探索地理信息系统的概念与组成

（一）GIS的基本概念

地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析、处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。

通过上述分析和定义可提出GIS的基本概念。

（1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等。这些子系统的优劣、结构直接影响GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。

（2）GIS的操作对象是空间数据和属性数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是，每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GIS区别于其他信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。

（3）GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。

（4）GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数。电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托，有学者断言，地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地。GIS被誉为地学的第三代语言 ── 用数字形式来描述空间实体。

GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时，应统一规划这两种系统的发展，以减小重复浪费，提高数据共享程度和实用性。

（二）地理信息系统的组成

完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统，计算机软件系统，地理空间数据，系统管理、开发和人员，其核心部分是计算机软硬系统。空间数据库反映了GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定了系统的工作方式和信息表示方式。

1.计算机硬件系统

计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。由于GIS任务的复杂性和特殊性，所以必须由计算机设备支持。GIS硬件配置一般包括以下四个部分：

（1）计算机主机。

（2）数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通信端口等。 （3）数据存储设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等。

（4）数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。

2.计算机软件系统

计算机软件系统指GIS运行所必需的各种程序，通常包括以下两类。

（1）计算机系统软件。

计算机系统软件指由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。

（2）地理信息系统软件和其他支撑软件。

地理信息系统软件和其他支撑软件可以是通用的GIS软件也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。

GIS软件按功能可分为以下几类：

① 数据输入。

将系统外部的原始数据（多种来源、多种形式的信息）传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式的过程。如将各种已存在的地图、遥感图像数字化，或者通过通信或读磁盘、磁带的方式录入遥感数据和其他系统已存在的数据，还包括以适当的方式录入各种统计数据、野外调查数据和仪器记录的数据。

数据输入方式与使用的设备密切相关，常有三种形式：A.手扶跟踪数字化仪的矢量跟踪数字化。它是通过人工选点或跟踪线段进行数字化，主要输入有关图形点、线、面的位置坐标。B.扫描数字化仪的光栅扫描数字化，主要输入有关图像的网格数据。C.键盘输入，主要输入有关图像、图形的属性数据（即代码、符号）。在属性数据输入之前，须对其进行编码。

② 数据存储与管理。

数据存储和数据库管理涉及地理元素（表示地表物体的点、线、面）的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。用于组织数据库的计算机系统称为数据库管理系统（DBMS）。空间数据库的操作包括数据格式的选择和转换，数据的连接、查询、提取等。(www.xing528.com)

③ 数据分析与处理。

数据分析与处理指对单幅或多幅图件及其属性数据进行分析运算和指标量测。在这种操作中，以一幅或多幅图作为输入，而分析计算结果则以一幅或多幅新生成的图件表示，在空间定位上仍与输入的图件一致，故可称函数转换。空间函数转换可分为基于点或象元的空间函数，如基于象元的算术运算、逻辑运算或聚类分析等；基于区域、图斑或图例单位的空间函数，如叠加分类、区域形状量测等；基于邻域的空间函数，如象元连通性、扩散、最短路径搜索等。量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指标的计算。函数转换还包括错误改正、格式变性和预处理。

④ 数据输出与表示模块。

输出与表示是指将地理信息系统内的原始数据或经过系统分析、转换、重新组织的数据以某种用户可以理解的方式提交给用户，如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上，或采用CRT（Cathode Ray Tub）显示器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出，也可以将结果数据记录于磁存贮介质设备或通过通信线路传输给用户的其他计算机系统。

⑤ 用户接口模块。

该模块用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。系统通过菜单方式或解释命令方式接收用户的输入。由于地理信息系统功能复杂，且用户往往又为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分，它通过菜单技术、用户询问语言的设置，采用人工智能的自然语言处理技术与图形界面等技术，提供多窗口和鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出操作指令提供方便。该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这就使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。

⑥ 应用分析程序。

应用分析程序是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在优秀的GIS工具支持下，应用程序的开发是透明的和动态的，与系统的物理存贮结构无关，而随着系统应用水平的提高而不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成GIS的具体内容。这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上又决定了系统的实用性、优劣和成败。

3.地理空间数据

地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通信系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS的地理空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括以下三种互相联系的数据类型：

（1）某个已知坐标系中的位置。

某个已知坐标系中的位置即几何坐标，主要指标识地理实体在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。

（2）实体间的空间相关性。

实体间的空间相关性即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系、边界线与面实体间的构成关系、面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。

（3）与几何位置无关的属性。

与几何位置无关的属性即常说的非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级。定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，是通过分类、命名、量算、统计得到的。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的。因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。

地理信息系统特殊的空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。

4.系统开发、管理和使用人员

人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。

（三）GIS在物流领域中的应用

GIS在物流方面的应用主要体现在以下几个方面：

1.车辆定位、实时监督、车辆跟踪功能

GPS技术的应用能够实现实时快速的定位，这对于现代物流的高效率管理来说是非常核心和关键的，能够方便地实现总部对于车辆运输情况的实时监控，随时了解最新的情况；结合GIS技术，可以利用网络分析和路径分析等功能，科学快速地预先设定运输的最佳路径，当利用GPS信号反馈回来的汽车运行路径偏离原定路线的时候，就可以发出系统警告，以便决策层针对实际情况做出快速反应。

2.GPS导航功能

GPS在车辆导航方面的技术已经逐渐成熟，主要是结合GIS技术，利用车载GPS接收机获取车辆位置信息，使用车载电子地图进行图上定位等。在现代物流信息系统的城市配送子系统中，这种技术有非常高的实用价值，能很好地解决物流配送效率不高这一瓶颈。

3.轨迹回放功能

这也是GIS和GPS相结合的产物，也可以作为车辆跟踪功能的一个重要补充。