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GIS的初級學習階段應該學習哪些基礎知識呢
當前GIS的功能進展2006/12/31 11:35 A.M. 地理信息系統(tǒng)GIS（Geographic Information System）是近20年來發(fā)展起來的一門綜合性的技術(shù)，它涉及到地理學、測繪學、計算機科學與技術(shù)等學科。它的概念和基礎是地理和測繪，它的技術(shù)支撐是計算機技術(shù)，它的應用領域是地理、規(guī)劃與管理等許多行業(yè)和部門。隨著信息技術(shù)尤其是計算機技術(shù)的快速發(fā)展、數(shù)字地球的提出與實施，GIS應用程度的不斷深入和應用范圍的逐漸擴大，正處于急劇變化與發(fā)展之中。
1.1 空間信息的獲取與處理
空間信息的獲取技術(shù)包括：野外全站儀測量、GPS測量、地圖掃描數(shù)字化、數(shù)字攝影測量、從遙感影像進行目標測量等。野外全站儀測量、GPS測量的軟件已基本普及。
地圖掃描數(shù)字化技術(shù)及轉(zhuǎn)化成矢量數(shù)據(jù)庫的技術(shù)日趨成熟并已商品化，如ESRI公司的ArcScan。目前的技術(shù)大多采用交互和自動相結(jié)合，在自動消除噪音和色斑后，可自動跟蹤單線和多邊形邊界，并自動識別斷點、虛線、符號線，自動角度取直，交互時可以進行柵格-矢量一體化編輯。雖然掃描數(shù)字化大大提高了圖形數(shù)據(jù)輸入的效率和精度，但數(shù)字化后的編輯和屬性數(shù)據(jù)的輸入依然很繁重。
GPS集成到GIS中和GIS用于野外，使實時獲取野外數(shù)據(jù)取得重大進展。遙感影像正在被用來作為一種基本地圖，使之成為GIS最重要的一層。
用數(shù)字攝影測量 *** 自動獲取DEM、數(shù)字正射影像，人工交互獲取矢量線劃數(shù)據(jù)的技術(shù)已得到廣泛使用。在我國，該項技術(shù)處于世界領先水平，儀器設備和軟件出口，而且承擔國外的數(shù)據(jù)采集任務。
用遙感制作數(shù)字正射影像，并用交互式 *** 進行目標提取的技術(shù)也已基本成熟，已生產(chǎn)出大量遙感數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。
在空間信息獲取方面，剩下的是地物目標的自動識別和自動測量問題，包括掃描地圖的要素識別、數(shù)字攝影測量和遙感目標的自動提取。這是一個需要長期研究的課題，短期內(nèi)難以取得突破。
從技術(shù)角度講，空間數(shù)據(jù)處理的 *** 與技術(shù)已基本成熟，但是仍缺少效率高、自動化程度好的空間數(shù)據(jù)處理專用軟件。
空間數(shù)據(jù)獲取與處理的另一個發(fā)展趨勢是 *** 化空間數(shù)據(jù)生產(chǎn)。它是指空間數(shù)據(jù)采集與處理工作基于一個局域網(wǎng)環(huán)境，并用一個 *** 數(shù)據(jù)生產(chǎn)管理軟件進行生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)控和質(zhì)量控制，以提高空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率和保證數(shù)據(jù)的安全。
隨著新型傳感器的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)信息源的獲取設備與技術(shù)正處于一個快速發(fā)展時期，激光掃描雷達、高分辨率數(shù)字攝影測量相機、紅外相機、干涉雷達等一批新型航測遙感設備，將使我們獲取的空間信息更加豐富。
1.2 空間數(shù)據(jù)存儲和檢索
GIS空間數(shù)據(jù)管理已經(jīng)走出了文件管理的模式。最初的GIS軟件一般采用文件 *** 管理矢量圖形數(shù)據(jù)，利用關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理屬性數(shù)據(jù)。目前主要的GIS軟件都采用了商用關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)同時管理圖形和屬性數(shù)據(jù)。如國外的ARC／INFO、GEOMEDIA，國內(nèi)的GEOSTAR、MAPGIS、SUPERMAP等。
