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地理信息系统结课论文

地理信息系统

结课论文

学院：

机械学院

班级：

2010070班

姓名：

杨伟朋

学号：

201007018

地理信息系统综述

杨伟朋

（华北水利水电学院机械学院学号：

201007018）

[摘要]地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。

它是一种特定的十分重要的空间信息系统。

它是在计算机硬、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、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

[关键词]地理信息系统；业务化应用；数据；行业发展

【Abstract】GIS（GeographicInformationSystemorGeo-Informationsystem,GIS）issometimesreferredtoas"geo-informationsystem"or"ResourcesandEnvironmentInformationSystem."Itisaveryimportantspaceforaparticularinformationsystem.Itisinthecomputerhardwareandsoftwaresystemsupport,onthewholeorpartoftheEarth'ssurface（includingtheatmosphere）intherelevantgeographicdistributionofspacedataacquisition,storage,management,operations,analysis,displayanddescriptionofthetechnicalsystem.

【Keywords】GIS;operationaluse;spatialdatainfrastructure;industrydevelopment

[正文]

地理信息系统（GIS）是随着计算机技术发展而形成的一门新兴技术,计算机技术正以前所未有的速度迅速发展,GIS应用程度和应用范围随之深入扩大,正处于急剧变化与发展之中。

以计算机为核心的信息处理系统技术是二次世界大战后科技革命的主要标志之一.在信息的诸多类型中与空间相关的信息是十分重要的一类.人类生存的地球这个三维空间中的万物无不与空间位置相关，如何利用计算机处理空间相关信息是地理信息系统（geographicinformationsystem，简称GIS）产生和发展的原动力.GIS技术在国防、城市规划、交通运输、环境监测和保护等与国民经济乃至国家命脉相关的重要领域的成功应用，极大地推动了社会生产力的发展，同时，也极大地刺激了GIS技术的迅速发展，使之成为世界各国激烈竞争的高科技热点之一.国家科委将其列入九五重中之重科技攻关项目.MAPGIS，VIEWGIS，CITYSTAR，GEOSTAR等一批优秀国产GIS软件已经开始在许多领域得到广泛应用，成为国内GIS市场一支不可忽视的力量.

一.地理信息系统基本概念

地理信息系统是指依托于计算机技术，能够对空间数据进行采集，处理，存储，并能够自动或半自动地对空间数据进行分析，从而为各种决策提供依据的计算机系统。

地理信息系统的基本特性：

（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、结构直接影响着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和属性数据，即点、线、面、体这类有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区别于其它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中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；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产品，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。

地理学是GIS的理论依托。

有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。

如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。

GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。

二.地理信息系统的功能

1.基本功能：

（1）.数据采集功能

数据采集主要用于获取数据，保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性。

一般来讲，GIS数据库的建设占整个系统建设投资的70%以上。

数据采集包括将现有地图、野外测量数据、遥感数据以及文本资料等s转换成数字形式。

采集的设备有人机交互终端、数字化板、扫描仪、数字摄影测量仪等。

（2）.数据编辑功能

初步的数据编辑主要包括数据格式化、转换、概括。

数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换；数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等；制图综合（Generalization）包括数据平滑、特征集结等。

目前地理信息系统所提供的数据概括功能极弱，与地图综合的要求还有很大差距，需要进一步发展。

（3）.数据存储与组织功能

这是建立GIS数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。

栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。

空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能。

（4）.数据存储与组织功能

在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。

目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共项（一般定义为地物标识码）来连接。

（5）.空间查询与分析功能

空间查询与分析是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，用户可以从中获取很多派生信息和新知识。

（6）.图形与交互显示功能

地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件。

GIS能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供GIS的使用者能够设计和制作出高质量的地图。

2.应用功能

（1）.位置（Location）：

在某个特定的位置有什么?

（2）.条件（Condition）：

符合特定条件的地方在哪里？

（3）.变化趋势（Trends）：

 从何时起发生了哪些变化？

（4）.模式（Patterns）：

 对象是以何种空间模式分布的？

（5）.模型（Models）：

如果存在某些条件，结果将如何?

