地理信息系统知识点

什么是地理信息系统篇一：地理信息系统的基本概念

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（一）数据与信息

数据是一种未经加工的原始资料，是通过数字化或记录下来可以被鉴别的符号。数字、文字、符号、图像都是数据。

信息（Information）是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。信息来源于数据（Data）。

数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。例如，从实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息；从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息；从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。

（二）地理信息

地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图象和图形的总和。地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。空间位置数据描述地物所在位置。这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的相邻、包含等；属性数据有时又称非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。时域特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。时间数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。

地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：

（1）空间分布性。地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分布或更新也应是分布式。

（2）数据量大。地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，我们每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据。这必然对数据处理与分析带来很大压力。

（3）信息载体的多样性。地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。对于地图来说，它不仅是信息的载体，也是信息的传播媒介。

（三）地理信息系统

地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。

通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：

1、GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处

理的方式和产品输出的类型。

2、GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述、这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。

3、GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。

4、GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。

GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展，以减小重复很费，提高数据共享程度和实用性。

什么是地理信息系统篇二：地理信息系统名词解释大全(整理版本)

地理信息系统GeographicInformationSystemGIS作为信息技术的一种，是在计算机硬、软件的支持下，以地理空间数据库（GeospatialDatabase）为基础，以具有空间内涵的地理数据为处理对象，运用系统工程和信息科学的理论，采集、存储、显示、处理、分析、输出地理信息的计算机系统，为规划、管理和决策提供信息来源和技术支持。简单地说，GIS就是研究如何利用计算机技术来管理和应用地球表面的空间信息，它是由计算机硬件、软件、地理数据和人员组成的有机体，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统属于空间型信息系统。

地理信息是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称；它属于空间信息，具有空间定位特征、多维结构特征和动态变化特征。

地理信息科学与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一个技术实现，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题。地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。

地理数据是以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文景观的数据，主要包括数字、文字、图形、图像和表格等。

地理信息流即地理信息从现实世界到概念世界，再到数字世界（GIS），最后到应用领域。

数据是通过数字化或记录下来可以被鉴别的符号，是客观对象的表示，是信息的表达，只有当数据对实体行为产生影响时才成为信息。

信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。

四叉树数据结构是将空间区域按照四个象限进行递归分割（2n×2n，且n≥1），直到子象限的数值单调为止。凡数值（特征码或类型值）呈单调的单元，不论单元大小，均作为最后的存储单元。这样，对同一种空间要素，其区域网格的大小，随该要素分布特征而不同。

不规则三角网模型简称TIN，它根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程值通常通过线性插值的方法得到（在边上用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。

拓扑关系拓扑关系是指网结构元素结点、弧段、面域之间的空间关系，主要表现为拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含。根据拓扑关系，不需要利用坐标或距离，可以确定一种地理实体相对于另一种地理实体的位置关系，拓扑数据也有利于空间要素的查询。

拓扑结构为在点、线和多边形之间建立关联，以及彻底解决邻域和岛状信息处理问题而必须建立的数据结构。这种结构应包括以下内容：唯一标识，多边形标识，外包多边形指针，邻接多边形指针，边界链接，范围（最大和最小x、y坐标值）。

游程编码是逐行将相邻同值的网格合并，并记录合并后网格的值及合并网格的长度，其目的是压缩栅格数据量，消除数据间的冗余。

空间数据结构是指适合于计算机系统存储、管理和处理的地学图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。

矢量数据结构是利用欧几里得几何学中的点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。这种数据组织方式能最好地逼近地理实体的空间分布特征，数据精度高，数据存储的冗余度低，便于进行地理实体的网络分析，但对于多层空间数据的叠合分析比较困难。

栅格数据结构基于栅格模型的数据结构简称为栅格数据结构，指将空间分割成有规则的网格，在各个网格上给出相应的属性值来表示地理实体的一种数据组织形式。

空间索引是指依据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按一定的顺序排列的一种数据结构，其中包含空间对象的概要信息。作为一种辅助性的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，大量与特定空间操作无关的空间对象被排除，从而提高空间操作的速度和效率。

空间数据编码是指将数据分类的结果，用一种易于被计算机和人识别的符号系统表示出来的过程。编码的目的是用来提供空间数据的地理分类和特征描述，同时为了便于地理要素的输入、存储、管理，以及系统之间数据交换和共享的需要。

