第一章緒論

本章概述：本章主要為深入學習地理信息系統(tǒng)的具體技術和方法打基礎，介紹地理信息系統(tǒng)所涉及的一些基本概念，回答什么是地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)有哪些組成部分，地理信息系統(tǒng)能做什么，地理信息系統(tǒng)的過去和今后怎樣發(fā)展等問題?！?.1地理信息系統(tǒng)的概念

首先介紹一個地理信息系統(tǒng)應用實例,之后給出信息與數(shù)據(jù)，地理信息與地學信息，信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)等基本概念，最后闡述地理信息系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的關系和區(qū)別。§1.2地理信息系統(tǒng)的組成

介紹地理信息系統(tǒng)的五個主要組成部分：系統(tǒng)硬件，系統(tǒng)軟件，空間數(shù)據(jù)，應用人員和應用模型?！?.3地理信息系統(tǒng)的功能和應用

介紹地理信息系統(tǒng)的具備的基本功能和主要的一些應用領域?！?.4地理信息系統(tǒng)的發(fā)展

介紹地理信息系統(tǒng)在國際、國內的發(fā)展狀況和今后的發(fā)展趨勢?！?.1地理信息系統(tǒng)的概念

人類社會正從工業(yè)經(jīng)濟邁向知識經(jīng)濟時代，一場以信息技術為核心的革命正在深刻改變著人類生活與社會面貌。作為全球信息化浪潮重要組成部分的地理信息系統(tǒng)的建設與應用，正日益引起科技界、企業(yè)界和政府部門的廣泛關注。地理信息系統(tǒng)是處理眾多空間問題的有力輔助工具，正確理解地理信息的含義對使用和開發(fā)地理信息系統(tǒng)有重要意義。一、公園選址輔助決策

介紹一個郊游公園選址例子，闡述地理信息系統(tǒng)在其中起到的輔助決策作用；二、數(shù)據(jù)與信息

介紹地理信息系統(tǒng)首先遇到的兩個基本概念：數(shù)據(jù)、信息，并講述二者之間的區(qū)別和聯(lián)系。三、地理信息與地學信息

地理信息系統(tǒng)的操作對象是地理信息，它包含在地學信息的范圍之內。四、信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)

闡述信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)的概念，重點區(qū)分了地理信息系統(tǒng)與其它信息系統(tǒng)的區(qū)別。一、公園選址輔助決策

地理信息系統(tǒng)是集地球科學、信息科學與計算機技術為一體的高新技術，目前已廣泛應用于資源管理、環(huán)境監(jiān)測、災害評估、城市與區(qū)域規(guī)劃等眾多領域，成為社會可持續(xù)發(fā)展的有效的輔助決策支持工具。

為了說明地理信息系統(tǒng)如何服務于區(qū)域規(guī)劃等領域，先看一個地理信息系統(tǒng)為郊游公園選址提供輔助決策的例子（圖1-1-1）。

郊游公園具體位置的選擇需要滿足一定的要求：

1）依山傍水，地形有一定起伏，必須靠近天然的小河流；

2）交通方便，但周圍環(huán)境較安靜，公園距公路的距離最遠不得超過1.25km，最近不得小于0.25km；

3）空氣新鮮，有一定的植被覆蓋率；

4）等等其它條件；

類似公園選址這樣的空間決策問題涉及各方面影響因素，需要將大量的多種空間信息進行綜合的分析、利用。過去，使用人工操作方式，工作量大，問題復雜，當條件發(fā)生變化時，工作需重新開始?，F(xiàn)在，將地理信息系統(tǒng)作為輔助決策支持工具，工作將變得輕松許多。

地理信息系統(tǒng)首先從現(xiàn)實世界中<B>采集、獲取與上述要求有關的地形信息、水系信息、道路信息和植被信息等各類信息，以一定的結構存儲起來，即<B>建立空間數(shù)據(jù)庫，并提供各類空間數(shù)據(jù)處理和綜合分析手段，當用戶針對此問題提供一套條件，系統(tǒng)將返回一套方案，一個問題，考慮問題的角度不同，往往會有多個可選方案，當用戶更改條件，系統(tǒng)將快速返回與之對應的另一套方案。而最后方案的確定還涉及到許多非量化的復雜因素，需要規(guī)劃專家的智能選擇。所以說，地理信息系統(tǒng)是解決空間問題的有效的輔助決策支持工具。目前，地理信息系統(tǒng)還不能完全代替最終決策者。二、數(shù)據(jù)與信息

從公園選址輔助決策的例子可知，認識地理信息系統(tǒng)首先會接觸到信息與數(shù)據(jù)這兩個名詞。(一)信息1、定義：信息是現(xiàn)實世界在人們頭腦中的反映。它以文字、數(shù)據(jù)、符號、聲音、圖像等形式記錄下來，進行傳遞和處理,為人們的生產(chǎn)，建設，管理等提供依據(jù)。2、特性：1）客觀性：任何信息都是與客觀事實相聯(lián)系的，這是信息的正確性和精確度的保證；2）適用性：問題不同，影響因素不同，需要的信息種類是不同的。信息系統(tǒng)將地理空間的巨大數(shù)據(jù)流收集，組織和管理起來，經(jīng)過處理、轉換和分析變?yōu)閷ιa(chǎn)、管理和決策具有重要意義的有用信息，這是由建立信息系統(tǒng)的明確目的性所決定的；3）傳輸性：信息可在信息發(fā)送者和接受者之間進行傳輸信息的傳輸網(wǎng)絡，被形象地稱為“信息高速公路”。4）共享性：信息與實物不同，信息可傳輸給多個用戶，為用戶共享，而其本身并無損失，這為信息的并發(fā)應用提供可能性。(二)數(shù)據(jù)

指輸入到計算機并能被計算機進行處理的數(shù)字、文字、符號、聲音、圖像等符號。數(shù)據(jù)是對客觀現(xiàn)象的表示，數(shù)據(jù)本身并沒有意義。數(shù)據(jù)的格式往往和具體的計算機系統(tǒng)有關，隨載荷它的物理設備的形式而改變。(三)兩者關系

有人認為，輸入的都叫數(shù)據(jù)，輸出的都叫信息，其實不然。數(shù)據(jù)是信息的表達、載體，信息是數(shù)據(jù)的內涵，是形與質的關系。只有數(shù)據(jù)對實體行為產(chǎn)生影響才成為信息，數(shù)據(jù)只有經(jīng)過解釋才有意義，成為信息。

例如獨立的“1”、“0”均無意義。當它表示某實體在某個地域內存在與否，它就提供了“有”“無”信息；當用它來標識某種實體的類別時，它就提供了特征碼信息。三、地理信息與地學信息(一)地理信息1、定義：地理信息是指與研究對象的空間地理分布有關的信息,它表示地理系統(tǒng)諸要素的數(shù)量、質量、分布特征，相互聯(lián)系和變化規(guī)律的圖、文、聲、像等的總稱。2、特性：1）地域性：地理信息屬于空間信息，位置的識別與數(shù)據(jù)相聯(lián)系，它的這種定位特征是通過公共的地理基礎來體現(xiàn)的。這是地理信息區(qū)別于其它類型信息的最顯著標志；2）多維結構：在二維空間編碼基礎上，實現(xiàn)多專題的第三維信息結構的組合，為地理信息各圈層之間的綜合研究提供可能，也為地理系統(tǒng)多層次的分析和信息的傳輸與篩選提供方便。3）時序特征：時空的動態(tài)變化引起地理信息的屬性數(shù)據(jù)或空間數(shù)據(jù)的變化。因此，一實時的GIS系統(tǒng)要求能及時采集和更新地理信息，使得地理信息具有現(xiàn)勢性。以免過時的信息造成決策的失誤或因為缺少可靠的動態(tài)數(shù)據(jù)，不能對變化中的地理事件或現(xiàn)象作出合理的預測預報和科學論證。(二)地學信息

指與人類居住的地球有關的信息都是地學信息，具有無限性、多樣性、靈活性等特點。地學信息是人們深入認識地球系統(tǒng)、合理開發(fā)資源、凈化能源、保護環(huán)境的前提和保證。

地理信息與地學信息的區(qū)別主要在于信息源的范圍不同，地理信息的信息源是地球表面的巖石圈、水圈、大氣圈和人類活動等；地學信息所表示的信息范圍更廣泛，不僅來自地表，還包括地下、大氣層甚至宇宙空間。四、信息系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是一種非常重要的信息系統(tǒng)，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別。(一)信息系統(tǒng)

為了有效對信息流進行控制、組織管理，實現(xiàn)雙向傳遞，需要通過某種信息系統(tǒng)。它能對數(shù)據(jù)和信息進行采集、存儲、加工和再現(xiàn)，并能回答用戶一系列問題的系統(tǒng)，具有采集、管理、分析和表達數(shù)據(jù)的能力。由計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。

從適用于不同管理層次的角度出發(fā)，信息系統(tǒng)分為事務處理系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。事務處理系統(tǒng)強調對數(shù)據(jù)的記錄和操作，主要支持操作層人員的日常事務處理，如圖書管理系統(tǒng)、各種定票系統(tǒng)等。決策支持系統(tǒng)是用以獲得輔助決策方案的交互式計算機系統(tǒng)，一般由語言系統(tǒng)、知識系統(tǒng)和問題處理系統(tǒng)共同構成。(二)地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)簡稱為GIS。關于它確切的全稱，多數(shù)人認為是GeographicalInformationSystem，也有人認為是GeoInformationSystem。國際上現(xiàn)發(fā)行的兩種主要的專業(yè)雜志，就是各自采用不同的全稱，前者是英國出版的季刊的全稱，后者是德國出版的季刊的全稱。在加拿大和澳大利亞，則稱為LandInformationSystem。在我國，通常稱為ResourcesandEnvironmentalInformationSystems。全稱雖有差異，但簡稱都是GIS。

那么，什么是GIS呢?對于不同的部門和不同的應用目的，其定義也不盡相同。

這些定義，有的側重于GIS的技術內涵，有的則強調GIS的應用功能。為了能更具體地認識和真正了解GIS的概念，編者推薦美國聯(lián)邦數(shù)字地圖協(xié)調委員會(FICCDC)關于GIS的定義及概念框架(圖1-1-2)。該定義認為“GIS是由計算機硬件、軟件和不同的方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規(guī)劃和管理問題”。根據(jù)這個定義及它的概念框架，可得出GIS的如下基本概念：

