（环境工程专业论文）基于gis技术的环境制图.pdf

摘要 随着计算机科学技术在环境制图领域的应用，数字环境制图理论和方法的不 断完善，以及g i s 技术的不断发展，现在我们可以利用多种先进的技术来完成环 境地图的生产过程。基于g i s 技术的环境制图就是要很好地把g i s 技术和数字成 图技术结合起来生产环境地图，发挥各自专业和技术的长处，使g i s 技术和数字 成图技术趋向一体化，推动数字环境地图的发展，为环境地图资料存储、更新及 使用提供方便，提高环境地图的质量和艺术性，使环境地图的表现方式更加丰富 多彩。使环境地图的生产在g i s 技术的支持下走上数字化和现代化的道路。 我们主要探讨g i s 技术的主要功能，特别是g i s 技术在环境制图中的作用和 功能，以及计算机环境下环境信息的表现，常用的环境信息表示方法，数字制图 技术等内容，有机地把g i s 技术和数字制图技术结合起来生产环境地图，发挥各 自专业和技术的长处，灵活应用于环境制图，得出基于g i s 技术的环境制图的技 术路线和方案。 基于g i s 的环境制图生产的工艺流程与传统的生产工艺大不相同。它完全摒 弃传统编图及制版工艺的繁琐、耗时、耗资等弊病，以其优质、快速、易修改、 易储存、易更新而著称。 本课题根据专题信息的不同，涉及的地域范围的大小，可以选择不同尺度的 国家基础地理信息数据，按照专题信息的描述，利用g i s 技术的分析和处理等功 能，将专题信息叠加到相关地理底图上，分别进行点状、线状、面状专题要素分 析以及剖面分析等，得出专题分析结果。 由于c o r e l d r a w 软件的图形编辑功能灵活、方便，形式不拘一格，同时能实 现图形、图像和文字的混合排列，并具有多种特效，表现形式生动。为此本文把 利用g i s 技术得出专题分析结果，再经过数据转换，在c o r e l d r a w 软件中经过 图形编辑处理、整饰等美化处理，形成特别生动、美观的专题环境地图。 关键词环境制图g i s 技术环境信息信息表现 a b s t r a c t a l o n gw it ht h ec o m p u t e rs c i e n c et e c h n o l o g yi nt h ee n v i r o n m e n tc h a r t i n gd o m a i n a p p i c a t i o n , t h ed i g i t a le n v i r o n m e n tc h a r t i n gt h e o r ya n dt h em e t h o du n c e a s i n g c o n s u m m a t i o n ，a sw e l1a st h eg i st e c h n o l o g yu n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，n o ww em a yu s e t h em a n yk i n d so fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e st oc o m p l e t et h ee n v i r o n m e n tm a pt h e p r o d u c t i o np r o c e s s 1 sm u s tw e l lb e c o m e sb a s e do nt h eg i st e c h n 0 1 0 9 ye n v i r o n m e n t c h a r t i n gt h eg i st e c h n o l o g ya n dt h en u m e r a lt h ec h a r tt e c h n o l o g yt ou n i f yt h e p r o d u c t i o ne n v i r o n m e n tm a p ，d i s p l a y sr e s p e c t i v es p e c i a l t ya n dt h et e c h n i c a ls t r o n g p o i n t ，c a u s e st h eg i st e c h n o l o g ya n dt h en u m e r a lb e c o m e st h ec h a r tt e c h n o l o g yt r e n d i n t e g r a t i o n ，i m p e t u sn u m e r a le n v i r o n m e n tm a pd e v e l o p m e n t ，s a v e s ，t h er e n e w a la n dt h e u s ef o r t h ee n v i r o n m e n tm a pd o c u m e n tp r o v i d e st h ec o n v e n i e n c e ，e n h a n c e st h e e n v i r o n m e n tm a pt h eq u a l i t ya n d t h ea r t i s t r y ， c a u s e s t h ee n v i r o n m e n tm a pt h e p e r f o r m a n c