28智能运输系统讲义(地理信息系统)

1．了解GIS的基本概念2．了解GIS的构成3．了解空间数据库的建立方法4．了解GIS应用软件开发方式1．GIS的构成2．数字地图的录入方法3．地图集成技术GIS应用系统开发主要是软件技术，开发技术和开发工具，请参考有关GIS的文献。2.8.1地理信息系统的定义地理信息系统（GIS,GeographicalInformationSystem），也称作土地资源信息系统，它是60年代开始迅速发展起来的地理学研究新技术，是多种学科交叉的产物。地理信息系统是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，它具有以下三个方面的特征：·具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性。·以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息。·由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用的信息，完成人类难以完成的任务。计算机系统的支持是GIS的重要特征，使GIS得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。中华人民共和国地图地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。一个缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上能对地理系统从功能上进行模拟，信息的流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真，地理学家可以在GIS支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或“试验”的结果，选择优化方案，这种信息模拟是几乎没有什么代价的，可以避免错误的决策带来的损失。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他面对的就不再是毫无意义的数据，而是由空间数据组成的现实世界的一个抽象模型，它比地图所表达的自然世界模型更为丰富和灵活，用户可以按应用的目的观察这个现实世界模型的各方面的内容，也可以提取这个模型所表达现象的各种空间尺度指标。更为重要的是，它可以将自然发生或思维规划的过程加在这个数据模型之上，取得对自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的深刻内涵。2.8.2地理信息系统的构成完整的GIS由四个部分构成：计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统，空间数据库反映了GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。1．计算机硬件系统计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的原件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大关系，受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。GIS硬件配置一般包括四个部分：①计算机主机；②数据输入设备：图形数字化仪、图像扫描仪、键盘、通讯端口等；③数据存储设备：软盘、硬盘、磁带、光盘及相应的驱动程序；④数据输出设备：图形/图像显示器、矢量/点阵打印机等。2．计算机软件系统指GIS运行所必需的各种程序，通常包括：（1）计算机系统软件由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。（2）地理信息系统软件和其他支撑软件可以是通常的GIS工具系统或专门开发的GIS软件包，也可包括数据库管理系统、计算机图形软件包、CAD、图像处理系统等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。（3）应用分析程序是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在优秀的GIS工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关，而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题数据，构成GIS的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性优劣和成败。3．地理空间数据地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源与环境管理的重要工具。4．系统开发、管理和使用人员人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型和提取多种信息，为研究和决策服务。2.8.3空间数据库的建立1.信息来源获取信息是建立数据库的第一步，非数字信息必须转换成数字形式才能被计算机接受。地理信息系统将信息分成空间信息和属性信息两大类，这两类信息的获取途径主要有五种：①野外实地测量；②摄影测量与遥感；③现场专题考察与调查；④社会调查与统计；⑤利用已有资料。这五种途径与两类信息的关系如下表所示。信息类型获取途径空间信息野外观测、遥感、现场调查、已有资料属性信息遥感、现场调查、社会调查、已有资料野外实地测量是传统的地图测量方法，这种方法获得的资料具体、准确，但花费人工多，工作周期长。一般是测得资料后制成通用地图，再输入到地理信息系统的数据库种。