地理資訊系統

<image>

地理資訊系統（Geographic Information System，縮寫：GIS）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、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的電腦系統，可以分為以下五部分：

- 人員，是GIS中最重要的組成部分。開發人員必須定義GIS中被執行的各種任務，開發處理程序。熟練的操作人員通常可以克服GIS軟體功能的不足，但是相反的情況就不成立。最好的軟體也無法彌補操作人員對GIS的一無所知所帶來的副作用。
- 數據，精確可用的數據可以影響到查詢和分析的結果。
- 硬體，硬體的性能影響到處理速度，使用是否方便及可能的輸出方式。
- 軟體，不僅包含GIS軟體，還包括各種資料庫，繪圖、統計、影像處理及其它程序。
- 過程，GIS要求明確定義，一致的方法來生成正確的可驗證的結果。

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數據。地理參照數據描述地球表面（包括大氣層和較淺的地表下空間）空間要素的位置和屬性，在GIS中的兩種地理數據成分：空間數據，與空間要素幾何特性有關；屬性數據，提供空間要素的資訊。

地理資訊系統（GIS）與全球衛星導航系統（GNSS）、遙測（RS）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數據管理系統。在嚴格的意義上，這是一個具有集中、存儲、操作、和顯示地理參考資訊的電腦系統。例如，根據在資料庫中的位置對數據進行識別。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數據。

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濕地。

## 發展的歷史

### 源流

- 18世紀，地形圖繪製的現代勘測技術得以實現，同時還出現了專題繪圖的早期版本，例如：科學方面或人口普查資料。約翰·斯諾在1854年，用點來代表個例，描繪了倫敦的霍亂疫情，這可能是最早使用地理方法的疫情圖。他對霍亂分佈的研究指向了疾病的來源----一個位於霍亂疫情爆發中心區域百老匯街的被污染的公共水泵。約翰·斯諾將泵斷開，終止了疫情爆發。
- 20世紀初期將圖片分成層的「照片石印術」得以發展。它允許地圖被分成各圖層，例如一個層表示植被，而另一層表示水。這技術特別用於印刷輪廓 - 繪製，這是一個勞力集中的任務，但它們有一個單獨的圖層意味著他們可以不被其他圖層上的工作混淆。這項工作最初是在玻璃板上繪製，後來，塑料薄膜被引入，具有更輕、使用較少的存儲空間、柔韌等優勢。當所有的圖層完成，再由一個巨型處理攝像機結合成一個圖像。彩色印刷引進後，層的概念也被用於創建每種顏色單獨的印版。儘管後來層的使用成為當代地理資訊系統的主要典型特徵之一，剛才所描述的攝影過程本身並不被認為是一個地理資訊系統 - 因為這個地圖只有圖像而沒有附加的屬性資料庫。
- 60年代早期，在核武器研究的推動下，電腦硬體的發展導致通用電腦「繪圖」的應用。

### 產生

- 1967年，世界上第一個真正投入應用的地理資訊系統由聯邦林業和農村發展部在加拿大安大略省的渥太華研發。羅傑·湯姆林森博士開發的這個系統被稱為加拿大地理資訊系統（CGIS），用於存儲、分析和利用加拿大土地統計局（CLI，使用的1：50000比例尺，利用關於土壤、農業、休閒、野生動物、水禽、林業和土地利用的地理資訊，以確定加拿大農村的土地能力。）收集的數據，並增設了等級分類因素來進行分析.CGIS是「電腦製圖」應用的改進版，它提供了覆蓋、資料數字化/掃描功能。它支持一個橫跨大陸的國家坐標系統，將線編碼為具有真實的嵌入拓撲結構的「弧」，並在單獨的文件中存儲屬性和區位資訊。由於這一結果，湯姆林森被稱為「地理資訊系統之父「，尤其是因為他在促進收斂地理數據的空間分析中對覆蓋的應用.CGIS一直持續到20世紀70年代才完成，耗時太長，因此在其發展初期，不能與如鷹這樣的銷售各種商業地圖應用軟體的供應商競爭.CGIS一直使用到20世紀90年代，並在加拿大建立了一個龐大的數字化的土地資源資料庫。它被開發為基於大型機的系統以支持一個在聯邦和省的資源規劃和管理。其能力是大陸範圍內的複雜數據分析.CGIS未被應用於商業。微型計算機硬體的發展使得象ESRI和CARIS那樣的供應商成功地兼併了大多數的CGIS特徵，並把對空間和屬性資訊的分離的第一種世代方法與對組織的屬性數據的第二種世代方法引入資料庫結構。

### 發展

- 20世紀80年代和90年代產業成長刺激了應用了GIS的UNIX工作站和個人電腦飛速增長。至20世紀末，在各種系統中迅速增長使得其在相關的少量平台已經得到了鞏固和規範。並且使用者開始提出了在網際網路上查看GIS數據的概念，這要求數據的格式和傳輸標準化。

