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GIS的技术基础

GIS为各种涉及空间数据分析的学科提供了新的技术方法，而每个相关学科都提供了一些构成GIS的技术与方法。

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首先，地图是记录地球表面信息的一种形式，从历史发展来看，GIS脱胎于地图，而计算机制图技术更是为地图特征的数字表示、操作和显示提供了成套方法，为GIS的图形输出设计等提供了理论支持。同时，地图还是目前GIS的基础数据源，但地图强调的是数据分析、符号化与显示，地理信息系统更注重空间分析。

其次，数据库也是GIS的技术基础之一。数据库管理系统主要用于存储、管理和查询各类数据，并尽可能具备一些简单的统计分析功能，这是现代地理信息系统不可缺少的重要组成部分。

第三，遥感作为空间数据的采集手段，成为GIS的重要信息源与数据更新途径。遥感（RS）图像处理系统包含复杂的解析函数，并有许多方法用于信息的增强与分类；大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，尤其是全球定位系统（GPS），可快速、廉价地获取地表特征的数字位置信息；航空拍摄及其精确测量方法的应用使得摄影测量成为GIS主要的地形数据来源。总之，遥感是GIS的重要数据源与更新手段。

第四，计算机科学的发展对GIS起着关键性的影响。按照国际通行的定义，GIS软件的开发和使用基本属于计算机应用理论与方法在加入空间位置要素后的自然延伸，始于计算机出现不久，在最近10～15年，计算机不仅在容量与速度方面都有了质的飞跃，而且随着多媒体、网络、数据库、软件工程、电子技术等的飞速发展，GIS的发展也在突飞猛进（黄杏元，2004a，2004b，2004c）。几乎每一次计算机技术的重要进展都带动地理信息系统技术的重大进步，如空间数据的管理、网络GIS、三维GIS等技术，每一步的重要发展都与计算机信息技术的进展有关。计算机辅助设计提供了数据输入、显示与表达的软件与方法；计算机图形学是现代地理信息系统的基础之一，它提供了图形处理、显示的软硬件及其技术方法；网络的普及使地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等；人工智能的发展也给地理信息系统的技术进步带来了积极的影响（周成虎，1995）。

简而言之，地理信息系统就是能够输入、存储、管理并处理分析地理空间数据的计算机系统。它随计算机技术发展应运而生，是信息系统技术发展到高级阶段的产物。

GIS技术的发展趋势

GIS在资源环境领域的应用方兴未艾，从技术、地理信息、经济社会的需求等方面分析，在该领域有以下趋势及建议：

应用软件数据端口应有专门化，专业化方向发展，在同类型同方向的GIS数据交流共享方向提供适当的方便，以解决GIS数据来源和数据质量难以保证的问题。

结合国家信息化推进工作，以电子政务相关工程为基础，推动GIS在资源环境管理中的推广应用。

信息化建设已成为我国各级 *** 及企业的重要任务，GIS在以资源、能源、生产、资金等空间综合配置、优化组合为目的的信息化建设中，可以发挥应有的作用；结合相应的应用工程，推动GIS的发展；

应用往专业化方向发展，功能由通用管理功能转向资源评估、监督、跟踪分析等专业功能方向发展。

随着经济社会的发展，经济社会与资源环境之间的各方面的矛盾及问题逐渐暴露出来，这些问题在时间和空间上具有诸多的关联性，分析这些问题、提出合理的解决方案建议，需要功能更专业化的GIS软件系统支持；

支持多源、多尺度、多类型集成应用的软件平台工具的开发应用。

信息获取技术的快速发展和多源化趋势，要求资源环境方面的GIS应能够接收、处理及分析多种来源、多尺度的地理信息；

促进3S技术集成应用，推动专业技术及软件的发展，全球定位系统、遥感技术与GIS的集成应用已成为GIS软件发展的趋势之一，而这种应用的发展是在应用推动的基础上建立的，针对特定的应用领域的集成化的GIS将成为资源环境领域GIS的发展方向，也是系统与业务结合的需要；

开展专业应用系统开发建设，结合资源环境各领域的需求，开发多种专业化的GIS，如针对性生态保护区、生态功能区、地下水、生物资源等领域的专业性GIS软件与管理系统。

国内GIS现状和对策

地理信息系统技术是一门综合性的技术，它的发展是与地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、信息技术等有关学科的发展分不开的。

