GIS技術

地理信息系統（GIS）技術是近些年迅速發展起來的一門空間信息分析技術，在資源與環境應用領域中，它發揮著技術先導的作用。GIS技術不僅可以有效地管理具有空間屬性的各種資源環境信息，對資源環境管理和實踐模式進行快速和重複的分析測試，便於制定決策、進行科學和政策的標準評價，而且可以有效地對多時期的資源環境狀況及生產活動變化進行動態監測和分析比較，也可將數據收集、空間分析和決策過程綜合為一個共同的信息流，明顯地提高工作效率和經濟效益，為解決資源環境問題及保障可持續發展提供技術支持。

在我國，從20世紀80年代中期開始，GIS技術就被應用於農業領域，從國土資源決策管理、農業資源信息、區域農業規劃、糧食流通管理與糧食生產輔助決策到農業生產潛力研究、農作物估產研究、區域農業可持續發展研究、農用土地適宜性評價、農業生態環境監測、基於GPS和GIS的精細農業信息處理系統研究等，都取得了很大的成績，一些研究成果直接應用於農業生產，取得了很大的經濟效益。隨著GIS理論的產生髮展以及方法和技術的成熟，在農業領域的應用也逐步深入。從技術角度看，GIS在我國農業資源與環境領域中的應用進展主要體現在四個方面：

(1) 作為農業資源調查的工具，建立了農業資源地理資料庫，實現空間資料庫的瀏覽、檢索等，利用GIS繪製農業資源分布圖和產生正規的報表；

(2) 作為農業資源分析的工具，GIS技術已不限於製圖和空間資料庫的簡單查詢，而是以圖形及數據的重新處理等分析工作為特徵，用於各種目標的分析和重新導出新的信息，產生專題地圖和進行地圖數據的疊加分析等；

(3) 作為農業生產管理的工具：主要是建立了各種模型和擬訂各種決策方案，直接用於農業生產；

(4) 作為農業管理的輔助決策工具，利用了GIS的模型功能和空間動態分析以及預測能力，並與專家系統、決策支持系統及其它的現代技術（如RS和GPS）有機結合，便於我國農業生產的管理和輔助決策。

林業生產領域的管理決策人員面對著各種數據，如林地使用狀況、植被分佈特徵、立地條件、社會經濟等許多因子的數據，這些數據既有空間數據又有屬性數據，對這些數據進行綜合分析並及時找出解決問題的合理方案，借用傳統方法不是一件容易的事，而利用GIS方法卻輕鬆自如。

社會經濟在迅速發展，森林資源的開發、利用和保護需要隨時跟上經濟發展的步伐，掌握資源動態變化，及時做出決策就顯得異常的重要。常規的森林資源監測，從資源清查到數據整理成冊，最後制定經營方案，需要的時間長，造成經營方案和現實情況不相符。這種滯后現象勢必出現管理方案的不合理，甚致無法接受。利用GIS就可以完全解決這一問題，及時掌握森林資源及有關因子的空間時序的變化特徵，從而對症下藥。

林業GIS就是將林業生產管理的方式和特點融入GIS之中，形成一套為林業生產管理服務的信息管理系統。以減少林業信息處理的勞動強度，節省經費開支，提高管理效率。

GIS在林業上的應用過程大致分為3個階段，即：

(1) 作為森林調查的工具：主要特點是建立地理信息庫，利用GIS繪製森林分布圖及產生正規報表。GIS的應用主要限於製圖和簡單查詢。

(2) 作為資源分析的工具：已不再限於製圖和簡單查詢，而是以圖形及數據的重新處理等分析工作為特徵，用於各種目標的分析和推導出新的信息。

(3) 作為森林經營管理的工具：主要在於建立各種模型和擬定經營方案等，直接用於決策過程。

三個階段反映了林業工作者對GIS認識的逐步深入。GIS在林業上的應用主要有：

（1）環境與森林災害監測與管理方面中的應用，包括：林火、病蟲害、荒漠化等管理，如在 防火管理中，其主要內容有：林火信息管理、林火撲救指揮和時實監測、林火的預測預報、林火設施的布局分析等；