ew a yt ob e m o r er i c h l yc o l o r f u l c a u s e st h ee n v i r o n m e n tm a pt h e p r o d u c t i o nt os t e po n t od i g i t i z e da n dt h em o d e r n i z e dp a t hi nu n d e rt h eg i st e c h n o l c g y s u p p o r t w em a i n l yd i s c u s st h eg i st e c h n o l o g yt h em a i nf u n c t i o n ，s p e c i a l l yt h e g i s t e c h n o l o g yi nt h ee n v i r o n m e n tc h a r t i n gf u n c t i o na n dt h ef u n c t i o n ，a sw e l la su n d e r t h ec o m p u t e re n v i r o n m e n tt h ee n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o np e r f o r m a n c e ，t h ec o m n o n l y u s e de n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n m e t h o d ，c o n t e n ta n ds o o nd i g i t a tc h a r t i n g t e c h n o l o g y ，o r g a n i c a ll yu n i f i e st h eg i st e c h n o l o g ya n dt h ed i g it a lc h a r t i n g t e c h n o l o g yt h ep r o d u c t i o ne n v i r o n m e n tm a p ，d i s p l a y sr e s p e c t i r es p e c i a l t ya n dt h e t e c h n i c a ls t r o n gp o i n t ，n i m b l ya p p l i e si nt h ee n v i r o n m e n tc h a r t i n g ，o b t a i n sb a s e d o nt h eg i st e c h n o l o g ye n v i r o n m e n tc h a r t j n gt e c h n i c a lr o u t ea n dt h ep l a n b a s e do ng i se n v i r o n m e n tc h a r t i n gp r o d u c t i o nt e c h n i c a lp r o c e s sa n dt r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nc r a f te n t i r e l yd i f f e r e n t i ta b a n d o n st h et r a d i t i o nt oa r r a n g et h ec h a r t a n dt om a k e1 it h o g r a p hp l a t e sc p m p l e t e l yt h ec r a f tt e d i o u s ，c o n s u m e sw h e n ，s p e n d s a n ds oo nd i s e a s e ，b yi t sh i g hq u a l i t y ，f a s t ，i se a s yt or e v i s e ，i se a s yt os t o r e u p ，i se a s yt or e n e wb u ti s f a m o u s t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h es p e c i a li n f o r m a t i o nt h ed i f f e r e n c e ，i n v o l v e st h e r e g i o ns c o p es i z e ，m a yc h o o s et h ed i f f e r e n tc r i t e r i o nt h en a t i o n a lf o u n d a t i o n g e o g r a p h yi n f o r m a t i o nd a t a ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i a li n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o n ，u s e s g i sf u n c t i o na n ds oo nt e c h n o l o g ya