(1)GIS的物理外殼是計算機化的技術系統(tǒng)。該系統(tǒng)又由若干個相互關聯(lián)的子系統(tǒng)構成，如數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析子系統(tǒng)、可視化表達與輸出子系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)的構成直接影響著GIS的硬件平臺、系統(tǒng)功能和效率、數(shù)據(jù)處理的方式和產(chǎn)品輸出的類型。

(2)GIS的對象是地理實體。地理實體數(shù)據(jù)的最根本特點是每一個數(shù)據(jù)都按統(tǒng)一的地理坐標進行編碼，實現(xiàn)對其定位、定性、定量和拓撲關系的描述。GIS以地理實體數(shù)據(jù)作為處理和操作的主要對象，這是它區(qū)別于其他類型信息系統(tǒng)的根本標志，也是其技術難點之所在。

(3)GIS的技術優(yōu)勢在于它的混合數(shù)據(jù)結構和有效的數(shù)據(jù)集成、獨特的地理空間分析能力、快速的空間定位搜索和復雜的查詢功能、強大的圖形創(chuàng)造和可視化表達手段，以及地理過程的演化模擬和空間決策支持功能等。其中，通過地理空間分析可以產(chǎn)生常規(guī)方法難以獲得的重要信息，實現(xiàn)在系統(tǒng)支持下的地理過程動態(tài)模擬和決策支持，這既是GIS的研究核心，也是GIS的重要貢獻。

地理信息系統(tǒng)根據(jù)其研究范圍，可分為全球性信息系統(tǒng)和區(qū)域性信息系統(tǒng)；根據(jù)其研究內容，可分為專題信息系統(tǒng)和綜合信息系統(tǒng)；根據(jù)其使用的數(shù)據(jù)模型，可分為矢量信息系統(tǒng)、柵格信息系統(tǒng)和混合型信息系統(tǒng)。(三)地理信息系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的區(qū)別和聯(lián)系

從操作、管理的信息種類的不同，信息系統(tǒng)又可分為企業(yè)、事業(yè)管理信息系統(tǒng)、財務管理信息系統(tǒng)等一般管理信息系統(tǒng)(ManagementInformationSystem,MIS)和空間信息系統(tǒng)(SpatialInformationSystem,SIS)?？臻g信息系統(tǒng)采集、管理和分析的對象是空間信息，而地理信息系統(tǒng)就是一種十分重要的空間信息系統(tǒng)(圖1-1-3）。圖1-1-3信息系統(tǒng)分類1、GIS與一般MIS

GIS離不開數(shù)據(jù)庫技術。數(shù)據(jù)庫中的一些基本技術，如數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)檢索等都是GIS廣泛使用的核心技術。GIS對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)共同管理、分析和應用，而一般MIS（數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)）側重于非圖形數(shù)據(jù)（屬性數(shù)據(jù)）的優(yōu)化存儲與查詢，即使存儲了圖形，也是以文件的形式存儲，不能對空間數(shù)據(jù)進行查詢、檢索、分析，沒有拓撲關系，其圖形顯示功能也很有限。

如電話查號臺是一個一般MIS，只能回答用戶詢問的電話號碼，而通信信息系統(tǒng)除了可查詢電話號碼外，還提供用戶的地理分布、空間密度、最近的郵局等空間關系信息。2、GIS與CAD/CAM

管理了圖形數(shù)據(jù)和非空間屬性數(shù)據(jù)的系統(tǒng)不一定是GIS，如計算機輔助設計(ComputerAdidedDesign，ＣＡＤ)，計算機輔助制圖(ComputerAdidedMap，ＣＡＭ)。它們之間的異同點見圖1-1-4和1-1-5.§1.2地理信息系統(tǒng)的組成

介紹地理信息系統(tǒng)的五個主要組成部分：系統(tǒng)硬件，系統(tǒng)軟件，空間數(shù)據(jù)，應用人員和應用模型。

一個實用的GIS系統(tǒng)，要支持對空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示等功能，其基本組成一般包括以下五個主要部分：一、系統(tǒng)硬件:包括各種硬件設備，是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的物質基礎；二、系統(tǒng)軟件:支持數(shù)據(jù)采集、存儲、加工、回答用戶問題的計算機程序系統(tǒng)；三、空間數(shù)據(jù):系統(tǒng)分析與處理的對象，構成系統(tǒng)的應用基礎；四、應用人員:GIS服務的對象，分為一般用戶和從事建立、維護、管理和更新的高級用戶；五、應用模型:解決某一專門應用的應用模型，是GIS技術產(chǎn)生社會經(jīng)濟效益的關鍵所在

各組成部分之間的關系如1-2-1所示。一、系統(tǒng)硬件

GIS硬件平臺的基本類型如圖1-2-2所示，用以存儲、處理、傳輸和顯示地理信息或空間數(shù)據(jù)。計算機與一些外部設備及網(wǎng)絡設備的聯(lián)接構成GIS的硬件環(huán)境。1、計算機是GIS的主機：它是硬件系統(tǒng)的核心，包括從主機服務器到桌面工作站，用作數(shù)據(jù)的處理、管理與計算。2、GIS外部設備：包括輸入設備即數(shù)字化儀、掃描儀和全站型測量儀器等；3、輸出設備：即繪圖儀、打印機和高分辨率顯示裝置等；4、GIS的網(wǎng)絡設備：包括布線系統(tǒng)、網(wǎng)橋、路由器和交換機等，具體的網(wǎng)絡設備根據(jù)網(wǎng)絡計算的體系結構來確定。5、數(shù)據(jù)存貯與傳送設備，即磁帶機、光盤機、活動硬盤和硬盤陣列等。二、系統(tǒng)軟件

GIS軟件是系統(tǒng)的核心，用于執(zhí)行GIS功能的各種操作，包括數(shù)據(jù)輸入、處理、數(shù)據(jù)庫管理、空間分析和圖形用戶界面(GUI)等。按照其功能分為：GIS專業(yè)軟件，數(shù)據(jù)庫軟件，系統(tǒng)管理軟件等，其層次結構見圖1-2-5。1、GIS專業(yè)軟件：

GIS專業(yè)軟件一般指具有豐富功能的通用GIS軟件，它包含了處理地理信息的各種高級功能，可作為其他應用系統(tǒng)建設的平臺。其代表產(chǎn)品有ARC/INFO、MGE、MAPINFO、MAPGIS、GEOSTAR等。它們一般都包含有以下的主要核心模塊：

數(shù)據(jù)輸入和編輯：支持數(shù)字化儀手扶跟蹤數(shù)字化、圖形掃描及矢量化，以及對圖形和屬性數(shù)據(jù)提供修改和更新等編輯操作；

空間數(shù)據(jù)管理：能對大型的、分布式的、多用戶數(shù)據(jù)庫進行有效的存儲檢索和管理；數(shù)據(jù)處理和分析能轉換各種標準的矢量格式和柵格格式數(shù)據(jù)，完成地圖投影轉換，支持各類空間分析功能等；

數(shù)據(jù)輸出：提供地圖制作、報表生成、符號生成、漢字生成和圖像顯示等；

用戶界面：提供生產(chǎn)圖形用戶界面工具，使用戶不用編程就能制作友好和美觀的圖形用戶界面；

系統(tǒng)二次開發(fā)能力：利用提供的應用開發(fā)語言，可編寫各種復雜的GIS應用系統(tǒng)。2、數(shù)據(jù)庫軟件：

數(shù)據(jù)庫軟件除了在GIS專業(yè)軟件中用于支持復雜空間數(shù)據(jù)的管理軟件以外，還包括服務于以非空間屬性數(shù)據(jù)為主的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這類軟件有：ORACLE，SYBASE，INFORMIX，DB2，SQLServer,Ingress等。它們也是GIS軟件的重要組成部分，而且由于這類數(shù)據(jù)庫軟件具有快速檢索、滿足多用戶并發(fā)和數(shù)據(jù)安全保障等功能，目前已實現(xiàn)在現(xiàn)成的關系型商業(yè)數(shù)據(jù)庫中存儲GIS的空間數(shù)據(jù)，例如SDE(SpaticalDatabaseEngine)就是最好的解決方案。3、系統(tǒng)管理軟件：

系統(tǒng)管理軟件主要指計算機操作系統(tǒng)，當今使用的操作系統(tǒng)有：ＭＳ-ＤＯＳ，UNIX，Windows95/98/2000,WindowsNT,VMS等。它們關系到GIS軟件和開發(fā)語言使用的有效性，因此也是GIS軟硬件環(huán)境的重要組成部分。三、空間數(shù)據(jù)

空間數(shù)據(jù)是地理信息的載體，是地理信息系統(tǒng)的操作對象，它具體描述地理實體的空間特征、屬性特征和時間特征?？臻g特征是指地理實體的空間位置及其相互關系；屬性特征表示地理實體的名稱、類型和數(shù)量等；時間特征指實體隨時間而發(fā)生的相關變化。

根據(jù)地理實體的空間圖形表示形式，可將空間數(shù)據(jù)抽象為點、線、面三類元素，它們的數(shù)據(jù)表達可以采用矢量和柵格兩種組織形式，分別稱為矢量數(shù)據(jù)結構和柵格數(shù)據(jù)結構。

在地理信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)是以結構化的形式存儲在計算機中的，稱為地理空間數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫由數(shù)據(jù)庫實體和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)庫實體存儲有許多數(shù)據(jù)文件和文件中的大量數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，包括查詢、檢索、增刪、修改和維護等。

由于GIS數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)包含空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，它們之間具有密切的聯(lián)系。因此，如何實現(xiàn)兩者之間的聯(lián)接、查詢和管理，是GIS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須解決的重要問題。目前采用的解決方法有混合式、擴展式和開放式三種方式。四、應用人員