（2）在森林調查方面的應用，包括：森林資源清查和數據管理，這是GIS最初應用於林業的主要方面、制定森林經營決策方案、林業製圖；

（3）森林資源分析和評價方面，包括：林業土地利用變化監測與管理、用於分析林分、樹種、林種、蓄積等因子的空間分佈、森林資源動態管理、林權；

（4）森林結構調整方面，包括：林種結構調整、齡組結構調整；

（5）森林經營方面，包括：採伐、撫育間伐、造林規劃、速生豐產林、基地培育、封山育林等

（6）野生動物植物監測與管理。

1993～1997年，由聯合國開發計劃署（UNDP）援助的“中國森林資源調查技術現代化”項目順利執行。以全國林業監測站點數據和遙感數據為主要信息源，進行全國林地生態類型資料庫的建設工作，在空間上和時間序列上完整、系統地反映林地區域不同的生態系統特點、林種、群落特徵及其林（樹）齡等。

GIS技術最初在土地資源開發與管理上的應用主要是土地利用現狀調查和城鎮地籍調查圖件和屬性數據的存儲、查詢等管理工作等，基本上沒有數據的空間分析及其它決策功能。隨著技術的不斷發展，在土地科學中的應用主要包括了土地評價工作（土地的適宜性或多宜性評價、土地的生產潛力評價、土地持續利用評價、城市地價評估、耕地地價評價等）；土地利用規劃（包括土地利用總體規劃、土地利用多目標規劃）；土地利用與土地覆被現狀分類與製圖；以及土地利用與土地覆被動態監測。

為了查清我國的土地資源，特別是耕地資源，國務院於1984年正式部署開展全國土地資源調查。此次調查歷時15年，採用以航空為主、航天為輔的遙感技術，結合大比例尺地形圖，實行全野外調查。在土地利用圖件編製、數據量算匯總與空間分析等方面，GIS技術發揮了重要作用。通過土地資源詳查，初步摸清了我國土地資源的家底，為全國土地利用規劃、土地開發與管理提供了科學基礎。

從1996年開始，國家科委、國家土地管理局和農業部實施“全國基本農田保護與監測”工作。GIS成為全國土地利用動態遙感監測資料庫建設的核心支撐技術，主要用於管理與分析矢量數據（土地利用年度變化信息）、柵格數據（遙感影像、DEM等）和屬性數據。

在國土資源部統一規劃和組織下，在新一輪國土資源大調查綱要和實施方案的部署和安排下，以1:1萬比例尺為主的縣（市）級土地利用資料庫建設工作於1999年9月在數字國土工程中立項，1999年10月正式啟動。其中GIS技術在資料庫管理與數據挖掘方面具有不可替代的優勢。

地理信息系統在生態環境研究中應用廣泛，主要有：

(1) 生態環境背景調查；

(2) 用遙感信息與地面站點監測信息相結合，對環境（水、大氣及固體廢棄物等）進行動態、連續監測；

（3）利用"3S"技術支持自然生態環境監測、預報與評估；

（4）面源污染的監測、分析與評價；

（5）生態環境影響評價；生態區劃與規劃；環境規劃與管理。

國家環境保護總局先後組織有關單位先後進行了我國西部和中東部地區生態環境現狀調查，第一次全國摸清了我國的生態環境現狀。為了提高我國環境信息技術的整體實力，國家環保局在27個省開展了“中國省級環境信息系統”項目，它以環境數學模型為基礎，對管理信息系統提供大量數據分析和處理，給出決策原則上的輔助信息。該系統將先進的地理信息系統空間分析技術基礎資料庫和空間資料庫綜合起來，使環境問題決策的過程更加直觀、快速、適時和有效。

