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GIS研究综述
GIS研究综述
摘要：
通过对GIS组成定义，发展现况，以及围绕GIS的多种应用的论述，文章详细介绍了GIS的概念与理论，以及GIS在土地评价，气象领域和人口估计领域的多种应用。
关键词：
GIS；发展；土地；气象；人口
1GIS简介
1.1GIS概念
地理信息系统（GIS，GeographicInformationSystem）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（GeographicInformationScience），近年来，也有称GIS为"地理信息服务"（GeographicInformationservice）。
1.2GIS组成
GIS可以分为以下五部分：
1）系统硬件:
包括各种硬件设备，是系统功能实现的物质基础；
2）系统软件:
支持数据采集、存储、加工、回答用户问题的计算机程序系统；
3）地理空间数据库:
系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；
4）空间分析模型：
进行空间分析的主要模型和模式，空间分析方法和功能设计是GIS的主要研究领域，为GIS解决各类空间问题提供工具；
5）人员（系统管理人员、系统开发人员和数据处理及分析人员）。
1.3GIS与相关概念的区别与联系
1.3.1GIS与一般MIS
GIS离不开数据库技术。
数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据存储、数据检索等都是GIS广泛使用的核心技术。
GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般MIS（数据库系统）侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。
1.3.2GIS与CAD
1）相同点：
都有空间坐标系统；都能将目标和参考系联系起来；都能描述图形数据的拓扑关系；都能处理属性和空间数据。
2）不同点：
CAD研究对象为人造对象，规则几何图形及组合；图形功能特别是三维图形功能强，属性库功能相对较弱；CAD中的拓扑关系较为简单；CAD一般采用几何坐标系。
GIS处理的数据大多来自于现实世界，较人造对象更复杂，数据量更大；数据采集的方式多样化；GIS的属性结构复杂，功能强大；GIS强调对空间数据的分析，图形属性交互使用频繁；GIS采用地理坐标系。
2GIS现状
2.1研究现状
世纪90年代以来，由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善，GIS在全球得到了迅速的发展。
其概括起来有以下几个方面：
①硬件系统采用服务器/客户机结构，初步形成了网络化、分布式、多媒体GIS；②在GIS的设计中，提出了采用“开放的CIS环境”的概念，最终以实现资源共享、数据共享为目标；③高度重视数据标准化与数据质量的问题，并已形成一些较为可行的数据标准；④面向对象的数据库管理系统已经问世，正在发展称之为“对象--关系DBMS（数据库管理系统）”；⑤以CIS为核心的“3S”技术的逐渐成熟，为资源与环境工作提供了空间数据新的工具和方法；⑥新的数学理论和工具采用CIS，使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。
2.2当前GIS发展存在的主要问题
（1）数据结构方面存在的问题
目前通用的GIS主要有矢量、栅格或两者相加的混合系统。
在矢量结构方面，其缺点是处理位置关系（包括相交、通过、包含等）相当费时，且缺乏与DEM和RS直接结合的能力。
在栅格结构方面，存在着栅格数据分辨率低，精度差；难以建立地物间的拓扑关系；难以操作单个目标及栅格数据存贮量大等问题。
（2）GIS模型存在的问题
传统GIS模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象，使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系，难以表达复杂的地理实体，更难满足客观世界的整体特征要求。
（3）其他方面亟待解决的问题
①GIS设计与实现的方法学问题。
