GIS的應用與研究

摘要:地理信息系統(GIS)隨著信息技術的發展，更加趨于多元化和多學科的交叉發展。該文闡述了GIS的應用理論，應用類型，研究熱點和具體應用分析，并預測分析了GIS今后的發展趨勢。

關鍵詞:地理信息系統;應用理論;技術研究;應用分析

中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)25-7287-03

Application and Research of GIS

ZENG Jiang-yuan

(College of Remote Sensing Information Engineering， Wuhan University， Wuhan 430079， China)

Abstract: With the development of information technology， Geographic Information System (GIS) tending to be more diversified ， multi-disciplinary and cross-cutting. This talks about the application of GIS theory， application type， application of research focus and specific analysis， at the same time， forecasts and analysis the trend of the future development of GIS.

Key words: Geographic Information Systems; the application of theory; technical studies; application analysis

地理信息系統(Geograp hic Information System簡稱GIS)是用于回答具有物質屬性和空間坐標且與時間相關聯問題的藝術、科學、工程和技術的統稱，是以計算機為工具，用來創建和描述地理實體和地理現象及其時空特征和時空關聯特性的數字表達方法。近十多年來，地理信息系統作為集計算機科學、地理科學、測繪科學、環境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學為一體的新興邊緣學科迅速地興起和蓬勃發展。它作為對地域空間分布相關的地理數據及其屬性數據進行采集、存儲、管理、分析的軟件系統和開發工具，是一個圖形與數據完美結合的系統，它不僅能將所需要的數據更形象、更直觀地與圖形緊密聯系起來，而且能把結果以圖形的方式顯示出來，這給管理決策人員更科學、更直觀、更準確、更及時地制定計劃、處理問題提供了依據。

1 GIS 的應用理論

1.1 空間查詢分析

空間查詢分析主要包括基于空間圖形數據的分析運算、基于非空間屬性的數據運算以及空間和非空間數據的聯合運算，目的是解決人們所涉及地理空間的實際問題，提取和傳輸地理空間信息，以便進行輔助決策。空間查詢分析功能是GIS最基本最常用的功能，也是與數字制圖軟件相區別的主要特征。空間查詢分析功能是GIS的主要特征和評價GIS軟件的主要指標之一。

1.2 疊置分析

大部分GIS軟件是以分層的方式組織地理空間目標，將地理空間目標按主題分層提取，同一地區的整個數據層集表達了該地區地理空間目標的內容。每個主題層稱作一個數據層面。數據層面既可以用矢量結構的點、線、面圖層文件格式表達，也可以用柵格結構的圖層文件格式表達。

疊置分析就是把同一地區的兩幅或兩幅以上的圖層重疊在一起進行圖形運算和屬性運算，產生新的空間圖形和屬性的過程。其目的是尋找和確定具有不同地理屬性的要素分布或者按照確定的指標，對疊置后產生的具有不同屬性級的多邊形進行重新分類分級。

疊置分析是GIS最常用的提取空間隱含信息的手段之一。它是GIS中一項非常重要的空間分析功能。人們經常需要了解一個鄉的森林覆蓋面積、一個縣的公路里程以及一個地區的河流密度等等。要知道這些結果，不能僅僅依靠空間查詢，而且需要將地理空間目標進行切割，必要時需要重建拓撲關系，然后進行疊置分析，以致確切地統計出森林覆蓋面積、公路里程和河流密度等屬性數據。

1.3 緩沖區分析

所謂緩沖區就是地理空間目標的一種影響范圍或服務范圍。緩沖區主要有點緩沖區、線緩沖區、面緩沖區三種類型。

緩沖區分析是利用建立的緩沖區作為一個輸入圖層，并與將要進行緩沖區分析的圖層進行疊置分析得到所需的結果的過程。緩沖區分析需要緩沖區多邊形與疊加圖層內對象間的求交計算，重新建立拓撲關系和新的對象的屬性賦值，產生新的圖層。在一些應用中，如選址分析、土地是以性評價、多因素綜合分析評價等，緩沖區分析可能會被反復使用。

1.4 網絡分析

網絡是由一系列相互聯系的線狀要素組成，網絡是現代生產生活中不可缺少的物質流、能量流和信息流的通道。例如水流、客貨流等都是通過各種網絡進行流動和傳輸的。

網絡分析是GIS的一種重要的分析類型。在地理空間中，許多自然、人工的線狀地物相互之間構成網絡。如道路網、地下管線網、電網、河流網等。在這些網絡上，人們需要進行路徑選擇、資源分配、運輸路徑規劃、故障診斷等分析。網絡分析的主要目的是對這些網絡進行地理分析和模型化。

