GIS簡介——什么是GIS
2013-07-02 13:50:35 來源: 測繪論壇
地理信息系統（GIS，Geographic Information System）是一種基于計算機的工具，它可以對在地球上存在的東西和發生的事件進行成圖和分析。GIS技術把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能一般的數據庫操作（例如查詢和統計分析等）集成在一起。這種能力使GIS與其他信息系統相區別，從而使其在廣泛的公眾和個人企事業單位中解釋事件、預測結果、規劃戰略等中具有實用價值。
我們當今面臨世界的最主要的挑戰是——人口過多，環境污染，森林破壞，自然疾病等。這些都與地理因素有關。
不論是從事一種新的職業，還是尋找生長香蕉的最合適的土壤，或是為救護策劃計算最佳的行車路線，這些本地問題也都有地理因素。
地圖制作和地理分析已不是新鮮事，但GIS執行這些任務比傳統的手工方法更好更快。而且，在GIS技術出現之前，只有很少的人具有地理信息來幫助做出決定和解決問題的能力。
今天，GIS已是一個全球擁有數十萬的人員和數十億美元的產業。GIS已在全世界的中學、學院、大學里被講授。在每個領域里的專家不斷地意識到按地理的觀點來思考和工作所帶來的優越性。
一個GIS的組成
GIS由五個主要的元素所構成：硬件、軟件、數據、人員和方法。
硬件
硬件
硬件是GIS所操作的計算機。今天，GIS軟件可以在很多類型的硬件上運行。從中央計算機服務器到桌面計算機，從單機到網絡環境。
軟件
軟件
GIS軟件提供所需的存儲、分析和顯示地理信息的功能和工具。主要的軟件部件有：
輸入和處理地理信息的工具數據庫管理系統（DBMS）支持地理查詢、分析和視覺化的工具容易使用這些工具的圖形化界面（GUI）
數據
數據
一個GIS系統中最重要的部件就是數據了。地理數據和相關的表格數據可以自己采集或者從商業數據提供者處購買。GIS將把空間數據和其他數據源的數據集成在一起，而且可以使用那些被大多數公司用來組織和保存數據的數據庫管理系統，來管理空間數據。
人員
人員
GIS技術如果沒有人來管理系統和制定計劃應用于實際問題，將沒有什么價值。GIS的用戶范圍包括從設計和維護系統的技術專家，到那些使用該系統并完成他們每天工作的人員。
方法
方法
成功的GIS系統，具有好的設計計劃和自己的事務規律，這些是規范而且對每一個公司來說具體的操作實踐又是獨特的。
GIS如何工作
GIS就是用來存儲有關世界的信息，這些信息是可以通過地理關系連接在一起的所有主題層集合。這個簡單卻非常有力和通用的概念，對于解決許多真實世界的問題具有無價的作用，這些問題包括：跟蹤傳輸工具、記錄計劃的詳細資料，模擬全球的大氣循環等。
地理參考系統
地理參考系統
地理信息包含有明確的地理參照系統，例如經度和緯度坐標，或者是國家網絡坐標。也可以包含間接的地理參照系統，例如地址、郵政編碼、人口普查區名、森林位置識別、路名等。一種叫做地理編碼的自動處理系統用來從間接的參照系統，如地址描述，轉變成明確的地理參照系統，如多重定位。這些地理參考系統可以使你定位一些特征，例如商業活動、森林位置，也可以定位一些事件，例如地震，用于做地表分析。
矢量和柵格模式
矢量和柵格模式
地理信息系統工作于兩種不同的基本地理模式——矢量模式和柵格模式。
在矢量模式中，關于點、線和多邊形的信息被編碼并以x、y坐標形式儲存。一個點特征的定位，例如一個鉆孔，可以被一個單一的x、y坐標所描述。線特征，例如公路和河流，可以被存儲于一系列的點坐標。多邊形特征，例如銷售地域或河流聚集區域，可以被存儲于一個閉合循環的坐標系。矢量模式非常有利于描述一些離散特征，但對連續變化的特征，例如土壤類型或趕往醫院的開銷等，就不太有用。
