gis[地理信息系統]

gis[地理信息系統]

地理信息系統(Geographic Information System,簡稱GIS)作為獲取、處理、管理和分析地理空間數據的重要工具、技術和學科,近年來得到了廣泛關注和迅猛發展。從技術和套用的角度,GIS是解決空間問題的工具、方法和技術;從學科的角度,GIS是在地理學、地圖學、測量學和計算機科學等學科基礎上發展起來的一門學科,具有獨立的學科體系;從功能上,GIS具有空間數據的獲取、存儲、現示、編輯、處理、分析、輸出和套用等功能;從系統學的角度,GIS具有一定結構和功能,是一個完整的系統。是一門綜合性學科,結合地理學與地圖學以及遙感和計算機科學,已經廣泛的套用在不同的領域,是用於輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統,隨著GIS的發展,也有稱GIS為“地理信息科學”(Geographic Information Science),近年來,也有稱GIS為“地理信息服務”(Geographic Information service)。

基本信息

歷史發展

古往今來,幾乎人類所有活動都是發生在地球上,都與地球表面位置(即地理空間位置)息息相關,隨著計算機技術的日益發展和普及,地理信息系統(Geography Information System,GIS)以及在此基礎上發展起來的“數字地球”、“數字城市”在人們的生產和生活中起著越來越重要的作用。

GIS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,開發處理程式。 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負作用。

數據,精確的可用的數據可以影響到查詢和分析的結果。

硬體,硬體的性能影響到軟體對數據的處理速度,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、影像處理及其它程式。

地理信息系統的組成 地理信息系統的組成

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屬於信息系統的一類,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,提供空間要素的信息。

地理信息系統(GIS)與全球定位系統(GPS)、遙感系統(RS)合稱3S系統。

地理信息系統(GIS) 是一種具有信息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、和顯示地理參考信息的計算機系統。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。

地理信息系統(GIS)技術能夠套用於科學調查、資源管理、財產管理、發展規劃、繪圖和路線規劃。例如,一個地理信息系統(GIS)能使應急計畫者在自然災害的情況下較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不受污染的濕地。

地理數據和地理信息

結合Google和網頁功能的地理資訊系統架構 結合Google和網頁功能的地理資訊系統架構

什麼是信息(Information)?1948年,美國數學家、資訊理論的創始人香農(Claude Elwood Shannon)在題為《通訊的數學理論》的論文中指出:“信息是用來消除隨機不定性的東西”; 1948年,美國著名數學家、控制論的創始人維納(Norbert Wiener)在《控制論》一書中,指出:“信息就是信息,既非物質,也非能量。” 狹義資訊理論將信息定義為“兩次不定性之差”,即指人們獲得信息前後對事物認識的差別;廣義資訊理論認為,信息是指主體(人、生物或機器)與外部客體(環境、其他人、生物或機器)之間相互聯繫的一種形式,是主體與客體之間的一切有用的訊息或知識。我們認為信息是通過某些介質向人們(或系統)提供關於現實世界新的事實的知識,它來源於數據且不隨載體變化而變化,它具有客觀性、實用性、傳輸性和共享性的特點 。

信息與數據既有區別,又有聯繫。數據是定性、定量描述某一目標的原始資料,包括文字、數字、符號、語言、圖像、影像等,它具有可識別性、可存儲性、可擴充性、可壓縮性、可傳遞性及可轉換性等特點。信息與數據是不可分離的,信息來源於數據,數據是信息的載體。數據是客觀對象的表示,而信息則是數據中包含的意義,是數據的內容和解釋。對數據進行處理(運算、排序、編碼、分類、增強等)就是為了得到數據中包含的信息。數據包含原始事實,信息是數據處理的結果,是把數據處理成有意義的和有用的形式。

地理信息作為一種特殊的信息,它同樣來源於地理數據。地理數據是各種地理特徵和現象間關係的符號化表示,是指表征地理環境中要素的數量、質量、分布特徵及其規律的數字、文字、圖像等的總和。地理數據主要包括空間位置數據、屬性特徵數據及時域特徵數據三個部分。空間位置數據描述地理對象所在的位置,這種位置既包括地理要素的絕對位置(如大地經緯度坐標),也包括地理要素間的相對位置關係(如空間上的相鄰、包含等)。屬性數據有時又稱非空間數據,是描述特定地理要素特徵的定性或定量指標,如公路的等級、寬度、起點、終點等。時域特徵數據是記錄地理數據採集或地理現象發生的時刻或時段。時域特徵數據對環境模擬分析非常重要,正受到地理信息系統學界越來越多的重視。空間位置、屬性及時域特徵構成了地理空間分析的三大基本要素。