Delaunay三角网即由狄洛尼三角形组成的三角网，它是在地形拟合方面表现最出色的三角网，因此常被用于TIN的生成。狄洛尼三角形有三个最邻近的点连接而成，这三个相邻点对应的Voronoi多边形有一个公共的顶点，此顶点同时也是狄洛尼三角形外接圆的圆心。

Voronoi多边形即泰森多边形，它采用了一种极端的边界内插方法，只用最近的单个点进行区域插值。泰森多边形按数据点位置将区域分割成子区域，每个子区域包含一个数据点，各子区域到其内数据点的距离小于任何到其它数据点的距离，并用其内数据点进行赋值。

栅格数据压缩编码有键码、游程长度编码、块码和四叉树编码等。其目的，就是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型又有信息无损编码和信息有损编码之分。

边界代数算法边界代数多边形填充算法是一种基于积分思想的矢量格式向栅格格式转换算法，它适合于记录拓扑关系的多边形矢量数据转换为栅格结构。它不是逐点判断与边界的关系完成转换，而是根据边界的拓扑信息，通过简单的加减代数运算将边界位置信息动态地赋给各栅格点，实现了矢量格式到栅格格式的高速转换，而不需要考虑边界与搜索轨迹之间的关系，因此算法简单、可靠性好，各边界弧段只被搜索一次，避免了重复计算。

DIME文件美国人口普查局在1980年的人口普查中提出了双重独立地图编码文件。它含有调查获得的地理统计数据代码及大城市地区的界线的坐标值，提供了关于城市街道，住址范围以及与人口普查局的列表统计数据相关的地理统计代码的纲要图。在1990年的人口普查中，TIGER取代了DIME文件。

空间数据内插即通过已知点或分区的数据，推求任意点或分区数据的方法。空间数据压缩即从所取得的数据集合S中抽出一个子集A，这个自己作为一个新的信息源，在规定的精度范围内最好地逼近原集合，而又取得尽可能大的压缩比。

坐标变换实质是建立两个平面点之间的一一对应关系，包括几何纠正和投影转换，他们是空间数据处理的基本内容之一。

仿射变换是GIS数据处理中使用最多的一种几何纠正方法。它的主要特性为：同时考虑到因地突变形而引起的实际比例尺在x和y方向上的变形，因此纠正后的坐标数据在不同方向上的长度比将发生变化。

数据精度是考察数据质量的一个方面，即对现象描述的详细程度。精度低的数据并不一定准确度也低。

空间数据引擎是一种空间数据库管理系统的实现方法，即在常规数据库管理系统之上添加一层空间数据库引擎，以获得常规数据库管理系统功能之外的空间数据存储和管理的能力。代表性的是ESRI的SDE。

空间数据引擎在用户和异种空间数据库的数据之间提供了一个开放的接口，它是一种处于应用程序和数据库管理系统之间的中间件技术。使用不同厂商GIS的客户可以通过空间数据引擎将自身的数据提交给大型关系型DBMS，由DBMS统一管理；同样，客户也可以通过空间数据引擎从关系型DBMS中获取其他类型GIS的数据，并转化成客户可以使用的方式。

数据库管理系统是操作和管理数据库的软件系统，提供可被多个应用程序和用户调用的软件系统，支持可被多个应用程序和用户调用的数据库的建立、更新、查询和维护功能。

空间数据库是地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的`与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的。

空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，为描述空间数据组织和设计空间数据库模式提供了基本的方法。一般而言，GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个有机联系的层次所组成。

分布式数据库是一组数据的集合，这些数据在物理上分布于计算机网络的不同结点上，而逻辑上属于同一个系统。它具有分布性，同时在逻辑上互相关联。

对象－关系管理模式/型是指在关系型数据库中扩展，通过定义一系列操作空间对象（如点、线、面）的API函数，来直接存储和管理非结构化的空间数据的空间数据库管理模式。

缓冲区分析是根据分析对象的点、线、面实体，自动建立他们周围一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据。

叠合分析是指在统一空间参照系统条件下，每次将同一地区两个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系。

空间分析是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过分析算法，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、空间分布、空间形态、空间形成、空间演变等信息。

