1.6. 地理信息系统功能和应用

1.6.1. 地理信息系统功能

在建立一个实用的地理信息系统过程中,从数据准备到系统完成,内部必须经过各种数据转换,每个转换都有可能改变原有的信息。地理信息系统的基本数据流程可表示成图1-10所示。地理信息系统的功能主要是完成流程中不同阶段的数据转换工作。一般的GIS包括以下几项基本功能:

1.6.1.1. 数据采集与输入

数据采集与输入,即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输给系统内部,并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。对多种形式、多种来源的信息,可实现多种方式的数据输入。主要有图形数据输入,如管网图输入;栅格数据输入,如遥感图像的输入;测量数据输入,如全球定位系统(GPS)数据的输入;属性数据输入,如数字和文字的输入。

1.6.1.2. 数据编缉与更新

数据编缉主要包括图形编缉和属性编缉。属性编缉主要与数据库管理结合在一起完成,图形编缉主要包括拓扑关系建立、图形编缉、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录,它是通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。由于空间实体都处于发展中的时间序列中,人们获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。随着时间的推进,数据会随之改变。数据更新可以满足动态分析的需要,对自然现象的发生、发展做出合乎规律的预测预报。

1.6.1.3. 数据存贮与管理

数据存贮,即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存贮介质上。其存贮方式与数据文件的组织密度相关,关键在于建立记录的逻辑顺序,即确定存贮的地址,以便提高数据存取的速度。属性数据管理一般直接利用商用关系数据库软件,如ORACLE、SQL Server、FoxBase、FoxPro等进行管理。空间数据管理是GIS数据管理的核心,各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。

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1.6.1.4. 空间查询与分析

空间查询与分析是GIS核心,是GIS最重要的和最具有魅力的功能,也是GIS有别于其它信息系统的本质特征。主要包括数据操作运算、数据查询检索与数据综合分析。数据查询检索即从数据文件、数据库或存贮装置中,查找和选取所需的数据。为了满足各种可能的查询条件而进行的系统内部数据操作,如数据格式转换、矢量数据叠合、栅格数据迭加等操作以及按一定模式关系进行的各种数据运算,包括算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。综合分析功能可以提高系统评价、管理和决策的能力,主要包括信息量测、属性分析、统计分析、二维模型分析、三维模型分析、多要素综合分析等。

1.6.1.5. 空间决策支持

空间决策支持是应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换,以提取出隐含于空间数据中的某些事实与关系,并以图形和文字的形式直接地加以表达,为现实世界中的各种应用提供科学、合理的决策支持。它主要以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础,以计算机技术、仿真技术和信息技术为手段,利用各种数据、信息、知识、人工智能和模型技术,面对半结构化的决策问题,支持决策活动的人机交互信息系统。因此,空间决策支持将克服缺少对复杂空间问题决策的有效支持能力,拓展了GIS传统的空间数据获取、存储、查询、分析、显示、制图、制表的功能。

1.6.1.6. 数据显示与输出

数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示,通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式,对于图形数据根据要素的信息量和密集程度,可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素地图,也可以根据用户需要,分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。

1.6.2. 地理信息系统应用

1.6.2.1. 资源清查

资源清查是地理信息系统最基本的职能,其主要任务是将各种来源的数据汇集在一起,并通过系统的统计和覆盖分析功能,按多种边界和属性条件,提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例,可以输出不同土地利用类型的分布和面积,按不同高程带划分的土地利用类型,不同坡度区内的土地利用现状,以及不同类型的土地利用变化等,为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。又如中国西南地区国土资源信息系统,设置了三个功能子系统,即数据库系统、辅助决策系统、图形系统。系统存储了1500多项300多万个资源数据。该系统提供了一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及西南地区资源合理开发配置模型。该系统可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图、重大项目规划图等不同的专业图。

1.6.2.2. 城乡规划

城乡规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题,它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到同一系统中,最后进行城市与区域多目标的开发和规划,包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置,以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现,是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件(回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、系统动力学模型等)加以保证的。我国大城市数量居于世界前列,根据加快中心城市的规划建设,加强城市建设决策科学化的要求,利用地理信息系统作为城市规划管理和分析的工具,具有十分重要的意义。

