《软件工程师》专栏：GIS（地理信息系统）集锦

--------------------------------------------------------------------------------
http://finance.tom.com 2003年05月06日12时20分??来源:　??软件工程师
 
ＧＩＳ是地理信息系统?ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ?的英文缩写，它是将计算机硬件、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、操作、分析及显示的集成。

    GIS的基本类型

    地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：

    一是应用型地理信息系统，以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息系统；二是工具型地理信息系统，也就是ＧＩＳ工具软件包，如ＡＲＣ?ＩＮＦＯ等，具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等ＧＩＳ基本功能。

    应用型ＧＩＳ开发有多种方式可供选择。

    应用型GIS开发的实现方式

    1.独立开发指不依赖于任何ＧＩＳ工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如ＶｉｓｕａｌＣ＋＋、Ｄｅｌｐｈｉ等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业ＧＩＳ工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化ＧＩＳ工具软件相比，而且在购买ＧＩＳ工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。

    2.单纯二次开发指完全借助于ＧＩＳ工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。ＧＩＳ工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如ＥＳＲＩ的ＡｒｃＶｉｅｗ提供了Ａｖｅｎｕｅ语言，ＭａｐＩｎｆｏ公司研制的ＭａｐＩｎｆｏＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ提供了ＭａｐＢａｓｉｃ语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原ＧＩＳ工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言，作为编程语言只能算是二流，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意。

    3.集成二次开发集成二次开发是指利用专业的ＧＩＳ工具软件，如ＡｒｃＶｉｅｗ、ＭａｐＩｎｆｏ等，实现ＧＩＳ的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Ｄｅｌｐｈｉ、ＶｉｓｕａｌＣ＋＋、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、ＰｏｗｅｒＢｕｉｌｄｅｒ等为开发平台，进行二者的集成开发。

    集成二次开发目前主要有两种方式：

    (1)OLE?DDE

    采用ＯＬＥＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ技术或利用ＤＤＥ技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以ＯＬＥ自动化方式或ＤＤＥ方式启动ＧＩＳ工具软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能；

    (2)GIS控件

    利用ＧＩＳ工具软件生产厂家提供的建立在ＯＣＸ技术基础上的ＧＩＳ功能控件，如ＥＳＲＩ的ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ、ＭａｐＩｎｆｏ公司的ＭａｐＸ等，在Ｄｅｌｐｈｉ等编程工具编制的应用程序中，直接将ＧＩＳ功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。

    应用GIS开发的主流方向由于独立开发难度太大，单纯二次开发受ＧＩＳ工具提供的编程语言的限制差强人意，因此结合ＧＩＳ工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就成为ＧＩＳ应用开发的主流。它的优点是既可以充分利用ＧＩＳ工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，而且可靠性好、易于移植、便于维护。尤其是使用ＯＣＸ技术利用ＧＩＳ功能组件进行集成开发，更能表现出这些优势。这种方法唯一的缺点是前期投入比较大，需要同时购买ＧＩＳ工具软件和可视化编程软件。

    嵌入式GIS

    嵌入式ＧＩＳ是当前地理信息（ＧＩＳ）发展的热点，它通过手机或ＰＤＡ等嵌入式设备结合ＧＰＳ定位或ＧＳＭ定位向个人提供随时随地的位置服务，不仅可以知道自己在哪里，而且可以随时查询附近的饭店、加油站、电影院在哪里，因此嵌入式ＧＩＳ可以给人们的日常生活带来极大的方便，并且其有着巨大的市场潜力，有人曾经计算过：以我国一亿手机用户一个月５元的地理信息服务，一年将是６０亿的市场，而在汽车导航领域，以一辆车５０００元计算，至少也是上百亿的市场。由于嵌入式ＧＩＳ市场巨大，因此竞争非常激烈，国外的ＧＩＳ巨头纷纷投入巨资开发自己的嵌入式ＧＩＳ产品，国内也有近十家企业进行相关产品开发工作。