GIS的发展可分为四个阶段：第一个阶段是初始发展阶段，20世纪60年代世界上第一个GIS系统由加拿大测量学家R.F.Tomlison提出并建立，主要用于自然资源的管理和规划；第二个阶段是发展巩固阶段，20世纪70年代由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了GIS朝实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷付诸研制，如美国、英国、德国、瑞典和日本等国对GIS的研究都投入了大量的人力、物力和财力；第三个阶段是推广应用阶段，20世纪80年代，GIS逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题，这个阶段涌现出一大批GIS软件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四个阶段是蓬勃发展阶段，20世纪90年代，随着地理信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各业，成为人们生活、学习和工作不可缺少的工具和助手。

地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。

我国GIS的发展可分为三个阶段。

第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要经历了提出倡议、组建队伍、培训人才、组织个别实验研究等阶段。

机械制图和遥感应用，为GIS的研制和应用做了技术和理论上的准备。

第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进、数据规范和标准的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节，对GIS进行了理论探索和区域性的实验研究。

第三个阶段从1986年到2013年，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室。

GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。

主要表现在四个方面：（1）制定了国家地理信息系统规范，解决信息共享和系统兼容问题，为全国地理信息系统的建立做准备。

（2）应用型GIS发展迅速。

（3）在引进的基础上扩充和研制了一批软件。

（4）开始出版有关地理信息系统理论、技术和应用等方面的书籍，设立了地理信息系统专业，培养了大批人才，并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的讨论和实验。

在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下，国产GIS基础软件开发工作取得了重要进展，出现了一批GIS高技术企业，开发出了较为成熟的国产GIS软件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的产业规模。

这些国产GIS软件以较高的性价比，打破了国外GIS软件对我国市场的垄断，有力促进了我国地理信息系统技术的发展。

这些年，GIS技术在我国得到了广泛应用，其应用面从传统的城市规划、土地利用、测绘、环境保护、电力、电信、减灾防灾等领域渗透到矿产资源调查、海洋资源调查与管理等各方面，取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。

当前，国家有关部门正逐步将GIS嵌入到电子政务系统中。

随着计算机和信息技术的快速发展，GIS技术得到了迅猛的发展。

GIS系统正朝着专业或大型化、社会化方向不断发展着。

“大型化”体现在系统和数据规模两个方面；“社会化”则要求GIS要面向整个社会，满足社会各界对有关地理信息的需求，简言之就是“开放数据”、“简化操作”，“面向服务”，通过网络实现从数据乃至系统之间的完全共享和互动。

下面我们从地理信息系统技术角度来讨论和分析当前GIS的相关技术及其发展趋势。

1.1 空间信息的获取、处理与交换地理空间数据是GIS的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量巨大的工程，它包括：数据的获取、校验和规范化、结构化处理、数据维护等过程。

GIS处理的数据对象是空间对象，有很强的时空特性，获取数据的手段及数据的形式也复杂多样。

获取数据的基本方式有：野外全站仪平板测量、GPS测量、室内地图扫描数字化、数字摄影测量、从遥感影像进行目标测量和数据转换等。

这些获取技术已基本成熟。

同时，空间数据也具有很强的时效性，不同的空间数据必须进行周期不等的数据更新维护，空间数据库中数据的准确、及时、完整是实现GIS应用系统价值的前提基础。

空间数据维护往往涉及跨部门、跨行业的多种数据格式和多种数据类型的大量数据，提供有效的空间数据编辑更新手段是当前亟待解决的一个重要课题。

基于上述信息获取技术，在过去的二十年间，国家有关部委和行业部门已经积累了大量原始数字化数据和相应资料，建立了1100多个大、中型数据库以及大量的各类数字化地理基础图、专题图、城市地籍图等。

国家测绘局已经完成了全国l：100万、 1：25万基础地理空间数据库以及全国七大江河数字地形模型的建设，并启动了全国l：5万，部分省份1：1万基础地理空间数据库的建设。

这些基础数据有力促进了GIS技术的广泛应用，进而产生了大量的GIS数据。

但由于地理信息系统软件大多采用不同的空间数据模型，以及它们在地理实体上的认识差异，使得所积累的数据难以转换和共享（即使能够数据转换，也会产生信息的丢失），从而形成一个个新的数据孤岛。

制订数据交换的格式标准已成为大家的共识。

一些国家和组织已经在进行这方面的工作，并定义了一些数据交换标准，如SDTS，OpenGIS联盟制订的GML，另外一些公认的数据格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐渐成为数据交换的事实标准。

我国也在“九五”期间制定了地球空间数据转换标准。

但是由于人们对空间信息认识和研究成果的制约，还没有一个统一的地理数据模型，因此建立实用的数据交换格式和信息标准将是一个长期、复杂过程。

1.2 空间数据的管理空间数据的管理涉及到二个方面的内容：空间数据模型和空间数据库。

空间数据模型刻画了现实世界中空间实体及其相互间的联系，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供了基本的方法。

