GIS 完整指南及其在各行业使用中的真实示例

今天我们来谈谈处理空间数据的必备工具。GIS 技术彻底改变了我们收集、分析和呈现周围世界信息的方式。在本文中，我们将深入介绍 GIS，涵盖从它是什么到它如何工作、它捕获什么类型的数据以及什么是 GIS 制图等所有内容。我们还将提供 GIS 如何在各种行业中使用的真实示例。

什么是 GIS？

GIS 是一个计算机系统，允许用户捕获、操作、分析和设计特殊的地理数据。GIS 代表地理信息系统，其中：

地理是指地球表面的物理位置或位置。信息是指可用于表示和提供对特定位置更好理解的数据和细节。系统是指使许多组件协同工作以实现共同目标的工具。它帮助我们理解地理背景下的数据，从而能够在城市规划、环境管理和公共卫生等各个领域做出更明智的决策，这些领域我们将在后面提到。换言之，GIS 将地理数据（例如地图、卫星图像和地理空间数据库）与其他类型的数据（例如人口、经济和环境数据）相结合，以提供对各种现象和模式的洞察。

GIS 在全球市场中发挥着重要作用，毕竟它被大多数行业所使用。根据 Data Bridge Market Research 的数据，2021年地理信息系统市场价值为916002万美元，预计到2029年将达到2251838万美元，2022-2029年预测期间复合年增长率为11.90%。

GIS 如何工作？

GIS 通过集成五个关键组件：硬件、软件、数据、方法和人员来捕获、存储、分析和可视化地理信息。在本文后面，将找到这些组件的详细概述，但现在，让我们重点关注任何 GIS 中最重要的步骤。

数据采集

GIS 数据可以是从各种来源收集的任何数据，例如 GPS 设备、遥感技术和调查。数据通常采用地图、卫星图像和其他地理数据的形式。

数据管理

GIS 数据存储在数据库或文件系统中，可以在其中组织、维护和更新，可以对数据进行编辑、过滤和操作以满足用户的需求。

数据分析

GIS 软件提供了用于分析和解释数据的工具，例如空间查询、地图叠加和 3D 建模，这有助于用户识别数据中的模式、趋势和关系。

数据可视化

GIS 软件还提供用于可视化各种格式的数据的工具，例如地图、图表和图形。

决策

从 GIS 分析和可视化中获得的信息和见解可用于支持各个领域的决策，包括城市规划、环境管理和应急响应。

地理信息系统组件

GIS 不仅仅是一个地图制作软件，它还有更多功能。正如我们已经提到的，GIS 由五个主要组件组成。

1.数据

空间数据

空间数据是 GIS 的基本要素。它指的是具有地理或位置成分的任何类型的数据，这可以包括地图、卫星图像、航空图像、GPS 数据和地理调查信息等数据。空间数据可以通过多种方式表示，并用于创建不同类型的空间分析和可视化。

空间数据和地理信息这两个术语经常互换使用，但两者之间存在显着差异。空间数据提供有关对象或现象之间的空间关系的信息，而地理信息将空间数据与其他类型的数据相结合，以提供对我们周围世界的更全面的了解。它包括定量和定性数据，可以使用 GIS 工具和软件进行分析和可视化。

在地理信息系统中，空间数据通常以允许与其他数据类型集成并使用专用工具和软件进行分析的格式存储。空间数据模型分为三种类型：矢量数据、栅格数据和表格数据，也称为属性数据。

矢量数据

矢量数据是加载到 GIS 软件中最常见的数据类型，并以以下形式表示数据：

• 点

点数据将地理特征表示为地图上的各个点，例如建筑物、树木或其他。每个点都由一对坐标定义，通常是纬度和经度，指定其在地球表面上的位置。

• 线

线数据用于表示空间特征，例如道路、河流、铁路和其他线状特征。例如，线路数据可用于查找地图上两点之间的最短路线，或分析沿特定道路或高速公路的交通模式。

• 多边形

在地图上表示为封闭形状或区域的地理特征。多边形用于表示地理信息系统中的属性，例如土地利用、地块、行政边界、湖泊或森林。

• 不规则三角网（TIN）

这些数据允许创建准确表示某个区域地形的复杂表面。它们可用于多种应用，例如水流建模、确定表面坡度以及分析视域。

栅格数据

栅格数据、网格数据或表面数据将景观表示为方格和像素的矩形矩阵。栅格中的每个像素代表地球表面的一小部分区域，并且可以包含各种属性信息，例如高度、温度或颜色。

栅格数据分为三种类型：专题数据、光谱数据和图片。

栅格数据可用于各种 GIS 应用程序，例如地形分析、环境建模和土地利用规划。例如，栅格数据可用于创建某个区域的数字高程模型 (DEM)，该模型可用于分析地形的坡度和坡向。栅格数据还可用于创建整个区域的温度或降水地图。

