什么是地理信息系统的应用模型

‘壹’ 地理信息系统的基本功能和应用功能的区别和联系

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
应用功能:GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。

‘贰’ 地理信息系统的应用有哪些

地理信息系统的应用有：城市规划、建设管理，农业气候区划，大气污染监测管理，道路交通管理，地震灾害和损失估计，医疗卫生，军事。

城市规划、建设管理

城市是人类活动高度集中的区域，同时也是信息、物质高度集中的区域。随着科技的进步和经济的发展，城市系统越来越复杂，数据和信息越来越多，服务要求越来越高。城市管理面临着新的挑战，为了城市的现代化、生态平衡和持续发展，城市需要全面的规划，而地理信息系统给城市的规划和管理带来了新的工

农业气候区划

采用新技术、新方法、新资料，开发"农业气候区划信息系统（Agriculture & Climate Distributed Information System,简称ACDIS）"软件，建立气候资源开发利用和保护监测体系，实行资源平面与立体，时间与空间全方位优化配置；发挥区域气候优势，趋利避害减轻气候灾害损失，提高资源开发的总体效益。为各级政府分类指导农业生产，农村产业结构调整，退耕还林防止水土流失等提供决策依据，为地方政府服务。

大气污染监测管理

随着经济的发展，环境污染直接影响了人们的生活质量，环境质量问题也得到了越来越多的重视。污染环境包括水污染、大气污染、固体废弃物污染等，其中就大气污染而言，城市区域由于受到工业生产、居民生活的影响，成为大气污染发生的集中区域，历史上几次严重的污染事故，如伦敦烟雾事件（1952）、洛杉矶光化学烟雾事件（1943），都是发生在大城市。近几十年来，研究者对大气污染问题进行了大量研究，并且通过实验或计算来建立适合于特定区域的大气污染物扩散模式以及确定相关参数的计算方法。

道路交通管理

近年来，GIS在交通方面的应用得到了广泛的重视，并形成了专门的交通地理信息系统GIS-T，以满足道路交通管理方面的要求。路廓设计是公路设计中的一个重要环节，是定出公路最终线向的一个步骤。在路廓设计中，要综合分析多种空间数据，包括大比例尺的土地利用图、地形图以及现有的道路网等。

地震灾害和损失估计

对地震灾害以及地震次生灾害的评估对于一个区域的降低危险，资源分配以及紧急响应规划具有重要的意义，而通过存储和分析地质构造信息，利用GIS可以预测地震发生的"场景"并估计该区域由于地震引发的潜在损失。此外，GIS也提供了有力的工具使得在地震实际发生时，分析灾害严重程度的空间分布，帮助政府分配紧急响应资源。

地貌

地貌学理论发展和生产实践需要加强计量地貌研究。然而，由于地貌现象的复杂性、地貌数据的庞大等多方面的原因，需要在地貌研究中采用GIS工具，使其成为地貌定量研究的一个有效途径。

医疗卫生

由于流行病是用于描述和解释某种疾病的发病率，从空间的角度来看，流行病学需要很好地描述流行病发病率空间分布特征的手段，进而可以研究发病率模型，以发现流行病和周围环境的关系。通常，GIS在流行病研究中主要提供了如下三个方面的功能：流行病数据的可视化，空间数据分析，流行病模型等。

军事

军事是以准备和实施战争为中心的社会活动。一切军事行动都是在一定的地理环境中进行的，地理环境对军事行动有着极其重要的影响与作用。随着人类社会向信息化迅速发展，未来高技术战争中信息对抗的含量将越来越高，特别是高技术条件下的局部战争，由于战争爆发突然，战争进程加快、战机稍纵即逝等特点，对作战指挥的时效性有了更高的要求。指挥决策智能化、作战指挥自动化、武器装备信息化成为未来战争取胜的关键。在这种需求下，出现了数字化战场，数字化的地理环境信息已成为指挥决策的必要条件之一。因此，作为空间军事信息保障的军事地理信息系统已成为现代化军事斗争的一项重要内容。

‘叁’ 地理信息系统的数据模型包括那些相互联系的方面试举例说明

1.引言

经过几十年的发展，今天的GIS系统已经具备了较强的数据存贮、管理和输入输出功能，但目前大多数的GIS仍然是以数据为中心的，在完整表达客观地理世界、进行高层次的空间分析和直接提出决策方案的能力方面还远远不够，导致这种情况的根本原因在于现有GIS的数据模型不能准确地表达客观地理世界。为此，作者为现有GIS软件总结了两种典型的数据模型[1]：拓扑关系数据模型和面向实体的数据模型，并分析了它们各自的优缺点，指出应该在整体论的基础上为地理空间建立一个能够直接反映人们认知的整体数据模型。