在GIS设计与实现过程中缺乏面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学的指导，导致GIS软件系统的可靠性和可维护性差；②GIS的功能问题。
当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS,不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力；③三维GIS模型及可视化问题[1]。
目前大多数GIS软件的图形显示是基于二维平面的，即使是三维效果显示也是采用DEM的方法来处理表达地形的起伏，涉及到地底下真三维的自然和人工现象显得无能为力。
3基于GIS的土地评价研究
GIS应用于土地评价研究时，不考虑评价单元的相互影响，而是通过一系列模型或方法，计算每个栅格单元或多边形的分值，然后根据分值对栅格单元或多边形再次分类[2]。
基于GIS的土地评价研究可分为单一区域空间模型的研究与多区域模型的研究。
单一区域与多区域评价模型的主要区别在于评价目的。
单一区域评价模型的评价目的较简单，即在特定的土地用途下土地评价单元满足土地利用需求的程
度。
而多区域评价模型的评价目的较为复杂，首先评价土地单元质量，然后根据研究区域内对各种土地用途的限制规定，采用模型对评价结果予以调整，从而
实现土地资源的优化配置。
3.1单一区域空间模型
应用于土地评价中的单一区域空间模型，需要根据相邻单元的属性，计算评估值。
这里的相邻单元可被定义为：
“与评价单元的距离在一定范围内的和/或对该评价单元有直接影响的单元”。
当这种影响不随时间而变化时是静态的；反之就是动态的。
3.1.1静态影响模型
静态的土地性质在评价期间不随时间变化，在评价初期就可以计算得到。
应用GIS技术的土地评价研究将待评价区域划分为“均质的”栅格单元或多边形，先计算与区位相关的静态的土地性质（如距离），然后分别对每个单元进行评价。
在土地评价工作中，有些评价人员考虑到了单元之间的静态影响，但却没有利用GIS的相应功能来分析，只是把这些静态影响以定性方式描述，并对评价
单元赋值。
例如。
陈秋计等[3]在平顶山矿区复垦中的土地适宜性评价，选取了区位条件，也采用这种方式处理。
而有些评价人员不仅考虑了单元之间的静态影响，并且把GIS的计算及分析等相应功能应用在其中。
较早的研究有黄瑞红[4]在广东五华县华城镇对城镇发
展用地的适宜性评价，其中所涉及到的GIS的功能主要分为距离计算和缓冲区分析两种。
3.1.2动态影响模型
动态影响模型的定义是对空间模式Xt的描述，Xt是较早时点空间模式Xt-m和变量集Yt-m的函数，Yt-m也与时间相关，时段数m可以是任何正整数：
在土地评价中，Xt是与时间相关的土地性质矩阵LCt=[LC（t）]，评价单元的土地性质LCt由下式表示：
式中q是土地性质的数目，t是时间维。
此时土地评价结果和土地性质数据之间的对应关系会随时间而变化。
与前面两种模型相比，该模型更符合实际情况，如在城市化进程中，建成区扩张的方向和幅度受到潜在发展区域土地适宜性的影响就是一个典型例子。
目前动态模型方面的研究也多集中于城市空间扩展方面[5]，一般情况下，人们将元细胞自动机（CA）与GIS相结合，用来研究城市发展形态，虽然这也涉及到土地利用方式的变更，但主要是进行预测分析和模拟，而不是用于土地评价。
3.2多区域模型
当土地评价直接为土地利用规划服务时，土地用途不仅受到评价结果的影响，还受到其他因素的限制，如土地利用类型的分布、产量幅度、劳动力、资金以及投入的有限性等。
为了实现资源的最优化配置，需要建立模型，该模型可以是线性的，或非线性的。
土地资源的配置模型通常较为复杂，因为评价单元与土地利用类型是一一对应的关系，所以模型为整数规划模型，并且通常没有可行解。
目前，在国内多区域模型方面的研究较少，其中所使用的模型主要是系统动力学（SD）模型和多目标规划方法。
如温熙胜和丁德蓉[6]在城镇土地定级后，再用SD模型及多目标规划法对城市土地的利用进行动态分析以及编制优化方案,赵涛等[7]利用SD模型预测济南市土地利用的数量结构，并用ArcGIS软件的二次开发语言编程，实现济南市土地利用的空间优化配置。
3.3面临的问题
GIS运用于土地评价中面临的最大问题是地理表述与真实的差别，即不确定性，这将影响土地评价结果的可信度和精确度，并最终影响土地决策。
早期研究主要采用传统手段分析误差，但前提是表述与真实的一致性是存在的。
