gis综述地理信息系统讲义教学课件

目录GIS数据标准化WebGIS3D（4D）GIS空间数据模型（库）主流GIS软件认识一．GIS 数据标准化我国对地理信息产业的发展高度重视,在2000年发布的《关于进一步推动国产地理信息系统应用及其产业化的若干意见》的文件中,提出了一系列的发展战略和指导思想,对我国地理信息产业的发展起到了重要作用,而数据共享(DataSharing)是实现地理信息产业化的前提.不论是国产地理信息系统(GIS)软件的研制和开发,还是地理数据的生产和应用,都必须考虑数据共享问题.在地理信息产品的用户由部门用户向个人用户发展的今天,数据共享问题的解决尤其重要。GIS（GeographyInformationSystem），即地理信息系统，是一种同时管理地理空间数据和非几何属性数据的信息系统，是目前三大空间科学技术（遥感RS、全球定位系统GPS、GIS，简称3S技术）之一。当前，已经出现了许多新的GIS研究领域，包括智能GIS（与专家系统、神经网络、遗传算法等技术结合在一起）、3S集成以及开放地理信息系统（OPENGIS）等。万维网地理信息系统是Internet技术和地理信息系统结合的产物，它的产生给国民经济带来了深远影响。数字地球以及数据城市的提出，让我们更加重视GIS系统。GIS（GeographyInformationSystem），即地理信息系统，是一种同时管理地理空间数据和非几何属性数据的信息系统，是目前三大空间科学技术（遥感RS、全球定位系统GPS、GIS，简称3S技术）之一。当前，已经出现了许多新的GIS研究领域，包括智能GIS（与专家系统、神经网络、遗传算法等技术结合在一起）、3S集成以及开放地理信息系统（OPENGIS）等。万维网地理信息系统是Internet技术和地理信息系统结合的产物，它的产生给国民经济带来了深远影响。数字地球以及数据城市的提出，让我们更加重视GIS系统。二．WebGISWebGIS是在Internet或Internet网络环境下的一种兼容、存储、处理、分析和显示与应用地理信息的计算机信息系统。它的基本思想就是在互联网上提供地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得一个地理信息系统中的数据和功能服务，是Internet技术应用于GIS开发的产物。GIS通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。从WWW的任意一个节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据，制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使GIS进入千家万户.网络与地理信息系统的结合形成InternetGIS/webGIS.互联网已经成为GIS的新的操作平台。WebGIS基本原理从网络技术角度看，Internet/Intranet可以看作是以TCP/IP为通信协议标准，以DNS域名服务和SMTP简单邮件传输协议为基础，以WWW和FTP服务为支撑，实现多服务器和多平台的相互连接的计算机通信网络。从系统运行和技术上分析，GIS系统要成为网络化的分布式处理的信息系统，必须符合或兼容Internet/Intranet相关的技术标准，包括支持TCP/IP网络通信协议、HTTP文档与文件传输协议、文档显示与应用程序集成(HTML和HTMLBrowser)，服务器端集成、客户端扩展(HTML,Java和javascript)、服务器端扩展、可执行的客户端与服务器后台进程的逻辑分布、多线程可扩展服务器、支持动态访问、强大的客户部件、远程制作（包括可视化远程制作工具）、图形文档支持嵌入的URLs等。支持Internet／Intranet通信技术标准，对于WebGIS来说就是实现客户端和服务器端数据传输通信。WebGIS系统充分利用了分布式体系结构Client/Server的技术特点，是Client/Server结构特点的一个典型应用实例。