网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，即对地理网络和城市基础设施网络进行地理分析和模型化。它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好。

透视图从数字高程模型绘制透视立体图是DEM的一个极其重要的应用。透视立体图能更好地反映地形的立体形态，非常直观。与采用等高线表示地形形态

相比有其自身独特的优点，更接近人们的直观视觉。调整视点、视角等各个参数值，就可从不同方位、不同距离绘制形态各不相同的透视图制作动画。

网络是一个由点、线的二元关系构成的系统，通常用来描述某种资源或物质在空间上的运动。

变量筛选分析是通过寻找一组相互独立的变量，使相互关联的复杂的多变量数据得到简化的空间统计分析方法。常用的有主成分分析法、主因子分析法、关键变量分析法等。

变量聚类分析是将一组数据点或变量，按照其在性质上亲疏远近的程度进行分类的空间统计分析方法。两个数据点在m为空间的相似性可以用这些点在变量空间的距离来度量。

数字地面模型简称DTM，是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点来模拟连续分布的地形。

数字高程模型当数字地面模型的地面属性为海拔高程时，则该模型即为数字高程模型。简称DEM。

GIS应用模型是根据具体的应用目标和问题，借助于GIS自身的技术优势，使观念世界中形成的概念模型，具体化为信息世界中可操作的机理和过程。

OGC即OpenGIS协会(OpenGISConsortium)其目的是使用户可以开放地操纵异质的地理数据，促进采用新的技术和商业方式来提高地理信息处理的互操作性(Interoperablity)，OGC会员主要包括GIS相关的计算机硬件和软件制造商，数据生产商以及一些高等院校，政府部门等，其技术委员会负责具体标准的制定工作。

开放式地理信息系统（OpenGIS）OpenGIS(OpenGeodataInteroperationSpecification,OGIS-开放的地理数据互操作规范)由美国OGC（开放地理信息系统协会）提出。其目标是，制定一个规范，使得应用系统开发者可以在单一的环境和单一的工作流中，使用分布于网上的任何地理数据和地理处理。它致力于消除地理信息应用之间以及地理应用与其它信息技术应用之间的藩篱，建立一个无“边界”的、分布的、基于构件的地理数据互操作环境，与传统的地理信息处理技术相比，基于该规范的GIS软件将具有很好的可扩展性、可升级性、可移植性、开放性、互操作性和易用性。

数据结构是地理实体的数据组织形式及其相互关系的抽象描述。

空间数据质量是对空间数据在表达空间位置、空间关系、专题特征以及时间等要素时，所能达到的准确性、一致性、完整性以及它们之间统一性的度量，一般描述为空间数据的可靠性和精度，用误差来表示。

数字地球是把浩瀚复杂的地球数据加以数字化、网络化，变成一个地球信息模型计划。是一种可以嵌入海量地理数据、多种分辨率、三维的地球表达，是对真实地球及其相关现象的统一性的数字化重现和认识。其核心思想有两点：一是用数字化手段统一处理地球问题；二是最大限度地利用信息资源。

虚拟现实也称虚拟环境或人工现实，是一种由计算机生成的高级人机交互系统，即构成一个以视觉感受为主，也包括听觉、触觉、嗅觉的可感知环境，演练者通过专门的设备可在这个环境中实现观察、触摸、操作、检测等试验，有身临其境之感。

地图投影是建立平面上的点（用平面直角坐标或极坐标表示）和地球表面上的点（用纬度和精度表示）之间的函数关系。

投影转换是从一种地图投影变换为另一种地图投影。其实质是建立两平面场之间及邻域双向连续点的一一对应的关系。

虚拟地理环境简称VGE，是基于地学分析模型、地学工程等的虚拟现实，它是地学工作者根据观测实验、理论假设等建立起来的表达和描述地理系统的空间分布以及过程现象的虚拟信息地理世界，一个关于地理系统的虚拟实验室，它允许地学工作者按照个人的知识、假设和意愿去设计修改地学空间关系模型、地学分析模型、地学工程模型等，并直接观测交互后的结果，通过多次的循环反馈，最后获取地学规律。