n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g ，s u p e r i m p o s e st h es p e c i a l i n f o r m a t i o nt ot h ec o r r e l a t i o ng e o g r a p h yb a s em a po n ，s e p a r a t e l yc a r r i e so nas h a p e ， t h es t r i a t i o n ，t h es u r f a c es h a p et o p i cf a c t o ra n a l y s i sa sw e l la st h es e c t i o np l a n e a n a l y s i sa n ds oo n ，o b t a i n st h es p e c i a la n a l y s i sr e s u l t b e c a u s et h ec o r e l d r a ws o f t w a r eg r a p h i ce d i t o tf u n c t i o nn i m b l e ，t h ec o n v e n i e n t f o r m d o e sn o ta r r e s to n ea tt h es a m et i m ec a nr e a l i z et h eg r a p h ，t h ep i c t u r ea n d t h e w r i t i n g m i xa r r a n g e m e n t ，a n dh a s t h e m a n yk i n d so f m a n i f e s t a t i o n t ob ee s p e c i a l l y v i v i d o b t a i n sf o rt h i st h i sa r t i c l eu s i n gt h eg i st e c h n o l o g yt h es p e c i a la n a l y s i s r e s u l t ，a g a i np a s s e st h r o u g ht h ed a t ac o n v e r s i o n ，i nc o r e l d r a ws o f t w a r ep r o c e s s g r a p h i ce d i t o rp r o c e s s i n g ，r e o r g a n i z ea n ds oo nb e a u t i f i e dp r o c e s s i n g ，s p e c i a l l y v i v i d l yf o r m s t h ea r t is t i cs p e c i a le n v i r o n m e n tm a p k e yw o r de n v i r o n m e n tc h a r t i n gg i st e c h n o l o g ye n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n i n f o r m a ti o np e r f o r m a n c e 论支嗷纠住声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：寓吩如稆年多月膨日 论支知识产权仅属声蔚月 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：宠、溽 导师签名：否吖 砌6 年g 月“日 o ；年5 羁| s 日 第一章绪论 第一节研究的目的和意义 环境地图是环境科学研究的基本工具和手段。基于6 i s 技术的环境制图就是 在基础电子地图上，通过加入相关的专题数据后，使g i s 技术与数字成图技术结 合起来，就可迅速生产出各种高质量的环境地图。基于6 i s 技术的环境制图方法 比传统的环境制图方法要灵活得多，可以根据实际需要从符号和颜色库中选择图 件，使之更好地突出专题效果和特性。与传统的、周期长、更新慢的环境制图方 式相比，利用g i s 技术建立起来的环境地图数据库，可以达到一次投入、多次产 出的效果。它不仅可以用户输出全要素地形图，而且可以根据用户及专业的需要 分层输出，制作成各种环境专题图，如污染源分布图、大气质量功能区划图等等。 随着计算机科学技术在环境制图领域的应用，数字环境制图理论和方法的不 断完善，在计算机环境下来完成环境地图的生产过程。在各种比例尺环境数据库 建立以后，为了充分发挥环境地图数据库的作用，必须采用新的作业流程和方法 来完成环境地图的生产和更新工作，使环境地图的生产走上数字化和现代化的道 路。环境地图数据输入、地图设计、地图编辑、版面设计、组版等工序均可以出 计算机来完成，使得环境制图工序大大减化了。实现由模拟制图转向数字化制图 的飞跃。 基于g i s 技术的环境制图就是要很好地把g i s 技术和数字成图技术结合起来 生产环境地图，发挥各自专业和技术的长处，使g i s 技术和数字成图技术趋向一 体化，推动数字环境地图的发展，为环境地图资料存储、更新及使用提供方便， 提高环境地图的质量和艺术性，使环境地图的表现方式更加丰富多彩。