在數(shù)據(jù)查詢和訪問上，采用標準的SQL命令來訪問和操作數(shù)據(jù)（包括對數(shù)據(jù)的增、刪、改）。在提高查詢速度上，大多引進四叉樹和R樹等空間索引技術(shù)。
1.3 數(shù)據(jù)處理和分析
GIS在這一方面的問題是，精通分析與模型化技術(shù)的數(shù)學專家對GIS了解不多，而GIS的開發(fā)者往往對空間數(shù)據(jù)的分析、模型化和空間統(tǒng)計方面知之甚少。在標準的商業(yè)系統(tǒng)中，仍然沒有基本的通用的空間分析程序，而且也沒有基本的通用模型化工具。值得注意的是，GIS廠商正在他們的產(chǎn)品中包含柵格數(shù)據(jù)處理功能，并將其作為單獨的模塊提供給用戶，如MapInfo公司的Vertical Mapper。
1.4 數(shù)據(jù)輸出
GIS在數(shù)據(jù)輸出方面最令人興奮的進展在于隨著Internet和WWW技術(shù)的應用，使GIS的地理信息和地圖數(shù)據(jù)輸出跨越了時間和空間。任何用戶可以在任何時間任何地點通過互聯(lián)網(wǎng)去訪問Web服務器上安裝的GIS，可以在自己定制的界面上獲得地圖信息、制作專題地圖、進行地理分析等。應該說已經(jīng)商品化的WebGIS都還處于初級階段，WebGIS提供的查詢和分析功能還不能滿足專業(yè)應用的需要。但WebGIS的出現(xiàn)已經(jīng)開始改變GIS傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出和地圖發(fā)布的方式，為地理信息的高度社會化共享提供了可能。
2.1 WebGIS的發(fā)展趨勢
WebGIS是以現(xiàn)有的Internet／Intranet為架構(gòu)基礎的 *** 互操作應用系統(tǒng)，它可利用Internet在Web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)，為用戶提供空間數(shù)據(jù)瀏覽、查詢和分析的功能。一方面，WebGIS可為公眾提供交通、旅游、餐飲、娛樂、房地產(chǎn)、購物等與空間信息有關的在線信息服務；另一方面，WebGIS可為基于Intranet的企業(yè)內(nèi)部業(yè)務管理提供服務，如幫助企業(yè)進行設備管理、線路管理以及安全監(jiān)控管理，等等。WebGIS的廣泛應用，使得它已經(jīng)成為目前國際GIS發(fā)展的必然趨勢。通過WebGIS，人們可以方便地從WWW的任意一個節(jié)點瀏覽或獲取Web上的各種分布式地理空間數(shù)據(jù)以及進行各種在線的地理空間分析。
2.2 WebGIS的特征
1）更廣泛的訪問范圍。
2）平 *** 立性。無論服務器／客戶機是何種機器，無論WebGIS服務器端使用何種GIS軟 件，由于使用了通用的Web瀏覽器，用戶就可以透明地訪問WebGIS數(shù)據(jù)，在本機或某個服務器上進行分布式部件的動態(tài)組合和空間數(shù)據(jù)的協(xié)同處理與分析，實現(xiàn)遠程異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的共享。
3）可以大規(guī)模降低系統(tǒng)成本。
4）更簡單的操作。
5）平衡高效的計算負載。能充分利用 *** 資源，將基礎性、全局性的處理交由服務器執(zhí) 行，而對數(shù)據(jù)量較小的簡單操作則由客戶端直接完成。
2.3 WebGIS的實現(xiàn)模型
1）服務器端策略。基于服務器的WebGIS通常采用CGI技術(shù)，依賴服務器完成GIS分析、輸出等工作，客戶端每一個GIS操作，都須由服務器接受請求，啟動相應的CGI程序進行處理，然后將結(jié)果以JPEG或GIF位圖返回用戶。
2）客戶端策略。通過服務器向客戶端發(fā)送一段運行在本地機上的客戶程序。這個程序可以與用戶相交互，處理用戶的一些簡單請求，如地圖的開窗、放大等，所需的矢量數(shù)據(jù)直接向服務器申請。當客戶發(fā)出一些較復雜、高級的操作要求而客戶程序不能處理時，才請求WebGIS服務器處理，其處理結(jié)果以矢量數(shù)據(jù)的形式發(fā)給客戶端。
3）混合策略。綜合考慮客戶機、服務器計算能力和 *** 通信量，適當?shù)胤植糋IS任務，以充分使用客戶機和服務器的計算功能，提高互操作性和系統(tǒng)性能。例如，對空間數(shù)據(jù)庫的查詢、空間數(shù)據(jù)管理和復雜的空間分析功能應安排在服務器上實現(xiàn)；用戶的交互操作和控制，對Web頁面的局部空間查詢、專題分析則在客戶機上進行。這樣客戶機和服務器共同完成GIS的任務，提高了系統(tǒng)性能。