地理信息是地理數據中包含的意義,是關於地球表面特定位置的信息,是有關地理實體的性質、特徵和運動狀態的表征和一切有用的知識。作為一種特殊的信息,地理信息除具備一般信息的基本特徵外,還具有區域性、空間層次性和動態性特點。

當今社會,人們非常依賴計算機以及計算機處理過的信息。在計算機時代,信息系統部分或全部由計算機系統支持,因此,計算機硬體、軟體、數據和用戶是信息系統的四大要素。其中,計算機硬體包括各類計算機處理及終端設備;軟體是支持數據信息的採集、存貯加工、再現和回答用戶問題的電腦程式系統;數據則是系統分析與處理的對象,構成系統的套用基礎;用戶是信息系統所服務的對象。

從20世紀中葉開始,人們就開始開發出許多計算機信息系統,這些系統採用各種技術手段來處理地理信息,它包括:

○ 數位化技術:輸入地理數據,將數據轉換為數位化形式的技術;

○ 存儲技術:將這類信息以壓縮的格式存儲在磁碟、光碟、以及其他數位化存儲介質上的技術;

○ 空間分析技術:對地理數據進行空間分析,完成對地理數據的檢索、查詢,對地理數據的長度、面積、體積等的量算,完成最佳位置的選擇或最佳路徑的分析以及其他許多相關任務的方法;

○ 環境預測與模擬技術:在不同的情況下,對環境的變化進行預測模擬的方法;

○ 可視化技術:用數字、圖像、表格等形式顯示、表達地理信息的技術。

這類系統共同的名字就是地理信息系統(GIS , Geographic Information System),它是用於採集、存儲、處理、分析、檢索和顯示空間數據的計算機系統。與地圖相比,GIS具備的先天優勢是將數據的存儲與數據的表達進行分離,因此基於相同的基礎數據能夠產生出各種不同的產品。

由於不同的部門和不同的套用目的,GIS的定義也有所不同。當前對GIS的定義一般有四種觀點:即面向數據處理過程的定義、面向工具箱的定義、面向專題套用的定義和面向資料庫的定義。Goodchild把GIS定義為“採集、存貯、管理、分析和顯示有關地理現象信息的綜合技術系統”。Burrough認為“GIS是屬於從現實世界中採集、存儲、提取、轉換和顯示空間數據的一組有力的工具”,俄羅斯學者也把GIS定義為“一種解決各種複雜的地理相關問題,以及具有內部聯繫的工具集合”。面向資料庫是定義則是在工具箱定義的基礎上,更加強調分析工具和資料庫間的連線,認為GIS是空間分析方法和數據管理系統的結合。面向專題套用的定義是在面向過程定義的基礎上,強調GIS所處理的數據類型,如土地利用GIS、交通GIS等;我們認為地理信息系統它是在計算機硬、軟體系統支持下,對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布數據進行採集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。它和其他計算系統一樣包括計算機硬體、軟體、數據和用戶四大要素。只不過GIS中的所有數據都具有地理參照,也就是說,數據通過某個坐標系統與地球表面中的特定位置發生聯繫。

地理信息系統簡稱GIS,多數人認為是Geographical Information System(地理信息系統),也有人認為是Geo-information System(地學信息系統)等等。人們對GIS理解在不斷深入,內涵在不斷拓展,“GIS”中,“S”的含義包含四層意思:

一是系統(System),是從技術層面的角度論述地理信息系統,即面向區域、資源、環境等規劃、管理和分析,是指處理地理數據的計算機技術系統,但更強調其對地理數據的管理和分析能力,地理信息系統從技術層面意味著幫助構建一個地理信息系統工具,如給現有地理信息系統增加新的功能或開發一個新的地理信息系統或利用現有地理信息系統工具解決一定的問題,如一個地理信息系統項目可能包括以下幾個階段:

(1)定義一個問題;

(2)獲取軟體或硬體;

(3)採集與獲取數據;

(4)建立資料庫;

(5)實施分析;