GIS應用人員包括系統(tǒng)開發(fā)人員和GIS技術的最終用戶，他們的業(yè)務素質和專業(yè)知識是GIS工程及其應用成敗的關鍵(圖1-2-6）

圖1-2-6地理信息系統(tǒng)開發(fā)失敗的因素構成

GIS的開發(fā)是一項以人為本的系統(tǒng)工程，包括用戶機構的狀況分析和調查，機構GIS系統(tǒng)開發(fā)目標的確定，系統(tǒng)開發(fā)的可行性分析，系統(tǒng)開發(fā)方案的選擇和總體設計書的撰寫等。開發(fā)人員要特別重視對用戶機構的狀況和要求進行具體分析，切忌只注重技術的細節(jié)。

系統(tǒng)開發(fā)過程中，對具體開發(fā)策略的確定、系統(tǒng)軟硬件的選型和空間數(shù)據(jù)庫的建立等問題的解決，系統(tǒng)開發(fā)人員必須根據(jù)GIS工程建設的特點和要求，并在深入調查研究的基礎上，使確定的開發(fā)策略能適應GIS用戶隨時變化的需求，使系統(tǒng)的軟硬件投入能獲得較高的效益回報，以及使建立的數(shù)據(jù)庫能具有完善的質量保證。

在使用GIS時，應用人員不僅需要對GIS技術和功能有足夠的了解，而且需要具備有效、全面和可行的組織管理能力，尤其在當前GIS技術發(fā)展十分迅速的情況下，為使現(xiàn)行系統(tǒng)始終處于優(yōu)化的運作狀態(tài)，其組織管理和維護的任務包括：GIS技術和管理人員的技術培訓，硬件設備的維護和更新，軟件功能擴充和升級，操作系統(tǒng)升級，數(shù)據(jù)更新，文檔管理，系統(tǒng)版本管理和數(shù)據(jù)共享性建設等。五、應用模型

GIS應用模型的構建和選擇也是系統(tǒng)應用成敗至關重要的因素。雖然GIS為解決各種現(xiàn)實問題提供了有效的基本工具，但對于某一專門應用目的的解決，必須通過構建專門的應用模型，例如土地利用適宜性模型、選址模型、洪水預測模型、人口擴散模型、森林增長模型、水土流失模型、最優(yōu)化模型和影響模型等。

這些應用模型是客觀世界中相應系統(tǒng)經(jīng)由觀念世界到信息世界的映射，反映了人類對客觀世界利用改造的能動作用，并且是GIS技術產(chǎn)生社會經(jīng)濟效益的關鍵所在，也是GIS生命力的重要保證，因此在GIS技術中占有十分重要的地位。

構建GIS應用模型，首先必須明確用GIS求解問題的基本流程(圖1-2-7)；其次根據(jù)模型的研究對象和應用目的，確定模型的類別、相關的變量、參數(shù)和算法，構建模型邏輯結構框圖；然后確定GIS空間操作項目和空間分析方法；最后是模型運行結果的驗證、修改和輸出。

圖1-2-7用GIS求解問題的基本流程

顯然，應用模型是GIS與相關專業(yè)連接的紐帶，它的建立絕非是純數(shù)學或技術性問題，而必須以堅實而廣泛的專業(yè)知識和經(jīng)驗為基礎，對相關問題的機理和過程進行深入的研究，并從各種因素中找出其因果關系和內在規(guī)律，有時還需要采用從定性到定量的綜合集成法，這樣才能構建出真正有效的GIS應用模型?！疚闹性~匯解釋】GIS主機

目前運行GIS的主機，包括大型、中型、小型機，工作站、服務器/客戶機和微型計算機。其中各種類型的服務器/客戶機成為GIS的主流，特別是由Intel硬件和WindowsNT構成的PC工作站正成為工作站市場的新寵，傳統(tǒng)UNIX陣營的用戶正在逐漸向它轉移。NT工作站對GIS用戶的吸引力，包括相對低成本、可管理性、標準圖形化平臺和具有PC結構與效率等，因此廣泛應用于GIS和某些科學應用領域。

例如，ARC/INFO、INTERGRAPH、MAPINFO和GENAMAP等主流GIS產(chǎn)品，都相繼開發(fā)出其NT版本，但目前功能與UNIX版相比仍有待提升。服務器作為在網(wǎng)絡環(huán)境下提供資源共享的主流計算機產(chǎn)品，具有可靠性、高性能、高吞吐能力、大內存容量等特點，具備強大的網(wǎng)絡功能和友好的人機界面，是以網(wǎng)絡為中心的GIS和現(xiàn)代計算環(huán)境的關鍵，其中以低價格和高性能為特點的PC服務器，正在迅速縮小與UNIX服務器之間的差距，日益引起GIS設計者和用戶的廣泛關注。

目前，GIS工作站和服務器主要有UNIX和NT兩大類型，其產(chǎn)品包括SUN、HP、IBM、SGI和COMPAQ等，不同種類機型的界線逐漸模糊。由于服務器/客戶機環(huán)境的流行，多媒體技術的發(fā)展，以及計算機與通訊技術的融合，促使GIS向不依賴于平臺的方向發(fā)展，GIS軟件標準逐漸統(tǒng)一。GIS外部設備

GIS外部設備主要包括各種輸入和輸出設備。主要的輸入設備有圖形跟蹤數(shù)字化儀、圖形掃描儀、解析和數(shù)字攝影測量設備等。

圖形跟蹤數(shù)字化儀盡管成本高、工序繁瑣、對操作人員素質要求較高，但至今仍為空間數(shù)據(jù)采集的主要方式。市場上出售的數(shù)字化儀，例如CalcompDrawingBoard系統(tǒng)數(shù)字化儀，其有效面積從12inch×12inch(305mm×305mm)到44inch×60inch(1118mm×1524mm)，有多種配置可供選擇，如不透光的或帶背光的板面，有線或無線的，筆式或鼠標式定標器，和所有的應用軟件都能兼容。用戶可用命令設置數(shù)字化板的菜單和定標器的按鍵，操作模式有：Prompt,Point,Run,Line,Track,Increment,Mouse,Delta,GridUpdate等。圖形數(shù)字化儀由電磁感應板、游標和相應的電子線路組成。當使用者在電磁感應板上移動游標的十字絲交點對準指定圖形的點位時，按動相應的按鈕，數(shù)字化儀便將對應的命令符號和該點的坐標(X,Y)通過接口(多用串行接口)電路傳送給計算機，定位點的精度可達0.005～0.001inch(0.13～0.025mm)。手扶跟蹤數(shù)字化儀的速度慢，工作效率較低，而柵格數(shù)據(jù)的獲取則相對容易得多。

目前新一代大幅面圖形掃描儀提供高分辨率、真彩色、近乎完美的圖像效果，其中ANATech公司為用戶提供了一整套應用于各領域的高精度大幅面掃描儀以及相配套應用軟件，是圖形、圖像數(shù)據(jù)錄入和采集最有效的工具之一。ANATech系列掃描儀包括：

EvolutionSLI3840高速大幅面掃描儀；

Evolution4080ET超大幅面高分辨率掃描儀；

Evolution4080C超大幅面高分辨率彩色掃描儀；

Evolution4240超大幅面掃描儀；

Evolution4240C超大幅面彩色掃描儀；

Evolution3840大幅面掃描儀掃描一幅A0圖紙的時間僅需15s，精度為0.05%，失真率小于0.1%。用戶可在800dpi范圍內任選掃描分辨率，可以按黑白二值或256級灰度方式掃描，可以邊顯示邊掃描，并具有實時消藍去污功能。根據(jù)用戶需求可以實現(xiàn)自動補線、校正、鏡像、反轉等功能。地圖掃描數(shù)字化得到圖像信息，然后再經(jīng)過目標識別和由柵格到矢量的轉換過程，如圖1-2-3所示。GIS輸出設備

主要的輸出設備有各種繪圖儀、圖形顯示終端和打印機等。

繪圖儀如HPDesignJet750C彩色噴墨繪圖儀，是一種快速、可靠、便于連網(wǎng)且可在多種介質上進行高質量輸出的繪圖儀，是目前廣泛使用的主流GIS產(chǎn)品輸出設備。它采用根據(jù)對象空間分布形式和輸出產(chǎn)品的特征，選擇適當?shù)膱D形表示方法、結合色彩、線條、符號、文字等表示手段，具有600dpi分辨率的高精度黑白輸出，彩色輸出在300dpi時，顏色可多達1600多種，可獲得極高清晰度的繪圖質量。

圖形顯示終端用于圖形的交互式輸入、編輯、分析、處理和輸出。目前有多種系列和型號的顯示終端，如Teltronix公司生產(chǎn)的4128、4335型，與IBM-PC機兼容的SGS-430三維轉換器等。GIS還有多種表格、文字的數(shù)據(jù)需要輸出，可利用多種打印機完成。打印機的類型有針式打印機、激光打印機、液晶打印機等。HPDesignJet彩色打印機還能打印出豐富絢麗的彩色圖形和細膩的文字。GIS網(wǎng)絡設備

20世紀90年代以來，計算機技術的飛速發(fā)展不斷改變著GIS的結構體系，從主機及終端結構到Client/Server，再到Internet/Intranet。目前，基于服務器/客戶機體系結構并在局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)或因特網(wǎng)支持下的分布式系統(tǒng)結構(圖1-2-4)已經(jīng)成為GIS硬件系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，因此，網(wǎng)絡設備和計算機通訊線路的設計成為GIS硬件環(huán)境的重要組成部分。圖1-2-4分布式GIS的體系結構

網(wǎng)絡設備包括布線系統(tǒng)、網(wǎng)橋、路由器和交換機等。在進行GIS網(wǎng)絡設計時，必須首先確定網(wǎng)絡應用的需求，然后具體考慮網(wǎng)絡類型、互聯(lián)設備、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和服務器的選擇，以及網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡布線和網(wǎng)絡安全性保障等。只有通過對新技術的深刻理解、對新產(chǎn)品的廣泛關注以及對應用需求的準確把握，才能設計出一個合理的GIS網(wǎng)絡?！?.3地理信息系統(tǒng)的功能和應用