高斯-克吕格投影Gauss-KruegerProjection①是一种横轴等角切椭圆柱投影。它是将一椭圆柱横切于地球椭球体上，该椭圆柱面与椭球体表面的切线为一经线，投影中将其称为中央经线，然后根据一定的约束条件即投影条件，将中央经线两侧规定范围内的点投影到椭圆柱面上从而得到点的高斯投影。

②一种等角横切椭圆柱投影。其投影带中央子午线投影成直线且长度不变，赤道投影也为直线，并与中央子午线正交。

UTM投影全球横轴墨卡托投影的简称。是美国编制世界各地军用地图和地球资源卫星象片所采用的横轴墨卡托投影的一种变型投影。它规定中央经线长度比为0.9996。

电子地图当纸地图经过计算机图形图像系统光——电转换量化为点阵数字图像，经图像处理和曲线矢量化，或者直接进行手扶跟踪数字化后，生成可以为地理信息系统显示、修改、标注、漫游、计算、管理和打印的矢量地图数据文件，这种与纸地图相对应的计算机数据文件称为矢量化电子地图。

元数据[空间]是指描述空间数据的数据，它描述空间数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式以及数据集的其他特征，是空间数据交换的基础，也是空间数据标准化与规范化的保证，在一定程度上为空间数据的质量提供了保障。

Web地理信息系统（WebGIS）是Web技术和GIS技术相结合，即利用Web技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术。从WWW的任一个节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图、进行各种空间检索和空间分析。

GIS互操作互操作是指在异构环境下的两个或多个实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但仍然可以相互通信和协作，以完成某一特定任务。这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等。空间数据的互操作针对异构的数据库和平台，实现数据处理的互操作，与数据转换相比，它是“动态”的数据共享，独立于平台，具有高度的抽象性，是空间数据共享的发展方向。

组件式GIS是采用了面向对象技术和组件式软件的GIS系统（包括基础平台和应用系统）。其基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个组件，每个组件完成不同的功能。各个GIS组件之间，以及GIS组件与其它非GIS组件之间，都可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS基础平台以及应用系统。

客户机/服务器结构即C/S结构，是一种分布式系统结构，在该体系中，客户端通常是同最终用户交互的应用软件系统，而服务器由一组协作的过程构成，为客户端提供服务。客户机和服务器通常运行相同的微内核，一个客户机/服务器机制可以有多个客户端，或者多个服务器，或者兼而有之。客户机/服务器模式基于简单的请求/应答协议，即客户端向服务器提出信息处理的请求，服务器端接收到请求并将请求解译后，根据请求的内容执行相应操作，并将操作结果传

结合IT行业的发展和社会需求，简述GIS的发展趋势

（Geographical Information System, GIS）是一种采集、处理、存贮、管理、分析、输出地理空间数据及其属性信息的计算机信息系统。自20世纪60年代诞生以来，GIS发展迅速，应用也日趋深化和广泛，逐步融入信息技术(IT)的主流，正在成为信息产业新的增长点,是发展潜力巨大的地理信息产业的主要组成部分之一。如今GIS的应用已经成为我国国民经济和社会信息化建设的亮点，日益深入到各个专业领域和百姓日常生活中。

随着计算机技术、网络技术、数据库技术等的发展以及应用的不断深化，GIS技术的发展呈现出新的特点和趋势，基于互联网的Web GIS就是其中之一。Web GIS除了应用于传统的国土、资源、环境等政府管理领域外，也正在促进与老百姓生活息息相关的车载导航、移动位置服务、智能交通、抢险救灾、城市设施管理、现代物流等产业的迅速发展。

GIS经历了单机环境应用向网络环境应用发展的过程，网络环境GIS应用从局域网内客户/服务器（Client/Server，C/S）结构的应用向Internet环境下浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)结构的Web GIS应用发展。随着Internet的发展，Web GIS开始逐步成为GIS应用的主流，Web GIS相对于C/S结构而言，具有部署方便、使用简单、对网络带宽要求低的特点，为地理信息服务的发展奠定了基础。

然而，早期的Web GIS功能较弱，主要用于电子地图的发布和简单的空间分析与数据编辑，难以实现较为复杂的图形交互应用（如GIS数据的修改和编辑、制图）和复杂的空间分析，还无法取代传统的C/S结构的GIS应用，出现了B/S结构与C/S结构并存的局面，而C/S结构涉及客户端与服务器端之间大量数据转输，无法在互联网平台实现复杂的、大规模的地理信息服务。