2002年在科技部主持下，環保、農業、林業等部門開展了“全國環境背景資料庫建設與服務”工作，通過該項目規範了我國的環境背景元數據的標準與代碼，建設了環境背景元資料庫，並將繼續建設與完善環境背景資料庫；從而進一步促進我國環境保護工作的科學分析與決策。

資源環境管理的內容包括資源環境狀況、動態變化、開發利用及保護的合理性評估、監督、治理、跟蹤等方面。由於資源環境的空間和時間的非均勻性，利用以空間信息管理及分析為主要功能的地理信息系統（GIS）對資源環境進行管理才能夠實現真正的有效管理。

國外GIS在資源環境管理中的應用有著成功的經驗，加拿大於20世紀70年代已經開始用GIS進行土地與其他基礎設施的管理，美國、歐洲等一些發達國家也於20世紀80年代相繼開展了GIS在土地、林業、生物資源等方面管理業務中的應用。我國GIS在一些資源環境管理領域已得到了應用，如林業領域已經建立了森林資源地理信息系統、荒漠化監測地理信息系統、濕地保護地理信息系統等；農業領域已經建立我國土壤地理信息系統、草地生態監測地理信息系統等；水利領域的流域水資源管理信息系統、各種灌區地理信息系統、全國水資源地理信息系統等；海洋領域的海洋漁業資源地理信息系統、海洋礦產地理信息系統等；土地領域建立了土地資源地理信息系統、礦產資源地理信息系統等；這些地理信息系統在資源環境管理方面發揮了一定的作用。

從國內外發展狀況看，地理信息系統技術在重大自然災害和災情評估中有廣泛的應用領域。從災害的類型看，它既可用於火災、洪災、泥石流、雪災和地震等突發性自然災害，又可應用於乾旱災害、土地沙漠化、森林蟲災和環境危害等非突發性事故。就其作用而言，從災害預警預報、災害監測調查到災情評估分析各個方面，綜合起來有如下幾點：

①進行災情預警預報;

②對災情進行動態監測;

③分析探討災情發生的成因與規律;

④進行災害調查;

⑤災害監測;

⑥災害評估等。

由聯合國環境署、聯合國人居中心與國家環保總局共同支持的“長江流域洪水易損性評價”首次全面地從多因子、全方位對洪水災害進行了綜合研究與評估，改變了傳統防洪觀念，對未來洪水災害控制提供了新的思路，報告明確指出了哪些區域可合理開發，哪些區域需進行嚴格保護，針對性強，對洞庭湖區產業結構調整、避洪農業發展、水資源開發利用、生態環境保護、土地利用與規劃布局有現實意義，對地方政府及相關部門編製環境、社會和經濟發展規劃，以及政策制定與措施實施等提供了科學依據。

GIS技術在環境資源領域取得進展的同時，不可否認GIS的應用還存在諸多問題，主要表現在：

數據來源與數據質量難以保證（數據來源廣泛，但數據質量不高）。資源與環境問題涉及土壤學、環境學與地理學等各個學科領域，其影響因素複雜，需要數據量大且要求質量高。然而由於儀器設備以及人力物力的限制，許多數據難以獲取。而且現有數據也往往由於數據來源不一、數據格式各異、年代不同等原因造成土地資源與生態環境數據質量難以保證，特別是數據格式不一，使各地區的數據難以共享，嚴重影響了GIS的應用。同時，地理信息系統最基本特點是每個數據項都有空間坐標，而傳統的人工採集與野外調查數據空間定位能力差，並且往往以點代面，不可避免的帶來了各種誤差。因此數據來源與數據精度一直是GIS技術真正解決資源與環境問題的一個“瓶頸”。

