地理資訊系統

地理資訊系統是一門綜合性學科，結合地理學與地圖學，已經廣泛的應用在不同的領域，是用於輸入、儲存、查詢、分析和顯示地理資料的計算機系統，可以分為以下五部分：GIS屬於資訊系統的一類，不同在於它能運作和處理地理參照資料。地理參照資料描述地球表面空間要素的位置和屬性，在GIS中的兩種地理資料成分：空間資料，與空間要素幾何特性有關；屬性資料，提供空間要素的資訊。地理資訊系統合稱3S。一個地理資訊系統是一種具有資訊系統空間專業形式的資料管理系統。在嚴格的意義上，這是一個具有集中、儲存、操作、和顯示地理參考資訊的計算機系統。例如，根據在資料庫中的位置對資料進行識別。實習者通常也認為整個GIS系統包括操作人員以及輸入系統的資料。地理資訊系統技術能夠應用於科學調查、資源管理、財產管理、發展規劃、繪圖和路線規劃。例如，一個GIS系統能使應急計劃者在自然災害的情況下比較容易地計算出應急反應時間，或利用GIS系統來發現那些需要保護的溼地。GIS中使用的技術.從不同到相關資訊.如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片聯絡起來，就可以判斷出哪塊溼地在一年的某些時候會乾涸。一個GIS系統就能夠進行這樣的分析，它能夠將不同資訊以不同的形式應用。對於源資料的基本要求是確定變數的位置。位置可能由經度、緯度和海拔的x，y，z座標來標註，或是由其他地理編碼系統比如ZIP碼，又或是高速公路英里標誌來表示。任何可以定位存放的變數都能被反饋到GIS。一些政府機構和非政府組織正在生產製作能夠直接訪問GIS的計算機資料庫。可以將地圖中不同型別的資料格式輸入GIS。GIS系統同時能將不是地圖形式的數字資訊轉換可識別利用的形式。例如，透過分析由遙感生成的數字衛星影象，可以生成一個與地圖類似的有關植被覆蓋的數字資訊層。同樣，人口調查或水文表格資料也可在GIS系統中被轉換成作為主題資訊層的地圖形式。資料展現.GIS資料以數字資料的形式表現了現實世界客觀物件和向量。柵格或是當資料不是可用時記錄的一個空值。柵格資料集的解析度取決於地面單位的網格寬度。通常儲存單元代表地面的方形區域，但也可以用來代表其它形狀。柵格資料既可以用來代表一塊區域，也可以用來表示一個實物。向量資料利用了幾何圖形例如點、線來表示海拔或其他連續變化的值。TIN的記錄對於這些連線成一個由三角形構成的不規則網格的點進行評估。三角形所在的面代表地形表面。利用柵格或向量資料模型來表達現實既有優點也有缺點。柵格資料設定在面內所有的點上都記錄同一個值，而向量格式只在需要的地方儲存資料，這就使得前者所需的儲存的空間大於後者。對於柵格資料可以很輕易地實現覆蓋的操作，而對於向量資料來說要困難得多。向量資料可以像在傳統地圖上的向量圖形一樣被顯示出來，而柵格資料在以圖象顯示時顯示物件的邊界將呈現模糊狀。除了以幾何向量座標或是柵格單元位置來表達的空間資料外，另外的非空間資料也可以被儲存。在向量資料中，這些附加資料為客觀物件的屬性。例如，一個森林資源的多邊形可能包含一個識別符號值及有關樹木種類的資訊。在柵格資料中單元值可儲存屬性資訊，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關的識別符號。資料採集.資料採集——向系統內輸入資料——它佔據了GIS從業者的大部分時間。有多種方法向GIS中輸入資料，在其中它以數字格式儲存。印在紙或聚酯薄膜地圖上的現有資料可以被數字化或掃描來產生數字資料。數字化儀從地圖中產生向量資料作為運算子軌跡點、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產生能被進一步處理生成向量資料的光柵資料。測量資料可以從測量器械上的數字資料收集系統中被直接輸入到GIS中。從全球定位系統——另一種測量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到GIS中。遙感資料同樣在資料收集中發揮著重要作用，並由附在平臺上的多個感測器組成。感測器包括攝像機、數字掃描器和鐳射雷達，而平臺則通常由航空器和衛星構成。現在大部分數字資料圖片判讀和航空照片。軟複製工作站用來數字化直接從數字影象的立體象對中得到的特徵。這些系統允許資料以二維或三維捕捉，它們的海拔直接從用照相測量法原理的立體象對中測量得到。現今，模擬航空照片先被掃描然後再輸入到軟複製系統，但隨著高質量的數字攝像機越來越便宜，這一步也就可被省略了。衛星遙感是空間資料的另一個重要這裡衛星使用不同的感測器包來被動地測量從主動感測器如雷達發射出去的電磁波頻譜或無線電波的部分的反射係數。遙感收集可以進一步處理來標識感興趣的物件和類例如土地覆蓋的光柵資料。除了收集和輸入空間資料之外，屬性資料也要輸入到GIS中。對於向量資料，這包括關於表現在系統中的物件的附加資訊。