介紹地理信息系統(tǒng)的具備的基本功能和主要的一些應用領域。

由計算機技術與空間數(shù)據(jù)相結合而產(chǎn)生的GIS這一高新技術，包含了處理信息的各種高級功能，但是它的基本功能是數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析和輸出。GIS依托這些基本功能，通過利用空間分析技術、模型分析技術、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)集成技術、二次開發(fā)環(huán)境等，演繹出豐富多彩的系統(tǒng)應用功能，被廣泛地應用于資源管理、區(qū)域規(guī)劃等領域，滿足用戶的廣泛需求。一、基本功能:

包括數(shù)據(jù)采集與編輯，數(shù)據(jù)存儲與管理，數(shù)據(jù)處理和變換,空間查詢和分析和數(shù)據(jù)顯示、輸出功能(圖1-3-1)。二、主要應用領域:

由于GIS具有許多功能和優(yōu)點，目前被廣泛地應用資源管理、區(qū)域和城鄉(xiāng)規(guī)劃、災害監(jiān)測環(huán)境評估等各領域(圖1-3-2)一、基本功能1、數(shù)據(jù)采集與編輯

地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通常抽象為不同的專題或層(圖1-3-3)。數(shù)據(jù)采集編輯功能就是保證各層實體的地物要素按順序轉化為X、Y坐標及對應的代碼輸入到計算機中，各類數(shù)據(jù)的轉化和輸入方法如圖1-3-4所示。

圖1-3-3GIS數(shù)據(jù)分層概念

圖1-3-4GIS數(shù)據(jù)采集流程2、數(shù)據(jù)存儲與管理

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)存儲與管理的最新技術，是一種先進的軟件工具。GIS數(shù)據(jù)庫是區(qū)域內一定地理要素特征以一定的組織方式存儲在一起的相關數(shù)據(jù)的集合。由于GIS數(shù)據(jù)庫具有數(shù)據(jù)量大，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)具有不可分割的聯(lián)系，以及空間數(shù)據(jù)之間具有顯著的拓撲結構等特點，因此GIS數(shù)據(jù)庫管理功能除了與屬性數(shù)據(jù)有關的DBMS功能之外，對空間數(shù)據(jù)的管理技術主要包括：空間數(shù)據(jù)庫的定義，數(shù)據(jù)訪問和提取，從空間位置檢索空間物體及其屬性，從屬性條件檢索空間物體及其位置，開窗和接邊操作，數(shù)據(jù)更新和維護等。3、數(shù)據(jù)處理和變換

由于GIS涉及的數(shù)據(jù)類型多種多樣，同一種類型數(shù)據(jù)的質量也可能有很大的差異。為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)范和統(tǒng)一，建立滿足用戶需求的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)處理是GIS的基礎功能之一。數(shù)據(jù)處理的任務和操作內容有：1)數(shù)據(jù)變換：指對數(shù)據(jù)從一種數(shù)學狀態(tài)轉換為另一種數(shù)學狀態(tài)，包括投影變換、輻射糾正、比例尺縮放、誤差改正和處理等；2)數(shù)據(jù)重構：指對數(shù)據(jù)從一種幾何形態(tài)轉換為另一種幾何形態(tài)，包括數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)截取、數(shù)據(jù)壓縮、結構轉換等；3)數(shù)據(jù)抽?。褐笇?shù)據(jù)從全集合到子集的條件提取，包括類型選擇、窗口提取、布爾提取和空間內插等。4、空間查詢和分析

空間查詢和分析功能是GIS的一個獨立研究領域，它的主要特點是幫助確定地理要素之間新的空間關系，它不僅已成為區(qū)別于其他類型系統(tǒng)的一個重要標志，而且為用戶提供了靈活地解決各類專門問題的有效工具。1)空間查詢（圖1-3-5）：空間查詢是GIS最基本的功能，包括已知屬性查圖形，已知圖形查屬性及多種條件的綜合查詢；2)拓撲疊加（圖1-3-6）：通過將同一地區(qū)兩個不同圖層的特征相疊加，不僅建立新的空間特征，而且能將輸入的特征屬性予以合并，易于進行多條件的查詢檢索、地圖裁剪、地圖更新和應用模型分析等；

圖1-3-5空間查詢

圖1-3-6疊加分析3)緩沖區(qū)建立（圖1-3-7）：它是研究根據(jù)數(shù)據(jù)庫的點、線、面實體，自動建立各種類型要素的緩沖多邊形，用以確定不同地理要素的空間接近度或鄰近性。它是GIS重要的和基本的空間分析功能之一。例如規(guī)劃建設一個開發(fā)區(qū)，需要通知一定范圍內的居民動遷；在林業(yè)規(guī)劃中，需要按照距河流一定縱深范圍來確定森林砍伐區(qū)，以防止水土流失等等；4)網(wǎng)絡分析（圖1-3-8）：網(wǎng)絡分析是GIS空間分析的重要組成部分。網(wǎng)絡模型是運籌學中的一個基本模型，例如在城市各街道區(qū)建立圖書館、醫(yī)院等公共設施，希望各居民住家能到這些設施的路途最短，而在建立消防站、救護車站時，需要路途最短，花費時間最少等。

圖1-3-7緩沖區(qū)分析

圖1-3-8網(wǎng)絡分析4)數(shù)字地形分析（圖1-3-9）：GIS提供了構造數(shù)字高程模型及有關地形分析的功能模塊，包括坡度、坡向、地表粗糙度、山谷線、山脊線、日照強度、庫容量、表面積、立體圖、剖面圖和通視分析等，為地學研究、工程設計和輔助決策提供重要的基礎性數(shù)據(jù)。5、數(shù)據(jù)顯示與輸出（圖1-3-10）：GIS為用戶提供了許多用于地理數(shù)據(jù)表現(xiàn)的工具，其形式既可以是計算機屏幕顯示，也可以是諸如報告、表格、地圖等硬拷貝圖件。

圖1-3-9地形分析

圖1-3-10數(shù)據(jù)顯示與輸出二、主要應用領域1、資源管理

資源的清查、管理和分析是GIS應用最廣泛的領域，也是目前趨于成熟的主要應用領域，包括森林和礦產(chǎn)資源的管理、野生動植物的保護、土地資源潛力的評價和土地利用規(guī)劃以及水資源的時空分布特征研究等。系統(tǒng)的主要任務是將各種來源的數(shù)據(jù)和信息有機地匯集在一起，GIS軟件能在一個連續(xù)無縫的方式下管理大型的地理數(shù)據(jù)庫，這種功能強大的數(shù)據(jù)環(huán)境允許集成各種應用，最終用戶通過GIS的客戶端軟件可直接對數(shù)據(jù)庫進行查詢、顯示、統(tǒng)計、制圖以及提供區(qū)域多種組合條件的資源分析，為資源的合理開發(fā)利用和規(guī)劃決策提供依據(jù)。2、區(qū)域規(guī)劃

城市與區(qū)域規(guī)劃具有高度的綜合性，涉及資源、環(huán)境、人口、交通、經(jīng)濟、教育、文化和金融等因素，但是要把這些信息進行篩選并轉換成可用的形式并不容易，規(guī)劃人員需要切實可行的、實時性強的信息，而GIS能為規(guī)劃人員提供功能強大的工具。例如規(guī)劃人員利用GIS對交通流量、土地利用和人口數(shù)據(jù)進行分析，預測將來的道路等級；工程技術人員利用GIS將地質、水文和人文數(shù)據(jù)結合起來，進行路線和構造設計；GIS軟件幫助政府部門完成總體規(guī)劃、分區(qū)、現(xiàn)有土地利用、分區(qū)一致性、空地、開發(fā)區(qū)和設施位置等分析工作，是實現(xiàn)區(qū)域規(guī)劃科學化和滿足城市發(fā)展的重要保證。3、國土監(jiān)測

GIS方法和多時相的遙感數(shù)據(jù)，可以有效地用于森林火災的預測預報、洪水災情監(jiān)測和淹沒損失估算、土地利用動態(tài)變化分析和環(huán)境質量的評估研究等。例如黃河三角洲地區(qū)的防洪減災研究表明，在ARC/INFO地理信息系統(tǒng)支持下，通過建立大比例尺數(shù)字地形模型和獲取有關的空間和屬性數(shù)據(jù)，利用GIS的疊置操作和空間分析等功能，可以計算出若干個泄洪區(qū)域內的土地利用及面積，比較不同泄洪區(qū)內房屋和財產(chǎn)損失等，可以確定泄洪區(qū)內人員撤退、財產(chǎn)轉移和救災物資供應的最佳路線，保證以最快的速度有效應付突發(fā)事件的發(fā)生。4、輔助決策

GIS利用擁有的數(shù)據(jù)庫和互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術，已經(jīng)實現(xiàn)了電子商貿的革命，滿足企業(yè)決策多維性的需求。當前在全球協(xié)作的商業(yè)時代，90%以上的企業(yè)決策與地理數(shù)據(jù)有關，例如：企業(yè)的分布、客貨源、市場的地域規(guī)律、原料、運輸、跨國生產(chǎn)、跨國銷售等。利用GIS迅速有效管理空間數(shù)據(jù)，進行空間可視化分析，確定商業(yè)中心位置和潛在市場的分布，尋找商業(yè)地域規(guī)律，研究商機時空變化的趨勢，不斷為企業(yè)創(chuàng)造新的商機，GIS和互聯(lián)網(wǎng)已成為最佳的決策支持系統(tǒng)和威力強大的商戰(zhàn)武器?！?.4地理信息系統(tǒng)的發(fā)展

本世紀中葉，計算機的發(fā)明與應用標志著第一次信息革命的開始，人類社會隨之進入信息時代。信息的巨大物化力量使得它逐漸成為一種重要的社會資源和社會動力源，從而引起社會職能、模式、結構、價值及人們工作、生活方式的變革，人們工作的重點從單獨的物質生產(chǎn)轉移到對信息的采集、處理、分析和利用上來。另外，由于社會的進步，人們開始覺悟到對賴以生存的地球資源的利用，不能是簡單地掠奪，而應將開發(fā)和保護結合起來進行科學管理和充分利用。于是興起國土規(guī)劃、各種資源清查、環(huán)境監(jiān)測等大型工程。然而，面對這些大型工程所獲取的海量資源環(huán)境信息，傳統(tǒng)的調查報表、統(tǒng)計圖表和手工制圖的方式已遠遠不能滿足時代需求，如何利用計算機有效地處理相關信息是地理信息系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展的原動力。一、國際GIS發(fā)展狀況:

介紹地理信息系統(tǒng)在國際上發(fā)展的四個階段：探索時期、發(fā)展時期、成熟階段和全面應用階段。二、我國GIS發(fā)展狀況:

介紹我國地理信息系統(tǒng)主要經(jīng)歷了準備階段、試驗階段、發(fā)展階段和產(chǎn)業(yè)化階段。三、當代GIS發(fā)展動態(tài):

介紹當代地理信息系統(tǒng)技術上的幾個熱門研究領域：面向對象技術與GIS，真三維GIS和時空GIS，GIS應用模型，InternetGIS，GIS與專家系統(tǒng)和GIS與虛擬現(xiàn)實技術的結合。一、國際GIS發(fā)展狀況

1963年，加拿大測量學家R.Tomlinson首先提出地理信息系統(tǒng)這一術語之后，隨著技術的進步、社會的需求、有關組織機構的建立，GIS呈“星火燎原”之勢在全世界迅速發(fā)展起來。概括起來，GIS的發(fā)展可分為以下幾個階段。1、20世紀60年代為GIS思想和技術方法的探索時期

由于40年代和50年代計算機科學、地圖學和航空攝影測量技術的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生利用計算機匯總各種來源的數(shù)據(jù)，借助計算機處理和分析這些數(shù)據(jù)，最后通過計算機輸出一系列結果，作為輔助決策的有用信息，這就產(chǎn)生了最早地理信息系統(tǒng)的基本框架。

在50年代末60年代>初，計算機獲得廣泛應用以后，很快就被應用于空間數(shù)據(jù)的存儲與管理。計算機分析地圖內容并提供信息，是從自然資源的管理和土地規(guī)劃任務開始的，在這個基礎上誕生了世界上第一個地理信息系統(tǒng)——加拿大地理信息系(CGIS)。受計算機發(fā)展水平的限制，當時的地理信息系統(tǒng)的特征是存儲能力小，磁帶存取速度慢。機助制圖能力較強，地學分析功能較簡單，實現(xiàn)了手扶跟蹤數(shù)字化方法，可以完成地圖數(shù)據(jù)的拓撲編輯，分幅數(shù)據(jù)的自動拼接，開創(chuàng)了格網(wǎng)單元的操作方法，發(fā)展了許多基于格網(wǎng)的系統(tǒng)。所有這些處理空間數(shù)據(jù)的主要技術，奠定了地理信息系統(tǒng)發(fā)展的基礎。另外，紛紛成立的許多有關GIS的組織和機構對傳播和發(fā)展地理信息系統(tǒng)也起了重要的指導作用。國際GIS60年代大事記(據(jù)張超）2、70年代是GIS的發(fā)展時期

在這期間，計算機發(fā)展到第三代，內存容量大增，運算速度達到10－６秒級，特別是大容量直接存取設備——磁盤的使用，為地理數(shù)據(jù)的錄入、儲存、檢索、輸出提供了強有力的手段。用戶屏幕和圖形、圖像卡的發(fā)展增強了人機對話和高質量圖形顯示功能，促使GIS朝著實用化方向發(fā)展。

例如，從1970年至1976年，美國地質調查所就建成了50多個信息系統(tǒng)，分別作為處理地理、地質和水資源等領域空間信息的工具。其他一些發(fā)達國家，如加拿大、聯(lián)邦德國、瑞典等國，也先后發(fā)展了自己的地理信息系統(tǒng)。同時，一些商業(yè)公司開始活躍，GIS軟件在市場上受到歡迎，同時管理問題也開始受到重視。據(jù)IGU統(tǒng)計，在70年代約有300多個系統(tǒng)投入使用，其中較完整的系統(tǒng)軟件就有80個之多。1980年，美國地質調查局出版了《空間數(shù)據(jù)處理計算機軟件》的報告，基本總結了1979年以前世界各國GIS的發(fā)展概況。此外，D.F.Marble等擬訂了處理空間數(shù)據(jù)的計算機軟件登錄的標準格式，對全部軟件作了系統(tǒng)的分類，提出GIS發(fā)展研究的重點是空間數(shù)據(jù)處理的算法、數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)庫管理這三方面。同時，許多大學(如美國紐約州立大學等)開始注意培養(yǎng)GIS方面的人才，創(chuàng)建了GIS實驗室。因此，地理信息系統(tǒng)這一技術受到了政府部門、商業(yè)公司和大學的普遍重視，成為引人注目的領域。國際GIS70年代大事記(據(jù)張超）3、80年代是GIS在理論、方法和技術上取得突破與趨向成熟的階段。

由于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的問世，推出了第四代計算機，特別是微型計算機和遠程通訊傳輸設備的出現(xiàn)，為計算機的普及應用創(chuàng)造了條件，加上計算機網(wǎng)絡的建立，使地理信息的傳輸效率得到極大的提高。另外，軟件開發(fā)工具的廣泛應用和數(shù)據(jù)庫技術的推廣，推動了GIS的數(shù)據(jù)處理能力，空間分析功能，人機交互對話，地圖的輸入、編輯和輸出技術的進一步發(fā)展，并逐漸走向成熟。地理信息系統(tǒng)的應用從解決基礎設施的規(guī)劃(如道路、輸電線等)轉向更加復雜的區(qū)域開發(fā)問題。

例如,土地的規(guī)劃利用、城市發(fā)展戰(zhàn)略研究、人口的規(guī)劃和安置等，地理因素成為投資標準決策不可缺少的依據(jù)。這個時期，GIS已跨越國界，開始用于解決全球性問題，如全球的沙漠化、全球可居住區(qū)的評價、ALNINO現(xiàn)象及酸雨、核擴散等對世界環(huán)境潛在的影響等。因此，國際著名的GIS專家R.F.Tomlinson認為，如果70年代是GIS發(fā)展的鞏固時期，那么，80年代是國際GIS發(fā)展具有突破性的時期。國際GIS80年代大事記(據(jù)張超）4、90年代，全面應用

90年代以來，隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的建立和地球數(shù)字化產(chǎn)品的普及應用，GIS的發(fā)展進入用戶時代。這個期間，社會對GIS的認識普遍提高，需求大幅度增加，GIS已成為許多機構(特別是政府決策部門)必備的工作系統(tǒng)。國家級乃至全球級的地理信息系統(tǒng)已成為公眾關注的問題，地理信息系統(tǒng)已被列入“信息高速公路”計劃，也是美國前副總統(tǒng)戈爾提出的“數(shù)字地球”戰(zhàn)略的重要組成部分。

90年代，GIS開發(fā)和研究主要集中在下列一些方向：空間信息分析的新模式和新方法；空間信息應用模型；GIS的效益評價；三維、四維空間數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)模型；人工智能和專家系統(tǒng)的引入；網(wǎng)絡GIS；虛擬現(xiàn)實技術與GIS的結合等。國際GIS90年代大事記(據(jù)張超）二、我國GIS發(fā)展狀況

我國地理信息系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚，但發(fā)展較快，大體可分為下列幾個階段。1、準備階段

70年代初，我國開始探討計算機在測量、地圖制圖和遙感領域的應用。例如，1972年開始研制制圖自動化系統(tǒng)，1974年引進美國地球資源衛(wèi)星圖像，開展了衛(wèi)星圖像的處理和信息解譯工作，隨后召開了各種區(qū)域性遙感技術規(guī)劃會議，先后開展了多項環(huán)境衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)與圖像的接收、處理和應用的試驗，如京津唐地區(qū)紅外遙感試驗、***哈密地區(qū)航空遙感實驗等。此外，還開展了全國范圍的航空攝影測量與地形制圖，為我國地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立打下了堅實的物質基礎，并于1977年誕生我國第一張全要素數(shù)字地圖。所有這些都為我國地理信息系統(tǒng)的研制和開發(fā)做了物質和技術準備，為GIS的發(fā)展開辟了道路。2、試驗階段

80年代，隨著計算機技術的發(fā)展和我國對“信息革命”的熱烈響應，地理信息系統(tǒng)這一新技術在我國正式進入全面試驗階段。我國在GIS理論探索、規(guī)范探討、實驗技術、軟件開發(fā)、系統(tǒng)建立、人才培養(yǎng)、典型試驗和專題試驗等方面都取得了實質性的進展。在典型試驗中主要研究建立數(shù)據(jù)規(guī)范和標準、空間數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)據(jù)處理和分析算法以及系統(tǒng)分析軟件和應用軟件的開發(fā)等。在專題試驗和應用方面，探索地理信息系統(tǒng)的設計與應用，包括人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟等廣泛專題的試驗和應用。建成的區(qū)域性系統(tǒng)有1∶100萬國土基本信息系統(tǒng)和全國土地信息系統(tǒng)、1∶400萬全國資源和環(huán)境信息系統(tǒng)、1∶250萬水土保持信息系統(tǒng)等，專題信息系統(tǒng)如黃土高原信息系統(tǒng)、洪水災害預報與分析系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫等。一些用于輔助城市規(guī)劃的各種小型信息系統(tǒng)在城市建設和規(guī)劃部門獲得了認可。此外，國際GIS學術會議多次在我國舉行，有關高校開設了地理信息系統(tǒng)課程，這一切均為GIS的進一步發(fā)展和實際應用打下了基礎。3、發(fā)展階段

從1986年到1995年前后，我國GIS隨著社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展走上了全面發(fā)展道路。由于沿海、沿江經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的發(fā)展，土地的有償使用和外資的引進，急需GIS為之服務，推動了GIS的發(fā)展和應用。GIS研究作為政府行為，正式列入國家科技攻關項目，開始有計劃、有組織、有目標地進行理論研究和應用建設。同時，全國許多行業(yè)部門和部分省市積極發(fā)展各自專業(yè)GIS和區(qū)域GIS，上海、北京、深圳、?？?、三亞、常州等大中城市都在積極建設城市GIS。4、產(chǎn)業(yè)化階段

