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地理信息系统的发展及应用 地理信息系统的概念及其特点 地理信息系统的概念地理信息系统 GeographicInformationSystems 简称GIS 是指在计算机硬件 软件系统支持下 对现实世界 资源与环境 各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集 储存 管理 运算 分析 显示和描述的技术系统 它是作为集计算机科学 地理学 测绘遥感学 环境科学 城市科学 空间科学 信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速兴起和发展起来的 地理信息系统中 地理 的概念并非指地理学 而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据 属性数据以及以此为基础演绎出来的知识 地理信息系统的特点 GIS的特点 为了满足GIS对地球表面 空中和地下若干要素空间分布和相互关系的研究 GIS必须具备以下基本特点 1 公共的地理定位基础 所有的地理要素要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位 才能使具有时序性 多维性 区域性特征的空间要素进行复合和分解 将隐含其中的信息变为显示表达 形成空间和时间上连续分布的综合信息基础 支持空间问题的处理与决策 2 标准化和数字化 将多信息源的空间数据和统计数据进行分级 分类 规格化和标准化 使其适应于计算机输入和输出的要求 便于进行社会经济和自然资源 环境要素之间的对比和相关分析 3 多维结构 在二维空间编码基础上 实现多专题的第三维信息结构的组合 并按时间序列延续 从而使其具有信息存贮 更新和转换能力 为决策部门提供实时显示和多层次分析服务 这显然是常规二维或二维半的地形图所不具备的 4 具有丰富的信息 GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息 还包含与地理信息有关的其他信息 如 人口分布 环境污染 区域经济情况 交通情况等 国外曾经对其数据库进行了调查 发现有80 以上的信息为地理信息或是与地理信息有关 环境地理信息系统的发展 GIS的产生 20世纪50年代 随着电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量学与地图制图学中的应用 以及政府部门对土地利用规划与资源管理的要求 人们开始有可能用电子计算机来收集 存贮 处理各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数据 并通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务 这促成了现代意义上的地理信息系统的问世 GIS在国际上的发展 60年代为地理信息系统开拓期 注重于空间数据的地学处理 例如 处理人口统计局数据 如美国人口调查局建立的DIME 资源普查数据 如加拿大统计局的GRDSR 等 许多大学研制了一些基于栅格系统的软件包 如哈佛的SYMAP 马里兰大学的MANS等 综合来看 初期地理信息系统发展的动力来自于诸多方面 如学术探讨 新技术的应用 大量空间数据处理的生产需求等 对于这个时期地理信息系统的发展来说 专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用 并且大多地理信息系统工作限于政府及大学的范畴 国际交往甚少 70年代为地理信息系统的巩固发展期 注重于空间地理信息的管理 地理信息系统的真正发展应是70年代的事情 这种发展应归结于以下几方面的原因 一是资源开发 利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难 而这些都需要一种能有效地分析处理空间信息的技术 方法与系统 二是计算机技术迅速发展 数据处理加快 内存容量增大 超小型 多用户系统的出现 尤其是计算机硬件价格下降 使得政府部门 学校以及科研机构 私营公司也能够配置计算机系统 在软件方面 第一套利用关系数据库管理系统的软件问世 新型的地理信息系统软件不断出现 据IGU调查 70年代就有80多个地理信息系统软件 第三 专业化人才不断增加 许多大学开始提供地理信息系统培训 一些商业性的咨询服务公司开始从事地理信息系统工作 如美国环境系统研究所 ESRI 成立于1969年 这个时期地理信息系统发展的总体特点是 