1.6.2.3. 灾害监测

借助遥感遥测数据,利用地理信息系统,可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算,为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息,例如据我国大兴安岭地区的研究,通过普查分析森林火灾实况,统计分析十几万个气象数据,从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素,春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子,用模糊数学方法建立数学模型,建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法,对火险等级进行预报,准确率可达73%以上。又如黄河三角洲地区防洪减灾信息系统,在ARC/INFO地理信息系统软件支持下,借助于大比例尺数字高程模型加上各种专题地图如土地利用、水系、居民点、油井、工厂和工程设施以及社会经济统计信息等,通过各种图形叠加、操作、分析等功能,可以计算出若干个泻洪区域及其面积,比较不同泻洪区域内的土地利用、房屋、财产损失等,最后得出最佳的泻洪区域,并制定整个泻洪区域内的人员撤退、财产转移和救灾物资供应等的最佳运输路线。

1.6.2.4. 土地调查

土地调查包括土地的调查、登记、统计、评价和使用等。土地调查的数据涉及土地的位置、房地界、名称、面积、类型、等级、权属、质量、地价、税收、地理要素及其有关设施等项内容。土地调查是地籍管理的基础工作,随着国民经济的发展,地籍管理工作的重要性正变得越来越明显,土地调查的工作量变得越来越大,以往传统的手工方法已经不能胜任,地理信息系统为解决这一问题提供了先进的技术手段,借助地理信息系统可以进行地籍数据的管理、更新、开展土地质量评价和经济评价、输出地籍图,同时还可以为有关的用户提供所需的信息,为土地的科学管理和合理利用提供依据。因此,它是地理信息系统的重要应用领域。

1.6.2.5. 环境管理

随着经济的高速发展,环境问题愈来愈受到人们的重视,环境污染、环境质量退化已经成为制约区域经济发展的主要因素之一。环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域,传统的环境管理方式已不断受到挑战,逐渐落后于我国经济发展的要求。为提高我国环境管理的现代化水平,很多新型的环境管理信息系统不断建成。从1994年下半年起,在国家环保局的统一领导下,进行了覆盖27个省的中国省级环境信息系统(PEIS)建设。一个环境管理信息系统应具备以下功能:

  1. 为环境部门提供数据和信息的基础数据库应包括环境背景数据库、环境质量数据库、污染源数据库、环境标准数据库、环境法规数据库等。
  2. 提供环境现状、环境影响、环境质量的统计、评价、预测、规划模块。
  3. 为环境与经济持续发展、环境综合治理提供决策支持。
  4. 实现向污染源的污染控制管理提供支持,可实现排污收费、排污许可证制度的管理,排污申报管理。
  5. 提供环境管理的数据录入、统计、查询、报表和图形编制方法。
  6. 提供环保部门办公软件。
  7. 提供信息传输方法和手段。

1.6.2.6. 城市管网

城市管网包括供水、排水系统,供电、供气系统,电缆系统等,管网是城市居民日常生活不可缺少的基本条件,GIS能够建立二维矢量拓扑关系,特别是其网络分析功能,为城市管网的设计管理和规划建设提供了强有力的工具。GIS用于城市管网,将会对市民的日常生活方式产生深刻的影响。

1.6.2.7. 作战指挥

军事领域中运用GIS技术最成功的当属1991年海湾战争。美国国防制图局战场GIS实时服务,为战争需要,在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统,它能用自动影像匹配和自动目标识别技术处理卫星和高低空侦察机实时获得的战场数字影像,及时地(不超过4小时)将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上,数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼,为军事决策提供24小时的实时服务。通过利用GPS、GIS、RS等高新尖端技术迅速集结部队及武器装备,以较低的代价取得了极大的胜利。

1.6.2.8. 宏观决策

地理信息系统利用拥有的数据库,通过一系列决策模型的构建和比较分析,为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究,可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中,通过利用地理信息系统和机助制图的方法,建立环境监测系统,为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。美国伊利诺斯州某煤矿区由于采用房柱式开采,引起地面沉陷。煤矿公司为了避免沉陷对建筑物的破坏,减少经济赔偿和对新建房屋的破坏,煤矿公司通过对该煤矿地理信息系统数据库中岩性、构造及开采状况等数据的分析研究,利用图形叠合功能对地面沉陷的分布和塌陷规律进行了分析和预测,指出了地面建筑的危险地段和安全地段,为合理部署地面的房屋建筑提供了依据,取得了较好的经济效果。

