地理信息系统

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地理资讯系统（Geographic Information System，缩写：GIS）是一门综合性学科，结合地理学与地图学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，可以分为以下五部分：

- 人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的副作用。
- 数据，精确可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
- 硬件，硬件的性能影响到处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。
- 软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。
- 过程，GIS要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。

GIS属于信息系统的一类，不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面（包括大气层和较浅的地表下空间）空间要素的位置和属性，在GIS中的两种地理数据成分：空间数据，与空间要素几何特性有关；属性数据，提供空间要素的信息。

地理资讯系统（GIS）与全球卫星导航系统（GNSS）、遥测（RS）合称3S。

一个地理信息系统是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上，这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。例如，根据在数据库中的位置对数据进行识别。实习者通常也认为整个GIS系统包括操作人员以及输入系统的数据。

地理信息系统技术能够应用于科学调查、资源管理、财产管理、发展规划、绘图和路线规划。例如，一个GIS系统能使应急计划者在自然灾害的情况下比较容易地计算出应急反应时间，或利用GIS系统来发现那些需要保护的湿地。

## 发展的历史

### 源流

- 18世纪，地形图绘制的现代勘测技术得以实现，同时还出现了专题绘图的早期版本，例如：科学方面或人口普查资料。约翰·斯诺在1854年，用点来代表个例，描绘了伦敦的霍乱疫情，这可能是最早使用地理方法的疫情图。他对霍乱分布的研究指向了疾病的来源----一个位于霍乱疫情爆发中心区域百老汇街的被污染的公共水泵。约翰·斯诺将泵断开，终止了疫情爆发。
- 20世纪初期将图片分成层的“照片石印术”得以发展。它允许地图被分成各图层，例如一个层表示植被，而另一层表示水。这技术特别用于印刷轮廓 - 绘制，这是一个劳力集中的任务，但它们有一个单独的图层意味着他们可以不被其他图层上的工作混淆。这项工作最初是在玻璃板上绘制，后来，塑料薄膜被引入，具有更轻、使用较少的存储空间、柔韧等优势。当所有的图层完成，再由一个巨型处理摄像机结合成一个图像。彩色印刷引进后，层的概念也被用于创建每种颜色单独的印版。尽管后来层的使用成为当代地理信息系统的主要典型特征之一，刚才所描述的摄影过程本身并不被认为是一个地理信息系统 - 因为这个地图只有图像而没有附加的属性数据库。
- 60年代早期，在核武器研究的推动下，计算机硬件的发展导致通用计算机“绘图”的应用。

### 产生

- 1967年，世界上第一个真正投入应用的地理信息系统由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。罗杰·汤姆林森博士开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统（CGIS），用于存储、分析和利用加拿大土地统计局（CLI，使用的1：50000比例尺，利用关于土壤、农业、休闲、野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息，以确定加拿大农村的土地能力。）收集的数据，并增设了等级分类因素来进行分析.CGIS是“计算机制图”应用的改进版，它提供了覆盖、资料数字化/扫描功能。它支持一个横跨大陆的国家坐标系统，将线编码为具有真实的嵌入拓扑结构的“弧”，并在单独的文件中存储属性和区位信息。由于这一结果，汤姆林森被称为“地理信息系统之父“，尤其是因为他在促进收敛地理数据的空间分析中对覆盖的应用.CGIS一直持续到20世纪70年代才完成，耗时太长，因此在其发展初期，不能与如鹰这样的销售各种商业地图应用软件的供应商竞争.CGIS一直使用到20世纪90年代，并在加拿大建立了一个庞大的数字化的土地资源数据库。它被开发为基于大型机的系统以支持一个在联邦和省的资源规划和管理。其能力是大陆范围内的复杂数据分析.CGIS未被应用于商业。微型计算机硬件的发展使得象ESRI和CARIS那样的供应商成功地兼并了大多数的CGIS特征，并把对空间和属性信息的分离的第一种世代方法与对组织的属性数据的第二种世代方法引入数据库结构。

