1、地理信息系統概念及國內外常用的地理信息系統軟件

　　地理信息系統（Geographic Information System 簡(jiǎn)稱(chēng)GIS）是一項以計算機為基礎的新興技術(shù)，圍繞著(zhù)這項技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應用形成了一門(mén)交叉性、邊緣性的學(xué)科，是管理和研究空間數據的技術(shù)系統，在計算機軟硬件支持下，它可以對空間數據按地理坐標或空間位置進(jìn)行各種處理、對數據的有效管理、研究各種空間實(shí)體及相互關(guān)系。通過(guò)對多因素的綜合分析，它可以迅速地獲取滿(mǎn)足應用需要的信息，并能以地圖、圖形或數據的形式表示處理的結果。

　　目前世界上常用的GIS軟件已達400多種。它們大小不一，風(fēng)格各異。國外較著(zhù)名的有ARC/INFO，GENAMAP，MGE等；國內較著(zhù)名的有MAP/GIS，Geostar和CITYSTAR等。雖然GIS起步晚，但它發(fā)展快，目前已成功地應用到一百多個(gè)領(lǐng)域。

　　2、地理信息系統在國內外研究應用盡管現存的地理信息系統軟件很多，但對于它的研究應用，歸納概括起來(lái)有二種情況。

　　一是利用GIS系統來(lái)處理用戶(hù)的數據；二是在GIS的基礎上，利用它的開(kāi)發(fā)函數庫二次開(kāi)發(fā)出用戶(hù)的專(zhuān)用的地理信息系統軟件。目前已成功地應用到了包括資源管理、自動(dòng)制圖、設施管理、城市和區域的規劃、人口和商業(yè)管理、交通運輸、石油和天然氣、教育、軍事等九大類(lèi)別的一百多個(gè)領(lǐng)域。在美國及發(fā)達國家，地理信息系統的應用遍及環(huán)境保護、資源保護、災害預測、投資評價(jià)、城市規劃建設、政府管理等眾多領(lǐng)域。近年來(lái)，隨我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，加速了地理信息系統應用的進(jìn)程，在城市規劃管理、交通運輸、測繪、環(huán)保、農業(yè)、制圖等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。下面先從GIS理論上提煉和歸納，然后給出應用的例子。

　　1.地理信息系統在地理空間數據管理中的應用，即以多種方式錄入的地理數據，以有效的數據組織形式進(jìn)行數據庫管理、更新、維護、進(jìn)行快速查詢(xún)檢索，以多種方式輸出決策所需的地理空間信息。目前流行的數據庫管理系統，與GIS中數據庫管理系統在對地理空間數據的管理上，存在兩個(gè)明顯的不足；一是缺乏空間實(shí)體定義能力；二是缺乏空間關(guān)系查尋能力，這使得GIS 在對空間數據管理上的應用日趨活躍。如ARC／INFO在公路管理中的應用；ARC／INFO在對市政設施管理中的應用。后者如北京某測繪部門(mén)以北京市大比例尺地形圖為基礎圖形數據，在此基礎上綜合疊加地下及地面的八大類(lèi)管線(xiàn)（包括上水、污水、電力、通訊、燃氣、工程管線(xiàn)）以及測量控制網(wǎng)，規劃路等基礎測繪信息，形成一個(gè)測繪數據的城市地下管線(xiàn)信息系統。從而實(shí)現了對地下管線(xiàn)信息的全面的現代化管理。為城市規劃設計與管理部門(mén)、市政工程設計與管理部門(mén)、城市交通部門(mén)與道路建設部門(mén)等提供地下管線(xiàn)及其它測繪部門(mén)的查詢(xún)服務(wù)。

　　2.GIS在綜合分析評價(jià)與模擬預測中的應用。GIS不僅可以對地理空間數據進(jìn)行編碼、存儲和提取，而且還是現實(shí)世界模型，可以將對現實(shí)世界各個(gè)側面的思維評價(jià)結果作用其上，得到綜合分析評價(jià)結果；也可以將自然過(guò)程、決策和傾向的發(fā)展結果以命令、函數和分析模擬程序作用上這些數據上，摸擬這些過(guò)程的發(fā)生發(fā)展，對未來(lái)的結果作出定量的和趨勢預測，從而預知自然過(guò)程的結果，對比不同決策方案的效果以及特殊傾向可能產(chǎn)生的后果，以作出最優(yōu)決策，避免和預防不良后果的發(fā)生。如GIS在焦作東部礦區煤礦底板突水預報中的應用 ；GIS在土地信息和土壤保護中的應用。后者如美國資源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蝕為主要目的的多用途專(zhuān)用的土地GIS.該系統通過(guò)收集耕地面積、濕地分布面積、季節性洪水覆蓋面積、土壤類(lèi)型、專(zhuān)題圖件信息、衛星遙感數據等信息，建立了潛在威斯康星地區的土壤侵蝕模型A=R*K*L*S*C*P，其中A為潛在的土壤侵蝕（面積/年），R為降雨量，K為侵蝕土壤參數，L為坡長(cháng)，S為坡度參數，C為耕地面積，P為管理參數。探討了土壤惡化的機理，提出了合理的方案，達到土壤保護的目的，還可以利用它對土地進(jìn)行長(cháng)期的動(dòng)態(tài)研究，避免土質(zhì)的重心惡化。這里把土壤侵蝕模型A=R*K*L*S*C*P作用到與之有關(guān)數據，達到綜合分析評價(jià)及模擬預測結果。