(6)解釋和展示結果。

這裡的地理信息系統技術(Geographic information technologies)是指收集與處理地理信息的技術,包括全球定位系統(GPS)、遙感(Remote Sensing)和GIS。從這個含義看,GIS包含兩大任務,一是空間數據處理;二是GIS套用開發。

二是科學(Science),是廣義上的地理信息系統,常稱之為地理信息科學,是一個具有理論和技術的科學體系,意味著研究存在於GIS和其它地理信息技術後面的理論與觀念(GIScience)。

三是代表著服務(Service),隨著遙感等信息技術、網際網路技術、計算機技術等的套用和普及,地理信息系統已經從單純的技術型和研究型逐步向地理信息服務層面轉移,如導航需要催生了導航GIS的誕生,著名的搜尋引擎Google也增加了Google Earth功能,GIS成為人們日常生活中的一部分。當同時論述GIS技術、GIS科學或GIS服務時,為避免混淆,一般用GIS表示技術,GIScience或GISci表示地理信息科學,GIService或GISer表示地理信息服務。

四是研究(Studies),即GIS= Geographic Information Studies,研究有關地理信息技術引起的社會問題(societal context),如法律問題(legal context),私人或機密主題,地理信息的經濟學問題等。

因此,地理信息系統(Geographic Information System,GIS)是一種專門用於採集、存儲、管理、分析和表達空間數據的信息系統,它既是表達、模擬現實空間世界和進行空間數據處理分析的“工具”,也可看作是人們用於解決空間問題的“資源”,同時還是一門關於空間信息處理分析的“科學技術” 。

史前

15,000年前,在拉斯考克(Lascaux)附近的洞穴牆壁上,法國的Cro Magnon獵人畫下了他們所捕獵動物的圖案。與這些動物圖畫相關的是一些描述遷移路線和軌跡線條和符號。這些早期記錄符合了現代地理資訊系統的二元素結構:一個圖形檔案對應一個屬性資料庫。

18世紀

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位置。 他對霍亂分布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一個被污染的公共水泵。 約翰·斯諾將泵斷開,最終終止了疫情爆發。

20世紀初期

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和另一層表示水。這技術特別用於印刷輪廓-繪製,這是一個勞力集中的任務,但他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。這項工作最初是玻璃板上繪製,後來,塑膠薄膜被引入,具有更輕,使用較少的存儲空間,柔韌等等的優勢。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信息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信息系統 - 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

GIS之父:羅傑·湯姆林森 GIS之父:羅傑·湯姆林森

60年代早期,在核武器研究的推動下,計算機硬體的發展導致通用計算機“繪圖”的套用。

1967年,世界上第一個真正投入套用的地理信息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信息系統(CGIS ) ,用於存儲,分析和利用加拿大土地統計局( CLI,使用的1:50,000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信息,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“計算機製圖”套用的改進版,它提供了覆蓋,資料數位化/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”,並在單獨的檔案中存儲屬性和區位信息。由於這一結果,湯姆林森已經成為稱為“地理信息系統之父”,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套用。

CGIS一直持續到20世紀70年代才完成,但耗時太長,因此在其發展初期,不能與如Intergraph這樣的銷售各種商業地圖套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位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未被套用於商業 。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,並結合了對空間和屬性信息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入資料庫結構。20世紀80年代和90年代產業成長刺激了套用了GIS的UNIX工作站和個人計算機飛速增長。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。並且用戶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。

特點

公共的地理定位基礎;

具有採集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力;

系統以分析模型驅動,具有極強的空間綜合分析和動態預測能力,並能產生高層次的地理信息;

以地理研究和地理決策為目的,是一個人機互動式的空間決策支持系統。

1.

公共的地理定位基礎;

2.

具有採集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力;

3.

系統以分析模型驅動,具有極強的空間綜合分析和動態預測能力,並能產生高層次的地理信息;

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以地理研究和地理決策為目的,是一個人機互動式的空間決策支持系統。

產品分類

按功能

專題地理信息系統(Thematic GIS)

區域地理信息系統(Regional GIS)

地理信息系統工具(GIS Tools)

按內容

城市信息系統

自然資源查詢信息系統

規劃與評估信息系統

土地管理信息系統等

GIS中使用的技術

實現方法

信息來源

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幹涸。一個GIS系統就能夠進行這樣的分析,它能夠將不同來源的信息以不同的形式套用。對於源數據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信息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信息層。

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信息層的地圖形式。

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二個抽象概念: 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(格線)和矢量。