### 发展

- 20世纪80年代和90年代产业成长刺激了应用了GIS的UNIX工作站和个人计算机飞速增长。至20世纪末，在各种系统中迅速增长使得其在相关的少量平台已经得到了巩固和规范。并且用户开始提出了在互联网上查看GIS数据的概念，这要求数据的格式和传输标准化。

## GIS中使用的技术

### 从不同来源得到相关信息

如果能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来，就可以判断出哪块湿地在一年的某些时候会干涸。一个GIS系统就能够进行这样的分析，它能够将不同来源的信息以不同的形式应用。对于源数据的基本要求是确定变量的位置。位置可能由经度、纬度和海拔的x，y，z坐标来标注，或是由其他地理编码系统比如ZIP码，又或是高速公路英里标志来表示。任何可以定位存放的变量都能被反馈到GIS。一些政府机构和非政府组织正在生产制作能够直接访问GIS的计算机数据库。可以将地图中不同类型的数据格式输入GIS。GIS系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式。例如，通过分析由遥感生成的数字卫星图像，可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。

同样，人口调查或水文表格数据也可在GIS系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。

### 资料展现

GIS数据以数字数据的形式表现了现实世界客观对象（公路、土地利用、海拔）。现实世界客观对象可被划分为两个抽象概念：离散对象（如房屋）和连续的对象领域（如降雨量或海拔）。这二种抽象体在GIS系统中存储数据主要的二种方法为：栅格（网格）和矢量。

栅格（网格）数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。它与栅格（网格）图像是类似的，除了使用合适的颜色之外，各个单元记录的数值也可能是一个分类组（例如土地使用状况）、一个连续的值（例如降雨量）或是当数据不是可用时记录的一个空值。栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。通常存储单元代表地面的方形区域，但也可以用来代表其它形状。栅格数据既可以用来代表一块区域，也可以用来表示一个实物。

矢量数据利用了几何图形例如点、线（一系列点坐标），或是面（形状决定于线）来表现客观对象。例如，在住房细分中以多边形来代表物产边界，以点来精确表示位置。矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。利用等高线和不规则三角形格网（TIN）来表示海拔或其他连续变化的值。TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。三角形所在的面代表地形表面。

利用栅格或矢量数据模型来表达现实既有优点也有缺点。栅格数据设置在面内所有的点上都记录同一个值，而矢量格式只在需要的地方存储数据，这就使得前者所需的存储的空间大于后者。对于栅格数据可以很轻易地实现覆盖的操作，而对于矢量数据来说要困难得多。矢量数据可以像在传统地图上的矢量图形一样被显示出来，而栅格数据在以图象显示时显示对象的边界将呈现模糊状。

除了以几何向量坐标或是栅格单元位置来表达的空间数据外，另外的非空间数据也可以被存储。在矢量数据中，这些附加数据为客观对象的属性。例如，一个森林资源的多边形可能包含一个标识符值及有关树木种类的信息。在栅格数据中单元值可存储属性信息，但同样可以作为与其他表格中记录相关的标识符。

### 资料采集

数据采集——向系统内输入数据——它占据了GIS从业者的大部分时间。有多种方法向GIS中输入数据，在其中它以数字格式存储。

印在纸或聚酯薄膜地图上的现有数据可以被数字化或扫描来产生数字数据。数字化仪从地图中产生向量数据作为操作符轨迹点、线和多边形的边界。扫描地图可以产生能被进一步处理生成向量数据的光栅数据。

测量数据可以从测量器械上的数字数据收集系统中被直接输入到GIS中。从全球定位系统（GPS）——另一种测量工具中得到的位置，也可以被直接输入到GIS中。

遥感数据同样在数据收集中发挥着重要作用，并由附在平台上的多个传感器组成。传感器包括摄像机、数字扫描仪和激光雷达，而平台则通常由航空器和卫星构成。现在大部分数字数据来源于图片判读和航空照片。软拷贝工作站用来数字化直接从数字图像的立体象对中得到的特征。这些系统允许数据以二维或三维捕捉，它们的海拔直接从用照相测量法原理的立体象对中测量得到。现今，模拟航空照片先被扫描然后再输入到软拷贝系统，但随着高质量的数字摄像机越来越便宜，这一步也就可被省略了。卫星遥感是空间数据的另一个重要来源。这里卫星使用不同的传感器包来被动地测量从主动传感器如雷达发射出去的电磁波频谱或无线电波的部分的反射系数。遥感收集可以进一步处理来标识感兴趣的对象和类例如土地覆盖的光栅数据。