不确定性研究始于20世纪80年代晚期，现在GIS的不确定性研究越来越多地集中在GIS表述和真实世界的差别，以及这种差别如何影响最终的研究成果。
不确定性研究是基于GIS的土地评价领域中的空白点，有待于人们进一步研究，研究的重点是输入的误差和不确定性，以及最终影响评价结果的置信度。
土地评价为土地利用规划决策奠定了基础，只有在土地评价的结果能为土地利用决策提供可靠的参考时，土地评价才是行之有效的。
4GIS在气象领域中的应用
GIS处理的对象是具有空间特征的目标或实体。
气象要素如风速，温度，气压等均具有空间和统计特征，因此从本质上讲，气象信息都是地理信息，从而气象信息的描述，存储，分析以及输出均可依托GIS技术。
4.1气象应用系统的GIS功能应用
从气象信息管理功能的角度，GIS为气象领域提供了统一空间参考坐标系下的多源数据集成分析环境，如气象数据的高效存储，灵活编辑，以及实时更新；
从气象信息分析功能的角度，GIS丰富的空间分析能力，也为海量气象科学观测数据提供了信息分析技术。
GIS通过搞笑的图形图像算法有效的实现了各类空间分析与操作，从简单的地图量测（距离，方位，面积）到较高层的空间分析，如查询分析，缓冲区分析，叠加分析，路径分析，可视性分析等，均给气象信息分析提供了较强应用手段[8]。
从气象信息表达功能的角度，GIS高质量的可视化表达能力，为展现各种天气，气候现象和过程提供了优秀的表达方式。
GIS可视化表达主要依托类型多样的符号样式，丰富的专题信息表达以及图幅配置甚至制图综合等技术来完美展现空间信息[9]。
4.2气象领域GIS应用中存在的问题
模式是人们对现实世界的一种抽象，数据模型是现实世界向数字世界转换的桥梁。
数据模型决定了信息系统的数据结构和对数据可施行的操作。
气象领域内的科学数据，大多空间分辨率和几何位置不十分精确，但往往数据的时间刻度却相差很大，有几分钟一次的天气实况观测数据，也有跨世纪时间长度的数据，是一种典型的多时序，多变量的三维空间数据。
目前大气科学领域主要有VisAD,NetCDF,HDF,FITS,McIDAS,Vis5D等多维数据模型[10]，分别存储了大量的气象科学领域数据。
然而在GIS领域，往往关注二维，静态数据，需要进行复杂，精确的空间查询检索与分析，因此对几何实体的表现要求很高，并且还要求具有较强的空间拓扑操作的能力；此外，传统GIS大多存储表达时间缓慢的地理数据，不能很好地表达时间序列的变化数据。
5基于GIS和RS的人口估计
根据人口估计的目标和使用的数据源不同，可以把基于RS和GIS的人口估计方法分为面插值方法和统计模型方法。
这两种方法彼此并不是孤立的，在实际应用过程中经常结合使用。
5.1面插值方法
面插值方法主要用于人口普查数据的区域转换问题，即把人口普查数据从一类空间单元转换到另一类空间单元。
这两类空间单元的边界一般是不兼容的，分别成为源区域（sourcezone）和目标区域（targetzone）[11]。
该方法使用人口普查数据作为输入数据，利用插值技术得到一个精细的格网人口表面，然后合并格网得到所求目标区域的人口。
5.2统计模型方法
影响城市人口密度的因素除了距离城市中心的距离之外，还有许多确定与不确定的自然和人为因素。
其中一些可以直接或者间接从航空照片和卫星遥感影像上获得。
因此，RS是进行人口估计的一种有效数据源，GIS强大的空间分析功能是进行人口估计的有利工具。
统计模型方法致力于寻找人口与其它统计变量之间的关系，已达到估计某个地区总人口的目的。
该方法不直接使用人口普查数据作为模型的输入数据，而是利用与人口相关的变量和城市地理学理论进行人口估计，人口普查数据只参与模型的建立过程。
统计模型方法虽然可以用于人口普查数据的插值过程，但是主要用于估计两次人口普查之间的人口或者是人口数据难以统计的区域的人口[12]。
6基于GIS的水污染控制规划
6.1水污染控制规划
水污染控制规划是20世纪60年代以来，随着系统工程和计算机技术的发展而提出的。
它是在污染源调查和水质现状评价的基础上，依照国家或城市对相应水体功能的环境质量要求，建立相应的数学模型，计算出水体中各污染物的最大排放量，然后根据规划水平年预测的污染负荷计算出污染物消减量，以使水域功能满足所要求的环境质量标准[13]。
满足污染物消减量可以有多种方法和措施，水污染控制规划必须通过经济效益、环境效益和社会效益的分析和比较，得出最佳的实施方案。
