1、1测绘地理信息系统设计与开发探讨摘要：本文首先分析了 GIS 的发展概况和主要功能，然后就系统的定义、建设内容、设计开发等问题进行了研究，最后对 GIS 的发展趋势进行了展望和探讨，具有较强的意义和价值，供同行借鉴参考。 关键词：测绘；GIS；设计；开发 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 地理信息系统，简称 GIS( Geographic Information System )，是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。GIS 是在地理学、测量学、制图学、遥感学、图形学应用电子计算机技术的基础上逐步形成的一门交叉学科和技术。G
2、IS 主要是在空间处理、空间统计、空间分析等常用功能。简单的矢量化、地图制作只是在为 GIS 系统提供基础数据而已。GIS 的重要性是由它的应用能力来决定的。也就是它的空间分析、空间查询、空间统计等等功能 测绘是 GIS 的基础，GIS 的空间数据主要来源于数字图，当前随着测绘技术的进步，地形图的更新周期越来越短，速度越来越快，使得传统的管理方式显得相对滞后。测绘数据管理信息系统的建设直接影响制约到相关地理信息系统应用的开展。建立测绘信息管理系统能有效的管理2测绘数据，加速地理信息系统的发展及其应用。 1GIS 发展概况 我国 GIS 的研究起步较晚，但是近二十年来发展迅速，取得了巨大成绩。可
3、分为以下三个阶段： 1.1 起步阶段 20 世纪 70 年代初期，我国开始推广计算机在测量、制图和遥感领域中的应用。国家测绘局推出了一系列航空摄影和地形测量成图，为建立地理信息系统数据库打下了坚实基础。1977 年诞生了第一张由计算机输出的全要素地图，1978 年，召开了全国第一届数据库学术讨论会，这些为 GIS 的研制和应用作了技术上的准备。 1.2 试验阶段 80 年代之后，我国 GIS 进入了试验阶段，主要研究数据标准和规范、空间数据库建设、数据处理、分析算法及应用软件开发等。在专题试验和应用方面，建成了全国 1100 万地理数据库系统和全国土地信息系统，1400 万全国资源和环境信息系
4、统及 1250 万水土保持信息系统，并开展了黄土高原信息系统以及洪水灾情预报与分析系统等专题研究试验，而用于辅助城市规划的各种小型信息系统在城市建设和规划部门也获得了认可。 1.3 全面发展阶段 90 年代以来，我国 GIS 进入了全面发展阶段。全国 125 万、110万地形图数据库生产与建库工作陆续完成。科技部将“遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合应用”列入国家“九五”重点科技攻关项目，3国内也涌现出多个能参与市场竞争的国产地理信息系统软件，如GeoStar、MapGIS、SuperMap 等。 “中国 GIS 协会”和“中国海外 GIS 协会”也相继成立。 2 GIS 能够提供的主要功
5、能 2.1 GIS 能够有效的应用于地理空间的数据管理中 它能够利用多种方式进行地理数据的录人，能够以有效的组织形式管理和维护数据库，能够快速的进行查询检索功能，能够利用多种方式提供给决策所需要的各种地理空间信息。 比如，以城市地下管线信息系统的建立为例，地理信息系统可以把地形图作为基础图形数据，然后叠加地下和地面的八大类管线，这八大管线包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线，还有测量控制网和规划路等多种基础的测绘信息，在上述基础上，形成了一个测绘数据的信息系统，实现了对城市地下管线的现代化的信息管理。 2.2 基于 GIS 的输出功能，GIS 能够有效的应用在地图制图中 其实，地图制图是
6、地理信息系统发展的起源，由此，不难理解 GIS 可以用于地图的制图这个应用功能了，这个应用的最终目的是建立地图数据库。而与以前的且更新速度非常慢的手工制图作比较的话，基于 GIS 建立的地图数据库，能够做到一次投入且多次产出。 2.3 GIS 应用于遥感图像的处理系统中 遥感数据是 GIS 的重要信息源，目前，很多的 GIS 已经把图像处理功能融合到自身中去了，并且以它作为一个子模块的形式存在，能够通过自动影像匹配等技术进行相关的处理。 43 系统定义 GIS 是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统，具有以下
