智慧城市的支撐技術(shù)——GIS技術(shù)

文│ 旭密林實(shí)業(yè)發(fā)展（上海）有限公司 衛(wèi)校飛

1 GIS簡介

GIS（Geographic Information System）是地理信息系統(tǒng)的簡稱。地理信息是指直接或間接與地球上的空間位置有關(guān)的信息，又常稱為空間信息。一般來說，GIS可定義為：用于采集、存儲、管理、處理、檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)。從應(yīng)用角度可進(jìn)一步定義為：GIS由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)和用戶組成，通過對地理數(shù)據(jù)的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源評價(jià)與管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城市規(guī)劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設(shè)計(jì)和規(guī)劃、管理決策服務(wù)。如圖1所示。

地理信息系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)的空間定位、空間關(guān)系處理的復(fù)雜性、海量數(shù)據(jù)管理能力等特征。

地理信息系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素組成。地理信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理對象可以分為空間信息系統(tǒng)和非空間信息系統(tǒng)，根據(jù)應(yīng)用層次可以分為事務(wù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。

信息是用文字、數(shù)字、符號、語言、圖像等介質(zhì)來表示事件、事物、現(xiàn)象等的內(nèi)容、數(shù)量或特征，從而向人們（或系統(tǒng)）提供關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界新的事實(shí)和知識，作為生產(chǎn)、建設(shè)、經(jīng)營、管理、分析和決策的依據(jù)。數(shù)據(jù)和信息都具有客觀性、適用性、可傳輸性和共享性，地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象以及它們之間關(guān)系的數(shù)字化表示，地理數(shù)據(jù)和信息都具有空間上的分布性、數(shù)量上的海量性、載體的多樣性和位置與屬性的對應(yīng)性等特征；地理信息是有關(guān)地理實(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的表征和一切相關(guān)的知識，它是對表達(dá)地理特征與地理現(xiàn)象之間關(guān)系的地理數(shù)據(jù)的解釋，因而地理信息具有空間特征、時(shí)間特征、屬性特征三大特征。

地理信息系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編輯與處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)組織與管理、空間查詢與空間分析和數(shù)據(jù)輸出功能。

2 GIS發(fā)展歷程

地理信息系統(tǒng)萌發(fā)于20世紀(jì)60年代。1962年，加拿大的Roger F.Tomlinson提出利用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理和分析大量的土地利用地圖數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，美國的Duane F.Marble在美國西北大學(xué)研究利用數(shù)字計(jì)算機(jī)研制數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，以支持大規(guī)模城市交通研究，并提出建立地理信息系統(tǒng)的思想。70年代是地理信息系統(tǒng)走向?qū)嵱玫陌l(fā)展期。1972年，CGIS系統(tǒng)全面投入運(yùn)行與使用，成為世界上第一個(gè)運(yùn)行型的地理信息系統(tǒng)。

80年代是GIS的推廣應(yīng)用階段，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與完善，GIS技術(shù)從土地利用、城市規(guī)劃等宏觀管理應(yīng)用，深入到各個(gè)領(lǐng)域解決工程問題。在這一時(shí)期，出現(xiàn)了一大批具有代表性的GIS軟件，如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS等，其中ARC/INFO已經(jīng)越來越廣泛地為世界各國地質(zhì)調(diào)查部門所采用，并在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域礦產(chǎn)資源與環(huán)境評價(jià)、礦產(chǎn)資源與礦權(quán)管理中發(fā)揮越來越重要的作用。

90年代以后為GIS的用戶時(shí)代，隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的建立和數(shù)字化信息產(chǎn)品在全世界的普及，GIS成為了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。目前，GIS的應(yīng)用在走向區(qū)域化和全球化的同時(shí)，已滲透到各行各業(yè)，涉及千家萬戶，成為人們生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)和工作中不可缺少的工具和助手。

3 GIS的組成部分

GIS由硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法五部分組成（如圖2所示）。硬件和軟件為地理信息系統(tǒng)建設(shè)提供環(huán)境；數(shù)據(jù)是GIS的重要內(nèi)容；方法為GIS建設(shè)提供解決方案；人員是系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵和能動(dòng)性因素，直接影響和協(xié)調(diào)其他幾個(gè)組成部分。

硬件主要包括計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)輸入、顯示和輸出的外圍設(shè)備等。

軟件主要包括：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件、系統(tǒng)開發(fā)軟件、GIS軟件等。GIS軟件的選型，直接影響其他軟件的選擇，影響系統(tǒng)解決方案，也影響著系統(tǒng)建設(shè)周期和效益。