2.面向对象的整体数据模型

GIS本质上是对客观地理世界的近似模拟，其理想状态应该是尽可能准确地反映地理世界，同时做到数据量最小，又便于人们从中获取所需要的信息和规律。要达到这种理想状态，我们需要做好两步工作：1）准确理解地理空间；2）为地理空间建立面向对象的整体数据模型---一个基于地理空间整体论、完全以面向对象方式组织的GIS数据模型。
地理空间的理解可以简单概括为[1]：地理空间是一个目标组合排列集，每个目标或说对象都具有位置、属性和时间信息，及与其它对象的拓扑关系、语义关系等。基于这一认识，我们可以得到，表达地理空间的整体GIS数据模型有如下特征：
■ 将地理空间按照人的思维方式理解为基于目标的空间和定义在地球表层目标集上的关系。除了要研究对象的几何位置及拓扑关系外，还要重视研究对象间的语义关系。
■ 整体数据模型虽然要求我们将客观世界作为整体看待，但在执行具体的数据组织时也需要对众多的地理实体进行分层。分层是基本的和必要的，但由于为一种目的进行的分层很难满足另外的需求，因此重要的不是提供一种通用的分层，而是对方便地加入、删除对象等维护层的操作予以足够的支持。复合图层含有不按对象维数分层的含义，能够很好地体现客观 世界的整体特征，为不同层中的关联对象或用户感兴趣的不同类型对象提供了一个集中存贮与交互的独立空间，整体数据模型尤其应该增强复合图层的功能，使用户能够自由地加入、删除、修改、查询任意类型（点、线、面和复杂实体）的地理实体，同时能够进行强大的空间分析；
■ 虽然传统的GIS数据模型常将基于对象的模型用矢量结构表达，而将基于场的模型用栅格结构表达[2][3]，其实可将对象和连续场这两种看似对立的模型统一在面向对象的整体数据模型中，因为面向对象的方法作为一种框架不仅可以描述基于对象的模型，也可以描述基于场的模型[3][4]。
■ 空间对象是处在三维空间中的，并具有多尺度特征。
■ 整个数据模型完全以面向对象的方式组织。

由上可见，在整体数据模型中，地理空间被表达为一个具有相互关系的对象集。每个对象不仅具有自己的几何信息、属性信息和时间信息，而且与其它对象之间具有拓扑关系和语义关系。所有这些信息在整体数据模型中都处于同等重要的地位，其中起着连接作用的是对象本身。根据对象的形状特点，同时为了方便计算机实现与管理，我们可以将地理空间中的对象分为5种基本对象：点、线、面、注记和复杂对象。其中，前面四种对象比较简单，统称为简单对象，这里只介绍第5种对象---复杂对象。
复杂对象是由简单对象组合派生的，可以划分为如下两种类型：
1）单纯型复杂对象
多个同样类型的对象合并成为一个单纯型复杂对象。·复杂点：点群，由多个点状对象构成的集合，整个集合是一个对象，如聚集在一起的多个水文站等；•复杂线：线群，由多个线状对象构成的集合，整个集合是一个对象，如一线状水系，一径流网络等；·复杂面：面群，由多个面状对象构成的集合，整个集合是一个对象，如一湖泊群，一海洋群岛等。
2）混合型复杂对象
点、线、面共存的复杂对象。混合型复杂对象的混合种类包括：点与线混合，点与面混合、线与面混合及点、线、面同时存在的混合，多个不同类型对象合并成一个就构成了混合型复杂对象，因此混合型复杂对象不属于点、线、面中的某一基本类型，在属性上也就不具备这些基本类型对象的一些特有信息，如线对象的长度，面对象的面积和周长等，这在数据库表结构的设计中要予以必要的考虑。
单纯型复杂对象可以在相应类型的简单对象集中存贮和在相应图层中显示，也可以在复合对象集中存贮和在复合图层中显示；混合型复杂对象只能在复合对象集中存贮和在复合图层中显示，它们不适合存入简单对象集，也不宜在点、线、面简单图层中显示，因为它们的加入会破坏简单对象集和简单图层的专题特性，也不便于管理。
上面介绍的这5种对象在地理空间中都是以三维形态存在的，但由于三维GIS建设的成本较高，在技术实现上也有相当的难度，而目前二维GIS能够满足大部分实际需求，因此我们在表达三维客观地理世界、实现整体GIS数据模型时以开发二维GIS为主，而在某些需要查看具体三维细节的地方提供机制以表现其三维结构，例如可以另开辟一个小的三维地图窗口来表现对象的三维形状、结构和拓扑关系等。
时间问题[5]-[8]、语义关系和拓扑关系[9]-[11]一直是GIS界长期研究的热点，虽然它们在整体数据模型里面占有很重要的位置，但是本文的重点在于确定整个数据模型和系统的总体组织，对它们的具体讨论将在以后逐步展开。