除了收集和输入空间数据之外，属性数据也要输入到GIS中。对于向量数据，这包括关于表现在系统中的对象的附加信息。

输入数据到GIS中后，通常还要编辑，来消除错误，或进一步处理。对于向量数据必须要“拓扑正确”才能进行一些高级分析。比如说，在公路网中，线必须与交叉点处的结点相连。像反冲或过冲的错误也必须消除。对于扫描的地图，源地图上的污点可能需要从生成的光栅中消除。例如，污物的斑点可能会把两条本不该相连的线连在一起。

### 资料操作

GIS可以通过执行数据重构来把数据转换成不同的格式。例如，GIS可以通过在具有相同分类的所有单元周围生成线，同时决定单元的空间关系，如邻接和包含，来将卫星图像转换成向量结构。

由于数字数据以不同的方法收集和存储，两种数据源可能会不完全兼容。因此GIS必须能够将地理数据从一种结构转换到另一种结构。

### 投影系统，坐标系统与转换

财产所有权地图与土壤分布图可能以不同的比例尺显示数据。GIS中的地图数据必须能被操作以使其与从其它地图获得的数据对齐或相配合。在数字数据被分析前，它们可能得经过其它一些将它们整合进GIS的处理，比如，投影与坐标变换。地球可以用多种模型来表示，对于地球表面上的任一给定点，各个模型都可能给出一套不同的坐标（如纬度，经度，海拔）。最简单的模型是假定地球是一个理想的球体。随着地球的更多测量逐渐累积，地球的模型也变得越来越复杂，越来越精确。事实上，有些模型应用于地球的不同区域以提供更高的精确度（如北美坐标系统，1983-NAD83-只适合在美国使用，而在欧洲却不适用）。

投影是制作地图的基础部分，它是从地球的一种模型中转换信息的数学方法，它将三维的弯曲表面转换成二维的媒介（比如纸或电脑屏幕）。不同类型的地图要采用不同的投影投影系统，因为每种投影系统有其自身的合适的用途。比如一种可以精确反映大陆形状的投影会歪曲大陆的相对尺寸（翻译的是英文的维基百科）

### GIS空间分析

空间分析能力是GIS的主要功能，也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以及对空间事物做出定量的描述。一般地讲，它只回答What（是什么？）、Where（在哪里？）、How（怎么样？）等问题，但并不（能）回答Why（为什么？）。空间分析需要复杂的数学工具，其中最主要的是空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等，其主要任务是对空间构成进行描述和分析，以达到获取、描述和认知空间数据；理解和解释地理图案的背景过程；空间过程的模拟和预测；调控地理空间上发生的事件等目的。

空间分析技术与许多学科有联系，地理学、经济学、区域科学、大气、地球物理、水文等专门学科为其提供知识和机理。

除了GIS软件捆绑空间分析模块外，目前也有一些专用的空间分析软件，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats、GeoDa、SatScan、Geodetector等。

#### 数据建模

将湿地地图与在机场、电视台和学校等不同地方记录的降雨量关联起来是很困难的。然而，GIS能够描述地表、地下和大气的二维三维特征。

例如，GIS能够将反应降雨量的雨量线迅速制图。

这样的图称为雨量线图。通过有限数量的点的量测可以估计出整个地表的特征，这样的方法已经很成熟。一张二维雨量线图可以和GIS中相同区域的其它图层进行叠加分析。

#### 拓扑建模

在过去的35年，在湿地边上有没有任何加油站或工厂经营过？有没有任何满足在2英里内且高出湿地的条件的这类设施？GIS可以识别并分析这种在数字化空间数据中的空间关系。这些拓扑关系允许进行复杂的空间建模和分析。地理实体间的拓扑关系包括连接（什么和什么相连）、包含（什么在什么之中）、还有邻近（两者之间的远近）。

