地理信息系统

地理信息系统是以计算机软硬件系统为基础的空间信息系统，是计算机技术和地理信息技术相结合的产物。它是现代科学技术发展的产物，是一门包括地理学、测量学、计算机和数学在内的综合技术。在各学科理论和技术的支持下，地理信息系统(GIS)能够高效地采集、存储、管理、计算、分析、显示和描述地球表面(包括大气)与地理分布相关的数据，在地理研究中发挥着重要作用。

概念

地理信息系统(Geographic information system，GIS)是指以计算机硬件为依托，结合软件开发系统，以地理概念空间为采集范围，对一定时期内的海量地理数据进行汇总和整合，并据此做出决策的重要地理研究工具和重要技术手段。该系统通过将地理信息与存储在计算机数据库中的位置相关信息相结合，实现了对空间数据信息的综合分析，帮助人们更高效地处理空间数据，获取有效信息。借助GIS，不仅可以得到某一点的准确地理位置，还可以模拟出该点附近区域的道路长度、湖泊面积、城市建筑物等信息，并通过三维可视化等技术绘制成地图，实现空间信息的直观展示。

GIS的重要进步是其数据分层技术，即根据数据存储和数据使用的要求，将一组具有一定逻辑联系的地理要素按其属性划分为不同的组，使之成为一个层的分层原理和结果。通过分层，某一点的所有相关空间信息都会被过滤归类为不同层次类型的数据，不同身份的用户可以根据需要进行设置。地理信息系统会根据他们的需求添加相关的分层数据信息，实现精准服务。它以地理研究和决策为目的，是一个人机交互的空间决策支持系统。

特性

地理信息系统是以计算机软件开发和硬件支持为基础，结合地理信息技术，具有许多不同于传统地学信息系统的特点。计算机系统支持:GIS建立在计算机系统架构之上，由若干个相互关联的子系统组成，包括数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理与分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等。随着计算机网络技术的发展和信息共享的需求，地理信息系统逐渐向网络地理信息系统发展。以地理空间数据为操作对象:地理信息系统的主要数据源是地理空间数据，按照地理坐标进行编码，实现其定位、定性和定量描述。它是分布式的，可以帮助实现空间数据三个基本特征的统一:空间位置、属性和时态。

计算机硬件系统：计算机硬件系统是计算机系统中有形物理设备的总称，是地理信息系统的物理外壳。硬件系统包括计算机主机；数字化仪、扫描仪、键盘、通信端口和其他数据输入设备；数据存储设备，如软盘、硬盘、磁带、光盘和相应的驱动设备；和数据输出设备，例如监视器、绘图仪和打印机。这些硬件都是实现GIS软件运行所需的计算机资源。地理信息系统(GIS)支持在单机或网络环境下运行，可以在中央计算机服务器、台式计算机等各种类型的硬件系统上运行。

计算机软件系统：计算机软件系统包含GIS操作所需的各种程序，由计算机系统软件、地理信息系统软件和应用分析模型库三部分组成。计算机系统软件通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序等。地理信息系统软件提供存储、分析和显示地理信息的功能和工具，如GIS工具系统或GIS开发专用软件包、数据库管理系统、CAD(计算机辅助设计)、图像处理系统等。应用分析模型库是系统开发人员或用户根据实际应用需求编写的解决实际问题的具体应用分析程序。

GIS可以利用现有的计算机模型，结合应用目的，制定相应的可行方案，应用于地理调查、城市建设、安全体系建设等领域，对于资源清查、灾害评估与预防、物流调度、交通管制等具有积极意义。计算机软件系统可以实现地理信息的输入和处理，支持地理查询、分析和可视化显示，便于实现各种功能和用途，简化应用界面，供用户学习和使用。

地理空间数据：地理空间数据是GIS应用系统最基本的组成部分，也是GIS的操作对象。这类数据包括基于地球表面空间位置的自然、社会、人文、经济数据，可以用地图、图像、表格、文档等多种形式表示。地理空间数据是地理信息系统通过模型抽象表达的现实世界的实质性内容。数据来源包括室内数字化和野外采集，以及从其他数据转换而来。数据包括空间数据和属性数据，空间数据可以用栅格和矢量两种形式表示。空间数据显示地理空间实体的位置、大小、形状、方向和几何拓扑关系。