1.6.2.9. 城市公共服务

近年来随着计算机技术和多媒体技术的飞速发展,GIS系统已经不仅具有信息量大的特点,而且具有灵活性、交互性、动态性、现势性和可扩展性等特点。目前城市公共服务系统通过应用GIS技术,集图形、图像、文本、声音、视频于一体,直观、形象、生动地描述城市空间地理信息和公共服务信息(朱体高等,2007)。如北京、上海、武汉等城市都利用GIS技术建立起城市公共服务系统,即利用城市城区的矢量地图和影像地图为空间定位基础,通过电子地图把公众服务信息及其地理空间位置联接,以空间数据为索引,把城市的经济、文化、教育、企业、旅游等信息进行集成和融合,为社会公众提供空间信息服务。政府通过公共服务系统全方位展示和宣传城市形象,介绍城市,提高城市品位,最大限度地满足政府部门对外招商引资以及市民、投资者、旅游者对城市公共信息快速获取的需求。企业也可通过公共服务系统来宣传自己,提高其国内外知名度。

1.6.2.10. 交通

GIS在交通领域的应用,目前最主要形式许多交通部门都应用了交通地理信息系统(Geography Information System–Transportation,简记GIS-T)。GIS-T的基本功能包括编辑、制图和显示及测量等功能,主要用于对空间和属性数据的输入、存储、编辑,以及制图和空间分析等。编辑功能使用户可以添加和删除点、线、面或改变它们的属性;制图和显示功能可以制作和显示地图,分层输出专题地图,如交通规划图、国道图等,显示地理要素、技术数据,并可放大缩小以显示不同的细节层次。测量功能用于测定地图上线段的长度或指定区域的面积。GIS-T的其他功能包括迭加、动态分段、地形分析、栅格显示和路径优化等。在CIS-T的上述功能中,空间分析功能是地理信息系统软件的核心,迭加分析、地形分析和最短路径优化分析等功能是为空间分析服务的。交通设计部门可以利用GIS-T的等高线、坡度坡向、断面图的数字地形模型的分析功能进行公路测设。

GIS-T通过地理信息系统与多种交通信息分析和处理技术的集成,可以为交通规划、交通控制、交通基础设施管理、物流管理、货物运输管理提供操作平台。如运输企业可以借助路径选择功能,对营运线路进行优化选择,并根据专用地图的统计分析功能,分析客货流量变化情况,制定行车计划。运输管理部门可以利用它对危险品等特种货物运输进行路线选择和实时监控。

1.6.2.11. 导航

车辆导航监控是利用现在的全球定位系统(GPS)对车辆所在位置进行定位,并与地理信息系统(GIS)相结合,配合城市电子导航地图及主要交通公路电子地图,提供实时导航监控信息。在车辆导航监控中利用GIS来进行车辆导航、定位,主要是提供图形化的人机界面;在矢量电子地图上,用户可以进行任意的缩小、放大,地图漫游等;用户可以进行地理实体的查询;在电子地图上,用户可以进行路径规划,最短路径的选择;能在电子地图上实时、准确的显示车辆的位置,跟踪车辆的行驶过程。从而,基于GIS、GPS等技术的车载导航监控可以为车辆等交通工具提供实时具体的导航监控服务,能以较低的造价和较短的时间来提高交通系统效率和交通安全,降低交通拥挤,减轻空气污染和节省能源,能使交通基础设施发挥出最大的效能,提高服务质量,使社会能够高效的使用交通设施和资源,从而获得巨大的社会经济效益。

1.6.2.12. 电子政务

电子政务就是政府部门应用现代信息和通讯技术,将管理和服务通过网络技术进行集成,在互联网上实现政府组织机构和工作流程的优化重组,超越时间、空间和部门之间的分割限制,向社会提供优质和全方位的、规范而透明的、符合国际水准的管理和服务(靳海亮等,2006)。而GIS为电子政务提供了基础地理空间平台,为电子政务提供了清晰易读的可视化工具,为电子政务提供了空间辅助决策的功能。地理信息系统技术的使用,则为电子政务的海量数据管理、多源空间数据(地图数据,航空遥感数据、卫星遥感数据、GPS卫星定位数据、外业测量数据等)和非空间数据的融合、Web地理信息系统技术和自主版权软件系统的开发、空间分析、空间数据挖掘和空间辅助决策等提供了技术支撑,从而可提高政府机构的科学决策水平和决策效率。比如,政府机构在研究西部大开发、可持续发展、农村城镇化等发展战略和西气东输、西电东送和进藏铁路等重大建设工程时,如果不使用地理空间数据、也不采用地理信息系统等先进技术,就难以获得有说服力的分析结论,更难以做出科学决策。