GIS集成原理与方法

1、地理信息系统集成原理与方法21.1.引言引言2.2.地理信息系统集成的概念地理信息系统集成的概念3.3.地理信息系统集成的模式地理信息系统集成的模式4.4.集成的分类集成的分类目录5.5.如何集成如何集成1.引言 近年来，随着GIS应用的广泛和深入建立了一大批地理信息系统。随着网络技术的发展和实际的需要，这些分散的系统要求集成运行，以实现信息共享，提高运行效率。在国家“八五”攻关中就开展了这方面的研究，在“九五”攻关中对系统实用化和运行业务化提出了更高的要求。地理信息系统集成的重要性得到普遍的认识 地理信息系统集成可以分为两个层次，一个是地理信息之间相互关系的概念层次集成，侧重于地理信息的空间

2、分析；另一个是不同数据和模型之间组织和管理的技术层次集成。本文所指的地理信息系统集成主要指后者意义上的集成。 在计算机集成制造（Computer Integrated Manufacture System， CIMS）领域，集成基础结构或集成平台的概念得到广泛的应用，集成平台被认为是实现企业信息集成、功能集成所需的基本信息处理和通信公共服务的集合。IBM公司基于系统使能器（Enabler）的集成平台在企业应用中获得极大成功，中国在CIMS应用中也广泛使用集成平台技术，收到巨大的经济和社会效益。2.地理信息系统集成的概念地理信息系统的集成地理信息系统的集成2.地理信息系统集成的概念地理信息系统的

3、集成框架地理信息系统的集成框架2.地理信息系统集成的概念 从资源层、服务层到互操作构成系统内部的微观集成，从数据采集、标准到传输、决策应用、显示表达的各类外部系统的集成，构成宏观集成。图中并未详细列出集成的全部内容，随着 GIS技术的发展，新的集成内容还会增加进来。在 GIS集成中，有些内容的层次归属也不是不变的，可能为新的或高一级的集成内容所覆盖。系统内集成和系统外集成的边界有时也是模糊的。一些独立发展的技术，在 GIS 看来，可能是必不可少的组成部分。2.地理信息系统集成的概念 近年来，随着GIS应用的广泛和深入建立了一大批地理信息系统。随着网络技术的发展和实际的需要，这些分散的系统要求集

4、成运行，以实现信息共享，提高运行效率。在国家“八五”攻关中就开展了这方面的研究，在“九五”攻关中对系统实用化和运行业务化提出了更高的要求。地理信息系统集成的重要性得到普遍的认识 地理信息系统集成可以分为两个层次，一个是地理信息之间相互关系的概念层次集成，侧重于地理信息的空间分析；另一个是不同数据和模型之间组织和管理的技术层次集成。本文所指的地理信息系统集成主要指后者意义上的集成。 在计算机集成制造（Computer Integrated Manufacture System， CIMS）领域，集成基础结构或集成平台的概念得到广泛的应用，集成平台被认为是实现企业信息集成、功能集成所需的基本信息处

5、理和通信公共服务的集合。IBM公司基于系统使能器（Enabler）的集成平台在企业应用中获得极大成功，中国在CIMS应用中也广泛使用集成平台技术，收到巨大的经济和社会效益。3.地理信息系统集成模式地理信息系统集成模式n 模型集成模式n 外集成模式n 三级集成模式n 集成平台框架模式3.1模型集成模式主要是GIS与模型的集成，实际上是以数据为中心，把应用模型和GIS软件系统协调统一o 数据是集成的主要对象o GIS是集成的载体o 模型是集成深入应用的关键 3.1模型集成模式o 数据及其规范n 数据精度n 数据的时间、空间尺度n 时序数据支持n 数据转换 3.1模型集成模式o 目前商品化GIS的不

