GIS技术概述

1、GIS的基本原理

1.1 GIS的定义

地理信息系统(Geographic Information System, GIS)产生于20世纪70年代，是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。要给出GIS的准确定义是困难的，因为GIS涉及的面太广，站在不同的角度，给出的定义就不同.通常可以从4种不同的途径来定义GIS[1]。(1)面向功能的定义：GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。(2)面向应用的定义：这种方式根据GIS应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统，例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等。(3)工具箱定义方式：GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合。这种定义强调GIS提供的用于处理地理资料的工具。(4)基于数据库的定义：GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。其中被广泛接受的表述为：GIS是一个能用于进行有效的搜集、存储、更新、处理、分析和显示所有形式地理信息的计算机硬件、软件、地理数据和有关人员(用户)的有机集合[2]。

1.2 GIS中信息存储方式

GIS中的最基本的信息有两种：空间信息(Spatial Information)和描述性信息(Descriptive Information)。前者反映了地理特征(Geographic Features)的位置和形状及特征间的空间关系，后者则反映了这些地理特征的一些非空间属性[1]。如地图上的一个城市，其坐标、街道、建筑物等属于空间信息，而城市的名称、街道、建筑物的名称等属于描述性信息。GIS中的点、线、面组成地图的三种基本要素，反映地图上的不同特征，基中点特征(Point Feature)是用一个独立的位置来代表，反映因对象太小不能用面或线表示的地物或者对象不具有面特征(如高程点、小比例尺地图上的小村庄等)；线特征(Line Feature)由一组有序的坐标点相连接而成，反映的是由于宽度太小而无法表示的面积区域对象(如小河、道路等)或本身没有宽度的对象(对等高线)；面特征(Area Feature)用一个封闭的图形区域来表示，反映性质同一的一个区域(如同一土地类型、水域等)。在GIS中，一定地图对象的地理特征及其非空间特征往往是用特定的符号同时反映出来的。

在GIS中，空间数据是以点、线、面的形式映射到一个二维平面上，通过采用XY(笛卡尔)坐标系确定地图位置与地面位置的对应关系。一个点可由一个(x, y)坐标代表，一条线段由一系列的(x, y)坐标表示。在GIS中，将线与线间的交点称为结点(Node)，两节点间的线段称为弧(Arc)，面称为多边形(Polygon)，一个多边形是由一个或多个弧围成的。为了让计算机能区分地理特征间的空间关系，空间信息在数据文件中存储时采用了两种方法：(1) POLYVRT结构。这种结构采用了拓扑学的方法，具体的结构为：对于点，每条记录有点代号和坐标对两个字段组成；对于弧，每条记录有弧代号、起始结点、终止结点、左多边形代号、右多边形代号以及坐标对系列6个字段构成；对于多边形，每条记录有多边形代号和弧代号组成。采用这种方式存储数据的典型商用GIS软件有ARC/INFO。(2) 空间实体模型＋空间索引。这种方法定义的每个空间实体都是自包含的，即每个对象者维护着自己的属性。在一个实体对象内部，记录了其全部空间信息，从而建立了实体对象的拓扑模型。采用这种方式存储数据的典型商用GIS软件有MapInfo。

对于一个地理特征的描述性信息，记录的字段数因该特征具有的信息项数而异，一个地理特征的描述性信息数据文件，就如同一个表格一样，记录着对应特征的非空间属性信息，每一条记录就相当于一个关系数据表中的行， 所以描述性信息数据文件又称为特征属性表(Feature Attribute Table)。在特征属性表中，空间信息数据文件和描述性信息数据文件有一个共同的字段，即特征代号，这个代号是唯一的，在同一数据文件中，不同的记录必须有不同的代号，GIS通过这个代号存取和交换信息，在空间信息数据和描述性信息数据之间建立连接。这两类数据通过代号保持一一对应的关系。

1.3 GIS组成

GIS的应用系统由五个主要部分构成，即硬件、软件、数据、人员和方法。

(1)硬件：硬件是指操作GIS所需的一切计算机资源。目前的GIS软件可以在很多类型的硬件上运行，从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境。一个典型的GIS硬件系统除计算机外，还包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、磁带机等外部设备。根据硬件配置规模的不同可分为简单型、基本型、网络型。

(2)软件：软件是指GIS运行所必须的各种程序。主要包括计算机系统软件和地理信息系统软件两部分。地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具。主要的软件部件有：输入和处理地理信息的工具；数据库管理系统工具；支持地理查询、分析和可视化显示的工具；容易使用这些工具的图形用户接口(GUI)。

