GIS的一些基本概念
一個(gè)好的、完整的GIS系統,存儲了該地區或該目標的眾多空間信息,這些信息能隨時(shí)方便地從數據庫中調用,能快速地以圖形、圖象、表格或文本形式在屏幕上顯示,或者打印、繪制出來(lái),并且可以對這些信息進(jìn)行綜合分析、提取有用信息,通過(guò)計算來(lái)模擬真實(shí)世界,進(jìn)而提出相應的決策意見(jiàn),它是規劃、管理和決策的有效工具。圖2.1表明了GIS的這么一個(gè)性能。
從GIS這個(gè)功能可看出,一個(gè)GIS系統應有三個(gè)主要的組成部分：（1）計算機及其外圍設備,這是其硬件基礎；（2）一系列的應用軟件模塊,包括數據和圖形的輸入/輸出、圖形和圖象處理、圖形和圖象的顯示、數據庫管理、統計分析、模擬計算以及實(shí)際應用模式等；（3）組織有序的信息內容,即數據庫中要有充分的與地理位置有關(guān)的信息。這些信息的含義與表達方式有其獨自的特點(diǎn),下面就它們的一些基本概念作一些說(shuō)明。
2.1 地圖和專(zhuān)業(yè)圖
早在古代文明時(shí)期,地圖已用來(lái)描述地表信息了。很早以前,在埃及發(fā)現了公元前2300年左右的粘土板,在板上刻有一些土地圖形,這是世界上描述土地特征最早的樣本,而在古墓中也發(fā)現幾乎與此同年代的印制的地圖。一些資料表明,古巴比倫和古埃及時(shí)期,人們就試圖把土地的形狀和大小作為統一體表達出來(lái)。在古希臘時(shí)期之前,地理學(xué)家就開(kāi)始對地球的自然性質(zhì)加以推測和總結。在羅馬時(shí)代,土地測量和地圖制作成為政府的一項重要工作。隨著(zhù)人們對大自然的探索和認識,地圖和專(zhuān)業(yè)圖件越來(lái)越多地被用來(lái)記錄和表達世界的真實(shí)地理信息。
從某種意義上講,地圖本身就是一種信息系統,它是在平面介質(zhì)上表達的,具有一定比例尺的圖件。在圖上可以標出與地表有關(guān)的、選定的物體的性質(zhì)。如同數學(xué)上常用圖形這個(gè)形式來(lái)表達數據一樣,制圖家把地表的信息轉移到圖紙上,它也可廣義地定義為信息的可視性表達,尤其是對一些信息的概括性的圖解表達。
2.1.1 圖件的類(lèi)型
除了地圖之外,隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)和社會(huì )生產(chǎn)發(fā)展的需要,又出現了不少專(zhuān)業(yè)圖件,以滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)活動(dòng)的要求,例如：
航海圖：沿海地區和海域的地圖,它提供有關(guān)導航的信息。
航空圖：向飛機駕駛員和導航員提供航線(xiàn)基本數據,它是一種集中所有有助于導航信息的小比例尺地形圖。
地形圖：根據一定的比例尺繪出地表某部分自然和人工特征的圖示。圖上可看到地形和重要信息的完整清單,因而可用于土地利用和發(fā)展等目的。地形圖也為其它專(zhuān)門(mén)用途的圖件提供藍圖,為較小比例尺的通用圖件的編輯提供數據。
主題圖：包含一個(gè)單一主題或課題信息的專(zhuān)門(mén)圖件。用此工具可以溝通不同地理概念之間的交互,例如：土地利用、人口密度、農作物生長(cháng)區、土壤、土地形狀、試驗區中的PH值分布等等。主題圖也可以是定量的,如土壤的有效厚度。它們可以表示為色階圖或由邊界分開(kāi)的等值范圍圖,例如土地利用圖、土壤圖、戶(hù)籍圖或者行政區劃圖。也可用等值線(xiàn)圖來(lái)表示,即用數學(xué)模型來(lái)擬合連續表面,利用連接相同值的等值線(xiàn)的形態(tài)來(lái)描述變化趨勢,用來(lái)描述定量化的數據。等值線(xiàn)圖往往用來(lái)描述光滑變化的現象,如溫度、沉積厚度或人口密度。
圖件的比例尺表明了圖上的距離和相應實(shí)際距離之間的比值。大比例尺圖用來(lái)表示大量的細節；而小比例尺圖僅僅描述主要的特性。圖的比例尺與圖所包含的信息程度有關(guān),大比例尺圖比小比例尺圖有更多的細節和信息。
2.1.2 地圖的投影
地圖投影的根本問(wèn)題是在平面上表達曲面,也就是說(shuō)要在平面圖上表示地球的表面。地圖投影問(wèn)題可以用桔子皮這個(gè)簡(jiǎn)單例子來(lái)粗略地說(shuō)明：為了將撕破的桔子皮拼成一塊平的、連續接觸的桔子皮,每個(gè)小塊必須經(jīng)過(guò)拉伸,扭曲或再撕裂,才能完成。因此,這個(gè)例子也很好地表明了完美的投影幾乎是不可能的。