6、足n 缺乏时序分析能力n 缺乏三维分析、模拟及可视化的有效手段n 数据转换功能难以连接外部的分析和模拟软件或模型n 缺乏有效的空间统计分析方法n 对于模型用户较复杂，较难掌握n 没有标准命令集 3.1模型集成模式o 模型很难和GIS系统和数据有效连接n 模型独立开发，很难将其纳入GISn 模型开发很少利用GIS现有功能n 模型较难调整n 模型自动化程度不够n 缺乏误差传播的分析 3.1模型集成模式o 优点n 直接面向数据n 模型运行流畅o 缺点n 集成度不高n 适用面窄n 建立与维护成本高n 对操作人员要求高 3.2外集成模式o 内集成模式GPS、RS、GIS集成，构成以GIS为基础的3S系统

7、o 外集成模式o 将内集成系统集成在一起，构成一个具有统一的系统o 优点：更高效，集成度更高 3.2外集成模式o 基于数据变换的一种模型o 基于标准数据格式变换的一种模型o 基于对象链接与嵌入技术的一种模型o 基于客户/服务器的一种模型 3.2外集成模式o 基于数据变换的一种模型n 从底层开始，采用独立的数据结构、存储模式、检索机制和图形组织。n 需要建立多个数据转换程序n 工作量巨大o 基于标准数据格式变换的一种模型n 对第一种方法的改进n 工作量小n 数据转换的灵活性受到限制 3.2外集成模式o 基于对象链接与嵌入技术的一种模型n 应用程序之间交换数据和相互操作n 最终用户面向对象n 不再

8、局限于数据n 操作简单n 缺点：有些GIS产品不支持OLE功能，应用受到限制 3.2外集成模式o 基于C/S的一种模型n 发挥服务器容量大，速度快等特点，减少客户端的工作量n 减少网络通信信息流量n 容易实现各种不同系统的集成 3.3三级集成模式o 将GIS集成系统用三级模式进行描述，使各种集成问题归于各组成部分的相应模式o 三级模式n 外模式描述一个组成部分对另一个组成部分的服务n 概念模式描述组成部分 中关于目标存储和处理结构、基本操作和目标-目标以及目标-操作的关系和依赖性n 内模式描述利用特殊的硬件和软件环境完成概念模式的所有特征 3.3三级集成模式o 可根据各组成部分在三级模式上的差

9、异决定集成中的关键问题o 缺点：三者间的关系划分较困难 3.4集成平台框架模式o 强调地理信息采集和应用的分布性o 建立一个有效的地理数据管理机制，解决地理信息的不同时间、空间和属性，并提供数据融合o 解决地理分析模型和多种地理数据间的关系，强调模型的组织与管理 3.4集成平台框架模式o 基于客户/服务器机制的GIS集成总体结构n 不依赖具体的软件平台，具有较好的可扩充性o 基于元数据的数据库集成平台n 在服务器建立元数据的副本，并维持与各接点元数据库的动态链接o 基于关系数据库管理系统的模型集成平台n 关系数据库可管理以宏语言编写的模型，已接口形式提供的模型和以对象控件形式提供的模型 3.4

10、集成平台框架模式o 优点提出了GIS集成框架思想和GIS集成平台框架结构o 缺点思想和方法破碎，不够全面4.集成的 分类“3S”3S”技术集成技术集成多源数据的集成多源数据的集成GIS GIS 与专家系统的集成与专家系统的集成GIS GIS 与应用分析模型的与应用分析模型的集成集成4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成遥感技术或遥感系统与 GIS 的集成，不仅为 GIS 的数据采集和更新提供了经济快捷的途径，而且这种集成本身就可以构成多种实用的系统。如动态监测系统、战场指挥系统、侦察系统、资源调度系统、防汛系统等等。它们都需要遥感技术提供实时或准实时的影像信息。 GPS技术与 GIS 的集

