地理信息系统是什么

小白问答2020-04-13 11:51:35阅读(...)

地理信息系统有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

地理信息系统(Geographic Information System 或 Geo-Information system,GIS)有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

定位手机

位置与地理信息既是 LBS 的核心,也是 LBS 的基础。一个单纯的经纬度坐标只有置于特定的地理信息中,代表为某个地点、标志、方位后,才会被用户认识和理解。用户在通过相关技术获取到位置信息之后,还需要了解所处的地理环境,查询和分析环境信息,从而为用户活动提供信息支持与服务。

地理信息系统(GIS,Geographic Information System)是一门综合性学科,结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学,已经广泛的应用在不同的领域,是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统,随着 GIS 的发展,也有称 GIS 为“地理信息科学”(Geographic Information Science),近年来,也有称 GIS 为”地理信息服务”(Geographic Information service)。GIS 是一种基于计算机的工具,它可以对空间信息进行分析和处理(简而言之,是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析)。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起。

历史发展

古往今来,几乎人类所有活动都是发生在地球上,都与地球表面位置(即地理空间位置)息息相关,随着计算机技术的日益发展和普及,地理信息系统(Geography Information System,GIS)以及在此基础上发展起来的“数字地球”、“数字城市”在人们的生产和生活中起着越来越重要的作用。

GIS 可以分为以下五部分:

人员,是 GIS 中最重要的组成部分。开发人员必须定义 GIS 中被执行的各种任务,开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服 GIS 软件功能的不足,但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对 GIS 的一无所知所带来的负作用。

数据,精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。

硬件,硬件的性能影响到软件对数据的处理速度,使用是否方便及可能的输出方式。

软件,不仅包含 GIS 软件,还包括各种数据库,绘图、统计、影像处理及其它程序。

过程,GIS 要求明确定义,一致的方法来生成正确的可验证的结果。

GIS 属于信息系统的一类,不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面(包括大气层和较浅的地表下空间)空间要素的位置和属性,在 GIS 中的两种地理数据成分:空间数据,与空间要素几何特性有关;属性数据,提供空间要素的信息。

地理信息系统(GIS)与全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)合称 3S 系统。

地理信息系统(GIS) 是一种具有信息系统空间专业形式的数据管理系统。在严格的意义上, 这是一个具有集中、存储、操作、和显示地理参考信息的计算机系统。例如,根据在数据库中的位置对数据进行识别。实习者通常也认为整个 GIS 系统包括操作人员以及输入系统的数据。

地理信息系统(GIS)技术能够应用于科学调查、资源管理、财产管理、发展规划、绘图和路线规划。例如,一个地理信息系统(GIS)能使应急计划者在自然灾害的情况下较易地计算出应急反应时间,或利用 GIS 系统来发现那些需要保护不受污染的湿地。

地理数据和地理信息

什么是信息(Information)?1948 年,美国数学家、信息论的创始人香农(Claude Elwood Shannon)在题为《通讯的数学理论》的论文中指出:“信息是用来消除随机不定性的东西”; 1948 年,美国著名数学家、控制论的创始人维纳(Norbert Wiener)在《控制论》一书中,指出:“信息就是信息,既非物质,也非能量。” 狭义信息论将信息定义为“两次不定性之差”,即指人们获得信息前后对事物认识的差别;广义信息论认为,信息是指主体(人、生物或机器)与外部客体(环境、其他人、生物或机器)之间相互联系的一种形式,是主体与客体之间的一切有用的消息或知识。我们认为信息是通过某些介质向人们(或系统)提供关于现实世界新的事实的知识,它来源于数据且不随载体变化而变化,它具有客观性、实用性、传输性和共享性的特点。

信息与数据既有区别,又有联系。数据是定性、定量描述某一目标的原始资料,包括文字、数字、符号、语言、图像、影像等,它具有可识别性、可存储性、可扩充性、可压缩性、可传递性及可转换性等特点。信息与数据是不可分离的,信息来源于数据,数据是信息的载体。数据是客观对象的表示,而信息则是数据中包含的意义,是数据的内容和解释。对数据进行处理(运算、排序、编码、分类、增强等)就是为了得到数据中包含的信息。数据包含原始事实,信息是数据处理的结果,是把数据处理成有意义的和有用的形式。