分布式应用体系结构能使现在客户端与服务器端都具备提供功能强大、可执行进程的体系结构，达到真正有效地平衡客户端与服务器端之间的处理负荷，实现计算分布和数据分布的目标，使系统具有可互操作性，从而可以把数据量集中的处理任务由服务器端执行，在客户端则完成诸如空间查询，专题地图生成等进程，以充分发挥客户机与服务器各自的优势，最大限度的发挥应用系统的作用。WebGIS系统的客户端／服务器体系结构使得系统具有良好的开放性，它使系统具有软硬件资源共享、数据多重应用、跨平台运行、易于集成等特性。可以说，WebGIS系统是一个建立于Internet/Intranet之上的采用开放式结构，具有统一标准和广泛适用性的网络应用系统。WebGIS系统的客户端用户不仅能使用服务器端的硬软件资源，而且可以方便地利用Internet主干网的数据信息资源等。WebGIS的主要构造模型⒈WebGIS的B/S三层结构,常见的WebGIS的结构体系是由数据库，应用服务器和客户端组成的三层结构体系,它把数据库和地理信息系统的应用逻辑分开，相对于最初的两层结构，数据库的改变对应用的影响减少了。通过HTTP协议，客户向web服务器请求数据服务，服务器返回HTML方式书写的服务页面。按照浏览器和服务器端功能的多少，体系结构可以划分为胖客户器／瘦服务器和瘦客户机/胖服务器两种。但随着应用的复杂度增加，客户对应用服务器的访问频率增加，单一的服务器和复杂的应用程序无法快速处理大量的地理信息服务需求。中间技术的出现改进了传统模式的B/S体系。2.基于中间件的Ｂ／Ｓ多层结构,如果WebGIS应用是建立在分布式数据库上，那么为了增强服务器端的处理能力和速度，服务器端GIS应用也要求是分布的。中间件技术是解决这一难题的有效途径。GIS应用服务器不是一个进程，而是由多个中间件组成的分布式的多个进程。中间件相互调用，一个进程是另一进程的客户，同时又是别的进程的服务，调用关系比较复杂。进程所访问的私立数据库也不再是单一的数据库，可能是一个分布式的异质数据库。目前分布式计算的中间件技术主要有CORBA,DCOM和EJB等。其中，CORBA体系是最有前途的一种，它实现了异构平台的互操作；与此对应的是，DCOM模型一统Windows平台，已经成为Windows平台的市场标准；而Sun公司大力提倡的EJB体系，也在逐渐的发展。⒊WebGIS的互操作模型,为了解决WebGIS之间的互操作问题，开放地理信息系统协会（简称OGC）于1998年倡导了“网络地图实验环境”（简称WMT）来推动具有互操作性和可移植性的Web制图技术的发展。从OGC的WMT文献以及NSDI,GSDI和数字地球的描述中可以看到，WMT所倡导的，能够作为NSDI,GSDI和数字地球地理信息传输及应用的WebGIS系统至少应具有以下四个特征：⑴互操作性。允许数据在不同的WebGIS系统之间无缝传输；一个应用系统中的应用可以调用另一个应用系统中的应用来完成逻辑上统一的任务。⑵可扩展性。要求尽可能利用已有的空间数据设施，不做或少做改动，并能够兼容以后新出现的GIS系统所产生的空间数据。⑶分布式特征。包括数据分布和应用分布。⑷良好的交互性。根据用户对Web空间数据应用的需求，应当充分合法用户对己有的空间数据进行改进更新和删除。（三）国内外研究、开发现状近年来，WebGIS应用作为一项产业得到了极大发展，大量的WebGIS产品不断涌现。从国内外主流的WebGIS软件技术和产品来看，目前各方对于WebGIS软件研发所采用的技术路线、开发手段和产品原则上大体相同。在技术思路上基本集中于对空间数据模型、空间数据结构、空间数据传输协议、分布式体系结构、网络环境下空间信息的组织和管理等方面。在技术手段上都基于Internet，采用Web技术和多级B/S体系结构，利用分布式对象技术如CORBA，DCOM/ActiveX或都Java，或者综合使用几种分布式对象技术。（四）社会因素和人为因素对国内网络GIS的影响GIS产业的发展和管理水平有待提高目前国内社会GIS产业的发展还不够快，管理水平还不够高，缺少强劲的应用需求推动，在建设计算机网络或网络GIS系统时，经费投人不足，尤其是其中的软件和数据库建设部分。为了加快相关的信息化的步伐，国内应加大相关领域的投入。