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地理信息系统的基本技术与发展动态

时间:2007-1-27栏目:机械论文

 摘 要 从结构功能上分析了地理信息系统的概念及主要研究内容,并且对当前地理信息系统研究中的几个热点研究领域,如面向对象技术、三维技术、图象处理和人工智能技术等作了简要介绍.   关键词 地理信息系统,计算机系统,空间数据库.     以计算机为核心的信息处理系统技术是二次世界大战后科技革命的主要标志之一.在信息的诸多类型中与空间相关的信息是十分重要的一类.人类生存的地球这个三维空间中的万物无不与空间位置相关,如何利用计算机处理空间相关信息是地理信息系统(geographic information system,简称GIS)产生和发展的原动力.GIS技术在国防、城市规划、交通运输、环境监测和保护等与国民经济乃至国家命脉相关的重要领域的成功应用,极大地推动了社会生产力的发展,同时,也极大地刺激了GIS技术的迅速发展,使之成为世界各国激烈竞争的高科技热点之一[1].国家科委将其列入九五重中之重科技攻关项目.MAPGIS,VIEWGIS,CITYSTAR,GEOSTAR等一批优秀国产GIS软件已经开始在许多领域得到广泛应用,成为国内GIS市场一支不可忽视的力量.      本文将侧重从GIS技术的角度讨论GIS的定义、研究内容及研究动态. 1.GIS的定义和研究内容 1.1 GIS的定义      GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术.要给出GIS的准确定义是困难的,因为GIS涉及的面太广,站在不同的角度,给出的定义就不同.通常可以从4种不同的途径来定义GIS[2].(1)面向功能的定义.GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统.(2)面向应用的定义.这种方式根据GIS应用领域的不同,将GIS分为各类应用系统,例如土地信息系统、城市信息系统、规划信息系统、空间决策支持系统等.(3)工具箱定义方式.GIS是一组用来采集、存储、查询、变换和显示空间数据的工具的集合.这种定义强调GIS提供的用于处理地理数据的工具.(4)基于数据库的定义.GIS是这样一类数据库系统,它的数据有空间次序,并且提供一个对数据进行操作的操作集合,用来回答对数据库中空间实体的查询.      我们认为,虽然GIS是一门多学科综合的边缘学科,但其核心是计算机科学,基本技术是数据库、地图可视化及空间分析(见图1);因此,可以这样定义:GIS是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统.     虽然GIS使用了地图、可视化、数据库等技术,但与CAD系统、计算机地图系统、数据库系统等均有很大的区别.   CAD系统提供交互式的图形处理功能,以辅助象建筑、VLSI等人造对象的设计,其主要特点是设计者与计算机模型的交互.目前许多CAD开始支持对象的非图形性质,而GIS处理的数据大多来自现实世界,较之CAD的人造对象更为复杂,数据量更大.另外,CAD中的拓扑关系较为简单.更重要的是,GIS强调对空间数据的分析,CAD这方面的功能要弱得多.      计算机地图系统侧重于数据查询、分类及自动符号化,具有辅助设计地图和产生高质量矢量形式的输出机制.它强调数据显示而不是数据分析,地理数据往往缺少拓扑关系;另外,它与数据库的联系通常是一些简单的查询.      数据库系统是各种类型信息系统的核心.通用数据库侧重非图形数据的优化存储与查询,其图形查询与显示功能极为有限,其数据分析功能也很有限.然而,数据库的一些基本技术,如数据模型、数据存储、数据检索等,都在GIS中广泛采用,成为GIS的核心技术.      由此可见,GIS已经形成了一个独立的、具有鲜明特色的研究领域.GIS的研究内容很广泛,下面我们从输入、存储、操作和分析、输出4个方面来讨论GIS的研究内容. 1.2 GIS的研究内容      (1)输入.地理数据如何有效地输入到GIS中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务,大多数的地理数据是从低质地图输入GIS.常用的方法是数字化和扫描.数字化的主要问题是低效率和高代价;扫描输入则面临另一个问题,扫描得到的栅格数据如何变换成GIS数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式.就这一领域目前的研究进展而言,全自动的智能地图识别短期内没有实现的可能;因而,交互式的地图识别是矢量化方法的一种较为现实的途径.市场上已有多种交互式矢量化软件出售.      目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式,遥感就是其中的一种形式.遥感数据已经成为GIS的重要数据来源.与地图数据不同的是,遥感数据输入到GIS较为容易,但如果通过对遥感图象的解释来采集和编译地理信息则是一件较为困难的事情;因此,GIS中开始大量融入图象处理技术,许多成熟的GIS产品,如MAPGIS中都具有功能齐全的图象处理子系统.      地理数据采集的另一项主要进展是GPS技术.GPS可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点,因而,除了作为原始地理信息的来源外,GPS在飞行器跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等方面有着很大的潜力.      (2)存储.GIS中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类,如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题.在计算机高速发展的今天,尽管微机的硬盘容量已达到GB级,但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图这类对象仍是不够的.GIS的数据存储却有其独特之处.大多数的GIS系统中采用了分层技术,即根据地图的某些特征,把它分成若干层,整张地图是所有层叠加的结果.在与用户的交换过程中只处理涉及到的层,而不是整幅地图,因而能够对用户的要求作出快速反应.  

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