1.5空間統計分析

空間統計分析主要用于空間數據的分類與綜合評價，它涉及到空間和非空間數據的處理和統計計算。為了將空間實體的某些屬性進行橫向或縱向比較，往往將實體某些屬性制作成統計圖表，以便進行直觀的綜合評價。有時人們不滿足于某些絕對指標的顯示與分析，需要了解它的相對指標，因而密度計算也是空間統計分析的常用方法。另外，空間數據之間存在著許多相關性和內在聯系，為了找出空間數據之間的主要特征和關系，需要對空間數據進行分類評價，也稱作空間聚類分析。

1.6 數字地形模型(DTM)與地形分析

DTM主要用于描述地面起伏狀況，可以用于提取各種地形參數，如坡向、坡度、地表粗糙度等，并進行通視分析、流域結構生成等應用分析。模型可以有多種表達方法，包括網格、等高線、三角網等。

DTM最初是為高速公路的自動設計提出來的。此后，它被用于各種線路選線的設計，各種工程的面積、體積、坡度計算，任意兩點間的通視判斷以及任意斷面圖繪制等。在測繪技術中被用于繪制等高線、坡度坡向圖、立體透視圖、制作正射影像圖以及地圖的修測;在遙感應用中可以作為分類的輔助數據;在GIS中，可作為基礎數據，用于土地利用現狀的分析、規劃及洪水險情預報等;在軍事上可應用于導航、導彈制導等。

2 GIS應用類型

根據GIS 所應用的領域不同可將其劃分為:地籍信息系統(CIS)、基于影像的信息系統(IBIS)、土地信息系統(LIS)、自然資源管理信息系統(NR2MIS)、市場分析信息系統(MAIS) 、規劃信息系統(PIS)、空間信息系統(SIS)、空間決策信息系統(SDIS)、城市信息系統(UIS)和交通運輸地理信息系統(GIS2T)等。盡管現存的地理信息系統軟件很多，但對于它的應用，歸納概括起來有兩種情況。一是利用GIS系統來加工和管理用戶的數據;二是在GIS的基礎上，利用它的二次開發技術開發用戶專用的地理信息系統。

3 GIS主要基礎理論及技術研究的熱點

進入21世紀以后，地理信息系統主要的基礎理論和技術研究熱點有了新的變化，代表了地理信息系統研究的新進展，主要歸納如下:

1)3D地理信息系統(3DGIS)的研究

在傳統的二維(2D)GIS中，通常是將垂直方向的信息抽象成一個屬性值，如DTM中的高程，然后進行空間操作和分析。如果在垂直方向上的采樣多于一個，如: 資源勘探中在一個鉆孔中的多個采樣，2DGIS則難以處理。在這種場合下具有真三維(3D)處理和分析功能的GIS系統是必需的。而所謂的3DGIS就是在二維GIS的基礎上對具有三維地理參考坐標的地理信息輸入、存儲、編輯、查詢、空間分析和模擬操作的計算機系統。目前3DGIS在數據結構方面研究比較多。

2)GIS時空系統(spatio-temporal system)研究

在許多應用領域中，如環境監測、地震救援、天氣預報等，空間對象是隨時間變化的，而這種動態變化的規律在求解過程中起著十分重要的作用。過去GIS忽略時態主要是受器件的限制，也有技術方面的原因。近年來，對GIS中時態特性的研究變得十分活躍，即所謂“時空系統”。根據處理時間和有效時間的劃分，可以把時空系統分為4類:靜態時空系統(static ST system)、歷史時態系統( historical ST system)、回溯時態系統(rollback ST system)和雙系統bitemporal ST system)。時空系統主要研究時空模型，時空數據的表示、存儲、操作、查詢和時空分析。目前比較流行的做法是在現有數據模型基礎上擴充，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。