2.4 WebGIS的實現(xiàn)技術(shù)
1）CGI（公共網(wǎng)關接口法）。CGI技術(shù)是WebGIS最早使用的 *** 。CGI是一種連接應用軟件和WebServer的標準技術(shù)，是HTML的功能延伸。
2）ServerAPI（服務器應用程序接口）。ServerAPI是比CGI更有效的WebServer擴充 *** ，進程創(chuàng)建和進程間通信負載大大減少，運行速度比CGI程序要快得多。
3）ASP（Active Server Page）。ASP解決了CGI接口對象化的難題，可以自動解析收集來的網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)。同時ASP可以使用Windows環(huán)境下的其他ActiveX對象。
4）Plug in和ActiveX Control。Plug in（插件）和ActiveXControl是擴充瀏覽器功能使之能夠解釋自定義GIS數(shù)據(jù)文件格式的 *** 。
這種 *** 的優(yōu)點：執(zhí)行速度快；可以處理矢量地圖數(shù)據(jù)；在一定程度上平衡了客戶和服務器兩端的負載，減少了 *** 帶寬要求。但這種瀏覽器的嵌入功能模塊需要安裝在本地機器上，對客戶不方便和不安全。同時，傳統(tǒng)軟件編程 *** 中不同版本之間的兼容性及版本管理問題不能解決，一旦制定了新的格式，對應的瀏覽器中的嵌入模塊就必須重新安裝。
5）Java。Java成為實現(xiàn)WebGIS分布式應用體系結(jié)構(gòu)最理想的開發(fā)語言。目前利用Ja va開發(fā)WebGIS系統(tǒng)的 *** 有兩種：一是僅客戶端部分采用Java技術(shù)的WebGIS系統(tǒng)，服務器端在現(xiàn)有系統(tǒng)代碼基礎上，用制定GIS空間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議以及和Java程序交互的功能模塊實現(xiàn)，這是目前絕大多數(shù)WebGIS系統(tǒng)采用的 *** 。它的特點是系統(tǒng)開發(fā)簡單易行，可以大大縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，同時又能保證開發(fā)的系統(tǒng)有較強的制圖和地理空間分析能力，并能在一定程度上實現(xiàn)跨平臺應用。第二種 *** 是客戶端和服務器端都基于Java的We bGIS。也就是純Java系統(tǒng)的WebGIS。這種開發(fā)方式可以更大限度地發(fā)揮Java技術(shù)的優(yōu)勢，尤其是可以充分利用Java在服務器端和客戶端為構(gòu)建分布式 *** 應用提供的支持技術(shù)。
3.1 GIS的發(fā)展趨勢
GIS經(jīng)歷了從項目GIS、部門GIS、企業(yè)GIS、社會GIS的演變過程，其系統(tǒng)集成也相應的經(jīng)歷了從主機GIS、（傳統(tǒng)GIS）、分布式GIS（C／S）、智能化GIS（WebGIS）、虛擬實現(xiàn)GIS的變化過程。可以看出，GIS始終是向更高性能、更低成本、更具開放性和靈活性的方向發(fā)展的。隨著面向?qū)ο罄碚摵?*** 的成熟，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的逐步完善， *** 化和智能化體系的普及，基于Internet和Intranet的WebGIS系統(tǒng)集成策略將是21世紀GIS系統(tǒng)的主流技術(shù)。
3.2 基于XML的 *** 環(huán)境下開放的空間數(shù)據(jù)交換格式
可擴展標識語言XML（Extensible Markup Language）可以讓信息提供者根據(jù)需要，自行定義標記及屬性名，也可以包含描述法，從而使XML文件的結(jié)構(gòu)可以復雜到任意程度。XML具有跨平臺、開放性、可擴展性、高度結(jié)構(gòu)化等特點。
地理標記語言GML（Geography Markup Language）是由OpenGIS聯(lián)盟制定的，它是基于XML的用于地理信息（包括地理特征的幾何和屬性）的傳輸和存儲的編碼規(guī)范。它用地理特征來描述世界，可以對很復雜的地理實體進行編碼。
3.3 開放式地理信息系統(tǒng)
