地理信息系统及其应用，本文主要内容关键词为：及其应用论文,地理信息系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
摘要：介绍地理信息学的发展与地理信息系统（GIS）的构成和功能，以北京大学遥感与GIS研究所开发的“城市之星（Citystar）”为支撑软件，建立沧州市综合市情管理系统，探索地理信息系统在决策管理中的应用。
关键词：地理信息学 地理信息系统 空间数据 属性数据 数据库
人类踏进信息时代大门之后，在40年代至80年代，由于信息市场的需求，信息技术迅猛发展，特别是计算机技术日新月异，在信息市场的拉力和信息技术发展的推动下，信息产业获得高速发展，信息资源得到爆炸式的扩大，信息应用的深度和广度有更大的发展，信息理论进一步提高。同时，这些发展又促进了信息技术的发展和信息需求的增长。总而言之，信息资源、信息市场需求、信息技术、信息理论在发展中互相促进，形成一个加速度的循环。
1 地理信息学与地理信息系统
信息技术经过60年代以前的快速发展，70年代的调整和80年代的提高，进入90年代之后，在实用化方面已取得重大进展，信息理论得到迅速提高。信息论、系统论、控制论学科群在相互靠拢，既相互独立，又相互依存和渗透，成为不可分割的整体，并在70年代初形成一门新的边缘科学——信息科学。
地理信息学是一个现代科学术语，代表了用各种现代化方法采集、量测、分析、存贮、管理、显示、传输和应用与地理和空间分布有关数据的一门综合的信息科学。
地理信息系统（Geographic Information System-GIS）是60年代开始发展起来的空间信息分析与研究的新技术，是测绘学、地图学、测量学、地理学、遥感与卫星定位技术、现代通讯技术、专家系统技术等学科和技术集成的基础平台，是多种学科交叉的产物。地理信息系统以地理空间数据库为基础，采用空间模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的有用信息，用于综合研究、资源开发、区域发展规划、环境保护、灾害防治、投资环境评价和决策管理等方面。
地理信息系统有以下特点：（1）具有采集、存贮、分析、管理、显示、输出多种空间信息的能力；（2）以区域研究或发展决策为目的，以空间模型方法为手段，具有多要素综合分析、动态预测和辅助决策的能力；（3）由计算机系统支持进行空间数据管理， 并通过计算机程序模拟常规的或专门的分析方法，操作空间数据，产生有用信息，完成人类用手工难以完成的任务。可以快速、精确、综合地对复杂系统进行空间定位和过程动态分析。在使用地理信息系统时，可按应用目的观察、分析、研究对象的各方面内容，提取表达对象的各种空间尺度指标。重要的是可将自然发生或思维规划过程加在建立的数据模型上，取得对自然过程的分析和预测信息，用于管理和决策。
地理信息系统的含义远远超过对地表状态的编码、存贮和检索，其实际意义是：地理信息系统中的数据，无论是可见的（记于纸上的）或是不可见的（记于磁介质上的），都被认为是自然环境的一种表达模式。因为这些数据可以被访问、变换、交互式处理，还可以作为研究环境过程，分析发展趋势、预估规划决策可能结果的基础。从理论与实践的结合上，地理信息系统能为规划者、决策者披露可能的变化情况，提供行动方针的重要指导思想。
2 地理信息系统的组成
地理信息系统有三个重要组成部分：即计算机硬、软件；数据库和应用模型：合理的组织联系。
地理信息系统的硬件组成有中央处理机（CPU）、监视器、 数字化仪、绘图仪、磁盘（带）驱动器等。CPU 与磁盘驱动器连接在一起提供存贮数据、程序的空间；数字化仪或其它数字化设备将地图等数字化材料转换成数字形式送入计算机；绘图仪或其他类型的显示设备用于表示数据处理结果；监视器是用户用来控制计算机和其他外围设备。地理信息系统软件包括5类基本模块：（1）数据输入与检验，（2）数据存贮与管理，（3）数据输出与表示，（4）数据变换，（5）用户交互。 数据输入子系统包括将空间数据和属性数据通过数字化仪等输入设备输入计算机并进行处理。同时，在数据输入的每个阶段都要有适当的数据检验，校正过程，保证作为输入结果的数据库中的数据尽可能无误。数据存贮和数据库管理子系统涉及地理要素的位置、连接关系以及属性数据如何构造和组织，使其便于计算机处理和系统用户理解等。数据输出和表示系统是关于数据显示和向用户报告分析结果的方法问题。数据可能以地图、表格、文档等多种形式表示。数据变换子系统包括两类操作（1）变换的目的是从数据库中消除错误，数据更新， 与其他数据匹配等。（2）回答地理信息系统提出的问题而采用的大量数据分析方法。 用户交互子系统是通过菜单选择命令进行操作的计算机程序，或者通过由动词、名词和修饰语组成类似英语的命令语言来响应各类请求而起动的程序等。用户与地理信息系统交互均采用菜单驱动命令系统或类似英语的命令语言来完成。