3 系统数据组织

3.1 对象集

对象集是指由众多对象构成的集合。划分对象集的目的在于存储和管理对象的方便，它可以是由同种几何类型的对象构成的集合，也可以是由不同类型对象组成的集合。在整体GIS数据模型中，有如下三类对象集：
■ 简单对象集：包括简单点对象集、线对象集、面对象集和注记对象集四类；点对象集是由简单点对象或单纯型复杂点对象组成的集合，线对象集是由简单线对象或单纯型复杂线对象组成的集合，面对象集是由简单面对象或单纯型复杂面对象组成的集合。简单对象集也可称为专题对象集。
■ 复合对象集：由简单点、线、面对象、注记对象、单纯型复杂对象或混合型复杂对象等不同类型对象组成的集合。在这种对象集合中，可以包含任意类型的对象元素；
■ 场：场是由有机关联的对象构成的集合，其中的元素在几何上不再相互独立，而是紧密相关，这一点与以上两种对象集不同。如TIN、GRID、影像和网络等。场中的元素对象一般较多，场本身就是一个对象集，因此我们在概念上不再另设场对象和场对象集。
由上可见，对象类型与对象集类型并不是完全一一对应的，例如：单纯型复杂线对象与简单线对象一样分别存贮与显示在简单线对象集和简单线图层中，不必要专门的单纯型复杂线对象集和单纯型复杂线图层来存贮和显示。
除了点、线、面三种单纯型复杂对象外，其它各种对象（点、线、面简单对象、注记对象和混合型复杂对象）与对象集类型都是一一对应的。另外，场是一种对象集，不过由于其中的元素并不是场对象（没有场对象概念），因而场与场中的元素也不存在一一对应的关系，但在实现时开发者完全可以设计一个场类来管理各种各样的场。
值得指出的是，整体GIS数据模型认为人们感知的客观世界是一个由众多类型不同的地理实体组成的整体世界，而不是人为分割的、僵化的对象层，但由于分层能够为GIS管理和显示地理对象提供极大的方便，因此我们在基本分层（在本文中是对象集）的基础上，特别提出并强调复合对象集的概念，以此来表达和实现整体GIS数据模型的整体思想。复合对象集打破了GIS中传统分层的框架，为不同对象集中的关联对象或用户感兴趣的不同类型对象提供了一个集中存贮与交互的独立空间，但同时也为系统开发和管理带来了一定难度。比如，单纯型对象集的显示、修改、存贮、管理、分析和输出都可采用统一的方法进行，而复合对象集的这些操作则必须在内部进行分别处理（按对象类型）。虽然如此，但单纯型对象集与复合对象集都是为了满足不同的用户需求而设计的，二者在对象组织、系统实现和空间分析上各有优缺点，一个功能强大的GIS应该同时支持它们。

3.2 图层

对象集加上自己特有的显示属性即是图层，因此对象集类型与图层类型是一一对应的。由于对象集包括点、线、面、注记对象集、复合对象集和场6种基本类型，因此图层也有相应的点、线、面、注记图层、复合图层和场图层6种基本类型。对象集用来存贮对象的空间与属性数据，而图层则用来设置对象集的显示风格并控制对象集的显示范围、显示比例和操作特性（如可显示、可选择、可编辑和可捕捉等），二者各司其职又相互联系。在对应关系上，一个图层只对应一个对象集，而一个对象集却可显示在不同的地图窗口中对应多个图层，因此对象集与图层之间的关系是一对多的关系。

表1 各种对象的存贮与显示对比表
Tab.1 Contrast of store and display of all kinds of objects

对象类型
存贮的对象集
显示的图层

点与单纯型复杂点
简单点对象集表
简单点图层

线与单纯型复杂线
简单线对象集表
简单线图层

面与单纯型复杂面
简单面对象集表
简单面图层

混合型复杂对象
复合对象集表
复合图层

场
多个非同类简单对象集表
场图层

注记对象
注记对象集表
注记图层

3.3 数据库

我们这里所说的数据库是指广义的数据库，其定义为“存贮对象的集合”。物理上不管是以文件形式还是以商业数据库形式存在，只要存贮有对象，我们都称为数据库。就综合性能而言，一般是文件系统在小量数据方面有自己的长处，而商业数据库则对大量数据的支持有着文件系统无法替代的优势。

3.4 地图或地图窗口

对象集是用来存贮地理对象的，图层是用来控制对象的显示的，两者都不等同于地图或地图窗口。我们的地图或地图窗口是一种框架，是显示对象的实际载体，也是控制图层并对之进行操作和分析的主体。

3.5 工作空间

工作空间是为系统管理方便而设计的，相当于一个大的仓库，里面存贮有数据的基本信息，如数据库的名字与尺寸、地图和其它资源（如点、线、面型符号）。系统运行时可调入数据库对之进行管理控制。

