空间信息科学的关键技术

空间信息科学之所以能在许多领域得到广泛应用，与其所具有的多功能性是分不开的。概括起来，GIS的关键技术主要有以下6个方面(图2-5)。

图2-5 GIS的功能构成

1．数据采集和输入

该功能是GIS不可缺少的组成部分。没有数据，一个GIS系统就成了无源之水、无本之木。空间数据是指空间实体在三维空间中的位置，可通过手扶跟踪数字化仪输入，也可通过图形扫描后屏幕数字化输入。此外，GIS还提供了与其他多种格式数据源的交换功能，可以直接将Auto CAD及不同类型的GIS软件生成的数据转入特定的GIS中作为原始的输入数据进一步分析研究。属性数据是对空间对象特征的描述，可通过键盘录入，有些属性数据也可以从其他属性数据库中导入。

2．数据编辑与处理

数据的采集输入工作完成以后，需要对原始数据进行各种编辑处理，这主要有两方面的含义:一是对原始采集的数据或者是不符合GIS质量要求的数据进行处理，以符合GIS的数据质量要求;二是对已经存储在GIS系统中的数据经处理以派生其他信息。GIS提供了对图形数据和属性数据的多种编辑处理方法，如对属性数据的编辑修改，对图形数据的坐标变换、图幅拼接等。其中属性数据编辑往往与数据管理结合在一起，图形数据的编辑包括:①图形整饬，如去除冗余点、对象的删除与合并、对象风格的设置等;②投影变换，投影变换的目的是将地图数据输入时的坐标系转换到地图输出或GIS分析所需的坐标系，如在手扶跟踪数字化仪输入时往往基于的是平面坐标系，而GIS中往往使用的是某一投影坐标系，因此需要从平面坐标系到投影坐标系的转换;③图幅接边，当研究区范围较大时，往往在数字化输入时无法一次将一幅图完整地录入，需要分块数字化，此时需要将分块录入的数据拼接在一起，GIS提供的图幅接边功能可实现多幅地图数据的拼接;④拓扑关系生成，建立拓扑关系是GIS空间分析的基础。数字化输入的原始数据并没有表达对象间的相交、相邻、包含等空间关系，因此需要用GIS的拓扑生成功能建立空间对象之间的拓扑关系。

3．数据的存储管理

原始数据经采集输入，再经过编辑处理后形成了结构化的数据，这些数据通过GIS的存储管理功能在GIS数据库中保存，以备GIS分析与查询使用。在一个GIS系统中，有两种数据管理方式:一种是属性数据通过关系数据库管理，而空间数据则多采用文件方式来管理，二者之间的联系通过目标标识或内部连接码进行连接;另一种是通过空间数据库来一体化管理属性数据和空间数据。这两种方式各有优缺点，这是当前GIS领域研究的热点之一。

GIS中空间数据的组织形式通常有栅格和矢量两种结构。在矢量结构中，现实世界的每一要素的位置和范围用点、线、面表达，每一实体的位置用它们在坐标参照系中的坐标来定义;在栅格结构中，现实世界被划分为规则的格网，这些格网被称作栅格(象元)，地理实体的位置和状态用它们占据的行、列位置来定义，栅格的大小决定了对现实世界表达的精确度。在本书的基于GIS的数字油藏系统中，涉及到数据结构的选择问题。为了便于选择，对栅格和矢量两种数据结构作简要对比(表2-1)。

4．空间查询与分析

空间查询是空间信息科学以及其他许多自动化地理数据处理系统应具备的基本功能，而空间分析是GIS最重要的功能，也是GIS区别于其他信息系统的本质特征。它使得地图图形信息以及各种专业信息的利用深度和广度大大增强。在许多应用领域里，正是利用了GIS的强大的空间分析功能，诸如叠加分析、缓冲区分析、网络分析等。

空间信息科学的空间分析是对分析空间数据有关技术的总称，可分为3个不同层次:①初级层次——空间检索，包括从空间位置检索空间实体及其属性和从属性条件检索空间实体;②中级层次——空间叠加分析，其本质是空间关系上的逻辑运算，可实现多个空间对象的分割、合并和连接;③高级层次——空间模型分析，是空间信息科学与特定领域的分析模型的有机结合，以解决特定领域的实际问题。

表2-1 矢量数据结构和栅格数据结构的比较(邬伦等，2001)

5．地图制图与空间数据的可视化

地图制图通常分普通地图制图和专题地图制图，其本质是根据空间和非空间数据进行符号化的过程，实际上精细储层地质描述过程中的地质图件可以看作是GIS专题地图的制图过程。空间信息科学也是一个可视化的系统，地理空间信息的可视化表达是GIS的基本功能之一。它将地理实体的空间和属性信息以二维或三维图形方式直观地表现在屏幕或其他介质上，为用户提供了综合许多地理信息的表现方式，如动态信息表达、虚拟现实等。

6．应用

GIS是以应用为龙头、市场为先导、软件为核心的产业。是应用促进了GIS的发展，也是应用引导了GIS蓬勃发展的方向，并促进了GIS软件市场的形成。GIS在资源管理、区域规划、国土监测、辅助决策等方面的广泛应用正是GIS得以迅速发展的根本。GIS在多个领域的应用得益于GIS的基本功能。GIS功能的可扩充性使各领域专家知识与GIS的融合成为可能，随着GIS的功能逐步完善、各行各业对GIS的了解逐步深入，GIS在国民经济各领域的应用将进一步向纵深发展。