用户时代地理信息系统包括管理者和用户：由于GIS是一个动态的、客观的模型，它需要专业人员来组织、管理、维护和更新数据，以保证GIS相关服务的正常提供。因此，地理信息系统的管理者不仅要对地理信息系统的技术和功能有足够的了解，还要有组织和管理的能力。管理团队由各类技术人员组成，高层人员专注于系统的正常运行、编程、数据处理、模型建立、系统功能开发等。低层技术人员负责数据输入、结果输出和检查。

实现基本技术：地理信息系统功能的实现需要计算机软硬件系统的支持，地理信息数据的采集、处理、分析和输出也是维持地理信息系统正常运行的重要环节。

数据采集和输入：地理信息系统的数据获取主要是通过对外部原始数据进行加工整理的过程。在这个过程中，GIS会把要使用的数据转换成计算机可以识别的形式，即可以应用于实践的形式。通过这个过程，许多外部数据可以系统地存储在数据库中。

按照形式，GIS需要的数据可以分为两类，即空间数据和属性数据。空间数据以图形的形式存在，一般通过键盘输入或相关仪器扫描入数据库。属性数据是一种详细描述空间实体特征的数据形式，通常的输入方式是键盘输入。

数据存储和管理：地理信息系统中存储的数据需要按逻辑顺序排列，以便用户灵活高效地访问数据。数据存储最常用的方式是GIS分层技术。这种技术将地图分为几层，通过不同的关键词对数据进行过滤，然后将关键词与地图的不同图层进行组合，这些图层可以叠加还原出一张完整的地图。用户可以通过设置不同的关键字来搜索相关地图图层所包含的数据信息，系统可以根据图层的关键特征进行操作，实现精准服务。

数据处理和分析：GIS的数据处理包括两个方面:一是检查和纠正输入数据的质量，包括编辑图形数据和属性数据，检查图形数据和属性数据的对应关系，纠正空间数据的错误；二是完成输入的图形数据，以满足GIS的各种应用需求，如矢量数据的压缩与平滑、拓扑关系的建立、矢量栅格数据的相互转换、地图切割与拼接等。

数据显示和输出：地理信息系统的数据显示和输出是实现与用户直接连接的纽带。在这个环节中，通过图文融合、三维可视化等技术，将用户需要的图形、数据报表、文字报表、数学数据等以用户能够识别的形式灵活展示。用户可以选择电脑显示器、打印机、绘图仪、照排机等。作为接收和呈现结果的输出设备。

开发关键技术：在地理信息系统的开发中，经常使用数据库管理、数据可视化、组件开发等相关技术来实现GIS在更多场景下的垂直细化功能。

图文一体化技术：图文一体化技术主要是为了有效解决地理信息系统设计过程中各种数据的集成管理问题，如实体属性数据、声音、视频、数据、图形数据等不同的多媒体数据。常用的有基于文件关系数据库的数据管理和基于对象关系数据库的数据管理。基于文件关系数据库的数据管理模式主要是利用文件系统管理存储图形数据库，通过关系数据库存储属性数据和多媒体数据。数据关联的重要核心是属性数据。应用多媒体数据通过二进制方法将信息数据存储在数据库中，并将与关键字段相关的数据添加到属性数据库中，将两者与属性数据关联起来作为连接点，可以促进与空间数据库的连接。基于对象关系数据库的数据管理是基于一个能够为大型二进制对象类型提供强有力支持的数据库。这种数据库管理为不同的数据提供了一致的访问接口，不仅可以共享数据信息，还可以将空间信息与多种信息连接起来，包括属性和多媒体信息，从而实现统一管理和维护，形成图文并茂的良好效果。

