地理信息系统论文

1地理信息系统（GIS）原理及其在林业领域的应用谭亚雄学号：201001262010级林学二班（营林）摘要：地理信息系统，简称GIS（GeographicInformationSystem）。在我国又称为资源与环境信息系统。顾名思义，地理信息系统是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。一般来说，GIS可定义为：“用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术”。从GIS系统应用角度，可进一步定义为：“GIS由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务”。地理信息系统是利用计算机存贮、处理地理信息的一种技术与工具，是一种在计算机软、硬件支持下，把各种资源信息和环境参数按空间分布或地理坐标，以一定格式和分类编码输入、处理、存贮、输出，以满足应用需要的人-机交互信息系统。它通过对多要素数据的操作和综合分析，方便快速地把所需要的信息以图形、图像、数字等多种形式输出，满足各应用领域或研究工作的需要。地理信息系统在国民经济建设中得到了广泛运用，特别是在地域开发、环境保护、资源利用、城市管理、灾情预测、人口控制、交通运输等方面发挥着积极的作用。随着现代信息技术的迅猛发展，地理信息系统（GIS）在林业上发挥这越来越重要的作用。关键字：系统原理、资源管理、制图、森林防火、虫害防治、规划、天然林保护一、地理信息系统原理概念地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：2A、GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。B、GIS的操作对象是空间数据和属性数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述、这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。C、GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。地理信息系统示意图3D、GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟三维地理信息系统（右图）4一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展，以减小重复浪费，提高数据共享程度和实用性。二、地理信息系统与森林资源管理A、地理信息系统技术地理信息系统是一项以计算机为基础的新技术，围绕这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和空间数据的系统；在适当的计算机软硬件支持下，可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据进行有效管理、研究各种空间实体及其相互关系。通过对多因素的综合分析，可以方便地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。一般认为地理信息系统是具有数据采集、管理、查询、计算、分析与可视表现等多种功能的计算机技术系统。地理信息系统的核心是空间数据及应用软件，尤以GIS软件最为引人注目，现在已知的GIS已经广泛应用于政治、军事、经济、文化和社会生活的各个方面。GIS软件在其中起到了巨大的作用，现代GIS软件是在60年代中期发端的第一代和80年代末的第二代软件产品的基础上，在90年代中期开始出现第三代的GIS软件，其特征是面向对象的软件构造技术和广域网尤其是Internet技术的支持下，出现了一些新的特点，加快了GIS在国民经济和社会生活各方面的应用：典型的GIS功能框图5（1）组件化：采用了面向对象的软件技术后，就可以利用商用的软件构造工具，实现地理信息系统的组件化结构，极大的提高了支持二次开发的能力，模糊了软件平台和应用系统之间的界线。客户可以利用传统的软件开发语言和空间数据处理组件方便地构造个性化的应用软件系统，实现系统的灵活配置，对于提高应用软件的可靠性也有积极的促进意义；（2）空间数据与属性数据的一体化存储：新软件采用商用DBMS的扩充功能、或自行在传统DBMS上扩充其数据管理能力，普遍实现了空间数据和属性数据的一体化存储和查询。这种一体化技术实现了数据管理的规范化和数据操纵的标准化，其好处是用户可以方便地组织各类空间信息处理事物，在数据完整性和一致性方面提供有效的保证；（3）B/S结构：Internet技术尤其是WEB技术的发展和跨平台软件技术的发展，使得计算机应用系统迅速由C/S结构转为B/S结构。B/S结构模糊了系统的界线，实现了最终用户端软件的零维护，其好处是显而易见的。第三代地理信息系统软件普遍采用WEB和“软总线”技术，一方面实现了以浏览、查询为主的应用系统的B/S结构，另一方面实现了多级服务器和多用户协同工作方式，使应用系统的构建跨越了地域及规模上的限制，为地理信息系统由以系统为中心向以数据为中心的过渡奠定了良好的基础。