因此，空间数据模型的研究对设计空间数据库和发展新一代GIS系统起着举足轻重的作用。

在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象(要素)(Feature)的模型、场(Field)模型以及网络(Network)模型。

GIS基础软件平台的研制和应用系统的设计开发一直沿用这三种空间数据模型，但这些模型在空间实体间的相互关系及其时空变化的描述与表达、数据组织、空间分析等方面均有较大的局限性，难以满足新一代GIS基础软件平台和应用系统发展的要求。

主要表现为：（1） 仅能表达空间点、线、面目标间极为有限的简单拓扑关系，且这些拓扑关系的生成与维护耗时费力；（2） 难以有效地表达现实三维空间实体及其相互关系；（3） 适于记录和表达某一时刻空间实体性状及相互间关系静态分布，难以有效地描述和表达空间实体及其相互间关系的时空变化；（4） 没有考虑异地、异构、异质空间数据的互操作和分布式“对象”处理等问题。

针对上述不足，时空数据模型、三维数据模型、分布式空间数据管理、GIS设计的CASE工具等研究已成为当前国际上GIS空间数据模型研究的学术前沿。

GIS数据处理的前途？必须学会的技术

就业前景最好的朝阳专业——地理信息系统

经典学科 悠久历史

地理信息系统脱胎于经典的地理学专业，如今已是一个集空间卫星遥测、遥感、空位技术，地面自动化测量技术，计算机图形图像信息处理技术与地球科学完美结合于一体的现代高新科学技术体系。

地理信息系统一直是人类认识自然,改造自然的重要基础性的手段和技术方法体系。在原始社会，我们的祖先将当地的地形做成类似今天的河盘的模型，用来指导他们的狩猎，农业社会洪水泛滥后土地的再划分形成了地理信息系统雏形，工业社会则更把土地和不动产的精准管理交给了地理信息系统；现代管理信息社会中，地理信息系统作为信息产业的重要组成部分，也渗透到国家经济建设，国防建设，国防事业，任命生活的方方面面，成为不可或缺的专业。

北京林业大学自上世纪五十年代初建校就开设立测量学的课程，并紧随时代科技发展的步伐相继开设了航空摄影测量，遥感，GIS GPS 等课程，招收了博士，硕士研究生和访问学者，2002年设置了地理信息系统本科专业，2003年获准招收了地图学与地理系统硕士生，2004年获准林业装备工程博士点授予权，可在三个一级学科中培养博士后流动人员。

全新的课程 精良的装备

本专业关注国内外GIS 学术和技术前沿，开设基础性，前沿性，能力性培养课程，把学生的就业与发展看成是最大的事情，除开设一般数、理、外、地学课程外、测重在测量学、GPS、GIS、遥感等方面打好专业基础，通过北京市、教育部、国家林业局重点开放实验室的先进设备，指导学生具备良好的地理数据的采集的能力、图形图像的数据处理能力、地理信息系统的设计与分析的能力。另外长期坚持用中科院遥感所、地理所、林科院资信所、测科院GIS所、RS所、GPS所联合办学，资源共享，优势互补。

成熟的师资 丰硕的成果

尽管地理信息系统在北林是全新的专业（任何高校招生不超过七届），但北林大在地理信息系统的教学和科学研究中一直处于带头地位。师资队伍平均年龄40岁，80％具有博士后经历和博士学位,100%为教授或副教授。近年来坚持国家863计划，中国生态环境重大计划，国家生态科学基金，968等项目十余项，科研经费达1000余万元，荣获国家科技进步二等奖等省部级奖励七项。

多源的就业 美好的前景

2004年英国自然杂志发表文章称纳米技术、地理信息系统技术、生物技术将是新世纪最有统治力的技术，因此，选择地理信息技术就是选择时修，就是选择IT。毕业生除大半考取研究生外，其余可以在国土资源、房地产管理、农业、林业、水利、交通、解放军、武警、公安、石油、矿业、地质、防火、信息测绘等设计、研究、生产、规划、教学部门找到待遇不错的职业。近两年，国家信息化发展的战略把地理信息系统专业人才的需求推向了前所未有的高度，因此，每一个献身地信专业的年轻人都会把个人理想建立于国家事业的基础上，选择你热爱的，热爱你选择的。有人估计，中国地理信息系统人才的饱和要到2005年之后，这对你来说还不够吗？