智慧城市的支撐技術——GIS技術

文│ 旭密林實業發展（上海）有限公司 衛校飛

1 GIS簡介

GIS（Geographic Information System）是地理信息系統的簡稱。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、分析和表達地理空間數據的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術。從應用角度可進一步定義為：GIS由計算機系統、地理數據和用戶組成，通過對地理數據的集成、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、資源評價與管理、環境監測、交通運輸、經濟建設、城市規劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設計和規劃、管理決策服務。如圖1所示。

地理信息系統是在計算機軟、硬件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。地理信息系統具有數據的空間定位、空間關系處理的復雜性、海量數據管理能力等特征。

地理信息系統由計算機硬件、軟件、數據和用戶四大要素組成。地理信息系統中，數據處理對象可以分為空間信息系統和非空間信息系統，根據應用層次可以分為事務處理系統、管理信息系統和決策支持系統。

信息是用文字、數字、符號、語言、圖像等介質來表示事件、事物、現象等的內容、數量或特征，從而向人們（或系統）提供關于現實世界新的事實和知識，作為生產、建設、經營、管理、分析和決策的依據。數據和信息都具有客觀性、適用性、可傳輸性和共享性，地理數據是各種地理特征和現象以及它們之間關系的數字化表示，地理數據和信息都具有空間上的分布性、數量上的海量性、載體的多樣性和位置與屬性的對應性等特征；地理信息是有關地理實體的性質、特征和運動狀態的表征和一切相關的知識，它是對表達地理特征與地理現象之間關系的地理數據的解釋，因而地理信息具有空間特征、時間特征、屬性特征三大特征。

地理信息系統具有數據采集、數據編輯與處理、數據存儲、數據組織與管理、空間查詢與空間分析和數據輸出功能。

2 GIS發展歷程

地理信息系統萌發于20世紀60年代。1962年，加拿大的Roger F.Tomlinson提出利用數字計算機處理和分析大量的土地利用地圖數據。與此同時，美國的Duane F.Marble在美國西北大學研究利用數字計算機研制數據處理軟件系統，以支持大規模城市交通研究，并提出建立地理信息系統的思想。70年代是地理信息系統走向實用的發展期。1972年，CGIS系統全面投入運行與使用，成為世界上第一個運行型的地理信息系統。

80年代是GIS的推廣應用階段，由于計算機技術的飛速發展，特別是工作站和個人計算機的出現與完善，GIS技術從土地利用、城市規劃等宏觀管理應用，深入到各個領域解決工程問題。在這一時期，出現了一大批具有代表性的GIS軟件，如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS等，其中ARC/INFO已經越來越廣泛地為世界各國地質調查部門所采用，并在區域地質調查、區域礦產資源與環境評價、礦產資源與礦權管理中發揮越來越重要的作用。

90年代以后為GIS的用戶時代，隨著地理信息產業的建立和數字化信息產品在全世界的普及，GIS成為了一個產業。目前，GIS的應用在走向區域化和全球化的同時，已滲透到各行各業，涉及千家萬戶，成為人們生產、生活、學習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、數據、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建設提供環境；數據是GIS的重要內容；方法為GIS建設提供解決方案；人員是系統建設中的關鍵和能動性因素，直接影響和協調其他幾個組成部分。

硬件主要包括計算機和網絡設備、存儲設備、數據輸入、顯示和輸出的外圍設備等。

軟件主要包括：操作系統軟件、數據庫管理軟件、系統開發軟件、GIS軟件等。GIS軟件的選型，直接影響其他軟件的選擇，影響系統解決方案，也影響著系統建設周期和效益。

數據是GIS的重要內容，也是GIS系統的靈魂和生命。數據組織和處理是GIS應用系統建設中的關鍵環節，涉及許多問題，例如如何選擇比例尺數據、有數據現勢性如何、數據精度是否能滿足要求、數據格式是否能被已有的GIS軟件集成、應采用何種方法進行處理和集成采用何種方法進行數據的更新和維護等。

人員是系統建設中的關鍵和能動性因素，直接影響和協調其他幾個組成部分。人員的技術水平和組織管理能力是決定系統建設成敗的重要因素。系統人員按不同分工有項目經理、項目開發人員、項目數據人員、系統文檔撰寫和系統測試人員等。各個部分齊心協力、分工協作是GIS系統成功建設的重要保證。