在平面上表示一個(gè)曲面,必定包括“拉伸”或“皺縮”造成的扭曲,而且“撕裂”成小的斷塊。投影的質(zhì)量可用下面三個(gè)標準來(lái)評價(jià)：
?。ǎ幔┑染嘈詶椪_地表示距離,投影保證任意兩點(diǎn)間的距離的正確。
?。ǎ猓┩涡裕ㄕ_形態(tài)）棗正確地表達形狀和方向。
?。ǎ悖┑葍r(jià)性棗正確地表達面積。
由于歷史發(fā)展的原因,我們的圖件有著(zhù)許多的地理投影和坐標系統,所有這些投影,可歸納為三類(lèi)：等積投影、等距投影和等角投影。例如：等距園柱投影、等距園錐投影、多園錐投影、正射投影、極射平面投影、球極平面投影、正弦投影和格靈頓投影等等。而在投影的同時(shí),又要選擇投影的參考橢球體。
在實(shí)際應用中,同一地區的圖件,會(huì )有不同的比例尺、不同的投影坐標系統,但是在同一GIS系統中,必須首先根據項目（任務(wù)）的要求,來(lái)選擇合適的地理坐標投影系統,作為一個(gè)標準的坐標系統,所有的資料、信息都要轉換到這個(gè)系統上來(lái)。
2.2 GIS數據的類(lèi)型和結構
任何一個(gè)真實(shí)世界都可以用地理信息來(lái)描述和表達,這些信息都必須以一定的數據格式存放在計算機里,它們可分成三大類(lèi)：空間數據、屬性數據和柵格化數據(即光柵數據)。
2.2.1 空間數據
一個(gè)幾何實(shí)體可用空間數據來(lái)描述,空間數據的編碼有四類(lèi)：點(diǎn)、線(xiàn)、多邊形和連續表面。圖2.2為一些點(diǎn)、線(xiàn)、面的例子。
點(diǎn)數據：點(diǎn)（無(wú)維數,只有空間的位置而無(wú)長(cháng)度的目標）為空間數據中最簡(jiǎn)單的類(lèi)型。這是最基本的數據,雖然只有一個(gè)X、Y坐標來(lái)描述它的空間位置,但任何幾何實(shí)體都可以用點(diǎn)的集合來(lái)表示。
點(diǎn)有兩種形式：一種是離散分布的目標,如鉆井、油井、水井或地面采礦點(diǎn)；另一種是固定點(diǎn)上隨時(shí)間而連續分布的觀(guān)測,如水位、降雨量、風(fēng)速和土壤溫度測量。
線(xiàn)數據：線(xiàn)實(shí)體（一維,具有長(cháng)度的物體）為具有線(xiàn)性特性的實(shí)體,由二對或二對以上的XY坐標組成直線(xiàn)段。線(xiàn)性實(shí)體可以是穩定的（結構類(lèi)）或動(dòng)態(tài)的（流體類(lèi)）。結構類(lèi)的線(xiàn)性實(shí)體例子有交通運輸網(wǎng)（高速公路、鐵路....）、服務(wù)設施系統( 煤氣管道、供電網(wǎng)、電線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)、自來(lái)水管網(wǎng)....)等。為確定現有交通運輸網(wǎng)上的車(chē)流情況和運輸能力而收集的車(chē)流流量數據的線(xiàn)段網(wǎng),則為動(dòng)態(tài)線(xiàn)數據。地質(zhì)中的線(xiàn)性特征和斷層分別是相連或不相連線(xiàn)數據的例子。曲線(xiàn)也可用一組X、Y坐標對來(lái)描述,都是連續的復雜線(xiàn)實(shí)體。
多邊形數據：多邊形（二維,具有長(cháng)和寬的物體）構成GIS中最常用的數據類(lèi)型。多邊形也是有邊界的區域。區域的邊界可由土地形狀如森林邊界等自然現象,或人類(lèi)活動(dòng)形成的邊界如土地利用等來(lái)定義。最常見(jiàn)的多邊形是自然資源環(huán)境,如土地覆蓋、地質(zhì)、流域范圍、土壤、社會(huì )經(jīng)濟帶---人口區域、土地邊界等等。
當多邊形的邊界由另一個(gè)多邊形共享時(shí),必須對多邊形數據加以調整,以使其真正吻合和共享；而不同屬性的小區完全被另一個(gè)區所包含時(shí),可以采用嵌套的辦法。
連續表面：連續表面（三維,具有長(cháng)、寬、高／深的物體）有水準高程（作為地形數據的一部分）、降雨量、溫度、人口密度等。盡管大部分GIS商業(yè)產(chǎn)品能處理地形數據（通常為數字高程模型DEM：Digital ElevationModel）并顯示等值線(xiàn)圖、立體圖等,但它們并不能處理真正的三維數據。大部分DEM用網(wǎng)格化的高程矩陣或不規則三角網(wǎng)（TIN：Triangulated IrregularNetwork）來(lái)表示地形。在這種情況下,高程（或稱(chēng)為Z坐標）是一個(gè)重要的變量。有些系統允許有其它圖件特點(diǎn)的整理,例如將土壤、土地覆蓋數據或衛星圖象（Landsat、Nova、MSS或TM、SPOT）復合在立體的地形高程面上,從而建立一個(gè)三維的形象。
