地理信息系統

地理信息系統 （简体）

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地理信息系統（GIS，Geographic Information System），也稱作地理資訊系統。 GIS是一門綜合性學科,已經廣泛的應用在不同的領域.，是用於輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統，可以分為以下五部分：

• 人員，是GIS中最重要的組成部分。開發人員必須定義GIS中被執行的各種任務，開發處理程序。 熟練的操作人員通常可以克服GIS軟體功能的不足，但是相反的情況就不成立。最好的軟體也無法彌補操作人員對GIS的一無所知所帶來的負作用。
• 數據，精確的可用的數據可以影響到查詢和分析的結果。
• 硬體，硬體的性能影響到處理速度，使用是否方便及可能的輸出方式。
• 軟體，不僅包含GIS軟體，還包括各種資料庫，繪圖、統計、影像處理及其它程序。
• 過程，GIS 要求明確定義，一致的方法來生成正確的可驗證的結果。

GIS屬於信息系統的一類，不同在於它能運作和處理地理參照數據。地理參照數據描述地球表面(包括大氣層和較淺的地表下空間)空間要素的位置和屬性，在GIS中的兩種地理數據成分：空間數據，與空間要素幾何特性有關；屬性數據，提供空間要素的信息。

地理信息系統與全球定位系統(GPS)、遙感系統(RS)合稱3S系統。

一個地理信息系統(GIS) 是一種具有信息系統空間專業形式的數據管理系統。在嚴格的意義上, 這是一個具有集中, 存儲, 操作, 和顯示地理參考信息的計算機系統。例如， 根據在資料庫中的位置對數據進行識別。 實習者也通常認為整個GIS系統包括操作人員以及輸入系統的數據。

地理信息系統技術能夠應用於科學調查, 資源管理, 財產管理、發展規劃、繪圖和路線規劃。 例如, 一個GIS系統能使應急計劃者在自然災害的情況下較易地計算出應急反應時間, 或利用GIS系統來發現那些需要保護不受污染的濕地。

目錄 1 發展的歷史 2 GIS中使用的技術 2.1 從不同來源得到相關信息 2.2 資料展現 2.3 資料擷取 2.4 資料操作 2.5 投影系統，坐標系統與轉換 2.6 GIS空間分析 2.6.1 數據建模 2.6.2 拓撲建模 2.6.3 網路建模 3 GIS軟體 3.1 背景 3.2 網際網路連結編程界面 (Web API) 3.3 行動GIS (Mobile GIS) 3.3.1 汽車導航 3.4 開源GIS軟體 3.4.1 gvSIG 4 參考文獻 5 參看 6 外部連結

發展的歷史

35,000年前，在Lascaux附近的洞穴牆壁上，法國的Cro Magnon獵人畫下了他們所捕獵動物的圖案。與這些動物圖畫相關的是一些描述遷移路線和軌跡線條和符木。這些早期記錄符合了現代地理信息系統的二元素結構：一個圖形文件對應一個屬性資料庫。 18世紀地形圖繪製的現代勘測技術得以實現, 同時還出現了專題繪圖的早期版本, 例如：科學方面或戶口普查資料。 20世紀初期世紀將圖片分成層的「照片石印術」得以發展。直至60年代早期，在核武器研究的推動下，計算機硬體的發展導致通用計算機「繪圖」的應用。

1967年世界第一個投入實際操作的GIS系統由聯邦能量、礦產和資源部門在安大略省的渥太華開發出來。 這個系統是由Roger Tomlinson開發的，被稱為「Canadian GIS」（CGIS）。它被用來存儲，分析以及處理所收集來的有關加拿大土地存貨清單（CLI）數據。CLI通過在1:250，000的比例尺下繪製關於土壤, 農業, 休閒、野生生物、水鳥、林業, 和土地利用等各種信息為加拿大農村測定土地能力，並增設了了等級分類因素來進行分析。

CGIS是世界的第一個「系統」， 並且在「繪圖」應用上進行了改進，它具有覆蓋，測量，資料數字化/掃描的功能，支持一個跨越大陸的國家坐標系統，將線編碼為具有真實的嵌入拓撲結構的「弧」，並且將屬性和位置的信息分別存儲在單獨的文件中。它的開發者，地理學家Roger Tomlinson，被稱為「GIS之父」。

CGIS一直持續到20世紀70年代才完成，但這花費了太長的一段時間，因此在它最初發展期，不能與如Intergraph這樣的銷售各種商業地圖應用軟體的供應商競爭。微型計算機硬體的發展使得象ESRI和CARIS那樣的供應商成功地兼併了大多數的CGIS特徵，並結合了對空間和屬性信息的分離的第1 種世代方法與對組織的屬性數據的第2種世代方法入資料庫結構。20世紀80年代和90年代產業成長刺激了應用了GIS的UNIX工作站和個人計算機飛速增長。至20世紀末，在各種系統中迅速增長使得其在在相關的少量平台已經得到了鞏固和規範。並且用戶開始提出了在網際網路上查看GIS數據的概念，這要求數據的格式和傳輸標準化。