數(shù)據(jù)是GIS的重要內(nèi)容，也是GIS系統(tǒng)的靈魂和生命。數(shù)據(jù)組織和處理是GIS應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及許多問題，例如如何選擇比例尺數(shù)據(jù)、有數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性如何、數(shù)據(jù)精度是否能滿足要求、數(shù)據(jù)格式是否能被已有的GIS軟件集成、應(yīng)采用何種方法進(jìn)行處理和集成采用何種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)等。

人員是系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵和能動(dòng)性因素，直接影響和協(xié)調(diào)其他幾個(gè)組成部分。人員的技術(shù)水平和組織管理能力是決定系統(tǒng)建設(shè)成敗的重要因素。系統(tǒng)人員按不同分工有項(xiàng)目經(jīng)理、項(xiàng)目開發(fā)人員、項(xiàng)目數(shù)據(jù)人員、系統(tǒng)文檔撰寫和系統(tǒng)測試人員等。各個(gè)部分齊心協(xié)力、分工協(xié)作是GIS系統(tǒng)成功建設(shè)的重要保證。

方法指系統(tǒng)需要采用何種技術(shù)路線，采用何種解決方案來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)。方法的采用會直接影響系統(tǒng)性能，影響系統(tǒng)的可用性和可維護(hù)性。

4 GIS功能

就GIS本身來說，大多數(shù)功能較全的GIS一般均具備四種類型的基本功能，如圖3所示。

4.1 數(shù)據(jù)采集與編輯功能

GIS的核心是地理數(shù)據(jù)庫，所以建立GIS的第一步是將地面的實(shí)體圖形數(shù)據(jù)和描述它的屬性數(shù)據(jù)輸入到數(shù)據(jù)中，即數(shù)據(jù)采集。為了消除數(shù)據(jù)采集的錯(cuò)誤，需要對圖形及文本數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和修改。屬性數(shù)據(jù)比較規(guī)范，適應(yīng)于表格表示，所以許多地理信息系統(tǒng)都采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理。通常的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）都為用戶提供了一套功能很強(qiáng)的數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)庫查詢語言SQL，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可據(jù)此建立友好的用戶界面，以方便用戶對屬性數(shù)據(jù)的輸入、編輯與查詢。

4.2 制圖功能

GIS是一個(gè)功能極強(qiáng)的數(shù)字化制圖系統(tǒng)。一個(gè)功能強(qiáng)的制圖軟件包還具有地圖綜合，分色排版的功能。根據(jù)GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及繪圖儀的類型，用戶可獲得矢量地圖或柵格地圖。地理信息系統(tǒng)不僅可以為用戶輸出全要素地圖，而且可以根據(jù)用戶需要分層輸出各種專題地圖，如行政區(qū)劃圖、土壤利用圖、道路交通圖、等高線圖等；還可以通過空間分析得到一些特殊的地學(xué)分析用圖，如坡度圖、坡向圖、剖面圖等。

4.3 空間數(shù)據(jù)庫管理功能

GIS一般都裝配有地理數(shù)據(jù)庫，其功效類似對圖書館的圖書進(jìn)行編目，分類存放，以便于管理人員或讀者快速查找所需的圖書。其基本功能包括數(shù)據(jù)庫定義、數(shù)據(jù)庫的建立與維護(hù)、數(shù)據(jù)庫操作和通信功能。

4.4 空間分析功能

通過空間查詢與空間分析得出決策結(jié)論，是GIS的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。在GIS中這屬于專業(yè)性、高層次的功能。與制圖和數(shù)據(jù)庫組織不同，空間分析很少能夠規(guī)范化，這是一個(gè)復(fù)雜的處理過程，需要懂得如何應(yīng)用GIS目標(biāo)之間的內(nèi)在空間聯(lián)系并結(jié)合各自的數(shù)學(xué)模型和理論來制定規(guī)劃和決策。

5 GIS的應(yīng)用領(lǐng)域

GIS在最近的30多年內(nèi)取得了驚人的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃、郵電通信、交通運(yùn)輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計(jì)、商業(yè)金融等幾乎覆蓋所有領(lǐng)域。GIS在一些領(lǐng)域中的具體應(yīng)用如圖4所示。