一般來(lái)說(shuō),GIS主要應用于二維的地表現象,如土地利用、森林或土壤數據。在有些應用情況下,也可以通過(guò)對物體表面的處理將三維表達簡(jiǎn)化為二維的表達。例如表達層面的表面,可以用等值線(xiàn)圖或立體圖來(lái)顯示。在這種情況下,表面的高程并非真正的獨立變量,只是很好地定義了類(lèi)似三維或假三維數據。
2.2.2 屬性數據
每個(gè)實(shí)體,除了用空間位置、特征來(lái)表達它的性質(zhì)外,通常還用一些別的重要屬性來(lái)表達,這些屬性既可以是文字（例土壤系列的名稱(chēng)、莊稼類(lèi)型．．．）也可以是標量,如水的深度、地形高程值等等。
一個(gè)真實(shí)存在的現象,用戶(hù)能看到,由人類(lèi)的理解而感覺(jué)化的概念,用戶(hù)也能感覺(jué)到。但是它們必須存在一個(gè)復雜的數據庫中,并能用適當的方式表達出來(lái)。在計算機里有幾種方法來(lái)組織這些地理數據。土地的數學(xué)模型或實(shí)體的描述以及它們之間的關(guān)系,可借助于諸如點(diǎn)、線(xiàn)、地區范圍和面等基本實(shí)體來(lái)表示這些空間數據。而對于這些實(shí)體的特性方面的描述,即非空間數據或屬性描述,則往往以表格形式存在關(guān)系數據庫管理系統中。
2.2.3 光柵數據
在GIS的信息源中,網(wǎng)格化的光柵數據也是常見(jiàn)的數據形式。光柵數據結構由大小均勻的矩陣元組成,每一個(gè)元的位置由統一的位置索引（線(xiàn)數、列數）來(lái)確定。每一網(wǎng)格代表一個(gè)數或一個(gè)碼,用這些網(wǎng)格表達畫(huà)出圖形的屬性值。光柵值可以是數值,也可以是文字符號。它相當于將地表劃分成規則的方格網(wǎng),每個(gè)方格網(wǎng)用一個(gè)值來(lái)表達,這個(gè)值就是它的某個(gè)屬性。
對于一個(gè)空間分布較少的數據來(lái)說(shuō),光柵結構會(huì )浪費計算機的存儲空間。雖然這個(gè)問(wèn)題可以用一些數據壓縮技術(shù)來(lái)克服,但這仍然是光柵數據結構的主要缺點(diǎn)。
不少觀(guān)測數據是在方格形測網(wǎng)上觀(guān)測得到的,例如物探、化探數據等,最為突出的例子是衛星遙感圖象,各種資源或氣象觀(guān)測衛星在運行軌道上,利用其矩陣排列的傳感器,對地球表面進(jìn)行掃描,從而獲得各波段的衛星圖象,這些圖象就是網(wǎng)格化的數據,是GIS中相當重要的光柵數據源。
2.2.4 數據模型
任何點(diǎn)、線(xiàn)、范圍和面的空間分布數據,可用兩種不同的數字形式來(lái)表示：矢量模型和網(wǎng)格化的模型。圖2.3 即為這兩個(gè)模型。
矢量模型
矢量模型中用明確定義的點(diǎn)、線(xiàn)和多邊形位置來(lái)表達真實(shí)物體（數字模型）的位置。點(diǎn)同樣是矢量模型中的最基礎部分。任何物體可以由連接點(diǎn)的直線(xiàn)來(lái)建立,這些直線(xiàn)組也確定了物體的范圍。對于兩個(gè)連接物體的公共邊界可延伸為兩種不同的名稱(chēng)：在圖論中常用邊端這個(gè)名字；而有些則稱(chēng)之為用于連接鏈的頂點(diǎn)、線(xiàn)段或弧。
因而,在矢量模型中,物體由定義它們邊界的點(diǎn)、線(xiàn)表達。每個(gè)物體的位置則由坐標參考系統組織的在圖件空間中的位置所確定。在地理應用上,矢量模型用線(xiàn)作為基本邏輯單位,一系列落在線(xiàn)上的點(diǎn)的X、Y坐標被記錄為單一數據記錄的組合元。點(diǎn)也可以看作為零長(cháng)度的線(xiàn),或看作為有同一起點(diǎn)和終點(diǎn)的線(xiàn)所組成的多邊形。
最常用的矢量模型是完整的多邊形結構和拓樸模型。
完整多邊形模型：在完整多邊型模型中,每個(gè)多邊形作為邏輯編碼記錄在數據庫中,它由表達封閉范圍的X、Y坐標弦線(xiàn)所定義。這個(gè)模型的主要缺點(diǎn)為：
鄰近兩個(gè)多邊形之間的公共線(xiàn)段,必須隨兩個(gè)多邊形作兩次數字化并存儲。
沒(méi)有保留空間關(guān)系,因此,多邊形之間存在的關(guān)系,必須通過(guò)多邊形之間的計算來(lái)導出。
局部的孤立體僅僅是圖形建筑。