柵格(格線)數據由存放唯一值存儲單元的行和列組成。它與柵格(格線)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格線寬度。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的記錄對於這些連線成一個由三角形構成的不規則格線的點進行評估。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。柵格數據設定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信息。在柵格數據中單元值可存儲屬性信息,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感測器組成。感測器包括攝像機、數字掃瞄器和雷射雷達,而平台則通常由航空器和衛星構成。 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。 衛星遙感提供了空間數據的另一個重要來源。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,這包括關於在系統中的對象的附加信息。

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。

系統轉換

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,有些模型套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信息的數學方法,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)

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(怎么樣?)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組外,也有一些專用的空間分析軟體,如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。

建模系統

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能夠將反映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這種空間關係。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線(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,那么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路(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

地理信息只是一堆數字紀錄,需要有合適的軟體去把它表示出來;與此同時,地理信息資料庫的建立,亦有賴合適軟體的幫助,把地理數據信息化。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信息,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偏重地域中心,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,讓用戶通過這些界面及其系統建立各自的地理資訊信息頁面。這些編程界面,有利用VBA或JavaScript的。讓用戶很容易就可以提供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信息。

移動GIS

通過與流動裝置的結合,地理資訊系統可以為用戶提供即時的地理信息。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信息的資料庫。這個資料庫利用矢量表示行車的路線、方向、路段等信息,又利用網路拓撲的概念來決定最佳行走路線。地理數據檔案(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套用了地圖資源資料庫管理。

RTK

移動定位系統,精確定位誤差厘米級。

開源軟體

gvSIG是一個基於JAVA的桌面地理信息系統,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。

開發工具

組件式工具

組件式GIS開發工具是計算機技術發展的產物,代表了GIS開發的發展方向。它不僅有標準的開發平台和簡單易用的標準接口,還可以實現自由、靈活的重組。組件式GIS開發工具的核心技術是微軟的組件對象模型(COM)技術,新一代組件式GIS開發工具多是採用ActiveX控制項技術實現的。比較常見的組件式GIS開發工具有:TatukGIS公司的Developer Kernel、ThinkGeo公司的Map Suite GIS、Intergraph 公司推出的Geomedia,ESRI公司推出的MapObjects,GEOCONCEPT集團推出的Geoconcept Development Kits等。

優勢:在無縫集成和靈活性方面優勢明顯。GIS開發者不必掌握專門的GIS系統開發語言,只要熟悉基於Windows平台的通用集成開發環境,了解控制項的屬性、方法和事件,就可以實現GIS系統開發了。

集成式工具

集成式GIS開發工具意思是集合了各種功能模組的GIS開發包。比較常見的有:ESRI公司推出的ArcGIS、MapInfo 公司的MapInfo、GEOCONCEPT集團的Geoconcept等。

優勢:各項功能已形成獨立的完整系統,提供了強大的數據輸入輸出功能、空間分析功能、良好的圖形平台和可靠性能,缺點是系統複雜、龐大和成本較高,並且難於與其它套用系統集成。

模組式工具

模組式GIS開發工具是把GIS系統按功能分成一些模組來運行。比較常見的有:Intergraph公司的MGE。

優勢:開發的GIS系統具有較強的針對性,便於二次開發和套用。

網路工具

WebGIS是指基於Internet平台的GIS地理信息系統,是利用網路技術來擴展和完善GIS地理信息系統的新技術。WebGIS還處於初級發展階段,不過已經有很多公司推出了WebGIS開發工具,TatukGIS公司的Internet Server (IS)、 ThinkGeo公司的Map Suite Web Edition、MapInfo公司的MapInfo ProSever、Intergraph公司的GeoMedia Web Map、GEOCONCEPT集團的Geoconcept Internet Server(GCIS)等。

優勢:開發的GIS系統具有良好的可擴展性和跨平台特性,使GIS真正實現大眾化。

發展空間

許多學科受益於地理信息系統技術。活躍的地理信息系統市場導致了GIS組件的硬體和軟體的低成本和持續改進。這些發展反過來導致這項技術在科學、政府、企業和產業等方面更廣泛的套用,套用包括房地產、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。地理信息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移動設備顯示其位置(最近的餐廳,加油站,消防栓),移動設備(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、pad、筆記本電腦)整合,這些服務繼續發展。