4 数据存储与访问

4.1 存储结构

4.1.1 简单对象集对应的表结构

如前文所述，对象集包括点、线、面、注记对象集、复合对象集和场6种基本类型，因此在数据库中应该设计与之对应的6种表。对于文件系统而言，表的概念可以扩展为结构，也就是说用6种结构来存贮这些对象集的各个元素。其中，结构的成员与表的字段是一一对应的，为了操作方便，我们还可以定义一个专门的类来管理这个结构。对于商业数据库而言，表就是关系数据库系统中的普通表，不必进一步考虑。
不同的对象类型对应不同的表，但所有对象集都可采取形如表2的结构，当然不同类型的对象集在空间坐标串的组织及属性字段名字上会有不同。由于点对象与单纯型复杂点对象除了空间坐标串组织方式稍有不同外（不过都是用同样的方法打包成外部不可见的二进制块，可视为相同），其余字段都相同，因此它们可以共存于一个表，也可以一起显示在同一图层中，在各方面的处理上几乎没有什么差别。线对象与单纯型复杂线对象、面对象与单纯型复杂面对象的关系与此类似，也可同存于一个表和在同一图层中显示。当然，简单对象与单纯型复杂对象的空间坐标串的组成结构不同，单纯型复杂对象应该有能够识别多个同类型简单子对象的格式或标记。对于混合型复杂对象，必须用单独的混合型复杂对象表存贮，表结构中除了没有简单对象公有的长度、面积等字段外，其它字段均可根据需要进行设置，结构形式仍同于表2。

表2 简单点、线、面对象及单纯型复杂点、线、面对象表
Tab.2 Data structure of all kinds of objects

对象ID
用户ID
空间信息
语义关系1…
属性1…
属性n

…
…
…
…
…
…，三维结构与时间表存在的标志

由上可见，我们并未如拓扑关系模型那样在面对象表的空间坐标字段里用一系列弧段标识号来表示面对象的组成，而是直接用其坐标串。虽然这样在多边形的公共边上会有重复存储现象出现，但在计算机存储设备日益增大的今天，这已经不再是主要问题，相反这种坐标存储方式使面对象表不再依赖线对象表，其中的元素也变成为相对独立、完整的对象，同时也将提高系统访问数据的速度。这种方式是面向实体的数据模型和面向对象整体数据模型在内部实现机制上的一个特色，是一种以空间换时间的存储方式。

4.1.2 三维结构与时间属性的表结构

目前的GIS仍然以二维GIS为主，但有时又需要查看少数对象的三维结构与时间特性，因此我们在整体GIS的数据库中为这部分对象单独设计了“三维结构与时间表”。为了讨论方便，我们把上面的表2称为主表，而把这个表称为副表（表3）。副表中并不存储整个对象集的全部对象，而是只存储部分具有三维结构与时间特性的对象。至于哪些对象能有三维结构与时间属性存贮在副表中，则要看它们在主表中最后一个属性字段里的标志值。如果标志值为真，则有，否则在三维结构与时间属性表中就没有这些对象。
有时候对一部分对象我们只关心其三维结构或只关心其时间属性，这部分对象的取值不能简单地设为真或假，此时要修改标志变量的值域将之设置为4值域，即V={0, 1, 2, 3}，其中0表示既没有三维结构又没有时间属性，1表示有三维结构但没有时间属性，2表示没有三维结构却有时间属性，3表示两者都有。如果整个对象集中存在值为1或2的对象，那么该表就要拆分成两部分以分别存储它们的三维结构与时间属性，当然这些对象的其它信息仍然存储于主表中。

表3 三维结构与时间表
Tab.3 3D data structure and time attribute of all kinds of objects

对象ID
三维结构
时间属性1
时间属性2
时间属性n

…
…
…
…
…

4.1.3 复合对象集对应的表结构

复合对象集是整体GIS数据模型中一个很重要的概念，对于复合对象集，我们可以用两种方式存贮它。1）物理方式，即在物理上将对象的所有信息都集中存放于一个表中。由于不同类型对象的字段不尽相同，因而必然会造成一些字段的空间浪费，例如点对象的长度和面积字段在现实世界中没有实际意义，所占空间自然就是浪费。显然，复合对象集中对象的类型越多，造成的空间浪费就越大。不过，如果复合对象集中包含的对象类型只是简单点与单纯型复杂点，或简单线与单纯型复杂线，或简单面与单纯型复杂面，那么就不会存在字段不一致导致的空间浪费问题。2）逻辑方式，即复合对象集中只存贮对象的系统ID号，而实际的信息仍存在于简单点、线、面对象和单纯型点、线、面复杂对象表---主表中。只是当读取复合对象集中对象的信息时，要打开并访问相应类型的主表，需要耗费一定的系统时间。到底采用何种方式合适，要视具体情况而定。作者的建议是，当复合对象集中对象类型较少时，采用物理方式较为合适。反之，采用逻辑方式则更为合理。作为一个好的GIS系统，应该对这两种存贮方式都进行强有力的支持。