使环境地 图的生产在g i s 技术的支持下走上数字化和现代化的道路。基于g i s 技术的环境 制图技术对环境的科学管理将具有非常重要的意义。 第二节国内外研究现状及存在问题 1 国内外研究现状 随着我国环境信息化的快速发展和计算机新技术在环境保护领域的广泛应 用，环境信息系统在环境保护管理和决策工作中发挥着越来越重要的作用。而地 理信息系统技术的出现为环境保护工作迈向信息化、现代化提供了技术支持。 目前，全国2 7 个省级环保局及一百多个城市环保部门都己购置了e s r i 公司 的a r c g i s 、a r c v i e w 地理信息系统平台软件和相应的硬件设施，大部分省市已经 建立环境基础数据库，在g i s 平台上开发了城市环境地理信息系统、重点流域水 资源管理、环境污染应急预警预报系统等，取得了显著的成效 3 8 。 1 ) 应用g i s 技术制作环境专题图 环境地图是环境科学研究的基本工具和手段。g i s 的制图方法比传统的人工 绘图方法要灵活得多，在基础电子地图上，通过加入相关的专题数据就可迅速制 作出各种高质量的环境专题地图。可以根据实际需要从符号和颜色库中选择图 件，使之更好地突出专题效果和特性 1 5 ，3 8 。 2 ) 应用g i s 技术建立各种环境地理信息系统 各级环保部门在日常管理业务中，需要采集和处理大量的、种类繁多的环境 信息。而这些环境信息8 5 以上与空间位置有关。g i s 的强大功能之一是它的空 间数据的采集、编辑、处理功能和对空间数据的管理能力。使用g i s ，可以建立 各种环境空间数据库。例如：污染源空问信息数据库( 包括工业、农业、交通等 污染源数量、属性和污染源发生的地域范围) 、环境质量信息数据库( 包括空气、 水、噪声等) ，g i s 能够把各种环境信息与其地理位置结合起来进行综合分析与 管理，以实现空间数据的输入、查询、分析、输出和管理的可视化。例如，基于 g i s 平台，厦门市建立了城市环境空问数据库和污染源监测属性数据库，开发了 网络化城市环境质量地理信息系统，该系统涵盖了大气、地表水、声学环境的监 测信息，以分布图、专题图、三维模型等形式，生动直观地反映环境质量状况 3 8 。 3 ) g i s 技术应用于环境监测 在环境监测过程中，利用g i s 技术可对实时采集的数据进行存储、处理、显 示、分析，实现为环境决策提供辅助手段的目的。如广东省以东深流域自然环境 地理信息为基础，对东深流域的监测数据进行存储处理，利用g i s 技术开发了东 深流域水环境管理信息。该系统直观显示和分析东深流域水环境现状、污染源分 布、水环境质量评价，追踪污染物来源。可结合数字地图查询历年监测数据及各 2 种统计数据，进行空间分析( 如缓冲区查询与分析) 、辅助决策( 容量计算及污 染状况的预测) 为流域水环境的科学化管理和决策提供了先进的科学手段 3 8 。 4 )g i s 技术应用于自然生态现状分析 在进行自然生态现状分析过程中，利用g i s 可以比较精确地计算水土流失、 荒漠化、森林砍伐面积等，客观地评价生态破坏程度和波及的范围，为各级政府 进行生态环境综合治理提供科学依据。国家环保总局把g i s 技术与遥感技术相结 合，对我国西部1 2 省的生态环境现状进行调查，得到了西部地区生态环境的空 问分布与空间统计状况、生态环境质量状况和生态环境变化的空间规律特点，为 该地区经济的可持续发展与资源环境的可持续利用提供了科学依据。青海省遥感 中心将“3 s ”技术运用到青海湖环湖重点区域调查上，快速查清了该区域土地利 用、土地覆盖现状，建立了生态环境数据库和生态环境评价指标体系，为政府规 划决策、资源开发、环境保护提供了宝贵资料 7 ，3 8 。 5 ) g i s 技术应用于环境应急预警预报 建立重大环境污染事故区域预警系统，能够对事故风险源的地理位置及其属 性、事故敏感区域位置及其属性迸行管理，提供污染事故的大气、河流污染扩散 的模拟过程和应急方案。例如，大连市的“重大污染事故区域预警系统”把重大 污染事故的多种预测模型与g i s 技术相结合，当某一风险源发生事故时提供应急 措施、报警信息和救援信息，为重大污染事故应急指挥奠定了基础。上海市应用 g i s 、r s 与g p s 技术开发了环保应急热线系统，该系统采用g i s 技术进行污染源 搜索和定位；将g i s 与g p s 结合起来，用于出警指挥和导航；用r s 技术获取地 面信息，解决了g i s 基础底图动态更新问题。通过“3 s ”技术的综合应用，更好 地发挥了g i s 在环保执法和应急事件中的作用 1 0 3 8 。 6 ) g i s 技术应用于环境质量评价和环境影响评价 、 由于g i s 能够集成管理与场地密切相关的环境数据，因而也是综合分析评价 的有力工具。环境影响评价是对所有的改、扩、建项目可能产生的环境影响进行 预测评价，并提出防止和减缓这种影响的对策与措施。利用g i s 的空间分析功能， 可以综合性地分析建设项目各种数据，帮助确立环境影响评价模型。由于g i s 系统具有层的结构，可将不同的环境影响进行计算并叠加。深圳市环境保护研究 所已利用g i s 技术进行编制环境影响评价报告书和制图 3 8 。 在区域环境质量现状评价工作中，可将地理信息与大气、土壤、水、噪声等 环境要素的监测数据结合在一起，利用g i s 软件的空问分析模块，对整个区域的 环境质量现状进行客观、全面的评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分 布情况。