方法指系統需要采用何種技術路線，采用何種解決方案來實現系統目標。方法的采用會直接影響系統性能，影響系統的可用性和可維護性。

4 GIS功能

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

4.1 數據采集與編輯功能

GIS的核心是地理數據庫，所以建立GIS的第一步是將地面的實體圖形數據和描述它的屬性數據輸入到數據中，即數據采集。為了消除數據采集的錯誤，需要對圖形及文本數據進行編輯和修改。屬性數據比較規范，適應于表格表示，所以許多地理信息系統都采用關系數據庫管理系統管理。通常的關系數據庫管理系統（RDBMS）都為用戶提供了一套功能很強的數據編輯和數據庫查詢語言SQL，系統設計人員可據此建立友好的用戶界面，以方便用戶對屬性數據的輸入、編輯與查詢。

4.2 制圖功能

GIS是一個功能極強的數字化制圖系統。一個功能強的制圖軟件包還具有地圖綜合，分色排版的功能。根據GIS的數據結構及繪圖儀的類型，用戶可獲得矢量地圖或柵格地圖。地理信息系統不僅可以為用戶輸出全要素地圖，而且可以根據用戶需要分層輸出各種專題地圖，如行政區劃圖、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分析用圖，如坡度圖、坡向圖、剖面圖等。

4.3 空間數據庫管理功能

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

4.4 空間分析功能

通過空間查詢與空間分析得出決策結論，是GIS的出發點和歸宿。在GIS中這屬于專業性、高層次的功能。與制圖和數據庫組織不同，空間分析很少能夠規范化，這是一個復雜的處理過程，需要懂得如何應用GIS目標之間的內在空間聯系并結合各自的數學模型和理論來制定規劃和決策。

5 GIS的應用領域

GIS在最近的30多年內取得了驚人的發展，廣泛應用于資源調查、環境評估、災害預測、國土管理、城市規劃、郵電通信、交通運輸、軍事公安、水利電力、公共設施管理、農林牧業、統計、商業金融等幾乎覆蓋所有領域。GIS在一些領域中的具體應用如圖4所示。

5.1 城市規劃和管理

空間規劃是GIS的一個重要應用領域，城市規劃和管理是其中的主要內容。例如，在大規模城市基礎設施建設中如何保證綠地的比例和合理分布，如何保證學校、公共設施、運動場所、服務設施等能夠有最大的服務面（城市資源配置問題）等。

5.2 生態、環境管理與模擬

區域生態規劃、環境現狀評價、環境影響評價、污染物削減分配的決策支持、環境與區域可持續發展的決策支持、環保設施的管理、環境規劃等。

5.3 應急響應

解決在發生洪水、戰爭、核事故等重大自然或人為災害時，如何安排最佳的人員撤離路線、并配備相應的運輸和保障設施的問題。

5.4 選址分析

根據區域地理環境的特點，綜合考慮資源配置、市場潛力、交通條件、地形特征、環境影響等因素，在區域范圍內選擇最佳位置，是GIS的一個典型應用領域，充分體現了GIS的空間分析功能。

5.5 網絡分析

建立交通網絡、地下管線網絡等計算機模型，研究交通流量、進行交通規則、處理地下管線突發事件（爆管、斷路）等應急處理。警務和醫療救護的路徑優選、車輛導航等也是GIS網絡分析應用的實例。

5.6 可視化應用

以數字地形模型為基礎，建立城市、區域、大型建筑工程、著名風景名勝區的三維可視化模型，實現多角度瀏覽，可廣泛應用于宣傳、城市和區域規劃、大型工程管理和仿真、旅游等領域。

6 GIS的發展方向

目前，GIS的應用是以政府部門為主體，未來，面向企業以及大眾的信息服務將成為GIS應用新的增長點。地理信息技術的發展必須依據新的要求和標準，GIS在各行業的應用模式也需要改革和創新?？傮w來說，GIS應用將向智能化、規?；⒓苫?、一體化以及產業化五個方面深化發展。未來，GIS在以下幾方面有非常大的發展空間。

6.1 GIS與建筑信息模型（BIM）

地理信息系統在建筑領域的應用主要體現在∶安全管理地基設計、三維建筑規劃方案可視化設計、戶內可視化導航等。目前通過GIS的大地地形管理、地形第五模型的創建、規劃方案的整合、貼圖、數據處理等關鍵技術手段，可以對建筑方案進行三維可視化建模，場景優化和系統集成設計。GIS正在與BIM交互融合，應用于智慧城市。具體情況可見相關章節。

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、調度搶修車輛以及提供交通疏散的方案等，還能夠為這些信息的深層次挖掘、后續信息服務、輔助決策提供空間屬性上的支持。具體應用包括監控、設施管理、車輛調度指揮、應急救援系統等。

6.3 GIS與農業資源管理

3S（RS、GIS、GPS）技 術， 尤 其 是GIS技術在農業的各個領域得到廣泛的應用，農業部的多個業務部門紛紛構建了各自的應用系統。未來的農業應用將更多涉及精細農業、農作物監測及估產、農田水淹沒分析以及綠色農業等方面。