4.1.4 场对应的表结构

面向对象的整体GIS数据模型不仅在概念上将地理对象作为一个个独立的实体看待，而且在内部存储上也是将它们独立存储，各对象表之间并不存在拓扑依赖关系，这一点与基于拓扑关系的数据模型有很大的不同。那么，面向对象的整体GIS数据模型如何处理对象间的拓扑关系呢？我们知道，拓扑模型存贮对象间拓扑关系的一个很重要的目的是为了实现数据共享（同时也降低了访问速度），整体GIS放弃了这一点，它在对象的单个表中为每个对象都存贮了完整的坐标信息。拓扑关系在GIS中并不是最基本的信息，当在特殊情况下需要时我们可以将它们临时构建出来，生成的拓扑关系存放于新的对象集中，形成专门的具有拓扑关系的对象集，这种对象集就是场（这里特指矢量场）。场表的字段设置基本上采用了拓扑关系数据模型的表结构，面与线之间的坐标存储具有依赖关系。
其实，拓扑关系数据模型中预先存储的拓扑关系和整体GIS数据模型中临时构建的拓扑关系都是最基本的点、线、面邻接关系，并未涉及到相交、相离、覆盖等更多的拓扑关系，邻接关系也是拓扑关系中最常用的一种，因此我们只讨论点、线、面间的邻接拓扑关系，其它关系可根据空间查询和分析运算得到。
1）网络场
网络场是包含并强调点、线拓扑关系的最典型代表，网络场对应的对象表有两个：以弧段为主的弧段---结点表（表中含坐标串字段）与以结点为主的结点---弧段表（表中可含结点坐标字段，也可不含）。其中结点---弧段表中可存贮弧段标识号，也可不存（如果不存，可在弧段---结点表中查得结点的弧段），但结点表一定要存在，因为结点有属性要保存。网络场的两个表包含了点与线之间的邻接拓扑关系，我们可以通过它们查得任意结点的邻接弧段和结点，可以查得任意弧段的起止结点。弧段的位置信息一般存于弧段---结点表的空间坐标串字段中，端点的坐标可存于该字段中，也可在结点---弧段表中设一坐标字段存贮。
2）TIN场
TIN场由两类表即可存贮：三角形表和点表。三角形的坐标存于点表的坐标字段中，三角形表本身不存储坐标信息，而只存三角形顶点序号，这些序号的排列有严格的顺序，不能随意颠倒。
3）点-线-面场
有了多边形---弧段、弧段与结点和多边形、结点---弧段三个表，我们就可以得到任意多边形、任意弧段和任意结点的拓扑邻接关系[1]。其中弧段与结点和多边形表是枢纽，为弧段默认设置了空间坐标串字段、从结点、到结点、左多边形和右多边形5个字段。含有这种点、线、面之间拓扑关系的典型场有城市街区图、地籍管理中的宗地等。
其它场如GRID模型、影像数据是栅格数据管理的范围，数据结构相对简单，本文不作讨论。

4.1.5 数据库选择

在数据库类型选择上，有三种模式可供参考：
■ 全文件方式，即空间数据和属性数据都存贮在文件系统中；
■ 文件数据库混合方式，即空间数据存贮在文件系统中，而属性数据存贮在商业数据库中；
■ 全数据库方式，即空间数据与属性数据都存贮在商业数据库中，两种数据可以存放于同一个表也可分别存放于两个表中。

4.2 访问机制

上一小节讨论了地理对象的存贮方式，作为一个大的空间数据库，仅有这些表是不够的。6种基本对象集表只是给我们提供了装载对象的空间，其中的商业数据库表虽然也给我们提供了访问接口（文件系统中表的接口则需要我们自己开发），但究竟如何进行有效的调度访问则还需要进一步设计和组织。

4.2.1 空间索引

我们知道，由于每个表具有相对固定的字段结构，因此一个表只适合存贮类型相同的对象，在整体GIS数据模型里，一个表通常对应一个对象集。一个数据库中往往有多个表，为了管理表的方便，可以用一个统一的表---总表来管理所有对象集对应的表，总表使我们在不必访问数据库各表的情况下就能得到它们的基本信息（如对象集的范围、对象集的索引表等）。一个数据库中只存在一个总表。
在解决了统一管理对象集表的问题后，进一步，为了快速访问各表中的地理对象，我们可以为每个表建立空间索引和属性索引。属性索引可以直接利用关键字在数据库中建立，而空间索引则需要采用一定的算法来实现，常用的方法有R树索引、网格索引和四叉树索引等。为每个对象分配的空间索引编号都存在该对象集的空间索引表中，即一个对象集表对应一个空间索引表。一个数据库中所有对象集表和相应的空间索引表都只对应一个总表。

表4 对象集表对应的空间索引表
Tab.4 Spatial index table of all kinds of object sets

索引块编号 索引块内的对象ID集合

…
….