    GIS在中国

    １９７８年，专家陈述彭主张将地理信息系统作为一个新学科和技术领域分支提出，标志着中国内地ＧＩＳ事业准备工作的开始；１９８０年１月中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个ＧＩＳ研究室，标志着中国内地ＧＩＳ的研究与发展正式起步。经过二十多年的发展，中国内地的ＧＩＳ事业在理论研究、软件开发和推广应用等方面都有较大发展，成为国民经济建设和社会生活的一种共同需要和普遍使用的工具。目前，在资源开发、环境治理及资源、环境的综合利用等方面，ＧＩＳ发挥了不可估量的作用，主要体现在以下几方面：

    资源调查初显威力

    我国幅员辽阔，草原、森林、矿产、生物等各种资源丰富。使用ＧＩＳ和遥感技术对资源进行综合调查，可以加快调查的进度，能够使获取的资料充分地满足精度和现势的需要。

    例如在城市规划与管理方面，可以参考ＧＩＳ建立城建档案信息系统，利用ＧＩＳ完善城市道路管理与整治规划、城市发展规划，可以运用ＧＩＳ进行城市公共设施规划分析、城市规划空间分析、城市环境管理、城市发展布局优化等，可以更好地进行城市地理学研究、城市地下水研究等。

    不仅如此，ＧＩＳ及相关技术还可以应用于交通规划及其管理、地质与矿产资源的开发利用、林业、农业、景观生态等各个领域，为相关的研究及决策提供更可靠的信息收集及评价分析。

    利于科学利用海洋资源目前我国对海洋开发的程度较低，仍以港口、渔业等近海单项传统产业开发为主。技术含量低，资源浪费严重，缺少全局、长远的兼顾，特别是缺少对海洋整体利益的考虑，尤其是新型海洋产业发展缓慢。海洋娱乐区、倾废区等功能区规划不尽合理，管理滞后。

    同时，我国海洋环境污染也相当严重，许多海区、港湾的污染指标均超过国家限制标准。这一状况的改善需要我们运用现代化的技术来加强管理。运用ＧＩＳ与相关技术建立现代化海洋实时立体监测管理系统，可以实现信息更新、信息共享，并通过图形方式对管理与决策前景进行动态模拟，为海洋资源开发、环境和气候的监测、防灾减灾以及维护国家权益服务。

    利用ＧＩＳ等技术可为海洋工作者提供丰富的海洋资源信息，为海洋管理、海岸带和海岛资源开发提供科学依据，有利于克服自然界环境的限制，减少投资的盲目性。这些技术还可以对区域自然资源的分布及其量值的动态变化进行快速、准确的调查和评价，例如，确定资源量及其变化幅度、时空分布特征，分析、预测各类资源利用的现状与前景，探索解决自然资源供需矛盾的可能途径，评价资源管理的政策与方案等。

    监测环境 防治灾害

    ＧＩＳ不仅利于资源调查、分析与评价，在环境保护、预防灾害等方面也具有重要作用。无论是大气、水体污染，还是水土流失、沙漠化等，都可以利用ＧＩＳ进行科学分析，辅助决策。

    通过ＧＩＳ可以对城市居住小区及公路交通的噪音进行预测和规划，了解城市热场分布、大气污染扩散及污染物的排放情况，为治理大气、噪音污染提供科学的依据，可以在矿产污染物沉积疏浚及后续处理、垃圾填埋场位置选择、非点状源污染等方面提供精确的信息，还可以利用ＧＩＳ对河流水质扩散、地表水污染进行调查，进行环境恶化动态分析，建立水库流域水质规划，以解决水污染的问题。

    ＧＩＳ系统在水土保持、地容地貌的综合利用等方面也具有很重要的作用。前段时间，由贵州师范大学资源与环境科学系的学者进行的花江喀斯特峡谷示范区土壤侵蚀调查中，就充分利用了ＧＩＳ，不仅详细了解了这一地区土壤的特征，还利用ＧＩＳ等相关技术从地形地貌、植被、降雨等方面分析了土壤侵蚀的影响因素。

    此外，ＧＩＳ在环境监测、环境应急热线、环境地学研究、环境工程、环境规划管理、环境系统经济损失等方面都发挥着重要作用。

    GIS的标准化

    标准化是ＧＩＳ技术开发、系统建立与运行的一种重要机制。现在对这种机制的需要比以往任何时候都迫切。从技术的角度看，ＧＩＳ标准化建立在计算机和信息处理等多种技术的标准之上，离开了这些标准，就无法开发最基本的系统。从应用的角度来看，一个成功的ＧＩＳ系统在很大程度上依赖于数据和各种模块的综合与集成。ＧＩＳ标准化是数据共享和系统集成的重要前提，是提高系统综合效益的必由之路。