5.1 城市規(guī)劃和管理

空間規(guī)劃是GIS的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，城市規(guī)劃和管理是其中的主要內(nèi)容。例如，在大規(guī)模城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中如何保證綠地的比例和合理分布，如何保證學(xué)校、公共設(shè)施、運(yùn)動(dòng)場所、服務(wù)設(shè)施等能夠有最大的服務(wù)面（城市資源配置問題）等。

5.2 生態(tài)、環(huán)境管理與模擬

區(qū)域生態(tài)規(guī)劃、環(huán)境現(xiàn)狀評價(jià)、環(huán)境影響評價(jià)、污染物削減分配的決策支持、環(huán)境與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的決策支持、環(huán)保設(shè)施的管理、環(huán)境規(guī)劃等。

5.3 應(yīng)急響應(yīng)

解決在發(fā)生洪水、戰(zhàn)爭、核事故等重大自然或人為災(zāi)害時(shí)，如何安排最佳的人員撤離路線、并配備相應(yīng)的運(yùn)輸和保障設(shè)施的問題。

5.4 選址分析

根據(jù)區(qū)域地理環(huán)境的特點(diǎn)，綜合考慮資源配置、市場潛力、交通條件、地形特征、環(huán)境影響等因素，在區(qū)域范圍內(nèi)選擇最佳位置，是GIS的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域，充分體現(xiàn)了GIS的空間分析功能。

5.5 網(wǎng)絡(luò)分析

建立交通網(wǎng)絡(luò)、地下管線網(wǎng)絡(luò)等計(jì)算機(jī)模型，研究交通流量、進(jìn)行交通規(guī)則、處理地下管線突發(fā)事件（爆管、斷路）等應(yīng)急處理。警務(wù)和醫(yī)療救護(hù)的路徑優(yōu)選、車輛導(dǎo)航等也是GIS網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用的實(shí)例。

5.6 可視化應(yīng)用

以數(shù)字地形模型為基礎(chǔ)，建立城市、區(qū)域、大型建筑工程、著名風(fēng)景名勝區(qū)的三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)多角度瀏覽，可廣泛應(yīng)用于宣傳、城市和區(qū)域規(guī)劃、大型工程管理和仿真、旅游等領(lǐng)域。

6 GIS的發(fā)展方向

目前，GIS的應(yīng)用是以政府部門為主體，未來，面向企業(yè)以及大眾的信息服務(wù)將成為GIS應(yīng)用新的增長點(diǎn)。地理信息技術(shù)的發(fā)展必須依據(jù)新的要求和標(biāo)準(zhǔn)，GIS在各行業(yè)的應(yīng)用模式也需要改革和創(chuàng)新?？傮w來說，GIS應(yīng)用將向智能化、規(guī)?；?、集成化、一體化以及產(chǎn)業(yè)化五個(gè)方面深化發(fā)展。未來，GIS在以下幾方面有非常大的發(fā)展空間。

6.1 GIS與建筑信息模型（BIM）

地理信息系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在∶安全管理地基設(shè)計(jì)、三維建筑規(guī)劃方案可視化設(shè)計(jì)、戶內(nèi)可視化導(dǎo)航等。目前通過GIS的大地地形管理、地形第五模型的創(chuàng)建、規(guī)劃方案的整合、貼圖、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)手段，可以對建筑方案進(jìn)行三維可視化建模，場景優(yōu)化和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。GIS正在與BIM交互融合，應(yīng)用于智慧城市。具體情況可見相關(guān)章節(jié)。

6.2 GIS與智能交通

基于GIS的智能交通不僅能夠通過圖形的形式記述道路通行狀況、迅速定位事故點(diǎn)、調(diào)度搶修車輛以及提供交通疏散的方案等，還能夠?yàn)檫@些信息的深層次挖掘、后續(xù)信息服務(wù)、輔助決策提供空間屬性上的支持。具體應(yīng)用包括監(jiān)控、設(shè)施管理、車輛調(diào)度指揮、應(yīng)急救援系統(tǒng)等。

6.3 GIS與農(nóng)業(yè)資源管理

3S（RS、GIS、GPS）技 術(shù)， 尤 其 是GIS技術(shù)在農(nóng)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)部的多個(gè)業(yè)務(wù)部門紛紛構(gòu)建了各自的應(yīng)用系統(tǒng)。未來的農(nóng)業(yè)應(yīng)用將更多涉及精細(xì)農(nóng)業(yè)、農(nóng)作物監(jiān)測及估產(chǎn)、農(nóng)田水淹沒分析以及綠色農(nóng)業(yè)等方面。