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  • 回复:5 浏览:15499 2008-06-05 10:54 来自 刚刚

    第一章 绪论

        本章概述本章主要为深入学习地理信息系统的具体技术和方法打基础,介绍地理信息系统所涉及的一些基本概念,回答什么是地理信息系统,地理信息系统有哪些组成部分,地理信息系统能做什么,地理信息系统的过去和今后怎样发展等问题。

    §1.1 地理信息系统的概念

        首先介绍一个地理信息系统应用实例,之后给出信息与数据,地理信息与地学信息,信息系统与地理信息系统等基本概念,最后阐述地理信息系统与其它信息系统的关系和区别。

    §1.2 地理信息系统的组成

        介绍地理信息系统的五个主要组成部分:系统硬件,系统软件,空间数据,应用人员和应用模型。

    §1.3 地理信息系统的功能和应用

        介绍地理信息系统的具备的基本功能和主要的一些应用领域。

    §1.4 地理信息系统的发展

        介绍地理信息系统在国际、国内的发展状况和今后的发展趋势。

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    §1.2 地理信息系统的组成

        一个实用的GIS系统,要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能,其基本组成一般包括以下五个主要部分:

    一、系统硬件:包括各种硬件设备,是系统功能实现的物质基础;

    二、系统软件:支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统;

    三、空间数据:系统分析与处理的对象,构成系统的应用基础;

    四、应用人员:GIS服务的对象,分为一般用户和从事建立、维护、管理和更新的高级用户;

    五、应用模型:解决某一专门应用的应用模型,是GIS技术产生社会经济效益的关键所在

        各组成部分之间的关系如1-2-1所示。

    一、系统硬件

        GIS硬件平台的基本类型如图1-2-2所示,用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据。计算机与一些外部设备及网络设备的联接构成GIS的硬件环境。

    1、计算机是GIS的主机:它是硬件系统的核心,包括从主机服务器到桌面工作站,用作数据的处理、管理与计算。

    2、GIS外部设备:包括输入设备即数字化仪、扫描仪和全站型测量仪器等;

    3、输出设备:即绘图仪、打印机和高分辨率显示装置等;

    4、GIS的网络设备:包括布线系统、网桥、路由器和交换机等,具体的网络设备根据网络计算的体系结构来确定。

    5、数据存贮与传送设备,即磁带机、光盘机、活动硬盘和硬盘阵列等。

    二、系统软件

        GIS软件是系统的核心,用于执行GIS功能的各种操作,包括数据输入、处理、数据库管理、空间分析和图形用户界面(GUI)等。按照其功能分为:GIS专业软件数据库软件系统管理软件等,其层次结构见图1-2-5。

    1、GIS专业软件

         GIS专业软件一般指具有丰富功能的通用GIS软件,它包含了处理地理信息的各种高级功能,可作为其他应用系统建设的平台。其代表产品有ARC/INFO、MGE、MAPINFO、MAPGIS、GEOSTAR等。它们一般都包含有以下的主要核心模块:

        数据输入和编辑:支持数字化仪手扶跟踪数字化、图形扫描及矢量化,以及对图形和属性数据提供修改和更新等编辑操作;

        空间数据管理:能对大型的、分布式的、多用户数据库进行有效的存储检索和管理;数据处理和分析能转换各种标准的矢量格式和栅格格式数据,完成地图投影转换,支持各类空间分析功能等;

        数据输出:提供地图制作、报表生成、符号生成、汉字生成和图像显示等;

        用户界面:提供生产图形用户界面工具,使用户不用编程就能制作友好和美观的图形用户界面;

        系统二次开发能力:利用提供的应用开发语言,可编写各种复杂的GIS应用系统。

    2、数据库软件

        数据库软件除了在GIS专业软件中用于支持复杂空间数据的管理软件以外,还包括服务于以非空间属性数据为主的数据库系统,这类软件有:ORACLE,SYBASE,INFORMIX,DB2,SQL Server,Ingress等。它们也是GIS软件的重要组成部分,而且由于这类数据库软件具有快速检索、满足多用户并发和数据安全保障等功能,目前已实现在现成的关系型商业数据库中存储GIS的空间数据,例如SDE(Spatical Database Engine)就是最好的解决方案。

    3、系统管理软件

        系统管理软件主要指计算机操作系统,当今使用的操作系统有:MS-DOS,UNIX,Windows95/98/2000,Windows NT,VMS等。它们关系到GIS软件和开发语言使用的有效性,因此也是GIS软硬件环境的重要组成部分。

    三、空间数据

        空间数据是地理信息的载体,是地理信息系统的操作对象,它具体描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征是指地理实体的空间位置及其相互关系;属性特征表示地理实体的名称、类型和数量等;时间特征指实体随时间而发生的相关变化。

