地理信息系统
1.1 地理信息系統的基本概念
1.1.1 地理數據與地理信息
\1. 地理數據
地理數據（geographical data）是指各種地理特征和現象間關系的符號化表示，包含空間位置、屬性特征和時態特征三部分。空間位置數據描述地物所在的位置，這種位置既可以是在大地參考系下的絕對位置，也可以是地物間的相對位置；屬性特征是對地物特征的定性或定量描述；時態特征數據是指地理數據采集或地理現象發生的時刻或時段。
2. 地理信息
地理信息（geographical information）是有關地理實體和地理現象的性質、特征和運動狀態的表征和一切有用的知識，它是對表達地理特征和地理現象之間關系的地理數據的解釋。地理信息具有一般信息的特點之外，還具有獨特的特征：
（1）定位特征：地理信息屬于空間信息，位置的識別與數據相關聯，是地理信息區別與其他類型信息的顯著標志。
（2）多維特征：在二維空間的基礎上實現三維結構。
（3）時序特征：時空的動態變化引起地理信息的屬性數據或空間數據的變化。
1.1.2 地理信息系統
地理信息系統（GIS）是一種特定的十分重要的空間信息系統。它是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。
地理信息系統既是跨越地球科學、空間科學和信息科學的一門應用基礎學科，又是一項工程應用技術，它是以地學原理為依托，在計算機軟硬件的支持下，研究空間數據的采集、處理、存儲、管理、分析、建模和顯示的相關理論方法和應用技術，以解決復雜的管理、規劃和決策等問題。
1.1.3 GIS組成
圖1.GIS組成
GIS功能的實現需要一定的環境支持，GIS 運行環境包括計算機硬件系統、軟件系統、空間數據、地學模型和管理與應用人員五大部分。
\1. 硬件系統
計算機與一些外部設備及網絡設備的連接構成GIS的硬件系統，用以存儲、處理、傳輸和顯示地理信息或空間數據。一般包括：計算機主機，數據輸入輸出設備，數據存儲設備以及網絡設備。
\2. 軟件系統
軟件系統是指 GIS 運行所必需的各種程序，通常包括 GIS 支撐軟件、GIS 平臺軟件和 GIS應用軟件三類。
圖2.GIS軟件系統組成
（1）GIS支撐軟件：任何GIS軟件都需要一個基礎的運行環境，例如，常用的操作系統包括移動端的安卓、IOS，PC端的Windows、Linux、人大金倉等；GIS數據的存儲管理，通常也需要依賴于大型企業級數據庫，有 Oracle、Microsoft SQL Server等。
（2）GIS平臺軟件：GIS平臺軟件包含處理地理信息的各種高級功能，可作為其他應用系統建設的平臺。最為典型的 GIS平臺如國外的 ArcGIS 商業平臺，QGIS 開源平臺等；國內的有GeoScene、MapGIS、GeoStar、SuperMap等商業平臺。
（3）GIS應用軟件：GIS 的應用行業非常廣泛。基礎平臺軟件提供的功能并不能滿足各行業對 GIS 的業務需求。這就需要 GIS 開發人員基于某個 GIS 平臺已有的功能和開放的接口，結合某個行業的具體業務需求開發出符合行業需要的 GIS 應用系統。
3. 空間數據
是地理信息系統操作的對象，具體描述空間實體的空間特征、屬性特征和時間特征。
4. 地學模型
GIS 的地學模型是根據具體的地學目標和問題，以 GIS 已有的操作和方法為基礎，構建能夠表達或模擬特定現象的計算機模型。
5. 應用人員
具體可以將 GIS 的應用人員分為科學研究人員、項目管理人員、軟件設計人員、系統開發人員、數據維護人員和普通用戶六類。
2.1 地理信息系統功能及應用功能
2.1.1 GIS的基本功能
GIS的基本功能包括：數據采集，數據編輯與處理，數據存儲、組織與管理，空間查詢與空間分析，數據輸出與可視化表達，應用模型與系統開發。
2.1.2 GIS應用功能
GIS 的應用功能不同于其基本功能。GIS 的基本功能是所有GIS都應具有的，其功能固定且有限。而應用功能則面向不同的應用環境及需求，構建了不同的應用模型，專注于行業內特定問題的解決。
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圖3.GIS應用功能
2.2 GIS不同平臺之間數據轉換
2.2.1 MapGIS數據轉換為ArcGIS數據
