就记录在计算机中了。目前,市场上数字化仪的规格按其可处理的图幅面积来划分,有A0、A1、A3等幅面。典型的用于制图的数字化仪是A0规格的,其幅面为1.0 m×1.5 m。对于一般应用而言,A1幅面的数字化仪也可以满足对0.5 m×0.5 m常规地图的数字化。

b.数字化过程

根据GIS软件所提供的数字化仪设备驱动程序和数字化仪的类型,做好数字化仪安装工作,给数字化仪加电,将准备好的数字化原图固定于数字化桌上,输入原图的比例尺,定义用户坐标系(原点和坐标轴),确定地图投影方式,选择数字化方式,确定数字化范围,即可用游标将(x、y)最小值的点和(x、y)最大值的点数字化。数字化时必须按照不同的专题内容,分文件、分图层有顺序地数字化,幅面较大的图件,可分块数字化。

c.数字化方式

数字化有两种基本方式:点方式和流方式。点方式数字化时,只要将游标十字丝交点对准数字化原图上要数字化的点,按下游标上相应的按键,就可记录该点的(x、y)坐标。点方式主要用于采集单个点和控制曲线形态的特征点(端点、极值点、拐点),如控制点、三角点、水准点、独立地物中心点以及折线的始点、终点、转折点,居民地街区拐角点等。流方式数字化时,将游标十字丝交点沿曲线从起点移动到终点,让它以等时间间隔或等距离间隔方式记录曲线上一系列密集的离散点坐标。对于不规则的曲线图形,如河流、等高线海岸线等,常使用流方式数字化。

d.矢量到栅格数据的转换

要按一定的分辨率一个像元一个像元地将地图输入到栅格数据库要花很多时间,目前主要采用矢量数据输入,即把图边上多边形网、线网等分成线元素(边界),用适当的程序就可以把线元素转换成任何一种分辨率的栅格数据形式。当然,矢量到栅格的转换会不可避免的引起信息损失和各种误差。

e.数字化的精度

数字化精度受数字化仪误差、数字化方式、操作人员人为误差、编稿原图误差等多种因素的影响。选取数字化仪时应注意到数字化仪的实际分辨率与标定分辨率往往不一致,一般都要低1至2个分辨单位。实践证明,最大偏差不应超过3~6个分辨单位,即标定分辨率为0.025 mm的数字化仪,测试时的最大偏差应在0.07~0.15 mm范围内。

③扫描数字化仪输入

a.扫描仪

除少数特殊产品外,绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理的。扫描仪可分为滚筒(卷纸)式、平板式、CCD直接摄像式三种。普通的扫描仪大都按灰度分类扫描,高级的可按颜色分类扫描。因光学、电子、机械技术的发展和相互作用,扫描仪的成本正在迅速下降,但扫描仪仍比数字化仪昂贵得多。

b.扫描数字化前的准备

a)原图准备。由于扫描数字化是采样头对原图进行扫描,凡扫到需要色时记录一个数(例如“1”),扫到不需要色时就记录另一个数(例如“0”)。为提供扫描数字化,首先要选择色调分明、线画实在而不膨胀的地图作为原图;其次要在图上精确划定数字化的范围,标出坐标原点;最后要清理图面,如修净污点,连好线画上的断头等。b)选择数据记录格式。扫描数字化仪的数据记录格式有两种,一种是数字格式,也就是每个网格记录一个二进制数“0”或“1”,它适用于对黑白或彩色线画地图的数字化;一种是连续格式,每个网格记录一个灰度值(0~255个灰阶),它适用于对像片进行数字化。c)选择光孔的孔径。扫描仪采样头中透光孔的孔径有多种规格,例如:12.5μm×12.5μm,25μm×12.5μm,50μm×25μm,50 μm×40μm,100μm×100μm。孔径用来控制网格的大小,也就是用以控制分辨率,孔径越小,网格就越小,分辨率就越高,数据量也就越大。d)计算坐标差。当原图经过定向,固定在滚筒(或平台)上之后,要算出扫描仪原点和原图原点之差,以便控制记录装置。

c.栅格扫描数据到矢量数据的转化

栅格到矢量的转换计算主要用于将像元阵列变成线数据,将栅格扫描数据变成文本和线画,当栅格数据用笔式绘图仪输出时,也需要首先转换成矢量数据。从扫描仪输出的数据由一系列记录图像存在或不存在的像元组成。这种数据的矢量化处理比一般栅格数据的矢量化处理要复杂些。

d.其他类型的自动数字化仪器

为了满足大量幅面大、内容又复杂的数字化材料的快速数字化要求,在上述扫描仪的基础上发展了一些新型数字化仪器,例如,视频数字化仪、解析测图仪。人们之所以对自动扫描如此感兴趣,主要原因是从一定程度上来说,数字化是传统制图过渡到数字制图的重要问题之一。