普適品牌

早些年,Esri曾提出“用地理設計美化生活、將地理知識人人共享”的理念。時至如今,Esri已經把這個理念深深融入的其最新發布的ArcGIS 10.1。ArcGIS 10.1將空間信息技術普適化,未來將會深入到每個人的工作和生活中。

“普適的GIS”使束之高閣的GIS從專業人員逐步走向大眾, ArcGIS10.1徹底架起了端到雲的橋樑,使得空間信息的創造者與使用者緊密連線,通過ArcMap、Portal for ArcGIS、雲中ArcGIS Server及移動終端上ArcGIS的App,每個人都可以成為空間信息的分享者和使用者,從而滿足大眾的各種需求。

近兩年,行業普遍認為GIS將朝著專業化、普適化、智慧型化方向發展,普適的GIS無疑將引領地理信息產業未來的發展。普適化計算的開發能夠通過網路和移動設備等為人們提供更多信息服務,提高計算機感知能力,增強社會關聯,具有很強的主動互動和自然互動特點,給人們的生活帶來便捷、簡單、快速的信息套用,且具有可控性,是GIS行業重要的發展趨勢之一。

未來的GIS將會是普適化的GIS,任何人都可以用,在任何的地方,拿著任何的終端都可以訪問GIS服務,而且不局限在專業的終端上,讓普通用戶都可以通過多媒介進行訪問。這也得益於雲計算技術、移動終端等方面的快速發展,讓用戶的更多需求都能夠非常輕鬆的實現。在普適化的環境之下,我們要做的是為大家創造一個GIS的環境,需要把我們的知識和經驗用地圖的方式來表達,讓用戶非常方便的獲得地圖數據。

隨著雲計算、物聯網、移動終端等新技術的快速發展,未來的GIS將會是普適化的GIS,用戶日益多樣的需求將能夠得以輕鬆解決。無論任何人都可以使用,無論在任何的地方,無論拿著任何的終端都可以訪問GIS服務,而不再局限於專業終端上,讓普通用戶都可以通過多重媒介進行訪問。

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定,支持可互操作的解決方案,網路、無線和定位服務和主流IT。讓複雜的空間信息和服務在各種套用可以被授權技術開發人員使用。開放地理聯合會協定包括網路地圖服務WMS和網路功能服務WFS。 地理信息系統由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。 地理信息系統技術標準促進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,地圖套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使得用戶能夠創建自定義的套用。這些工具包一般提供街道地圖,天線/衛星圖像、地理編碼、搜尋和路由的功能。 其他出版網路上的地理信息的套用包括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。

全球氣候變化預測

地圖通常被用於探索地球和開發利用其資源。地理信息系統技術,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。當科學界識別影響氣候變化的人為活動的環境後果時,地理信息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。地理信息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信息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。 一個地理信息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。

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信息系統的數據集成問題中十分有用。相應地,這種技術已被提議作為一種促進GIS套用之間的互操作性和數據重用的手段,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,這使得地理信息系統專注於一個的數據的意義,而不是它的語法或結構。臨時本體是在GIS套用領域開發的,例如由英國地形測量局和美國宇航局噴氣推進實驗室開發的SWEET本體開發得水文本體論。此外,簡單的本體和語義元數據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數據。

社會套用

隨著GIS在決策中的普及,學者們已經開始審議地理信息系統的社會影響。有人認為 ,地理信息的生產、分配、利用和表述的很大程度上與社會環境有關。其他相關議題包括著作權、隱私和審查的討論。較為樂觀的GIS社會套用是將它作為一個公眾參與的工具來套用。

規劃

測繪地理信息發展“十二五”總體規劃綱要

國家測繪地理信息局日前印發了《測繪地理信息發展“十二五”總體規劃綱要》,目標是到2015年,建成數字中國地理空間框架和信息化測繪體系。規劃還提出,爭取把地理信息產業納入國家戰略性新興產業規劃。

統計顯示,截至“十一五”末,我國地理信息產業總值突破1000億元;而到“十二五”末,這一數字有望突破2000億元。倍增的規模將給地理信息產業鏈上下游企業帶來巨大的市場空間。

推進地理信息資源整合

規劃提出,要加快推進地理信息資源整合和數字城市建設。據統計,“十一五”期間,我國數字城市建設試點和推廣城市已達130個。國家測繪地理信息局副局長王春峰表示,“十二五”期間將在全國全面推進數字城市建設,力爭完成全部333個地級市和部分有條件的縣級市的數字城市建設。