随着电子政务和企业信息化（电子商务）的发展，构建由多个地理信息系统构成的信息系统体系，跨越传统的单个地理信息系统边界，实现多个地理信息系统之间的资源（包括数据、软件、硬件和网络）共享、互操作和协同计算，构建空间信息网格（Spatial Information Grid），成为GIS应用发展需要解决的关键技术问题。这要求将GIS的数据分析与处理的功能移到服务器端，通过多种类型的客户端（如PC、移动终端）上Web Browser或桌面软件调用服务器端的功能，来实现传统C/S结构GIS所具有的功能，最终使B/S结构取代C/S结构的应用，通过GIS应用服务器之间的互操作和协同计算，构建空间信息网格。

B/S结构应用已经由浏览器/网络服务器/数据服务器（Browser/Web Server/Data Server）三层架构阶段进入到浏览器/网络服务器/应用服务器/数据服务器（Browser/Web Server/Application Server/Data Server）四层架构阶段。在新的四层架构中，网络服务器和应用服务器分离，并且其间还可以插入二次开发和扩展功能，其中的应用服务器一般为支持远程调用的组件式GIS平台，或由组件式GIS平台封装而成。将GIS复杂数据分析与处理功能（编辑、拓扑关系的构建、对象关系的自动维护、制图）移到GIS应用服务器上，使客户端与服务端的数据传输减少到最少的程度，为在Internet上实现复杂、大规模的地理信息服务提供了可能。这一架构带来的巨大优势是使服务器端具有极强的扩展性，因此作为应用服务器的组件式GIS所具备的功能，都可以通过B/S结构实现，WebGIS不再是只能满足地图浏览和查询的简单软件了，而是一个体系先进，功能强大的服务器端GIS（Server GIS）。新的服务器端GIS将是未来应用的发展的主流。

遥感地理信息系统及地学应用

邝生爱

当今，遥感、地理信息系统、全球定位系统和信息网络等高新技术，已成为一门新的信息产业正在蓬勃兴起，并快速渗透到各学科领域、国民经济和人们生活之中，推动着科技和社会向更高的层次发展。

1 几个概念

1.1 遥感（Remote Sensing）

远距离感知目标物或远距离探测目标物的物性。“遥”具有空间概念，即近地空间、外层空间乃至宇宙空间。“感”表示信息系统，包括信息获取和传输、信息加工和提取、信息分析和可视化系统等。所谓目标物即观测对象，就地学而言，有地表物体、地质体、地学事件等。关于目标物的物性，主要指物体对电磁辐射的特性。人们利用物体波谱特性差异达到识别物体的目的，因而地物波谱特性成为遥感地学的重要理论基础。

遥感图像处理系统（Remote Sensing Image Processing System）：借助光学仪器和计算机设备对遥感图像进行加工、分析、综合和可视化的系统，目前常用的是计算机遥感数字图像处理系统。

1.2 地理信息系统（Geographic Information System）

在计算机支持下，采集、存储、管理、分析、综合和描述与地理分布有关的地理空间信息系统。

1.3 遥感地理信息系统（RS-GIS）

泛指遥感图像处理系统和地理信息系统的集成、一体化。

1.4 全球定位系统（Global Positioning System）

借助多卫星进行全球导航和定位的系统。

2 发展概况

2.1 一门新的信息产业正在兴起

遥感、地理信息系统、全球定位系统和信息网络是近几十年来才发展起来的高新技术，由于他们具有很强的先进性和实用性，在很短的时间内由新技术转化成新产业，形成自身的产品、产值、市场，并产生出巨大的经济社会效益。产业的兴起反过来又加速他们的发展和相互融合，形成新的学科和技术方法，并渗透到其他学科领域和社会经济部门。

