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【摘要】文章从GIS基本功能、构成特点出发归纳、总结GIS应用的几个方面，并详细举例说明GIS在国内外的应用现状。
【关键词】地理信息系统 空间测绘数据 数学模型
1．地理信息系统概念及国内外常用的地理信息系统软件。地理信息系统（Geographic Information System简称GIS）是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。
目前世界上常用的GIS软件已达400多种。它们大小不一，风格各异。虽然GIS起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域。
2．地理信息系统在国内外研究应用。尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有两种情况：一是利用GIS系统来处理用户的数据；二是利用它的开发函数库二次开发出用户专用的地理信息系统软件。目前已成功地應用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随着我国的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济和社会效益。下面先从GIS理论上提炼和归纳并给出应用的例子：
2．1地理信息系统在地理空间数据管理中的应用，即对多种方式录入的地理数据，以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护，进行快速查询检索，以多种方式输出决策所需的地理空间信息。目前流行的数据库管理系统与GIS中数据库管理系统相比在对地理空间数据的管理上存在两个明显的不足：一是缺乏空间实体定义能力；二是缺乏空间关系查寻能力，这使得GIS在对空间数据管理上的应用日趋活跃。如ARC/INFO在公路管理中的应用；ARC/INFO在对市政设施管理中的应用。后者如北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线（包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线）以及测量控制网、规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统，从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理，为市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。
2．2GIS在综合分析评价与模拟预测中的应用。GIS不仅可以对地理空间数据进行编码、存储和提取，还可以得到综合分析评价结果，如GIS在焦作东部矿区煤矿底板突水预报中的应用；GIS在土地信息和土壤保护中的应用。后者如美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地GIS。该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的土壤侵蚀模型A=R*K*L*S*C*P（其中A为潜在的土壤侵蚀（面积/年），R为降雨量，K为侵蚀土壤参数，L为坡长，S为坡度参数，C为耕地面积，P为管理参数），探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的方案，达到土壤保护的目的，还可以利用它对土地进行长期的动态研究，避免土质的重心恶化。这里把土壤侵蚀模型A=R*K*L*S*C*P作用到与之有关数据，达到综合分析评价及模拟预测结果。
2．3GIS的空间查询和空间分析功能的应用。为了便于管理和开发地理信息（空间信息和属性信息），在建库时是分层处理的。这样GIS对单副或多副图件及其属性数据进行分析和指标量算。这种应用以原始图为输入，而查询和分析结果则是以原始图经过空间操作后生成的新图件来表示，在空间定位上仍与原始图一致。因此，也可将其称为空间函数变换。这种空间变换包括叠置分析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空集合分析（逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算）。这方面应用例子有很多，例如在城市规划过程中，对城市中救护车、救火车的分布位置以及行车路线和控制的规划；在地学方面，MAPGIS在油气勘探中和在成矿预测中的应用等等。
2．4运用GIS系统，建立起专题信息系统和区域信息系统。专题信息系统如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、草场资源信息系统、水土流失信息系统和目前上海正在建立的长途电信局GIS系统等等。这类信息系统具有有限目标和专业特点，系统数据项的选择和操作功能是为特定的专门目的服务。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国Oakridge地区模式信息系统等等。这类信息系统主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，其特点是数据项多，功能齐全，通常具有较强的开放性。这两种信息系统强调完整性和系统性。
2．5GIS中属性数据的综合及融合。在现有的GIS中，属性数据只是用于检索和查询或简单统计，难以深入的分析，难以发掘隐含在其中的模式和规律。在众多项的属性数据中，有时将几个属性项的属性数值加以综合，构成一个具有某领域特定意义的新属性项新属性值，这种综合是经过严密的综合分析，用数量表示某领域问题的综合概念和结果特征。国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，我们对研究区进行合理网格大小划分后，利用GIS空间分析功能，求得每个网格单元的各地层、岩体、脉体的面积及相应的面积百分数、各断裂的长度、方向等众多的属性数值。在此基础上，用特定意义数学模型计算出三个综合属性值，分别为相对熵、断裂的优益度和中心对称度。用相对熵来考查围岩蚀变组合特征与矿化的关系。
数据融合的概念迅速发展是进入90年代以后，最初以军事应用为目的的数据融合技术，现今亦用于工业和农业。我们在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，引进数据融合技术，融合GIS的属性数据，进行地质异常单元的圈定与评价。利用GIS对空间数据强大的显示功能，显示其结果。我们在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，如前面所述，求出各网格单元的各属性项的属性数据值（即各变量值）。地学数据是典型的多源空间数据，它们的量刚不一、形式多样。因此，在数据融合前，必须统一量刚、把定性数据定量化，然后筛选出独立、有用的变量（包括综合变量），选择相应的数学模型（包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型）和模型单元，确定地质异常临界值大小，根据它对未知单元进行异常圈定和异常评价，最后利用GIS显示其结果。通过GIS空间叠加分析和管理、显示，使其结果的应用范围与利用价值大大提高。