④现有数据转换

任何信息系统都要利用已有数据,以减轻信息收集、编码、输入的工作量。除了利用本单位、本部门的现成资料外,利用常用的、通用的社会共享数据已成为一种趋势。特别是在发达国家,有很多政府机构或私人公司已经开始向社会公开提供数据服务,这种服务大致有5类信息:基本数字化地图、自然资源数据、地面数字高程、遥感数据以及与人口统计相结合的空间、属性和地址数据。这些数据服务可以减少在数据收集与数据输入方面付出的劳动,对GIS的普及起到了促进作用。

现有的数据转换输入,从计算机的角度来看难度虽不大,但在技术上需解决分类、编码、格式等标准化问题。特别是卫星遥感得到的数据,其格式不一定与资源环境信息系统数据库的一致,还需进行各种必要的预处理才能输入数据库。这些预处理包括调整分辨率和像元形状、地图投影交换、数据记录格式等,使数据保持与数据库的要求一致。

(2)非空间属性数据的输入

非空间关联属性有时称为特征编码或简单地称为属性,是那些需要在系统中处理的空间实体的特征数据,但它本身不属于空间数据类型。例如道路可以数字化为一组连续的像素或矢量表示的线实体,并可用一定的颜色、符号或数据位置等作为系统的空间数据表示出来,道路类型则可按常规制图符号表示。那么道路的非空间关联属性数据则指用户还希望知道的道路宽度、表面类型、建筑日期、入口覆盖、水管、电线、特殊交通规则、每小时的车辆流量等。属性数据的输入可在图形的适当位置键入,但数据量较大时一般都与空间数据分开输入且分别存储,将属性数据首先输入一个顺序文件,经编辑、检查无误后转存数据库的相应文件或表格。这是大量输入时的常用方法。

(3)空间数据和非空间数据的连接

空间数据输入时虽然可以直接在图形实体上附加一个特征编码或识别符,但这样交互式地输入大量复杂的非空间数据,其效率就降低了,空间和非空间数据连接的较好方法是用特殊程序把非空间属性数据与已数字化的点、线、面空间实体连接在一起。这样只要求空间实体带有唯一性的识别符即可,识别符可以手工输入(手工输入简单识别符,不至于严重影响数字化速度),也可以由程序自动生成并与图形实体的坐标存储在一起。

非空间属性数据的数据项目很多,应把属于同一个实体的所有数据项放在同一个记录中,并将记录的顺序号或某一特征数据项作为该记录的识别符或关键字。它和图形的识别符都是空间与非空间数据的连接及相互检索的联系纽带。

3)地理信息系统的数据处理

用数字化仪、扫描仪、坐标几何等方法输入GIS中的外部数据文件时,其数据往往在数据结构、数据组织、数据表达上和用户自己的信息系统不一致,因此,数据往往先存入临时数据文件,经过适当转换后才进入正式的数据库中。其数据的转换量往往很大,另外,在转换以后,还要纠正出现的某些误差或不符合规定的数据,即通过数据格式转换、图形坐标转换、图形拼接、拓扑生成等一系列的数据和图形处理后,正式进入GIS数据库中,建立起具有相互联系的数据库,来实现GIS的各种功能的应用。

15.3.3 地理信息系统的应用

地理信息系统正逐渐成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具,也成为与空间信息有关各行各业的基本工具。地理信息系统的主要应用有:

(1)测绘与地图制图

地理信息系统技术源于机助制图。它为测绘与地图制图带来了一场革命性的变化。这种变化集中体现在:地图数据获取与成图的技术流程发生了根本的改变;地图的成图周期大大缩短;地图成图精度大幅度提高;地图的品种大大丰富。数字地图、网络地图、电子地图等一批崭新的地图形式为广大用户带来了巨大的应用便利。测绘与地图制图进入了一个崭新的时代。

(2)资源管理

资源清查是地理信息系统最基本的职能,这时系统的主要任务是将各种来源的数据会集在一起,并通过系统的统计和覆盖分析功能,按多种边界和属性条件,提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例,可以输出不同土地利用类型的分布和面积,如按不同高程带划分的土地利用类型、不同坡度区内的土地利用现状,以及不同时期的土地利用变化等,为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。再如,美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的多用途专用的土地GIS。该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息,建立了威斯康星地区潜在的土壤侵蚀模型,据此,探讨了土壤恶化的机理,提出了合理的改良土壤方案,达到对土壤资源进行保护的目的。

