3.2 地理信息系统（GIS）

3.2.1 GIS系统概述

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。在计算机发展史上，计算机辅助设计技术（CAD）的出现使人们可以用计算机处理图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标（x，y）；线可以看成由无数点组成，线的位置可以表示为一系列坐标对（x₁，y₁），（x₂，y₂），……（x_n，y_n）；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系，例如一个点在一条线上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形等。在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形、几万条线、上万个点，还要计算和管理它们之间各种复杂的空间关系。

3.2.2 GIS系统的构成

地理信息系统的5个主要组成部分为系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型，地理信息系统的组成如图3-9所示。

图3-9 地理信息系统的组成

1.系统硬件

系统硬件由输入设备、处理设备、输出设备和存储设备组成，地理信息系统的系统硬件如图3-10所示，用于存储、处理、传输和显示空间数据。

图3-10 地理信息系统的系统硬件

2.系统软件

系统软件由系统管理软件、基础软件和GIS软件组成，地理信息系统的系统软件如图3-11所示，用于执行GIS功能的数据采集、存储、管理、处理、分析、建模和输出等操作。GIS专业软件一般指具有丰富功能的通用GIS软件，它包含了处理地理信息的各种高级功能，可作为应用系统建设的平台。其代表产品有ARC/INFO、MGE、MAPINFO、MAPGIS和GEOSTAR等。

3.空间数据

空间数据由数据库实体和数据库管理系统组成，用于空间数据的存储、管理、查询、检索和更新等。其拓扑结构如图3-12所示。

图3-11 地理信息系统的系统软件

图3-12 地理信息系统的空间数据

4.应用人员

应用人员是由系统开发人员、使用人员及管理者共同构成的系统的用户群，如图3-13所示。

5.应用模型

GIS应用模型的构建和选择也是决定系统应用成败至关重要的因素。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问题，必须构建专门的应用模型，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。

图3-13 系统用户群

3.2.3 GIS系统的功能

1.数据采集与编辑

数据采集与编辑主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容和空间上的完整性、数值和逻辑的一致性与正确性等。

2.数据存储与管理

这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。

3.数据处理和变换

初步的数据处理主要包括数据格式化、转换和概括。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。

4.空间分析和统计

空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题也是地理信息系统应用深化的重要标志。

5.产品制作与显示

一个好的地理信息系统应提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。其表现形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬复制图件。

6.二次开发和编程

为满足各种不同的应用需求，GIS必须具备的另一个基本功能是二次开发环境，包括专用语言开发环境和控件。

GIS功能的实现过程如图3-14所示。GIS先通过图表等方式获取数据，经过数据编辑和投影变换产生结构化的数据存储于数据库中，再通过查询或检索，最终以图表的形式输出数据。

图3-14 基本功能的实现过程