應用水平低，資源環境管理型地理信息系統，還停留在簡單的資源瀏覽查詢、製圖及簡單的分析水平，而真正意義上以資源環境合理配置、決策支持方面的專業應用系統仍十分缺少；

GIS的功能沒有充分發揮出來，管理者的認識水平、基礎數據、模型方法欠缺等方面的限制，使GIS的空間分析功能在資源環境管理沒有發揮效益；

標準規範不統一、數據共享程度低，由於資源環境管理的專業性比較強，在相應GIS建立的過程中技術標準、數據交換標準、元數據標準等方面存在著很大的差別，使不同的信息系統之間難以共享；

集成化程度低，許多資源環境管理GIS功能相對單一，系統結構開發性差，沒有實現與全球定位系統、遙感信息的集成應用，難以滿足現代資源環境管理相集成化、綜合化方向發展的需要。

GIS在資源環境領域的應用方興未艾，從技術、地理信息、經濟社會的需求等方面分析，在該領域有以下趨勢及建議：

應用軟體數據埠應有專門化，專業化方向發展，在同類型同方向的GIS數據交流共享方向提供適當的方便，以解決GIS數據來源和數據質量難以保證的問題。

結合國家信息化推進工作，以電子政務相關工程為基礎，推動GIS在資源環境管理中的推廣應用。信息化建設已成為我國各級政府及企業的重要任務，GIS在以資源、能源、生產、資金等空間綜合配置、優化組合為目的的信息化建設中，可以發揮應有的作用；結合相應的應用工程，推動GIS的發展；

應用往專業化方向發展，功能由通用管理功能轉向資源評估、監督、跟蹤分析等專業功能方向發展。隨著經濟社會的發展，經濟社會與資源環境之間的各方面的矛盾及問題逐漸暴露出來，這些問題在時間和空間上具有諸多的關聯性，分析這些問題、提出合理的解決方案建議，需要功能更專業化的GIS軟體系統支持；

支持多源、多尺度、多類型集成應用的軟體平台工具的開發應用。信息獲取技術的快速發展和多源化趨勢，要求資源環境方面的GIS應能夠接收、處理及分析多種來源、多尺度的地理信息；

促進3S技術集成應用，推動專業技術及軟體的發展，全球定位系統、遙感技術與GIS的集成應用已成為GIS軟體發展的趨勢之一，而這種應用的發展是在應用推動的基礎上建立的，針對特定的應用領域的集成化的GIS將成為資源環境領域GIS的發展方向，也是系統與業務結合的需要；

開展專業應用系統開發建設，結合資源環境各領域的需求，開發多種專業化的GIS，如針對性生態保護區、生態功能區、地下水、生物資源等領域的專業性GIS軟體與管理系統。

國內GIS現狀和對策

地理信息系統技術是一門綜合性的技術，它的發展是與地理學、地圖學、攝影測量學、遙感技術、數學和統計科學、信息技術等有關學科的發展分不開的。GIS的發展可分為四個階段：第一個階段是初始發展階段，20世紀60年代世界上第一個GIS系統由加拿大測量學家R.F.Tomlison提出並建立，主要用於自然資源的管理和規劃；第二個階段是發展鞏固階段，20世紀70年代由於計算機硬體和軟體技術的飛速發展，尤其是大容量存儲設備的使用，促進了GIS朝實用的方向發展，不同專題、不同規模、不同類型的各具特色的地理信息系統在世界各地紛紛付諸研製，如美國、英國、德國、瑞典和日本等國對GIS的研究都投入了大量的人力、物力和財力；第三個階段是推廣應用階段，20世紀80年代，GIS逐步走向成熟，並在全世界範圍內全面推廣，應用領域不斷擴大，並與衛星遙感技術結合，開始應用於全球性的問題，這個階段湧現出一大批GIS軟體，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四個階段是蓬勃發展階段，20世紀90年代，隨著地理信息產品的建立和數字化信息產品在全世界的普及，GIS成為確定性的產業，並逐漸滲透到各行各業，成為人們生活、學習和工作不可缺少的工具和助手。

