1.5. 地理信息系统组成¶

地理信息系统主要由五个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据、应用分析模型、系统开发管理和使用人员五个部分。

1.5.1. 计算机硬件系统¶

地理信息系统的建立必须有一个计算机硬件系统作为保证。随着计算机单机的性能不断提高，计算机网络的不断发展，能满足地理信息系统运行的硬件设备可简可繁。计算机网络（Computer Network）是指实现计算机之间通讯的软件和硬件系统的统称，是以共享资源为目的，通过数据通讯线路将多台计算机互联而组成的系统，共享的资源包括计算机网络中的硬件设备、软件或者数据。计算机网络的种类繁多，性能各异，按照其空间分布范围的大小，区分为局域网(LAN-Local Area Network)、广域网(WAN-Wide Area Network)等。因此，地理信息系统的计算机硬件系统针对不同的网络结构，其配置、应用规模以及连接模式等各有不同。

1.5.1.1. 单机模式¶

在单机模式下，按用户的要求及系统所要完成的任务和目的，其规模可大可小，一般可以有三种配置情况。但主要的硬件组成如图1-1所示。

（1）简单型配置

最简单的硬件系统只需要高档微机加上一台打印机即可运行。微机处理、协调和控制计算机各个部件的动作，主要用作显示、监视和人机交互操作，如编缉、删改、增加、更新图形数据等。一般的地理信息系统要求有足够的内存和硬盘空间，例如美国环境系统研究所（ESRI）研制的ARC/INFO 8.0，其最低要求是内存必须大于64MB，硬盘必须大于4GMB，否则软件很难工作。中国地质大学开发的MAPGIS，其最低要求是内存必须大于128M，硬盘必须大于200M。打印机主要用于打印图表、图像、数据和文字报告以及提供硬拷贝的输出结果。

简单型配置适用于家庭、办公室等只做些较简单工作的环境，如数据处理、查询、检索和分析等。由于输入输出的外围设备不完善，只能用键盘输入各种数据，或者先在别的系统上完成输入数据的工作，然后通过软盘做媒介，将数据调入这个系统的磁盘再进行其它运算。由于简单型配置的系统功能较小，因而在数据输入的种类、数据量、数据更新及成果输出等方面都会受到诸多限制。

（2）基本型配置

这种硬件系统的配置规模比简单型配置要大一些。除了高档微机和打印机外，需要配置数字化仪、扫描仪、光盘刻录机、移动硬盘以及绘图仪等。数字化仪是地理信息系统硬件中的重要输入设备。它可以利用光标或光笔人工跟踪图形，将各种地图数字化并送入磁盘存储。扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理；光盘刻录机和移动硬盘用来保存和备份数据；绘图仪主要用于输出各种图件。

基本型硬件系统配置解决了地图的数字化输入和专题地图的输出问题。这样的系统就有条件完成GIS任务，能比较顺利地进行空间数据的输入、输出、查询、检索、运算、更新和分析等工作。当然，系统中主机的内存和硬磁盘空间还应适当增大，以确保大量地图数据存储、处理和运算。

1.5.1.2. 局域网模式¶

局域网是指在比较小的区域——如一座办公大楼，一个校园，一个公司等内建立的计算机网络，其通讯距离较短，传输速率较快，误码率低。该系统以Client/Server模式建立，客户机一般为多台三维图形工作站TD系列或PC机，服务器为一台或多台装有UNIX或Wiondows的计算机，网络设备采用3Com SuperStack II Hub100快速以太网集线器，具有24个端口共享100Mb/s带宽，通过UTP连接为星型拓扑结构。客户机与服务器通过交换机100Mb/s端口，配置NETBEUI、TCP/IP网络协议，进行域名服务、网络资源管理，并通过PC NFS实现与UNIX或Windows服务器的数据传输。系统运行具有Client/Server结构GIS软件，应用服务以SQL Server或Oracle数据库作为后台支持。系统通过NT Server定义各个节点的网络地址、用户、共享应用程序、磁盘空间和各种外设(包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、制版机等)，将GIS进程优化到网络上，实现数据输入、预处理、分色分版、修改和胶片制作等功能，完成大型地图产品输入、编辑、输出的一体化过程（修文群，2000）。其结果如图1-2所示。