如通过叠加分析，可以提取该区域内大气污染布图、噪声分布图：通过 缓冲区分析，可显示污染源影响范围等 3 8 。 7 ) g i s 技术应用于水环境管理 水环境信息具有明显的空间属性和层次属性，利用g i s 可以更加明确地揭示 不同区域的水环境状况，反映水体环境质量在空间上的变化趋势。可以更加直观 地反映如污染源、排污口、监测断面等环境要素的空间分布。利用g i s 还可以进 行污染源预测、水质预测、水环境容量计算、污染物削减量的分配等，以表格和 图形的方式为水环境管理决策提供多方位、多形式的支持。目前，全国各省环保 局正在使用g i s 软件进行各省水环境功能区划汇总工作，在此基础上，进一步开 发水环境功能区管理信息系统，实现水环境数据查询、水质评价、统计分析、水 质预测等功能，将各种水环境信息以可视化的方式表达，对水环境的科学管理将 具有非常重要的意义 3 8 。 另外，随着计算机科学技术在地图制图与地图出版领域的应用，数字地图制 图理论和方法的不断完善，地图出版的数字原图为主要信息源，以电子出版为操 作平台，使数字地图制图与电子出版的结合更加紧密了。地图数据输入、地图设 计、地图编辑、版面设计、组版等工序均可以在计算机环境下来完成上述的生产 过程。 目前，市场上数字化成图系统较多，按其开发方式来分i 主要可以分为两大 类 3 9 ： ( 1 ) 以c a d 系统为二次开发平台。这些系统很好地利用了c a d 系统灵活的 编辑和强大的制图功能，但由于c a d 系统与g i s 在数据结构上存在着较大的差异， 这使得其数据往往不能很好地满足g i s 的要求。 ( 2 ) 独立平台的数字化成图系统。这样的系统在开发上虽然不必拘泥于二 次开发开台的限制，在开发上具有较大的灵活性。但开发这样的系统，需要完全 从底层做起，开发难度高，周期长，投资大。 2 存在问题 地理信息系统脱胎于地图，并成为地图信息的又一种新的载体形式，它具有 存储、分析、显示和传输的功能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操 作和显示提供了成套方法，为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持：同 时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。 数字化成图技术是e l 前最为常用的成图技术之一，数字化成图系统所提供的 电子数据也是g i s 一个非常重要的数据来源。数字化成图系统所提供的电子数据 与g i s 数据之间的无缝联接问题也是当前g i s 发展亟需解决的难点问题之一。虽 然当前国内外市场上数字化成图系统很多，但到目前为止，都未能很好地解决现 有的问题。简单地利用数字化成图系统和g i s 技术制作环境地图存在的问题主要 表现在【3 9 ： ( 1 ) 在数据转换过程中普遍存在着信息损失。由于传统的数字化成图系统 大多是基于c a d 内核来开发的，它偏重于对空间几何信息的描述；而g i s 则要求 空问信息与属性信息联合存储与管理，这就导致了在数据转换的过程中，不仅空 间信息会有损失，属性信息损失的情况会更严重。 ( 2 ) 数据转入后往往不能直接满足要求，g i s 数据转入数字化成图系统后， 仍需要大量的后期编辑工作，造成了资源的浪费，延长了系统的建设周期。 ( 3 ) g i s 基础数据库的维护与更新的难度较大。由于在维护与更新的过程 中需要在g i s 与数字化成图系统之间进行频繁的数据转换，往往不能直接对基础 数据库进行操作，造成了基础数据维护与更新的不便。 ( 4 ) 在数据转换的过程中，除了信息损失外，还往往伴随着数据膨胀。数 据膨胀的结果有时会导致g i s 无法对这些“海量”数据进行管理。 ( 5 ) 过程分散，各专业尖端技术各自为阵。环境地图的编制是一个系统工 程，但是这一完整的过程常常被分解成相互独立的阶段和过程。分散过程中的各 专业的尖端技术无法融合沟通，从而无法发挥出新技术的优势，造成在一些过程 中工作的重复与资源的浪费。 导致上述问题的原因有很多，归纳起来，主要有以下几方面的原因 3 9 ： ( 1 ) 数据的复杂性与多样性。主要表现为现实世界的复杂性与多样性以及 对同一空间对象在不同成图系统中描述与表达的不一致性。 ( 2 ) 对g i s 理解的不同。不同的数字化成图系统的开发人员对g i s 理解的 不同，再加上缺乏相应的统标准作为参照，这就导致了数据在表达上的差异性。 ( 3 ) 由于受到基础开发平台及开发力量的限制，数字化成图系统往往不能 很好地兼顾到g i s 对数据的要求。目前，绝大多数的数字化成图系统的开发商都 不是g i s 基础平台的开发商，这也或多或少地影响了数字化成图系统与g i s 之间 的沟通。 第三节论文研究的主要内容、技术路线 l 主要研究内容 我们主要探讨g i s 技术的主要功能，特别是g i s 技术在环境制图中的作用和 功能，以及计算机环境下环境信息的表现，常用的环境信息表示方法，数字制图 技术等内容，有机地把g i s 技术和数字制图技术结合起来生产环境地图，发挥各 自专业和技术的长处，灵活应用于环境制图，得出基于g i s 技术的环境制图的技 术路线和方案。 