地理信息系统的数据采集、存贮、管理、分析模型等是在用户应用需求基础上建立起来的，是构成地理信息系统的核心内容，也是地理信息系统是否具有信息服务、综合决策能力的前提条件。地理信息系统的数据源是多样化的，图形数据类包括：地形图、专题图、航空航天像片、航空航天数字图象或其它数字式遥感数据；统计数据类包括：资源、经济、社会、环境、人口和实地调查资源等；文档类数据包括：报告、报表、有关政策的文件等。上述数据的基本组织形式是数据文件，可将它归纳为三类：（1）简单文件是简单地列出全部数据项目， 要增加新数据项时，只是简单地加在文件末尾，使文件越来越长。简单文件在加入数据时虽然很方便，但要检索数据却相当困难。（2）顺序文件是将数据按某种数据顺序排列的文件，其优点是存取速度很高，但要在顺序文件中加入新的数据项就必须建立额外的空间来插入该数据项，这是顺序文件的缺点。（3）索引文件包括直接文件和倒排文件， 能快速实现某种关键属性的检索。
数据库由许多文件和文件中的大量数据组成。为便于从一个文件或多个文件中存取数据，必须用某种方式来构造或组织数据库。数据库常用的有3种结构：（1）层次数据库结构是将数据组成一对多关系的结构。层次结构采用关键字来访问其中每一层的每个部分。层次结构的优点是存取方便迅速，容易理解，数据修改和数据库扩展比较容易，检索关键属性十分方便。层次结构的缺点是需保留大量索引文件，同样一个属性数据要存贮多次。层次结构数据库中数据的连接只限于上下通路。许多情况下，特别是图形数据的数据库结构要求具有更多的通路，以便更为迅速地将需要的数据组织起来。（2）网络结构数据库是用连接指令或指针来确定数据间显式连接关系。且有多对多类型的数据组织方法，能满足多通路、快速组织所需数据的要求。网络结构数据库的缺点是指针数据项使数据增大，当数据增大时指针部分占大量数据库存贮空间。另外，数据库中的数据变化或修改时，指针也必须随着变化。因此，网络结构数据库中指针的建立和维护可能成为相当大的额外负担。（3）关系结构数据库主要依靠实体与属性之间的关系表进行连接。从关系数据据库中提取数据时，用户要用询问语言编写一个简单的程序。关系结构数据库的最大优点是它的结构特别灵活，可满足所有用布尔逻辑运算和数学运算规则形成的询问要求；关系数据还能搜索、组合和比较不同类型的数据；加入和删除数据非常方便。关系数据库的缺点是许多操作都要求在文件中顺序查找满足特定关系的数据，如果数据库很大的话，这一查找过程将很费时间。
分析模型或应用模型是决策者，管理者在完成决策管理过程中进行诸多分析活动的基本工具，支持决策管理者的活动主要包括：识别目标和问题表述；进行预测、规划、推论、分析、建议；提供多种信息和备选方案，并进行方案比较与评价；优化处理和模拟实验等。不同用途的模型可组成模型库。模型库和数据库的结合，可使每个模型都能从数据库中提取数据，并将模型运算结构输出，实现模型库与数据库的资源共享。分析或应用模型通常有预测模型、统计分析模型、聚类分析模型、规划决策模型、综合评价模型和其它模型等。用户可根据需要建立不同的模型，构造本系统的模型库及其管理系统。
地理信息系统的合理组织和有序管理是非常重要的。地理信息系统不同于一般的图形图像处理系统，也不同于一幅地图，而是一个动态的客观进行的空间模型，仅有其硬件、软件和数据构不成完整的地理信息系统，要有专门人员去进行组织、管理、维护和数据更新，扩充完善系统，并灵活采用分析模型提取多种信息，才能为各种需求作好服务。地理信息系统的组织应由各种技术人员混合组成，高级人员着重于地理信息系统的正常运行、业务商谈、计算机程序编制、数据处理、模型建立、系统功能开发等方面的工作。低级技术人员负责数据输入、结果输出、操作计算机、打印或绘制结果前的检查工作等。
3 地理信息系统在沧州市经济管理中的应用
沧州市位于冀中平原东南部，东临渤海湾。资源丰富、交通便利。总面积2698km[2]人口130多万。改革开以来，沧州市发生了很大变化， 经济实力显著增强，城乡人民生活水平提高。沧州市已被批准为开放城市，制定了“开放兴沧”的经济发展战略目标，到2000年，全市国民生产总值（按1990年不变价计）达到65亿元，在1990年比1980年翻一番的基础上再增长2倍多。农民人均纯收入1500元，城市居民人均收入2600 元，实现小康。为在本世纪末实现战略目标，必须适时掌握市情，加强宏观调控和微观管理，提高决策管理的科学性和自动化水平。因此，引进地理信息系统，建立沧州市综合市情管理系统，用于经济发展的宏观调控和微观管理。
沧州市综合市情管理系统是为适时、全面、综合认识沧州经济发展中的问题，为协调人口与经济、资源与产业、发展与环境等关系提供信息服务的。该系统将资源利用、经济发展、人口增长、环境变化的自然过程或思维过程，与计算机支持的地理信息系统的各种数据和分析模型相结合，通过综合分析取得有用信息为科学决策与管理方面应用，以满足领导和有关部门的需要。
沧州市综合市情管理系统的基本框架（见图1）， 各功能模块即子系统的结构图（略）。该系统以沧州市的政区规划图为基础，建立包括境界、水系、铁路、公路、湖泊、居民点等要素的图层和相应的空间数据库，有检索、多要素叠置分析和实时显示与更新的功能。沧州市综合市情信息管理系统的数据库除空间数据外，还有资源、经济、社会、环境、人口等内容的数据。具体包括土地、人口、农业、工业、外贸、旅游、科技、教育、文化、卫生、商业、交通、通讯、建筑业和市政设施等数据。数据库管理系统有逻辑查询、检索、提取、更新与多途径应用的功能。该系统具有二次开发的功能。可在数据库的基础上开发各种应用模型，如预测模型、统计分析模型、聚类分析模型、规划决策模型和其它模型，并可用于土地利用适宜性评价，区域开发或建设项目环境影响评价、城市发展决策规划、投资环境分析等方面。
图１ 沧州市综合市情管理系统框架示意
1995-09-28收稿