3)GIS 空間數據共享和數據標準研究

現有GIS軟件與應用都有自己的數據格式和數據標準，不同GIS軟件之間還不能直接讀取和操縱其他GIS軟件的數據，而必需經過數據轉換。所以在GIS的建設和發展中對空間數據共享和數據標準化問題迫切需要進行研究。一方面國家和行業部門指定自己的外部交換數據標準，要求采用公共的數據格式，以解決不同GIS軟件之間空間數據的轉換問題;另一方面指定空間數據相互操作協議(OGIS); 指定一套大家能夠接受的空間數據操作函數(API)，軟件開發商必須提供與這一API 函數一致的驅動程序，這樣不同的軟件就可以操作對方的數據。目前已有幾個重要空間數據轉換標準:DIGEST—數字地理信息交換標準(Digital Geographic Information Exchange Standard)由北大西洋公約組織NATO的數字地理信息工程組DGI2WG制定。STDS—空間數據轉換標準(Spatial Data Transfer Standard)由美國地質測量協會USCS 制定，是一種不同計算機體系中空間數據的轉換標準。OGIS—開放地理數據互操作規范(Open Geodata Inferoperdility Specification) 是通過各軟件開發商提供的與其定義的API 函數一致的驅動來實現的，從而使得不同軟件可操縱對象的數據。

4)構件式地理信息系統ComGIS研究

提出GIS的構件化思想是符合軟件資源重組、提高軟件生產效率這一思路的。所謂的ComGIS就是把GIS的各個功能模塊分解為若干構件或控件，每個構件具有不同的功能，不同的構件可以來自不同時間和不同的開發商。利用構件的OLE(對象連接與嵌入)和ActiveX(OCX)控件技術，用戶可以在工業標準的可視化開發環境中，如Visual Basic ，Vi2sual C++，Delphi ，PowerBuilder等，只需在設計階段將GIS組件嵌入到用戶的應用程序中，就可以實現地圖制圖和GIS功能。

5)萬維網地理信息系統WebGIS研究

WebGIS是Internet 技術應用于GIS開發的產物。從WWW的任意一個節點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數據、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS 進入千家萬戶。WebGIS具有以下特點:<1> 全球化的GIS 的應用及研究熱點探討用戶都可以通過瀏覽器訪WebGIS站點提供的各種GIS服務，甚至還可以進行全球范圍內的GIS數據更新。<2> WebGIS 給更多用戶提供了使用GIS 的機會。WebGIS可以使用通用瀏覽器進行瀏覽、查詢GIS 空間信息，額外的插件(plug2in)、ActiveX控件和JavaApplet通常都是免費的，這樣可以降低終端用戶的經濟和技術負擔，很大程度上擴大了GIS的潛在用戶范圍。<3> 具有很好的擴展性。WebGIS很容易跟Internet上的其他公用信息服務融合在一起，實現無縫集成，從而可以建立靈活多變的GIS應用。<4> 跨平臺特性。在WebGIS 以前，盡管一些廠商為不同的操作系統(如: Windows 、UNIX、Mac2intosh)分別提供了相應的GIS軟件版本，但是沒有一個GIS軟件真正具有跨平臺的特性。而基于Java的WebGIS可以做到“一次編程，到處運行(write once ，run anywhere)”，充分發揮了跨平臺的特點。

4 GIS 具體應用分析

4.1 GIS與RS的綜合應用

RS具有實時、連續、準確獲取大范圍地表信息的能力，而GIS具有強有力的地學分析手段。結合RS與GIS技術，可以把絕大部分地表信息做及時、快速、準確的動態顯示，并據此作出分析。其具體操作是先利用RS提供的多時相遙感圖像獲取不同時期的相關專題數據，結合研究區域的地形圖，利用GIS的空間分析功能(數值計算、圖形疊加等) 結合數學模型來獲得某類地表信息的動態變化顯示及作趨勢預測。可把這種技術應用于: 城市用地變化分析、高原冰川變化分析、土地利用動態監測、生態環境動態監測等等。

GIS與RS的集成模式主要有如下三種:1) 分開但平行的結合。主要在數據層面結合，兩個數據處理系統相互獨立存在。它們在數據層面進行數據交換。2) 表面無縫的結合。使用統一的用戶界面，但為不同的工具和數據庫。3) 整體結合。在界面、工具和數據庫方面均實現無縫的功能集成和數據集成。

4.2 GIS與GPS的綜合利用

GPS的定位誤差越來越小，GIS的空間分析功能越來越完善，把GPS連接到GIS系統中，在GIS可視化圖形界面上實時觀察GPS定位點的運動過程。比如在運鈔車安全狀況監視時，把GPS放在該車上，然后把接收裝置接到GIS系統中，在運鈔車所經區域的交通底圖上可以很方便、精確地跟蹤其所處位置，一旦運鈔車安全發生意外，可通知最近的相關部門處理。