11、成，不仅可以提供快速移动定位测量，而且可以构成监测和导航系统。如车船导航系统、移动指挥系统、目标移动定位系统、物流监测系统、大坝监测系统等。 4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成一、一、GIS GIS 与与 GPS GPS 集成集成GPS 与 GIS的集成在技术层面主要由以下几种模式： （1）GPS（单机定位）+栅格电子地图。用于导航目的。因装载有 GPS 接收系统的载体（车、船、飞机等）通过接收的 GPS定位数据，可通过 GIS 在栅格电子地图上显示移动载体所在位置。 （2）GPS（单机定位）+矢量电子地图。用于导航（路径优化选择）。根据目的位置（人工输入）和载体现在的位置（GPS测定

12、），在 GIS 支持下可以显示最佳路径，从；而引导驾驶者最快到达目的地。 （3）GPS（差分定位）+栅格/矢量电子地图。用于监测网络，指挥系统。通过固定站和移动载体之间的两台或多台GPS 伪距差分技术，可精确定位移动载体的位置，双方均有通信联系时，构成导航、监测网络。 （4）GPS（差分定位）+动态图层。 动态数据更新。动态图层接收 GPS 的定位测量数据，经处理后，以坐标形式对地图进行更新。 4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成二、二、RS RS 与与GIS GIS 的集成的集成遥感技术与 GIS 的集成模式主要有： （1）分开但平行的结合。主

13、要在数据层面结合，两个数据处理系统相互独立存在。它们在数据层面进行数据交换。 （2）表面无缝的结合。使用统一的用户界面，但不同的工具和数据库。 （3）整体结合。在界面、工具和数据库方面均实现无缝的功能集成和数据集成。三、三、GPS GPS 与与 RS RS 的集成的集成 构成各种平台的观测系统。四、四、RSRS、GPS GPS 和和 GISGIS的集成的集成 这是集三项技术为一体的高水平技术集成，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统。4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成五、关键理论问题和关键技术五、关键理论问题和关键技术 为了实现“3S”技术的集成，需要在系统设计、实现和应用过

14、程中研究和解决许多技术问题，主要的关键技术包括： 1 1、“3S”3S”集成系统的实时空间定位集成系统的实时空间定位 主要研究 3S 集成系统的传感器实时空间定位、系统行进过程中快速确定相关地面目标的方法和实现技术。包括广域和局域差分 GPS 网的构建方法与实时数据处理的理论与算法、遥感传感器在空间的位置、姿态的测定及应用和GPS 辅助的遥感地面目标的自动重建和量测方法。 2 2、“3S”3S”集成系统的一体化数据管理集成系统的一体化数据管理 主要研究和解决 3S 的数据集成管理模式和数据模型，设计和发展相应的数据库管理系统，实现图形、图象、属性、GPS 定位数据的一体化管理，为 3S 数据集

15、成处理和综合应用提供基础平台。 4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成3 3、语义和非语义信息的自动提取理论方法、语义和非语义信息的自动提取理论方法 主要研究从航空、航天遥感数据的 CCD 立体相对中自动、快速和实时提取空间目标的位置、结构、语义信息和相互关系的理论和方法。包括遥感影象地物结构信息的自动提取和精确图形表达；多种传感器、多分辨率和对时相遥感图象数据的融合理论和方法；基于知识工程的遥感影象的解译与分类系统等。 4 4、基于遥感影象的、基于遥感影象的 GIS GIS 数据库的快速更新方法数据库的快速更新方法 主要研究如何依托已建立的 GIS 来实现航空、航天遥感影象的智能化、全数

16、字化过程，并从中快速发现变化的信息，进而对 GIS 数据库进行自动更新。包括 GIS 数据与现势的遥感数据的复合；从 GIS 数据与遥感数据的配准中，自动或半自动检测变化信息；利用 GIS 属性数据与现势的遥感数据的配准，检测语义信息和获取知识等。 4.14.1“3S”3S”技术集成技术集成5 5、“3S”3S”集成系统的数据通讯与交换集成系统的数据通讯与交换 研究单向、双向数据实时传输的理论和方法，数据交换的理论和方法。 6 6、“3S”3S”集成系统的可视化理论与方法集成系统的可视化理论与方法 研究集成系统中大量图形、图象信息的显示问题。包括空间图形、图象的多比例尺、多分辨率的存储、显示和

