地理信息系统的发展与应用

地理信息系统的发展与应用

1从信息显示到决策工具的探索gis是geographic信息系统的缩写形式。中文意思是信息系统。这是w.l.garrison在1965年提出的现代地理概念。地理信息系统,是由计算机硬件、软件和方法库组成的高新技术系统,它具有采集、管理、处理、分析、建模和显示空间数据的功能,是测绘学、地图学、测量学、地理学、遥感与卫星定位技术、现代通讯技术、专家系统技术等学科和技术集成的基础平台,是多种学科交叉的产物.它以地理空间数据库为基础,采用空间模型分析方法,适时提供多种空间的和动态的有用信息,用于综合研究、资源开发、区域发展规划、环境保护、灾害防治、投资环境评价和决策管理等方面.地理信息系统“脱胎于地图”,“脱胎于60年代的机助地图制图系统”,这已成为人们的共识.但是,考察GIS的历史渊源,则可以追溯近200年来把人们引向现代技术的某些主题.地理信息系统的起源可以上溯到18世纪中期地图学发展中第一张精确的基础地图的绘制.P.Parent等学者认为,GIS并不是基于计算机的系统,它也并非现代的产物.实际上,“1838年出现的爱尔兰铁路专员的报告附图集可能是最早的地理信息系统”.20世纪中期,由于技术、科学和社会认识尤其是工业文明的进步,促使地图学的发展进入到一个空前的时期.数字电子计算机、高级分析方法和对地球资源有限性的日益加深的认识,已奠定了现代地理信息系统发展的新阶段.促使第一个电子地理信息系统诞生的是社会经济需要和运输研究.1955年,底特律市区委托一项未来的交通规划研究.研究组把底特律分成0.4km见方的坐标格网,然后调查每个网格中的交通流,进而运用统计分析预测未来的交通容量.这种未来交通模式被用来确定公路发展的区位和优先顺序.这项研究应用了许多新方法,但其地理命名格式是非计算机输出.然而,四年之后,芝加哥委托一项类似的研究,只是这一次才极大程度地使用了电子计算机.这种运输模拟研究可能是GIS的最早实际应用.通过不同数据层的分析生成新信息和计算机图形终端上以促进有效决策的形式展示输出结果的系统,在一定意义上就是决策工具.1962年,华盛顿大学民用工程系的E.Horwoob领导一个小组开发了ROMTRAM系统.这种早期的GIS把计算机统计制图技术与住房和城市发展部门结合起来,使之能够评价城市更新的目标(Gaits,1969).华盛顿大学可能是第一个地理数据处理研究的科学中心.如果运输研究是最早的具有统计分析能力的自动地理分析系统,那么资源调查则对有关领域给出了广泛的应用.1962年,加拿大土地调查部门的R.Tomlinson开发了加拿大地理信息系统(CGIS),这是被称为地理信息系统的最早一个系统,尽管直到1965年才正式这样命名(Tomlinson,1976).CGIS是为多种应用而设计的,而不仅是一种具体应用.其主要应用是以一种容易理解的数据格式存储整个加拿大的数字化地图资料和土地基本属性.CGIS有存储和检索功能,此外还能对属性重新分类,改变比例尺,结合和形成新多边形以及生成报表和报告.它是真正现代意义上的GIS,一个为支持决策过程而生成新信息层和产生图形输出的系统.20世纪70年代,不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷研制,美国、日本、加拿大、英国、西德、瑞典等国均投入了大量的人力和经费.1976年,美国地质调查所(USGS)已拥有各种信息系统比较优秀的试验系统和实用系统投入运行,地理信息系统的理论也得到了很大的发展.在这一时期,许多不同区域不同专题的信息系统得到很大发展.美国森林调查局发展了全国林业统一使用的资源信息显示系统RIDS,以代替原有的多个分散的资源信息显示系统;美国地质调查所发展了50多个地理信息系统用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息,较典型的有GIRAS,主要用于输入、处理、分析和输出全国范围土地利用和土地覆盖制图的空间数据;日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统,存储、处理、检索测量数据、航空相片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息,为国家和地区土地规划服务;瑞典在中央、区域和市三级上建立了许多信息系统,比较典型的有区域统计数据库、道路数据库、斯德哥尔摩地理信息系统等.探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视,许多学者发表文章,探讨遥感纳入地理信息系统的可能性、接口问题以及遥感支持的信息系统的结构和构成等问题.美国喷气推动实验室(JPL)在1976年研制成功兼具影像数据处理和地理信息系统功能的影像信息系统IBIS,可以处理Landsat影像多光谱数据;NASA的地球资源实验室在1979年至1980年发展了一个名为ELAS的地理信息系统,该系统可以接受Landsat,MSS影像数据、数字化地图数据、机载热红外多波段扫描仪以及海洋卫星合成孔径雷达的数据等.进入90年代以来,随着计算机软、硬件技术的发展和普及,地理信息系统也逐渐走向成熟,主要表现在:a.地理信息系统微机化;b.应用领域不断拓宽;c.国际合作日益加强;d.产业化和社会化.