国民认识水平较低，公众参与程度不够GIS的发展离不开公众的参与，在一些发达国家中，网络GIS己经走进社区，走进了千家万户，人们充分享受网络带来的广泛丰富的信息，而目前我们国家的网络GIS的普及远远没达到这一程度，公众的参与意识和程度很低，网络GIS的科学和经济价值在国内尚未被广泛地接受和认知，造成资金投入不足、推广应用比较困难的局面。国民认识水平较低，不利于GIS技术应用的普及和推广。例如，不少政府部门，特别在中小城镇，由于文化、技术水平较低，难以进行GIS建设，即使是建好的系统也难以用好、维护好，知识产权等法律意识淡簿，使GIS数字化社会产品难以推广等。较低的地理信息共享程度国内地理信息共享程度低，令人忧虑，这种状况可能短时间内难以改观。地理信息共享是一个涉及深层次体制改革的问题，只要地理数据和信息还是部门、单位及其职员经济利益的不正常价码，地理信息在国内的广泛共享就是一句空话。由于社会上缺乏共享的空间数据，缺乏各种区域性自然的、社会的和经济的地理数据，国内GIS不可能像共享数据比较丰富的发达国家那样扩展到民用、商用领域。换言之，国内GIS在今后可能不短的时间内，仍将主要局限于政府部门。三．3DGIS1引言最近一期《自然》杂志刊登的文章“地图制图的时机”把地球空间信息技术（geotech-nologies）看成是世界上继生物技术（biotechnology）和纳米技术（nanotechnology）之后发展最为迅速的第三大新技术，而遥感技术（RS）与地理信息系统技术（GIS）则是地球空间技术的核心内容。特别是GIS技术已经成为空间数据处理、集成和可视化最成功的技术之一，并作为地球空间信息处理的有效工具极大地推动了地球空间技术在各个领域的应用。虽然关于GIS的定义有许多不同，但几乎都公认GIS是一个以空间数据（信息）为中心的系统，这一点从美国摄影测量与遥感学会给出的定义即可见一般：“GIS是一个对地球空间信息进行编码、存储、转换、分析和显示的信息系统”.由于GIS从地形图演进而来的历史原因，现有的绝大多数GIS都使用二维数据描述地理对象，即所有的对象都通过二维坐标（X,Y或经纬度）进行表示。这样的GIS因此又被认为是二维GIS。众所周知，地球空间信息区别于其他类型信息的最显著标志是其地域性（territorial）、多维结构特性（multidimensionalstructure）和动态变化特性（dynamicchanges）。随着计算机技术和数据获取技术的迅速发展，具有处理真三维数据能力的三维GIS的发展受到了极大的关注。显然，对现实世界中三维对象的逼真表示需要三维的方法。三维GIS则使用三维数据描述地理对象，即所有的对象都通过三维立体坐标（X，Y，Z或经纬度与高程）进行表示。三维GIS在日益增长的三维空间信息需求的牵引和蓬勃发展的现代新兴技术的驱动下得到了稳步的发展。首先，诸如城市、海洋、大气、地下工程和军事等重大领域问题的完整解决和空间信息的社会化应用服务迫切需要三维GIS的支持；其次，三维空间数据获取技术的发展极大地方便了各种规模不同细节程度三维空间数据的可得性；再有，信息与通信技术的进步为更有效地处理和利用海量三维空间数据提供了强有力的支撑。从二维GIS到三维GIS，虽然空间维数只增加了一，但基于此既可以包容几乎所有丰富的空间信息，也可以突破常规二维表示对形式的束缚，为更好地洞察和理解现实世界提供了多种多样的选择。但其由此也面临大量更加复杂的问题，如数据量急剧增加、空间关系错综复杂、真实感实时可视化等。在空间上从二维表示到三维表示日益成为GIS的主要发展方向之一，并趋向于对现实世界的增强表示与延伸——“虚拟地理环境”.2三维GIS的数据获取技术三维GIS技术最重要的进展之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与GPS等传感器的精度与速度都有了明显的提高。大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。如将三维建筑物模型的重建方法分为以下三类：基于地图的方法，利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据经济快速建立盒状模型；

