【文章內(nèi)容簡介】 Geographical Information System， GIS）是一門介于信息科學(xué)、空間科學(xué)與地球科學(xué)等學(xué)科之間的交叉學(xué)科和技術(shù) [45]，主要是描述、存儲、分析和輸出空間信息的理論和方法。 GIS 與其他學(xué)科的關(guān)系如圖 21[46]。 Garrison 于 1965 年最早提出了 “地理信息系統(tǒng) ”這一術(shù)語。 1971 年投入運行的加拿大地理信息系統(tǒng)（ CGIS）是國際上公認(rèn)的最早建立的較為完善的大型實用地理信息系統(tǒng)。我國著名的測繪學(xué)家和地理學(xué)家陳述彭先生將地理信息系統(tǒng)定義為 “地理學(xué)的第三代語言 ”；美 國聯(lián)邦數(shù)字地圖協(xié)調(diào)委員會（ FICCDC）定義 GIS 為 “由計算機(jī)硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題 ”。地理信息系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其存儲和處理的信息是經(jīng)過地理編碼的，地理位置及與該位置有關(guān)的地物屬性信息成為信息檢索的重要部分。在地理信息系統(tǒng)中，現(xiàn)實世界被表達(dá)成一系列的地理要素和地理現(xiàn)象，這些地理特征至少由空間位置參考信息和非位置信息兩個組成部分。 GIS 以地理空間數(shù)據(jù)庫（ Geospatial Database） 為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，以地理數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)、集合數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)）為操作對象，適時提供多種空間的和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。 GIS 把地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來，根據(jù)實際需要，準(zhǔn)確真實地輸出給用戶，借助其獨有的空間分析功能和可視化表達(dá)，進(jìn)行各種輔助決策。 GIS 已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、區(qū)域規(guī)劃、管理決策、交通管理、警務(wù)運用、城市設(shè)施管理、電力水利、災(zāi)害防治等方面得到普遍應(yīng)用，已經(jīng)形成一個價值數(shù)千億美元的全球產(chǎn)業(yè)。使用 GIS 技術(shù)進(jìn)行信息化建設(shè)的單位基本上都將 GIS 作為整個企業(yè)應(yīng) 用系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)支撐平臺。這其中一個重要原因是空間信息在我們生活中廣泛存在，據(jù) ESRI（ Environmental System Research Institute：美國環(huán)境系統(tǒng)研究所）的統(tǒng)計，日常工作中的近 70％的數(shù)據(jù)信息與空間位置有關(guān)。自上世紀(jì) 90 年代以來，國際上廣泛地應(yīng)用 GIS 及其社會經(jīng)濟(jì)性足以證明， GIS 同電力、通訊系統(tǒng)一樣是現(xiàn)代社會必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，它既服務(wù)于社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)，又服務(wù)于人民生活，成為社會賴以運轉(zhuǎn)和發(fā)展的條件和保障。 武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 16 地理信息系統(tǒng)的主要特征和類型 （一） 地理信息系統(tǒng)的特征 圖 21 GIS 的學(xué)科 “樹 ” 地理信息系統(tǒng)具有以下三個方面的特征： ? 具有采集、管理、分析和輸出多種地理信息的能力，具有空間性和動態(tài)性； ? 系統(tǒng)以分析模型驅(qū)動，具有極強的空間綜合分析和動態(tài)預(yù)測能力，并能產(chǎn)生高層次的地理信息。 ? 人機(jī)交互的計算機(jī)系統(tǒng)是地理信息系統(tǒng)的重要特征，因而使得地理信息系統(tǒng)能以快速、精確、綜合地對復(fù)雜的地理系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和過程動態(tài)分析。 （二） 地理信息系統(tǒng)的類型 地理信息系統(tǒng)按其內(nèi)容可以分為三大類： （ 1）專題地理信息系統(tǒng)（ Thematic GIS），是具有有限目標(biāo)和專業(yè)特點的地理信息系統(tǒng) ，為特定的專門目的服務(wù)。例如，森林動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)、水資源管理信息系統(tǒng)、礦武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 17 業(yè)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)等。 （ 2）區(qū)域信息系統(tǒng)（ Regional GIS），主要以區(qū)域綜合研究和全面的信息服務(wù)為目標(biāo)，可以有不同的規(guī)模，如國家級的、地區(qū)或省級的、市級和縣級等為各不同級別行政區(qū)服務(wù)的區(qū)域信息系統(tǒng)；也可以按自然分區(qū)或流域為單位的區(qū)域信息系統(tǒng)。區(qū)域信息系統(tǒng)如加拿大國家信息系統(tǒng)、中國黃河流域信息系統(tǒng)等。許多實際的地理信息系統(tǒng)是介于上述二者之間的區(qū)域性專題信息系統(tǒng)，如北京市水 土流失信息系統(tǒng)、海南島土地評價信息系統(tǒng)、河南省冬小麥估產(chǎn)信息系統(tǒng)等。 （ 3）地理信息系統(tǒng)工具或地理信息系統(tǒng)外殼（ GIS Tools），是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。它們或者是專門設(shè)計研制的，或者在完成了實用地理信息系統(tǒng)后抽取掉具體區(qū)域或?qū)ｎ}的地理系空間數(shù)據(jù)后得到的，具有對計算機(jī)硬件適應(yīng)性強、數(shù)據(jù)管理和操作效率高、功能強且具有普遍性的實用性信息系統(tǒng)，也可以用作 GIS 教學(xué)軟件。如美國 MapInfo 公司的 MapInfo、 ESRI 的 Arc Info 等 通用軟件。 按照內(nèi)容劃分，又可分為：城市信息系統(tǒng)、自然資源查詢系統(tǒng)、規(guī)劃與評估系統(tǒng)、土地管理信息系統(tǒng)等。按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，又可分為柵格型、矢量型和柵格 矢量混合型三種地理信息系統(tǒng)。 地理信息系統(tǒng)的構(gòu)成 一個完整的 GIS 主要由四個部分構(gòu)成，即計算機(jī)硬件系統(tǒng)、計算機(jī)軟件系統(tǒng) 、地理數(shù)據(jù)（或空間數(shù)據(jù)）和系統(tǒng) 管理操作人員。其核心部分是計算機(jī)系統(tǒng)（軟件和硬件），空間數(shù)據(jù)反映 GIS 的地理內(nèi)容，而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表示方式。 地理信息系統(tǒng)的功能概述 地理信息系統(tǒng)的核心問題可歸納為五個 方面的內(nèi)容：位置、條件、變化趨勢、模式和模型 [46]。圖 22 說明了這些功能的之間的關(guān)系以及操作數(shù)據(jù)的不同。 空間數(shù)據(jù)模型與空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及編碼 為了能夠利用信息系統(tǒng)工具來描述現(xiàn)實世界，并解決其中的問題，就必須對現(xiàn)實世武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 18 界建模，建模常分為三個步驟 [47]：第一步選擇一種數(shù)據(jù)模型來對現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；第二步是選擇一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表達(dá)該數(shù)據(jù)模型；第三步是選擇一種合適的文件格式來記錄該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對于地理信息系統(tǒng)而言，其結(jié)果就是空間數(shù)據(jù)模型。空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是空間數(shù)據(jù)模型在信息系統(tǒng)中的實現(xiàn)形式。對空間數(shù)據(jù)模型 和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和研究在設(shè)計 GIS 空間數(shù)據(jù)庫和發(fā)展新一代 GIS 系統(tǒng)的過程中起著舉足輕重的作用。 制圖 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù) 交互展示 原始數(shù)據(jù) 觀察的的現(xiàn)象、文件與地圖 存儲與檢索 數(shù)據(jù)預(yù)處理 查詢與分析 展示與交互 數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)庫 圖 22 GIS 功能概述 （一） 空間數(shù)據(jù)模型 模型是對現(xiàn)實世界的簡化。地理信息系統(tǒng)目前廣為采用的數(shù)據(jù)模型是基于平面圖的矢量數(shù)據(jù)模型和基于連續(xù)鋪蓋的柵格數(shù)據(jù)模型。柵格數(shù)據(jù)模型適合于描述連續(xù)的空間變量，矢量數(shù)據(jù)模型則適合于表達(dá)圖形對象和制圖。 （ 1）柵格數(shù)據(jù)模型 柵格數(shù)據(jù)模型是基于連續(xù)鋪蓋的，它是將連續(xù)空間離散化，即用二維鋪蓋或劃分覆蓋整個連續(xù)空間，蓋可以分 為規(guī)則的和不規(guī)則的，后者可當(dāng)做拓?fù)涠噙呅翁幚恚缟鐣?jīng)濟(jì)分區(qū)、城市街區(qū)；鋪蓋的特征參數(shù)有尺寸、形狀、方位和間距。