　　3.GIS的空間查詢(xún)和空間分析功能的應用。為了便于管理和開(kāi)發(fā)地理信息（空間信息和屬性信息），在建庫時(shí)是分層處理的。也就是說(shuō)，根據數據的性質(zhì)分類(lèi)，性質(zhì)相同或相近的歸并一起，形成一個(gè)數據層。這樣GIS對單副或多副圖件及其屬性數據進(jìn)行分析和指標量算。這種應用以原始圖為輸入，而查詢(xún)和分析結果則是以原始圖經(jīng)過(guò)空間操作后生成的新圖件來(lái)表示，在空間定位上仍與原始圖一致。因此，也可將其稱(chēng)為空間函數變換。這種空間變換包括疊置分析、緩沖區分析、拓撲空間查詢(xún)、空集合分析（邏輯交運算、邏輯并運算、邏輯差運算）。這方面應用例子有很多，例如在城市規劃過(guò)程中，對城市中救護車(chē)、救火車(chē)的分布位置以及行車(chē)路線(xiàn)和控制的規劃；如何安排多路警車(chē)交通路線(xiàn)，以保證在緊急時(shí)刻，在任意地方應至少能有一輛警車(chē)在事發(fā)后最短時(shí)間內趕到出事地點(diǎn)；在環(huán)境保護方面，對水土流失導致土地資源的破壞進(jìn)行評價(jià)；在區域環(huán)境質(zhì)量現狀評價(jià)過(guò)程中，對整個(gè)區域的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行客觀(guān)地、全面地評價(jià)，以反映出區域中受污染的程度以及空間分布狀態(tài)；在地學(xué)方面，MAPGIS在油氣勘探中和在成礦預測中的應用，解決了肉眼所不能看見(jiàn)的深部構造問(wèn)題和指明礦產(chǎn)的遠景區。在大都市防震減災系統中的應用，1994年的美國洛杉機大地震，就是利用RAC／INFO進(jìn)行災后應急響應決策支持，成為大都市利用GIS技術(shù)建立防震減災系統的成功范例。日本橫濱大地震后，日本政府決定利用GIS技術(shù)建立更好的能快速響應的防震減災系統。日本建筑署建設研究所、NASDA等政府機構在聯(lián)合國區域發(fā)展支持下，建立了防震減災應急系統，選用ARC／INFO對橫濱大地震的震后影響作出評估，建立各類(lèi)數字地圖庫，如地質(zhì)、斷層、倒塌建筑等圖庫。把各類(lèi)圖層進(jìn)行疊加分析得出對應急有價(jià)值的信息，該系統的建成使有關(guān)機構可以對象神戶(hù)一樣的大都市大地震作出快速響應，最大程度地減少傷亡和損失。在野生動(dòng)植物保護中的應用，世界野生動(dòng)物基金會(huì )（WWF）采用GIS軟件ARC/INFO作為“老虎與人類(lèi)”保護項目的主要技術(shù)工具。利用ARC/INFO空間分析功能，WWF已找到新的方法來(lái)幫助世界最大的貓科動(dòng)物改變它目前瀕于滅種的境地。

　　4.GIS的輸出功能在地圖制圖中的應用。地理信息系統的發(fā)展是從地圖制圖開(kāi)始的，因而GIS的主要功能之一用于地圖制圖，建立地圖數據庫。與傳統的、周期長(cháng)、更新慢的手工制圖方式相比，利用GIS建立起地圖數據庫，可以達到一次投入、多次產(chǎn)出的效果。它不僅可以為用戶(hù)輸出全要素地形圖，而且可以根據用戶(hù)需要分層輸出各種專(zhuān)題，如行政區劃圖、土地利用圖、道路交通圖等等。更重要的是由于GIS是一種空間信息系統。它所制作的圖也能夠反映一種空間關(guān)系，可以制作多種立體圖形，而制作立體圖形的數據基礎就是數字高程模型。在地圖的輸出中，MAPGIS達到世界先進(jìn)水平。

　　5.運用GIS系統，建立起專(zhuān)題信息系統和區域信息系統。專(zhuān)題信息系統如水資源管理信息系統、礦產(chǎn)資源信息系統、草場(chǎng)資源信息系統、水土流失信息系統和目前上海正在建立長(cháng)途電信局GIS系統等等。這類(lèi)信息系統具有有限目標和專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，系統數據項的選擇和操作功能是為特定的專(zhuān)門(mén)目的服務(wù)。區域信息系統如加拿大國家信息系統、美國Oakridge地區模式信息系統等等。這類(lèi)信息系統主要以區域綜合研究和全面的信息服務(wù)為目標，可以有不同的規模，其特點(diǎn)是數據項多，功能齊全，通常具有較強的開(kāi)放性。這兩種信息系統與上述四種GIS應用或多或少有重疊處，但這里強調的是完整性、系統性、故與它們分開(kāi)討論。