7、三个方面的特征： （1）具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力，具有空间性和动态性； （2）以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有区域空间分析、多要索综合分析和动态预测能力，产生高层次的地理信息； (3)由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务。地理信息系统从外部来看，它表现为计算机软硬件系统；而其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统。其中 GIS 是由硬件、软件和方法组成的地理信息系统，能支持地理空间数据的获取、管
8、理、操作、分析、模型化和显示，以解决复杂的规划和管理问题。 以 GIS 为平台，将现代计算机软硬件技术、电子技术、网络技术、数据库技术等引人到测绘数据管理之中，对各种数据实施强有力的管理，包括输人、存储、分析、更新等操作，为决策提供准确、直观的信息。 4 系统建设的目标和内容 4.1 系统建设的目标 系统的功能应当是科学有效的管理传统测绘数据，首先实现传统的5测绘数据的管理功能，如制图等。在此基础上增加 GIS 专题信息，为土地管理、城市建设、海洋渔业等部门提供辅助决策支持的基础信息，拓宽测绘的服务范围。 4.2 系统建设的内容 整个管理系统可针对不同情况分成三个基础类别：大地测量数据系统、城
9、市测绘数据系统、海洋测绘数据系统。各分系统之间又可相互支持、互相调用。 (1)大地测量数据系统主要存放国家大地测量的基础数据，首先应包括国家大地水准网和控制网的数据，满足大地测量成果资料管理和对外提供数据的需要 (2)城市测绘数据系统功能是为城市规划、市政建设及其他相关部门提供直观、准确的相关信息。所存储数据应包括该城市的大比例尺地图、地籍图、遥感影像图、人口绿化等专题图，以进行叠加、统计等操作，以为空间决策提供支持。 (3)海洋测绘数据系统应包含海洋测量的控制网、水深测量、海洋重力测量情况等，同时要包括洋流、潮汐、海洋气象等专题信息。这些信息经过分析处理可以为导航、变化监测等应用提供数据支持
10、。 其实，三种系统在 GIS 操作方面应具有相同的基本功能，所不同的是它们各自的数据内容和可应用范围。 4.3 系统功能 系统应具备的基本功能包括以下儿个方面： (1)数据输人和编辑：GIS 中的数据包括图形数据和属性数据，其数6据源主要是专题地图。图形数据的输人方式主要是数字化。人工跟踪图上的线段，形成由一串坐标连接的矢量，就成为一种直观的图形特征的数字描述。属性数据可在数字化过程中同时输人或单独建立。对输人的数据，一般系统独具有较完善的交互编辑、检查错误、修饰图幅和检验结果的功能，并在图形输人后自动建立拓扑关系。 (2)数据库的建立和管理：GIS 中的数据库构成 GIS 的核心。数据库的建
11、立和管理包括图形的拼接和附加；不同数据格式的相互转换；图形和注记的拷贝；建立图库，系统组织管理所有地图；以及数据库工作的空间和作业进程管理等。 GIS 中数据库除属性数据外，还有地理要索空间分布的位置数据，即空间数据库。空间数据用拓扑数学模型来管理，而属性数据则用数据库管理系统 DBMS GIS 在两种数据之间建立的某种联系以实现图形与属性之间的相互之间的操作。空间数据的结构基本上分为栅格结构与矢量结构两类。矢量结构表示图形与常规一致，数据量小，位置的精确性好，数据综合分析能力较容易，地图输人也精确美观，但数据结构复杂，存储和操作也复杂，费用较高。栅格结构是许多点子设备获取数据和显示数据的原始
12、形式，数据结构简单，功能直观，开发费用低，但用较长像元以减少数据量时，精度较差。随着 GIS 的发展，许多 GIS 提供两种数据结构的混合处理能力，两种数据结构并存，相互补充。 (3)数据检索：包括对指定任意地区、任意属性的数据进行查询，以及数据库有关数据项的逻辑运算检索等。 (4)数据分析与处理：GIS 的主要注意力集中在空间实体的关系上。7对地图的点、线、面特征间的拓扑关系分析，是 GIS 的重要内容。此外，GIS 的分析和操作还包括建立特征缓冲区；图形叠加的各种逻辑操作，并对结果作类型归并，冗余消除，使其保持逻辑上的一致；地图投影变换；计算面积、距离，最近邻选择；建立数学地形模型；以及属
13、性数据的操作和统计，标号和注记操作，根据属性提取图形特征等。 (5)数据输出：分析或查询结果的输出是 GIS 的一个重要功能。GIS的输出可是屏幕显示，绘图、制表纸，拷贝等。大多 GIS 提供的图形图像编辑，符号生成，矢量汉字标记，等功能，可输出二维或三维彩色图形，以满足不同图件的制图要求。 5 系统设计与开发 为实现测绘 GIS 的上述功能，在系统平台与开发工具的选择、数据库设计及功能设计中应以实用、先进、高效、可靠为原则，进行规划设计 5.1 开发平台和工具的选择 开发平台和工具的选择，关系到系统建设的效率与成败。随着计算机技术的发展与革新，商业化 GIS 开发工具软件在国内外已经相当成熟