三.地理信息系统的应用领域

由于GIS是用来管理、分析空间数据的信息系统，所以几乎所有的使用空间数据和空间信息的部门都可以应用GIS。

由于各个部门的不同，GIS在具体业务系统中所占的比重、应用方式也各异，结合比较紧密的如城市规划、环境领域等，相对松散的有商业、医疗卫生领域。

1.城市规划和管理

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。

 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。

城市是人类活动高度集中的区域，同时也是信息、物质高度集中的区域。

随着科技的进步和经济的发展，城市系统越来越复杂，数据和信息越来越多，服务要求越来越高。

城市管理面临着新的挑战，为了城市的现代化、生态平衡和持续发展，城市需要全面的规划，而地理信息系统给城市的规划和管理带来了新的工具。

城市建设规划涉及的因素非常多，开发新城要征用土地，改建旧城要拆迁安置，同时需要基础设施、公共服务设施的配套。

在开发建设活动中，如果不注意各工程项目之间的协调，就可能造成混乱，而采用GIS对各种信息进行管理，并基于此进行分析和辅助决策，可以有效地防止这种混乱局面的出现。

由于城市在不断地建设发展，所以需要随时更新城市基础数据库，这就要求应用GIS管理日常城市建设活动，以保证信息的时效性。

2..农业气候区划

自八十年代以来，中国农业生产环境、气候环境发生了巨大变化，包括：

（1）.农业科学技术进步，高新技术引进，农业朝高产、优质、高效、低耗方向发展；种植业向粮食—经济—饲料作物三元结构转变；小生产、大市场向规模经营方向发展，逐步实现种养加、产供销、贸工农一体化。

农村产业结构调整向农业气候区划提出了新的要求。

（2）.气候条件与气候资源本身发生了变化。

如东北地区平均气温升高，北方地区干旱范围扩大，长江流域洪涝增多，特别是九十年代以来，异常气候事件呈现明显增多的趋势。

有必要重新认识气候资源的变化及其合理利用和保护问题。

（3）.农业气候区划技术条件发生了巨大变化。

“3S”（GIS、RS、GPS）与网络技术在农业气候资源动态监测与开发应用中展示出广阔前景。

（4）.农业生产的发展，对气候资源开发利用和保护提出了更高要求。

气象部门必需依靠科技进步，技术创新适应社会的需求。

建立一套基于“3S”、网络平台的区划信息系统，有助于广大气象台站在气象服务手段和技术上得到提升。

（5）.面对21世纪农业新技术革命和可持续农业战略，农业气候资源作为一种重要的投资环境，有必要进行科学、客观的评价。

中国气象局提出建设“第三次农业气候区划”项目的目的是：

采用新技术、新方法、新资料，开发“农业气候区划信息系统（Agriculture&ClimateDistributedInformationSystem,简称ACDIS）”软件，建立气候资源开发利用和保护监测体系，实行资源平面与立体，时间与空间全方位优化配置；发挥区域气候优势，趋利避害减轻气候灾害损失，提高资源开发的总体效益。

为各级政府分类指导农业生产，农村产业结构调整，退耕还林防止水土流失等提供决策依据，为地方政府服务。

3.大气污染监测管理

随着经济的发展，环境污染直接影响了人们的生活质量，环境质量问题也得到了越来越多的重视。

污染环境包括水污染、大气污染、固体废弃物污染等，其中就大气污染而言，城市区域由于受到工业生产、居民生活的影响，成为大气污染发生的集中区域，历史上几次严重的污染事故，如伦敦烟雾事件（1952）、洛杉矶光化学烟雾事件（1943），都是发生在大城市。