17、表达，空间数据的自动综合、符号化和多尺度显示的理论和方法，虚拟地形环境仿真中视景数据库的构造理论与方法，可视化系统、虚拟现实系统和 GIS 的集成等。 7 7 、“3S”3S”集成系统的设计方法和集成系统的设计方法和 CASE CASE 工具研究工具研究 研究基于计算机辅助软件工程（CASE）技术的 3S集成系统的设计方法和软件开发、维护的自动化技术，设计专门用于 3S 集成系统设计的 CASE 工具。 8 8、“3S”3S”集成系统中基于集成系统中基于 C/S C/S 的分布式网络集成环境的分布式网络集成环境 3S 集成系统涉及到多用户、多数据、多专业，需要一个强大而有效的网络环境支持。4.

18、24.2多源数据的集成多源数据的集成4.24.2多源数据的集成多源数据的集成4.24.2多源数据的集成多源数据的集成4.24.2多源数据的集成多源数据的集成4.24.2多源数据的集成多源数据的集成4.24.2多源数据的集成多源数据的集成4.24.2多源数据的集成多源数据的集成4.3GIS4.3GIS与专家系统的集成与专家系统的集成GIS 与专家系统的结合是建立智能化空间决策支持系统（Spatial Decision Support Systems，SDSS）的重要途径。它为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。4.3G

19、IS4.3GIS与专家系统的集成与专家系统的集成4.3GIS4.3GIS与专家系统的集成与专家系统的集成4.3GIS4.3GIS与专家系统的集成与专家系统的集成在这个系统中，GIS 提供了空间数据部分的支持，决策支持系统提供了模型部分的支持，专家系统提供了推理部分的支持，它们协调工作，融为一体。 在智能化决策支持系统中，模型具有以下特点： （1）可构造性。模型一定可以通过方法与数据构造而成； （2）语义性。模型具有一定的抽象形式，但它一般都具有语义背景，如对输入表和输出表作出约束性描述等； （3）表示多样性。模型的抽象形式可以是数学的，也可以是非数学的，且它们在用户眼中和在计算机内部所表现的形

20、式是不同的； （4）可编程性。SDSS 是一种计算机应用系统，因此，它的模型一定能用程序形式表示； （5）空间性。SDSS 中的模型在很多情况下都涉及到空间维变量和空间关系。4.3GIS4.3GIS与专家系统的集成与专家系统的集成一般的说，SDSS 中的模型在计算机中的存储表达方式有三种： 第一种是数据方式。即把模型视为从输入集到输出集的影射，用模型参数集合确定这种影射关系。这样，模型可描述为由一组参数集合和表示模型特征结构特征的数据集合的框架，输入数据集在关系框架下进行若干关系运算，得出输出数据集。由此，模型运算可转换为关系运算。 第二种是逻辑方式。它是一种基于人工智能的表示方式，主要有谓词

21、逻辑，语义网络，逻辑树和关系框架等几种方法。比较常见的是谓词逻辑表示法。它把模型分解为四个基本要素:模型结构,约束集,参数集和变量集。每一部分可用相关谓词表示,而数值计算则隐含在谓词中,当定量计算的模型用逻辑形式表达后,它可以与定性的知识统一起来,用谓词演算的方法,实现对问题的求解。这对于含有半结构化，非结构化的决策模型比较适用。 第三种是程序方式。包括输入，输出格式和算法在内的完整程序就可以表示一个模型。通常一个模型是以子程序存贮的，每个子程序往往带有通用的程序结构。程序方式主要适用于描述结构化的计算模型。4.3GIS4.3GIS与专家系统的集成与专家系统的集成4.3GIS4.3GIS与专家

