GIS的功能

GIS系统即地理信息系统 (GIS, Geographic Information System) 是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西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 *** 作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使 GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

地理信息系统是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。在计算机发展史上，在计算机发展史上，计算机辅助设计技术（CAD）的出现使人们可以用计算机处理象图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标（x, y）；线可以看成由无数点组成，线的位置就可以表示为一系列坐标对（x1, y1），（x2, y2），……（xn, yn）；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系，如一个点在一条线上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形等等。在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形，几万条线，上万个点，还要计算和管理它们之间的各种复杂的空间关系……。

地理信息系统是将计算机硬件、软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对任一形式的地理信息进行高效获取、存储、更新、 *** 作、分析及显示的集成。

地理信息系统技术广泛应用于农业、林业、国土资源、地矿、军事、交通、测绘、水利、广播电视、通讯、电力、公安、社区管理、教育、能源等几乎所有的行业，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中。

地理信息系统的主要计算机硬件是工作站和微机。 地理信息系统的主要计算机 *** 作系统软件是UNIX、Windows9X、Windows NT、Windows2000、Macintosh等。

地理信息系统的主要计算机应用软件是ARC/INFO、MGE、GeoMedia、GenaMap、MapInfo、AutoDesk Map、ArcView、MapObjects、MapX、Maptitude、MapGIS、GeoStar、MapEngine等。

地理信息系统的主要基础地理数据比例尺为1:400万、1:100万、1:25万、1:5万、1:1万、1:2000、1:1000和1:500等；基础地理数据种类为数字线划图（DLG）、数字栅格图（DRG）、数字正射影象图（DOQ）和数字高程模型（DEM）等。

GIS 地理信息系统相关技术

GIS与其他几种信息系统密切相关，但由于其处理和分析地理数据的能力使其与它们相区别。尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类，但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及GPS技术。

桌面制图

桌面制图系统用地图来组织数据和用户交互。这种系统的主要目的是产生地图：地图就是数据库。大多数桌面制图系统只有及其有限的数据管理、空间分析以及个性化能力。桌面制图系统在桌面计算机上进行 *** 作，例如PC机，Macintosh以及小型UNIX工作站。

计算机辅助设计CAD

计算机辅助设计(CAD)系统促进了产生建筑物和基本建设的设计和规划。这种设计需要装配固有特征的组件来产生整个结构。这些系统需要一些规则来指明如何装配这些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系统已经扩展可以支持地图设计，但管理和分析大型的地理数据库的工具很有限。

遥感和GPS

遥感是一门使用传感器对地球进行测量的科学和技术，例如，飞机上的照相机，全球定位系统（GPS）接收器，或其他设备。这些传感器以图象的格式收集数据，并为利用、分析和可视化这些图象提供专门的功能。由于它缺乏强大的地理数据管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。

DBMS数据库管理系统

数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据，其中包括地理数据。DBMS使存储和查找数据最优化，许多GIS为此而依靠它。相对于GIS而言，它们没有分析和可视化的工具。

基于GIS的通信管网管理系统架构设计

管网资源监测管理系统充分利用 GIS 平台，将分布范围广泛的管网设施和地理位置有机地结合，不仅提高了企业的管理水平，而且提升了企业的服务能力。因此，该系统研究具有现实意义和广阔的应用前景。

1 设计方案及原则

11 系统设计方案

地理信息系统是对地理环境中的有关问题进行分析和研究的手段，它是一种采集、处理、传输、存储、管理、查询检索、分析、表达和应用地理信息的计算机系统。利用计算机建立地理数据库，将地理环境中的各种要素，包括它们的地理分布状况和所具有的属性数据，进行数字存储，建立有效的'数据管理系统，通过对各个要素的综合分析，方便快速地获取信息，满足应用和研究的需要，并用图形和数字的方式来表现结果。

通信管网资源与地理空间位置有着密切的关系，本系统充分利用GIS的特点，通过Visual Basic60高级语言嵌入 TopMapActiveX组件进行二次开发，设计了地理位置信息与管网资源数据有机融合的监控管理综合系统。Visual Basic能够提供创建图形用户界面(GUI)的方法，可以方便快捷地调用外部控件，具有功能强大的数据库访问特性;TopMap ActiveX地理信息系统开发组件具有完善的地图 *** 作功能。利用成熟的技术和可靠的数据采集硬件设备，以 Windows 2000/NT为网络 *** 作系统，使用MicroSoft的SQL Server2000作为后台数据库系统，利用 ADO技术实现数据库访问，能够满足系统的时实性和可靠性。