近几十年来，研究者对大气污染问题进行了大量研究，并且通过实验或计算来建立适合于特定区域的大气污染物扩散模式以及确定相关参数的计算方法。

城市大气污染的来源主要包括点状污染源和线状污染源，前者主要包括烟囱，后者则指汽车尾气排放。

而污染的扩散的影响因子，除了排放量、排放物之外，还受到气象条件、下垫面等因素的影响。

通过大气动力学的研究，研究者给出了用来描述污染物在大气中扩散规律的各种解析方程。

这些大气扩散公式为空气污染预报提供了一定的基础，可以为现有污染源条件在不利的气象条件下减少有害污染物的排放、在城市规划中合理进行区域规划以及环境影响评价提供了切实有效的信息。

无论是点源污染，还是线源污染，其空间分布以及属性可以通过地理信息系统进行管理，而污染扩散的影响因子的空间分布同样可以作为GIS的空间数据组成部分，所以，基于GIS可以建立大气污染扩散模型，进而，GIS也提供了丰富的功能以表现污染物强度空间分布，可以查询强度分布状况，并可以结合其它社会经济数据，进行更加细致的评价分析。

4.地震灾害和损失估计

对地震灾害以及地震次生灾害的评估对于一个区域的降低危险，资源分配以及紧急响应规划具有重要的意义，而通过存储和分析地质构造信息，利用GIS可以预测地震发生的“场景”并估计该区域由于地震引发的潜在损失。

此外，GIS也提供了有力的工具使得在地震实际发生时，分析灾害严重程度的空间分布，帮助政府分配紧急响应资源。

进行地震灾害评估时要综合考虑地质构造等各种信息的空间分布，通常包括以下几个步骤（图14-9）：

（1）.估计地表震动灾害

需要识别地震源点，然后建立在该点发生地震以及地震波传播的模型，最后根据地表的土壤条件得到最终的震动强度。

（2）.估计次生的地震灾害

次生的地震灾害包括液化（Liquefaction），滑坡，断裂等，评估这些灾害需要收集相应区域的地质构造信息，计算地表运动的强度和持续时间以及在以前的地震发生过程中这些灾害发生的情况。

（3）.估计对于建筑物的损害

需要收集地震区域内建筑和生命线的分布状况，然后对每种建筑的建立损害模型，该模型是一个函数，与地表震动强度以及潜在的次要灾害有关。

（4）.估计可以用金钱衡量和不可以用金钱衡量的损失

可以用金钱衡量的损失包括受损建筑的修复和重建，而不可以用金钱衡量的损失包括人员伤亡。

估算这些损失需要相应的社会经济信息，此外，清除垃圾和重新安置费用、失业、精神影响以及其它的长期或短期的影响，需要建立不同的模型，分别加以确定。

5.地貌

地貌学理论发展和生产实践需要加强计量地貌研究。

然而，由于地貌现象的复杂性、地貌数据的庞大等多方面的原因，需要在地貌研究中采用GIS工具，使其成为地貌定量研究的一个有效途径。

在地貌研究中采用GIS技术具体实现步骤和内容归纳为：

（1）.研究地貌信息内涵和地貌系统的特点。

（2）.根据地貌信息及其分析方法的特点，结合GIS工具建立地貌信息专题分析系统。

（3）.在地貌信息系统的支持下，建立综合的定量地貌分析模型，利用尽可能多的信息源，分析地貌信息流及其相关物质流、能量流规律，研究地貌形态、物质组成、成因机制、分布特征、发生发展规律及其对人类生产、生活环境的影响作用。

（4）.开发机制地貌制图系统作为地貌信息系统的输出系统，将以上的分析结果编制成各种平面或立体的地貌分析图件，实现地貌制图自动化，将在资源开发、环境整治、生产建设的实际目标中发挥更大的作用。

6.医疗卫生

无疑，健康问题是人类生活中最为关注的问题之一，考虑到以下因素，在医疗卫生领域应用GIS，将有助于解决健康问题以及制订相应的政策。

（1）.某些疾病只是限于一些地区（地方病），探讨其局部的自然和社会条件，对于研究疾病的原因以及治疗手段有着重要的意义。

（2）.医疗设施（医院、诊所、急救中心等）具有空间分布特性，在一个区域内合理分布医疗设施有利于资源的有效利用。

四．GIS理论研究中急待解决的问题

1.GIS的功能问题。

当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS,不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力；