地理信息系统在继承60年代技术基础之上 充分利用了新的计算机技术 但系统的数据分析能力仍然很弱 在地理信息系统技术方面未有新的突破 系统的应用与开发多限于某个机构 专家个人的影响削弱 而政府影响增强 80年代为地理信息系统大发展时期 注重于空间决策支持分析 地理信息系统的应用领域迅速扩大 从资源管理 环境规划到应急反应 从商业服务区域划分到政治选举分区等 涉及到了许多的学科与领域 如古人类学 景观生态规划 森林管理 土木工程以及计算机科学等 许多国家制定了本国的地理信息发展规划 启动了若干科研项目 建立了一些政府性 学术性机构 如中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室 美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心 NCGIA 英国于1987年成立了地理信息协会 同时 商业性的咨询公司 软件制造商大量涌现 并提供系列专业性服务 这个时期地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场 90年代为地理信息系统的用户时代 一方面 地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统 尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式 设置与工作计划等 另一方面 社会对地理信息系统认识普遍提高 需求大幅度增加 从而导致地理信息系统应用的扩大与深化 国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题 例如地理信息系统已列入美国政府制定的 信息高速公路 计划 同美国副总统戈尔提出的 数字地球 战略 我国的 21世纪议程 和 三金工程 也包括地理信息系统 毫无疑问 地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统 GIS在国内的发展我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始 以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志 在几年的起步发展阶段中 我国地理信息系统在理论探索 硬件配制 软件研制 规范制订 区域试验研究 局部系统建立 初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步 积累了经验 为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础 20世纪80年代末 武汉测绘科技大学在摄影测量与遥感专业的基础上设立了信息工程专业 使我国GIS基本人才的培养纳人了正轨 1994年4月 我国专门成立了 中国GIS协会 此后又成立了 中国GIS技术应用协会 加强了国内各种GIS学术交流 研制推出了Geostar Citystar MapGIS等具有自主版权的GIS软件 地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划开始 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 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 如全国性地理信息系统 或数据库 实体建设 区域地理信息系统研究和建设 城市地理信息系统 地理信息系统基础软件或专题应用软件的研制和地理信息系统教育培训 通过近五年的努力 在地理信息系统技术上的应用开创了新的局面 并在全国性应用 区域管理 规划和决策中取得了实际的效益 地理信息系统的应用 一 城市环境地理信息系统城市在国民经济和社会发展中起着举足轻重的作用 城市化及城市环境已成为人们关注的热点 到2000年 全世界将有一半的人生活和工作在城镇地区 同时 另一半人的生存也将更加依赖于城镇 信息技术正在从根本上改变着人们的生产 生活和相互交往的方式 影响着城市的结构 交通结构和生态环境 给城市带来了巨大的冲击 城市的环境问题变得日渐关注和重视 城市环境地理信息系统主要包括城市环境质量 大气 水 噪声 固废 污染源 工业污染源 生活污染源 交通污染源等 建设项目管理 城市定量考核几部分内容 系统所用的信息技术包括数据仓库 OLAP 数据挖掘 Web技术 GIS技术等 新的系统模式见图7 8 二 国家基础地理信息数据库我们国家从1980年代起就开始建设多尺度的国家基础地理信息数据库 