只有在可見(jiàn)的圖形輸出上加以比較才能實(shí)現編輯和修改數據庫。這種模型常用于簡(jiǎn)單形式的機助制圖生產(chǎn)。在繪圖處理過(guò)程中用不到諸如空間關(guān)系等的外來(lái)信息的分析,因此這個(gè)模型能高效地再生產(chǎn)原始圖件。
拓樸模型：是GIS中最常用的矢量圖件。在拓樸模型中,實(shí)體間的空間關(guān)系按照已知的拓樸模型格式明確地記錄下來(lái)。拓樸模型中基本的邏輯實(shí)體仍然是直線(xiàn)段,這些直線(xiàn)段都由與另一線(xiàn)的交點(diǎn)（或是線(xiàn)的彎曲處）出發(fā)或終止,每條線(xiàn)段由兩個(gè)端點(diǎn)坐標所記錄。此外,在這線(xiàn)兩側的多邊形標識符或名字也要記錄下來(lái),這樣就更明確地記錄較多的基本空間關(guān)系,以備以后的分析使用?；緮祿嬖跓o(wú)冗余的記錄中。
由于這個(gè)特點(diǎn),拓樸數據成為自動(dòng)制圖分析的基礎,拓樸過(guò)程能最有效地進(jìn)行諸如誤差的自動(dòng)預測和更正,以及其它多邊形分析處理。拓樸學(xué)本身研究幾何結構的關(guān)系與轉換。當用于制圖和自動(dòng)空間分析時(shí),就要求把所有的線(xiàn)段都明確地、有序地聯(lián)接成完整的數字線(xiàn)形,以便在計算機環(huán)境下加以解釋。
光柵模型
空間數據的光柵（網(wǎng)格化）結構是最簡(jiǎn)單的數據結構。格網(wǎng)模型以空間的一個(gè)單元作為基本數據單元,在這個(gè)單元上記下單元的實(shí)體信息。由空間排列的每一個(gè)單元的值作為光柵結構的每個(gè)元的參數。光柵文件中的每個(gè)元只有一個(gè)值相對應,實(shí)體的不同屬性則分別存在不同的光柵文件中。
主要的光柵模型有：格網(wǎng)式、嵌套格網(wǎng)和不規則格網(wǎng)。在方形網(wǎng)格和其它規則格網(wǎng)模型中,采用了正方形、三角形和六邊形網(wǎng)格。正方形網(wǎng)格應用最廣泛。在正方形網(wǎng)格光柵排列里,每個(gè)元由行和列的序數來(lái)確定并和一個(gè)代表圖上的屬性值組成光柵文件。光柵文件的原點(diǎn)通常選在屏幕上的左上角,這個(gè)參考系統與其它參考系統不同,如地學(xué)參考系統的地理坐標原點(diǎn)是地表上的某一點(diǎn)。
正方形網(wǎng)格也有它的局限性：從每個(gè)元的中心到相鄰元的中心點(diǎn)距離不盡相等,沿線(xiàn)和列的方向上相同,但不同于對角線(xiàn)方向上的距離。于是產(chǎn)生了六邊形網(wǎng)格：元的中心點(diǎn)到六個(gè)方向上的相鄰元中心點(diǎn)的距離都相等。放射對稱(chēng)這個(gè)特點(diǎn)使這模型在放射狀查索和調用的功能上極為方便。
對于三角形網(wǎng)格,有它的優(yōu)點(diǎn)：即所有的三角形不具有相同的方向。這造成對一些象“單一元比較”這種簡(jiǎn)單處理的過(guò)程都變得較復雜。它也有用三角形表達地形和其它類(lèi)型表面數據的缺點(diǎn)。六邊形網(wǎng)和三角形都有共同的缺點(diǎn)：不能進(jìn)一步劃分為與原來(lái)單元形狀相同的更小的元,而且數字系統也比方形網(wǎng)更為復雜。
光柵結構中的每個(gè)元對應于地表上的一個(gè)面積范圍,這與最小的繪圖單元有不同的概念,最小繪圖單元可由一個(gè)或多個(gè)光柵元組成。由于每個(gè)元的屬性作為唯一的值存在文件中,每個(gè)光柵文件所占的存儲空間為文件中的線(xiàn)數與列數的乘積。因為文件的大小與覆蓋的面積有關(guān),所以每個(gè)元代表的土地面積越小,說(shuō)明這個(gè)文件數據的分辨率就越高,其分辨率隨著(zhù)每個(gè)元代表的面積的縮小以平方關(guān)系而升高。
方形網(wǎng)格可用于一般的處理,如計算空間特性的中心計算或諸如復合和窗口等的空間處理。這些對方形網(wǎng)有效的處理方法,也很容易改為三角形和六邊形網(wǎng)。
把原有的圖件轉換為光柵結構可采取下列兩種方法：點(diǎn)采樣,由網(wǎng)格單元的中心值來(lái)給出網(wǎng)格元的屬性值；模型采樣,網(wǎng)格單元的值由網(wǎng)格范圍內的主要值確定。圖2.4 簡(jiǎn)單地表明了對一個(gè)圖件進(jìn)行光柵化處理的例子。