2.1.1 遥感（RS）

航空、航天遥感使得人们能快速准确地获得大地域范围以致全球的各种信息，如气象预报、资源分布、灾害监测、环境污染等，所以各国竞相发展遥感事业。

航天遥感：苏联于1957年10月4日发射第一颗人造地球卫星以来，各国都以极大的热情和庞大的经济预算来开展航天遥感，特别是美国以极快的速度和惊人的成果展现于世。美国于20世纪60～70年代先后发射了气象卫星、资源卫星，开拓了航天飞机、地球空间站，向太空发射了多个探测器探测月球、火星、木星等行星和天体。法国、俄罗斯、加拿大、日本、印度等国也相继发射了相应的资源卫星。中国已有自己的气象卫星和资源卫星，实现了载人航天飞行，拟定了探月和太阳系行星的计划。遥感探测地面分辨率已达到米（m）级，波谱分辨率已达到纳米（nm）级，重复周期几天至几小时。在科学和经济部门的应用逐日普及，应用效果十分显著，很多部门已把遥感技术纳入到生产规范之中。科研部门和院校已设有相应的专业，正在批量的培养遥感技术人才，国家和政府部门已有相应的遥感中心和站点专门从事遥感数据的获取、分发和使用。所有这些在发达国家和我国都已形成了遥感信息产业，并有了相当规模的产值和快速发展前景。

航空遥感：应用飞机获取一定地域范围的遥感图像已成为平常事。就中国而言一些大中城市和一些沿海经济发达区都已飞行获得多个时段的遥感图像，用于城市规划和城市发展监测，如北京、上海、天津、武汉、西安、沈阳、环渤海湾、长江三角洲、长江流域、珠江三角洲等城市和地区。

遥感图像在图像处理系统的加工、增强、分析和综合处理下大大改善图像质量，提取各种专题信息来满足广大用户的要求。图像处理软件层出不穷、功能越来越强大。图像处理硬件随着计算机的快速发展，形成了大、中、小型的处理系统以满足国家、地区和个人的各种需求，特别是微机处理系统已相当普及。

由上可知，遥感技术的快速发展是与空间技术和计算机技术日新月异密不可分的。除此之外，在下面几个方面，遥感技术方法和理论开拓创新起着十分重要的作用：传感器——有摄像机、扫描仪、温度辐射计、微波辐射计、荧光辐射计等；波段——有近紫外、可见光、近红外、中红外、远红外、微波等；重复周期——由早期的几十天到现在几天到几个小时；分辨率——空间分辨率由几十米到几厘米，波谱分辨率由微米（μm）到纳米（nm）级；图像处理方法——由一般的增强、提取信息到人机交互对话、半自动识别；波谱信息——有实测地物波谱到直接从图像中提取或光谱重建；多尺度——由单一尺度发展到多种不同尺度图像融合；多数据源——由少数几种数据源发展到多种平台数据源，遥感信息和其他信息一起进行多元信息综合；理论拓宽——图像处理的理论依据由原来的概率统计理论拓宽到非线性理论、人工智能等多个领域。所以多波段、多时相、多尺度、多数据、高精度和快速，形成了遥感技术的很多特色，再加上图像处理技术和信息提取方法，使得遥感应用领域越来越宽，在某些行业已不可代替。

2.1.2 地理信息系统（GIS）

20世纪50年代，在欧洲刚刚萌芽的土地信息系统（LIS），其功能十分简单。到70年代随着计算机的快速发展，实用化的GIS已在美国、加拿大、德国、法国、瑞典、日本和澳大利亚相继出现。80年代GIS已进入普及和推广应用阶段，世界各国在基础GIS软件和应用软件的开发上取得突破性进展，其代表性的软件有ARCINFOR、MAPGIS等，在土地利用管理、城市规划、人口规划、资源管理、交通运输管理、安全管理等方面成为有关部门的必备工具。90年代随着GIS的深入发展和数字化产品的普及，数字城市、数字生活、数字地球的时代已经到来，GIS与其他学科的结合，地理信息的产业化已不可避免（标准化、信息共享、计算机软、硬件资源共享等）。

2.1.3 全球定位系统（GPS）

为军事目的服务的卫星导航、定位系统，现已向全球开放，人们在地球的任何地方都可以快速获取相应的地理坐标位置，只需持一个小小的定位接收器便可如愿。美国已发展到第三代定位系统，欧盟也在确立自己的“伽利略”计划，中国也有自己的定位系统（三个星），并与“伽利略”计划合作。