對同一現(xiàn)象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性（ Aggregation or Subdivisions）的鋪蓋 [48]。在邊數(shù)從 3到 N 的規(guī)則鋪蓋中，方格、三角形和六角形是空間數(shù)據(jù)處理中最常用的。三角形是最基武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 19 本的不可再分的單元，根據(jù)角度和邊長的不同，可以取不同的形狀，方格、三角形和六角形可完整地鋪滿一個平面（如圖 23）。 圖 23 三角形、方格和六角形的劃分 為了 GIS 數(shù)據(jù)處理，柵格模型的一個重 要的特征就是每個柵格中的像元的位置被預(yù)先確定，所以很容易進(jìn)行重疊運算以比較不同圖層中所存儲的特征，而不需要經(jīng)過復(fù)雜的幾何計算。 （ 2） 矢量數(shù)據(jù)模型 矢量數(shù)據(jù)模型將現(xiàn)象看作原形實體的集合，且組成空間實體。在二維模型內(nèi)，原型實體是點、線和面；而在三維中，原型也包括表面和體。矢量模型的表達(dá)源于原型空間實體本身，通常以坐標(biāo)來定義。一個點的位置可以二維或者三維中的坐標(biāo)的單一集合來描述。一條線通常由有序的兩個或者多個坐標(biāo)對集合來表示。特定坐標(biāo)之間線的路徑可以是一個線性函數(shù)或者一個較高次的數(shù)學(xué)函數(shù)，而線本身可以由中間點的 集合來確定。一個面通常由一個邊界來定義，而邊界是由形成一個封閉的環(huán)狀的一條或多條線所組成。如果區(qū)域有個洞在其中，那么可以采用多個環(huán)以描述它。 （二） 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是在計算機(jī)中用以描述地理空間信息的點、線、面、體的方法。良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一個問題解決的關(guān)鍵?？臻g數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本上可分為兩大類：矢量結(jié)構(gòu)和柵格結(jié)構(gòu)（如圖 24）。兩類結(jié)構(gòu)都可用來描述地理實體的點、線、面三種基本類型。隨著空間數(shù)據(jù)理論的發(fā)展，為了適應(yīng)三維 GIS 的需求，部分學(xué)者在結(jié)合柵格和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點上，又相繼提出矢柵混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) [4951]。 空間數(shù)據(jù)編碼是空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，即將根據(jù)地理信息系統(tǒng)的目的和任務(wù)所搜集的、經(jīng)過審核了的地形圖、專題地圖和遙感影像等資料按特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為適合于計算機(jī)存儲和處理的數(shù)據(jù)的過程。由于地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)量極大，一般采用壓縮數(shù)據(jù)的編碼方式以減少數(shù)據(jù)冗余。 武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 20 圖 24 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （ 1） 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 柵格結(jié)構(gòu)是最簡單最直接的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是指將地球表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個網(wǎng)格作為一個象元或象素由行、列定義，并包含一個代碼表示該象素的屬性類型或量值，或僅僅包括指向其屬性 記錄的指針。因此，柵格結(jié)構(gòu)是以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布的數(shù)據(jù)組織，組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性特征。在柵格結(jié)構(gòu)中，點用一個柵格單元表示；線狀地物沿線走向的一組相鄰柵格單元表示，每個柵格單元最多只有兩個相鄰單元在線上；面或區(qū)域用記有區(qū)域?qū)傩缘南噜彇鸥駟卧募媳硎?，每個柵格單元可有多于兩個的相鄰單元同屬一個區(qū)域。遙感影像屬于典型的柵格結(jié)構(gòu)，每個象元的數(shù)字表示影像的灰度等級。 柵格結(jié)構(gòu)的顯著特點是：屬性明顯，定位隱含，即數(shù)據(jù)直接記錄屬性的指針或?qū)傩员旧恚谖恢脛t根據(jù)行列號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 坐標(biāo)，也就是說定位是根據(jù)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中的位置得到的。