12 系统设计原则

(1)规范性。在系统设计中制定资源分类、编码等一系列方案，同时把通信行业标准考虑到方案之中，做到系统规范化。(2)科学性。编码时采用区段码和从属编码结构，利于计算机的直接存贮和数据库的管理，便于系统数据的快速检索和更新。(3)扩展性。建立一个开放的系统，留有充分的扩充空间，以便对系统扩充或移植。(4)实时性。能进行动态数据的管理，并保持数据的一致性和实时性要求。(5)安全性。对用户权限进行分级管理。

2 系统结构

21 系统功能结构

管网资源监控管理系统是对通信站辖区内的通信管网资源(如管道、人井等)进行计算机管理和监控，包括管网资源数据录入、查询、修改、统计分析、打印输出、地理图形显示、监控数据采集和故障报警显示等功能。系统的功能结构如图1所示。

22 系统网络结构

整个系统主要由GIS工作站、GIS服务器、数据服务器和多通道通信服务器组成，采用客户/服务器结构，各通信站点通过原有的内部 10/100 m网络访问。其中：GIS工作站负责本地管网数据的维护管理和监控;多通道数据服务器完成对管网监测数据的采集与通信;GIS 服务器实现对地理属性数据的存储;数据服务器用来存储管网资源数据信息。系统的网络结构如图2所示。

3 监控管理模块设计

31 资源数据管理

管网资源数据管理包括管网数据(地理信息数据和线路资源数据)录入、数据查询、数据统计和打印输出等模块。

(1)管网数据录入

管网数据录入模块用于对基础地理信息和线路资源信息进行录入、修改、删除、存储。数据库服务器完成基础图形与数据存储处理等功能;系统管理员有权修改用户权限、增删用户账号。

(2)数据查询/统计

系统根据工作人员的需求对基础地理信息和通信网络信息进行查询;按照给定的统计条件对各通信站的分布位置及覆盖区域、管道分布、缆线、人井等线路信息进行统计分析。

(3)打印输出

将GIS中的数据经过分析、转换处理，以直观的图表形式输出。

32 监控数据采集

监控数据采集模块通过传感器完成对管网资源状态数据(压力、温度、水位等模拟量)时实采集与通信，实时监测主要监控点的模拟量是否越限，监控数据判别流程如图3所示。

各通信站点通过监测设备从监测现场采样数据，上报数据经过预处理后输入到系统中，通过与监控标准库的数据进行对比分析来判断管网资源是否发生故障。如果检测判断发生管线受损、模拟量越限时发出报警信息，并对故障位置进行准确定位。如果检测判断没有发生故障，系统不报警，同时继续监测现场数据。

33 地理图形/监控报警显示

借助可视化技术，通过图形及其图形变换、声音传递消息等手段，可以实现更为人性化的人机交互。系统的显示包括地理图形显示和监控报警显示两部分。

地理图形显示是建立在对该系统内所有的管网资源实体分类的基础上，一类实体建立一个图层，整个系统是由所有实体相对应的图层叠加而成的。地理图形显示用于电子底图和线路资源符号的显示，具有漫游、无极缩放、分层显示等功能。监控报警显示将实时监控数据和地理图形相结合，在地理图形界面上实时监控网管设备的运行情况。当发生故障时，在GIS 图形界面上用特殊颜色进行标记，对管网设备故障准确定位显示，并进行声光报警，通知维护人员及时抢修。

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地理信息系统的主要功能有五个方面：

1、数据采集与编辑功能：包括图形数据采集与编辑和属性数据编辑与分析。

2、地理数据库管理系统的基本功：，包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库 *** 作、通讯功能等。

3、制图功能：根据 GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高城图等等。还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图，如坡度图、坡向图、剖面图等等。

4、空间查询与空间分析功能：包括拓扑空间查询、缓冲区分析、叠置分析、空间集合分析、地学分析。

5、地形分析功能：包括数字高程模型的建立、地形分析。

国家基础地理信息数据库是存储和管理全国范围多种比例尺、地貌、水系、居民地、交通、地名等基础地理信息，包括栅格地图数据库、矢量地形要素数据库、数字高程模型数据库、地名数据库和正射影像数据库等。

延伸：

国家基础地理信息系统是以形成数字信息服务的产业化模式为目标，通过对各种不同技术手段获取的基础地理信息进行采集、编辑处理、存贮，建成多种类型的基础地理信息数据库，并建立数据传输网络体系，为国家和省（市、自治区）各部门提供基础地理信息服务。它是一个面向全社会各类用户、应用面最广的公益型地理信息系统。是一个实用化的、长期稳定运行的信息系统实体。是我国国家空间数据基础设施（NSDI）的重要组成部分，是国家经济信息系统网络体系中的一个基础子系统。