我国的地理信息系统方面的工作始于80年代.2机软件系统设计一个完整的地理信息系统主要由四个部分构成,即计算机硬件系统、计算机软件系统与应用模型、地理空间数据库,以及合理的组织联系(用户).计算机系统是地理信息系统的核心部分,空间数据库反映了地理信息系统的地理内容,而管理人员和用户则决定了系统的工作方式和信息表达方式.2.1gis的硬件配置.是计算机系统中有形的物理装置的总称.它是GIS的物理外壳,可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置.系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件均与硬件有很大的关系.GIS的硬件配置一般包括四个部分:a.计算机主机;b.数据输入设备:数字化仪、扫描仪、键盘、通讯端口等;c.数据存储设备:软盘、硬盘、磁带、光盘及相应的驱动设备;d.数据输出设备:显示器、绘图仪、打印机等.2.2gis软件方面是指GIS运行所需的各种程序,包括:a.计算机系统软件:通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序等;b.地理信息系统及其支撑软件,可以是通用的GIS工具系统或专门开发的GIS软件包,还有数据库管理系统、CAD、图象处理系统等;c.应用分析模型库:是系统开发人员或用户据实际应用的需要而编写的特定应用分析程序,是系统功能的扩充与延伸.2.3gis的数据源是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会、人文经济数据,它可以地图、影像、表格、文档等多种形式表示,是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容.GIS的数据源是多样化的,图形数据类包括:地形图、专题图、航片卫片、数字图像等;统计数据类包括:资源、经济、社会环境、人口和实地调查资料等;文档类数据包括:报告、报表、有关政策的文件等.这些数据的基本组织形式是数据文件.2.4组织和信息流程地理信息系统不同于一般的图形图像处理系统,也不同于一幅地图,而是一个动态的客观进行的空间模型,仅有其硬件、软件和数据不能构成完整的地理信息系统,要有专门人员去进行组织、管理、维护和数据更新,扩充完善系统,并灵活采用分析模型提取各种信息,才能为各种需求作好服务.地理信息系统的组织应由各种技术人员混合组成,高级人员着重于系统的正常运行、程序编写、数据处理、模型建立、系统功能开发等工作,低级技术人员负责数据输入、结果输出、检查等工作.人的因素在GIS中被认为起着决定性的作用.3gis的功能GIS应用的核心是地理数据,故GIS的功能主要是针对地理数据(包括位置数据和属性数据)的操作和管理(包括分析).3.1空间数据录入输入功能是GIS的功能的一个非常重要的方面.GIS的输入功能是指GIS必须具备对空间数据和非空间数据的录入能力.根据数据类型的不同,相应采用不同的录入方法,一般有:数字化录入、扫描录入和键盘录入三种.随着GIS的发展,已有语音录入方面的探索.3.2gis数据编辑方式规范对于录入的空间数据和非空间数据,GIS还须具备对其进行编辑、修改的能力,以使其进一步完善并符合系统数据管理标准的要求.对GIS中的数据进行编辑,涉及到GIS中数据的结构模型.目前,GIS中的数据组织形式主要有五种结构:矢量结构、栅格结构、不规则三角网(TIN),Voronoi以及超图结构.不同的数据结构有着不同的数据编辑方式.3.3数据库集成技术一个成功的GIS必须具备完善的数据库管理功能.对特定条件的数据进行查询、检索是用户最经常的应用操作要求.有的GIS已经成功地实现了与专业数据库软件的集成,如ARC/INFO与FoxBASE+的集成等.3.4图仪gis输出GIS中的数据及其分析结果可以输出到屏幕、打印机、绘图仪上.GIS被誉为地理学的第三代语言,是现代制图(电子制图)技术的重要内容.它对成图输出具有很高的要求.GIS的输出包括图形输出和属性输出(报表、统计数据等).3.5分析功能空间分析是地理信息系统区别于其它类型信息系统的主要标志.通过空间分析,在原始数据的基础上可得出特定的结论和新的信息,使原始数据所包含的信息得以外延和扩展.GIS的分析功能包括基本空间分析、属性分析以及应用模型分析三个方面.基本的空间分析功能有拓扑叠加分析、缓冲操作、扩展邻域操作等;属性分析包括算术与逻辑分析、统计分析等;应用模型分析则包括空间模型和非空间模型分析两个方面.应用模型的使用和发展以成为现代GIS发展水平的重要标志和GIS进一步发展的重要前提.应用模型的加入,使GIS的分析功能加强,应用范围扩展,应用水平也得到很大的提高.应用模型的开发和完善已成为当前GIS研究领域的一个热点.4gis的分类GIS的分类有多重标准,按照内容可分三大类.4.1森林动态监测系统是具有有限目标和专业特点的地理信息系统,为特定的专门目的服务.这类系统一般是服务于某一专题的管理信息系统,如森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等.4.2区域信息系统主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标,可以有不同的规模,如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统,也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统.