柵格結(jié)構(gòu)的缺點是如果柵格較大，則在計算面積、長度、距離、形狀等空間指標(biāo)時，誤差較大。 （ 2）矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 矢量結(jié)構(gòu)通過記錄坐標(biāo)的方式盡可能精確地表示點、線、多邊形等地理實體，坐標(biāo)武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 21 空間設(shè)為連續(xù)，允許任意位置、長度和面積的精確定義，事實上，其精度僅受數(shù)字化設(shè)備的精度和數(shù)值記錄字長的限制，在一般情況下，比柵格結(jié)構(gòu)精度高得多。 矢量結(jié)構(gòu)的特點是：定位明顯、屬性隱含，其定位是根據(jù)坐標(biāo)直接存儲的，而屬性則一般存于文件頭或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中某些特定的位置上，這種特點使得其圖形運 算的算法總體上比柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多，有些甚至難以實現(xiàn)，當(dāng)然有些地方也有所便利和獨到之處，在計算長度、面積、形狀和圖形編輯、幾何變換操作中，矢量結(jié)構(gòu)有很高的效率和精度，而在疊加運算、鄰域搜索等操作時則比較困難。 GIS 的開發(fā)模式 一個完整的 GIS 系統(tǒng)的應(yīng)包括以下基本功能： ? 數(shù)據(jù)輸入、存儲、編輯； ? 操作運算； ? 數(shù)據(jù)查詢、檢索； ? 應(yīng)用分析； ? 數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果輸出； ? 數(shù)據(jù)更新。 地理信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)：空間數(shù)據(jù)表示實體的空間位置或是現(xiàn)在所處的地理位置，一般用坐標(biāo)來表示 。非空間數(shù)據(jù)又稱為屬 性數(shù)據(jù)，表示實體特征類別、名稱、值等。屬性數(shù)據(jù)雖然不表示位置，但是它的每一個值都是和某個位置聯(lián)系在一起的?？臻g數(shù)據(jù)是將數(shù)據(jù)按照邏輯類型分成不同的數(shù)據(jù)層進(jìn)行組織的。數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)按空間數(shù)據(jù)邏輯或?qū)I(yè)屬性分為各種邏輯數(shù)據(jù)類或?qū)I(yè)數(shù)據(jù)層，原理類似于圖件疊置片，例如，一幅地圖可分為地貌、水系、道路、植被、控制點、居民點等層分別存儲，如果想得到原圖只需將各分層數(shù)據(jù)疊置在一起。屬性數(shù)據(jù)是指與空間位置沒有直接關(guān)系的代表實體特定涵義的數(shù)據(jù)，它既可以是獨立于專題地圖的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，也可以是與專題地圖相關(guān)的表示地物類別、數(shù)量、等級的字 符串或數(shù)字。另外，反映地物某一方面特征的指標(biāo)也是屬性數(shù)據(jù)。 GIS 根據(jù)其內(nèi)容可分為兩大基本類型： （ 1）應(yīng)用型 GIS，以某一專業(yè)、領(lǐng)域或工作為主要內(nèi)容，包括專題 GIS 和區(qū)域綜合GIS；（ 2）工具型 GIS，也就是 GIS 工具軟件包 (如戶 ArcInfo 等 )，具有空間數(shù)據(jù)輸入、武漢大學(xué)軟件工程碩士畢業(yè)論文 22 存儲、處理、分析和輸出等 GIS 功能。 隨著 GIS 應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，應(yīng)用型 GIS 的開發(fā)工作日顯重要。如何針對不同的應(yīng)用目標(biāo)，高效地開發(fā)出既合乎需要又具有方便、美觀、豐富的界面形式的 GSI，是 GSI 開發(fā)者非常關(guān)心的問題。 地理信息系統(tǒng)有三種開發(fā)模式 ，分別是獨立二次開發(fā)、單純二次開發(fā)和集成二次開發(fā)，現(xiàn)分別加以介紹： (1)獨立二次開發(fā) 指不依賴于任何 GIS 工具軟件，從空間數(shù)據(jù)的采集、編輯到數(shù)據(jù)的處理分析及結(jié)果輸出，所有的算法都由開發(fā)者獨立設(shè)計，然后選用某種程序設(shè)計語言，如 Visual C ++，Delphi 等，在一定的操作系統(tǒng)平臺上編程實現(xiàn)。這種方式的好處在于無須依賴任何商業(yè)GIS 工具軟件，減少了開發(fā)成本，但一方面對于大多數(shù)開發(fā)者來說，能力、時間、財力方面的限制使其開發(fā)出來的產(chǎn)品很難在功能上與商業(yè)化 GIS 工具軟件相比，而且在購買GIS 工具軟件上省下的錢 可能還抵不上開發(fā)者在開發(fā)過程中絞盡腦汁所花的代價。 (2)單純二次開發(fā) 指完全借助于 GIS 工具軟件提供的開發(fā)語言進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。 GIS 工具軟件大多提供了可供用戶進(jìn)行二次開發(fā)的宏語言，用戶可以利用這些宏語言，以原