地理信息系统的基本技术与发展动态

地理信息系统的基本技术与发展动态摘要从结构功能上分析了地理信息系统的概念及主要研究内容，并且对当前地理信息系统研究中的几个热点研究领域，如面向对象技术、三维技术、图象处理和人工智能技术等作了简要介绍.关键词地理信息系统，计算机系统，空间数据库.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［1］.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.本文将侧重从GIS技术的角度讨论GIS的定义、研究内容及研究动态.1.GIS的定义和研究内容1.1GIS的定义GIS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［2］.(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数据的工具.(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.我们认为，虽然GIS是一门多学科综合的边缘学科，但其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析(见图1)；因此，可以这样定义：GIS是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统.虽然GIS使用了地图、可视化、数据库等技术，但与CAD系统、计算机地图系统、数据库系统等均有很大的区别.CAD系统提供交互式的图形处理功能，以辅助象建筑、VLSI等人造对象的设计，其主要特点是设计者与计算机模型的交互.目前许多CAD开始支持对象的非图形性质，而GIS处理的数据大多来自现实世界，较之CAD的人造对象更为复杂，数据量更大.另外，CAD中的拓扑关系较为简单.更重要的是，GIS强调对空间数据的分析，CAD这方面的功能要弱得多.计算机地图系统侧重于数据查询、分类及自动符号化，具有辅助设计地图和产生高质量矢量形式的输出机制.它强调数据显示而不是数据分析，地理数据往往缺少拓扑关系；另外，它与数据库的联系通常是一些简单的查询.数据库系统是各种类型信息系统的核心.通用数据库侧重非图形数据的优化存储与查询，其图形查询与显示功能极为有限，其数据分析功能也很有限.然而，数据库的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等，都在GIS中广泛采用，成为GIS的核心技术.由此可见，GIS已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领域.GIS的研究内容很广泛，下面我们从输入、存储、操作和分析、输出4个方面来讨论GIS的研究内容.1.2GIS的研究内容输入.地理数据如何有效地输入到GIS中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，大多数的地理数据是从低质地图输入GIS.常用的方法是数字化和扫描.数字化的主要问题是低效率和高代价；扫描输入则面临另一个问题，扫描得到的栅格数据如何变换成GIS数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式.就这一领域目前的研究进展而言，全自动的智能地图识别短期内没有实现的可能；因而，交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径.市场上已有多种交互式矢量化软件出售.目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形式.遥感数据已经成为GIS的重要数据来源.与地图数据不同的是，遥感数据输入到GIS较为容易，但如果通过对遥感图象的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情；因此，GIS中开始大量融入图象处理技术，许多成熟的GIS产品，如MAPGIS中都具有功能齐全的图象处理子系统.船地理数据糟采集的另拿一项主要冒进展酒是秧GP认S绿技之术惨.GP换S庙可以准确散、快速地随定位在地浑球表面的储任何地点童，因而，绒除了作为胃原始地理款信息的来但源外出，伞GP功S赞在飞行器互跟踪、紧跳急事件处铺理、环境穴和资源监碰测、管理壶等方面有胡着很大的阁潜殿力贸.裕跑愧馋盘兴(2闹)膏存迎储肯.GI碍S燥中的数据楚分为栅格林数据和矢芒量数据两窜大类，如字何在计算灭机中有效路存储和管各理这两类预数据洒是纠GI有S猎的基本问奇题焰.斥在计算机努高速发展宫的今天，迅尽管微机郊的硬盘容潜量已达掀到料G面B念级，但计知算机的存恢储器对灵先活、高效茶地处理地痰图这类对唤象仍是不散够伴的斑.GI括S羞的数据存键储却有其陕独特之户处挺.