在GIS中,自然要能對同一圖件在兩種不同的模型中進(jìn)行互相轉換。當光柵數據轉換為矢量數據時(shí),兩個(gè)均勻的單位之間的間隔確定了線(xiàn)元。由于光柵數據的基本單元為網(wǎng)格,當把光柵數據轉換處理成矢量文件時(shí),得到的線(xiàn)條不一定是光滑的直線(xiàn),而往往呈現出“臺階現象”。這種轉換的另一個(gè)問(wèn)題是：由一系列光柵域內定義的線(xiàn)所組成的多邊形為一拉長(cháng)的多邊形,或者是使多邊形的邊界變“粗”,這須要重新處理成一根單一的線(xiàn)條。
嵌套式的格網(wǎng)模型：在這種模型里,格網(wǎng)單元可重復地再劃分成具有相同形狀和方向的更小的單元。研究得最多的是四分樹(shù)數據模型,其基礎就是重復地分解網(wǎng)格。四分樹(shù)模型將研究的圖形或數據范圍定為一個(gè)正方形,并分成四個(gè)象限,每個(gè)象限再反復地分解為子象限,一直到每個(gè)子象限的值是相同值為止,或者分解到事先確定的分辨水平為止。由于四分樹(shù)模型的分辨率是可變的,并且自然地劃分為分級途徑,四分樹(shù)結構對處理和存儲大的地理范圍數據來(lái)說(shuō),頗為理想。
四分樹(shù)模型通過(guò)大小可變的格網(wǎng)來(lái)作出更為細致的表達,來(lái)代替方形網(wǎng)格中把一個(gè)地區劃分為大小相同的元,這樣一些細節部分可由更細的劃分來(lái)完成,從而在需要的時(shí)候可以提高更高的分辨率。一般來(lái)說(shuō),主題圖在點(diǎn)、線(xiàn)和多邊形邊界的鄰近區域要求較高的分辨率,而對于大的多邊形單一等級的編碼來(lái)說(shuō),它與許多相同小元組成的多邊形的準確度是一樣的,因為在這區內,所有的屬性都相同。四分樹(shù)模型在使用中,允許用大的單元（粗分辨率）來(lái)對大的均勻地區編碼,而高一層的分辨率則用于有較大的空間變化的地區。四分樹(shù)的缺點(diǎn)是在作旋轉和轉換換算中,數據結構是變的,這樣帶來(lái)了麻煩,在作形狀分析和模式識別時(shí)顯得格外困難。往往需要中間處理程序。
矢量模型和光柵模型都有其優(yōu)缺點(diǎn)。光柵模型適合于空間變化較大的現象,而矢量模型適于網(wǎng)絡(luò )分析。具體優(yōu)缺點(diǎn)這里不詳細敘述。
2.2.5 圖象的壓縮
由于許多單元都含有與相鄰元數據相同的數值,這就產(chǎn)生了較大的冗余。利用數據壓縮技術(shù)可以有意義地削減數據文件的大小。更有效地存儲數據的方法有幾種。一些方法可以完全重現原來(lái)文件,即原始數據可以準確無(wú)誤地重現；而另一些方法,則通過(guò)舍棄和控制原始數據的量來(lái)減少數據存儲量,這就不能完全恢復原始數據。
行程碼是一種允許準確地恢復到原來(lái)文件的數據壓縮技術(shù)。該方法利用了許多數組具有大量均勻區域的事實(shí),在記錄時(shí),記錄了行的序數,屬性值數據和行的前進(jìn)方向具有相同數值的單元數。這種方法有效性隨數組本身的情況而異。在最壞的情況下,當沿著(zhù)數組一行上順序記錄數據時(shí),如果沒(méi)有任何重復數據時(shí),其容量就要比原來(lái)數組擴大一倍。
四分樹(shù)模型則是不可完全重現原始數據文件的壓縮方法例子之一。
3. GIS的圖層和復合
在GIS 中,圖層是圖件的最基本的信息單元,任何一個(gè)真實(shí)的地理實(shí)體,都可以用多個(gè)基本的信息單元---圖層來(lái)描述,而這些圖層的各種組合可以形成具有不同實(shí)際應用價(jià)值的使用圖件。
來(lái)自不同的光柵數據文件或不同數據層的相應元上的值可以用多柵格文件的操作來(lái)顯示和處理。這就是復合處理的基本概念,也就是說(shuō),把多個(gè)二維排列的光柵文件數
據疊加起來(lái),并分析對應于每個(gè)元位置上的多個(gè)數據值。此外,光柵數據極易溝通常用的空間數據輸入輸出硬件。
4 GIS信息和圖件的收集與輸入
信息與圖件的收集和輸入是建立地理信息庫的基礎,而且工作量巨大。有了信息庫,GIS才能進(jìn)行各種各樣的綜合分析,才能作出合理的模擬,從而提供可靠的管理和決策信息。
4.1 GIS信息的收集
地理信息系統收集數據的方法不斷地得到發(fā)展,這些方法提供了與信息本身應用程度相一致的準確性和可信性。深入的野外工作和充分采樣仍是確保數據準確性和價(jià)值性的基礎;遙感資料也是圖形庫的一個(gè)重要組成部分;在自動(dòng)遙測與數字傳輸技術(shù)高速發(fā)展的今天,實(shí)時(shí)數據也成了動(dòng)態(tài)GIS與實(shí)施分析的基礎。圖象的解釋成果也是數據收集的一個(gè)主要內容。
4.2 GIS信息的輸入