三维可视化技术：GIS要输出的空间数据信息需要三维可视化技术，以清晰、直观、易懂的形式展现给用户。因为空间体数据是真实的三维数据，可以看透空间坐标的各种值和空间属性，可以直接用空间三维体的作用来代替数据完成相应的表达。三维可视化技术是多种技术融合的过程，为地理信息的深入调查提供了强有力的数据支持。地理信息系统的用户可以利用三维可视化技术建立符合特定空间值的空间体模型。模型建立后，通过切片模型可以得到实际应用中需要的不同类型的数据。切片主要是指在一定的空间方向上根据空间数据进行投影，从而将不同的信息数据在同一空间中充分表达，进一步提高空间内部可视化的效果。

组件技术

组件技术主要是从面向对象技术发展而来的一种新的软件工程技术，也可以说是面向对象技术的延伸和创新。通过组件的思想，将复杂的GIS功能按照不同的层次进行分解，划分成不同的可以自行操作和管理的组件。这些组件是面向对象的、语言中立的和位置透明的。

OLE技术

通过OLE(对象链接和嵌入)技术，可以实现地图对象和系统的集成。这种方法可以利用可视化技术制作一个商业界面，达到优化功能的目的。虽然它存在运行速度慢、对硬件要求高、只适合本地用户等缺点，但利用该技术开发的软件具有良好的用户界面、强大的数据库功能和数据处理功能、可靠性强、易于移植、后期工作人员维护方便等优点。

主要技术

空间数据方面：地理信息系统可以完成地理空间数据的输入、编辑、存储管理和可视化输出功能。

数据输入：在数据输入方面，GIS可以接受各种形式和来源的信息，以各种方式实现数据输入。如图形数据输入、栅格数据输入、GPS测量数据输入、属性数据输入等。地理信息系统可以利用数字化仪的手跟踪数字化技术和扫描仪的扫描技术来完成空间数据的采集工作。

数据编辑和处理：在数据编辑和处理方面，地理信息系统主要通过编辑图形和属性来实现数据处理。属性编辑与数据库管理相结合；图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整理、图幅拼接、图形变换、投影变换、纠错等功能。

数据存储和管理：在数据存储管理方面，GIS主要提供空间和非空间数据的存储、查询、检索、修改和更新能力。矢量数据结构、栅格数据结构和矢量栅格一体化数据结构是存储GIS的主要数据结构。数据结构的选择在很大程度上决定了系统能够执行的功能。

视觉输出：在可视化输出方面，GIS通常通过人机交互来选择显示对象和形式。对于图形数据，可以根据元素的信息密度进行放大或缩小。GIS不仅可以输出全要素地图，还可以根据用户需求分层输出各种专题图、统计图、图表和数据。

空间查询和分析：在空间查询和分析方面，GIS可以实现空间查询、空间检索、空间拓扑叠置分析和空间模型分析。

空间查询：空间查询系统包括数据操作、数据查询和检索以及数据综合分析。数据查询和检索主要是指根据应用搜索相关数据，搜索数据文件、数据库或存储设备，以找到和选择用户需要的有用信息和数据。

空间分析：空间分析功能涉及空间选择、空间连接、组合分析、几何测量等模块。空间选择模块可以完成空间叠加分析、缓冲区分析和邻近分析等空间操作。空间连接功能主要用于各种空间实体的综合分析，按照空间位置关系连接不同图层或同一图层的元素，从而进行各种空间分析；空间合并的作用是将多个同类型的空间实体合并为一个空间实体，同时可以对空间实体的特征进行合并计算，一般用于空间实体的重分类；包括距离和面积的数值可以通过几何计算来测量。最后，通过综合分析功能，充分保证系统评估、管理和决策能力的正确实现。

空间决策支持：地理信息系统的空间决策支持功能利用各种手段形成数据处理和转换，提取隐藏在空间数据中的关联，从而发现现实事物之间的联系，实现对应用空间系统的综合分析。最后将结果以图形和文字的形式展示给决策者，为他们对现实世界做出正确合理的决策提供信息支持。