减大多数肥的产GI城S鬼系统中采径用了分层位技术，即情根据地图枣的某些特摸征，把它馋分成若干蜂层，整张亚地图是所权有层叠加祸的结妖果辨.勺在与用户希的交换过呀程中只处迹理涉及到氧的层，而绝不是整幅蒜地图，因颠而能够对倘用户的要急求作出快镰速反乎应各.撒有详拆迷聋地理数据茧存储悠是深GI摧S老中最低层笨和最基本欢的技术，菌它直接影鹿响到其他瞎高层功能绿的实现效音率，从而松影响整停个通GI蛮S宪的性谋能衣.族基于微机目平台死的温MAPG而I旅S萄能够快速侦、高效地希处理多达谣上万幅的洒海量地图衡库，这不舒仅在国纺产构GI客S庄软件中处厚于领先地言位，即使况与国外同折类产品相左比仍是其害中佼佼者臣，这中与处MAPG等I裂S动较好地解蚀决了地理困数据的存枝储问题密询切相俩关掌.午瓣粮扶帅(3奸)努地理数据叫的操作和热分玻析总.GI生S羊中对数据呜的操作提巾供了对地诞理数据有笋效管理的菌手戚段脆.折对图形数尼据庄(党点、线、继面雷)出和属性数添据的增加谎、删除、遗修改等基虏本操作大来多可借赠鉴姐CA届D率和通用数纺据库中的须成熟技术利；有所不所同的培是孕GI朋S减中图形数振据与属性悄数据紧密示结合在一年起，形成晶对地物的夫描述，对丑其中一类暂数据的操于作势必影释响到与之泉相关的另席一类数据廊，因而操差作带来的见数据一致茅性和操作莲效率问题镰是好GI僻S企数据操作犯的主要问淘题邮.炎帽赴娱哗吊地理数据暂的分析功誓能，即空帮间分析，谅是壳GI蔑S崭得以广泛催应用的重园要原因之杂一馆.触通微过艳GI掩S尺提供的空煌间分析功言能，用户姻可以从已劈知的地理辨数据中得尽出隐含的仆重要结论六，这对于希许多应用体领域是至型关重要续的隙.石找瓣技洪很GI言S京的空间分池析分为两响大类：矢蜻量数据空止间分析和朱栅格数据落空间分秀析箱.葬矢量数据粘空间分析洪通常包括纷：空间数淹据查询和系属性分析谎，多边形往的重新分版类、边界档消除与合湖并，点线沫、点与多机边形、线借与多边形监、多边形内与多边形施的叠加，风缓冲区分靠析，网络阔分析，面仆运算，目身标集统计坦分剖析饶.度栅格数据员空间分析池功能通常尿包括：记锤录分析、怠叠加分析训、滤波分穗析、扩展运领域操作霉、区域操肉作、统计易分财析漆.葵光慈妄朋融(4织)弊输胖出蹄.饭将用户查档询的结果甲或是数据松分析的结姨果以合适者的形式输馅出催是艇GI青S搞问题求解遭过程的最去后一道栏工播序南.垄输出形式嫌通常有两项种：在计进算机屏幕时上显示或臂通过绘图凉仪输添出惹.驶对于一些缸对输出饲精度要求布较高的应俯用领域，扯高质量的风输出功能亏对美GI齐S律是必不可陶少锣的城.州这方面的运技术主要莫包括：数搞据校正、南编辑、图项形整饰、闻误差消除南、坐标变饼换、出版披印刷朽等廊.艰2孕地理信召息系统的钩发展动煎态次捏且贴耽民观搅捧近年来地容理信息系狱统技术发益展迅速，源其主要的弟原动力来勾自日益广眯泛的应用识领域对地消理信息系巨统不断提绍高的要亡求闸.村另一方面萌，计算机侦科学的飞印速发展为况地理信息角系统提供熟了先进的谦工具和手莲段，许多肿计算机领乐域的新技秒术，如面带向对象技堂术、三维梅技术、图尺象处理和哭人工智能省技术都可偶直接应用勇到地理信抢息系统中洽［洗3液］士.枪下面我们感对当前地筑理信息系梳统研究中淘的几个热无点研究领木域作一介瘦绍斗.2.皮1攻击GI奶S僻中面向对做象娘(obj满ect收orie从nted饱)溪技术研射究歌迹镰净火绳面向对象蚂方法为人登们在计算型机上直接颈描述物理炮世界提供足了一条适绑合于人类方思维模式甜的方法，损面向对象禁的技术呼在冤GI迎S警中的应用劫，即面向柿对象蒜的挑GI骨S京，已成很为捎GI遇S艇的发展方爷向钓.样这是因为棉空间信息卵较之传统嫂数据库处血理的一维榜信息更为歇复杂、琐甚碎，面向逐对象的方似法为描述涛复杂的空臂间信息提绪供了一条蔬直观、结垮构清晰、灿组织有序客的方法，集因而倍受忌重视裤［供4殿］孔.套图隔2肆展示了面后向对象准的膜GI政S唤的一般结沸构姿.千脉种魔幼适面向对象县的守GI敲S斜较之传爹统弱GI威S绣有下列优远点福：锻(1螺)风所有的地岛物以对象绑形式封装芽，而不是性以复杂的谎关系形式听存储，使宾系统组织询结构良好互、清晰简；牢(2突)随以对象为鸽基础，消贪除了分层菊的概念贺；妙(3员)保面向对象捕的分类结底构和组装鲜结构甩使千GI腐S晕可以直接窝定义和处嗓理复杂耀的邻陪地物类型橡；此(4蓝)随根据面向医对逢象木late盘_bin固ding予(离后编译）动的思想，太用户可以馆在现有抽骄象数据类卵型和空间忌操作箱上盈定义自己纪所需的数名据类型和晒空间操作漏方法，增军强系统的有开发性和表可扩充性砌；从(5落)颠基王于骂ico弱n万的面向对坦象的用户岛界面，便拣于用户操蠢作和使控用员.渡

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