地理信息系統的研製與應用在我國起步較晚，雖然歷史較短，但發展勢頭迅猛。我國GIS的發展可分為三個階段。第一階段從1970年到1980年，為準備階段，主要經歷了提出倡議、組建隊伍、培訓人才、組織個別實驗研究等階段。機械製圖和遙感應用，為GIS的研製和應用做了技術和理論上的準備。第二階段從1981年到1985年，為起步階段，完成了技術引進、數據規範和標準的研究、空間資料庫的建立、數據處理和分析演演算法及應用軟體的開發等環節，對GIS進行了理論探索和區域性的實驗研究。第三個階段從1986年到2013年，為初步發展階段，我國GIS的研究和應用進入有組織、有計劃、有目標的階段，逐步建立了不同層次、不同規模的組織機構、研究中心和實驗室。GIS研究逐步與國民經濟建設和社會生活需求相結合，並取得了重要進展和實際應用效益。主要表現在四個方面：

（1）制定了國家地理信息系統規範，解決信息共享和系統兼容問題，為全國地理信息系統的建立做準備。

（2）應用型GIS發展迅速。

（3）在引進的基礎上擴充和研製了一批軟體。

（4）開始出版有關地理信息系統理論、技術和應用等方面的書籍，設立了地理信息系統專業，培養了大批人才，並積極開展國際合作，參與全球性地理信息系統的討論和實驗。在科技部等國家有關部門的大力組織和支持下，國產GIS基礎軟體開發工作取得了重要進展，出現了一批GIS高技術企業，開發出了較為成熟的國產GIS軟體，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，並形成了一定的產業規模。這些國產GIS軟體以較高的性價比，打破了國外GIS軟體對我國市場的壟斷，有力促進了我國地理信息系統技術的發展。這些年，GIS技術在我國得到了廣泛應用，其應用面從傳統的城市規劃、土地利用、測繪、環境保護、電力、電信、減災防災等領域滲透到礦產資源調查、海洋資源調查與管理等各方面，取得了豐碩的成果和巨大的經濟效益。當前，國家有關部門正逐步將GIS嵌入到電子政務系統中。

隨著計算機和信息技術的快速發展，GIS技術得到了迅猛的發展。GIS系統正朝著專業或大型化、社會化方向不斷發展著。“大型化”體現在系統和數據規模兩個方面；“社會化”則要求GIS要面向整個社會，滿足社會各界對有關地理信息的需求，簡言之就是“開放數據”、“簡化操作”，“面向服務”，通過網路實現從數據乃至系統之間的完全共享和互動。下面我們從地理信息系統技術角度來討論和分析當前GIS的相關技術及其發展趨勢。

1.1 空間信息的獲取、處理與交換

地理空間數據是GIS的血液，構建和維護空間資料庫是一項複雜、工作量巨大的工程，它包括：數據的獲取、校驗和規範化、結構化處理、數據維護等過程。GIS處理的數據對象是空間對象，有很強的時空特性，獲取數據的手段及數據的形式也複雜多樣。獲取數據的基本方式有：野外全站儀平板測量、GPS測量、室內地圖掃描數字化、數字攝影測量、從遙感影像進行目標測量和數據轉換等。這些獲取技術已基本成熟。同時，空間數據也具有很強的時效性，不同的空間數據必須進行周期不等的數據更新維護，空間資料庫中數據的準確、及時、完整是實現GIS應用系統價值的前提基礎。空間數據維護往往涉及跨部門、跨行業的多種數據格式和多種數據類型的大量數據，提供有效的空間數據編輯更新手段是當前亟待解決的一個重要課題。