GIS中使用的技術

從不同來源得到相關信息

如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片聯繫起來，可以判斷出哪塊濕地在一年的某些時候會乾涸。一個GIS系統就能夠進行這樣的分析，它能夠將不同來源的信息以不同的形式應用。對於源數據的基本要求是確定變數的位置。位置可能由經度，緯度和海拔的 x，y，z坐標來標注，或是由其他地理編碼系統比如ZIP碼，又或是高速公路英里標誌來表示。任何可以定位存放的變數都能被反饋到GIS。一些政府機構和非政府組織生產正在製作能夠直接訪問GIS的計算機資料庫。可以將地圖中不同類型的數據格式輸入GIS。GIS 系統同時能將不是地圖形式的數字信息轉換可識別利用的形式。 例如，通過分析由遙感生成的數字衛星圖像，可以生成一個與地圖類似的有關植被覆蓋的數字信息層。 同樣, 人口調查或水文表格數據也可在GIS系統中被轉換成作為主題信息層的地圖形式。

資料展現

GIS 數據以數字數據的形式表現了現實世界客觀對象(公路, 土地利用, 海拔)。 現實世界客觀對象可被劃分為二個抽象概念: 離散對象(如房屋) 和連續的對象領域(如降雨量或海拔) 。這二種抽象體在GIS系統中存儲數據主要的二種方法為: 柵格（網格）和向量。 柵格（網格）數據由存放唯一值存儲單元的行和列組成。它與柵格（網格）圖像是類似的，除了使用合適的顏色之外，各個單元記錄的數值也可能是一個分類組，例如土地使用狀況，一個連續的值，或是降雨量，或是當數據不是可用時記錄的一個空值。柵格數據集的解析度取決於地面單位的網格寬度。通常存儲單元代表地面的方形區域， 但也可以用來代表其它形狀。柵格數據既可以用來代表一塊區域，也可以用來表示一個實物，實物被存儲為... 向量數據利用了幾何圖形例如點，線（一系列點坐標），或是面（形狀決定於線）來表現客觀對象。例如，在住房細分中以多邊形來代表物產邊界，以點來精確表示位置。向量同樣可以用來表示具有連續變化性的領域。利用等高線和不規則三角網（TIN）來表示海拔或其他連續變化的值。TIN的記錄對於這些連接成一個由三角形構成的不規則網格的點進行評估。三角形所在的面代表地形表面。 利用柵格或向量數據模型來表達現實既有優點也有缺點。柵格數據設置在面內所有的點上都記錄同一個值，而向量格式只在需要的地方存儲數據，這就使得前者所需的存儲的空間大於後者。對於柵格數據可以很輕易地實現覆蓋的操作，而對於向量數據來說要困難得多。向量數據可以象在傳統地圖上的向量圖形一樣被顯示出來，而柵格數據在以圖象顯示時顯示對象的邊界將呈現模糊狀。 除了以幾何向量坐標或是柵格單元位置來表達的空間數據外，另外的非空間數據也可以被存儲。在向量數據中，這些附加數據為客觀對象的屬性。例如，一個森林資源的多邊形可能包含一個標識符值及有關樹木種類的信息。在柵格數據中單元值可存儲屬性信息，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關的標識符。

資料擷取

數據擷取——向系統內輸入數據——它佔據了GIS從業者的大部分時間。有多種方法向GIS中輸入數據，在其中它以數字格式存儲。 印在紙或聚酯薄膜地圖上的現有數據可以被數字化或掃描來產生數字數據。數字化儀從地圖中產生向量數據作為操作符軌跡點、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產生能被進一步處理生成向量數據的光柵數據。 測量數據可以從測量器械上的數字數據收集系統中被直接輸入到GIS中。從全球定位系統（GPS）——另一種測量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到GIS中。 遙感數據同樣在數據收集中發揮著重要作用，並由附在平台上的多個感測器組成。感測器包括攝像機、數字掃描儀和雷射雷達，而平台則通常由航空器和衛星構成。 現在大部分數字數據來源於圖片判讀和航空照片。軟拷貝工作站用來數字化直接從數字圖像的立體象對中得到的特徵。這些系統允許數據以二維或三維捕捉，它們的海拔直接從用照相測量法原理的立體象對中測量得到。現今，模擬航空照片先被掃描然後再輸入到軟拷貝系統，但隨著高質量的數字攝像機越來越便宜，這一步也就可被省略了。 衛星遙感提供了空間數據的另一個重要來源。這裡衛星使用不同的感測器包來被動地測量從主動感測器如雷達發射出去的電磁波頻譜或無線電波的部分的反射係數。遙感收集可以進一步處理來標識感興趣的對象和類例如土地覆蓋的光柵數據。 除了收集和輸入空間數據之外，屬性數據也要輸入到GIS中。對於向量數據，這包括關於表現在系統中的對象的附加信息。 輸入數據到GIS中後，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對於向量數據必須要「拓撲正確」才能進行一些高級分析。比如說，在公路網中，線必須與交叉點處的結點相連。像反衝或過沖的錯誤也必須消除。對於掃描的地圖，源地圖上的污點可能需要從生成的光柵中消除。例如，污物的斑點可能會把兩條本不該相連的線連在一起。