1996年以來，我國GIS技術在技術研究、成果應用、人才培養(yǎng)、軟件開發(fā)等方面進展迅速，并力圖將GIS從初步發(fā)展時期的研究實驗、局部應用推向實用化、集成化、工程化，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供輔助分析和決策依據(jù)。GIS在研究和應用過程中走向產(chǎn)業(yè)化道路，成為國民經(jīng)濟建設普遍使用的工具，并在各行各業(yè)發(fā)揮重大作用。我國GIS大事記(據(jù)張超）三、當代GIS發(fā)展動態(tài)

自20世紀60年代世界上第一個GIS——加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)問世以來，經(jīng)過近40年的發(fā)展，GIS系統(tǒng)軟件和應用軟件日趨成熟和完善。過去，GIS往往被認為是一項專門技術，其應用主要限于測繪、制圖、資源和環(huán)境管理等領域。隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的建立和數(shù)字化信息產(chǎn)品在全世界的普及，GIS的社會需求量增大，GIS應用日趨廣泛，甚至進入千家萬戶。應用需求促進發(fā)展，GIS已從一門技術發(fā)展為一門獨立的新興學科。下面就GIS當前的幾個熱門研究領域作一介紹。1、面向對象技術與GIS的結合

GIS一般采用圖形和屬性分開管理的數(shù)據(jù)模型管理數(shù)據(jù)，即實體的圖形數(shù)據(jù)用拓撲文件存儲管理，屬性數(shù)據(jù)用關系數(shù)據(jù)庫管理，二者通過惟一標識符進行連接。這種數(shù)據(jù)模型具有的弱點使得人們開始尋求一種能統(tǒng)一管理圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型。

面向對象技術將現(xiàn)實世界的實體都抽象為對象，利用四種數(shù)據(jù)抽象技術(分類、概括、聯(lián)合、聚集)可構建復雜的地理實體，利用繼承和傳播這兩種數(shù)據(jù)抽象工具將所有實體對象構建成一個分層結構。面向對象的方法為描述復雜的空間信息提供了一條適合于人類思維模式的直觀、結構清晰、組織有序的方法，面向對象數(shù)據(jù)模型成為較為理想的統(tǒng)一管理GIS空間數(shù)據(jù)的有效模型。因而，面向對象的技術在GIS中的應用，即面向對象的GIS，已成為GIS的發(fā)展方向。SmallworldGIS是目前面向對象GIS中最為典型的代表，一些傳統(tǒng)的GIS也開始部分采用面向對象的技術，如ARC/INFO7.0,Intergraph的TIGRIS,SYSTEM9,FACET系統(tǒng)等。

然而，面向對象的GIS仍存在一些有待進一步研究的問題。2、真三維GIS和時空GIS

GIS處理的是在地球三維空間上連續(xù)分布的空間數(shù)據(jù)。然而，目前絕大多數(shù)的GIS采用二維或2.5維來表示現(xiàn)實三維現(xiàn)象，通常將三維分量Z值當做一個屬性值，如DEM數(shù)據(jù)，這對于許多地學分析是非常不便的，甚至難以進行。例如，地質構造研究中的斷層處，在一固定位置會有不同的高程值，因而不能用二維或2.5維表示，而真三維數(shù)據(jù)結構能真正表示這種地質結構。近年來，計算機技術特別是計算機圖形學的發(fā)展，使得顯示和描述三維實體的幾何特征和屬性特征成為可能，因此真三維數(shù)據(jù)結構的研究，真三維GIS的應用成為GIS發(fā)展的一個熱點。(真三維GIS主要研究方向)

地理信息除具有空間特性外，還具有明顯的時序特征，即動態(tài)變化特征。在許多應用領域中，如環(huán)境監(jiān)測、地震救援、天氣預報等，空間對象是隨時間變化的，描述和研究空間對象的時序特征在問題求解過程中起著十分重要的作用。由于受器件的限制和一些技術原因，傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)只考慮地物的空間特性，忽略了其時間特性。近幾年提出的空間實時數(shù)據(jù)模型也僅能處理空間二維和時間一維，不能完全表示和分析不斷變化的三維世界，因而需要開發(fā)時空四維GIS。實現(xiàn)時空復合操作，將空間分析問題進一步拓展為時空分析范疇，已成為新一代GIS的重要研究課題。(時空GIS主要研究內容)

3、GIS應用模型的發(fā)展

GIS強大的生命力在于與各種實際應用的結合。然而，通用GIS的數(shù)據(jù)管理、查詢和空間分析功能對于大多數(shù)的應用問題是遠遠不夠的，因為這些領域都有自己獨特的專用模型。根據(jù)某種應用目標或任務要求，從相應專業(yè)或學科出發(fā)，對客觀世界進行深入分析研究，并借助GIS技術的支持，建立GIS應用模型，是GIS解決實際問題的能力、效率及產(chǎn)生社會經(jīng)濟效益的關鍵所在，因此日益受到重視。

為用戶提供建立專業(yè)應用模型的二次開發(fā)工具和環(huán)境是目前大多數(shù)GIS軟件解決GIS建模問題的一般方法，如ARC/INFO提供的二次開發(fā)的宏語言AML。這種方法的一個主要問題是它對于普通用戶而言過于困難。最好的方式是GIS本身能支持建立專業(yè)應用模型，這種GIS又稱為地理信息建模系統(tǒng)(GeographicInformationModellingSystem，簡稱GIMS)，它能支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗的環(huán)境，支持與用戶交互式的基于GIS的分析、建模和決策，GIMS是目前GIS研究的熱點問題之一，目前的GIS對用戶定義自己的專用模型的支持程度都是不夠的，離支持實現(xiàn)數(shù)據(jù)集定義、模型定義、模型生成和模型檢驗的全過程仍有相當大的距離。(通用GIS空間分析與各專業(yè)模型的主要途徑)4、Internet與GIS的結合

近年來，Internet技術的迅速發(fā)展與普及應用為GIS發(fā)展提供了新的機遇，它改變了地理信息的獲取、傳輸、發(fā)布、共享、應用和可視化等過程和方式，Internet已成為GIS新的操作平臺。Internet與GIS的結合即InternetGIS，利用Internet在Web上發(fā)布和出版空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、制作專題圖和分析的功能，已經(jīng)成為GIS發(fā)展的必然趨勢。

InternetGIS的信息處理模式由傳統(tǒng)的集中式轉向客戶服務器模式，客戶機處理GIS應用軟件，服務器負責存儲和管理GIS空間數(shù)據(jù)庫，并響應客戶機對GIS應用功能的服務請求。由于InternetGIS分布式管理與互操作的要求，InternetGIS又有組件式GIS和OpenGIS兩個研究熱點，但目前InternetGIS仍然存在著諸多不足。5、GIS與專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡的結合

專家系統(tǒng)研究的是利用計算機模擬人類專家的推理思維過程，系統(tǒng)根據(jù)知識庫中的知識，對輸入的原始事實進行復雜推理，并作出判斷和決策，從而起到人類專家的作用。

GIS經(jīng)過近40年的發(fā)展已逐漸趨于成熟，但它的應用還主要停留在空間數(shù)據(jù)庫的建立與管理、空間實體查詢、空間疊置分析、緩沖區(qū)分析以及成果輸出上，由于缺乏知識處理和進行啟發(fā)式推理的能力，其決策支持功能仍很弱，還無法解決多層次、多因素、非線性變化的復雜地學問題。解決這類問題是一項具有一定創(chuàng)造性的過程，需要大量的人為經(jīng)驗和專家知識。因此，將GIS和專家系統(tǒng)相結合，發(fā)展智能GIS或專家GIS，是解決復雜地學問題的重要途徑。目前，這方面的研究受到廣泛的重視并取得一些令人鼓舞的成果。6、GIS與虛擬現(xiàn)實技術的結合

虛擬現(xiàn)實(VirtualReality)是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術，是當代信息技術高速發(fā)展和集成的產(chǎn)物。從本質上說，虛擬現(xiàn)實就是一種先進的計算機用戶接口，通過計算機建立一種仿真數(shù)字環(huán)境，將數(shù)據(jù)轉換成圖像、聲音和觸摸感受，利用多種傳感設備使用戶“投入”到該環(huán)境中，用戶可以如同在真實世界那樣“處理”計算機系統(tǒng)所產(chǎn)生的虛擬物體。

將虛擬現(xiàn)實技術引入GIS將使GIS更具吸引力，采用虛擬現(xiàn)實中的可視化技術，在三維空間中模擬和重建逼真的、可操作的地理三維實體，GIS用戶在客觀世界的虛擬環(huán)境中將能更有效地管理、分析空間實體數(shù)據(jù)。因此，開發(fā)虛擬GIS已成為GIS發(fā)展的一大趨勢。

隨著虛擬技術的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實硬件價格的降低，使得開發(fā)成本低廉的虛擬現(xiàn)實軟件包成為可能，如用戶可通過VirtualGIS軟件在三維環(huán)境中觀察和分析GIS數(shù)據(jù)。KollerD等開發(fā)的一個實時三維GIS可使用戶在編輯、分析復雜的地形數(shù)據(jù)庫時產(chǎn)生一種臨境感。

當前，GIS發(fā)展的動態(tài)除以上幾點外，GIS與GPS、RS的進一步集成，GIS與CAD的集成，并行處理技術在GIS中的應用等都是GIS研究和發(fā)展的熱點。GIS的這些發(fā)展并不是孤立的，而是相互影響，相互促進的，其目的都是為了讓GIS能更好地為人類管理和保護賴以生存的地球服務?！疚闹性~匯解釋】紛紛成立的有關GIS的組織和機構

1967，成立美國城市和區(qū)域信息系統(tǒng)協(xié)會（URISA）。

1968，國際地理聯(lián)合會（IGU）成立了地理數(shù)據(jù)采集與處理委員會（CGDSP）

1969，成立美國信息系統(tǒng)全國協(xié)會（NASIS）。

這些組織相繼舉行了一系列GIS的國際研討會，對GIS技術的發(fā)展和傳播起到了重要的指導作用。圖形和屬性分開管理的數(shù)據(jù)模型的弱點

1)不利于空間數(shù)據(jù)的整體管理，以保證數(shù)據(jù)的一致性；

2)GIS的開放性和互操作性受限制；

3)數(shù)據(jù)共享和并行處理無保證。面向對象的GIS有待進一步研究的問題

1)大對象的操作仍受硬件條件的限制；

2)對象的獨立性與顆粒度問題；

3)矢量和柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一的、支持動態(tài)拓撲結構和復合對象表示的面向對象的數(shù)據(jù)結構問題。真三維GIS主要研究方向