4.2.2 对象存取

关系数据库以结构简单规范着称，访问存取操作技术也易为人们理解和掌握。当我们把地理对象存入数据库中以后，后面对这些对象的访问、修改也就容易了，在表中加、删记录也相当简单。采用的方法都是将给定的空间、属性条件组织成标准的SQL语句，输入查询算子里面执行即可。当然，对于空间条件的处理，需要自己写算法实现。总体来说，对数据库中对象的访问是以记录集为媒介的，不管是读出对象信息，还是修改、加入、删除记录（写进），都要通过记录集进行，因此必须首先进行查询（SQL查询和空间查询）得到带有所需字段的记录集。对于不支持这种规范化操作的文件型数据库，可以自己开发类似的访问引擎实现对象存取。图3表示了在数据库中进行对象存取的一种机制。

5 系统实现

相对于以前的GIS数据模型而言，整体模型更能真实地逼近客观世界，我们开发的商品化软件---SuperMap 系列软件很好地体现了整体GIS数据模型的思想，能够满足整体GIS的大部分需求，目前已经在国内外市场上得到了广泛应用。

图4展示的是SuperMap系列软件之一的通用桌面GIS系统---SuperMap Deskpro 3.0版本，该系统完全以面向地理实体的方式组织，不仅存贮有地理实体的位置与属性信息，而且能够方便地存取实体之间的拓扑关系和语义关系。在图层的组织方面，不仅符合用户对地理世界的直接感知模式（通过复合对象集实现），而且支持用户根据自己的需要对地理数据进行理性地思考、组织、存贮、管理与显示（简单对象集不仅能满足用户的专题需要，同时也能避免用户误操作对专题数据统一性的破坏）。在数据存贮与管理方面，既支持小数据量的文件型数据库，同时也支持市场上广为流行的大型商用数据库，如SQL Server和Oracle等，空间索引和查询的速度也满足海量数据用户的实际需求。作为桌面GIS系统，SuperMap Deskpro 3.0为用户提供了友好的图形界面，在操作上也为用户批量处理数据提供了很大的方便。SuperMap Deskpro 3.0参加国家科技部和国家遥感中心组织的2001年度国产地理信息系统软件测评后，作为优秀的桌面GIS产品获得了科技部的表彰推荐。

6 结语

用户感知到的地理世界是一个整体，而不是一个个数据层，而且是动态变化和处于三维空间中的。地理世界中的各种实体之间具有拓扑关系和语义关系。为了使做出来的GIS尽可能地符合用户对地理世界的认知，面向对向的整体GIS数据模型及其实现系统需具有如下特点：

1) 强调拓扑关系与语义关系；
2) 强调特定对象的三维结构与时间属性；
3) 重视在复合对象集与复合图层方面增强功能，例如增加任意类型的对象与对象集；
4) 面向对象与拓扑关系数据结构相结合、面向实体与面向场数据模型共存；
5) 客观世界是一个整体，本质上没有GIS的分层概念，但有时在GIS系统中也需要跨层研究对象之间的关系。对于这种跨层拓扑关系我们可以用三种方法揭示：①将各层显示在同一地图窗口中进行观察；②跨图层查询并将结果显示在同一地图窗口中，结果也可保存为地图或复合对象集；③利用整体数据模型中的网络场和点-线-面场有效地模拟跨层之间的拓扑关系。
6) 地理实体之间的语义关系可以通过对象的属性来标识。