地理實(shí)體可由兩種類(lèi)型的數據來(lái)定義：幾何數據與非幾何數據,前者與實(shí)體的地理位置有關(guān),后者與實(shí)體的性質(zhì)、特征等屬性記錄信息有關(guān)。把圖件轉換成計算機的數字化形式,是建立地理信息系統過(guò)程中最花費時(shí)間的工作,且費用最昂貴。數據輸入必須通過(guò)編輯來(lái)確認數據與原圖是否對應一致,并作適當的校正。
圖件的數字化輸入,是GIS建庫的瓶頸。近十年來(lái),將光柵文件自動(dòng)轉換成矢量文件的軟件發(fā)展較快,雖然并非真正地100%自動(dòng)轉換,但用這些軟件可大大提高圖件矢量化的速度。
對于地面實(shí)時(shí)信息來(lái)說(shuō),有兩種情況：(1)觀(guān)測點(diǎn)是固定的,通過(guò)傳感器自動(dòng)觀(guān)測采樣,數據通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)傳輸到RTU作必要的預處理,并等待發(fā)送,這類(lèi)觀(guān)測例子有水文觀(guān)測、氣象觀(guān)測、地震臺站監測等等；(2)觀(guān)測點(diǎn)是移動(dòng)的,它要傳輸的信息是各流動(dòng)點(diǎn)的地理位置,往往在要觀(guān)測的流動(dòng)目標上裝置GPS系統,自動(dòng)定時(shí)記錄其地理坐標,然后發(fā)送。
對于空間觀(guān)測的信息,在有條件的地方,可以通過(guò)地面接受站,將實(shí)時(shí)信息接收并轉換到GIS系統中去,例如氣象衛星的云圖。
5 GIS信息和圖件的數據庫管理
GIS系統中信息量巨大。這些信息是進(jìn)行綜合分析的基礎,要求能方便、快速地查詢(xún)、調用和顯示。因此,保存和管理信息,是GIS的一個(gè)核心部分。
5.1 數據庫的基本概念
數據庫是數據的計算機管理系統,能將所有具內在聯(lián)系的數據收集在一起,用最小的數據冗余,達到高度的數據組合,并方便地用于一個(gè)或多個(gè)任務(wù)。
5.2 數據庫結構
GIS采用三種主要的數據模型來(lái)建造數據庫：分級數據模型、網(wǎng)絡(luò )數據模型和關(guān)系數據模型。數據模型包含了數據庫的組織結構、描述和維護。數據模型還包括管理數據庫中數據的基本操作（一般以數據語(yǔ)言,數據子語(yǔ)言或數據管理子語(yǔ)言為工具）。
下面是一個(gè)GIS軟件中所用到的數據庫實(shí)例,引進(jìn)了ORACLE數據庫的基本部分,圖4.1粗略地表明了它的結構。
5.3 GIS的數據庫管理
與工程設計中常用的CAD軟件不同,GIS中的信息都要存放在數據庫中,而不是一些簡(jiǎn)單的互不關(guān)聯(lián)的信息文件。一般的GIS軟件都采用標準的數據庫管理系統（DBMS）,因為DBMS具有許多現成的功能可以利用,否則的話(huà),GIS必需自己在系統內編制相應的數據庫程序。
5.3.1 數據庫管理系統
DBMS的一些主要特征為：
數據的獨立性：應用程序、數據結構和存儲設備的關(guān)系是互相獨立的。數據庫的數據也具有獨立性,即用戶(hù)看到的數據與實(shí)際儲存的數據互相隔離。用戶(hù)把數據看作為完全獨立的實(shí)際結果數據,而數據的個(gè)別部分可以由幾個(gè)用戶(hù)共同享用。6 GIS信息的綜合分析和信息處理功能
地理信息系統的最重要特點(diǎn)之一就是廣泛的空間數據綜合分析和模型模擬能力，它能夠對具有地理坐標的空間信息作拓撲分析和計算，對空間的和非空間的屬性進(jìn)行綜合分析處理，并能對各類(lèi)信息作出種種統計分析，從而提供了極為豐富的綜合評估和提取有用信息的手段。常規的GIS的分析和處理能力包括圖象的復合、重新分類(lèi)處理、近似分析、最優(yōu)化緩沖區和其它制圖模擬技術(shù)。
圖件的再分類(lèi)處理可指定已有圖件的主題值為初始值，把它與每個(gè)區域相伴隨的位置、空間組成的大小和形狀一起進(jìn)行某個(gè)函數運算，得到新的圖件。例如，一個(gè)土壤圖可以經(jīng)過(guò)再分類(lèi)，得到滲透性圖。這些功能既可以由系統自身完成， 也可以和其它統計模型共同實(shí)現。
距離功能可以確定距離及進(jìn)行傳導方向處理，以得到點(diǎn)之間的距離和路徑。
在制圖模擬中，概念模型可以分解為能分別得到解決的子模型。模型可由如下方式構成：每個(gè)個(gè)別的子模型的解組合起來(lái)形成原始模型的解；而每個(gè)子模型又可以進(jìn)一步地分解為更小的、能直接解決的子模型。這種將模型分解的關(guān)系模型也可用于決策模型。決策分析的基本模型就是把決策問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題，決策人分別對子問(wèn)題進(jìn)行討論解決，最后完成對整體的決策。