在水污染控制规划研究成果的基础上，将GIS应用到该领域，从污染负荷、水质评价、环境容量到规划方案的各个过程，都充分利用GIS的功能，提高水污染控制规划水平和管理水平。
利用GIS对数据的更新查询功能可以对水体进行动态管理，利用GIS的分析功能及其管理功能可以把现有的水系、水文以及多年的水质资料储存在数据库中，根据需要可以清晰、直观、快速地查出和预测水质情况，提供档案及水环境图文资料，以便更科学地实现水污染控制规划和决策的可视化和定量化。
6.2GIS应用于水污染管理
水污染控制规划涉及到的数据非常多,如水文条件参数、水质参数、污染源参数、污染负荷、环境容量等,且大部分属空间信息,如河流位置、河床断面、水面高度、河底坡度、排放口位置、水力混合状况、污染物浓度分布等,而传统数据库缺乏空间实体定义能力和空间关系查询能力。
因此,GIS对空间数据的管理功能和三维显示功能必将使水污染控制规划变得更为方便、直观和清晰,将GIS引进水污染控制规划领域,将使规划水平提高到一个新的高度。
对水污染控制进行规划主要就是对受纳水体的水环境承载能力进行分析,利用GIS可以贮存水环境相关的信息并用相关的规划模型对这些数据进行分析。
其在水污染控制规划领域内的应用,大致可以概括为以下两个方面:
（1）各种与水环境相关的数据的存储、显示、查询。
统计和输出等,如流域内重点污染排放,断面水质状况等的可视化查询、统计等。
（2）与各种评价模型、规划模型、水质模型及其他社会经济模型等相结合,集成成为流域内水环境管理信息系统、决策支持系统或专家系统,为流域水环境管理决策提供依据,通过这些系统预测结果与真实结果的比较,还可以反过来对原有的应用模型加以评价和修正[14]。
7三维GIS
7.1产生条件
二维GIS始于20世纪60年代的机助制图。
今天它已深入到社会的各行各业,如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。
但二维GIS存在着自身难以克服的缺限,它本质上是基于抽象符号的系统,不能给人以自然界的本原感受。
随着应用的深入,作为第三维的高程信息显得
越来越重要。
7.2三维GIS特点
在三维GIS中,空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义,它与二维GIS中定义在二维平面上的目标具有完全不同的性质。
在目前二维GIS中已存在的0,1,2维空间要素必须进行三维扩展,在几何表示中增加三维信息,同时增加三维要素来表示体目标。
空间目标通过三维坐标定义使得空间关系也不同于二维GIS,其复杂程度更高。
二维GIS对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分,三维GIS对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分,因而通过分析基于（单一）体划分的三维矢量结构得出GIS几何成分之间的拓扑关系。
此外，三维GIS的可视表现也比二维GIS复杂得多,以致于出现了专门的
三维可视化理论、算法和系统。
总起来说,与二维GIS相比,三维GIS对客观世界的表达能给人以更真实的感受。
它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,不仅能够表达空间对象间的平面关系,而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维GIS特有的功能。
而与CAD及各种科学计算可视化软件相比,它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。
三维空间数据库是三维GIS的核心,三维空间分析则是其独有的能力。
与功能增强相对应的是,三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS更加复杂。
7.3 三维GIS研发思路
当前研究和开发三维GIS的思路可归纳为两种:
（1）由于三维GIS首先要将地理数据变为可见的地理信息,因此人们从三维可视化领域向三维GIS系统扩展,这一点同早期的二维GIS来源于计算机制图管理一样,是从可视化角度出发的。
（2）GIS需要存储和管理大量的空间信息和属性信息,因此人们又从数据库的角度出发向三维GIS发展。