資料操作

GIS可以執行數據重構來把數據轉換成不同的格式。例如，GIS可以通過在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時決定單元的空間關係，如鄰接和包含，來將衛星圖像轉換成向量結構。

由於數字數據以不同的方法收集和存儲，兩種數據源可能會不完全兼容。因此GIS必須能夠將地理數據從一種結構轉換到另一種結構。

投影系統，坐標系統與轉換

財產所有權地圖與土壤分佈圖可能以不同的比例尺顯示數據。GIS中的地圖數據必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的數據對齊或相配合。在數字數據被分析前，它們可能得經過其它一些將它們整合進GIS的處理，比如，投影與坐標變換。 地球可以用多種模型來表示，對於地球表面上的任一給定點，各個模型都可能給出一套不同的坐標（如緯度，經度，海拔）。最簡單的模型是假定地球是一個理想的球體。隨著地球的更多測量逐漸累積，地球的模型也變得越來越複雜，越來越精確。事實上，有些模型應用於地球的不同區域以提供更高的精確度（如北美坐標系統，1983-NAD83-只適合在美國使用，而在歐洲卻不適用）。

未完，待續…… 投影是製作地圖的基礎部分，它是從地球的一種模型中轉換信息的數學方法，它將三維的彎曲表面轉換成二維的媒介（比如紙或電腦屏幕）。不同類型的地圖要採用不同的投影投影系統，因為每種投影系統有其自身的合適的用途。比如一種可以精確反映大陸形狀的投影會歪曲大陸的相對尺寸（翻譯的是英文的維基百科）

GIS空間分析

空間分析能力是GIS的主要功能，也是GIS與計算機製圖軟體相區別的主要特徵。空間分析是從空間物體的空間位置、聯繫等方面去研究空間事物，以及對空間事物做出定量的描述。一般地講，它只回答What（是什麼？）、Where（在哪裡？）、How（怎麼樣？）等問題，但並不（能）回答Why（為什麼？）。空間分析需要複雜的數學工具，其中最主要的是空間統計學、圖論、拓撲學、計算幾何等^[1]，其主要任務是對空間構成進行描述和分析，以達到獲取、描述和認知空間數據；理解和解釋地理圖案的背景過程；空間過程的模擬和預測；調控地理空間上發生的事件等目的^[2]。

空間分析技術與許多學科有聯繫，地理學、經濟學、區域科學、大氣、 地球物理、水文等專門學科為其提供知識和機理。

除了GIS軟體捆綁空間分析模塊外，目前也有一些專用的空間分析軟體，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。

數據建模

將濕地地圖與在機場、電視台和學校等不同地方記錄的降雨量關聯起來是很困難的。然而，GIS能夠描述 地表、地下和大氣的二維三維特徵。

例如，GIS能夠將反應降雨量的雨量線迅速製圖。

這樣的圖稱為雨量線圖。通過有限數量的點的量測可以估計出整個地表的特徵，這樣的方法已經很成熟。 一張二維雨量線圖可以和GIS中相同區域的其它圖層進行疊加分析。

拓撲建模

在過去的35年，在濕地邊上有沒有任何加油站或工廠經營過？有沒有任何滿足在2英里內且高出濕地的條件的這類設施？GIS可以識別並分析這種在數字化空間數據中的這種空間關係。這些拓撲關係允許進行複雜的空間建模和分析。地理實體音的拓撲關係包括連接（什麼和什麼相連）、包含（什麼在什麼之中）、還有鄰近（兩者之間的遠近）。

網路建模

如果所有在濕地附近的工廠同時向河中排放化學物質，那麼排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量？GIS能模擬出污染物沿線性網路(河流)的擴散的路徑。諸如坡度、速度限值、管道直徑之類的數值可以納入這個模型使得模擬得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。