2.1.4 信息网络

20世纪70～80年代，人们为使得到的信息及计算机硬软件资源的共享，发展了计算机联网，出现了局域网络（如一个单位、一个局部地区），这些网络一出现就显示了极大的优越性，人们坐在自己的终端前就可调用他人、他部门的信息和享用别人计算机中的资源。80～90年代，人们可以跨区、跨国界以至国际间的通讯网络快速获取有关信息，网络以进入千家万户。随着无线通讯的普及化，人们可随时随地进出网络，网络已成为人们生活中不可缺少的东西。尽管网络会出现各种负面效应，但其发展趋势不减。

上述几个方面的科技进步和产业化告知我们，遥感和全球定位系统快速获取目标物的信息，以地理信息系统作为载体，快速流动在国际网络上，“信息高速公路”已经开通，信息革命正在我们身边发生，数字地球的时代即将到来。

2.2 人们的思维方式和行为正在发生变化

2.2.1 由宏观到微观、由整体到局部的思维方式

遥感的出现使得人们有可能从大地域范围以致全球角度，从宏观、整体上认识很多问题，使得局部不能认识的，从整体得到，使人们的思维方式更加全面、完整，使得事物的整体与局部的关系具体、明确，可避免“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的片面思维方式。

2.2.2 一套全新的技术路线和工作方法

遥感图像处理不仅能给我们改善图像质量、增强和提取信息，更重要的是提供了信息综合、图像识别半自动化以及自动成图的技术前景。

地理信息系统提供了空间信息的存储、分析和成图功能，实现地理信息系统成图的自动化，大大减轻了人们的劳动力。

网络使人们对社会已有的信息和计算机资源实现全球共享，加速信息传播，真可谓“秀才不出门，便知天下事”。

2.2.3 出现了新的学科体系和机构

以遥感为基础的学科有：遥感地质学、环境遥感学、农业遥感学、城市遥感学、资源遥感学等。建立了很多的遥感机构：资源卫星发射机构、地面卫星数据接收站、遥感应用研究部门和遥感学科的专业及培训中心等。

以地理信息为基础的有：地理信息学，信息工程学等。建立了地理信息中心、站点、资源与环境遥感信息系统实验室及学术团体等。

2.2.4 政府的决策行为

西方国家政府正采取措施加速遥感发展和促使地理信息系统进一步产业化、标准化、国际化。中国政府也十分重视，有关部门正采取对策加速遥感、地理信息系统的发展。

3 新进展和发展趋势

3.1 RS技术新进展与趋势

3.1.1 遥感数据获取正在出现三多（多平台、多传感器、多角度）和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率）的新技术和趋势

多平台——如低、中、高轨道卫星，大、中、小、微型卫星等。

多传感器——如同一平台上装有摄像机、扫描仪、热成像仪、不同空间分辨率的成像仪等。

多角度——如垂向与侧向多角度成像。

高空间分辨率——如米级、厘米级的地面分辨率。

高光谱分辨率——如纳米级的波谱分辨率（如可见光波谱范围内分出十几个等级）。

高时相分辨率——如可重复观测的时间段达到小时级。

3.1.2 遥感图像处理正在出现新技术方法

海量数据压缩，数据融合，大地域图像无缝镶嵌，光谱重建，混合光谱分析，超多维光谱图像信息显示，信息提取模型化，智能化处理的理论与方法，SAR信息处理与成像理论，多波段多极化影像分析方法等技术新进展和趋势。

当高空间和高光谱分辨率遥感出现后，提出了一系列的技术方法问题：分辨率的提高遥感数据量呈几何数量级上升，成为所谓的“海量数据”，要处理这些海量数据自然受到存储、速度和时间的制约，所以就要进行数据压缩；高光谱分辨率可以使我们识别出更“精细”的地物，如何从图像的混合光谱中分离、重建和多维显示这些精心地物的光谱就成为技术方法的关键。

同一平台可获得不同地面分辨率的数据，如何让不同地面分辨率的数据满足不同尺度的实际需要，数据融合必不可少，而数据融合又受到几何精度和波谱保真的限制，为满足实际需要又有兼顾两个方面，所以出现了各种各样的融合方法。

大地域范围是遥感的优势，但是一景卫星遥感图像覆盖地面的范围总有一定的限度，而这个限度还随着地面分辨率的提高在缩小。当今人们的需求远远的超出这个限制，如几十至几百平方公里的地域，就需要几十景至几百景的图像镶嵌，这么多景图像可能出现由于时间差异带来的色彩、色调的不协调，为使整体图像的协调一致，无缝镶嵌技术应运而生。