2 主要技术路线 基于g i s 技术的环境制图方法很好地把g i s 技术和数字成图技术结合起来， 使g i s 技术和数字成图技术趋向一体化，推动数字环境地图的发展，使环境地图 的生产在g i s 技术的支持下走上数字化和现代化的道路。使环境地图数据输入、 地图设计、地图编辑、版面设计、组版等工序均可以由计算机来完成，使得环境 制图工序大大减化了。环境地图的表现方式丰富多彩，环境地图的艺术性得到了 充分展示。环境地图的生产充分利用g i s 技术和数字制图技术，实现由模拟制图 转向数字化制图的飞跃。 基于g i s 的环境制图可以根据环境专题信息的不同，涉及的地域范围的大 小，可以选择不同尺度的国家基础地理信息数据，按照专题信息的描述，利用 6 i s 技术的分析和处理等功能，将专题信息叠加到相关地理底图上，经过数据转 换，最后利用相关环境地图编辑软件进行的图形编辑处理，形成相关专题地图。 基于6 i s 技术的环境地图的工艺流程如下： 6 环境地图总体设计 数字信息资料 收集、分析、准岳 l l 披字化，敷据l l 处理与格式转换l i 环境散据空同分析 f 境地圈的编辑与制作 图卜l 工艺流程图 1 ) 数据准备：根据专题地图涉及的地域范围及表达内容的不同，分别提取 涉及的地域范围不同比例尺的矢量数据、d e m 数据、d o m 数据。再确定需要的点、 线、面、体的相关专题数据。 2 ) 数据处理：根据专题信息和基础地理信息数据的特点，将不同尺度的矢 量数据和d e m 数据、d o m 数据分别进行拼接、投影转换处理，根据需要对道路、 居民地、水系等进行矢量数据的编辑、选取、分层和优化等。利用g i s 的空问分 析功能，对d e m 数据晕渲处理等。 3 ) 空问分析：将专题信息叠加到相关地理底图上，分别进行点状专题要素 分析、线状专题要素分析、面状专题要素分析以及剖面分析等，得出专题分析结 果，形成相关专题地图。 4 ) 专题地图地图制作：利用g i s 分析和处理等功能，在处理好的地理底图 上，叠加相关专题信息，经过数据转换，利用环境地图编辑软件进行的图形编辑、 整饰等美化处理，形成相关专题地图 2 6 。 第四节论文的创新点 本文的创新点主要体现在如下几方面： 1 与传统的环境制图的方法不同，本课题把6 i s 技术引入环境制图，利用 g i s 技术的数据输入、数据编辑、数据存贮与管理、空间查询与空间分析、可视 化表达与输出等功能进行环境地图的生产，推动数字环境地图的发展。使环境地 图的生产在g i s 技术的支持下走上数字化和现代化的道路。 2 本课题把数字制图技术引入环境制图，使环境地图数据输入、地图设计、 地图编辑，版面设计、组版等工序均可以由计算机来完成，使得环境制图工序大 大减化了。减少作业人员的繁重劳动，缩短了成图周期，节约了材料，降低了成 本。同时环境制图的成果易于存储，而且在存储的过程中不易变形，从而提高了 环境制图的精度。 3 本课题在技术路线上把g i s 技术和数字成图技术结合起来生产环境地图， 发挥各自专业和技术的长处，使g i s 技术和数字成图技术趋向一体化，利用g i s 技术的分析和处理等功能，将专题信息叠加到相关地理底图上，经过数据转换， 利用c o r e l d r a w 软件进行的图形编辑处理，形成相关专题地图。c o r e t d r a w 软 件的图形编辑功能灵活、方便，形式不拘一格，同时能实现图形、图像和文字的混 合排列，并具有多种特效，表现形式生动。由c o r e l d r a w 编制的环境地图，地图的 艺术性得到了充分展示，环境地图的表现方式丰富多彩，可由制图者自由发挥。 使用c o r e l d r a w 可以非常方便而又精确地编辑任何线条、图形或文字，由于这些 强大功能，地图内容表达清晰、易于编辑修改，极大地丰富了环境地图的表现内 容，c o r e l d r a w 软件能很好地应用于环境地图的编制。增加了地图品种，拓宽了 服务领域。利用6 i s 技术能制作各种数字地图产品，并能制作多媒体的电子地图、 三维立体地图，使环境地图的表现方式更加丰富多彩。增强地图的适应性、实用 性和用户的广泛性。 第二章地理信息系统基础 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 简称g i s ) 是随着地理科 学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个新兴技术，是一 个能够对空间相关数据进行采集、管理、分析和可视化输出的计算机信息系统。 地理信息系统萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，1 9 7 2 年，世界上第一个物理信息 系统一一加拿大地理信息系统( c g i s ) 全面投入运行。此后，地理信息系统在全 球范围内获得了快速发展，在西方发达国家g i s 应用已经渗透到社会经济生活的 各个方面，目前已成功地应用到了资源管理、环境保护、灾害预测、投资评价、 城市规划建设、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等众多 领域。在我国随着经济建设的迅速发展，g i s 在城市规划管理、环境保护、交通 运输、防灾减灾、农业、林业等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益 和社会效益 4 5 ，8 。 