MapGIS向ArcGIS數據格式轉換可以通過多種方式實現，如通過E00文件進行轉換，E00數據是一種ArcGIS提供的外部交換格式，通常用于和其它GIS系統進行數據轉換。
2.2.2 AutoCAD數據轉換為ArcGIS數據
\1. ArcGIS 內置 Data Interoperability 工具箱下“快速導入（Quick Import）”工具。該工具就是內置的 FME（Feature Manipulate Engine的簡稱，是加拿大 Safe Software 公司開發的空間數據轉換處理系統），使用該工具必須單獨安ArcGIS_Data_Interop_for_Desktop .exe，同時勾選對應模塊的許可。
\2. CAD 至地理數據庫 (CAD To Geodatabase) 工具：測試數據：chp9\my.dwg，和上面的“快速導入工具”一樣。
\3. 可以直接將CAD數據直接添加進ArcMap之中。
圖4. CAD轉ArcGIS
2.2.3 ArcGIS轉CAD
ArcGIS轉CAD，有兩種方法：Quick Export工具和“導出為 CAD（Export CAD）”工具。
\1. Quick Export工具
（1）從工具箱中找到 Quick Export 工具，選擇 Input Layer 為 DGX 線。
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圖5.Quick Export 導入DGX
（2）單擊Output Dataset右側按鈕，下面Search輸入框輸入DWG，選擇Autodesk AutoCAD DWG/DXF。
（3）單擊OK按鈕后，設置輸出DWG，也可以是DXF格式，單擊“Parameters…” 按鈕。選擇Extended Entity Data，輸出的CAD 數據帶擴展屬性。
\2. “導出為CAD”工具
輸出CAD版本支持CAD R14、CAD2000到CAD2018等各種版本，可以是DXF，也可以是DWG。如果勾選“追加到現有文件”，則允許將輸出文件內容添加到現有CAD 輸出文件后面，現有CAD 文件內容不會丟失。
3.1 地理信息系統的發展史
3.1.1 開拓時期（20世紀50-60年代）
1967年，世界上第一個真正投入應用的地理信息系統由聯邦林業和農村發展部在加拿大安大略省的渥太華研發。羅杰·湯姆林森博士開發的這個系統被稱為加拿大地理信息系統。此階段，硬件系統的功能弱，計算機存儲能力小且存取速度慢。因此GIS軟件的研制主要是針對具體的GIS應用進行的。
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圖6.GIS之父羅杰·湯姆林森
3.1.2 鞏固發展時期（20世紀70年代）
該階段關注的主要是空間地理信息的管理，計算機硬件技術和軟件技術迅速發展，數據處理速度加快，內存容量增大，還推出了大容量存儲設備–磁盤，這為地理數據的錄入、存儲、輸出等提供了強有力的支撐。
3.1.3 大發展時期（20世紀80年代）
第四代計算機的推出，以及計算機網絡的建立，使地理信息的傳輸時效得到極大的提高。在系統軟件方面，完全面向數據管理的數據庫管理系統(DBMS)通過操作系統(OS)管理數據，數據處理開始和數學模型、模擬等決策工具結合。這個時期GIS發展的總體特點是：柵格矢量轉換技術、自動拓撲編碼以及多邊形中拓撲誤差檢測等方法得以發展；具有屬性數據的單張或部分圖幅可以與其他圖幅自動拼接；采用命令語言建立空間數據管理系統。
3.1.4 應用普及時代（20世紀90年代）
此時期應用需求大幅度增加，表現出地理信息系統走向地理信息服務的趨勢，發展趨勢包括：網絡GIS、互操作GIS、地理信息共享與標準化、時態GIS、3S集成、虛擬GIS、移動GIS等內容。
3.1.5 大變革時代（21世紀初至今）
隨著計算機技術和智能設備的進一步發展，學界從地理信息系統到地理信息科學，更加注重學科建設與學科創新；業界從地理信息系統到地理信息服務，使服務更加智能。新的應用需求有以智慧城市為建設目標的海綿城市、智能管網、智能電網、智能物流和共享交通等一系列專業型和大眾化服務。
3.2 國內外主流GIS軟件
3.2.1 國外主流軟件
\1. ArcGIS：