地理信息作为一种特殊的信息,它同样来源于地理数据。地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示,是指表征地理环境中要素的数量、质量、分布特征及其规律的数字、文字、图像等的总和。地理数据主要包括空间位置数据、属性特征数据及时域特征数据三个部分。空间位置数据描述地理对象所在的位置,这种位置既包括地理要素的绝对位置(如大地经纬度坐标),也包括地理要素间的相对位置关系(如空间上的相邻、包含等)。属性数据有时又称非空间数据,是描述特定地理要素特征的定性或定量指标,如公路的等级、宽度、起点、终点等。时域特征数据是记录地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。时域特征数据对环境模拟分析非常重要,正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时域特征构成了地理空间分析的三大基本要素。

地理信息是地理数据中包含的意义,是关于地球表面特定位置的信息,是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识。作为一种特殊的信息,地理信息除具备一般信息的基本特征外,还具有区域性、空间层次性和动态性特点。

当今社会,人们非常依赖计算机以及计算机处理过的信息。在计算机时代,信息系统部分或全部由计算机系统支持,因此,计算机硬件、软件、数据和用户是信息系统的四大要素。其中,计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备;软件是支持数据信息的采集、存贮加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统;数据则是系统分析与处理的对象,构成系统的应用基础;用户是信息系统所服务的对象。

从 20 世纪中叶开始,人们就开始开发出许多计算机信息系统,这些系统采用各种技术手段来处理地理信息,它包括:

○ 数字化技术:输入地理数据,将数据转换为数字化形式的技术;

○ 存储技术:将这类信息以压缩的格式存储在磁盘、光盘、以及其他数字化存储介质上的技术;

○ 空间分析技术:对地理数据进行空间分析,完成对地理数据的检索、查询,对地理数据的长度、面积、体积等的量算,完成最佳位置的选择或最佳路径的分析以及其他许多相关任务的方法;

○ 环境预测与模拟技术:在不同的情况下,对环境的变化进行预测模拟的方法;

○ 可视化技术:用数字、图像、表格等形式显示、表达地理信息的技术。

这类系统共同的名字就是地理信息系统(GIS , Geographic Information System),它是用于采集、存储、处理、分析、检索和显示空间数据的计算机系统。与地图相比,GIS 具备的先天优势是将数据的存储与数据的表达进行分离,因此基于相同的基础数据能够产生出各种不同的产品。

由于不同的部门和不同的应用目的,GIS 的定义也有所不同。当前对 GIS 的定义一般有四种观点:即面向数据处理过程的定义、面向工具箱的定义、面向专题应用的定义和面向数据库的定义。Goodchild 把 GIS 定义为“采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合技术系统”。Burrough 认为“GIS 是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力的工具”,俄罗斯学者也把 GIS 定义为“一种解决各种复杂的地理相关问题,以及具有内部联系的工具集合”。面向数据库是定义则是在工具箱定义的基础上,更加强调分析工具和数据库间的连接,认为 GIS 是空间分析方法和数据管理系统的结合。面向专题应用的定义是在面向过程定义的基础上,强调 GIS 所处理的数据类型,如土地利用 GIS、交通 GIS 等;我们认为地理信息系统它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。它和其他计算系统一样包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。只不过 GIS 中的所有数据都具有地理参照,也就是说,数据通过某个坐标系统与地球表面中的特定位置发生联系。

地理信息系统简称 GIS,多数人认为是 Geographical Information System(地理信息系统),也有人认为是 Geo-information System(地学信息系统)等等。人们对 GIS 理解在不断深入,内涵在不断拓展,“GIS”中,“S”的含义包含四层意思:

一是系统(System),是从技术层面的角度论述地理信息系统,即面向区域、资源、环境等规划、管理和分析,是指处理地理数据的计算机技术系统,但更强调其对地理数据的管理和分析能力,地理信息系统从技术层面意味着帮助构建一个地理信息系统工具,如给现有地理信息系统增加新的功能或开发一个新的地理信息系统或利用现有地理信息系统工具解决一定的问题,如一个地理信息系统项目可能包括以下几个阶段:

(1)定义一个问题;

(2)获取软件或硬件;

(3)采集与获取数据;

(4)建立数据库;

(5)实施分析;

(6)解释和展示结果。

这里的地理信息系统技术(Geographic information technologies)是指收集与处理地理信息的技术,包括全球定位系统(GPS)、遥感(Remote Sensing)和 GIS。从这个含义看,GIS 包含两大任务,一是空间数据处理;二是 GIS 应用开发。

二是科学(Science),是广义上的地理信息系统,常称之为地理信息科学,是一个具有理论和技术的科学体系,意味着研究存在于 GIS 和其它地理信息技术后面的理论与观念(GIScience)。