    数据采集和更新是建立ＧＩＳ系统的一项最大的投资。在数据采集上，各国都花费大量的人力和物力，而在另一方面，大量的数据仍停留于满足某些单一的应用，没有被其他用户所共享，即现有的数据资源没有得到充分利用。当然，引起这一矛盾有多方面的原因，有技术或管理上的原因，或由于狭隘的地方主义所限制。然而，一个最为重要的原因是由于缺乏空间数据标准的一致性，缺少相互运行的机制。

    标准化是ＧＩＳ集成的前提。在内部，它可以增强ＧＩＳ的内在综合能力，从而通过协调数据、软件和硬件之间的关系，使应用效率更高、更经济。在外部，可以通过数据管理、数据库管理、图形、硬件和软件的兼容性促进与其它ＧＩＳ系统或信息系统的综合。所以，标准化可以增强ＧＩＳ系统的功能、灵活性和效率，也使它易于被推广应用。

    采用ＧＩＳ标准的好处是多方面的，在经济上，可以节省费用，提高效率和方便应用。有了标准，系统可以推广到多个部门和满足不同的用户，实现数据共享，从而减少数据采集费用。另一方面，有了标准可以使用户易于学习类似的系统，从而降低学习和培训费用。有了标准，可以大大缩短系统的测试周期，从而缩短了系统开发的总周期。也可以使系统开发者及早发现系统设计中的错误和减少设计中的同类错误。

    GIS标准化的作用可移植性（ｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙ）：为了获得在硬件、软件和系统上的综合投资效益，系统必须是可移植的，使所开发的应用模块和数据库能够在各种计算机平面上移植；互操作性（ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ）：一个大型信息系统，往往是一个由多种计算机平台组成的复杂网络系统，有了标准，可以促进用户从网络的不同节点上获取数据和实现各种应用。

    可伸缩性（ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）：为了适应不同的项目和应用阶段，有了标准，可以使软件以相同的用户界面在不同级别的计算机上运行。

    通用环境（ｃｏｍｍｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）：标准提供了一个通用的系统应用环境，如提供通用的用户界面和查询方法等。利用这个通用环境，用户可以减少在学习新系统上所花费的时间和提高生产效率。

    另一方面，一个ＧＩＳ标准的制定实际上是一项重大的技术进步。它为建立各种系统软件和硬件组成提供了标准界面，也为检测各部分功能的正确性提供了机会。所以标准被认为是系统开发和集成的一个最好的指南。

    GIS标准化的内容

    ＧＩＳ标准化包括各种ＧＩＳ标准（或标准体系）和标准的制定，它是一个综合而复杂的概念，内容广泛，涉及几乎所有与ＧＩＳ相关的领域。狭义的标准化主要包括空间数据标准和信息技术标准两个方面，如数据、数据交换、数据库转换、图形、软件、硬件、通信等方面的标准。广义的标准化，其内容更为广泛，除以上两个方面外，还包括地理、算法、解译和行业标准等方面的内容。

    国际上对ＧＩＳ标准化的研究日益重视，但是至今没有一个完整的体系。现将ＧＩＳ标准体系分为四大类，并做进一步讨论。

    1.应用标准

    ＧＩＳ应用非常广泛，影响ＧＩＳ标准的因素多种多样。在ＧＩＳ的主要应用领域中，如土地管理、资源管理和城市规划等，均有各自的技术标准和规范，它们都是ＧＩＳ标准化的基础。当然，对应用领域影响最广泛者要算是测绘部门，即与地图相关，如空间要素的表达、地图规范和算法要求等，这些是进行空间要素处理的基础，又可以说是一种基础性标准。

    a.地理标准

    主要指地图和空间数据表达方面的标准，它们主要涉及地图要素的位置和位置精度等，如地图比例尺、投影和图示规范等均属此范畴。另一个重要方面是空间信息的分类编码，这一工作在近二十年里得到迅速发展，如美国在六十年代初就开始制定区位编码系统。我国也制定了多种用途的区位编码系统，如行政区划、邮政编码、公路、河流的国家标准编码均已制定或正在制定之中。这类标准可以根据具体需要直接应用于ＧＩＳ的建立。但是，现在仍然存在许多问题，有待进一步发展和完善。