## GIS中使用的技術

### 從不同來源得到相關資訊

如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片聯繫起來，就可以判斷出哪塊濕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，它能夠將不同來源的資訊以不同的形式應用。對於源數據的基本要求是確定變量的位置。位置可能由經度、緯度和海拔的x，y，z坐標來標註，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量都能被反饋到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的電腦資料庫。可以將地圖中不同類型的數據格式輸入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，通過分析由遙感生成的數字衛星圖像，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數據也可在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數據以數字數據的形式表現了現實世界客觀對象（公路、土地利用、海拔）。現實世界客觀對象可被劃分為兩個抽象概念：離散對象（如房屋）和連續的對象領域（如降雨量或海拔）。這二種抽象體在GIS系統中存儲數據主要的二種方法為：柵格（網格）和矢量。

柵格（網格）數據由存放唯一值存儲單元的行和列組成。它與柵格（網格）圖像是類似的，除了使用合適的顏色之外，各個單元記錄的數值也可能是一個分類組（例如土地使用狀況）、一個連續的值（例如降雨量）或是當數據不是可用時記錄的一個空值。柵格數據集的解析度取決於地面單位的網格寬度。通常存儲單元代表地面的方形區域，但也可以用來代表其它形狀。柵格數據既可以用來代表一塊區域，也可以用來表示一個實物。

矢量數據利用了幾何圖形例如點、線（一系列點坐標），或是面（形狀決定於線）來表現客觀對象。例如，在住房細分中以多邊形來代表物產邊界，以點來精確表示位置。矢量同樣可以用來表示具有連續變化性的領域。利用等高線和不規則三角形格網（TIN）來表示海拔或其他連續變化的值。TIN的記錄對於這些連接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。

利用柵格或矢量數據模型來表達現實既有優點也有缺點。柵格數據設置在面內所有的點上都記錄同一個值，而矢量格式只在需要的地方存儲數據，這就使得前者所需的存儲的空間大於後者。對於柵格數據可以很輕易地實現覆蓋的操作，而對於矢量數據來說要困難得多。矢量數據可以像在傳統地圖上的矢量圖形一樣被顯示出來，而柵格數據在以圖象顯示時顯示對象的邊界將呈現模糊狀。

除了以幾何向量坐標或是柵格單元位置來表達的空間數據外，另外的非空間數據也可以被存儲。在矢量數據中，這些附加數據為客觀對象的屬性。例如，一個森林資源的多邊形可能包含一個標識符值及有關樹木種類的資訊。在柵格數據中單元值可存儲屬性資訊，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關的標識符。

### 資料採集

數據採集——向系統內輸入數據——它占據了GIS從業者的大部分時間。有多種方法向GIS中輸入數據，在其中它以數字格式存儲。

印在紙或聚酯薄膜地圖上的現有數據可以被數位化或掃描來產生數字數據。數位化儀從地圖中產生向量數據作為操作符軌跡點、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數據的光柵數據。

測量數據可以從測量器械上的數字數據收集系統中被直接輸入到GIS中。從全球定位系統（GPS）——另一種測量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到GIS中。

遙感數據同樣在數據收集中發揮著重要作用，並由附在平台上的多個傳感器組成。傳感器包括攝像機、數字掃描儀和雷射雷達，而平台則通常由航空器和衛星構成。現在大部分數字數據來源於圖片判讀和航空照片。軟拷貝工作站用來數位化直接從數字圖像的立體象對中得到的特徵。這些系統允許數據以二維或三維捕捉，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拷貝系統，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。衛星遙感是空間數據的另一個重要來源。這裡衛星使用不同的傳感器包來被動地測量從主動傳感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對象和類例如土地覆蓋的光柵數據。

除了收集和輸入空間數據之外，屬性數據也要輸入到GIS中。對於向量數據，這包括關於表現在系統中的對象的附加資訊。

輸入數據到GIS中後，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對於向量數據必須要「拓撲正確」才能進行一些高級分析。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，源地圖上的污點可能需要從生成的光柵中消除。例如，污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可以通過執行數據重構來把數據轉換成不同的格式。例如，GIS可以通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，來將衛星圖像轉換成向量結構。

由於數字數據以不同的方法收集和存儲，兩種數據源可能會不完全兼容。因此GIS必須能夠將地理數據從一種結構轉換到另一種結構。

### 投影系統，坐標系統與轉換

財產所有權地圖與土壤分布圖可能以不同的比例尺顯示數據。GIS中的地圖數據必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的數據對齊或相配合。在數字數據被分析前，它們可能得經過其它一些將它們整合進GIS的處理，比如，投影與坐標變換。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坐標（如緯度，經度，海拔）。最簡單的模型是假定地球是一個理想的球體。隨著地球的更多測量逐漸累積，地球的模型也變得越來越複雜，越來越精確。事實上，有些模型應用於地球的不同區域以提供更高的精確度（如北美坐標系統，1983-NAD83-只適合在美國使用，而在歐洲卻不適用）。

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（比如紙或電腦螢幕）。不同類型的地圖要採用不同的投影投影系統，因為每種投影系統有其自身的合適的用途。比如一種可以精確反映大陸形狀的投影會歪曲大陸的相對尺寸（翻譯的是英文的維基百科）