区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国橡树岭(Oakridge)地区模式信息系统、我国黄河流域信息系统等.许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统,如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统等.4.3特殊的统一色度、方便操作的数据库gis地理信息系统工具是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包,它为GIS的应用及开发提供平台的作用.它们或者是专门设计研制的,或是在完成了实用地理信息系统后取掉具体区域或专题的地理空间数据后得到的,具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性并易于扩展、操作简便、容易掌握,适用作为地理信息系统支撑软件以建立专题或区域性的实用性信息系统.目前,地理信息系统工具的研制还不十分成熟,在功能覆盖、应用程序接口、硬件适应面和使用灵活性上还不能满足所有领域不同层次的需要,但随着人们对它的重视和研究工作的开展,水平会大大提高,成为类似通用的数据库管理信息系统的软件工具.当前比较有影响的GIS工具有ARC/INFO,ARCVIEW,MapInfo,INTERGRAPH等.5gis的发展现状GIS的发展与计算机技术(多媒体、网络、数据库、软件工程、电子技术)、数学、地学的发展密切相关.在知识、信息大爆炸的今天,GIS作为一门新兴的技术学科,正在以突飞猛进的速度向前发展着.5.1gis相关研究GIS是时代发展的产物.随着GIS的社会化、产业化,GIS本身正日益表现为一个庞大的系统工程.GIS的进一步发展,使其内部发生了不同程度的分化,产生了一系列GIS的分枝研究领域,主要有:5.1.1GIS数据结构、数据组织及其标准的研究GIS中的核心部分是地理数据.如何组织、管理这些数据是GIS的首要任务,也是GIS区别于其它图形软件(如CAD)的基本特征.随着GIS的进一步发展,时空一体化数据、三维数据、矢量栅格混合数据等更是向GIS的数据管理、组织能力提出了严重的挑战.当前的GIS软件开发厂商众多,自成体系,如何解决各软件的数据交换问题已成为当前GIS应用中的一个难题.随着GIS的各种新的应用需求的出现,这一领域的研究将持久地发展下去,并且始终处于一个基础性的重要地位.5.1.2应用分析模型的研究分析能力是GIS中最具魅力的功能,而这完全依赖于分析模型的完美性与全面性,可以说,分析模型是GIS活的灵魂,应用模型的发展水平将最终决定GIS的应用水平.目前,有的学者提出要建立GIS的模型库系统,以实现模型的半自动、自动生成,发展具有智能水平的构模工具和模型管理系统.正因为分析模型在GIS中的重要性,关于它的研究已成为一个相对独立的研究领域.5.1.3“3S”一体化研究遥感、全球定位系统、地理信息系统(即3S)一体化是目前发展比较活跃的领域.GIS是对空间数据进行管理、分析的计算机系统,而RS、GPS则是GIS的重要数据源.当前,3S中的数据在格式、内容方面均存在很大的差异,如何建立它们之间的接口,实现3S之间的数据共享,并进而真正实现3S一体化的实时处理系统,已成为3S一体化研究方面的重要课题.另外,比较重要的研究还有OpenGIS、GIS的互操作、GIS的可视化研究等,同时还提出了社会GIS的概念.5.2网络gistgis经历了几十年的发展,GIS已从小规模的工程项目组,进入了分布式的部门GIS、企业GIS阶段,并正在悄然走向社会GIS阶段.随着计算机网络通讯、各种媒体技术特别是信息系统技术的迅猛发展,GIS技术、GIS应用服务系统及相应设施必然日益渗透和走入社会生活的各个部门,甚至家庭,成为各阶层、部门及个人生活中日益不可缺少的重要设施.5.2.1网络GIS(webGIS)随着互联网(Internet)的发展,网络GIS日益引起研究人员的关注,成为GIS探讨的热点之一.80年代出现的客户/服务器体系的局域网络地理信息系统允许地理信息在局域网内共享,已初步具有网络GIS的特点.互联网的出现,使网络GIS的发展进入一个新的阶段.分布式是Internet/Intranet的根本特点之一,这也正是地理信息的特点,可以预见,基于Internet/Intranet的webGIS将是GIS发展的主流之一.网络GIS的功能主要表现在图形浏览和空间查询两种方式.随着网络物理线路通讯能力的提高,网络浏览器和服务器软件的升级,GIS软件技术的发展,网络GIS在服务能力、用户界面、易接近性、服务内容、服务范围等方面将有长足的进步,并且在以后相当长的一段时间内,成为GIS研究的主要内容之一.5.2.2多媒体GIS多媒体技术是一种集声、像、图、文、通讯等于一体,并以最直观的方式表达和感知信息,以形象化的、可触摸的、甚至声控对话的人机界面操纵信息处理的技术.目前的GIS中传递地图信息的方式是单媒体,故没有声音、假动态功能、假三维显示.多媒体技术是解决上述问题的有效途径.多媒体技术在GIS中的应用,可以扩大GIS的处理对象、数据来源及处理手段,增加GIS的表现手段和效果,加速GIS社会化,并有助于建立GIS信息高速公路.随着多媒体技术在GIS领域的深入应用,