    b.算法标准

    在进行空间分析和数据处理中，一个目标的实现，往往有多种算法，为了提高应用精度和进行数据转换，各种算法需要达到一定的基准，同时给用户提供指南。在更深一个层次上，ＧＩＳ的处理结构也应标准化。如早期的数据库管理，各种产品联系很少，ＳＱＬ语言出现后，极大地增加了系统的联系和提高了效率。所以有人提出制定一种“ＧＩＳ标准语言”（ＧＳＬ），用以促进应用模型的发展和模型的相互转换。

    c.解译标准

    目前解译标准仍很少引起人们的注意。对地理现象和实体的表达，地图是一种行之有效的手段，然而，地图表达地理空间现象通常是通过某种″“模型”来实现的。至今，人们所强调的往往是地图的产品，而没有检验最终产品结果的标准，缺乏对隐含其后逻辑的探讨，即缺少建立各种地理模型的标准。然而，要实现对空间要素的认识、解译和表达的标准化是非常困难的，即无法找到一种统一的模型。现在离解译标准相距遥远，但将是ＧＩＳ标准化的一个重要方向。

    2.数据标准

    因为数据是ＧＩＳ的基础，所以关于数据方面的标准是非常重要的，也是目前ＧＩＳ标准化工作的重点。数据标准主要包括数据交换、数据质量和数据说明文件等三方面的内容。

    3.信息技术标准

    信息技术（ＩＴ）标准主要来自计算机界，计算机的硬件与软件生产者早已采用了多种标准，用于通信、用户界面、图形、操作系统、数据库查询等许多方面。这类标准具有比较广泛的适用性，与ＧＩＳ相关的信息标准较多，据有关文献，与ＧＩＳ相关的信息技术标准多达百余种。如我国的计算机汉字处理标准也属这一范畴。

    4.行业标准

    主要指从事这一技术的专业人员的标准与规范。随着技术的成熟和推广应用，越来越多人员从事ＧＩＳ或相关业务，所以有必要制定统一的标准和规范，以确定ＧＩＳ人员的资格，保证人员的技术水平。目前仍没有这类标准，参照其它学科的做法，如我国的软件水平升级考试等，可以制定某种规定或标准，通常可以基于专业学历和技术培训，发放技术水平确认和从业许可证等。当然在实施过程中，是非常复杂的，很难进行标准化和规范化。

    美国一些部门正在讨论ＧＩＳ人员证书的必要性，有的对ＧＩＳ人员的技术和知识的要求等，均作出一定的规定。虽然这离行业标准差距甚远，但至少可以为ＧＩＳ培训和学校制定课程提供一个有益的参考。

    城市GIS

    城市地理信息系统（简称城市GIS）是地理信息技术（包括地理信息系统GIS、遥感RS、全球定位系统GPS，统称3S技术）及其它相关信息技术在城市政府、企业的管理与决策及市民社会生活中的应用。它利用地理信息技术将城市系统中地理环境的组成要素及其相互关系映射到信息空间（Cyberspace），建立城市现实地理环境的空间信息模型，构造一个与现实城市相对应的虚拟“数字城市”，为城市政府和企业的管理与决策及市民社会生活提供信息服务。

    城市GIS是由人、软件、数据、硬件、网络等要素构成的系统，它与城市现实社会的物理接口是由计算机、网络及相关设备实现的。

    城市系统是一个人地（地理环境）关系系统，它体现人与人、地与地、人与地相互作用和相互关系，城市系统由政府、企业、市民、地理环境等，既相对独立又密切相关的子系统构成。政府管理、企业的商业活动、市民的生产与生活无不体现出城市的这种人地关系。

    理想化的城市GIS由政府GIS、企业GIS和社会GIS构成，通过网络（局域网、Internet、宽带网、有线电视网、公用电话网等）将政府、企业和社会联成一个整体，实现资源的共享。