三是代表着服务(Service),随着遥感等信息技术、互联网技术、计算机技术等的应用和普及,地理信息系统已经从单纯的技术型和研究型逐步向地理信息服务层面转移,如导航需要催生了导航 GIS 的诞生,著名的搜索引擎 Google 也增加了 Google Earth 功能,GIS 成为人们日常生活中的一部分。当同时论述 GIS 技术、GIS 科学或 GIS 服务时,为避免混淆,一般用 GIS 表示技术,GIScience 或 GISci 表示地理信息科学,GIService 或 GISer 表示地理信息服务。

四是研究(Studies),即 GIS= Geographic Information Studies,研究有关地理信息技术引起的社会问题(societal context),如法律问题(legal context),私人或机密主题,地理信息的经济学问题等。

因此,地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统,它既是表达、模拟现实空间世界和进行空间数据处理分析的“工具”,也可看作是人们用于解决空间问题的“资源”,同时还是一门关于空间信息处理分析的“科学技术”。

特点

公共的地理定位基础;

具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力;

系统以分析模型驱动,具有极强的空间综合分析和动态预测能力,并能产生高层次的地理信息;

以地理研究和地理决策为目的,是一个人机交互式的空间决策支持系统。

产品分类

按功能

专题地理信息系统(Thematic GIS)

区域地理信息系统(Regional GIS)

地理信息系统工具(GIS Tools)

实现方法

信息来源

如果能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来,就可以判断出哪块湿地在一年的某些时候会干涸。一个 GIS 系统就能够进行这样的分析,它能够将不同来源的信息以不同的形式应用。对于源数据的基本要求是确定变量的位置。位置可能由经度、纬度和海拔的 x,y,z 坐标来标注,或是由其他地理编码系统比如 ZIP 码,又或是高速公路英里标志来表示。任何可以定位存放的变量都能被反馈到 GIS。一些政府机构和非政府组织正在生产制作能够直接访问 GIS 的计算机数据库。可以将地图中不同类型的数据格式输入 GIS。GIS 系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式。例如,通过分析由遥感生成的数字卫星图像,可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。

同样,人口调查或水文表格数据也可在 GIS 系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。

建模系统

数据建模

将湿地地图与在机场、电视台和学校等不同地方记录的降雨量关联起来是很困难的。然而,GIS 能够描述 地表、地下和大气的二维三维特征。

例如,GIS 能够将反映降雨量的雨量线迅速制图。

这样的图称为雨量线图。通过有限数量的点的量测可以估计出整个地表的特征,这样的方法已经很成熟。 一张二维雨量线图可以和 GIS 中相同区域的其它图层进行叠加分析。

GIS

地理信息只是一堆数字纪录,需要有合适的软件去把它表示出来;与此同时,地理信息数据库的建立,亦有赖合适软件的帮助,把地理数据信息化。现时在工商界方面的市场普遍被两大地理资讯系统巨头 ESRI 及 Mapinfo 所垄断,但他们亦能够提供一套整全的地理资讯系统,以供客户使用。政府及军方机构往往用到特别打造的软件,例如开源的 GRASS 或其他专门的系统,以配合他们的特殊需要。虽然现时有不少自由的阅览 GIS 资料的工具,一般大众可以轻易取得的地理信息,还得依靠 Google Earth 或微软的 Virtual Earth 之类的系统。这些系统所提供的资料更往往偏重地域中心,例如:你可以清楚找到一个位于美国偏远小镇的停车位,但却不能看得清楚一条位于首尔江南区的大街。

互联网连结编程界面

在互联网服务普及的今天,不少地理资讯系统都提供编程界面,让用户通过这些界面及其系统建立各自的地理资讯信息页面。这些编程界面,有利用 VBA 或 JavaScript 的。让用户很容易就可以提供卫星图片或地图的连结页面,甚至加上行车路线或地理位置等信息。

开源软件

gvSIG 是一个基于 JAVA 的桌面地理信息系统,同时也是开发地理资讯系统一个强有力的工具。它包含许多功能如空间数据分析,地图编辑,Map 设计等。gvSIG 得到了西班牙一些政府和公司的参与并基于 GNU/GPL 许可证发布。gvSIG 能够很好得工作在 Windows 和 Linux 平台之上。gvSIG 支持其它 GIS 系统经常使用到的一些空间数据标准格式(shapefile,DXF,DWG,DGN,ECW,MrSID,TIFF,JPG2000, KML, GML 等)。gvSIG 遵循 OGC (Open Geospatial Consortium)标准,这意味着它能够读取本地数据也能够通过 WMS、WFS、WCS 读取远程数据。