局域网模式的特点是简单实用，易于建立，是低成本的GIS网络解决方案。但网络传输速率低，缺乏有效的管理和容错机制，适用于上网设备较少，对实时性、安全性要求不高的部门级应用。

图 1-2 GIS局域网模式主要硬件组成

1.5.1.3. 广域网模式¶

GIS广域网模式是将分布在几十公里以上的GIS用户通过网络系统连接起来，其主要特点是物理位置分散、信息量大、网络安全要求高。因此，GIS广域网一般要符合国际规范和标准，具有开放性，网络容量满足规划局业务不断发展的需要，网络中避免出现通道瓶颈，具有良好的可靠性、安全性、互操作性和可扩充性。

GIS广域网模式一般在国土规划信息系统中比较常见，它用来连接市规划局信息中心、市局各业务处室及下属分局的网络系统，系统硬件平台一般采用UNIX、PC工作站/服务器，采用普通以太网作为末端类型，通过交换/路由设备与千兆主干网相连接。系统网络硬件组成主要有：(1)千兆以太主干网络：连接市局服务器、市局各业务处室网各信息中心网的高速通道；(2)快速以太局域子网：市局各业务处室网、局信息中心网及各分局子网；(3)DDN、PSTN广域子网：通过专用、公用通信线路实现市局、分局连接并提供对外服务。系统使用MAPGIS或ArcGIS地理信息系统、Oracle数据库软件，支持分布式数据处理，在UNIX或Windows NT系统下，实现数据访问、资源共享与应用分割，提供文件和打印服务，满足规划局办公自动化需求（修文群，2000）。如图1-3所示。

网络特点整个系统是由市局服务器、信息中心局域子网、市局业务处室局域子网、各分局局域子网组成的分布式联机事务处理综合性广域网络系统；通过千兆以太主干网提供较高的传输速率，满足GIS特殊处理的需要；通过DDN专线实现总局与分局的数据共享与业务交互，通过PSTN远程拨号接入向广大用户提供城市规划信息服务。

图 1-3 GIS广域网模式主要硬件组成

1.5.2. 计算机软件系统¶

计算机软件系统是指地理信息系统运行所必须的各种程序及有关资料。主要包括计算机系统软件、地理信息系统软件和应用分析软件三部分。

1.5.2.1. 计算机系统软件¶

由计算机厂家提供的为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统。通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、库程序、数据库管理系统以及各种维护手册。

1.5.2.2. 地理信息系统软件¶

地理信息系统软件应包括五类基本模块（图1-4），即下述诸子系统：数据输入和检验、数据存储和管理、数据变换、数据输出和表示、用户接口等。

（1）数据输入和校验：包括能将测量数据、地图数据、遥感数据、统计数据和文字报告转换成计算机兼容的数字形式的各种转换软件（图1-5）。

许多计算机工具都可用于输入，例如人机交互终端（键盘与显示器）、数字化仪、扫描仪（卫星或飞机上直接记录数据或用于地图或航片的扫描仪）、全站仪、GPS、解析和数字摄影测量仪器、全数字摄影测量工作站等。数据检验是通过观测、统计分析和逻辑分析检查数据中存在的错误，并通过适当的编缉方式加以改正。事实上数据输入和检验都是建立地理数据库必须的过程。

图1-5 数据输入

（2）数据存储和管理：数据存储和数据库管理（图1-6）涉及地理元素（表示地表物体的点、线、面）的位置、连接关系以及属性数据如何构造和组织，使其便于计算机和系统用户理解等。用于组织数据库的计算机程序，称为数据库管理系统（DBMS）。地理数据库包括数据格式的选择和转换、数据的联结、查询、提取等。

（3）数据变换：包括两类操作：① 变换的目的是从数据中消除错误，更新数据，与其它数据库匹配等；② 为回答GIS提出的问题而采用的大量数据分析方法，如图1-7所示。空间数据和非空间数据可单独或联合进行变换运算。比例尺变换、数据和投影匹配(投影变换)、数据的逻辑检索、面积和边长计算等，都是GIS的一般变换特征。其它一些变换可能极其偏重于专业应用，也可能是将数据合并到一个只满足特定用户需要的专门化GIS系统。