GIS軟體

主條目：GIS軟體列表

地理信息只是一堆數字紀錄，需要有合適的軟體去把它表示出來；與此同時，地理信息數據庫的建立，亦有賴合適軟體的幫助，把地理數據信息化。現時在工商界方面的市場普遍被兩大地理信息系統巨頭ESRI及Mapinfo所壟斷，但他們亦能夠提供一套整全的地理信息系統，以供客戶使用。政府及軍方機構往往用到特別打造的軟體，例如開源的GRASS或其他專門的系統，以配合他們的特殊需要。雖然現時有不少自由的閱覽GIS資料的工具，一般大眾可以輕易取得的地理信息，還得依靠Google Earth或微軟的Virtual Earth之類的系統。這些系統所提供的資料更往往過於地域中心，例如：你可以清楚找到一個位於美國偏遠小鎮的停車位，但卻不能看得清楚一條位於首爾江南區的大街。 SuperGIS是亞洲越來越受歡迎的GIS軟體平台，主要包括有SuperPad Suite , SuperGIS Desktop , SuperWebGIS , SuperGIS Server , SuperGIS Engine等平台及各擴充模組.

背景

網際網路連結編程界面 (Web API)

在網際網路服務普及的今天，有不少地理信息系統都有提供編程界面，讓用戶透過這些界面及其系統來建立各自的地理信息資訊頁面。這些編程界面，有利用VBA或JavasScript的。讓用戶很容易就可以提供衛星圖片或地圖的連結頁面，甚至加上行車路線或道理位置等資訊。

行動GIS (Mobile GIS)

透過與流動裝置的結合，地理信息系統可以為用戶提供即時的地理資訊。一般汽車上的導航裝置都是結合了衛星定位設備(GPS)和地理信息系統 (GIS)的複合系統；在香港曾經很流行的地圖王，則是一套可以安裝在PDA或手提電話上的即時地圖系統。

汽車導航

汽車導航系統是地理信息系統的一個特例，它除了一般的地理信息系統的內容以外，還包括了各條道路的行車及相關信息的數據庫。這個數據庫利用向量表示行車的路線、方向、路段等信息，又利用網路拓撲的概念來解決最佳行走路線的決定。地理數據文件(GDF)是為導航系統描述地圖數據的ISO標準。汽車導航系統組合了地圖匹配、GPS定位和來計算車輛的位置。地圖資源資料庫也用於航跡規劃、導航，並可能還有主動安全系統、輔助駕駛及位置定位服務(Location Based Services, LBS)等高級功能。汽車導航系統的資料庫應用了地圖資源資料庫管理。

開源GIS軟體

gvSIG

gvSIG是一個基於JAVA的桌面地理信息系統，同時也是開發地理信息系統一個強有力的工具。它包含許多功能如空間數據分析，地圖編輯，Map設計等。gvSIG得到了西班牙一些政府和公司的參與並基於GNU/GPL許可證發布。gvSIG能夠很好得工作在Windows和Linux平台之上。gvSIG支持其它GIS系統經常使用到的一些空間數據標準格式(shapefile,DXF,DWG,DGN,ECW,MrSID,TIFF,JPG2000等)。gvSIG遵循OGC (Open Geospatial Consortium)標準,這意味著它能夠讀取本地數據也能夠通過WMS、WFS、WCS讀取遠程數據。

參考文獻

參看

• 開放空間協會：Open Geospatial Consortium (OGC)

外部連結

• 國土資訊系統自然環境整合倉儲供應系統 國土資訊系統(NGIS)自然環境整合倉儲供應系統
• 水文水資源資料管理供應系統 經濟部水利署水文水資源資料管理供應系統
• 國家基礎地理信息中心國家基礎地理信息中心(National Geomatic Center of China)
• GIS太空站GIS太空站
• 3S視訊傳媒3S視訊傳媒（3S Media.）
• 中國地理信息系統協會中國地理信息系統協會(China Association of GIS)
• ESRI中國ESRI中國有限公司
• 地理信息系統論壇（GISFORUM）地理信息系統論壇（GISFORUM）
• 今陽科技股份有限公司 今陽科技股份有限公司 - 專業GIS系統開發商
• 銳俤科技股份有限公司 銳俤科技股份有限公司
• 崧旭資訊股份有限公司 崧旭資訊股份有限公司
• 地理資訊系統論壇 地理資訊系統論壇
• 武漢大學精品課程《地理信息系統》武漢大學精品課程《地理信息統》-武漢大學資源與環境科學學院「地圖學與地理信息系統」(國家重點學科)
• GPS座標分享網站線上免費蒐集GPS座標，可以使用在GIS當中
• 交通達人 1968交通達人 - 提供台灣即時交通訊息

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