主要包括：

1)三維數(shù)據(jù)結構的研究，包括數(shù)據(jù)的有效存儲、數(shù)據(jù)狀態(tài)的表示和數(shù)據(jù)的可視化；

2)三維數(shù)據(jù)的生成和管理；

3)地理數(shù)據(jù)的三維顯示，包括三維數(shù)據(jù)的空間操作和分析，表面處理，柵格圖像、全息圖像顯示，層次處理等。時空GIS主要研究內容

時空GIS主要研究時空模型，時空數(shù)據(jù)的表示、存儲、操作、查詢和時空分析。

目前較常用的做法是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型基礎上擴充，如在關系模型的元組中加入時間，在對象模型中引入時間屬性。在這種擴充的基礎上如何解決從表示到分析的一系列問題仍有待進一步的研究。

另外，人們也在研究一種存儲和表示四維目標的四維數(shù)據(jù)模型，ChengTao等運用面向對象技術開發(fā)出一種面向對象空間實時模型用于處理四維GIS數(shù)據(jù)。通用GIS空間分析與各專業(yè)模型的主要途徑

實現(xiàn)通用GIS空間分析功能與各種領域專用模型的結合主要有三種途徑：

1)松散耦合式，也稱為外部空間模型法。這種方法基本上將GIS當做一個空間數(shù)據(jù)庫看待，在GIS環(huán)境外部借助其他軟件或計算機高級語言建立專用模型，其與GIS之間采用數(shù)據(jù)通訊的方式聯(lián)系。

2)嵌入式，也稱為內部空間模型法。即在GIS中借助GIS的通用功能來實現(xiàn)應用領域的專用分析模型。

3)混合型空間模型法，是前兩種方法的結合，即盡可能利用GIS提供的功能，最大限度地減少用戶自行開發(fā)的工作量和難度，又保持外部空間模型法的靈活性。InternetGIS的兩個研究熱點

1)組件式GIS，即將已有的巨型GIS分解為若干可互操作的自我管理、相互獨立的組件，包括數(shù)據(jù)管理組件、空間查詢組件、數(shù)據(jù)獲取組件、專題制圖組件和顯示組件等。它們建立在分布式的對象結構基礎之上，應用了最新的分布式技術如OMG的CORBA,Microsoft的OLE/COM以及SUN的Java技術。這些組件具有與平臺和操作系統(tǒng)無關性，GIS應用的開發(fā)者可以利用這些組件快速地組裝GIS應用軟件。

組件式GIS有效地減少了網(wǎng)絡傳輸?shù)呢摀瑢崿F(xiàn)了獲取和管理多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，提供了分析地圖特征和查詢、空間分析、專題制圖等功能，并方便用戶二次開發(fā)。

2)OpenGIS，即開放式地理信息系統(tǒng)，是為了使不同的GIS軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)信息共享的途徑。

由于InternetGIS用于發(fā)布分布式地理信息和處理與分析工具，使得InternetGIS必須使用已有的多種數(shù)據(jù)源和各種地理信息分析處理功能，即InternetGIS面臨地理信息的互操作性問題，因此，從數(shù)據(jù)的觀點看，OpenGIS是未來InternetGIS技術發(fā)展的必然趨勢。

由用戶和開發(fā)商組成的聯(lián)盟——開放地理信息聯(lián)合會(OpenGISConsortium,OGC)已經(jīng)成立，并研究制定了開放地理數(shù)據(jù)交互操作規(guī)程(OpenGeodataInteroperabilitySpecification,OGIS)。OGIS規(guī)范為開放系統(tǒng)地學處理奠定了基礎，使得GIS、遙感以及其他地學處理學科從專有的不兼容的數(shù)據(jù)格式和特定處理功能走向統(tǒng)一的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)空間和軟件組件。然而，OGIS只是對OpenGIS定義了抽象的互操作規(guī)程，具體如何實現(xiàn)將是21世紀GIS發(fā)展的任務。目前InternetGIS存在的不足

目前InternetGIS仍然存在著諸多不足，主要表現(xiàn)在：

1)支持單一數(shù)據(jù)源而非多數(shù)據(jù)源的獲取，因而不能滿足日益增長的信息交互與OpenGIS規(guī)范的需求；

2)數(shù)據(jù)集中而非分布式存放與管理，不利于信息的共享與更新；

3)缺乏統(tǒng)一的管理機制以實現(xiàn)大量分布式空間信息相互間的有機聯(lián)系；

4)缺乏豐富的空間信息表現(xiàn)手法以及與網(wǎng)絡資源特別是借助瀏覽器表達的能力；

5)空間信息獲取控制以及客戶與服務器端安全體系的建立不夠完善。

商品化的WebGIS還處于初級階段，提供的查詢和分析功能還不能滿足專業(yè)應用的需要，但它的出現(xiàn)已開始改變GIS傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出和地圖發(fā)布的方式，為地理信息的高度社會化共享提供了可能。智能GIS的一些成果

1)GennertM.A.開發(fā)的原型網(wǎng)絡專家GIS用于土地資源管理，該系統(tǒng)由GIS完成位置分析工作，由基于規(guī)則知識庫的專家系統(tǒng)來評價，GIS與專家系統(tǒng)相結合，互為補充，組成專家GIS。

2)Sarasus、WayneA.等討論了智能GIS用于鐵路與高速公路交叉口的安全管理與分析問題。

3)LamDavid等建立了用于環(huán)境管理決策的GIS決策支持系統(tǒng)。此外還有專家GIS在地下水管理、地質勘探、地學分析和軍事指揮等領域的應用研究。智能GIS的一些成果

1)GennertM.A.開發(fā)的原型網(wǎng)絡專家GIS用于土地資源管理，該系統(tǒng)由GIS完成位置分析工作，由基于規(guī)則知識庫的專家系統(tǒng)來評價，GIS與專家系統(tǒng)相結合，互為補充，組成專家GIS。

2)Sarasus、WayneA.等討論了智能GIS用于鐵路與高速公路交叉口的安全管理與分析問題。3)LamDavid等建立了用于環(huán)境管理決策的GIS決策支持系統(tǒng)。此外還有專家GIS在地下水管理、地質勘探、地學分析和軍事指揮等領域的應用研究。第二章空間數(shù)據(jù)結構和空間數(shù)據(jù)庫

本章概述：地理信息系統(tǒng)的操作對象是空間地理實體，建立一個地理信息系統(tǒng)的首要任務是建立空間數(shù)據(jù)庫，即將反映地理實體特性的地理數(shù)據(jù)存儲在計算機中，這需要解決地理數(shù)據(jù)具體以什么形式在計算機中存儲和處理即空間數(shù)據(jù)結構問題和如何描述實體及其相互關系即空間數(shù)據(jù)庫模型問題。本章重點介紹主要的空間數(shù)據(jù)結構和空間數(shù)據(jù)庫模型。§2.1地理實體及其描述

介紹地理實體的概念，地理實體需要描述的內容，實體的空間特征和實體間的空間關系。§2.2矢量數(shù)據(jù)結構

講述矢量數(shù)據(jù)的圖形表示、獲取方式和表示(即矢量編碼方法)?！?.3柵格數(shù)據(jù)結構

講述柵格數(shù)據(jù)的圖形表示、柵格數(shù)據(jù)的組織、柵格結構的建立和柵格數(shù)據(jù)的表示?！?.4矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結構

針對矢量柵格數(shù)據(jù)結構互為優(yōu)缺點狀況，介紹集兩者優(yōu)點為一體的矢量柵格一體化數(shù)據(jù)結構的概念和具體數(shù)據(jù)結構設計方法。§2.5三維數(shù)據(jù)結構

主要闡述基于柵格的八叉樹三維數(shù)據(jù)結構的基本原理和存儲結構。在矢量結構方面，介紹常用的三維邊界表示法的方法原理、特點和應用。§2.6空間數(shù)據(jù)模型

首先介紹數(shù)據(jù)庫有關基礎知識，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型如何存儲圖形數(shù)據(jù)及其局限性，重點闡述面向對象技術、面向對象模型和用于地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的類型?！?.7空間數(shù)據(jù)庫的設計、建立和維護

介紹空間數(shù)據(jù)庫的設計的內容、建立過程和維護方法?！?.1地理實體及其描述

地理信息系統(tǒng)是以地理實體作為描述、反映現(xiàn)實世界中空間對象的單體。在地理信息系統(tǒng)中需要描述地理實體的名稱、位置、形狀、功能等內容，這些內容反映了地理實體的時間、空間和屬性三種特性，其中空間特性是地理信息所特有的，也是造成空間數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)庫模型異常復雜的原因所在。此外，實體間的空間關系對空間查詢和分析具有重要意義。一、地理系統(tǒng)和地理實體

介紹地理系統(tǒng)和地理實體的概念。二、實體的描述及存儲

介紹空間實體描述的內容，空間數(shù)據(jù)的基本特征、空間數(shù)據(jù)類型和空間數(shù)據(jù)存儲方式。三、實體的空間特征

空間特征是地理實體所特有的特征，是GIS數(shù)據(jù)組織、處理和維護的難點所在，可以從空間維數(shù)，空間特征類型和實體類型組合三個方面來考察。四、實體間的空間關系

實體間空間關系對于地理信息系統(tǒng)查詢和空間分析具有重要意義。在此闡述空間關系的類型，和拓撲空間關系的定義、種類、表達及意義。一、地理系統(tǒng)和地理實體

地理信息來源于地理系統(tǒng)。著名數(shù)學家錢學森曾指出：地理系統(tǒng)是一個開放的復雜巨系統(tǒng)。所謂開放性是指地理系統(tǒng)與其它系統(tǒng)有關聯(lián)，有物質和信息的交往，不是一個封閉系統(tǒng)；復雜巨系統(tǒng)是指地理系統(tǒng)有成千上萬的種類繁多的子系統(tǒng)。