（4）数据显示与输出：是指原始数据或分析、处理结果数据的显示和向用户输出。数据以地图、表格、图像等多种形式表示。可以在屏幕上显示，或通过打印机、绘图仪输出，也可以以数字形式记录在磁介质上，如图1-8所示。

图1-6 地理数据库的组成图1-7 数据变换

（5）用户接口模块：用于接收用户的指令和程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，所以用户界面（或人机界面）作为地理信息系统应用的重要组成部分，主要通过菜单技术、用户询问语言的设置，以及采用人工智能的自然语言处理技术与图形界面等技术，提供多窗口和光标或鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出操作指令提供方便。该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这就使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。而程序接口和数据接口可分别为有用户联接各自特定的应用程序模块和使用非系统标准的数据文件提供方便。

图1-8 数据输出

1.5.2.3. 数据库软件¶

数据库软件是GIS软件系统的重要组成部分。地理信息系统是一种以海量空间数据为基础，供资源、环境以及区域调查、规划、管理和决策用的空间信息系统。目前，这些海量空间数据中主要以地图为基础，并借助比较成熟的商业数据库软件（如Oracle，SQLSERVER，DB2，Sybase等）来存贮和管理地图信息。在数据处理过程中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。另外，利用成熟的商业数据库软件可对数据的调度、更新、维护、并发控制、安全、恢复等提供服务。

1.5.3. 地理空间数据¶

在计算机环境中数据是描述地理对象的唯一工具，它是计算机可直接识别、处理、贮存和提供使用的手段，是一种计算机的表达形式。地理空间数据是GIS的操作对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，地理空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据。这些数据来源主要有多尺度的各种地形图、遥感影像及其解译结果、数字地面模型、GPS观测数据、大地测量成果数据、与其它系统交换来的数据、社会经济调查数据和属性数据等。数据类型有矢量数据、栅格数据、图像数据、文字和数字数据等。数据格式有其它GIS系统产生的数据格式、CAD格式、影像格式、文本格式、表格格式等。这些数据可以通过数字化仪、扫描仪、键盘或其它系统输入GIS，数据资料和统计资料主要是通过图数转换装置转换成计算机能够识别和处理的数据。图形资料可用数字化仪输入，图像资料多采用扫描仪输入，由图形或图像获取的地理空间数据以及由键盘输入或转贮的地理空间数据，都必须建立标准的数据文件或地理数据库，才便于GIS对数据进行处理或提供用户使用。

当前，在地理数据的生产中，地理基础框架数据主要是4D产品，即数字线划数据(Digital Line Graph，DLG)、数字栅格数据(Digital Raster Graph，DRG)、数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、数字正射影像(Digital Ortho Map，DOM)。根据空间数据的内容和用途，可分为基础数据和专题数据，前者反映基础的地理、地貌等基础地理框架信息，如地图数据、影像数据、土地数据等；后者反映不同专业领域的专题地理信息，如水资源数据、水质数据、矿产分布数据等。空间数据质量通过准确度、精度、不确定性、相容性、一致性、完整性、可得性、现势性等指标度量。这些数据并提供数据库管理系统进行管理，对数据的调度、更新、维护、并发控制、安全、恢复等提供服务（李建松，2006）。

1.5.4. 应用分析模型¶

GIS应用分析模型的建立和选择是地理信息系统成功应用的重要因素，这是地理信息系统功能和目的所决定的。虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解决．必须通过构建专门的应用分析模型，例如土地利用适宜性模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型等才能达到目的。这些应用分析模型是客观世界中相应系统经由概念世界到信息世界的映射，反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证（李建松，2006）。

1.5.5. 系统开发、管理和使用人员¶

人是地理信息系统中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型，仅有系统软硬件和数据还构不成完整地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并采用地理分析模型提取多种信息。

地理信息系统必须置于合理的组织联系中

（图1-9）。如同生产复杂产品的企业一样，组织者要尽量使整个生产过程形成一个整体。要做到这些，不仅要在硬件和软件方面投资，还要在适当的组织机构中重新培训工作人员和管理人员方面投资，使他们能够应用新技术。近年来，硬件设备连年降价而性能则日趋完善与增强，但有技能的工作人员及优质廉价的软件仍然不足。只有在对GIS合理投资与综合配置的情况下，才能建立有效的地理信息系统。