表格数据（属性数据）

表格数据或属性表数据在关系数据库中保存和操作。它用来描述地理地物的特征，表中的每一行代表一个地理特征，每列代表该特征的特定属性或特征。例如，城市表可能包含城市名称、人口、海拔和纬度/经度坐标列。

表格数据可用于各种 GIS 应用程序，例如人口分析、土地利用规划和资源管理。

2.软件

所有 GIS 都需要一个能够收集、分析、存储、管理和可视化空间和属性数据的软件。地理信息系统软件应用广泛，例如城市规划、自然资源管理、应急管理和交通规划。GIS 软件通常提供一个用户界面，允许用户加载和显示地理数据、执行空间分析以及创建地图和其他可视化效果。一些 GIS 软件还可能包括用于特定应用的专用工具，例如洪水测绘或野生动物栖息地分析。标记上有许多 GIS 软件包，从 QGIS 和 GRASS GIS 等开源软件到 ArcGIS 和 MapInfo 等商业软件。

3.硬件

GIS 软件在硬件上运行以操作地理数据。GIS 应用中常用的一些硬件示例包括：

• 台式计算机或工作站: GIS 中最常见的硬件类型， 通常包括中央处理单元 (CPU)、内存 (RAM)、存储（硬盘驱动器或固态驱动器）和图形处理单元 (GPU)显示地图和可视化。
• 输入设备:用于捕获地理数据， 包括数字化仪、扫描仪、GPS 设备和其他传感器。
• 输出设备:用于显示和共享他们的工作， 例如打印机、绘图仪、投影仪和显示器。
• 服务器: 用于存储数据并通过专用服务器硬件提供服务， 允许多个用户同时访问和操作数据。 智能手机和平板电脑等移动设备越来越多地用于 GIS 应用， 特别是在现场工作和数据收集方面。 这些设备通常具有内置 GPS 传感器和摄像头， 用于捕获地理定位数据。

4.方法

一些常见的 GIS 方法包括：

空间分析

根据美国国家研究委员会的说法，空间分析涉及使用 GIS 工具来分析地理数据并得出有关各种现象的见解，例如疾病爆发、交通模式和自然资源分布。

制图学

创建地图的科学和艺术，涉及以具有视觉吸引力和信息丰富的方式设计和呈现地理数据。

遥感

遥感是使用不直接接触地球表面的传感器收集有关地球表面信息的过程，这可以包括航空摄影、卫星图像和其他形式的数据收集。遥感数据通常用于 GIS 应用程序来创建地图、分析土地利用模式以及监测环境随时间的变化。

地统计学

一组用于分析地理空间数据的统计技术，例如插值、聚类和回归分析。

网络分析

一组用于分析交通和公用设施网络的技术，例如路线选择、最短路径分析和服务区分析。

数据可视化

使用图表、图形和其他视觉辅助工具来传达从 GIS 数据中获得的信息和见解的过程。

数据管理

在 GIS 中收集、存储和维护地理数据的过程，包括数据清理、组织和元数据创建等任务。

3D 建模

创建地理数据的三维表示，可用于可视化、模拟和分析目的。

5.GIS 专业人员

GIS 专业人员在 GIS 技术的成功实施和使用中发挥着至关重要的作用。他们负责设计和实施 GIS 项目、收集和管理空间数据、执行空间分析、创建地图和其他可视化，并将工作结果传达给各种利益相关者。

GIS 应用于许多行业，这意味着 GIS 专家可以在各个领域工作，包括政府、环境管理、城市规划、交通、公共卫生等。他们也可能为私人咨询公司工作或作为独立承包商。

GIS 中的一些常见角色包括：

• GIS 分析师：负责管理、分析和可视化空间数据。 他们使用 GIS 软件创建地图、执行空间分析并开发地理模型来解决各个领域的问题。
• GIS 技术员：协助 GIS 分析师进行数据收集、输入和管理，并帮助创建地图和可视化。
• GIS 开发人员/程序员：创建使用 GIS 技术的软件应用程序和工具， 包括基于 Web 的地图应用程序和移动 GIS 应用程序。
• 制图师：负责通过结合数据和设计原则来创建准确、清晰且具有视觉吸引力的地图。
• 城市/区域规划师：使用 GIS 来分析和评估土地利用、人口增长和交通。
• GIS 项目经理：负责 GIS 项目的规划、协调和执行，包括项目管理、预算和团队管理。
• GIS 顾问：为客户提供有关 GIS 相关问题的专家建议和指导，包括数据管理、分析和可视化。
• 遥感分析师：使用 GIS 软件对卫星或航空图像进行分析和解释，以提取有关地球表面的信息。
• 测量员：收集和测量有关地球表面的数据，包括使用 GPS 技术以及创建地图和调查。

什么是 GIS 地图？

GIS 地图是利用地理数据和空间分析，并使用 GIS 软件进行处理和分析的数字地图，以显示和分析有关地球表面的信息。与传统的表格地图不同，GIS 地图是动态的、交互式的。