内容包括矢量核心要素数据库 DLG 数字高程模型数据库 DEM 数字栅格地图 DRG 数字影像地图 DOM 地名数据库 土地覆盖数据库 迄今为止 已建成了全国1 400万 1 100万 1 25万地形和地名数据库 1 50万地理底图数据库 1 5万DRG DEM和地名数据库 国家大地测量数据库 覆盖全国的来自多种航空和航天影像源的正射影像数据库 三 路径规划 路径分析是GIS中最基本的功能 它是一个用于模拟两个或两个以上地点之间资源流动的路径寻找过程 当选择了起点 终点和路径必须通过的若干中间点后 就可以通过路径分析功能按照指定的条件寻找最优路径 其核心是对最佳路径的求解 最佳路径求解方法有几十种 目前被GIS广泛采用的是Dijkstra算法 确定送货地点 得出最佳路径 最佳路径提示 四 基于数据的空间分析 基于数据的空间分析其理论基础是空间统计学 是从统计学的角度来分析空间数据的特性 通常包括空间分布特征的指标分析 空间关系分析 空间过程分析 空间决策分析等 计算水网分布密度 空间分布特征的指标分析 美国哥伦比亚地区各区域犯罪率情况 空间自相关分析 全局空间自相关分析结果 Z值达到了5 63 显著性非常强 这说明哥伦比亚地区相邻区域的犯罪率有着很高的空间正相关性 即有着较高的犯罪率集聚性区域的可能性 五 基于事件机理的分析 根据各种自然现象的形成和发展机理 来构建反映现象特征和变化的模型 如水动力模型 大气污染的扩散模型 交通模型等 基于大气污染扩散模型分析上海市大气污染源空间分布 五 3S GIS RS GPS 在环境中应用 3S是未来发展的趋势 GPS主要用于实时 快速地提供目标的空间位置 RS用于实时 快速地提供大面积地表物体及其环境的几何与物理信息和各种变化 GIS则是对多种来源时空数据的综合处理分析和应用的平台 3S技术将在大范围内对改善和控制农业生态环境 土地沙漠化 森林资源 草原生态环境发挥巨大的作用 地理信息系统应用的实例 美国森林调查局开发了全国林业统一使用的资源信息显示系统 美国地质调查局开发了多个地理信息系统 用于获取和处理地质 地理 地形和水资源信息 较典型的有GIRAS 日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统 存储 处理和检索测量数据 航空影像信息 行政区划 土地利用 地形地质等信息 为国家和地区土地规划服务 GIS的发展方向 GIS正朝着一个可运行 分布式 开放的 网络化的方向发展 1 基于因特网的WebGIS是下阶段GIS发展的主流 从GIS发展的历程来看 GIS每一次大的发展都与计算机发展水平有关 今后仍将是这样 如今 随着计算机网络的兴起和迅速发展 信息高速公路的建设等 为GIS的发展铺设了畅通无阻的金光大道 由于地理信息和大量的空间数据都是以文字 数字 图形和影像方式表示的 将它们数字化 送人电子计算机 便可方便 快速和及时地将地理信息传送到需要的地方去 以发挥地理信息在国民经济建设 国防建设和文化教育等行业中的应用价值 而GIS工作者则需研制一个万维网上的GIS和GIS浏览器 即视窗GIS 使亿万网民随时根据需要来查询GIS 2 GIS与其他学科的结合更加紧密 应用更加广泛 3s 地理信息系统GIS 遥感RS 球定位系统GPS 或5S 前面3S加上数字摄影测量系统DPS 专家系统Es 的集成 使得测绘 遥感 制图 地理 管理和决策科学相互融合 成为快速而实时的空间信息分析和决策支持工具 使GIS广泛用于交通 环保规划 公安侦破 车船自动驾驶 大田农作物因地施肥 科学耕种和海上捕鱼等 在3S和5S的集成概念中 3 和 5 已不是一个确切的数字 而是泛指多个系统 3s和5s强调的是 1 1 2 有了这个观念 我们就可以将GIS与其他可以结合的任何学科进行集成研究 输出方式更直观 以满足人们生产 生活的各种需求 使人们可以合理利用资源 保护环境 实现人类可持续发展 事实上 GIS已涉及到社会科学 自然科学的许多领域 必将发展成为集社会科学 自然科学于一体的全球性 综合性的巨型软科学 3 空间数据基础设施建设 数字地球 一词已在世界广为提及 但很多人并不理解它的真正含义 仅仅把它理解成全球各零散的数字信息在因特网上的流通 按照美国副总统戈尔在阐述 数字地球 概念时所举的例子来理解 它实际上就是一个GIS 要实现地球数字化必须有数据基础 数字地球的基础是空间数据基础设施 空间数据基础设施建设包括空间数据服务体系 空间数据交换网站 数字地球空间数据框架和空间数据标准体系的建立 要在今后做到 秀才不出门 便知天下事 做到网上 逛商场 空间数据基础设施建设必须要搞好 4 与多媒体技术的结