把GIS與軍事監控設備連用，把軍事監控設備所獲得的實時、精確的信息(數據、圖形、圖像、聲音、電信號等，經GIS錄入、處理、顯示和分析，對戰場作全方位、不間斷、滾動式顯示，為決策者提供輔助決策的功能。

目前來說，GIS與GPS的集成在技術層面主要有以下幾種模式:1.GPS(單機定位)+柵格電子地圖;2.GPS(單機定位)+矢量電子地圖;3.GPS(差分定位)+柵格/矢量電子地圖;4.GPS(差分定位)+動態圖層。他們都是通過在GIS中設置動態接受GPS傳輸的定位觀測數據的動態圖層實現的。

4.3 三維GIS與虛擬現實的綜合利用

三維GIS是許多應用領域對GIS的基本要求。三維GIS和二維GIS相比，可以幫助人們更加準確真實地認識我們的客觀世界。以前的三維顯示只能應用在大型的主機和圖形工作站上，而且只在極少數的部門如地震預測、石油勘探、航空視景模擬器中得到應用，成本動輒上百萬美元。隨著計算機技術的發展，硬件成本不斷地降低，一臺普通的PC機就可以很輕松地進行真三維顯示和分析。以前的GIS大多提供了一些較為簡單的三維顯示和操作功能，但這與真三維表示和分析還有很大差距。現在，三維GIS可以支持真三維的矢量和柵格數據模型及以此為基礎的三維空間數據庫，解決了三維空間操作和分析問題。

4.4 GIS與移動通信技術的綜合利用

WAP/WML技術作為無線互聯網領域的一個熱點，已經顯示了其巨大的應用前景和市場價值。WAP柳ML技術與GIS技術的結合產生了移動GIS(Mobile GIS)應用和無線定位服務LBS(Location一basedServices)。通過WAR/WML技術，移動用戶幾乎可以在任何地方、時間獲得網絡提供的各種服務。無線定位服務將提供一個機會使GIS突破其傳統行業的角色而進人到主流的IT技術領域里。大多數的分析家都認為，到2010年，無線網絡將成為全球數據傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機動性所決定。

當前用于地理信息交互的語言還不足以完成真正的“設備無關接口”的互操作。各種移動設備對于從地理信息服務器所獲得的信息，其表現方式是各不相同的，用戶輸人方式也不相同。因此，對于不同的移動設備需要一種統一的標記語言。無線定位服務將提供一個機會使GIS突破其傳統行業的角色而進人到主流的IT技術領域里:大多數的分析家都認為，到2010年，無線網絡將成為全球數據傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機動性所決定。

5 GIS 未來發展趨勢

地理信息系統在社會生產、經營和管理決策的廣泛應用與農業領域各學科的發展相輔相成。一方面其應用促進了學科的知識創新和理論深入研究;另一方面，各學科的不斷發展又反過來促進系統不斷完善，作為一項具有廣闊應用前景和強大生命力的高新技術，未來的發展趨勢主要有以下幾個方面:

1) 3S技術的集成:建立基于3S的空間決策支持系統，實現系統各部分之間的利用管理一體化、實時化、空間化，基本思想是由RS提供最新的圖像信息，GPS提供精確的空間信息為GIS各種信息的存儲、處理、分析和應用提供技術支持。

2) GIS與專家系統的集成:GIS與專家系統的結合是建立智能化空間決策支持系統的重要途徑。它為決策者提供分析問題、建立模型、模擬決策過程和方案的環境，調用各種信息資源和分析工具，幫助決策者提高決策水平和質量。

3) 實現空間信息網絡化建立基于GIS的應用系統與互聯網的有機結合，是在廣域網環境下一種GIS的應用。最終的目標是以網絡為平臺，采用分布式體系結構的GIS系統將在全球范圍內得到廣泛應用。利用這種技術，人們可以通過互聯網對自己所需要的空間信息進行查詢、分析、決策的輔助和管理，普通用戶不再需要復雜的專業軟件和專門的培訓就可以享受全球化空間信息技術所帶來的便利。

以上僅列舉了地理信息系統一些主要的發展方向。21世紀的科技發展是交融化、多元化的。一項新的技術、一個新的想法或者一個新的概念，只要對生產力發展有用，就會成為發展的熱點。同時，一項科研如果想持續地發展成為一個體系、一門學科，就必須在當今的社會發展中不斷找到自己新的發展思路和新的方向，不然就會被社會淘汰。

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