第一节地理信息系统概述 8 地理信息系统，简称g s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。顾名思义， 地理信息系统是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间 位置有关的信息，又常称为空间信息。一般来说，g i s 可定义为：”用于采集、 存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处 理海量地理数据的通用技术。从g i s 系统应用角度，可进一步定义为：”g i s 由 计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作 和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监 测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工 程设计和规划、管理决策服务”( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。 人类生活在地球上，8 0 以上的信息与地球上的空间位置有关。g s 的出现 是信息技术及其应用发展到一定程度的必然产物。1 9 6 2 年，加拿大的r o g e rf t o m li n s o n 提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加 拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统( c g i s ) ，以实现专题地图的叠加、面 9 积量算、自然资源的管理和规划等；与此同时，美国的d u a n ef m a r b l e 在美国 西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研 究，并提出建立地理信息系统的思想。7 0 年代是地理信息系统走向实用的发展 期。美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对g i s 的研究均投入了大量人 力、物力和财力。到1 9 7 2 年c g i s 全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行 型的地理信息系统；在此期间美国地质调查局发展了5 0 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；1 9 7 4 年日本国土地理院开始建 立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、 土地利用、地形地质等信息；瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统， 如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。但由于 当时的g i s 系统多数运行在小型机上，涉及的计算机软硬件、外部设备及g i s 软件本身的价格都相当昂贵，限制了g i s 的应用范围。 8 0 年代是g i s 的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅 度提高的同时，价格迅速下降，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，使 g i s 的应用领域与范围不断扩大。g i s 与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性 问题的研究，如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼 诺现象及酸雨、核扩散及核废料等( 李德仁，1 9 9 4 ) ；从土地利用、城市规划等宏 观管理应用，深入到各个领域解决工程问题，如环境与资源评价、工程选址、设 旖管理、紧急事件响应等。在这一时期，出现了一大批代表性的g i s 软件，如 a r c i n f o 、g e n a m a p 、s p a n s 、m a p i n f o 、e r d a s 、m i c r o s t a t i o d 等。 9 0 年代为g i s 的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在 全世界的普及，g i s 成为了一个产业，投入使用的g i s 系统，每2 3 年就翻 番，g i s 市场的增长也很快。目前，g i s 的应用在走向区域化和全球化的同时， 己渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺 少的工具和助手。与此同时，g i s 也从单机、二维、封闭向开放、网络( 包括w e b g i s ) 、多维的方向发展。 我国地理信息系统方面的工作始于8 0 年代初。地理信息系统研究作为政府 行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、 l o 应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。 