‘肆’ 地理信息系统概论的目录

第1章导论
第1节地理信息系统基本概念
一、数据与信息
二、地理信息与地理信息系统
第2节地理信息系统的基本构成
一、系统硬件
二、系统软件
三、空间数据
四、应用人员
五、应用模型
第3节地理信息系统的功能简介
一、基本功能
二、应用功能
第4节地理信息系统的发展概况
一、发展概况
二、基础理论
复习思考题
第2章地理信息系统的数据结构
第1节地理空间及其表达
一、地理空间的概念
二、空间实体的表达
第2节地理空间数据及其特征
一、GIS空间数据的分类
二、空间数据的基本特征
三、空间数据的拓扑关系
四、空间数据的计算机表示
第3节空间数据结构的类型
一、矢量数据结构
二、栅格数据结构
三、曲面数据结构
第4节空间数据结构的建立
一、系统功能与数据源间的关系
二、空间数据的分类与编码
三、矢量数据的输入与编辑
四、栅格数据的输入
五、曲面数据的输入
复习思考题
第3章空间数据处理
第1节空间数据的变换
一、几何纠正
二、地图投影及其转换
第2节空间数据结构的转换
一、由矢量向栅格的转换
二、由栅格向矢量的转换
第3节多元空间数据的融合
一、遥感与GIS数据的融合
二、不同格式数据的融合
第4节空间数据的压缩与重分类
一、空间数据的压缩
二、空间数据的重分类
第5节空间数据的内插方法
一、点的内插
二、区域的内插
第6节空间拓扑关系的编辑
一、多边形连接编辑
二、节点连接编辑
复习思考题
第4章地理信息系统空间数据库
第1节空间数据库概述
一、空间数据库的概念
二、空间数据库的设计
三、空间数据库的实现和维护
第2节空间数据库概念模型设计
一、语义数据模型
二、面向对象的数据模型
第3节空间数据库逻辑模型设计
一、关系数据模型
二、逻辑模型设计
第4节空间数据库的物理设计
一、空间数据库的物理设计概念
二、空间数据库的物理设计步骤
第5节空间数据查询
一、空间关系查询类型
二、属性数据查询
三、空间属性联合查询
四、空间查询语言
第6节空间数据库索引
一、范围索引
二、格网空间索引
三、四叉树空间索引
第7节空间元数据
一、元数据及其作用
二、元数据实例
第8节空间数据库引擎
一、空间数据库引擎概述
二、空间数据库引擎的工作原理
第9节空间时态数据库
一、空间时态数据库概述
二、时空一体化数据模型
复习思考题
第5章空间分析的原理与方法
第1节数字地形模型分析
一、地形因子的计算
二、地形剖面线计算
三、DEM的通视分析
第2节空间叠合分析
一、空间叠合分析的概念
二、基于矢量数据的叠合分析
三、基于栅格数据的叠合分析
第3节空间邻近度分析
一、空间缓冲区分析
二、Voronoi多边形分析
第4节空间网络分析
一、网络图论的基本概念
二、计算最短路径的Dijkstra算法
复习思考题
第6章地理信息系统的应用模型
第1节GIS应用模型概述
一、GIs应用模型的分类
二、GIS应用模型的构建
第2节土地定级估价模型
一、技术路线
二、土地定级估价模型
三、应用实例
第3节适宜性分析模型
一、一般形式
二、应用实例
第4节发展预测模型
一、一般介绍
二、应用实例
第5节区位选择模型
一、数据准备阶段
二、综合影响评价阶段
三、区位选择分析阶段
第6节交通规划模型
一、交通发生量预测模型
二、出行分布预测模型
三、交通量最优分配规划
第7节地球科学模拟模型
一、确定土壤侵蚀的数值分析模型
二、设计土壤侵蚀数据处理流程
三、土壤侵蚀图的输出
复习思考题
第7章地理信息系统的设计与评价
第1节应用型GIS设计概述
一、系统设计的目的
二、系统设计的模式
三、系统设计的流程
第2节地理信息系统的设计
一、系统分析
二、系统设计
三、系统实施
四、系统运行和维护
第3节地理信息的标准化
一、地理信息标准化的内容
二、地理信息标准化的制定
第4节地理信息系统的评价
复习思考题
第8章地理信息系统产品的输出设计
第1节地理信息系统产品的输出形式
一、地理信息系统产品及其类型
二、网络地图和数字地球
第2节地理信息系统图形输出系统设计
一、图形坐标系与颜色模型
二、输出的几何变换
三、地形图与专题地图的输出组织形式
第3节地理信息系统的可视化与虚拟现实
一、三维空间制图模型
二、数字高程模型的构造
三、虚拟现实的设计与实现
复习思考题
附录
参考文献
……

‘伍’ 地理信息系统的应用有哪些

GIS 的应用领域
地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。 (加测绘、应急、石油石化等国民经济各个领域。)
以下地理信息系统的应用领域分别回答了在各自领域内的作用
◆ 资源管理 (Resource Management)
主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场)分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。
◆ 资源配置 (Resource Configuration)
在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。
◆ 城市规划和管理 (Urban Planning and Management)
空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。
◆ 土地信息系统和地籍管理 (Land Information System and Cadastral Applicaiton)
土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。
◆ 生态、环境管理与模拟 (Environmental Management and Modeling)
区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。
◆ 应急响应 (Emergency Response)
解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。
◆ 地学研究与应用 (Application in GeoScience)
地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。
◆ 商业与市场 (Business and Marketing)
商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年 龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。
◆ 基础设施管理 (Facilities Management)
城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、 电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。
◆ 选址分析 (Site Selecting Analysis)
根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充分体现了GIS的空间分析功能。
◆ 网络分析 (Network System Analysis)
建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。 警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。
◆ 可视化应用 (Visualization Application)
以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、着名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。
◆ 分布式地理信息应用 (Distributed Geographic Information Application)
随着网络和Internet技术的发展，运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统应用类型，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间导航等。

‘陆’ GIS是什么、应用于什么、能干什么用

GIS（地理信息系统）指地理信息系统

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一个特殊的、非常重要的空间信息系统。它是在计算机硬件和软件系统的支持下，收集、存储、管理、计算、分析、显示和描述整个或部分地球表面（包括大气）的地理分布数据的技术系统。

(6)什么是地理信息系统的应用模型扩展阅读：

地理信息作为一种特殊的信息，它同样来源于地理数据。地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，是指表征地理环境中要素的数量、质量、分布特征及其规律的数字、文字、图像等的总和。地理数据主要包括空间位置数据、属性特征数据及时域特征数据三个部分。空间位置数据描述地理对象所在的位置，这种位置既包括地理要素的绝对位置（如大地经纬度坐标），也包括地理要素间的相对位置关系（如空间上的相邻、包含等）。

‘柒’ 地理信息系统的基本分析功能与应用模型之间的区别和联系是什么

分析功能是基于现有数据按照一定规律或者参数进行计算得出结果这些规律和参数就可以构成一个应用模型 比如降雨量计算模型或者风力强度计算模型等但应用模型很多是专业领域的模型 其表现可以是参数表格 也可以是图表...