基于图象的方法，利用近景、航空与遥感图象建立包括顶部细节在内的逼真表面模型，该方法相对比较费时和昂贵，自动化程度还不高；

基于点群的方法，利用激光扫描和地面移动测量快速获得的大量三维点群数据建立几何表面模型。3三维GIS的数据管理技术从二维GIS转换到成熟的三维GIS时，数据管理成为热点问题之一。逼真的三维表示不仅具有多种细节层次的几何表达，还提供具有相片质感的表面描述如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息。因此有关纹理与材质参数等也是数据库的重要内容。大量栅格数据与矢量数据的集成应用导致数据量急剧增加，“海量”一词则是对此最形象的描述，这里的“海量”是指远远超出计算机核心内存容量的数据量。针对三维可视化交互的实时性要求，对海量数据的有效管理与调度已经成为三维GIS的关键技术之一。与传统的二维GIS相比较，三维GIS对数据组织与管理又提出了许多新的更高的要求，如：不同类型数据的一体化管理；

多尺度模型（LOD）的集成应用；

从数据库到三维虚拟显示的快速转换，如必须只在当前的视线范围内选择物体（金字塔或是圆锥内）和动态装载等，都要求新的数据模型和有效的空间索引机制。传统基于文件与关系数据库混合的GIS数据库管理方式由于在数据安全性、多用户操作、网络共享及数据动态更新等方面已不能满足日益增长的需要。现有的对象关系型数据库管理系统（ORDBMS）虽然还不直接支持三维空间对象，但其在保留关系数据库优点的同时，也采纳了面向对象数据库设计的某些原理，具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制，这使得它不仅能够处理3D数据的复杂关系，也能将在逻辑上需要以整体对待的数据组织成一个对象，这为三维GIS的海量数据管理提供了一条切实可行的途径。要满足三维GIS在线的各种实时应用（包括地理协同操作）需要，一方面要对多种类型多种尺度的三维数据进行精心的组织，以提供高效的数据检索机制；同时，还需要优化设计现有的各种数据库管理系统，以提供快速的数据动态存取服务。4三维GIS的数据可视化技术视觉是理解空间最有用的感觉，因此三维GIS在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真（具有相片质感）的信息，各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。特别的，三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化，比如剖析地下结构、反演不会重现的历史过程、推演未来发展、仿真复杂的时空现象（台风演进、洪水淹没、大气污染、核电站泄漏事故影响、噪声传播、温度和风场变化）等，由此能获得各种超越现实的空间感知经验。目前，大多数三维GIS的三维能力甚至被认为主要体现在三维可视化功能上，并且是区别于二维GIS最重要的特征之一。突出三维可视化功能的三维GIS在许多场合因此又被称为“虚拟现实GIS”、“三维可视化GIS”等等（Haklay,2002；张生德和王磊，2001）。三维可视化越来越多地成为GIS（不仅是三维GIS）的终端表现形式，并且被认为是不同背景的用户进行空间信息交流和视觉分析与空间认知的有效媒介。游雄教授与万刚博士的“战场可视化与数字地图”一文则详细介绍了三维GIS在军事领域的应用——战场环境仿真。与传统二维GIS固定的视角或视点观察效果明显不同，当用户把视点放在三维空间（特别是透视投影空间）里时，不经意的旋转缩放和平移操作往往容易导致方位的迷失感，使得迅速定位产生困难。为了既能享受常规二维GIS地图表示优越的方位感，又能得到三维逼真显示的真实感和沉浸感，多视点的多模态可视化视图表示成为三维GIS最典型的界面特点。三维GIS基于数据库能提供多种形式的交互式三维动态可视化功能，比如，较宏观的飞越漫游能迅速把握整个空间分布包括地形特征和地物布局，较微观的穿行漫游则能准确分辨地形的微小变化和地物的明显特征，而且在运动中能及时更新可见的内容并根据距离远近以不同的细节或尺度进行表现。