#### 网络建模

如果所有在湿地附近的工厂同时向河中排放化学物质，那么排入湿地的污染物的数量要多久就能达到破坏环境的数量？GIS能模拟出污染物沿线性网络（河流）的扩散的路径。诸如坡度、速度限值、管道直径之类的数值可以纳入这个模型使得模拟得更精确。网络建模通常用于交通规划、水文建模和地下管网建模。

## GIS软件

地理信息只是一堆数字纪录，需要有合适的软件去把它表示出来；与此同时，地理信息数据库的建立，亦有赖合适软件的帮助，把地理数据信息化。现时在工商界方面的市场普遍被两大地理资讯系统巨头ESRI及MapInfo所垄断，但他们亦能够提供一套整全的地理资讯系统，以供客户使用。政府及军方机构往往用到特别打造的软件，例如开源的GRASS或其他专门的系统，以配合他们的特殊需要。虽然现时有不少自由的阅览GIS资料的工具，一般大众可以轻易取得的地理信息，还得依靠Google Earth或微软的Virtual Earth之类的系统。这些系统所提供的资料更往往过于地域中心，例如：你可以清楚找到一个位于美国偏远小镇的停车位，但却不能看得清楚一条位于首尔江南区的大街。

### 互联网连结编程界面

在互联网服务普及的今天，不少地理资讯系统都提供编程界面，让用户通过这些界面及其系统建立各自的地理资讯信息页面。这些编程界面，有利用VBA或JavaScript的。让用户很容易就可以获取卫星图片或地图的连结页面，甚至加上行车路线或地理位置等信息。

### 移动GIS

通过与移动设备的结合，地理资讯系统可以为用户提供即时的地理信息。一般汽车上的导航装置都是结合了卫星定位设备（GPS）和地理资讯系统（GIS）的复合系统；在香港曾经很流行的地图王，则是一套可以安装在PDA或手提电话上的即时地图系统。

#### 汽车导航

汽车导航系统是地理资讯系统的一个特例，它除了一般的地理资讯系统的内容以外，还包括了各条道路的行车及相关信息的数据库。这个数据库利用矢量表示行车的路线、方向、路段等信息，又利用网络拓扑的概念来决定最佳行走路线。地理数据文件（GDF）是为导航系统描述地图数据的ISO标准。汽车导航系统组合了地图匹配、GPS定位和来计算车辆的位置。地图资源数据库也用于航迹规划、导航，并可能还有主动安全系统、辅助驾驶及位置定位服务（Location Based Services, LBS）等高级功能。汽车导航系统的数据库应用了地图数据库管理。

### 开源GIS软件

#### gvSIG

gvSIG是一个基于JAVA的桌面地理信息系统，同时也是开发地理资讯系统一个强有力的工具。它包含许多功能如空间数据分析，地图编辑，Map设计等。gvSIG得到了西班牙一些政府和公司的参与并基于GNU/GPL许可证发布。gvSIG能够很好得工作在Windows和Linux平台之上。gvSIG支持其它GIS系统经常使用到的一些空间数据标准格式（shapefile,DXF,DWG,DGN,ECW,MrSID,TIFF,JPG2000, KML, GML等）。gvSIG遵循OGC（Open Geospatial Consortium）标准，这意味着它能够读取本地数据也能够通过WMS、WFS、WCS读取远程数据。

#### QGIS

QGIS（原称Quantum GIS）是一个自由软件的桌面GIS软件。它提供资料的显示、编辑和分析功能。

## GIS的发展

许多学科受益于地理信息系统技术。活跃的地理信息系统市场导致了GIS组件的硬件和软件的低成本和持续改进。这些发展反过来推动这项技术在科学、政府、企业和产业等方面更广泛的应用，应用包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流。地理信息系统也分化出定位服务（LBS）。LBS使用GPS通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置（最近的餐厅，加油站，消防栓），移动设备（朋友，孩子，一辆警车）或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理。随着GPS功能与日益强大的移动电子（手机、pda、笔记本电脑）整合，这些服务继续发展。