1 9 9 4 年中国g i s 协会在北京成立，标志中国g i s 行业已形成一定规模。1 9 9 6 年， 为支持国产b i s 软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工 程。这一系列的举措极大的促进了国产g f s 软件的发展与6 i s 的应用。1 9 9 8 年， 国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达2 5 。同年，在抽样调查 2 5 个省市1 9 个行业的1 0 0 0 多个单位中，全部使用了地理信息系统( 秦其明、袁 胜元，2 0 0 1 ) 。 地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政 工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、 农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。 第二节地理信息系统的组成 8 】 与普通的信息系统类似，一个完整的g i s 主要由五个主要部分构成，即硬件、 软件、数据、人员和方法。其核心部分是计算机系统( 软件和硬件) ，数据反映 g i s 的地理内容，方法是对空间信息所表现规律的表示，而管理人员和用户则决 定系统的工作方式和信息表示方式。 1 硬件 硬件是指操作g i s 所需的一切计算机资源。目前的6 i s 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g i s 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。图1 是典型 的网络型6 1 s 硬件配置，图2 是一个典型的基本型g i s 硬件配置，它是一般用户 最常用的配置。 图2 一l 网络型g i s 硬件系统图2 - 2 基本型g i s 硬件系统 2 软件 软件是指g i s 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界面。 3 数据 数据是一个g i s 应用系统的最基础的组成部分。空间数据是g i s 的操作对象， 是现实世界经过模型抽象的实质性内容确良。图3 展示了g i s 对现实世界的信息 表达与分层。一个g i s 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，以及从其他数据的转换。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 问实体的位置、大小、形状、方向以及几何拓扑关系。 图2 3g i s 对现实世界的信息表达与分层 4 人员 人是地理信息系统中重要的构成要素，包括管理人员和用户，g i s 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，g i s 应用的关键是掌 握实旋g i s 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g i s 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g i s 系统的运行班子应有项目负责人、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问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。g i s 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的。如基于 g i s 的水资源评价模型、灾害评价模型等。 第三节地理信息系统的主要功能 8 一个g i s 软件系统应具备五项基本功能，即数据输入、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。图4 是一个典型的g i s 功能 框图。 翻孺 圈聋倍e 地窟i 苷皂 绽计倍皂 辩雕 应用棱镍 教搿井靠 i t 豫据觏跫 西孽 夏卜鬻筹 计- = = ? z 辅i b 链墨j 嘭文 辆 图4 典型的g i s 功能构成 l 数据输入 数据输入是建立地理数据库必须的过程。数据输入功能指将地图数据、物化 遥数据、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、g p s 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。 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 数据的存储与管理 数据的有效组织与管理，是g i s 系统应用成功与否的关键。主要提供空间与 4 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、光栅数据结 构、矢栅一体化数据结构是存储g i s 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g i s 软件大多数 采用空间分区、专题分层的数据组织方法，用g i s 管理空间数据，用关系数据库 管理