(3)数据：数据是一个GIS应用系统的最基础的组成部分。一个GIS应用系统必须建立在准确合理的地理数据基础上。数据来源包括室内数字化和野外采集，以及从其它数据的转换。数据包括空间数据和属性数据，空间数据的表达可以采用栅格和矢量两种形式。空间数据表现了地理空间实体的位置、大小、形状、方向以及几何拓扑关系。

(4)人员：人是地理信息系统中重要的构成要素，GIS不同于一幅地图，它是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序开发，并采用空间分析模型提取多种信息。因此，GIS应用的关键是掌握实施GIS来解决现实问题的人员素质。这些人员既包括从事设计、开发和维护GIS系统的技术专家，也包括那些使用该系统并解决专业领域任务的领域专家。一个GIS系统的运行应有项目负责人、信息技术专家、应用专业领域技术专家、若干程序员和操作员组成。

(5)方法：这里的方法主要是指空间信息的综合分析方法，即常说的应用模型。它是在对专业领域的具体对象与过程进行大量研究的基础上总结出的规律的表示。GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行分析综合来解决实际问题。如基于GIS的土地利用评价模型、生态环境评价模型等。

2、GIS研究内容

GIS主要研究内容有GIS基本理论、GIS技术系统和GIS应用方法三部分

基本理论

技术系统

应用方法

概念、定义、内涵

理论体系构成、特点、功能、任何

发展历史与发展方向

硬件配置

GIS

数据结构

GIS工具

输入、输出统

空间数据管理

用户接口等

应用系统设计

专题分析模型

数据采集与校验

地学专家系统

图1 GIS的内容体系

GIS研究的内容包括有关计算机软/硬件；空间数据的获取及输入；空间数据模型及数字表达；数据的存储及处理；数据的共享、分析与应用；资料的显示与可视化；GIS的网络化等。

GIS基本理论研究包括GIS的概念、定义和内涵；GIS理论研究、理论体系研究、GIS的构成、功能和特点；总结GIS发展历史、探讨GIS发展方向。GIS技术系统研究包括GIS软硬件配置、数据结构及表示、空间数据库管理系统、用户接口设计、GIS工具软件研制等。GIS应用方法研究包括应用系统设计和实现方法、数据采集与校验、空间分析与专题分析模型、GIS与遥感结合的方法、地学专家系统等。

3、GIS主要功能

一个GIS软件系统应具备五项基本功能：数据输入、数据编辑、数据存贮与管理、空间查询与空间分析、可视化表达与输出。

3.1 数据输入

数据输入功能指将地图数据、遥感数据、统计数据和文字报告等输入、转换成计算机可处理的数字形式的各种功能。对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据输入，如图形数据输入、栅格数据输入、GPS测量数据输入、属性数据输入等。用于地理信息系统空间数据采集的主要技术有两类，即使用数字化仪的手扶跟踪数字化技术和使用扫描仪的扫描技术。手扶跟踪数字化曾在相当长的时间内是空间数据采集的主要方式。扫描数据的自动化编辑与处理是空间数据采集技术研究的重点，随着扫描仪技术性能的提高及扫描处理软件的完善，扫描数字化技术的使用越来越普遍。

3.2数据编辑与处理

数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成，图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。

3.3数据的存储与管理

数据的有效组织与管理是GIS系统应用成功与否的关键。主要提供空间与非空间数据的存储、查询检索、修改和更新的能力。矢量数据结构、栅格数据结构、矢栅一体化数据结构是 GIS的主要数据结构。数据结构的选择在相当程度上决定了系统所能执行的功能。　　 数据结构确定后，在空间数据的存储与管理中，关键是确定应用系统空间与属性数据库的结构以及空间与属性数据的连接。目前广泛使用的GIS软件大多数采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用GIS管理空间数据，用关系数据库管理属性数据。

3.4空间查询与分析

空间查询与分析是GIS的核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有别于其它信息系统的本质特征。地理信息系统的空间分析可分为三个层次的内容：

(1) 空间检索：包括从空间位置检索空间对象及其属性、从属性条件检索空间对象；

(2) 空间拓扑叠加分析：实现空间特征（点、线、面或图像）的相交、相减、合并等，以及特征属性在空间上的连接；

(3) 空间模型分析：如数字地形高程分析、BUFFER分析、网络分析、图像分析、三维模型分析、多要素综合分析及面向专业应用的各种特殊模型分析等。

3.5可视化表达与输出

中间处理过程和最终结果的可视化表达是GIS的重要功能之一。通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据，根据要素的信息密集程度，可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。

除上述五大功能外，还有用户接口模块，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，主要包括用户接口、程序接口与数据接口。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，用户接口是地理信息系统应用的重要组成部分，使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。