柵格模式發展為連續特征的模式。柵格圖象包含有網格單元，有點像掃描的地圖或照片。不管是矢量模式還是柵格模式，用來存儲地理數據，都有優點和缺陷。現代的GIS都可以處理這兩種模式。
GIS的任務
一般來說，GIS有以下五個過程或任務：
輸入
處理
管理
查詢和分析
可視化
輸入
在地理數據用于GIS之前，數據必須轉換成適當的數字格式。從圖紙數據轉換成計算機文件的過叫做數字化。對于大型的項目，項目GIS技術可以通過掃描技術來使這個過程全部自動化，對于較小的項目，需要手工數字化（使用數字化桌）。
目前，許多地理數據已經是GIS兼容的數據格式。這些數據可以從數據提供商那里獲得并直接裝入GIS中。
處理
處理
對于一個特殊的GIS項目來說，有可能需要將數據轉換成或處理成某種形式以適應你的系統。例如，地理信息適用于不同的比例尺（街道中心線文件的比例尺也許是1：100000；人口邊界是1：50000；郵政編碼是1：10000）。在這些信息被集成以前，必須轉變成同一比例尺。這可以是為了顯示的目的而做的臨時變換，也可以是為了分析所做的永久變換。GIS技術提供了許多工具有來處理空間數據和去除不必要的數據。
管理
對于小的GIS項目，把地理信息存儲成簡單的文件就足夠了。但是，當數據量很大而且數據用戶數很多時，最好使用一個數據庫管理系統（DBMS），來幫助存儲、組織和管理數據。一個數據庫管理系統DBMS就是用來管理一個數據庫——一個數據的完整收集——的計算機軟件。
有許多不同的DBMS的設計，但在GIS中，關系數據庫管理系統的設計是最有用的。在關系數據庫系統設計中，概念上數據都被存儲成一系列的表格。不同表格中的共同字段中可以把它們連接起來。這個令人驚訝的簡單設計被廣泛地應用，主要是由于它的靈活性以及在使用GIS和不使用GIS時，都被廣泛地采用。
查詢和分析
一旦你擁有一個包含你的地理信息的多功能的GIS系統，你可能開始提出象下面這樣的一些簡單問題：
這個角落上的這塊土地屬于誰？
兩個地方之間的距離是多少？
工業用地的邊界在哪里？
有關分析的問題可能是：
適合于蓋新房子的所有地點在哪里？
生長橡樹的最好的土壤類型是什么？
如果我要在這里建一條高速公路，它將如何影響交通？
GIS提供簡單的鼠標點擊查詢功能和復雜分析工具，為管理者和類似的分析家提供及時的信息。當你分析地理數據用于尋找模式和趨勢，或提出“如果……怎么樣”設想時，GIS技術實際上正在被使用。現代的GIS具有許多有力的分析工具，但是有兩個是特別重要。
1．接近程度分析
在這片水域周圍100米范圍內有許少房子？
這家商店附近10公里范圍內共有多少消費者？
在這口井周圍500米范圍內紫花苜蓿這種植物占多大面積？
為了回答這些問題，GIS技術使用一個叫做緩沖的處理方法，來確定特征間的接近關系。
2．覆蓋范圍分析
不同數據層的綜合方法叫做覆蓋。簡單的說，它可以是一個可視化操作，但是分析操作需要一個或多個物理連接起來的數據層。覆蓋，或空間連接，可以將稅收數據與土地、斜坡、植被或土地所有者等集成在一起。
可視化
對于許多類型的地理操作，最終結果最好是以地圖或圖形來顯示。圖件對于存儲和傳遞地理信息是非常有效的。制圖者已經生產了上千年的地圖，GIS為擴展這種制圖藝術和科學提供了嶄新的和激動人心的工具。地圖顯示可以集成在報告、三維觀察、照片圖象和例如多媒體的其他輸出中。
相關技術
GIS與其他幾種信息系統密切相關，但由于其處理和分析地理數據的能力使其與它們相區別。盡管沒有什么硬性的和快性的規則來給這些信息系統分類，但下面的討論可以幫助區分GIS和桌面制圖、計算機輔助設計CAD、遙感、DBMS、以及GPS技術。
桌面制圖