輸入資料到GIS中後，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對於向量資料必須要“拓撲正確”才能進行一些高階分析。比如說，在公路網中，線必須與交叉點處的結點相連。像反衝或過沖的錯誤也必須消除。對於掃描的地圖，源地圖上的汙點可能需要從生成的光柵中消除。例如，汙物的斑點可能會把兩條本不該相連的線連在一起。資料操作.GIS可以透過執行資料重構來把資料轉換成不同的格式。例如，GIS可以透過在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時決定單元的空間關係，如鄰接和包含，來將衛星影象轉換成向量結構。由於數字資料以不同的方法收集和儲存，兩種資料能會不完全相容。因此GIS必須能夠將地理資料從一種結構轉換到另一種結構。投影系統，座標系統與轉換.財產所有權地圖與土壤分佈圖可能以不同的比例尺顯示資料。GIS中的地圖資料必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的資料對齊或相配合。在數字資料被分析前，它們可能得經過其它一些將它們整合進GIS的處理，比如，投影與座標變換。地球可以用多種模型來表示，對於地球表面上的任一給定點，各個模型都可能給出一套不同的座標。投影是製作地圖的基礎部分，它是從地球的一種模型中轉換資訊的數學方法，它將三維的彎曲表面轉換成二維的媒介GIS空間分析.空間分析能力是GIS的主要功能，也是GIS與計算機製圖軟體相區別的主要特徵。空間分析是從空間物體的空間位置、聯絡等方面去研究空間事物，以及對空間事物做出定量的描述。一般地講，它只回答What。空間分析需要複雜的數學工具，其中最主要的是空間統計學、圖論、拓撲學、計算幾何等，其主要任務是對空間構成進行描述和分析，以達到獲取、描述和認知空間資料；理解和解釋地理圖案的背景過程；空間過程的模擬和預測；調控地理空間上發生的事件等目的。空間分析技術與許多學科有聯絡，地理學、經濟學、區域科學、大氣、地球物理、水文等專門學科為其提供知識和機理。除了GIS軟體捆綁空間分析模組外，目前也有一些專用的空間分析軟體，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats、GeoDa、SatScan、Geodetector等。資料建模.將溼地地圖與在機場、電視臺和學校等不同地方記錄的降雨量關聯起來是很困難的。然而，GIS能夠描述地表、地下和大氣的二維三維特徵。例如，GIS能夠將反應降雨量的雨量線迅速製圖。這樣的圖稱為雨量線圖。透過有限數量的點的量測可以估計出整個地表的特徵，這樣的方法已經很成熟。一張二維雨量線圖可以和GIS中相同區域的其它圖層進行疊加分析。拓撲建模.在過去的35年，在溼地邊上有沒有任何加油站或工廠經營過？有沒有任何滿足在2英里內且高出溼地的條件的這類設施？GIS可以識別並分析這種在數字化空間資料中的空間關係。這些拓撲關係允許進行復雜的空間建模和分析。地理實體間的拓撲關係包括連線。網路建模.如果所有在溼地附近的工廠同時向河中排放化學物質，那麼排入溼地的汙染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量？GIS能模擬出汙染物沿線性網路的擴散的路徑。諸如坡度、速度限值、管道直徑之類的數值可以納入這個模型使得模擬得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。GIS軟體.地理資訊只是一堆數字紀錄，需要有合適的軟體去把它表示出來；與此同時，地理資訊資料庫的建立，亦有賴合適軟體的幫助，把地理資料資訊化。現時在工商界方面的市場普遍被兩大地理資訊系統巨頭ESRI及Mapinfo所壟斷，但他們亦能夠提供一套整全的地理資訊系統，以供客戶使用。政府及軍方機構往往用到特別打造的軟體，例如開源的GRASS或其他專門的系統，以配合他們的特殊需要。雖然現時有不少自由的閱覽GIS資料的工具，一般大眾可以輕易取得的地理資訊，還得依靠Google Earth或微軟的Virtual Earth之類的系統。這些系統所提供的資料更往往過於地域中心，例如：你可以清楚找到一個位於美國偏遠小鎮的停車位，但卻不能看得清楚一條位於首爾江南區的大街。網際網路連結程式設計介面.在網際網路服務普及的今天，不少地理資訊系統都提供程式設計介面，讓使用者透過這些介面及其系統建立各自的地理資訊資訊頁面。這些程式設計介面，有利用VBA或JavaScript的。讓使用者很容易就可以獲取衛星圖片或地圖的連結頁面，甚至加上行車路線或地理位置等資訊。移動GIS.透過與流動裝置的結合，地理資訊系統可以為使用者提供即時的地理資訊。一般汽車上的導航裝置都是結合了衛星定位裝置的複合系統；在香港曾經很流行的地圖王，則是一套可以安裝在PDA或手提電話上的即時地圖系統。