Web的本質(zhì)特征就是其開放性。因此WebGIS的體系結(jié)構(gòu)應該具備開放、互操作、可升級和可擴展性。開放的WebGIS首先應該包括數(shù)據(jù)的開放，即分布在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中的信息共享，XML的出現(xiàn)已經(jīng)提供了一個很好的解決方案。另外，還應該包括數(shù)據(jù)訪問的開放，即不同的地理信息系統(tǒng)軟件之間具有良好的互操作性。對WebGIS所提出的這些要求正是OpenGIS聯(lián)盟成立的目的。
與傳統(tǒng)的GIS相比，OpenGIS建立起通用的技術(shù)基礎以進行開放式的地理信息處理。它具有互操作性、可擴展性技術(shù)公開性、可移植性、兼容性、可實現(xiàn)性和協(xié)同性等特點。
3.4 基于分布式計算的WebGIS
分布式計算目前只實現(xiàn)了客戶機／服務器計算，它是實現(xiàn)完全的分布式計算的一個中間步驟。完全的分布式計算是一個非集中的，對等的協(xié)同計算，是下一個世紀的理想計算模式。
目前分布式計算平臺采用的體系結(jié)構(gòu)或標準有對象管理組織的共同對象請求 *** 體系結(jié)構(gòu)CORBA；微軟的分布式部件對象模型DCOM和分布式 *** 體系結(jié)構(gòu)DNA；分布式計算環(huán)境DCE，以及SUN的Java。
分布式WebGIS應用從簡單的在Web瀏覽器上顯示已繪制好的地圖，發(fā)展到基于Internet的GIS功能綜合。遠程的GIS用戶可以共享普通的GIS數(shù)據(jù)，并與其他的GIS用戶實現(xiàn)實時通信。發(fā)展分布式InternetGIS應用技術(shù)，集中體現(xiàn)在服務器、客戶機和 *** 通信三個方面。
3.5 *** 虛擬地理環(huán)境
三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)正在成為 *** 應用的技術(shù)熱點。隨著Internet的飛速發(fā)展及三維技術(shù)的日益成熟，人們已經(jīng)不滿足Web頁上二維空間的交互特性，而希望將WWW變成一個立體空間。
虛擬地理環(huán)境（VR）技術(shù)提供的可視化，不只是一般幾何形體的空間顯示，也是對地理信息、噪聲、溫變、力變、磨損、振動等的可視化，而且還可以把人的創(chuàng)新思維表述為可視化的虛擬實體，促進人的創(chuàng)造靈感進一步升華。
地理虛擬建模語言（GeoVRML）以虛擬建模語言（VRML）為基礎來描述地理空間數(shù)據(jù)。其目的是讓用戶通過一個在Web瀏覽器上安裝的標準VRML插件來瀏覽地理參考數(shù)據(jù)、地圖和三維地形模型。它的出現(xiàn)將為在 *** 環(huán)境下實現(xiàn)虛擬地理環(huán)境提供一個良好的數(shù)據(jù)規(guī)范平臺，將大大促進 *** 虛擬地理環(huán)境的應用。
3.6 移動GIS
移動GIS是一種應用服務系統(tǒng)。狹義的移動GIS是指運行于移動終端（如PDA）并具有桌面GIS功能的GIS，它不存在與服務器的交互，是一種離線運行模式。廣義的移動GIS是一種集成系統(tǒng)，是GIS、GPS、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)服務、多媒體技術(shù)等的集成。移動GIS具有以下特點：
1）移動GIS運行于各種移動終端上，與服務端可通過無線通信進行交互實時獲取空間數(shù)據(jù)，也可以脫離服務器與傳輸介質(zhì)的約束獨立運行，具有移動性。
2）移動GIS作為一種應用服務系統(tǒng)，應能及時地響應用戶的請求，能處理用戶環(huán)境中隨時間變化的因素的實時影響，具有動態(tài)（實時）性。
3）移動GIS集成了各種定位技術(shù)，用于實時確定用戶的當前位置和相關信息，因此它具有對位置信息的依賴性。
4）移動GIS的表達呈現(xiàn)于移動終端上，移動終端有手機、掌上電腦、車載終端等，這些設備的生產(chǎn)廠商不是惟一的，他們采用的技術(shù)也不是統(tǒng)一的，這就必然造成移動終端的多樣性。
3.7 三維GIS
傳統(tǒng)的GIS都是二維的，僅能處理和管理二維圖形和屬性數(shù)據(jù)。有些軟件也具有2.5維DEM地形分析功能，隨著技術(shù)的發(fā)展，三維建模和三維GIS迅速發(fā)展，而且具有很大的市場吸引力。