14、。据统计国内外已有 400 多种 GIS 软件产.品。 选择系统软件应满足 GIS 系统的要求，具有输人和管理 GIS 数据的基本功能；应具有良好的性能，特别是在常用的功能方面具有良好的效率；应能接收处理汉字；提供较好的用户界面和联机帮助信息；能提供良好的二次开发工具；应具有良好的扩充性并且具有进一步的升级能力。8鉴于整个测绘 GIS 系统的开发应当融人国家基础地理信息设施的建设中，系统安全性非常重要，所以作者建议采用国产化软件，如 MAPGIS系统集成应用开发方面可选择 Visual C+作为开发工具语言。VC+是面向对象的程序语言，其开发功能强大。 系统对硬件也应有一定要求。硬件配置上应具
15、备快速、灵活以及方便等特点，以适应我国不同城市以及部门的要求。配置能满足 GIS 软件对微机、工作站、服务器的环境要求。 5.2 数据库设计 数据库设计和建立关系到整个系统的运行效率，应本着最小数据冗余度和最小单元化的原则，以满足测绘产品的生产为基本出发点，将整个系统的大地测量数据、海洋数据和城市测绘数据根据其属性分别存储到空间数据库和属性数据库之中。数据存储时根据不同的子系统和数据的要求，生成不同的表。 整个系统在数据格式、编码等方面必须具有统一的标准。以实现数据共享、减少冗余、方便更新和维护，同时要最大限度的维护数据的独立性。通过各种措施如数据细化等，加强空间数据库和属性数据库的结合，提高
16、系统的运行效率。 数据库的安全性是一个重要的方面，对不同的用户要赋子不同的权限，以维护数据的安全和一致性。 5.3 人员配备和系统管理制度 整个系统应具有合理的人员配备和严格的系统管理制度，以对系统进行管理和维护。其中人员配备应该形成整套的行政管理体系，并严格9遵照系统管理制度，以提高协作、管理的效率。 6 服务支持 整个系统应采用服务器/客户机体系，加强数据共享，同时便于数据的及时交流、存放和管理，使客户端经过系统验证可对服务器上的数据进行不同权限的访问和操作。如测绘员在野外将测量数据传回服务器端，由服务器端工作人员及时进行内业处理和存放、更新。 不同的子系统之间、不同的区域之间均可进行一定
17、的数据共享和访问，整个系统则由最高管理机构进行统一管理和调度，各部门提供必要的专题数据，同时系统又为各部门提供服务支持。 7 GIS 发展趋势展望 一个优秀的 GIS 软件应具备支持数字(区域、城市)地球的能力，应是在 OS、DBMS 等软件之上的应用集成平台.GIS 软件的发展要实现从简单的二维或三维处理向多维处理的转变；实现从以系统为中心向以数据为中心的转变；实现从面向地图的处理向面向空间实体及其时空关系处理的转变；实现从单纯的管理型向分析决策型转变.在技术体系上，GIS 软件的发展应向以下几个方向努力。 (1)数据组织与融合方面。目前计算机运算速度能满足海量空间数据的运算，因此要改变以图
18、层为基础的组织方式，实现直接面向空间实体的数据组织；实现不同尺度空间数据之间的互动；实现矢量数据、影像数据的互动；实现多维属性与嵌套表组织；实现多源空间数据的装载与融合，支持数据仓库机制；具有强大的索引机制。 (2)数据存储、查询和分析处理方面。实现从面向过程的分析、处理10手段向面向问题的分析、处理手段发展；实现以空间数据为基础的数据挖掘；实现联机分析处理(OLAP)与联机事务处理(OLTP)；实现扩充的、支持空间的“关系”概念与“关系运算” 。 (3)空间数据管理和计算方面。实现多用户同步空间数据操作与处理机制；实现数据、服务代理和多级 B/S 体系结构；实现不同 GIS 系统之间的互连与
19、互操作；实现空间数据分布式存储与数据安全；实现空间数据高效压缩与解压缩。 (4)三维和时序处理能力方面。实现空间数据的增量存储和快速还原能力；实现快速广域三维空间的计算和显示；实现混合式三维空间数据模型；实现时空数据处理与分析机制。 (5)应用集成能力方面。实现有效的地理信息系统(GIS)、遥感(RS)、全球定位系统(GPS)的集成；实现应用模型的支持能力；实现 GIS 与 OA的有机集成；实现 GIS 与 MIS、特别是 ERP 的有机集成；实现 GIS 与 DCS的有机集成；实现有实时能力的嵌入式 GIS 与各类设备的集成。 (6)操纵能力方面。建立模型定义语言及其支持机制；实现数据空间化与可视化支持；实现多通道用户界面；实现一定的虚拟现实表达. 结语 整个测绘 GIS 系统的开发是一项复杂的工程，不可能一步到位，应遵循循序渐进、先易后难的原则，以大地测量数据为基础，先进行重点区域的建设。整个过程中，各部门的协调和支持也是十分重要的。 经过 20 多年的发展，我国地理信息系统产业已经形成，正在进入快速发展阶段。随着信息社会的到来，地理信息系统将更为广泛地应用到