目前超大型应用系统（成百上千用户）已经开始出现，特别是将空间信息与人们的日常生活相联系，真正将地理信息系统带入主流软件的行列，可以预见在不久的将来，GIS将和数据库系统、图形库系统一样，成为计算机应用系统中不可缺少的组成部分；（4）3S集成：遥感技术是迄今为止人类获取空间数据规模最大、时间最短的技术，卫星定位技术可以帮助人们快捷地获得地球表面任意物体的空间位置信息。但是，作为重要的空间数据获取手段，它们只有和地理信息系统技术结合，才能产生广阔的应用前景。第三代地理信息系统软件开始注重3S集成，实现了矢量、图像某种程度上的一体化存储、叠加显示和矢量—栅格数据的相互转化，尽管这种集成是相当初步的，但是在实际应用中已经显示了积极的作用。B、数据库技术数据库是一个复杂的系统，它是集中、统一地保存和管理着某一单位或某一领域内所有有用信息的计算机系统，这个系统的数据有较少冗余和较高的独立性，并且能够为多种应用服务。管理数据库通常利用数据库管理系统实现，常用的数据库管理系统是建立在操作系统基础上的，数据库的所有操作（数据库的建立、使用和维护）都是在管理系统的统一管理和控制下进行的。林业系统数据库管理通常采用混合管理方式：用地理信息系统管理空间数据，用关系型数据库管理系统管理属性数据，空间数据和属性数据通过内码建立连接。空间数据和属性数据作为林业专题地理信息系统的核心，出保证森林资源地理信息管理系统能够正常运行的基础；没有数据库，再方便的森林资源地理信息管理系统也无能为力，可见数据库是森林资源地理信息管理系统建设的先决条件；而且，数据质量的优劣也将直接影响和决定属性传统三建设的成效。所以说，高质量的数据库是建设森林资源地理信息管理系统的基础。数据库技术在森林资源地理信息管理系统中的应用，可以满足系统的不同需求：(1)实现空间数据和属性数据的动态更新；(2)维护数据库的完备性和一致性；(3)实现时间数据、空间数据、属性数据三者之间高效、快速地检索；(4)数据共享的控制；(5)系统安全的管理；(6)数据的可恢复性。通过这些功能，系统数据库才能发挥其应有的作用。现代信息技术和网络技术的日益成熟和普及，给林业信息化工作的数据库建设的发展提供了良好的机遇。从应用前景看，以数据处理为主转向以知识处理为主，是计算机技术应用的总趋势，同样也6是林业信息化技术发展的基本趋势。林业信息化产品在市场上将越来越多并日益趋向智能化，类似森林资源地理信息管理系统这样的产品将不再局限于数据收集、分类、贮存、检索和查询；而是能够辅助决策，并提供良好的用户接口。林业信息系统很快也将不再以一库（数据库）系统为主，更多的将是二库（数据库、模型库）、三库（数据库、模型库、知识库）、四库（数据库、模型库、知识库、文本库）系统。随着计算机软硬件的升级和开发完善，多媒体技术的广泛应用，林业计算机系统的开发应用将有广阔的发展前景。C、数据仓库与数据挖掘技术数据挖掘DM(DataMining)技术，是指从大型数据库或数据仓库中提取人们感兴趣的数据（知识），这些数据(知识)是隐含的、事先未知的潜在信息。数据挖掘技术能迅速从大量数据中发现信息与推理知识，可筛选大量的日常数据，寻找、发现隐藏数据，揭示出新的关系和模型，提供预期有用的信息。数据挖掘的关键是充分利用高效快速信息搜索技术，以便在已有数据库上挖掘到大量对有用的数据。利用MicrosoftSQLServer2000的组件开放接口可进行数据挖掘开发。数据挖掘具体实现过程一般为：1)建立挖掘模型。用户根据功能需求和机构的结构要求选择挖掘算法，选择预测实体和训练数据，建立适当的关系数据挖掘模型或OLAP数据挖掘模型2)从数据库中挖掘出数据，生成测试集。子模块的功能需求作为挖掘条件或规则输入到数据挖掘器DMTool(DataMiningTool)。DMTool从已有产品数据库、知识库和规则库中挖掘出符合近似度条件的方案及其各种参数。如有必要设计师可适当进行参数修改以满足需求，然后从中选择或全部选择，生成测试集。3)对测试集预测、评价，选定方案。由于SQLServer2000有先天优良的数据接口，可进一步开发以实现对网络数据库甚至对Web信息的挖掘。D、空间数据处理与共享技术在森林资源地理信息管理系统中，常用分层分类的概念来分别存储不同类别的空间数据，每一层存放一种专题或一类信息，并有一组对应的属性数据。这样不论是数据维护还是空间分析，处理起来均较方便。数据分层可以依照专题来进行，每层对应一个专题，包含一种或几种不同信息，并服务于林业生产某一特定的用途或目的。迄今为止，多数森林资源地理信息管理系统是将空间数据和属性数据分开管理，所以一般的信息系统多是将地理信息系统软件用于空间数据管理，属性数据则用关系型数据库管理系统管理，空间数据和属性数据通过唯一内码建立连接。但是这种办法引起的问题是：空间数据与属性数据的连接太弱，易造成空间数据与属性数据的脱节；其次是空间数据和属性据库用不同的系统管理，造成资源浪费和管理混乱；三是由于空间数据不能统一存放于标准数据库中，造成空间数据不能在网络上共享，所以，传统的森林资源地理信息管理系统从未实现过真正的Client/Server构架。随着地理信息技术的发展，解决这些难题的新技术已经不断涌现，主要的