他们从商用数据库向非标准应用领域扩展,将三维空间信息的管理融入RDBMS中,或是从底层开发全新的面向空间的OODBMS,如GODOT,GeoO2,GEO++,SmallWorldGIS。
一个新的发展方向是将三维可视化与三维空间对象管理藕合起来,形成集成系统[15]。
8GIS发展趋势
8.1数据管理方面
（1）多比例尺、多尺度和多维空间数据的表达
对于多比例尺数据的显示，将运用影像金字塔技术、细节分层技术和地图综合等技术；而为了实现GIS的动态、实时和三维可视化，将有出现存储真三维坐标数据的3DGIS和真四维时空GIS。
（2）三库一体化的数据结构方向
空间数据库向着面向对象的数据模型和图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库三库一体化的方向发展。
这种数据结构改变了以图层为处理基础的组织方式，实现了直接面向空间实体的数据组织，为GIS与遥感技术的集成创造了条件。
（3）基于空间数据仓库的海量空间数据管理的研究
空间数据量非常大，而且数据大都分散在政府、私人机构、公司的各个部门，数据的管理与使用就变得非常复杂，但这些空间数据又具有极大的科学价值和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据仓库的建立工作。
（4）利用数据挖掘技术进行知识发现
空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系以及其他非显式的包含在空间数据库中但以别的模式存在的信息供用户使用。
8.2技术集成方面
（1）“3S”集成
“3S”是GPS、RS和GIS的简称，“3S”集成是指将遥感、空间定位系统和地理信息系统这三种对地观测技术有机地集成在一起。
地理信息是一种信息流，RS、GPS和GIS中任何一个系统都只侧重于信息流特征中的一个方面，而不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求。
因此，“3S”集成都是科技发展的必然结果。
（2）GIS与虚拟现实技术的结合
虚拟现实是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。
从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图形、声音和接触感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。
（3）分布式技术、万维网与GIS的结合
计算机网络技术的飞速发展，分布式计算的优势日益凸显，GIS与分布式技术结合也就成为必然，它们的结合即构成了分布式CIS。
它就是指利用最先进的分布式计算技术来处理分布在网络上的异构多源的地理信息，集成网络上不同平台上的空间服务，构建一个物理上分布，逻辑上统一的GIS。
它与传统GIS最大的区别在于它不是按照系统的应用类别、运行环境划分的，而是按照系统中的数据分布特征和针对其中数据处理的计算特征而分类的。
（4）移动通信技术与CIS的结合发展
WAP/WML技术作为无线互联网领域的一个热点，已经显示了其巨大的应用前景和市场价值。
WAP柳ML技术与GIS技术的结合产生了移动GIS（MobileGIS）应用和无线定位服务LBS（Location一basedServices）。
通过WAR/WML技术，移动用户几乎可以在任何地方、时间获得网络提供的各种服务。
无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里。
（5）GIS与决策支持系统（DSS）的集成
决策支持系统（DecisionSupportSystem，简称DSS）是以管理学、运筹学、控制论、行为科学和人下智能为基础，运用信息仿真和计算手段为基础，综合利用现有的各种数据库、信息和模型来辅助决策者或决策分析人员解决结构化和半结构化问题，甚至非结构化问题的人机交互系统。
目前，绝大多数的GIS还仅限于图形的分析处理，缺乏对复杂空间问题的决策支持。
因此，将GIS与DSS相集成，最终形成空间决策支持系统（SDSS），借助GIS强大的空间数据处理分析功能，并在DSS中嵌入空间分析模块，从而辅助决策者求解复杂的空间问题，这是GIS应用向较高层次的发展。
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