22、系统的集成与专家系统的集成四、四、SDSS SDSS 的应用例子的应用例子 智能空间决策支持系统在解决复杂空间决策问题时有很多应用，下面是它的一些典型应用。 1、设施选址问题 设施选址问题是从一组可能的位置中间选择一个或多个设施布置的最佳位置。主要应考虑的因素是，在操作约束条件下，满足服务保证水平的设施数量的确定；设施与人口聚集地之间的最大距离；经济效益。 2、交通路线问题 在约束条件下选择可选的交通路线问题。主要应考虑的因素是，最终路径和交通方案的图形和报表输出；最终路径的决策是面向用户的；用户可以在外部或其他约束条件下，对路线进行交互编辑或补充内容。 3、区域划分问题 解决政区的合并与分区

23、问题。主要应考虑的因素是，合并与分区的约束条件。区域划分决策分析适合于市场或政区规划。 4、运输问题 解决一组服务目的地和一组出发地之间最有效的运输路线问题。考虑因素是，方案的会因对容量或边界约束的补偿而改变。最终的分配决策是面向用户的。4.4GIS4.4GIS与应用分析模型的集成与应用分析模型的集成4.4GIS4.4GIS与应用分析模型的集成与应用分析模型的集成在 GIS 领域，GIS 的数据模型也缺乏应用分析模型所需的时空数据结构，不具有同时处理空间数据和时间数据的结构化可变性问题的能力，也不具备建立和检验模型的直接途径。首先，GIS 缺乏时序分析能力；其次不同 GIS之间通常采用导入/导

24、出方式数据交换来实现系统集成，这不足以连接外部的分析模型；三是 GIS 的时间、空间插值与采样功能比较弱，缺乏有效和通用的空间分析方法；四是在三维分析模拟和可视化方面，技术还不成熟4.4GIS4.4GIS与应用分析模型的集成与应用分析模型的集成4.4GIS4.4GIS与应用分析模型的集成与应用分析模型的集成在 GIS 技术的支持下，根据应用分析模型的要求，将地理空间（研究区域）进行网格剖分，并自动获得网格节点或中心点的数据，用来表示各种模型参数的空间分布，直接形成应用分析模型所需的数据文件。而模型的空间离散所形成的网格数据，在增加空间地理坐标的情况下，则可形成 GIS 所需的空间数据文件，并被

25、 GIS 直接调用，利用GIS 的空间表达功能对模型数据进行可视化表示。4.4GIS4.4GIS与应用分析模型的集成与应用分析模型的集成三、集成方式三、集成方式 1 1、源代码集成方式、源代码集成方式 是利用 GIS 的二次开发语言或其他支持的语言将分析应用模型进行改写，使其与 GIS 完全兼容，成为 GIS 一部分的集成模式。其优点是，应用分析模型在数据结构和数据处理形式上与 GIS 完全一致，比较灵活和有效。缺点是需要 GIS和领域知识的结合。 2 2、函数库集成模式、函数库集成模式 将开发好的应用分析模型以函数的形式保存在函数库中，集成者通过调用函数将其集成在 GIS 中。函数可以以静态

26、和动态两种连接方式。其优点是可以实现高度的无缝集成。缺点是分析模型的状态信息很难在函数库中进行有效表达。 3 3、可执行程序集成方式、可执行程序集成方式 GIS 与应用分析模型均可以可执行文件的方式存在，二者的内部、外部结构均不变化，相互之间独立存在。二者的交互可以约定的数据格式通过文件、命名通道、匿名通道或者数据库进行。可以独立方式或内嵌方式集成。优点是集成方便、简单、代价低。缺点是由于数据的交换通过操作系统，运行效率不高。 4.4GIS4.4GIS与应用分析模型的集成与应用分析模型的集成5.如何集成o GIS集成存在的问题n 集成理论缺乏n 集成方法不够完善n 没有统一的框架体系o 有必要对GIS集成进行