地理信息系统原理

陈玉进 李泉 南京跬步科技有限公司（http://www.creable.cn）

      地理信息系统(GIS,Geographic Information System)是一门用计算机来研究地理的学科.地理学是一门很古老的学科,而计算机是最近几十年发展起来的.如何凭借计算机这一强大的运算工具来研究地理?随着对这一核心问题研究的深入,GIS这个崭新的名词进入了我们的视野。下面我们也就围绕这个核心问题来展开。

 

      一、如何用计算机来描述和表达地理现象？

      凭借计算机来研究地理，首先需要解决的问题是：如何用计算机来描述和表达地理现象？在这之前，古人用各种形式的纸张地图和各种文字数据等资料来描述地理现象，这些资料大都通过测量和调查等方式获取的。现在有了计算机，那用计算机该如何展现地图和各种文字数据等资料呢？古人借助坐标，通过测量把地理上的现象描绘到纸张上，那自然我们也会想到用同样的思路，用坐标来描述，用图形来展现地图。经过抽象，分别用点(X,Y),线(X0,Y0,X1,Y1……Xn,Yn),面(X0,Y0,X1,Y1……Xn-1,Yn-1,X0,Y0)这三种坐标形式来表达各种地理现象.各种相关的文字数据等资料,将以属性字段的形式来描述.这种就是我们通常所说的矢量数据.而另一种描述方式——栅格数据，就是我们通常看到的图象,是由栅格所组成,每个栅格所在的位置和地理的相应区域是对应的,象素值就是对应的属性值.

      二、如何用计算机来存储地理数据?

      在计算机中,数据的存储表达形式无非就两种形式:1,二进制;2,字符(其实字符最终也是二进制).在GIS中,用二进制或者字符来存储坐标(属性值同理),坐标浮点型,可以用二进制4或者8个字节来存储,或者也可以用字符串的形式(不过麻烦的是,解析字符串不是很高效),把这一系列的坐标二进制数据以一定的结构保存起来,我们常见的shp格式,就是二进制的.在数据库中,可以用二进制BLOB字段类型来存储坐标序列,也可以用字符串字段类型.栅格数据通常是存储每个象素的值,也是基本数据类型,比如int,double,char等. 整个图象以矩阵或者矩阵的压缩形式来存储的.

      三、如何用计算机对这些数据进行处理分析?

      空间数据的处理,就是根据应用分析的需求,采用一种算法,对空间数据进行运算.对矢量而言,就是对地理坐标点进行运算,比如空间关系的判断,就是根据地物的坐标位置,用一种算法来判断地物之间的拓扑关系;数据编辑,也是对地物的坐标进行操作;.对栅格数据,就是对栅格象素进行运算,比如二值化,两个栅格图象的叠置运算.

      四、如何用计算机来展现地理信息?

      地理信息的展示,通常以图形图象或者表格的方式来展现,也是用户操作的UI接口.这里涉及到如何把地理坐标用图形的方式展现出来,如何把图象栅格展现出来?这里涉及到一个共同的问题就是把地理坐标转换成屏幕显示坐标,因为我们最终是要通过屏幕来显示的,如何在屏幕上定位一个地物的坐标,必然涉及到两者的转换.同时地理信息的展现也涉及到如何渲染的问题,主要表现在地图符号化上,采用不同的形状,不同的颜色,不同大小粗细来表达不同数量,不同质量的信息.

      当然,地理信息系统内涵是很丰富的,涉及到的学科也是非常多的,并不仅仅局限于这里所介绍的几个方面,一些前沿的研究课题已经引起了很多学者的关注和研究,比如时态GIS,三维虚拟现实,模式识别,空间数据挖掘,知识发现…

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