國家測繪地理信息局日前發布的2011年測繪工作要點明確要求,進一步加快數字城市建設步伐,力爭在2011年完成100個以上、啟動100個以上數字城市建設,使數字城市覆蓋全國2/3以上的地級城市。業內人士指出,基於這樣的建設速度,未來3-5年,數位化城市管理平台的市場容量將超過100億元。

值得注意的是,“十一五”末,公眾版國家地理信息公共服務平台“天地圖”開通並產生重要影響。規劃提出,“十二五”期間將“天地圖”服務功能延伸到省級和市級,並加大“天地圖”推廣套用工作力度,將其打造成為網際網路內容服務的中國自主品牌。

爭取納入新興產業規劃

規劃還表示將繼續完善產業發展政策,爭取把地理信息產業納入國家戰略性新興產業規劃。鼓勵地理信息企業參與政府採購,推動企業自主創新產品在政府投資項目中的套用,努力實現重大測繪工程中國產裝備使用比例超過50%。

規劃還提出,要深入挖掘基於位置的地理信息服務等方面的市場潛力,大幅度提高地理信息服務業務覆蓋範圍和市場盈利水平。其中包括加大地理信息技術與有關技術的集成套用,培育新的經濟成長點。加大地理信息技術和位置服務產品在電子商務、電子政務、智慧型交通、現代物流等方面的套用;開發基於地理信息的電子遊戲產品、地理信息電視頻道以及基於物聯網的位置服務產品等。

分析人士指出,隨著多項引導性政策的出台,地理信息產業鏈上下游企業將迎來巨大的市場機遇。

巡更套用

地理信息系統(GeographicInformationSystem),簡稱GIS系統。它是在計算機硬、軟體系統支持下,對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布數據進行採集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。GIS通常和GPS結合使用。對於大範圍的、露天的巡更巡檢,巡更人員手持GPS巡檢器,實時接收GPS衛星定位訊息(時間、經緯度),並按預先設定的時間間隔自動傳送或者在特定地點手動傳送定位信息到無線通訊前置機。無線通訊前置機在收到定位信息後將數據傳輸到管理系統平台,系統軟體採用GIS電子地圖技術,動態顯示和回放巡檢軌跡,交由GIS分析可得該巡邏點的詳細信息。

專業設定

培養目標

本專業培養具備地理信息系統與地圖學的基本知識、基本技能,能在科研機構或高等學校從事科學研究或教學工作,能在城市、區域、資源、環境、交通、人口、住房、土地、基礎設施和規劃管理等領域從事與地理信息系統有關的套用研究、技術開發、生產管理和行政管理等工作的地理信息系統高級專門人才。

培養要求

本專業學生主要學習地理信息系統和地圖學、遙感技術方面的基本理論和基本知識,受到套用基礎研究和技術開發方面的科學思維和科學實驗訓練,具有較好的科學素養,具有地理信息系統研究、設計與開發的基本技能及初步的教學、研究、開發和管理能力。

知識能力

1、掌握數學、物理、計算機科學等方面的基本理論和基本知識;

2、掌握地理信息系統和地圖學的基本理論、基本知識和基本實驗技能,以及地理信息系統技術開發的基本原理和基本力法;

3、了解相鄰專業如地理學、資源環境與城鄉規劃管理、測繪工程等的一般原理和方法;

4、了解國家科學技術政策、智慧財產權、可持續發展戰略等有關政策和法規;

5、了解地理信息系統的理論前沿、套用前景和最新發展動態,以及地理信息系統產業發展狀況;

6、掌握資料查詢、文獻檢索及運用現代信息技術獲取相關信息的基本方法;具有-定的實驗設計、創造實驗條件,歸納、整理、分析實驗結果,撰寫論文,參與學術交流的能力。

主幹學科

地理學、地圖學、計算機科學與技術、攝影測量與遙感學、GPS。

主要課程

自然地理學、人文地理學、經濟地理學、地圖學、遙感技術、資料庫技術、地理信息系統原理、地理信息系統設計與套用等。

實踐教學

普通物理實驗、自然地理實習、測量學實習、地圖學實習、GIS原理實驗、空間資料庫設計、空間分析課程設計、GIS項目開發與設計、數字圖像處理實驗、遙感技術與方法實驗等。根據課程要求,最好從一年級時便安排教學實習,也可到高年級時安排。包括室內與野外實習、生產實習和畢業論文等,一般安排10--20周。

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