它們可用于:土地高程、農業(yè)生態(tài)、農作物產(chǎn)量、水文模型、土地降級、侵蝕模型、風(fēng)險評價(jià)等方面。下面對其主要功能加以說(shuō)明。
6.1 地理座標參照系統的設置和轉換
為某個(gè)光柵文件確定地理坐標系統；由選定的幾個(gè)點(diǎn)對柵格文件按照某地理系統進(jìn)行再采樣和轉換；根據坐標系統對兩個(gè)柵格文件進(jìn)行拼接。
6.2 圖形顯示、處理和分析模塊
圖形和圖象顯示是GIS的信息可視化的主要優(yōu)點(diǎn)之一，因此，它有許多圖形和圖象處理的功能。
(1)它允許用戶(hù)修改多邊形名字和線(xiàn)段顏色；把柵格文件轉換成矢量文件；把包括線(xiàn)段的矢量文件轉換成柵格文件，把包含多邊形的矢量文件轉換成柵格文件；
(2)根據已知點(diǎn)的信息表格建立柵格文件；
(3)在彩色屏幕上顯示或根據現有彩色顯示圖象存儲柵格文件；用戶(hù)可選擇、修改、控制彩色顯示色階；顯示與屏幕上某點(diǎn)有關(guān)的資料；顯示柵格圖上某點(diǎn)的值。
(4)在彩色屏幕上顯示柵格數據的三維立體透視圖；建立立體圖象對；利用三幅柵格圖象進(jìn)行彩色合成。
(5)對單一柵格圖進(jìn)行密度分割。對幾個(gè)輸入的柵格圖象進(jìn)行邏輯、條件和代數運算；對兩個(gè)柵格作交叉處理；對指定范圍內的區域進(jìn)行面積計算；由用戶(hù)定義目標計算距離。
(6)建立用于兩幅圖合成的二維表和原始圖進(jìn)行分類(lèi)的分類(lèi)表。
(7)計算柵格圖象的直方圖；計算一組柵格圖象的協(xié)方差和相關(guān)矩陣；進(jìn)行主分量和因子分析。
6.3 信息的數字處理，綜合分析及有用信息的提取
針對柵格圖象信息，有些GIS應用系統中也溶入了一些圖象處理手段(尤其是遙感圖象處理)，來(lái)突出有用信息及實(shí)現綜合信息的提取。這些圖象處理技術(shù)可用來(lái)改進(jìn)圖象上某些信息的表現，從而幫助用戶(hù)更直觀(guān)地感受到那些有用的信息和綜合信息。事實(shí)上，對于圖象處理來(lái)說(shuō)，不存在理想的或所謂最好的圖象處理，因為最終結果還是由用戶(hù)自己來(lái)判斷其結果是否有用，因此，了解圖象處理的含義非常重要。
圖象處理總體上可分為兩種：點(diǎn)的計算和局部計算；點(diǎn)的計算只是獨立地改進(jìn)每個(gè)象元的亮度；而局部計算則利用這個(gè)象元及其周?chē)笤闹祬⒓舆\算。下面說(shuō)明幾種簡(jiǎn)單但又是常用而又有效的圖象處理手段。
6.3.1 圖象增強處理，改善直觀(guān)印象
遙感圖象實(shí)質(zhì)上是記錄了在某個(gè)波段內，地表物質(zhì)反射的波的能量，不同物質(zhì)反射的能量不同，從而形成圖象上的差異。但是在某些情況下，不同物質(zhì)反射的可見(jiàn)光和近紅外射線(xiàn)的量相差不大，導致其對比度不大。
一些空間分布的數據，由于存在個(gè)別特別大的局部異常幅度，在轉換成柵格化圖象文件時(shí)，若按常規圖象化，會(huì )造成圖象上大部分較弱異常的對比度的壓縮，從而降低了這些異常特征的分辨力。
遇到上述這些情況時(shí)，就需要對原有圖象進(jìn)行反差對比增強處理，通過(guò)對比拉伸來(lái)區分不同的物質(zhì)或不同場(chǎng)源的異常。對比增強有線(xiàn)性與非線(xiàn)性?xún)煞N。
線(xiàn)性對比增強最適合于那些在直方圖上表現為高斯或似高斯分布的圖象。根據直方圖上的值，可確定圖象拉伸的極大值和極小值。
非線(xiàn)性對比拉伸這一方法適用于圖象的直方圖不是高斯分布的情況，這時(shí)須由幾段線(xiàn)性對比增強組成的非線(xiàn)性對比增強處理來(lái)完成對比增強任務(wù)。具體的局部非線(xiàn)性對比增強，須根據圖象的直方圖來(lái)確定，并加以組合形成合理的非線(xiàn)性對比拉伸。
6.3.2 空間濾波處理突出有用信息
空間濾波是圖象處理中的一個(gè)常用處理技術(shù)，實(shí)際上它是在空間域里原始圖象與選定的濾波器的褶積計算。針對不同的圖象處理采用不同類(lèi)型的濾波器。
總的來(lái)說(shuō)，濾波器可以分為兩大類(lèi)：線(xiàn)性濾波器與非線(xiàn)性濾波器。而線(xiàn)性濾波器又可分為低通濾波與高通濾波兩種。