        根据地理实体的空间图形表示形式,可将空间数据抽象为点、线、面三类元素,它们的数据表达可以采用矢量和栅格两种组织形式,分别称为矢量数据结构栅格数据结构

        在地理信息系统中,空间数据是以结构化的形式存储在计算机中的,称为地理空间数据库。数据库由数据库实体和数据库管理系统组成。数据库实体存储有许多数据文件和文件中的大量数据,而数据库管理系统主要用于对数据的统一管理,包括查询、检索、增删、修改和维护等。

        由于GIS数据库存储的数据包含空间数据和属性数据,它们之间具有密切的联系。因此,如何实现两者之间的联接、查询和管理,是GIS数据库管理系统必须解决的重要问题。目前采用的解决方法有混合式扩展式开放式三种方式。

    四、应用人员

        GIS应用人员包括系统开发人员和GIS技术的最终用户,他们的业务素质和专业知识是GIS工程及其应用成败的关键(图1-2-6)

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        图1-2-6 地理信息系统开发失败的因素构成

        GIS的开发是一项以人为本的系统工程,包括用户机构的状况分析和调查,机构GIS系统开发目标的确定,系统开发的可行性分析,系统开发方案的选择和总体设计书的撰写等。开发人员要特别重视对用户机构的状况和要求进行具体分析,切忌只注重技术的细节。

        系统开发过程中,对具体开发策略的确定、系统软硬件的选型和空间数据库的建立等问题的解决,系统开发人员必须根据GIS工程建设的特点和要求,并在深入调查研究的基础上,使确定的开发策略能适应GIS用户随时变化的需求,使系统的软硬件投入能获得较高的效益回报,以及使建立的数据库能具有完善的质量保证。

        在使用GIS时,应用人员不仅需要对GIS技术和功能有足够的了解,而且需要具备有效、全面和可行的组织管理能力,尤其在当前GIS技术发展十分迅速的情况下,为使现行系统始终处于优化的运作状态,其组织管理和维护的任务包括:GIS技术和管理人员的技术培训,硬件设备的维护和更新,软件功能扩充和升级,操作系统升级,数据更新,文档管理,系统版本管理和数据共享性建设等。

    五、应用模型

        GIS应用模型的构建和选择也是系统应用成败至关重要的因素。虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具,但对于某一专门应用目的的解决,必须通过构建专门的应用模型,例如土地利用适宜性模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型等。

        这些应用模型是客观世界中相应系统经由观念世界到信息世界的映射,反映了人类对客观世界利用改造的能动作用,并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在,也是GIS生命力的重要保证,因此在GIS技术中占有十分重要的地位。

        构建GIS应用模型,首先必须明确用GIS求解问题的基本流程(图1-2-7);其次根据模型的研究对象和应用目的,确定模型的类别、相关的变量、参数和算法,构建模型逻辑结构框图;然后确定GIS空间操作项目和空间分析方法;最后是模型运行结果的验证、修改和输出。

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        图1-2-7 用GIS求解问题的基本流程

        显然,应用模型是GIS与相关专业连接的纽带,它的建立绝非是纯数学或技术性问题,而必须以坚实而广泛的专业知识和经验为基础,对相关问题的机理和过程进行深入的研究,并从各种因素中找出其因果关系和内在规律,有时还需要采用从定性到定量的综合集成法,这样才能构建出真正有效的GIS应用模型。

    【文中词汇解释】

    GIS主机

     

        目前运行GIS的主机,包括大型、中型、小型机,工作站、服务器/客户机和微型计算机。其中各种类型的服务器/客户机成为GIS的主流,特别是由Intel硬件和Windows NT构成的PC工作站正成为工作站市场的新宠,传统UNIX阵营的用户正在逐渐向它转移。NT工作站对GIS用户的吸引力,包括相对低成本、可管理性、标准图形化平台和具有PC结构与效率等,因此广泛应用于GIS和某些科学应用领域。

        例如,ARC/INFO、INTERGRAPH、MAPINFO和GENAMAP等主流GIS产品,都相继开发出其NT版本,但目前功能与UNIX版相比仍有待提升。服务器作为在网络环境下提供资源共享的主流计算机产品,具有可靠性、高性能、高吞吐能力、大内存容量等特点,具备强大的网络功能和友好的人机界面,是以网络为中心的GIS和现代计算环境的关键,其中以低价格和高性能为特点的PC服务器,正在迅速缩小与UNIX服务器之间的差距,日益引起GIS设计者和用户的广泛关注。

        目前,GIS工作站和服务器主要有UNIX和NT两大类型,其产品包括SUN、HP、IBM、SGI和COMPAQ等,不同种类机型的界线逐渐模糊。由于服务器/客户机环境的流行,多媒体技术的发展,以及计算机与通讯技术的融合,促使GIS向不依赖于平台的方向发展,GIS软件标准逐渐统一。

    GIS外部设备

     