地图绘制：根据GIS的数据结构和绘图仪的类型，用户可以绘制矢量地图或光栅地图。用户使用GIS平台进行制图时，制图是基于已有的地理数据，制图者只要注意数据规范和符号化规则，就能快速完成制图。同时，GIS可以为用户输出全要素地图，同时可以根据用户需求分层次输出各种专题地图。在制图过程中，绘图仪还可以随时绘制和修改任意地图要素的细节，制作过程更加快捷，可以完成多个专题地图的并行制作。如行政区划图、土地利用图、道路交通图等高级别的城市地图。通过空间分析还可以得到一些地学分析的专题图，如坡度图、坡向图、剖面图等。

设备管理：通过GIS的设备管理功能，系统和所有相关功能可以同时运行。例如，在工程测量过程中，可以对问题数据进行检修和处理。在该功能的应用过程中，可以通过确定工程测量范围，根据时间情况选择相应的设备来启用模糊检索功能。此外，GIS技术还具有图形打印和表格标注功能，在一定程度上简化了工程测量的流程，提高了工程测量的工作效率。

地理调查：利用地理信息系统可以收集相关数据，并基于这些数据建立和完善相应的地理信息数据库。通过这种方法，可以更有效地对某一地区进行深入的地理分析，而这些数据也将有助于为具体的分析过程提供参考。通过对比数据，可以有效的呈现具体情况，比较相关的优缺点。

资源库存：资源清查是地理信息系统的基本功能，通过信息采集使资源一目了然。通过对各种来源数据采集的分析判断，形成统计覆盖分析功能；此外，根据边界和属性条件，可以提取数据的有用信息，形成区域的各种组合，使现有资源得到快速再生。2018年，南充市借助地理信息系统相关技术，结合高分辨率遥感卫星图、实地地面调查和入户走访，进一步掌握了草原资源、生态状况、利用状况、草原退化状况、草原生态气候、土壤状况等方面情况。此次清查为南充市全面落实强牧惠牧政策，严格依法治草，提高草地精细化管理水平奠定了坚实基础。

土地测量：通过地理信息系统的功能，可以满足土地调查的需要，保证土地资源的合理利用和保护。地理信息可以为人类提供与土地相关的重要信息，在土地调查、土地登记、面积统计、资源评价和土地利用中发挥着重要作用。通过地理信息，可以形成土地的分项管理，确保土地产权清晰。在土地开发利用过程中，人们可以借助地理信息系统完成土地位置、不动产界址、土地名称、总面积、土地类型、权责归属、地价、税收政策、地理要素、设施建设等内容，可以帮助人们全面实现权责清晰。GIS为人们提供了可靠的地理信息支持，有利于维护社会稳定。此外，精确的地理信息数据完全可以满足地籍数据操作，为用户查询提供方便，实现土地调查全过程的精确科学。

地质灾害调查：利用GIS地理信息系统可以很好地完成地质灾害预测、地质灾害制图、地质灾害制图分析等多项任务，在地质灾害调查核实领域有着广泛的应用和十分重要的作用。地理信息系统在地质灾害调查领域的应用，可以辅助相关工作人员在预防、监测、应急救援和灾后重建等方面做出相关决策，有助于制定地震防灾减灾的相关策略，从而有效减轻地质灾害。在地质监测预报方面，地理信息系统可以有效划分地质构造、地质分布、潜在震源、历史地质、地质灾害，实现地质灾害的良好治理，预测地质灾害的爆发；在地质灾害损失预测分析方面，GIS的高精度数据采集和数据分析能力有助于解决传统地质灾害损失和风险预测中数据精度不足的问题；在地质灾害调查实施方面，可以利用地理信息系统中的RS(遥感)功能，准确绘制灾区的现场图片，包括房屋、建筑物、河流、湖泊的位置，从而对地质灾害区域进行有效监测。