根據圖象的實(shí)際特點(diǎn)，可以設計一些較為復雜的濾波器，進(jìn)行模式識別計算，從而達到巖性判別和自動(dòng)填圖等方面的目的。
6.3.3 圖象復合進(jìn)行綜合分析
經(jīng)過(guò)圖象增強或濾波處理的基本圖象圖層和其它地學(xué)圖形圖象圖層一樣，集中表現了某些信息，為了了解不同資料之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行綜合解釋?zhuān)珿IS中的圖象復合技術(shù)提供了極為便利而且有效的手段。如圖6.1所示，圖象復合迭加是把幾個(gè)選定的圖象在坐標配準的前提下，復合在一起，從而達到了解各種不同源信息的相互關(guān)系的目的。
圖6.1 圖象復合示意圖
復合迭加的關(guān)系可用下式來(lái)表現：
U=f(A，B，…) (6.1)
式中 A，B，…是參加復迭加的圖象的屬性值
U是復合迭加的結果圖象
f為進(jìn)行迭加的函數關(guān)系
迭加的函數關(guān)系可以是簡(jiǎn)單的算術(shù)運算，如加、減、乘、除…；可以是邏輯運算，如邏輯與或非及其它條件；也可以是較復雜的函數運算，如三角函數、乘方、開(kāi)方或對數等。
從這個(gè)式子，可以看出，圖件的復合也可以得到新的圖件。用相同位置上的兩個(gè)或兩個(gè)以上的圖件相應的值，經(jīng)過(guò)函數計算，得到復合的新圖。利用圖象復合迭加技術(shù)可以極方便地進(jìn)行各種信息圖象的組合，從而為綜合分析提供許多便利而又靈活的途徑。
6.3.4 分類(lèi)處理
分類(lèi)處理方法就是把二維分布的屬性數據，按照相同、相近或相關(guān)的屬性歸成一個(gè)類(lèi)，用某種標記來(lái)表達，標記往往代表一定邊界內的某一類(lèi)的平均值或總的描述。
我們可以根據目的、目標的尺寸以及針對重要的屬性進(jìn)行不同的分類(lèi)。
6.3.5 模式識別和綜合信息提取
對于各種已轉換成GIS中基本圖層的不同源的地理信息， 除了利用上述圖象復合技術(shù)來(lái)進(jìn)行信息綜合外，其它模式識別技術(shù)也可很好地用來(lái)進(jìn)行綜合信息提取。例如主分量分析技術(shù)，可把復雜的多元數據加以簡(jiǎn)化，以取得對多種信息更好的理解，實(shí)際上綜合信息的標志變量之間常常是相關(guān)的，通過(guò)主分量分析，選出排在前面的幾個(gè)主元再做彩色合成，往往能反映大部分有用信息。當然在實(shí)際工作中，采用選擇的主元分析，即選擇與有意義的信息高度相關(guān)的圖象參加主元分析，以避免丟失有用信息。
交互式的采樣訓練、盒子分類(lèi)、最大或近似值分類(lèi)和最近鄰域分類(lèi)、最小距離分類(lèi)方法，以及無(wú)監督的集群分析，也都是可用的模式識別方法。
綜上所述，GIS通過(guò)潛在效益的規劃和模擬來(lái)協(xié)助決策者工作。它向規劃者提供了一個(gè)隨時(shí)可以看到的與客觀(guān)地球有關(guān)的信息源，并進(jìn)而利用它本身對這些信息進(jìn)行快速、靈活而又經(jīng)濟的分析和不同結果的組合，來(lái)進(jìn)行決策。那些與具體地點(diǎn)、可利用的自然資源的數量等等有關(guān)的專(zhuān)家意識，則成為定量規劃中的獨立部分。
7 GIS信息和圖件的表達方式
綜合信息和決策依據的表達，是任何一個(gè)項目或任務(wù)的重要環(huán)節，隨著(zhù)圖形、圖象技術(shù)的發(fā)展，一目了然的彩色成果圖越來(lái)越為廣大用戶(hù)所采用。
把處理好的圖象或結果圖形，用高分辨率的彩色打印機或彩色繪圖儀按比例尺輸出，制成正規使用的圖件，這點(diǎn)極為重要。
輸出模塊為用戶(hù)提供的成果有：地圖、圖形、表格、照片和磁性存儲介質(zhì)。
有一點(diǎn)必須強調：標準的GIS系統均具有數據和圖形文件的格式轉換功能，便于與通用數據庫及通用軟件相兼容，有效地集成到信息系統中去。例如轉為Arc/Info， AutoCad 的矢量文件，ASCII柵格文件，Erdas柵格文件，Lotus 或 Ms Office等等的表格或文本文件。
為了輸出的圖件更滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，用戶(hù)可增加或修改圖例，建立彩色打印的模式，由繪圖儀、彩色打印機、單色打印機或激光輸出圖件。
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