桌面制圖系統用地圖來組織數據和用戶交互。這種系統的主要目的是產生地圖：地圖就是數據庫。大多數據桌面制圖系統只有及其有限的數據管理、空間分析以及個性化能力、桌面制圖系統在桌面計算機上進行操作，例如PC機，Macintosh以及小型UNIX工作站。
計算機輔助設計CAD
計算機輔助設計（CAD）系統促進了產生建筑物和基本建設的設計和規劃。這種設計需要裝配固有特征的組件來產生整個結構。這些系統需要一些規則來指明如何裝配這些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系統已經擴展可以支持地圖設計，但管理和分析大型的地理數據庫的工具很有限。
遙感和GPS
遙感是一門使用傳感器對地球進行測量的科學和技術，例如，飛機上的照相機，全球定位系統（GPS）接收器，或其他設備。這些傳感器以圖象的格式收集數據，并利用、分析和可視化這些圖象提供專門的功能。由于它缺乏強大的地理數據管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。
DBMS數據庫管理系統
數據庫管理系統專門研究如何存儲和管理所有類型的數據，其中包括地理數據。DBMS使存儲和查找數據最優化，許多GIS為此而依靠它。相對于GIS而言，它們沒有分析和可視化的工具。
GIS可以做什么
進行地理信息查詢和分析
GIS搜索數據庫并進行地理信息查詢的能力，節約了許多公司數以百萬計的美元。GIS可以：
縮短回答客戶請求的時間
找到適合于開發的土地
在糧食、土壤和天氣之間找尋相關關系
電氣線路故障定位
房地產經紀人可以用GIS在一定的區域內尋找滿足下列條件的所有房屋：瓦蓋的屋頂、五個房間、并可列出它們的所有特點。
查詢可以通過增加準則來進一步細化：房價必須每平方英尺少于100美元。還可以列出這些房屋離學校在一定的距離之內。
改進機構集成
許多采用了GIS的機構發現其主要效益之一是改進它們自己的機構和資源的管理。由于GIS具有數據集合和地理信息鏈接起來的能力，促使它們之間共享和交流局部信息。通過產生可共享的數據庫，一個部門可從另一個部門的工作中得到好處，這是由于數據只需采集一次，但應用多次。
由于個人和部門之間的通訊在增加，冗余被減少，生產力提高，整體組織效率改進。因此，在一個有效的公司里，用戶和基本建設數據庫可以集成在一起，這樣，當需要進行維護時，受影響的用戶會得到計算機發出的信件。
做出好的決定
一個古老的格言“好的信息導致好的決定”，對于GIS和其他信息系統來說是正確的。然而，一個地理信息系統（GIS），并不是一個自動決策系統，而是一個查詢、分析和支持作出決策處理的圖件數據工具。GIS技術已經被用于幫助完成一些任務，例如：為計劃調查提供信息，幫助解決領土爭端，以最小化視覺干擾為原則設置路標。
GIS可以用于幫助一個新房址的選定，以使其受環境影響最小，在低風險區域，離人口聚集地近。可以以地圖和附加報告的方式簡潔而清晰的提供這個信息，使決策者集中精力于實際的問題，而不是花時間去理解數據。由于GIS結果能夠很快的獲得，多個假想的結果可以被高效地評價。
制圖
圖件在GIS中占有重要的一席之地。GIS的制圖方法比傳統的人工或自動繪圖方法要靈活得多。她開始于數據庫的創建。已經存在的紙張圖件可以進行數字化，并可以把計算機兼容的信息轉換到GIS中。以GIS為基礎的圖形數據庫是可能延續的，比例尺也不受限制。圖件可以以任何地點為中心，比例尺任意，使用突出效果的特殊字符有效地顯示所選擇的信息。
地圖集和地圖叢書的特征可以用計算機程序編碼，并與最終的數據庫產品相比較。在其他GIS中使用的數字化產品還可以來自數據庫的簡單拷貝。在一個大的組織機構中，地形數據庫可以被其他部門用作參考構架。
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