2.IS地理信息的深加工问题

深加工的结果，可以是结论性专题地图，也可以是结论性专题数据集。

这两种形式都是必须的，前者提供结论性图形信息，后者提供结论性数字信息，提供经过深加工的结论性成果对用户更直接和更有利。

3.多媒体GIS的管理和操作的问题

在一个多种数据类型并存的混合系统中，如何实现对各类数据的随意操作和有效管理，这是现今信息媒体多元化新时代的突出问题。

4.GIS模型存在的问题

传统GIS模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象，使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系，难以表达复杂的地理实体，更难满足客观世界的整体特征要求。

5.数据结构方面存在的问题

当前通用的GIS主要有矢量、栅格或两者相加的混合系统，即使是混合系统实际上也是将两类数据分开存储，当需要执行不同的任务时需采用不同的数据形式。

在矢量结构方面，其缺点是处理位置关系相当费时。

在栅格结构方面，存在着栅格数据分辨率低，精度差；难以建立地物间的拓扑关系。

6.GIS模型存在的问题

  传统GIS模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象，使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系，难以表达复杂的地理实体，更难满足客观世界的整体特征要求。

在GIS软件开发中，如果语义分割不合理，将难以有效表达地理空间实体间的关系，这就导致较深层次的分析、处理操作难以实现。

随着GIS应用需求领域的不断开拓及计算机技术的迅速发展，对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求，使得传统的地理空间数据模型力不从心，逐渐暴露其弊端。

  目前，面向对象的数据模型一定程度上解决了传统GIS数据模型的某些不足，但是面向对象数据库目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受，因为面向对象数据库作为一个DBS还不太成熟，如缺少完全非过程性的查询语言以及视图、授权、动态模式更新和参数化性能协调等；且面向对象数据库与RDB之间缺少应有的兼容性，因而使得大量的已建立起来的庞大的RDB客户不敢轻易地去选择面向对象数据库。

五.地理信息系统的发展趋势

GIS技术依托的主要平台是计算机及其相关设备。

进入90年代以来,计算机核心部件CPU的处理速度愈来愈快、性能价格比更高;其存储器可实现将大型文件映射至内存的能力,且能存储海量数据。

随着多媒体技术、空间技术、虚拟实景、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术以及三维图形芯片、大容量光盘技术与宽频光纤通讯技术的突破性进展,特别是消除数据通讯瓶颈的卫星互联网的建立,以及能够提供接近实时对地观测图像的高分辨、高光谱、短周期遥感卫星的大量发射,所有这些为GIS技术的广泛、深入应用展示了更加光明的前景。

同时,也使得当前的GIS已不能满足信息时代、数字时代的要求,目前GIS总体上呈现出网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势。

1.网络GIS（WebGIS）

计算机网络技术的最新发展使得在网络上实现GIS应用日益引起人们的关注,建立万维网GIS（WWWGIS或WebGIS）是近年来GIS研究领域的一个前沿课题。

InternetGIS是指在Internet的信息发布、数据共享、交流协作基础之上实现GIS的在线查询和业务处理等功能。

Web分布式交互操作是工作重点。

由于速率、安全性及面向业务处理等关键要素InternetGIS正在Internet上获得广泛应用,利用Java、CGI、Plug/ins等开发技术,使企业用户直接通过Browser对GIS数据进行访问,实现编辑修改、检索查询、信息分析、制图输出等GIS基本功能。

网络GIS是当前GIS的一个重要发展方向。

目前,WWWGIS的建设面临四个方面的挑战:

网上数据发布、网上数据互操作、网上数据采掘和网上数据管理及安全性。

与传统的GIS相比,WebGIS具有以下特点:

（1）.适应性强。

WebGIS是基于互联网的,因而是全球或区域性的,能够在不同的平台运行。

（2）.应用面广。

网络功能将使WebGIS应用到整个社会,真正实现GIS的无所不能、无处不在。

（3）现势性强。

地理信息的实时更新在网上进行人们能得到最新信息和最新动态。

（4）.维护社会化。

数据的采集、输入、空间信息的分析与发布将是在社会协调下运作,可采用社会化方式对其维护以减少重复劳动。

（5）.使用简单。

用户可以直接从网上获取所需要的各种地理信息,方便地进行信息分析,而不用关心空间数据库的维护和管理。

IntranetGIS发展甚为迅速,主要基于以下优势:

大规模降低成本,全面取代桌面GIS系统。

将企业成员的交流合作与GIS专业操作有机地结合,构成企业群体生产力。

用页面取代窗口,使系统简单易用,降低了专业操作的难度。

充分利用网络资源,对于复杂的处理,诸如大规模查询,则交由服务器执行,而数据量较小的简单操作则由客户端完成。

2.开放式GIS开放式地理信息系统（OpenGIS）

开放式GIS开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下,根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统。

它不仅使数据能在应用系统内流动,还能在系统间流动。

OpenGIS是为了使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性,以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。

OpenGIS规范是由开放地理信息系统协会（OpenGISConsortium,简称OGC）制定的一系列开放标准和接口。

OGC由商业部门、政府机构、用户以及数据提供商等多个领域的成员组成,以获取地理信息处理市场最大的互操作。

OGC的目的是通过信息基础设施,把地理空间数据资源集成到主流的计算技术中,促进可互操作的商业地理信息处理软件的广泛应用。

OpenGIS规范提供了地理信息及处理标准,按照该规范开发的各个系统之间可以自由地交换地理信息和处理功能。

为此,OpenGIS要具有下列特点:

（1）互操作性:

不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。

（2）可扩展性:

硬件方面可在不同软件、不同档次的计算机上运行,软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。

（3）技术公开性:

开放思想主要是对用户公开,公开源代码及规范说明是重要的途径之一。

（4）可移植性:

独立于软件、硬件及网络环境,不需修改便可在不同的计算机上运行。

除此之外,还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。

OGC促进了GIS的互操作。

它通过规范,改变了地理数据及其服务的处理方式,通过互操作的开放式系统将它们集成,从而在Intranet/Internet环境下,通过分布式平台从异构信息中直接获取信息。

OGC促进了地理数据提供者、厂商和服务商之间的联合,推动了全球范围内的标准化进程,拓宽了地理数据服务市场。

OpenGIS技术将使GIS始终处于一种有组织、开放式的状态,真正成为服务于整个社会的产业以及实现地理信息的全球范围内的共享与互操作,是未来网络环境下GIS技术发展的必然趋势。

3.虚拟GIS（VGIS）

虚拟GIS就是GIS与虚拟现实技术（VirtualReality）的结合。

VR技术是当代信息技术高速发展,并与其他技术集成的产物,是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。

虚拟技术的一个特点是将过去认为只擅长于处理数字的单维信息的计算机发展成也擅长于处理适合人的特性的多维信息的计算机。

G.Burdea（1993）提出虚拟技术是由沉浸-交互-构想（immersion-interaction-imagination）,即“I3”组成,它强调人的主导作用。

虚拟技术的基础是:

高级的三维图形技术、问题求解工具、多媒体技术、网络通信技术、数据库、信息系统、专家系统、面向对象技术和智能决策支持系统等技术的集成。

由于技术的限制,目前还未能开发出适用于遥感和GIS用户需要的真3维可视化的数据分析软件包。

GIS与虚拟环境技术相结合将使GIS更加完美。

GIS用户在计算机上就能观察到真3维的客观世界,在虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。

目前虚拟GIS的研究主要集中在虚拟城市。

4.多媒体GIS多媒体技术（MGIS）

多媒体是一种集声、像、图、文、通讯等为一体,并以最直观的方式表达和感知信息,以形象化的、可触摸（触屏）的甚至声控对话的人机界面操纵信息处理的技术。

应用多媒体技术对