在计算机交互式图形处理中，实时动画往往要求每秒25-30帧的图形刷新频率，也就是说所有的建模、光照和绘制等处理任务必须在大约17微妙的时间内完成。所有这些对数据调度机制和图形绘制策略都提出了新的更高的要求。数据动态装载、图形渐进描绘、多重细节层次（LOD:LevelsofDetail）和虚拟现实表现等因此成为三维GIS可视化的典型技术特征。网络技术、分布式计算技术和三维可视化技术的飞速发展，为分布式三维GIS技术的实现提供了契机。特别是随着各种小型化、便携式的移动计算与显示设备和无线技术的广泛使用，三维GIS的分布呈现出多样化的特点，并正为人们提供日益广泛的增强现实服务。现有分布式三维GIS主要体现在网上三维可视化方面，并且绝大多数都是基于VRML实现的。而采用Java3D和插件等技术由于支持服务器端的数据库管理与存取，因此在浏览器端可以实现在线空间查询和分析等操作。三维GIS海量数据的交互式真实感可视化对计算机软硬件环境也提出了特殊的要求，而且一些先进的图形卡和工作站已经为此目的问世。除了一般的半沉浸式透视显示方式以外，沉浸式真三维立体可视化平台也越来越多地被用于三维GIS系统中。但随着三维空间信息的普遍可得，越来越多的需求将是利用中低档的桌面系统达到同样的目的。因此，大多数研究还是主要针对普通个人计算机处理海量的三维GIS数据，而非SGI这样大型的专用图形工作站高端系统，毕竟此类系统还非常昂贵、难于推广普及。特别值得关注的是中国四维测绘技术北京公司为此专门研制了系列大场景沉浸式真三维可视化硬件平台，为三维GIS应用提供了双计算机双投影仪、单工作站双投影仪、单工作站四投影仪等不同的配置方案.5三维GIS的数据分析技术随着对地观测和计算机技术的发展，空间信息及其处理能力已得到极大的丰富和加强，人们渴望利用这些空间信息来认识和把握地球和社会的空间运动规律，进行虚拟、科学预测和调控。三维GIS在提供三维视觉认知的同时，还提供更深刻的解析的空间分析功能，而缺乏新的三维空间分析方法与功能正是制约三维GIS更广泛深入的专业化应用的主要瓶颈之一（BettyandSmith，2002）。根据空间分析所处理的对象进行划分，空间分析方法主要有基于图形的方法与基于数据的方法两类。基于图形的空间分析方法如常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析与空间联结等能直接从2D扩展至2.5D乃至3D。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS最有特色的也许是其基于三维数据的复杂分析能力，如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视域等。结合物理化学模型提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能，如水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析等已成为三维GIS分析研究的重要内容之一，并正积极朝结合属性数据和其他专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关的问题”提供定量与定性结合的空间决策支持方向发展。四．空间数据库在网络GIS空间数据库管理技术方面，对象——关系数据库技术和面向对象的数据库技术正在逐步成熟起来一成为未来GIS空间数据管理的主要技术。而空间数据仓库的构建是一个大而复杂的系统工程，它的实现有赖于以下关键技术的成熟：快速计算、大容量存储、空间数据库的无缝连接、元数据、数据挖掘、空间数据联机分析处理、服务与互操作等关键技术。这些技术也是目前制约网络GIS发展的关键所在，是开发和研究网络GIS的热点之一。例如，在海量的分布式空间数据的存储问题：地理空间分割、语义分割、空间数据库的联合、异构分布式数据库的访问。GIS的核心是空间数据库、空间查询和空间分析。三维空间分析，就是直接在三维空间中进行空