海洋渔业：地理信息系统(GIS)在海洋渔业中应用广泛，涉及海洋渔业与环境的关系、近海渔业与环境、渔业管理系统建设、渔业形势预报、渔业地图绘制、海洋渔业数据采集、处理和分析等。借助GIS相关功能，可以实现渔船的动态跟踪、轨迹回放、违章报警和安全报警。通过建立渔船监控和GIS监控航行轨迹系统，还可以实现渔船位置的实时监控，结合三证管理信息判断渔船的违法行为；此外，基于GIS空间数据库和空间决策支持系统，可以构建渔业资源预测预警辅助决策支持系统，为近海渔船实时监控奠定基础。利用GIS的空间局部插值方法建立景观分析模型，还可以绘制各种海洋动物的分布格局图和其他相关的渔业图。2015年，中国航天科技集团五院航天之星公司提出，依托统一的业务协同平台和地理信息系统，构建全球数据模型，形成统一数据库，实现省域业务“一张图”管理，以全新理念构建智慧海洋与渔业整体解决方案。

考古实践：利用地理信息系统本身的数据采集、处理和分析管理功能，将获得的普通数据整理成符合考古研究需要的数据。比如空间定位功能可以赋予考古数据空间特征；还可以借助数字制图功能绘制遗址分布图、文物保护图、文化传播与迁移图、聚落演变图、文化与环境的关系图等地图。

城乡规划：城乡规划是地理信息系统在城市建设应用领域最重要的能力。通过地理信息的整合，可以提供直观有效的数据，促进产业发展，实现良好的城乡规划。数据表现出许多不同性质和特点的问题，主要可以反映资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、金融等可变信息。通过GIS数据库的分析，可以使各种复杂的信息更加直观，形成统一的格式和输出，为城市建设和区域规划提供多目标、多选择。地理信息系统可以为城市总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置和城市环境动态监测提供有价值的数据。为了保证城市良好的功能，需要地理信息的支持，利用地理信息系统的空间搜索方法和各种信息叠加处理分析软件的评价，促进中心城市的科学规划，加强城市管理能力。

地理信息系统

交通建设：地理信息在交通规划中起着重要的作用，地理信息系统在交通领域的应用可以帮助人们进行合理的协调和规划。地理信息系统(GIS)可以为交通部门提供正确的数据，通过编辑、绘图显示和测量，输入、存储、编辑和绘制交通显示的数据，通过交通地理信息叠加、动态分段、地形分析和网格显示，实现交通分流和路线优化。美国联邦陆地公路管理办公室利用GIS为公共道路服务组织提供更多的资源和资金。使用GIS在线服务工具可以监控道路信息，并为基础设施投资计划服务。与此同时，交通部网络通过全国公路网系统显示出存在结构问题的桥梁信息，以提醒国会和公众桥梁的位置。

环境治理：地理信息系统在环境治理中的应用有助于实现环境污染的展示，提高环境数据信息监测的有效性。通过相关技术的运用，可以实现对大气污染的动态监测，对大气污染的位置、污染对象等因素进行全面系统的分析，提高环境污染治理的整体质量，适应现代大气环境生态变革的需要；同时，该系统还可以对水环境进行监测，为水污染治理信息的数据处理和水资源信息的查询提供参考，帮助人们实现水环境治理的最终目标。2018年南宁面临黑臭水污染反弹严重的问题。市政府建立了全区水环境管理城市排水设施地理信息系统，利用现代信息技术，确保信息及时更新、实时共享，实现了全市黑臭水体信息“一张图”。GIS在污水处理中的应用，帮助南宁顺利完成了黑臭水体治理的攻坚战。

电子政务：电子政务的信息特征主要是公文，涉及公文的起草、审批、审核、撰写、分发、归档等多个环节。它需要通过电子文档来模拟和再现传统的办公过程。许多政府部门的工作都会涉及到与地理空间相关的数据和信息，而地理信息系统中实时更新和准确的数据存储为电子政务的顺利办公提供了信息基础。同时，GIS与电子政务的集成还可以实现非空间数据的空间定位、空间分析和空间辅助决策。将日益成熟的GIS技术融入现代电子政务建设，可以有效实现城市基础地理信息的数据共享、动态更新、实时查询和发布，有效保证空间数据的现势性，为企业和公众，以及政府职能部门提供准确、及时、有效、权威的信息服务。2006年，我国完成了第一个全国产化的电子政务GIS系统，GIS软件、操作系统、数据库三大基础部分全部实现国产化，为后续的数字政府建设提供了技术和平台基础。