汽車導航.汽車導航系統是地理資訊系統的一個特例，它除了一般的地理資訊系統的內容以外，還包括了各條道路的行車及相關資訊的資料庫。這個資料庫利用矢量表示行車的路線、方向、路段等資訊，又利用網路拓撲的概念來決定最佳行走路線。地理資料檔案等高階功能。汽車導航系統的資料庫應用了。開源GIS軟體.gvSIG.gvSIG是一個基於JAVA的桌面地理資訊系統，同時也是開發地理資訊系統一個強有力的工具。它包含許多功能如空間資料分析，地圖編輯，Map設計等。gvSIG得到了西班牙一些政府和公司的參與並基於GNU/GPL許可證釋出。gvSIG能夠很好得工作在Windows和Linux平臺之上。gvSIG支援其它GIS系統經常使用到的一些空間資料標準格式標準，這意味著它能夠讀取本地資料也能夠透過WMS、WFS、WCS讀取遠端資料。QGIS.QGIS是一個自由軟體的桌面GIS軟體。它提供資料的顯示、編輯和分析功能。詳見QGISGIS的發展.許多學科受益於地理資訊系統技術。活躍的地理資訊系統市場導致了GIS元件的硬體和軟體的低成本和持續改進。這些發展反過來推動這項技術在科學、政府、企業和產業等方面更廣泛的應用，應用包括房地產、公共衛生、犯罪地圖、國防、可持續發展、自然資源、景觀建築、考古學、社群規劃、運輸和物流。地理資訊系統也分化出定位服務整合，這些服務繼續發展。OGC標準.開放地理聯合會是一個參與一致程序以開發公開地理處理規格的384家公司、政府機構、大學和個人組成的國際行業聯合會。由OpenGIS規格定義的開放介面和協議，支援可互動操作的解決方案，網路、無線和定位服務和主流IT。讓複雜的空間資訊和服務在各種應用可以被授權技術開發人員使用。開放地理聯合會協議包括網路地圖服務WMS和網路功能服務WFS。地理資訊系統由OGC產品劃分為兩大型別，基於遵循OGC規格的完整準確的軟體。地理資訊系統技術標準促進GIS工具進行交流。相容的產品是符合OpenGIS規範的軟體產品。當一個產品經過測試，並透過OGC測試專案證明是相容的，這個產品就在這個地點上自動註冊為“相容”。現實軟體產品，即實現OpenGIS規格但還沒有透過相容測試的軟體產品。合規測試不可作用於所有的規格。開發者可以註冊他們的產品為實施草案或經核准的規範，而OGC有權審查和確認每個條目。WEB地圖.近些年，地圖應用爆炸性的蔓延於網站，如谷歌地圖和Bing地圖。這些網站使公眾獲取了大量的地理資料。他們中的一部分，像谷歌地圖和OpenLayers，公佈了API使得使用者能夠建立自定義的應用。這些工具包一般提供街道地圖/天線/衛星影象、地理編碼、搜尋和路由的功能。其他出版網路上的地理資訊的應用包括Cadcorp的GeognoSIS、ESRI的ArcIMS伺服器、谷歌地球、谷歌融合表和開源的替代品MapServer，Mapnik和GeoServer。全球氣候變化、歷史及預測.地圖通常被用於探索地球和開發利用其資源。地理資訊系統技術，作為一個擴充套件的地圖科學，提高了工作效率和傳統地圖的分析能力。現在，當科學界識別影響氣候變化的人為活動的環境後果時，地理資訊系統技術正在成為一個理解環境隨時間變化的影響基本的工具。地理資訊系統技術使各種資料能夠與現有地圖和來自地球觀測衛星的最新資訊隨著氣候變化模型的輸出結合。這可以在複雜的自然系統幫助瞭解氣候變化帶來的影響。其中一個經典的例子就是對北極冰層融化的研究。一個地理資訊系統的結合衛星影象的地圖形式的輸出讓研究人員以從所未有的方式檢視他們的研究物件。這些照片對於傳輸氣候變化效果給非科學工作者也是非常重要的語義學.全球資訊網聯盟的語義網運動中出現的工具和技術被證明在資訊系統的資料整合問題中十分有用。相應地，這種技術已被提議作為一種促進GIS應用之間的互操作性和資料重用的手段，並啟用了新的分析機制。本體是這種語義方法的關鍵組成部分，因為它們遵循一個在特定領域的概念和關係下被機器可讀的正式規範。反過來，這使得地理資訊系統專注於一個的資料的意義，而不是它的語法或結構。臨時本體是在GIS應用領域開發的，例如由英國地形測量局和美國太空總署噴射推進實驗室開發的SWEET本體開發得水文字體論。此外，簡單的本體和語義元資料標準正在由全球資訊網聯盟地理培育集團發表出來以便在網路上表述地理空間資料。社會.隨著GIS在決策中的普及，學者們已經開始審議地理資訊系統的社會影響。有人認為，地理資訊的生產、分配、利用和表述的很大程度上與社會環境有關。其他相關議題包括版權、隱私和審查的討論。較為樂觀的GIS社會應用是將它作為一個公眾參與的工具來應用。就業方向大概分為：應用和開發。應用主要包括：gis資料處理與分析，遙感影象處理與分析以及測量等相關內容，開發主要可以分為：底層開發、二次開發、web開發等，從某種角度上來說，GIS開發只是計算機程式設計技術在該領域的具體表現。