近年来得到推广的利用人造卫星的全球定位系统（GPS），给野外实地测量带来极大方便。航空摄影测量已普遍用于通用地图的制作。经过专门训练的操作员可以用一种称为立体解析测图仪的光学电子仪器，直接在航空照片上读取坐标，传输入计算机中。最近，已出现了用软件取代立体解析测图仪的新技术，将有良好的推广应用前景。遥感技术是在航空摄影的基础上发展起来的，从广义上说前者也包括了后者。除可见光外，遥感技术还可利用其它自然电磁波（如红外线）或由人工发射电磁波对地球表面进行远距离探测，探测的结果如果记录在照片上，可以用扫描仪或解析测图仪输入到计算机中；如果是数字方式记录下来，则可直接用计算机来处理，然后转入GIS的数据库。某些专门的信息，如土壤成分、道路交通量、房屋质量、土地使用、降雨量等，要靠现场专题调查才能获得。与人口有关的年龄、性别、教育程度、收入与消费，工业生产，商业经营，医疗保健等其他数据，必须经过社会调查与统计才能获得。任何一个信息系统，都应尽量利用已有的资料，以减少工作成本，缩短工作周期。例如现有地图、历史上的遥感资料、政府统计部门的各种调查、统计报表等，都是最常用的信息来源。2.分类与编码把数据输入到计算机之前，必须先按使用要求进行分类，这是项基础性的工作。分类过粗会影响将来分析的深度，分类过细则工作量很大，计算机的存储量也会加大。有时过细的分类在技术上也难以做到，如用遥感数字图像对农业土地利用分类时，就无法做到很细。编码是将经过分类的信息用适当的数码（字符串或数值）来表示，也称代码化。属性信息的编码方法除用于和空间信息连接的关键字外，和常规事务管理信息系统的编码方法差不多，大致有五个原则：①唯一性；②可扩充性；③易识别性；④简单性；⑤完整性。空间信息即地理要素的位置信息，其编码方式主要有三类：·用地理坐标来表示地理要素的位置，包括坐标系的选择，坐标数据输入、编辑、校正等一系列工作。·在地理要素之间建立起联系，反映空间位置上的相互关系。·对地理要素人为地给定一些编号或字符串。（3）输入方法完成了分类与编码方案，就可把收集到的资料分类编码后输入到计算机中，常用的输入方法有五种：①键盘。一般录入属性数据时采用；②图形数字化仪。地图数据录入；③扫描仪。地图数据录入；④坐标几何。地图数据录入；⑤现有数据转换。对已经用计算机储存在其他系统中的数据则可用文件转换方法从别处输入到自己的系统中。下面重点介绍一下地图数据的录入问题。·数字化仪输入。图形数字化仪由电磁感应板和坐标输入控制器组成，普通地图可用胶带纸固定在感应板上，当控制器放在感应板上时，控制器在感应板上的相对位置就转变成坐标传输给计算机。靠预先设计好的软件，传输给计算机的坐标可以光标的形式显示在图形显示器上，操作者按动控制器上的按钮，坐标数据就记录在计算机中，这种操作方式常称为手扶数字化。手扶数字化的效率受三个因素的影响：①地图的预处理，操作员应该不假思索或仅简单考虑就能区分出地图上那些要素要输入，那些不应该输入；②操作者的熟练程度；③计算机软件的设计是否便于操作。扫描仪输入。除少数特殊产品外，绝大多数扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理。图像扫描仪可分为滚筒式、平板式、CCD直接摄像式三种。因光学、电子、机械技术的发展和相互作用，扫描仪正在走向普及。扫描获得的栅格图像数据主要有三种用途：①对图像数据作增强、分类处理后进入栅格型的空间数据库。也可不作处理，仅用于显示，并在显示时叠加矢量图形，如很多GIS用户常把扫描后的航空照片作为矢量地图的背景图来显示。②显示在计算机屏幕上作进一步的手工矢量化。手工矢量化又可分为完全的手工跟踪和借助软件的半自动跟踪两种。完全手工跟踪方法把扫描获得的图像作为底图显示出来，操作员用鼠标器在屏幕上操作，这和手扶数字化仪输入很相似。半自动的矢量化方法是由操作人员用鼠标器点一下屏幕上需要矢量化的线条，软件则沿着栅格线条找到线的一个端点或在与其他线条的相交处停下来，提示操作员需要进一步矢量化的方向或下一点，计算机则自动地记录下有关的关键点并连成线。这种方法比完全手工跟踪的效率高，也容易保证精度，但只能处理线化地图，不能处理遥感图像。③由软件自动转换成矢量地图。自动矢量化可大大减轻人工劳动强度，提高工作效率。但矢量化以后的数据量一般高于手工跟踪或半自动化跟踪的方法，因为大多数矢量化软件为了减少原始信息的丢失，对地图上稍有变化的线条都用很短的直线来拟合，这就造成了矢量化以后的地图数据量过大的问题。扫描与手工数字化比较：一般来说，扫描输入比手工数字化输入快5至10倍，但传统的地图往往要重绘后才能适合扫描，当然这一步骤对手扶数字化来说也往往是必须的。为了尽量减少对自动矢量化处理过程的人工干预，被扫描的地图必须清晰、干净、没有杂点、已经分类、信息单纯而完整，这样对原始图的要求很高。·坐标几何输入。野外实地测量地图的结果往往是一些坐标、距离、方位等资料。这些数据可以记录在磁盘、磁带上，传入计算机中，再进行编辑；也可以将这些数据用键盘和鼠标器输入，边输入边编辑。这两种方式都称为坐标几何输入法（CoordinateGeometry，简称COGO）。坐标几何输入法比手工数字化仪输入慢4--20倍，但在很多情况下省去了将数据转成地图，再输入计算机这一步骤，从这个意义上也是节省了时间。而且这种方法得到的数字化地图的精度非常高，适合于某些工程项目、房产地籍法定边界所用数据，多数规划工作可能没有必要这么精确。对于一般的GIS，若用坐标几何法输入地图上的一些关键点、关键边界，可控制手工数字化或扫描处理的误差。当GIS数据库建成后，局部地区要更新地图，并已测得数据，则可用坐标几何法来更新相应的局部范围的数据。因此，坐标几何法有便于控制精度，以及便于更新局部地区资料的优点，可以和其他方法结合起来使用。COGO技术的进一步发展，将把便携式计算和数字测量仪器（包括GPS）直接连接，实