### OGC标准

开放地理联合会是一个参与一致进程以开发公开地理处理规格的384家公司、政府机构、大学和个人组成的国际行业联合会。由OpenGIS规格定义的开放接口和协议，支持可交互操作的解决方案，网络、无线和定位服务和主流IT。让复杂的空间信息和服务在各种应用可以被授权技术开发人员使用。开放地理联合会协议包括网络地图服务WMS和网络功能服务WFS。地理信息系统由OGC产品划分为两大类型，基于遵循OGC规格的完整准确的软件。地理信息系统技术标准促进GIS工具进行交流。兼容的产品是符合OpenGIS规范的软件产品。当一个产品经过测试，并通过OGC测试项目证明是兼容的，这个产品就在这个地点上自动注册为“兼容”。现实软件产品，即实现OpenGIS规格但还没有通过兼容测试的软件产品。合规测试不可作用于所有的规格。开发者可以注册他们的产品为实施草案或经核准的规范，而OGC有权审查和确认每个条目。

### WEB地图

近些年，地图应用爆炸性的蔓延于网站，如谷歌地图和Bing地图。这些网站使公众获取了大量的地理数据。他们中的一部分，像谷歌地图和OpenLayers，公布了API使得用户能够创建自定义的应用。这些工具包一般提供街道地图/天线/卫星图像、地理编码、搜索和路由的功能。其他出版网络上的地理信息的应用包括Cadcorp的GeognoSIS、ESRI的ArcIMS服务器、谷歌地球、谷歌融合表和开源的替代品MapServer，Mapnik和GeoServer。

### 全球气候变化、历史及预测

地图通常被用于探索地球和开发利用其资源。地理信息系统技术，作为一个扩展的地图科学，提高了工作效率和传统地图的分析能力。现在，当科学界识别影响气候变化的人为活动的环境后果时，地理信息系统技术正在成为一个理解环境随时间变化的影响基本的工具。地理信息系统技术使各种来源的资料能够与现有地图和来自地球观测卫星的最新信息随着气候变化模型的输出结合。这可以在复杂的自然系统帮助了解气候变化带来的影响。其中一个经典的例子就是对北极冰层融化的研究。一个地理信息系统的结合卫星图像的地图形式的输出让研究人员以从所未有的方式查看他们的研究对象。这些照片对于传输气候变化效果给非科学工作者也是非常重要的

## 地理空间语义学

从语义网衍生出的相关工具和技术被证明在信息系统的数据集成问题中十分有用。这种技术被认为能够促进GIS应用之间的互操作性和数据再利用，也可成为一个新的分析途径。

本体论遵循在给定领域下，各概念以及其关联的数据化规范，是此领域的关键组成部分，使GIS能专注于一个的数据的意义，而不是它的语法或结构。与GIS应用相关的领域开发了试验性的本体工程，例如由英国地形测量局开发的水文本体工程和美国太空总署喷射推进实验室开发的SWEET本体工程。此外，万维网联盟地理培育组（W3C Geo Incubator Group）正在推出较简单的本体和语义元数据标准，以便在网络上呈现地理空间数据。

## 社会

随着GIS在决策中的普及，学者们已经开始审议地理信息系统的社会影响。有人认为，地理信息的生产、分配、利用和表述的很大程度上与社会环境有关。其他相关议题包括版权、隐私和审查的讨论。较为乐观的GIS社会应用是将它作为一个公众参与的工具来应用。

就业方向大概分为：应用和开发。应用主要包括：gis数据处理与分析，遥感图像处理与分析以及测量等相关内容，开发主要可以分为：底层开发、二次开发、web开发等，从某种角度上来说，GIS开发只是计算机编程技术在该领域的具体表现。

## 参考文献

- 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.