(3)城乡建设

在一个城市范围内,GIS可用于土地管理、房地产经营、污染治理、环境保护、交通规划、管线管理、市政工程服务和城市规划等。如在城市与区域规划中,要处理许多不同性质和不同特点的问题,它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中,最后进行城市与区域多目标的开发和规划,包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置,以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现,是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件加以保证的。我国大城市数量居于世界前列,根据加快中心城市的规划建设,加强城市建设决策科学化的要求,利用地理信息系统作为城市规划、管理和分析的工具,具有十分重要的意义。例如,北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据,在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线(包括上水、污水、电力、通信、燃气、工程管线等)以及测量控制网、规划路等基础测绘信息,形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统,从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理,为城市规划设计与管理部门、市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其他测绘部门的查询服务。

(4)全球动态监测

在全球范围内,利用地理信息系统,借助遥感遥测的数据,对全球进行动态监测,可以有效地用于病虫害防治、森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算,为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。如联合国粮农组织(FAO)在意大利建立了遥感与GIS中心,负责对欧洲和非洲的农作物生产的病虫害防治提供实时的监测技术服务。再如1994年的美国洛杉矶大地震,就是利用ARC/INFO进行灾后应急响应决策支持,成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。又如通过对横滨大地震的震后影响做出评估,建立各类数字地图库,如地质、断层、倒塌建筑等图库,把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息。该系统的建成使有关机构可以对像神户一样的大都市大地震做出快速响应,最大限度地减少伤亡和损失。又如,据我国大兴安岭地区的研究,通过普查分析森林火灾实况,统计分析十几万个气象数据,从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子,用模糊数学方法建立数学模型,建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法,对预报火险等级的准确率可达73%以上。

(5)环境保护

利用GIS技术建立环境监测、分析及预报信息系统,为实现环境监测与管理的科学化、自动化提供最基本的条件。在区域环境质量现状评价过程中,利用GIS技术的辅助,实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价,以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态。例如,1998年3月,由欧共体支持的企业协会开始利用Internet网络和基于Internet的GIS软件——Autodesk公司的MapGuide,向商家和政府机构提供关键信息,以便解决环境问题。使用网络GIS技术,全欧洲的地区政府和机构可以共享地图和基于地图的信息。

(6)野生动植物保护

世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能,利用ARC/INFO作为“老虎与人类”保护项目的主要技术工具。它采用ARC/INFO在实地进行数据采集,分析老虎的重要栖息地,对老虎的种类、数量、猎物、生态系统等进行综合分析,并把分析的结果和地图发布给当地政府和其他组织,为他们制定和实施法律提供帮助。GIS帮助世界最大的猫科动物改变它目前濒于灭种的境地,取得了很好的应用效果。

(7)军事国防

一切战略的、战役的或战术的行动都离不开战场的地理环境,诸军(兵)种联合作战更是如此,而GIS在获取、存储、处理和分析空间地理环境信息并辅助决策方面具有特殊的地位和作用,西方国家对这一领域的研究和应用表现出了极大的兴趣,并给予了高度的重视。现代战争的一个基本特点就是“3S”技术被广泛地运用到从战略构思到战术安排的各个环节,它往往在一定程度上影响了战争的成败。

(8)宏观决策支持

地理信息系统利用拥有的数据库,通过一系列决策模型的构建和比较分析,为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究,可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中,通过利用地理信息系统和机助制图的方法,建立环境监测系统,为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。

总之,GIS目前已广泛应用于地图制作与生产、区域地质调查、矿产资源调查、基础地质研究、环境评价、公安侦破、土地调查、地籍管理、市政设施管理、行政管理等与空间信息有关的众多领域。地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具,相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展做出更大的贡献。

本章小结

本章介绍了近十几年被广泛关注的一个信息管理系统——地理信息系统(GIS),它是一个特定的十分重要的空间信息系统。

地理信息系统是在计算机硬、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、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

GIS主要由四个部分构成,即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理与操作人员。

地理空间数据是GIS的操作对象,主要包括数字、文字、图形、图像和表格等。

地理信息系统的一个重要的部分就是数据。实际上整个地理信息系统都是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的。

地理信息系统,被广泛地应用到社会、政治、经济、军事等领域。

习题与思考题

1.什么是地理信息?什么是空间信息?

2.什么是地理信息系统?它由哪几部分组成?

3.地理信息系统的硬件由哪几部分组成?软件按功能可分为哪几类?

4.地理信息系统有哪些数据来源?空间数据输入主要有哪几种方法?

5.地理信息系统在学术上主要有哪几种观点?

6.简述地理信息系统的作用和用途。

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