ArcGIS軟件是美國ESRI公司在全面整合了GIS與數據庫、軟件工程、人工智能、網絡技術等其他方面的計算機主流技術之后，成功推出的代表GIS較高技術水平的全系列GIS產品。ArcGIS系列軟件包括：ArcGIS Desktop（專業GIS應用的完整套件），ArcGIS Engine（定制開發GIS應用的嵌入式開發組件），ArcSDE、ArcIMS和ArcGIS Server（服務端GIS），ArcGIS Mobile（ESRI公司移動GIS解決方案之一），ArcGIS Online（一個面向全球用戶的公有云GIS平臺）。
\2. Skyline：
是美國Skyline公司研發的三維數字地球平臺軟件。可利用遙感航測影像數據、數字高程數據以及其他二三維數據搭建出一個對真實世界進行模擬的三維場景。
\3. Bentley：
Bentley軟件是一個BIM軟件系列，軟件公司名字叫Bentley，產品是基于Microstation開發的一系列行業軟件。Bentley軟件的特點是專業化程度高，數據和平臺統一性強。具有內存小，更便捷，互操作性高等優點。
3.2.2 國內主流GIS
\1. GeoScene：
是易智瑞公司推出的一款新一代國產地理信息平臺。GeoScene平臺以云計算為核心，并融合各類最新IT技術，具有強大的地圖制作、空間數據管理、大數據與人工智能挖掘分析、空間信息可視化以及整合、發布與共享的能力。
\2. MapGIS：
中地數碼集團的產品，是中國具有完全自主知識版權的地理信息系統，實現遙感處理與GIS完全融合，支持空中、地上、地表、地下全空間真三維一體化的GIS開發平臺。
\3. SuperMap：
北京超圖公司開發的新一代GIS軟件系統，是一套全組件開放式GIS軟件平臺。
3.3 GIS領域研究和發展
3.3.1 數據獲取方面
\1. 傾斜攝影測量：
相對于豎直航空攝影在地物里面信息獲取方面的缺陷，傾斜航空攝影可以快速獲取大范圍區域地表物體三維立體面信息，具有較高精度。
\2. 近景攝影測量：
采用地面或者近地面短距離攝影測量設備進行，近景攝影測量更注重于對單個地物的超高精度測量，可完美還原如雕塑、文物、景觀等復雜地物。
\3. 影像智能識別：
在人工智能技術的加持下，對遙感影像解譯樣本展開深度學習，計算機自動從影像提取要素的能力越來越強，精度越來越高。
\4. 智能數據匹配：
智能數據匹配是利用搜索引擎獲取的海量網絡信息進行篩選，獲得與地理位置相關聯的信息，并與地圖數據進行匹配，達到快速發現變化，自動進行更新的目的。
\5. 空間信息擴展（地下、深海、深空）：
隨著探索和測量手段的不斷發展，人類活動的范圍已經擴大到了地下空間、深海、外太空甚至地外行星，觀測尺度從空間更是擴展到了時空。
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圖7.BAE公司為美國研發深海定位導航系統
3.3.2數據分析方面
\1. 高效的數據管理：
數據管理技術基于NoSQL、分布式存儲、空間數據模型等的發展，GIS數據的管理模型為更好的數據應用提供良好基礎。
\2. 跨行業數據透視：
空間數據分析和挖掘一直是GIS最強大的武器，隨著大數據、云計算的發展，數據進入一個爆炸時代，GIS數據與很多行業數據進行交叉，產生奇妙的化學反應。
3.迅捷的處理速度：
數據分析出現兩種趨勢，一是實時化，可以根據運行軌跡實時的計算出場景變化；二是深度化，計算覆蓋面變廣，涵蓋信息越來越多，獲取更多抽象的、內涵豐富的數據加工產品。
3.3.3 數據呈現方面
\1. 無線擴張的三維空間
\2. VR和AR技術的發展
\3. 豐富多彩的Web地圖
\4. GIS專業化應用
3.3.4 當代GIS的技術發展趨勢
\1. 地理空間信息公共服務
隨著計算機網絡技術的發展和普遍應用，越來越多的地理空間信息被送到網絡上提供大眾服務。例如，谷歌地圖（Google Map, https://www.google.com/maps）、微軟地圖（bing maps, https://cn.bing.com/ditu）、天地圖（https://www.tianditu.gov.cn）、開放街道圖（OpenStreetMap, 簡稱OSM，https://www.openstreetmap.org）、百度地圖（https://map.baidu.com）等，都提供了在網絡地圖上查詢各種與位置相關信息的功能。