‘捌’ 　地理信息系统

地理信息系统（GIS）出现于20世纪60年代。它作为地学领域专家的有力工具受到越来越普遍的关注，开始在多个领域得到应用。

GIS是对地球空间数据进行采集、存储、检索、分析、建模和表示的计算机系统。它不仅可以管理数字和文字（属性）信息，而且可以管理空间信息（图形），并能提供各种空间分析的方法，对多种不同的空间信息进行综合分析解释，解决空间实体之间的相互关系，分析在一定地理区域内发生的各种现象和过程。GIS为地质学家提供了在计算机辅助下对地质、地理、地球物理、地球化学和遥感等多源信息进行综合分析和解释的有力工具。由于GIS具有交互式处理能力和快速运算能力，通过反复尝试，使地质学家能够比较容易地完善自己的知识模型。

GIS按其研究开发的目的可以分为国家基础地理信息系统、城市地理信息系统和企业地理信息系统等等；按其研究开发针对的范围可分为全球的、区域的和局部的地理信息系统；按其时空模型可分为二维（位置模型）、三维（位置模型＋数字高程模型）和四维（三维＋时间模型）地理信息系统或动态地理信息系统。

除了软件和硬件外，数据是地理信息系统的关键。GIS获取数据的主要手段有GPS（Global Positioning System：全球定位系统）、DTS（数字全站仪）、DPS（数字摄影测量系统）和RS（遥感技术）。

GIS于20世纪80年代中期开始在地学界得到应用。美国地质调查局在1985年建立了GIS实验室，鼓励专业人员应用新技术。仅仅几年时间在基础地质、环境与灾害、矿产资源评价和区域地质调查方面的信息管理项目即达几十个。

GIS在地学中的应用前景很广。信息经GIS分析处理，可绘出用常规测绘难以到达的地区如戈壁、沙漠、高原、雪山等的地形图。目前GIS在地学中的应用主要包括：

（1）地质找矿及矿产资源预测评价

德国发射的SPOT卫星主要用于石油、天然气及其他矿产的调查。它可对地貌进行立体观测，产生高分辨率、高精度的图像。使用该图像，在前期勘探阶段能准确、迅速查明地形、地表露头、岩性组合和覆盖区地下构造的基本形态。

（2）国土资源管理

我国于1990年利用GIS建立了1:100万全国国土资源信息系统和1:400万全国自然资源综合开发决策信息系统及某些省、市、县的国土规划与管理信息系统，用于国家与区域的经济建设和规划。

（3）自然灾害的评估与防治

我国于1990年建立了洪水险情预报系统。在1991年我国江淮地区发生的特大洪灾和1994年闽江和珠江流域等地发生的大洪灾中，太湖流域的1:25万GIS信息系统和1:20万GIS土地规划信息库结合遥感图像分别对洪水进行了监测，对灾情进行了准确的评估，使洪灾损失降到了最低限度。日本应用GIS分析1995年大阪神户地震引起的滑坡也是一个突出的例子。

在抗震设防区划和抗震防灾规划方面，利用GIS编制的抗震防灾规划具有应用方便、资料实用性强和能够实现资源共享等特点。

（4）建立地学信息库和编制地学图件

目前，不少国家，如美国、德国、法国、加拿大和中国等均已利用GIS进行了这方面工作。

‘玖’ 地理信息系统的基本分析功能与应用模型之间的区别和联系是什么

分析功能是基于现有数据按照一定规律或者参数进行计算得出结果
这些规律和参数就可以构成一个应用模型 比如降雨量计算模型或者风力强度计算模型等
但应用模型很多是专业领域的模型 其表现可以是参数表格 也可以是图表或者计算公式 不利于地理信息这种要与地理坐标相联系并且需要特殊的可视化效果的信息分析与表达
因此要构建适合于地理信息分析和表达的应用模型就要把如气象、农业等行业应用模型转变或者结合地理信息 做成与空间信息相连接的模型用于应用分析
举个例子：
用宗地图和房地产统计数据作分析可以得到各地块的房地产总价均价等，但房价与地块之间的关系要做成一个应用模型，其中就涉及地理位置、房产市场行情、人口数量与构成、收入统计等这类因素，会有各类计算公式，就很复杂了。

‘拾’ 地理信息系统中常用的空间数据模型有哪些

1、概念模型（场模型：用于描述空间中连续分布的现象；对象模型：用于描述各种空间地物；网路模型：可以模拟现实世界中的各种网络）
2、逻辑数据模型（矢量数据模型,栅格数据模型和面向对象数据模型等）
3、物理数据模型（概念数据模型在计算机内部具体的存储形式和操作机制,即在物理磁盘上如何存放和存取,是系统抽象的最底层.）