GIS地图有多种类型，包括：类别图、热力图、聚类图、气泡图、数量图。

任何 GIS 的基本元素之一都是地图图层。每个图层代表正在分析的地理数据的不同方面，并且可以打开或关闭数据图层以仅显示特定分析或地图的相关信息。

GIS 和 GPS 有什么区别？

GIS（地理信息系统）和GPS（全球定位系统）是地理空间数据管理领域使用的两种不同的技术，但它们有不同的用途。GPS 是一种基于卫星的导航系统，使用户能够确定他们在地球表面的确切位置。它使用卫星和 GPS 接收器网络来实时提供准确的位置信息。

另一方面，如前所述，GIS 是一个允许用户存储、管理、分析和可视化地理数据的系统。它结合了地图、航空照片和卫星图像等各种数据源，创建详细的空间数据库，可用于回答有关环境、人口统计和基础设施的复杂问题。

GPS 提供位置信息，而 GIS 则提供组织和分析基于位置的数据的框架。GIS 可以合并 GPS 数据，但也可以使用其他地理信息源。简而言之，GPS 是一种获取位置数据的工具，而 GIS 是一种管理和分析该数据以深入了解空间关系和模式的系统。

GIS 有什么用途？

GIS 在许多层面上发挥作用，并在大多数行业和组织中用于各种目的。一般来说，GIS 是一种多功能工具，可以通过分析和解释地理空间数据来帮助解决问题、决策和空间环境中的数据可视化。

GIS 是如何使用的？

GIS 流程通常从定义需要解决的问题开始，这可以是任何事情，从确定新设施的最佳位置到分析新开发项目对环境的影响。

一旦发现问题，就需要定义 GIS 分析的标准，这可能包括地理位置、距离和土地利用等因素。接下来，需要导入或构建必要的数据集，这可能包括卫星图像、人口统计数据或地形图等数据，并使用图层对数据集进行分析，图层是构成此类地图的各个数据片段。通过一起分析各层，可以深入了解当前的问题。例如，通过分析图层，可以确定特征的位置、特定空间中特征的密度以及特征之间的关系。

GIS 分析的输出可以是地图、报告或数据的其他可视化表示。此输出将有助于将分析结果传达给其他人。最后，根据 GIS 分析的输出，可以做出解决当前问题的决定。例如，如果分析表明拟议的开发项目会对环境产生负面影响，则可以决定将开发项目移至其他地方。

谁使用 GIS？

GIS 用于许多行业的组织中。如今，GIS 技术在公共部门的政府和军​​事应用会计中得到了更多的使用。根据 Zion Market Research 的数据，该细分市场占 GIS 市场的 28% 份额。

使用 GIS 的其他行业和部门有：

• 商业：

  • 银行技术和金融服务
  • 保险
  • 媒体与新闻
  • 房地产
  • 零售

• 教育：

  • 图书馆和博物馆
  • 学校
  • 大学

• 政府：

  • 建筑、工程、建造
  • 经济发展
  • 电子
  • 土地管理
  • 公共工程
  • 测量
  • 城市规划

• 健康服务：

  • 公共卫生
  • 医院
  • 学术项目和研究

• 绘图和图表：

  • 制图学
  • 地形
  • 航海

• 自然资源：

  • 农业
  • 气候变化
  • 保护
  • 矿业
  • 水资源

• 公共安全：

  • 应急和灾害管理
  • 荒地火灾管理
  • 犯罪行为
  • 运输
  • 航空
  • 高速公路
  • 物流
  • 公共交通

GIS 使用的真实示例

灾难应对

2017 年哈维飓风期间，GIS 用于绘制受影响区域地图并确定滞留人员的位置。同时，GIS 数据被用来协调救援工作并向有需要的人分配资源。

野生动物保护

在南非，GIS 用于追踪犀牛和大象等濒危物种的活动，有助于防止偷猎并保护野生动物种群。

交通规划

在城市中，GIS 用于分析交通模式并优化公交路线，有助于改善公共交通并减少交通拥堵。

病毒流行

GIS 已用于创建实时地图，显示冠状病毒在地方、国家和全球各级的传播情况。这些地图被用来追踪病例数、死亡人数和康复人数，并确定病毒传播速度更快的地区。

GIS 还被用于支持接触者追踪工作。GIS 已被用来创建地图，显示感染者曾经去过的位置，这可以帮助识别可能接触过该病毒的潜在接触者。

可再生能源

GIS 用于识别太阳能和风能生产潜力巨大的地区，有助于指导可再生能源基础设施的投资。

总结

对于处理空间数据的人来说，GIS 是一个强大的工具。它使我们能够以新颖和创新的方式捕获、存储、分析和呈现有关世界的信息。通过利用 GIS 地图，可以创建从交通模式到自然资源管理等所有内容的详细可视化，本文通过真实世界中如何跨行业使用 GIS 的示例，全面介绍了 GIS 世界。