3.2 GIS技术新发展与趋势

属性数据与空间数据库管理一体化；

多种数据格式转换；

基础地理信息系统的通用化、标准化；

专业应用二次开发；

WebGIS开发与完善等。

3.3 GPS技术新进展与发展趋势

高精度第三代GPS；

“伽利略”GPS系统。

3.4 RS-GIS-GPS集成一体化（略）

4 地学应用及实例

4.1 地学应用

现在的遥感地理信息系统在地学中的应用十分广泛，虽然应用的先后和效果不尽相同，但都受到人们的关注和重视，有的已经成为行业规范。据不完全统计，可分为如下几个方面：

（1）区域地质调查应用，

（2）矿产资源调查应用，

（3）水资源与水环境监测应用，

（4）土地利用监测应用，

（5）土地荒漠化监测应用，

（6）海岸带资源开发与环境保护应用，

（7）海洋岛礁及浅海海底地形调查应用，

（8）生态环境监测应用，

（9）区域地质环境调查应用，

（10）灾害监测应用，

（11）城市规划应用（含数字城市），

（12）区域规划应用。

…………

4.2 实例

至今，应用实例不胜枚举，但有两个方面值得注意：一方面是前人应用中带有规律性的认识和成果，另一方面是前沿探索性的成果。

4.2.1 带有规律性的认识和成果

前人所作的带有规律性的认识和成果也是相当的丰富，都值得我们去认真吸取，而作为有限教学时间内的教学内容，只能略举一、二。依笔者认为，无论遥感地理信息系统在哪方面的应用，信息提取技术方法是共同的，也是解决实际问题的技术关键，所以用三个不同领域的实例说明遥感地学信息提取模式的共性和特性。

遥感地学信息提取模式：

实例一：遥感在金矿地质调查中应用，

实例二：遥感在土地荒漠化监测中的应用，

实例三：遥感在盐湖监测中应用。

4.2.2 前沿探索性成果

在众多前沿探索性成果中，笔者认为高光谱遥感在识别矿物方面的应用是当前的难点和热点。实例：“高光谱遥感矿物填图研究”（略）

5 理论、技术方法问题

5.1 理论问题

5.1.1 地物的异物同谱或同谱异物问题

前面已提到，地物电磁辐射特性是遥感最基础的理论，人们利用地物波谱特性差异来识别不同地物。但是在实际应用中，存在异物同谱或同谱异物的现象，即不同地物有相同的波谱特征，这时遥感就不能发挥作用。

5.1.2 地物分布的随机性和非随机性

遥感应用中，普遍认为在一较大的地域范围内，地物分布是随机的，于是可借用概率统计的一套方法来增强和提取目标地物信息，这样做往往获得成功，所以在图像处理软件中有一套完善的方法来满足专题信息提取的要求。但实际地物的分布还存在着非随机性，那么概率统计方法失效。例如有些地物分布存在着自相似性，人们采用非线性的分形分维方法加以解决。例如还有模糊理论、人工智能理论来完成相应的任务。

5.2 技术方法问题

5.2.1 实测地物波谱与遥感图像波谱的不一致性

实测地物波谱有室内标准样品波谱和野外实测地物波谱。遥感图像波谱是瞬间获得的实时像元混合光谱。二者在观测时间上和像元分辨率上都存在差异，其波谱显然有差异，有时还会很大，这就需要分析和处理。

5.2.2 地物图像波谱的时效性和地域性

有些地物的图像波谱会随着时相的不同而变化，如植被、土壤等，这种变化可称为时效性；有些地物波谱会随着地域的不同变化，如同一种岩石在潮湿地区和干旱地区，其波谱有差异，这叫地域性。在应用时必须注意这些特性，并采取必要的方法。

5.2.3 地物信息增强和提取方法的不唯一性

遥感图像地物信息增强和提取方法众多，虽然有不少方法是公认的但不是唯一的。特别是在增强和提取隐信息和微弱信息时，有些方法不奏效，并不等同不能提取，而可能是还没有找到合适的方法，有待深入探讨。

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