    国内城市GIS的发展过程是一个从政府GIS向企业GIS乃至社会GIS发展的过程。

    政府GIS

    国内早期的城市ＧＩＳ建设主要侧重于政府ＧＩＳ。城市ＧＩＳ是投资大、见效慢的项目，只有政府才有条件率先建立城市ＧＩＳ。因为，政府部门，尤其是城市规划、土地、房产部门是城市空间数据的主要生产者、管理者和使用者，政府对城市空间数据的采集、使用和处理拥有垄断地位，而城市空间数据是建立城市ＧＩＳ的必要条件；政府管理与决策迫切需要ＧＩＳ的支持。

八十年代中期，应城市规划管理世界银行贷款项目的要求，洛阳、常州、沙市等城市开始着手建立为城市规划ＧＩＳ。八十代末，上海建立了２．５平方公里的样区实验系统。九十年代初，由于城市建设的高速发展，海口、深圳、北海、淄博等城市纷纷建立了为城市规划管理服务的政府ＧＩＳ，城市规划ＧＩＳ得到了迅速的发展。早期的城市ＧＩＳ主要是为城市规划管理服务的政府ＧＩＳ，它体现了城市规划在城市管理中的龙头作用和城市决策者希望对城市建设总体把握的要求。到九十代中期，为土地管理服务的政府ＧＩＳ开始引起重视，南宁、南京等城市开始建设土地信息系统。九十代后期，随着国家对土地资源的重视，土地信息系统的建设热潮开始形成。与此同时，政府的其它部门也在开始应用ＧＩＳ技术，如“１１０”、“１２３１５”、“１２０”系统开始把ＧＩＳ与ＧＰＳ技术纳入应用范畴，环保部门利用ＧＩＳ建立环境ＧＩＳ。在第三次人口普查中，提出了建立人口地理信息系统的要求。目前，政府ＧＩＳ还停留在部门ＧＩＳ水平，各政府部门之间由于条条块块的分割，相互封锁，形成了各自为政的政府ＧＩＳ孤岛。从“数字城市”的角度，政府部门的ＧＩＳ应该是一个整体，才能实现系统资源（数据、软件、硬件、网络和人才）的共享。

    企业GIS政府ＧＩＳ的发展为企业ＧＩＳ建立提供经验和数据基础。企业是以赢利为目的，企业应用信息技术是为企业的管理与决策服务，通过提高管理与决策水平，最终到达提高企业利润的最终目的。ＧＩＳ如果不能满足企业发展需要，企业不会投资建立ＧＩＳ系统。

    ＧＩＳ在企业中的应用主要可以解决两方面的问题：一、企业设施管理问题；二、商业管理与决策问题。

    九十年代中后期，为城市提供基础和公用设施服务的企业开始着手建立设施管理ＧＩＳ系统，主要是城市供电、供水、煤气、电讯、有线电视和交通ＧＩＳ。一些大型的企业开始建设企业内部设施管理ＧＩＳ。通过建立企业的设施管理ＧＩＳ，企业可从设施空间分布的角度了解设施的状况，摸清家底，提高企业设施管理和维护的效率，充分合理地利用各种设施，优化服务，节约成本，从而产生经济效益。虽然，目前企业设施管理ＧＩＳ应用水平不高，但随着国内设施管理ＧＩＳ技术的成熟，它将成为城市ＧＩＳ的主要增长点。

    社会GIS

    九十年代后期，一些ＧＩＳ公司开始开发集软件与数据于一体的城市电子地图光盘，如《北京通》、《广州之窗》，为市民和游客在城市中的衣、食、住、行提供方便，这些光盘可进一步发展成为汽车导航以及商务地理分析的工具。随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和ＷｅｂＧＩＳ技术的发展，为企业和市民提供城市空间信息服务的ＧＩＳ网站开始出现，比较有影响的网站主要有Ｃｈｉｎａｑｕｅｓｔ和Ｇｏ２ｍａｐ，这些网站尝试通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ提供网上地图浏览服务，为电子商务提供城市空间信息基础平台。这些应用标志着社会ＧＩＳ的发展，城市ＧＩＳ的应用领域的拓宽，同时也加深社会对ＧＩＳ的认识，ＧＩＳ技术将通过社会ＧＩＳ深入千家万户，扩展ＧＩＳ的市场空间。

 

顶