        GIS外部设备主要包括各种输入输出设备。主要的输入设备有图形跟踪数字化仪图形扫描仪解析和数字摄影测量设备等。

        图形跟踪数字化仪尽管成本高、工序繁琐、对操作人员素质要求较高,但至今仍为空间数据采集的主要方式。市场上出售的数字化仪,例如Calcomp DrawingBoard系统数字化仪,其有效面积从12inch×12inch(305mm×305mm)到44inch×60inch(1118mm×1524mm),有多种配置可供选择,如不透光的或带背光的板面,有线或无线的,笔式或鼠标式定标器,和所有的应用软件都能兼容。用户可用命令设置数字化板的菜单和定标器的按键,操作模式有:Prompt, Point, Run , Line, Track, Increment , Mouse, Delta, Grid Update等。图形数字化仪由电磁感应板、游标和相应的电子线路组成。当使用者在电磁感应板上移动游标的十字丝交点对准指定图形的点位时,按动相应的按钮,数字化仪便将对应的命令符号和该点的坐标(X,Y)通过接口(多用串行接口)电路传送给计算机,定位点的精度可达0.005~0.001inch(0.13~0.025mm)。手扶跟踪数字化仪的速度慢,工作效率较低,而栅格数据的获取则相对容易得多。

        目前新一代大幅面图形扫描仪提供高分辨率、真彩色、近乎完美的图像效果,其中ANATech公司为用户提供了一整套应用于各领域的高精度大幅面扫描仪以及相配套应用软件,是图形、图像数据录入和采集最有效的工具之 一。ANATech系列扫描仪包括:

        Evolution SLI3840高速大幅面扫描仪;

        Evolution 4080ET超大幅面高分辨率扫描仪;

        Evolution 4080C超大幅面高分辨率彩色扫描仪;

        Evolution 4240超大幅面扫描仪;

        Evolution 4240C超大幅面彩色扫描仪;

        Evolution 3840大幅面扫描仪扫描一幅A0图纸的时间仅需15s,精度为0.05%,失真率小于0.1%。用户可在800dpi范围内任选扫描分辨率,可以按黑白二值或256级灰度方式扫描,可以边显示边扫描,并具有实时消蓝去污功能。根据用户需求可以实现自动补线、校正、镜像、反转等功能。地图扫描数字化得到图像信息,然后再经过目标识别和由栅格到矢量的转换过程,如图1-2-3所示。

    GIS输出设备

     

        主要的输出设备有各种绘图仪、图形显示终端和打印机等。

        绘图仪如HP DesignJet750C彩色喷墨绘图仪,是一种快速、可靠、便于连网且可在多种介质上进行高质量输出的绘图仪,是目前广泛使用的主流GIS产品输出设备。它采用根据对象空间分布形式和输出产品的特征,选择适当的图形表示方法、结合色彩、线条、符号、文字等表示手段,具有600dpi分辨率的高精度黑白输出,彩色输出在300dpi时,颜色可多达1 600多种,可获得极高清晰度的绘图质量。

        图形显示终端用于图形的交互式输入、编辑、分析、处理和输出。目前有多种系列和型号的显示终端,如Teltronix公司生产的4128、4335型,与IBM-PC机兼容的SGS-430三维转换器等。GIS还有多种表格、文字的数据需要输出,可利用多种打印机完成。打印机的类型有针式打印机、激光打印机、液晶打印机等。HP Design Jet彩色打印机还能打印出丰富绚丽的彩色图形和细腻的文字。

    GIS网络设备

     

        20世纪90年代以来,计算机技术的飞速发展不断改变着GIS的结构体系,从主机及终端结构到Client/Server,再到Internet/Intranet。目前,基于服务器/客户机体系结构并在局域网、广域网或因特网支持下的分布式系统结构(图1-2-4)已经成为GIS硬件系统的发展趋势,因此,网络设备和计算机通讯线路的设计成为GIS硬件环境的重要组成部分。

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    图1-2-4 分布式GIS的体系结构

        网络设备包括布线系统、网桥、路由器和交换机等。在进行GIS网络设计时,必须首先确定网络应用的需求,然后具体考虑网络类型、互联设备、网络操作系统和服务器的选择,以及网络拓扑结构、网络布线和网络安全性保障等。只有通过对新技术的深刻理解、对新产品的广泛关注以及对应用需求的准确把握,才能设计出一个合理的GIS网络。

  • 赖文华(SWPU小赖)
    2008-06-14 21:41 赖文华(SWPU小赖)
    不错,初识GIS
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  • 薰坛
    2009-06-15 10:32 薰坛
    这不是课本上的吗?
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  • zmt
    2011-06-12 12:49 zmt
    gis地理信息系统
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  • stewen
    2012-03-16 16:37 stewen
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  • jixu
    2014-12-30 09:07 jixu
    很好。谢谢了!
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