抽象是人們觀察和分析復雜事物和現(xiàn)象的常用手段之一。將地理系統(tǒng)中復雜的地理現(xiàn)象進行抽象得到的地理對象稱為地理實體或空間實體、空間目標，簡稱實體(Entity)。實體現(xiàn)實世界中客觀存在的，并可相互區(qū)別的事物。實體可以指個體，也可以指總體，即個體的集合.抽象的程度與研究區(qū)域的大小、規(guī)模不同而有所不同，如在一張小比例尺的全國地圖中，武漢市被抽象為一個點狀實體，抽象程度很大；而在較大比例尺的武漢市地圖上，需要將武漢市的街道、房屋詳盡地表示出來，武漢市則被抽象為一個由簡單點、線、面實體組成的龐大復雜組合實體，其抽象程度較前者而言較小。所以說，實體是一個具體有概括性、復雜性、相對意義的概念。二、實體的描述和存儲

從實體需要描述的內容到計算機具體如何存儲實體的過程見圖2-1-1。

在地理信息系統(tǒng)中，根據(jù)具體要求需要描述實體各個側面如名稱、位置、形狀和獲取這些信息的方法、時間和質量等，記錄實體的這些描述內容的空間數(shù)據(jù)具有三個基本特征：空間特征、屬性特征和時間特征，根據(jù)反映實體特征的不同，空間數(shù)據(jù)可分為不同的類型：幾何數(shù)據(jù)、關系數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)，而不同類型的空間數(shù)據(jù)在計算機中是以不同的空間數(shù)據(jù)結構存儲的。1、空間實體的描述

通常需要從如下方面對地理實體進行描述：

1)編碼:用于區(qū)別不同的實體，有時同一個實體在不同的時間具有不同的編碼，如上行和下行的火車。編碼通常包括分類碼和識別碼。分類碼標識實體所屬的類別，識別碼對每個實體進行標識，是唯一的，用于區(qū)別不同的實體。

2)位置:通常用坐標值的形式(或其它方式)給出實體的空間位置。

3)類型:指明該地理實體屬于哪一種實體類型，或由哪些實體類型組成。

4)行為:指明該地理實體可以具有哪些行為和功能。

5)屬性:指明該地理實體所對應的非空間信息，如道路的寬度、路面質量、車流量、交通規(guī)則等。

6)說明:用于說明實體數(shù)據(jù)的來源、質量等相關的信息。

7)關系:與其它實體的關系信息。2、空間數(shù)據(jù)的特征

空間數(shù)據(jù)具有三個基本特征（圖2-1-2)：圖2-1-2空間數(shù)據(jù)的基本特征

1)屬性特征——用以描述事物或現(xiàn)象的特性，即用來說明“是什么”，如事物或現(xiàn)象的類別、等級、數(shù)量、名稱等。

2)空間特征——用以描述事物或現(xiàn)象的地理位置，又稱幾何特征、定位特征，如界樁的經(jīng)緯度等。

3)時間特征——用以描述事物或現(xiàn)象隨時間的變化，例如人口數(shù)的逐年變化。

由于空間實體具有上述特征，所以在GIS中的表示是非常復雜的。目前的GIS還較少考慮到空間數(shù)據(jù)的時間特征，只考慮其屬性特征與空間特征的結合。實際上，由于空間數(shù)據(jù)具有時間維，過時的信息雖不具有現(xiàn)勢性，但卻可以作為歷史性數(shù)據(jù)保存起來，因而就會大大增加GIS表示和處理數(shù)據(jù)的難度。3、空間數(shù)據(jù)的類型

根據(jù)空間數(shù)據(jù)的特征，可以把空間數(shù)據(jù)歸納為三類：

1)屬性數(shù)據(jù)——描述空間數(shù)據(jù)的屬性特征的數(shù)據(jù)，也稱非幾何數(shù)據(jù)。即說明“是什么”，如類型、等級、名稱、狀態(tài)等。

2)幾何數(shù)據(jù)——描述空間數(shù)據(jù)的空間特征的數(shù)據(jù)，也稱位置數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)。即說明“在哪里”，如用X、Y坐標來表示。

3)關系數(shù)據(jù)——描述空間數(shù)據(jù)之間的空間關系的數(shù)據(jù)，如空間數(shù)據(jù)的相鄰、包含等，主要是指拓撲關系。拓撲關系是一種對空間關系進行明確定義的數(shù)學方法。

此外，還有元數(shù)據(jù)，它是描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。在地理空間數(shù)據(jù)中，元數(shù)據(jù)說明空間數(shù)據(jù)內容、質量、狀況和其他有關特征的背景信息，便于數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和用戶之間的交流。

若根據(jù)劃分角度不同，還可將空間數(shù)據(jù)劃分為不同的類型?？臻g數(shù)據(jù)的不同劃分

根據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同分為（據(jù)郭達志等)：

1)幾何圖形數(shù)據(jù)：主要來源于各種類型的地圖和實測幾何數(shù)據(jù)。

2)影象數(shù)據(jù)：主要來源于衛(wèi)星遙感和航空遙感等。

3)屬性數(shù)據(jù)：來源于實測數(shù)據(jù)，文字報表，或地圖中的各類符號說明，以及從遙感數(shù)據(jù)中通過解釋得到的信息等。

4)地形數(shù)據(jù)：來源于地形等高線圖的數(shù)字化，已建立的格網(wǎng)狀的數(shù)字化搞成模型（DTM），或其他形式表示的地形表面（如TIN）等。

在具有智能化的GIS中還應有規(guī)則和知識數(shù)據(jù)。

根據(jù)表示對象的不同分為分為（據(jù)鄔倫等)（圖2-1-3）：

1)類型數(shù)據(jù)：例如考古地點、道路線和土壤類型的分布等；

2)面域數(shù)據(jù)：例如隨機多邊形的中心點、行政區(qū)域界線和行政單元等；

3)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)：例如道路交點、街道和街區(qū)等；

4)樣本數(shù)據(jù)：例如氣象站、航線和野外樣方的分布區(qū)等；

5)曲面數(shù)據(jù)：例如高程點、等高線和等值區(qū)域；

6)文本數(shù)據(jù)：例如地名、河流名稱和區(qū)域名稱；

7)符號數(shù)據(jù)：例如點狀符號、線狀符號和面狀符號（暈線）等；4、空間數(shù)據(jù)結構

數(shù)據(jù)結構即數(shù)據(jù)組織的形式，是適合于計算機存貯、管理、處理的數(shù)據(jù)邏輯結構。換句話說，是指數(shù)據(jù)以什么形式在計算機中存貯和處理。數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律儲存在計算機機中，是計算機正確處理和用戶正確理解的保證。

空間數(shù)據(jù)結構是空間數(shù)據(jù)在計算機中的具體組織方式。目前尚無一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構能夠同時存儲上述各種類型的數(shù)據(jù)，而是將不同類型的空間數(shù)據(jù)以不同的數(shù)據(jù)結構存儲（圖2-1-1）。一般來說，屬性數(shù)據(jù)與其他信息系統(tǒng)一樣常用二維關系表格形式存儲。元數(shù)據(jù)以特定的空間元數(shù)據(jù)格式存儲，而描述地理位置及其空間關系的空間特征數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)所特有的數(shù)據(jù)類型，主要以矢量數(shù)據(jù)結構和柵格數(shù)據(jù)結構兩種形式存儲。三、實體的空間特征

可用空間維數(shù)、空間特征類型和空間類型組合方式說明實體的空間特征。1、空間維數(shù)

有零維、一維、二維、三維之分，對應著不同的空間特征類型：點、線、面、體。在地圖中實體維數(shù)的表示可以改變。如一條河流在小比例尺地圖上是一條線（單線河），在大比例尺圖上是一個面（雙線河）。2、空間特征類型

1）點狀實體：點或節(jié)點、點狀實體。點：有特定位置，維數(shù)為0的物體。具體有下列類型的點：實體點、注記點、內點和節(jié)點等不同類型（圖2-1-4)

2）線狀實體：具有相同屬性的點的軌跡，線或折線，由一系列的有序坐標表示，并長度、彎曲度、方向性等特性，線狀實體包括線段，邊界、鏈、弧段、網(wǎng)絡等。

3）面狀實體（多邊形）：是對湖泊、島嶼、地塊等一類現(xiàn)象的描述，在數(shù)據(jù)庫中由一封閉曲線加內點來表示。具有面積、范圍、周長、獨立性或與其它地物相鄰、內島嶼或鋸齒狀外形、重疊性與非重疊性等特性。

4）體、立體狀實體：用于描述三維空間中的現(xiàn)象與物體，它具有長度、寬度及高度等屬性，立體狀實體一般具有體積、每個二維平面的面積、內島、斷面圖與剖面圖等空間特征。3、實體類型組合

現(xiàn)實世界的各種現(xiàn)象比較復雜，往往由上述不同的空間類型組合而成，例如根據(jù)某些空間類型或幾種空間類型的組合將空間問題表達出來（圖2-1-5），復雜實體由簡單實體組合表達。四、空間關系

空間關系是指各空間實體之間的空間關系，包括拓撲空間關系，順序空間關系和度量空間關系。由于拓撲空間關系對GIS查詢和分析具有重要意義，在GIS中，空間關系一般指拓撲空間關系。1、定義

拓撲關系是一種對空間結構關系進行明確定義的數(shù)學方法。是指圖形在保持連續(xù)狀態(tài)下變形，但圖形關系不變的性質。可以假設圖形繪在一張高質量的橡皮平面上，將橡皮任意拉伸和壓縮，但不能扭轉或折疊，這時原來圖形的有些屬性保留，有些屬性發(fā)生改變，前者稱為拓撲屬性，后者稱為非拓撲屬性或幾何屬性(表2-1-1)。這種變換稱為拓撲變換或橡皮變換。2、拓撲關系的種類

點(結點)、線(鏈、弧段、邊)、面(多邊形)三種要素是拓撲元素。它們之間最基本的拓撲關系是關聯(lián)和鄰接。

1)關聯(lián)：不同拓撲元素之間的關系。如結點與鏈，鏈與多邊形等。

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