总之，GIS为人类由客观世界到信息世界的认识、抽象过程以及由信息世界返回客观世界的利用改造过程的发展和转化，创造了空前良好的条件和环境。
【关键词】地理信息系统 空间测绘数据 数学模型
1．地理信息系统概念及国内外常用的地理信息系统软件。地理信息系统（Geographic Information System简称GIS）是一项以计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数据的技术系统，在计算机软硬件支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、研究各种空间实体及相互关系。通过对多因素的综合分析，它可以迅速地获取满足应用需要的信息，并能以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。
目前世界上常用的GIS软件已达400多种。它们大小不一，风格各异。虽然GIS起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到一百多个领域。
2．地理信息系统在国内外研究应用。尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有两种情况：一是利用GIS系统来处理用户的数据；二是利用它的开发函数库二次开发出用户专用的地理信息系统软件。目前已成功地應用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随着我国的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济和社会效益。下面先从GIS理论上提炼和归纳并给出应用的例子：
2．1地理信息系统在地理空间数据管理中的应用，即对多种方式录入的地理数据，以有效的数据组织形式进行数据库管理、更新、维护，进行快速查询检索，以多种方式输出决策所需的地理空间信息。目前流行的数据库管理系统与GIS中数据库管理系统相比在对地理空间数据的管理上存在两个明显的不足：一是缺乏空间实体定义能力；二是缺乏空间关系查寻能力，这使得GIS在对空间数据管理上的应用日趋活跃。如ARC/INFO在公路管理中的应用；ARC/INFO在对市政设施管理中的应用。后者如北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的八大类管线（包括上水、污水、电力、通讯、燃气、工程管线）以及测量控制网、规划路等基础测绘信息，形成一个测绘数据的城市地下管线信息系统，从而实现了对地下管线信息的全面的现代化管理，为市政工程设计与管理部门、城市交通部门与道路建设部门等提供地下管线及其它测绘部门的查询服务。
2．2GIS在综合分析评价与模拟预测中的应用。GIS不仅可以对地理空间数据进行编码、存储和提取，还可以得到综合分析评价结果，如GIS在焦作东部矿区煤矿底板突水预报中的应用；GIS在土地信息和土壤保护中的应用。后者如美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地GIS。该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的土壤侵蚀模型A=R*K*L*S*C*P（其中A为潜在的土壤侵蚀（面积/年），R为降雨量，K为侵蚀土壤参数，L为坡长，S为坡度参数，C为耕地面积，P为管理参数），探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的方案，达到土壤保护的目的，还可以利用它对土地进行长期的动态研究，避免土质的重心恶化。这里把土壤侵蚀模型A=R*K*L*S*C*P作用到与之有关数据，达到综合分析评价及模拟预测结果。
2．3GIS的空间查询和空间分析功能的应用。为了便于管理和开发地理信息（空间信息和属性信息），在建库时是分层处理的。这样GIS对单副或多副图件及其属性数据进行分析和指标量算。这种应用以原始图为输入，而查询和分析结果则是以原始图经过空间操作后生成的新图件来表示，在空间定位上仍与原始图一致。因此，也可将其称为空间函数变换。这种空间变换包括叠置分析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空集合分析（逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算）。这方面应用例子有很多，例如在城市规划过程中，对城市中救护车、救火车的分布位置以及行车路线和控制的规划；在地学方面，MAPGIS在油气勘探中和在成矿预测中的应用等等。
2．4运用GIS系统，建立起专题信息系统和区域信息系统。专题信息系统如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、草场资源信息系统、水土流失信息系统和目前上海正在建立的长途电信局GIS系统等等。这类信息系统具有有限目标和专业特点，系统数据项的选择和操作功能是为特定的专门目的服务。区域信息系统如加拿大国家信息系统、美国Oakridge地区模式信息系统等等。这类信息系统主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，其特点是数据项多，功能齐全，通常具有较强的开放性。这两种信息系统强调完整性和系统性。
2．5GIS中属性数据的综合及融合。在现有的GIS中，属性数据只是用于检索和查询或简单统计，难以深入的分析，难以发掘隐含在其中的模式和规律。在众多项的属性数据中，有时将几个属性项的属性数值加以综合，构成一个具有某领域特定意义的新属性项新属性值，这种综合是经过严密的综合分析，用数量表示某领域问题的综合概念和结果特征。国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，我们对研究区进行合理网格大小划分后，利用GIS空间分析功能，求得每个网格单元的各地层、岩体、脉体的面积及相应的面积百分数、各断裂的长度、方向等众多的属性数值。在此基础上，用特定意义数学模型计算出三个综合属性值，分别为相对熵、断裂的优益度和中心对称度。用相对熵来考查围岩蚀变组合特征与矿化的关系。
数据融合的概念迅速发展是进入90年代以后，最初以军事应用为目的的数据融合技术，现今亦用于工业和农业。我们在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，引进数据融合技术，融合GIS的属性数据，进行地质异常单元的圈定与评价。利用GIS对空间数据强大的显示功能，显示其结果。我们在开发国家科委九五攻关项目“紧缺矿产资源开发评价系统”中，如前面所述，求出各网格单元的各属性项的属性数据值（即各变量值）。地学数据是典型的多源空间数据，它们的量刚不一、形式多样。因此，在数据融合前，必须统一量刚、把定性数据定量化，然后筛选出独立、有用的变量（包括综合变量），选择相应的数学模型（包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型）和模型单元，确定地质异常临界值大小，根据它对未知单元进行异常圈定和异常评价，最后利用GIS显示其结果。通过GIS空间叠加分析和管理、显示，使其结果的应用范围与利用价值大大提高。
总之，GIS为人类由客观世界到信息世界的认识、抽象过程以及由信息世界返回客观世界的利用改造过程的发展和转化，创造了空前良好的条件和环境。