一、国外GIS的发展历史与现状

地理信息系统（Geographic Information System,GIS）是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件支持下，对空间相关数据进行采集、管理、 *** 作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。从外部看表现为计算机的软硬件系统，而其内涵却是由计算机程序和地理数据组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，计算机系统的支持是GIS的主要特征，使GIS得以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程分析。

世界上第一个GIS是在1963年由加拿大测量学家RF托姆林森提出并建立的，称为加拿大地理信息系统，主要用于自然资源的管理与规划。稍后，美国哈佛大学研究出SY-MAP系统软件。但当时的计算机技术水平不高、存储容量小、磁带存储速度慢，使得GIS带有更多的机助制图色彩，用于地学分析和空间数据模拟的功能极为简单。

进入70年代以后，计算机软硬件技术飞速发展，尤其是大容量的存储设备——硬盘的使用，为空间数据的输入、存储、检索和输出提供了强有力的手段；高性能的图形显示器的发展，增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着实用方向迅速发展。在此阶段的标志是一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和地理信息系统，据统计70年代大约有300个系统投入使用，例如美国地质调查局从1970年到1976年建立了50多个信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形、地质等信息，为国家和地区土地规划服务；瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统。一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎，许多大学和研究机构开始重视GIS软件设计和应用研究，成立了各种GIS研究实验室。

80年代是GIS普及和推广应用阶段。随着计算机的迅速发展和普及，地理信息系统也逐步走向成熟，并在全世界范围内全面地推向应用阶段，第三世界国家也开始引进、应用和发展自己的地理信息系统。高性能微型计算机的问世，使得微机地理信息系统得到了蓬勃发展，并使地理信息系统工具具有更高的效率、更强的通用性和独立性，更少地依赖于应用领域和计算机硬件环境，为地理信息系统的建立和应用开辟了新的途径。GIS的应用从解决比较简单的规划管理问题（如道路、输电线等）转为更复杂的区域开发和决策问题，例如土地利用、沙漠化、城市化、环境与资源评价等。随着GIS与卫星遥感技术的结合，GIS开始用于全球变化与全球监测。80年代是GIS发展具有突破性的年代，仅1989年市场上有报价的GIS软件就达70多家，并涌现出一批有代表性的GIS软件，如：ARC/IN-FO、MicrostationSICAD、Genamap、System9等。

进入90年代以后，微机地理信息系统得到了迅猛的发展，并且性能也得到了极大加强，向综合性、智能性发展。GIS已成为一种新兴的确定性产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的年增长率大于35%，从事GIS的厂家超过300家。GIS已渗透到各行各业，愈来愈多的国际性会议以GIS为主题，愈来愈多的学术刊物以GIS为标题，愈来愈多的学科，如地理学、工程学、森林学、城乡规划、计算机科学、测绘学、航天遥感、矿床地质、水资源等都把GIS作为发展方向。国家和地区性的GIS研究中心在美、英等主要西方国家中建立。

二、我国地理信息系统的发展

我国地理信息系统的研制与应用始于70年代末期，它的发展基础是计算机制图、计算机技术、计量地理和遥感技术。

1978～1980年为准备阶段，主要是进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍和实验研究。

1981～1985年为起步阶段，主要是对地理信息系统进行理论探索和区域性实验研究，并在此基础上制定国家地理信息系统规范。1981年在四川渡口二滩进行实验，以航空遥感资料为基础，进行数据采集和数据库模型设计；1984年开始，国家测绘局测绘科学研究所着手组建国土基础信息系统；1985年国家资源与环境信息系统实验室成立。

1986～1993年为初步发展阶段，地理信息系统被列入国家“七五”攻关课题，取得了重要进展和实际效益，形成了比较系统的研究计划：研究资源与环境信息系统国家规范和标准，解决信息共享和系统兼容问题；开展全国性和区域性的信息系统的建立和应用模式研究；研制和开发软件系统与专家系统，全国建成了一批数据库、开发了一系列的空间信息处理与制图软件；完成了一批综合性、区域性和专题性的信息系统。

1994年以来为软件商品化阶段，在国外成熟软件在我国得到广泛应用的同时，带动了具有自主版权的国产地理信息系统基础软件的的崛起，一批起点高、功能强、价格低廉的国产软件相继研制成功，并推向市场。为客观地了解我国GIS基础软件的开发水平、开发现状和产业化前景，推动具有我国自主版权的GIS基础软件的健康发展，国家遥感中心、中国地理信息系统协会、中国海外信息系统协会从1996年开始对国产GIS基础软件和专项应用软件进行测评，从四年的测评结果来看，国产GIS软件的发展情况喜人，软件的功能、性能、品种和商品化程度都有了较大幅度的提高，完全可以在相关领域内实际应用，与国外优秀GIS软件的差距正在逐步缩小，个别领域已经超过了国外GIS软件，在微机（PC）GIS软件和某些应用领域具备了与国外软件竞争的实力。