基於上述信息獲取技術，在過去的二十年間，國家有關部委和行業部門已經積累了大量原始數字化數據和相應資料，建立了1100多個大、中型資料庫以及大量的各類數字化地理基礎圖、專題圖、城市地籍圖等。國家測繪局已經完成了全國l：100萬、 1：25萬基礎地理空間資料庫以及全國七大江河數字地形模型的建設，並啟動了全國l：5萬，部分省份1：1萬基礎地理空間資料庫的建設。這些基礎數據有力促進了GIS技術的廣泛應用，進而產生了大量的GIS數據。但由於地理信息系統軟體大多採用不同的空間數據模型，以及它們在地理實體上的認識差異，使得所積累的數據難以轉換和共享（即使能夠數據轉換，也會產生信息的丟失），從而形成一個個新的數據孤島。制訂數據交換的格式標準已成為大家的共識。一些國家和組織已經在進行這方面的工作，並定義了一些數據交換標準，如SDTS，OpenGIS聯盟制訂的GML，另外一些公認的數據格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐漸成為數據交換的事實標準。我國也在“九五”期間制定了地球空間數據轉換標準。但是由於人們對空間信息認識和研究成果的制約，還沒有一個統一的地理數據模型，因此建立實用的數據交換格式和信息標準將是一個長期、複雜過程。

1.2 空間數據的管理

空間數據的管理涉及到二個方面的內容：空間數據模型和空間資料庫。

空間數據模型刻畫了現實世界中空間實體及其相互間的聯繫，它為空間數據的組織和空間資料庫的設計提供了基本的方法。因此，空間數據模型的研究對設計空間資料庫和發展新一代GIS系統起著舉足輕重的作用。在GIS中與空間信息有關的信息模型有三個，即基於對象(要素)(Feature)的模型、場(Field)模型以及網路(Network)模型。GIS基礎軟體平台的研製和應用系統的設計開發一直沿用這三種空間數據模型，但這些模型在空間實體間的相互關係及其時空變化的描述與表達、數據組織、空間分析等方面均有較大的局限性，難以滿足新一代GIS基礎軟體平台和應用系統發展的要求。主要表現為：

（1）僅能表達空間點、線、面目標間極為有限的簡單拓撲關係，且這些拓撲關係的生成與維護耗時費力；

（2）難以有效地表達現實三維空間實體及其相互關係；

（3）適於記錄和表達某一時刻空間實體性狀及相互間關係靜態分佈，難以有效地描述和表達空間實體及其相互間關係的時空變化；

（4）沒有考慮異地、異構、異質空間數據的互操作和分散式“對象”處理等問題。

針對上述不足，時空數據模型、三維數據模型、分散式空間數據管理、GIS設計的CASE工具等研究已成為當前國際上GIS空間數據模型研究的學術前沿。

GIS與其他幾種信息系統密切相關，但由於其處理和分析地理數據的能力使其與它們相區別。儘管沒有什麼硬性的和快速的規則來給這些信息系統分類，但下面的討論可以幫助區分GIS和桌面製圖、計算機輔助設計CAD、遙感、DBMS、以及GPS技術。

桌面製圖系統用地圖來組織數據和用戶交互。這種系統的主要目的是產生地圖：地圖就是資料庫。大多數桌面製圖系統只有及其有限的數據管理、空間分析以及個性化能力。桌面製圖系統在桌面計算機上進行操作，例如PC機，Macintosh以及小型UNIX工作站。

計算機輔助設計(CAD)系統促進了產生建築物和基本建設的設計和規劃。這種設計需要裝配固有特徵的組件來產生整個結構。這些系統需要一些規則來指明如何裝配這些部件，並具有非常有限的分析能力。CAD系統已經擴展可以支持地圖設計，但管理和分析大型的地理資料庫的工具很有限。

遙感是一門使用感測器對地球進行測量的科學和技術，例如，飛機上的照相機，全球定位系統（GPS）接收器，或其他設備。這些感測器以圖象的格式收集數據，並為利用、分析和可視化這些圖象提供專門的功能。由於它缺乏強大的地理數據管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。

資料庫管理系統(DBMS)

資料庫管理系統專門研究如何存儲和管理所有類型的數據，其中包括地理數據。DBMS使存儲和查找數據最優化，許多GIS為此而依靠它。相對於GIS而言，它們沒有分析和可視化的工具。