\2. 組件GIS
GIS軟件大多數都已經過渡到基于組件的體系結構。一般都采用COM/DCOM技術。組件體系結構為GIS軟件工程化開發提供了強有力的保障。一方面組件采用面向對象技術，軟件模塊化更加清晰，軟件模塊的重用性更好，另一方面也為用戶的二次開發提供了良好的接口。組件接口是二進制接口，它可以跨語言平臺調用。
3.互聯網GIS
互聯網為地理信息系統提供了新的操作平臺，互聯網與地理信息系統的結合，即Web GIS是GIS發展的必然趨勢。Web GIS使用戶不必購買昂貴的GIS軟件，而直接通過Internet獲取GIS數據和使用GIS功能，以滿足不同層次用戶對GIS數據的使用要求。Web GIS在用戶和空間數據之間提供可操作的工具，而且這種數據信息是動態的、實時的。
\4. 多維動態GIS
傳統的GIS都是二維的，僅能處理和管理二維圖形和屬性數據。有些軟件也具有2.5維數字高程模型（DEM）地形分析功能。隨著技術的發展，三維建模和三維GIS迅速發展，而且具有很大的市場潛力。隨著對時態問題和地理過程建模的研究，時態GIS的研究逐步得到了重視。多維動態GIS成為了當代GIS發展的一個重要方向。當前的多維動態GIS主要有以下幾種：1）DEM地形數據和地面正射影像紋理疊加在一起，形成三維的虛擬地形景觀模型。2) 在虛擬地形景觀模型之上，將地面建筑物豎起來，形成城市三維GIS。3) 真三維GIS。它不僅表達三維物體表面（地面和地面建筑物的表面），也表達物體的內部，如礦山，地下水等物體。4）時態GIS。時態GIS是當前GIS研究與發展的一個重要方向。一般在二維GIS上加上時間維，稱為時態GIS。如果三維GIS之上再考慮時態問題，稱為四維GIS或三維動態GIS。
\5. 移動GIS
隨著計算機軟、硬件技術的高速發展，特別是Internet和移動通信技術的發展，GIS由信息存貯與管理的系統發展到社會化的、面向大眾的信息服務系統。移動GIS是一種應用服務系統，其定義有狹義與廣義之分，狹義的移動GIS是指運行于移動終端并具有桌面GIS功能的GIS系統。廣義的移動GIS是一種集成系統，是GIS、GNSS、移動通信、互聯網服務、多媒體技術等的集成。
\6. 實時GIS
隨著位置服務技術（LBS）和天空地各種傳感器的廣泛應用，產生了海量的時空序列數據。為了快速接入、存儲、管理這些時空序列數據，維護時空關系，描述和分析時空變化過程，滿足對日益頻發的各種自然和人文突發事件的檢測、預警、應急響應以及智慧城市建設等的需求，迫切需要研發一種面向動態地理對象與動態過程模擬的新一代實時GIS系統。
\7. 地理信息網絡共享與互操作
高速發展，特別是Internet和移動通信技術的發展，GIS由信息存貯與管理的系統發展到社會化的、面向大眾的信息服務系統。移動GIS是一種應用服務系統，其定義有狹義與廣義之分，狹義的移動GIS是指運行于移動終端并具有桌面GIS功能的GIS系統。廣義的移動GIS是一種集成系統，是GIS、GNSS、移動通信、互聯網服務、多媒體技術等的集成。
\6. 實時GIS
隨著位置服務技術（LBS）和天空地各種傳感器的廣泛應用，產生了海量的時空序列數據。為了快速接入、存儲、管理這些時空序列數據，維護時空關系，描述和分析時空變化過程，滿足對日益頻發的各種自然和人文突發事件的檢測、預警、應急響應以及智慧城市建設等的需求，迫切需要研發一種面向動態地理對象與動態過程模擬的新一代實時GIS系統。
\7. 地理信息網絡共享與互操作
傳統的GIS由于各軟件的數據結構、數據模型、軟件體系結構不同，致使不同GIS軟件的空間信息難以共享。為此，開放地理信息聯盟（OGC, Open Geospatial Consortium）和國際標準化組織（ISO/TC211）制定了一系列有關地理信息共享與互操作的標準。網絡（Web）服務技術是地理信息共享與互操作最容易實現和推廣使用的技術，例如，基于Web的地圖服務規范，利用具有地理空間位置信息的數據制作地圖，并使用Web服務技術發布地圖信息，它可以被任何支持Web服務的軟件調用與嵌入，使不同GIS軟件建立的空間數據庫可以相互調用地理信息。
總結
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