三、地理信息系统（GIS）的发展趋势

GIS技术的发展已经取得了巨大的成就，并对社会的发展作出了巨大的贡献，但对人们的期望和要求来讲还远远不够，GIS的进一步发展应主要表现在以下几个方面：

1多媒体地理数据的管理与 *** 作管理

在一个多种数据类型并存的混合系统中，如何实现各类数据的随意 *** 作和有效管理，这是现今信息媒体多元化新时代的一个突出问题，它比单一地图数据库的 *** 作要复杂得多。信息资源库包括的主要内容有：地理数据库、专业数据库、图像库、文件库和声音库等。

2数字制图技术

纸基地图在任何时候都是不可能被取代的，利用数字地图库直接生产纸基地图，即数字地图环境下的自动编图的核心是数字地图的自动制图综合技术，它比屏幕显示为目的的电子地图的制作要复杂得多，要处理各要素之间的关系，目前仍视为一个国际性的难题。此外，还应包括建立基于地图数据库和GIS技术集成的地图生产系统。

3“3S”集成技术

GPS（全球定位系统）、RS（遥感）、GIS（地理信息系统）产生的时间不一，理论基础和技术特点也不尽一致，但它们的学科性质是相通的，即共同研究、表达和分析地球科学信息，在逐步发展过程中构成了相辅相成的关系，三者的结合覆盖了信息采集、处理和分析的全过程，使GPS、RS、GIS构成的卫星对地观测系统成为地球系统科学研究的重要手段。

4空间可视化技术与虚拟现实技术

可视化是指运用计算机图形图像处理技术，将复杂的科学现象或自然景观，甚至十分抽象的概念图形化，以便于理解现象、发现规律和传播知识。虚拟现实也称虚拟环境或人工现实，是一种由计算机生成的高级人机交互系统，构成一个以视觉为主的可感知环境。空间可视化技术与虚拟现实技术可用于制作动态地图、地形环境仿真、地图设计制作等方面。

5三维GIS和时态GIS技术

在地质、矿山、地下水、大气、环境等方面，人们不仅需要研究现象的二维分布，更需要研究其三维空间分布甚至与时间有关的时空分布特征和规律，因此，对于真三维和四维GIS的需求更加迫切，而真四维是在真三维的基础上增加时间维。

6网络GIS和>

由于万维网具有开放性和友好的用户界面，它迅速成为网络信息处理和分布的主要工具。在服务器端，GIS软件系统通过CGi（连接器）与万维网的>

一、“地理实体是地理数据库中的实体，是指在现实世界中再也不能划分为同类现象的现象。

二、命名权：

      按照国际惯例，地理实体的命名权通常归属于地理实体的主权所有者或发现者。

多年来，传统海洋大国如美、英等国均成立专门的机构开展国际海底地理实体命名工作，中国于2010年正式开展国际海底区域地理实体命名工作。

三、实体模型：

        GIS中的地理数据库是地理实体的集合，是一种与现实的的地理世界保持一定相似性的实体模型。

以相同的方式表示和存储的一组类似的地理实体，可以作为地理实体的一种类型。

四、实体构成：

   地理实体通常分为点状实体、线状实体、面状实体和体状实体，复杂的地理实体由这些类型的实体构成。

有关GIS的应用功能，举例如下：

一、资源清查与管理

资源的清查、管理与分析是GIS应用最广泛且趋于成熟的应用领域，也是GIS最基本的职能，包括土地资源、森林资源和矿产资源的清查、管理，土地利用规划、野生动植物保护等。

GIS的主要任务是将各种来源的数据和信息有机地汇集在一起，通过GIS软件生成一个连续无缝的、功能强大的大型地理数据库，该数据环境允许集成各种应用，如通过系统的统计、叠置分析等功能，按照多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和资源状况分析，最终用户可通过GIS的客户端软件直接对数据库进行查询、显示、统计、制图及提供区域多种组合条件的资源分析，为资源的合理开发利用和规划决策提供依据。

以土地利用类型为例，可输出不同土地利用类型的分布和面积、按不同高程带划分的土地利用类型、不同坡度区内的土地利用现状及不同类型的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。如中国西南地区国土资源信息系统，设置了三个功能子系统，即数据库系统、辅助决策系统和图形系统，存储了1500多项300多万个资源数据。该系统提供了西南地区的一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及资源合理开发配置模型。该系统可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图及重大项目规划图等不同的专业图。

二、区域规划

区域规划具有高度的综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、通讯和金融等众多要素，要把这些信息进行筛选并转换成可用的形式并不容易，规划人员需要切实可行的技术和实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供功能强大的工具。

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