开发工具

组件式工具

组件式 GIS 开发工具是计算机技术发展的产物,代表了 GIS 开发的发展方向。它不仅有标准的开发平台和简单易用的标准接口,还可以实现自由、灵活的重组。组件式 GIS 开发工具的核心技术是微软的组件对象模型(COM)技术,新一代组件式 GIS 开发工具多是采用 ActiveX 控件技术实现的。比较常见的组件式 GIS 开发工具有:TatukGIS 公司的 Developer Kernel、ThinkGeo 公司的 Map Suite GIS、Intergraph 公司推出的 Geomedia,ESRI 公司推出的 MapObjects,GEOCONCEPT 集团推出的 Geoconcept Development Kits 等。

优势:在无缝集成和灵活性方面优势明显。GIS 开发者不必掌握专门的 GIS 系统开发语言,只要熟悉基于 Windows 平台的通用集成开发环境,了解控件的属性、方法和事件,就可以实现 GIS 系统开发了。

发展空间

许多学科受益于地理信息系统技术。活跃的地理信息系统市场导致了 GIS 组件的硬件和软件的低成本和持续改进。这些发展反过来导致这项技术在科学、政府、企业和产业等方面更广泛的应用,应用包括房地产、公共卫生、犯罪地图、国防、可持续发展、自然资源、景观建筑、考古学、社区规划、运输和物流。地理信息系统也分化出定位服务(LBS)。LBS 使用 GPS 通过所在地与固定基站的关系用移动设备显示其位置(最近的餐厅,加油站,消防栓),移动设备(朋友,孩子,一辆警车)或回传他们的位置到一个中央服务器显示或作其他处理。随着 GPS 功能与日益强大的移动电子(手机、pad、笔记本电脑)整合,这些服务继续发展。

普适品牌

早些年,Esri 曾提出“用地理设计美化生活、将地理知识人人共享”的理念。时至如今,Esri 已经把这个理念深深融入的其最新发布的 ArcGIS 10.1。ArcGIS 10.1 将空间信息技术普适化,未来将会深入到每个人的工作和生活中。

“普适的 GIS”使束之高阁的 GIS 从专业人员逐步走向大众, ArcGIS10.1 彻底架起了端到云的桥梁,使得空间信息的创造者与使用者紧密连接,通过 ArcMap、Portal for ArcGIS、云中 ArcGIS Server 及移动终端上 ArcGIS 的 App,每个人都可以成为空间信息的分享者和使用者,从而满足大众的各种需求。

近两年,行业普遍认为 GIS 将朝着专业化、普适化、智能化方向发展,普适的 GIS 无疑将引领地理信息产业未来的发展。普适化计算的开发能够通过网络和移动设备等为人们提供更多信息服务,提高计算机感知能力,增强社会关联,具有很强的主动交互和自然交互特点,给人们的生活带来便捷、简单、快速的信息应用,且具有可控性,是 GIS 行业重要的发展趋势之一。

未来的 GIS 将会是普适化的 GIS,任何人都可以用,在任何的地方,拿着任何的终端都可以访问 GIS 服务,而且不局限在专业的终端上,让普通用户都可以通过多媒介进行访问。这也得益于云计算技术、移动终端等方面的快速发展,让用户的更多需求都能够非常轻松的实现。在普适化的环境之下,我们要做的是为大家创造一个 GIS 的环境,需要把我们的知识和经验用地图的方式来表达,让用户非常方便的获得地图数据。

随着云计算、物联网、移动终端等新技术的快速发展,未来的 GIS 将会是普适化的 GIS,用户日益多样的需求将能够得以轻松解决。无论任何人都可以使用,无论在任何的地方,无论拿着任何的终端都可以访问 GIS 服务,而不再局限于专业终端上,让普通用户都可以通过多重媒介进行访问。

语义学

万维网联盟的语义网运动中出现的工具和技术被证明在信息系统的数据集成问题中十分有用。相应地,这种技术已被提议作为一种促进 GIS 应用之间的互操作性和数据重用的手段,并启用了新的分析机制。

本体是这种语义方法的关键组成部分,因为它们遵循一个在特定领域的概念和关系下被机器可读的正式规范。反过来,这使得地理信息系统专注于一个的数据的意义,而不是它的语法或结构。临时本体是在 GIS 应用领域开发的,例如由英国地形测量局和美国宇航局喷气推进实验室开发的 SWEET 本体开发得水文本体论。此外,简单的本体和语义元数据标准正在由万维网联盟地理培育集团发表出来以便在网络上表述地理空间数据。