真三維GIS不僅表達三維物體（地面和地面建筑物的表面），也表達物體的內(nèi)部，如礦山、地下水等。由于地質(zhì)礦體和礦山等三維實體不僅表面呈不規(guī)則狀，而且內(nèi)部物質(zhì)也不一樣，此時Z值不能作為一個屬性，而應該作為一個空間坐標，礦體內(nèi)任一點的值是三維坐標x，y，z的函數(shù)，即P=f（x，y，z）。而我們在目前進行三維可視化的時候，z是xy的函數(shù)，如何將P=f（x，y，z）進行可視化，表現(xiàn)礦體的表面形狀，并反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個難題。所以當前真三維GIS還是一個“瓶頸”問題，推出了一些實用系統(tǒng)，但一般都作了一些簡化。
結(jié)束語：
GIS總體上呈現(xiàn)出 *** 化、開放性、虛擬現(xiàn)實、集成化、空間多維性等發(fā)展趨勢。作為一種基于計算機的應用工具，GIS把地圖的視覺和空間地理分析功能與數(shù)據(jù)庫功能集成在一起，提供了一種對空間數(shù)據(jù)進行分析、綜合和查詢的智能化手段，涉及多學科的相互滲透、相互支撐。
GIS的技術(shù)基礎
GIS為各種涉及空間數(shù)據(jù)分析的學科提供了新的技術(shù) *** ，而每個相關學科都提供了一些構(gòu)成GIS的技術(shù)與 *** 。
首先，地圖是記錄地球表面信息的一種形式，從歷史發(fā)展來看，GIS脫胎于地圖，而計算機制圖技術(shù)更是為地圖特征的數(shù)字表示、操作和顯示提供了成套 *** ，為GIS的圖形輸出設計等提供了理論支持。同時，地圖還是目前GIS的基礎數(shù)據(jù)源，但地圖強調(diào)的是數(shù)據(jù)分析、符號化與顯示，地理信息系統(tǒng)更注重空間分析。
其次，數(shù)據(jù)庫也是GIS的技術(shù)基礎之一。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要用于存儲、管理和查詢各類數(shù)據(jù)，并盡可能具備一些簡單的統(tǒng)計分析功能，這是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。
第三，遙感作為空間數(shù)據(jù)的采集手段，成為GIS的重要信息源與數(shù)據(jù)更新途徑。遙感（RS）圖像處理系統(tǒng)包含復雜的解析函數(shù)，并有許多 *** 用于信息的增強與分類；大地測量為GIS提供了精確定位的控制信息，尤其是全球定位系統(tǒng)（GPS），可快速、廉價地獲取地表特征的數(shù)字位置信息；航空拍攝及其精確測量 *** 的應用使得攝影測量成為GIS主要的地形數(shù)據(jù)來源。總之，遙感是GIS的重要數(shù)據(jù)源與更新手段。
第四，計算機科學的發(fā)展對GIS起著關鍵性的影響。按照國際通行的定義，GIS軟件的開發(fā)和使用基本屬于計算機應用理論與 *** 在加入空間位置要素后的自然延伸，始于計算機出現(xiàn)不久，在最近10～15年，計算機不僅在容量與速度方面都有了質(zhì)的飛躍，而且隨著多媒體、 *** 、數(shù)據(jù)庫、軟件工程、電子技術(shù)等的飛速發(fā)展，GIS的發(fā)展也在突飛猛進（黃杏元，2004a，2004b，2004c）。幾乎每一次計算機技術(shù)的重要進展都帶動地理信息系統(tǒng)技術(shù)的重大進步，如空間數(shù)據(jù)的管理、 *** GIS、三維GIS等技術(shù)，每一步的重要發(fā)展都與計算機信息技術(shù)的進展有關。計算機輔助設計提供了數(shù)據(jù)輸入、顯示與表達的軟件與 *** ；計算機圖形學是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)的基礎之一，它提供了圖形處理、顯示的軟硬件及其技術(shù) *** ； *** 的普及使地理信息系統(tǒng)已成為許多機構(gòu)必備的工作系統(tǒng)，尤其是 *** 決策部門在一定程度上由于受地理信息系統(tǒng)影響而改變了現(xiàn)有機構(gòu)的運行方式、設置與工作計劃等；人工智能的發(fā)展也給地理信息系統(tǒng)的技術(shù)進步帶來了積極的影響（周成虎，1995）。
簡而言之，地理信息系統(tǒng)就是能夠輸入、存儲、管理并處理分析地理空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。它隨計算機技術(shù)發(fā)展應運而生，是信息系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展到高級階段的產(chǎn)物。
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