　　6.地理信息系統與遙感圖像處理系統的結合的應用。遙感數據是地理信息系統重要信息源。其實(shí)目前大多數GIS系統已揉進(jìn)圖像處理功能，并把它作為其一個(gè)子模塊。這種應用如海灣戰爭期間，美國國防制圖局GIS實(shí)時(shí)服務(wù)，為戰爭需要在工作站上建立了GIS與遙感的集成系統，它能用自動(dòng)影像匹配和自動(dòng)目標識別技術(shù)處理，處理衛星和高低偵察機實(shí)時(shí)獲得戰場(chǎng)數字影像，及時(shí)地將反映戰場(chǎng)現狀的正射影影像疊加到數字地圖上，數據直接傳送到海灣前線(xiàn)指揮部和五角大樓，為軍事決策提供24小時(shí)的實(shí)時(shí)服務(wù)。

　　7.應用GIS一些二次開(kāi)發(fā)函數庫開(kāi)發(fā)出具有特定功能軟件系統。如國家九五攻關(guān)項目“緊缺金屬資源快速勘察評價(jià)系統”，這個(gè)系統中，分為地質(zhì)變量信息提取模塊、數據挖掘模塊、物探數據處理模塊、圖像處理模塊、綜合預測模塊等，其中地質(zhì)變量信息提取模塊使用了MAPGIS中基本輸入函數、空間功能分析函數，目前這個(gè)系統已初具皺形。

　　8.GIS中屬性數據的綜合及融合。在現有的GIS中，屬性數據只是用于檢索和查詢(xún)，或進(jìn)行簡(jiǎn)單的統計，難以深入的分析，難以發(fā)掘隱含在其中的模式和規律。在眾多項的屬性數據中，有時(shí)將幾個(gè)屬性項的屬性數值加以綜合，構成一個(gè)具有某領(lǐng)域特定意義的新屬性項新屬性值，這種綜合不是綜合前屬性數據值的簡(jiǎn)單反映，也不是它們的孤立集合，而是經(jīng)過(guò)某領(lǐng)域研究人員深思熟慮的綜合分析，用數量表示某領(lǐng)域問(wèn)題的綜合概念和結果特征。國家科委九五攻關(guān)項目“緊缺礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)評價(jià)系統”中，我們對研究區進(jìn)行合理網(wǎng)格大小劃分后，利用GIS空間分析功能，求得每個(gè)網(wǎng)格單元的各地層、巖體、脈體的面積及相應的面積百分數、各斷裂的長(cháng)度、方向等眾多的屬性數值，在此基礎上，我們用具有特定意義數學(xué)模型計算出三個(gè)綜合屬性值，分別為相對熵、斷裂的優(yōu)益度和中心對稱(chēng)度。用相對熵來(lái)考查圍巖蝕變組合特征與礦化的關(guān)系；在以構造為主要控礦因素的內生礦產(chǎn)中，用斷裂的優(yōu)益度來(lái)評價(jià)每個(gè)網(wǎng)格單元是否有利儲礦；用中心對稱(chēng)度來(lái)研究和圈定古火山機構、小型等軸狀隱伏侵入體等具有放射狀斷裂體系的環(huán)形構造。

　　數據融合的概念始于70年代，但直接促其迅速發(fā)展的是進(jìn)入90年代以后，最初以軍事應用為目的的數據融合技術(shù)現今亦用于工業(yè)和農業(yè)。我們在開(kāi)發(fā)國家科委九五攻關(guān)項目“緊缺礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)評價(jià)系統”中，引進(jìn)數據融合技術(shù)，融合GIS的屬性數據，進(jìn)行地質(zhì)異常單元的圈定與評價(jià)。利用GIS對空間數據強大的顯示功能，顯示其結果。我們在開(kāi)發(fā)國家科委九五攻關(guān)項目“緊缺礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)評價(jià)系統”中，如前面所述，求出各網(wǎng)格單元的各屬性項的屬性數據值（即各變量值），我們知道，地學(xué)數據是典型的多源空間數據，它們的量剛不一、形式多樣；既有定量數據、又有定性文字描述數據，因此在數據融合前，必須統一量剛、把定性數據定量化，然后篩選出獨立、有用的變量（包括綜合變量），選擇相應的數學(xué)模型（包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型）和模型單元，確定地質(zhì)異常臨界值大小，根據它對未知單元進(jìn)行異常圈定和異常評價(jià)，最后利用GIS其顯示結果。通過(guò)GIS空間疊加分析，對其屬性數據值的預處理、篩選、數據融合，利用GIS管理、顯示，使其結果的應用范圍與利用價(jià)值大大提高。

　　總之，GIS為人類(lèi)由客觀(guān)世界到信息世界的認識、抽象過(guò)程以及由信息世界返回客觀(guān)世界的利用改造過(guò)程的發(fā)展和轉化，創(chuàng )造了空前良好的條件和環(huán)境。

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