社会应用

随着 GIS 在决策中的普及,学者们已经开始审议地理信息系统的社会影响。有人认为 ,地理信息的生产、分配、利用和表述的很大程度上与社会环境有关。其他相关议题包括版权、隐私和审查的讨论。较为乐观的 GIS 社会应用是将它作为一个公众参与的工具来应用。

规划

测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要

国家测绘地理信息局日前印发了《测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要》,目标是到 2015 年,建成数字中国地理空间框架和信息化测绘体系。规划还提出,争取把地理信息产业纳入国家战略性新兴产业规划。

统计显示,截至“十一五”末,我国地理信息产业总值突破 1000 亿元;而到“十二五”末,这一数字有望突破 2000 亿元。倍增的规模将给地理信息产业链上下游企业带来巨大的市场空间。

推进地理信息资源整合

规划提出,要加快推进地理信息资源整合和数字城市建设。据统计,“十一五”期间,我国数字城市建设试点和推广城市已达 130 个。国家测绘地理信息局副局长王春峰表示,“十二五”期间将在全国全面推进数字城市建设,力争完成全部 333 个地级市和部分有条件的县级市的数字城市建设。

国家测绘地理信息局日前发布的 2011 年测绘工作要点明确要求,进一步加快数字城市建设步伐,力争在 2011 年完成 100 个以上、启动 100 个以上数字城市建设,使数字城市覆盖全国 2/3 以上的地级城市。业内人士指出,基于这样的建设速度,未来 3-5 年,数字化城市管理平台的市场容量将超过 100 亿元。

值得注意的是,“十一五”末,公众版国家地理信息公共服务平台“天地图”开通并产生重要影响。规划提出,“十二五”期间将“天地图”服务功能延伸到省级和市级,并加大“天地图”推广应用工作力度,将其打造成为互联网内容服务的中国自主品牌。

争取纳入新兴产业规划

规划还表示将继续完善产业发展政策,争取把地理信息产业纳入国家战略性新兴产业规划。鼓励地理信息企业参与政府采购,推动企业自主创新产品在政府投资项目中的应用,努力实现重大测绘工程中国产装备使用比例超过 50%。

规划还提出,要深入挖掘基于位置的地理信息服务等方面的市场潜力,大幅度提高地理信息服务业务覆盖范围和市场盈利水平。其中包括加大地理信息技术与有关技术的集成应用,培育新的经济增长点。加大地理信息技术和位置服务产品在电子商务、电子政务、智能交通、现代物流等方面的应用;开发基于地理信息的电子游戏产品、地理信息电视频道以及基于物联网的位置服务产品等。

分析人士指出,随着多项引导性政策的出台,地理信息产业链上下游企业将迎来巨大的市场机遇。

巡更应用

地理信息系统(GeographicInformationSystem),简称 GIS 系统。它是在计算机硬、软件系统支持下,对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS 通常和 GPS 结合使用。对于大范围的、露天的巡更巡检,巡更人员手持 GPS 巡检器,实时接收 GPS 卫星定位消息(时间、经纬度),并按预先设定的时间间隔自动发送或者在特定地点手动发送定位信息到无线通讯前置机。无线通讯前置机在收到定位信息后将数据传输到管理系统平台,系统软件采用 GIS 电子地图技术,动态显示和回放巡检轨迹,交由 GIS 分析可得该巡逻点的详细信息。

专业设置

培养目标

本专业培养具备地理信息系统与地图学的基本知识、基本技能,能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作,能在城市、区域、资源、环境、交通、人口、住房、土地、基础设施和规划管理等领域从事与地理信息系统有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的地理信息系统高级专门人才。

培养要求

本专业学生主要学习地理信息系统和地图学、遥感技术方面的基本理论和基本知识,受到应用基础研究和技术开发方面的科学思维和科学实验训练,具有较好的科学素养,具有地理信息系统研究、设计与开发的基本技能及初步的教学、研究、开发和管理能力。

知识能力

1、掌握数学、物理、计算机科学等方面的基本理论和基本知识;

2、掌握地理信息系统和地图学的基本理论、基本知识和基本实验技能,以及地理信息系统技术开发的基本原理和基本力法;

3、了解相邻专业如地理学、资源环境与城乡规划管理、测绘工程等的一般原理和方法;

4、了解国家科学技术政策、知识产权、可持续发展战略等有关政策和法规;

5、了解地理信息系统的理论前沿、应用前景和最新发展动态,以及地理信息系统产业发展状况;

6、掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法;具有-定的实验设计、创造实验条件,归纳、整理、分析实验结果,撰写论文,参与学术交流的能力。

收藏0个人收藏
走进科技生活方式