### GIS空間分析

空間分析能力是GIS的主要功能，也是GIS與電腦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、聯繫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（是什麼？）、Where（在哪裡？）、How（怎麼樣？）等問題，但並不（能）回答Why（為什麼？）。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、描述和認知空間數據；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繫，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塊外，目前也有一些專用的空間分析軟體，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats、GeoDa、SatScan、Geodetector等。

#### 數據建模

將濕地地圖與在機場、電視台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。通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，在濕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英里內且高出濕地的條件的這類設施？GIS可以識別並分析這種在數位化空間數據中的空間關係。這些拓撲關係允許進行複雜的空間建模和分析。地理實體間的拓撲關係包括連接（什麼和什麼相連）、包含（什麼在什麼之中）、還有鄰近（兩者之間的遠近）。

#### 網路建模

如果所有在濕地附近的工廠同時向河中排放化學物質，那麼排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量？GIS能模擬出污染物沿線性網絡（河流）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，把地理數據資訊化。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。

### 網際網路連結編程界面

在網際網路服務普及的今天，不少地理資訊系統都提供編程界面，讓使用者通過這些界面及其系統建立各自的地理資訊資訊頁面。這些編程界面，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

通過與行動裝置的結合，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設備（GPS）和地理資訊系統（GIS）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。地理數據文件（GDF）是為導航系統描述地圖數據的ISO標準。汽車導航系統組合了地圖匹配、GPS定位和來計算車輛的位置。地圖資源資料庫也用於航跡規劃、導航，並可能還有主動安全系統、輔助駕駛及位置定位服務（Location Based Services, LBS）等高級功能。汽車導航系統的資料庫應用了地圖資料庫管理。

### 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數據分析，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許可證發布。gvSIG能夠很好得工作在Windows和Linux平台之上。gvSIG支持其它GIS系統經常使用到的一些空間數據標準格式（shapefile,DXF,DWG,DGN,ECW,MrSID,TIFF,JPG2000, KML, GML等）。gvSIG遵循OGC（Open Geospatial Consortium）標準，這意味著它能夠讀取本地數據也能夠通過WMS、WFS、WCS讀取遠程數據。

#### QGIS

QGIS（原稱Quantum GIS）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。

## GIS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組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、社區規劃、運輸和物流。地理資訊系統也分化出定位服務（LBS）。LBS使用GPS通過所在地與固定基站的關係用行動裝置顯示其位置（最近的餐廳，加油站，消防栓），行動裝置（朋友，孩子，一輛警車）或回傳他們的位置到一個中央伺服器顯示或作其他處理。隨著GPS功能與日益強大的移動電子（手機、pda、筆記型電腦）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進程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規格定義的開放接口和協議，支持可交互操作的解決方案，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產品劃分為兩大類型，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。兼容的產品是符合OpenGIS規範的軟體產品。當一個產品經過測試，並通過OGC測試項目證明是兼容的，這個產品就在這個地點上自動註冊為「兼容」。現實軟體產品，即實現OpenGIS規格但還沒有通過兼容測試的軟體產品。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數據。他們中的一部分，像谷歌地圖和OpenLayers，公布了API使得使用者能夠創建自定義的應用。這些工具包一般提供街道地圖/天線/衛星圖像、地理編碼、搜索和路由的功能。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，作為一個擴展的地圖科學，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來源的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了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圖像的地圖形式的輸出讓研究人員以從所未有的方式查看他們的研究對象。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

## 地理空間語義學

從語義網衍生出的相關工具和技術被證明在資訊系統的數據集成問題中十分有用。這種技術被認為能夠促進GIS應用之間的互操作性和數據再利用，也可成為一個新的分析途徑。

本體論遵循在給定領域下，各概念以及其關聯的數據化規範，是此領域的關鍵組成部分，使GIS能專注於一個的數據的意義，而不是它的語法或結構。與GIS應用相關的領域開發了試驗性的本體工程，例如由英國地形測量局開發的水文本體工程和美國太空總署噴射推進實驗室開發的SWEET本體工程。此外，全球資訊網聯盟地理培育組（W3C Geo Incubator Group）正在推出較簡單的本體和語義元數據標準，以便在網路上呈現地理空間數據。

## 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數據處理與分析，遙感圖像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開發只是電腦編程技術在該領域的具體表現。

## 參考文獻

- Elangovan,K (2006) "GIS: Fundamentals, Applications and Implementations", New India Publishing Agency, New Delhi"208 pp.
- Harvey, Francis (2008) A Primer of GIS, Fundamental geographic and cartographic concepts. The Guilford Press, 31 pp.
- Heywood, I., Cornelius, S., and Carver, S. (2006)An Introduction to Geographical Information Systems. Prentice Hall. 3rd edition.
- Longley, P.A., Goodchild, M.F., Maguire, D.J. and Rhind, D.W. (2005)Geographic Information Systems and Science. Chichester: Wiley. 2nd edition.