周寶書^①

（宜昌市夷陵區(qū)水土保持局   湖北  宜昌  443100）

 

    摘  要：從地理信息系統(tǒng)的概念入手，探討了地理系統(tǒng)研究的主要內容，并且對當前地理信息系統(tǒng)的關鍵技術措施在水土保持規(guī)劃系統(tǒng)中的應用，針對水土保持管理的具體要求和目標，分析了一個基于關系數(shù)據(jù)庫模型水土保持規(guī)劃信息系統(tǒng)在GIS應用中的基本功能。

    關鍵詞：地理信息系統(tǒng)；計算機系統(tǒng)；水土保持；空間數(shù)據(jù)庫

 

    地理信息系統(tǒng)（GIS）管理空間信息和數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)，廣泛應用于國防建設、城市規(guī)劃、資源管理、環(huán)境監(jiān)測等領域；以計算機為核心的信息處理系統(tǒng)技術是信息諸多類型中與空間相關的信息的一種類型，人類生存的地理這個三維空間中的萬物無不與空間位置相關，如何利用計算機處理空間相關信息是地理信息系統(tǒng)（Geoqrphic Information  System, 簡稱GIS）產生與發(fā)展的原動力，目前國產GIS軟件種類很多（如：SWCGIS、WEBGIS、MAPGIS、VTEWGIS、CITYSTAR、）在許多領域得到廣泛應用與推廣，極大激勵了GIS技術的發(fā)展，被列入各國高科技重點攻關項目，已成為各領域數(shù)字信息化建設首選的高科技軟件。

1.1  GIS信息技術的概念

GIS是一門多學科綜合的邊緣學科，其核心是計算機科學，基本技術是數(shù)據(jù)庫，地圖可視化及空間分析，而GIS是計算機科學，地理系統(tǒng)測量學、地圖學、空間學、信息科學等多門學科綜合的技術，要給出GIS的準確定義比較困難。一般認為：廣義的概念是GIS是處理地理數(shù)據(jù)的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策的計算機系統(tǒng)。狹義的概念是：1基于數(shù)據(jù)庫的定義：GIS的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有空間次序，并且提供一個對數(shù)據(jù)進行操作的操作集合，用來回答對數(shù)據(jù)庫中空間實體的查詢；2基于功能的定義：GIS是采集、存儲、檢查、操作、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)；3基于應用的定義：由于GIS應用領域的不同， GIS可分為土地信息系統(tǒng)、水土保持規(guī)劃信息系統(tǒng)、空間決策支持系統(tǒng)等。

1.2  GIS信息技術研究的內容

1.2.1  輸入系統(tǒng)：地理數(shù)據(jù)如何有效地輸入到GIS中是一項瑣碎、費時、代價昂貴的工作，大多數(shù)的地理數(shù)據(jù)是從低質地圖輸入GIS。常用的方法是數(shù)字化和掃描，數(shù)字化的主要問題是低效率和高代價；掃描輸入則面臨另一個問題，掃描得到的柵格數(shù)據(jù)如何變換成GIS數(shù)據(jù)庫通常要求的點、線、面、拓撲關系屬性等形式，一般采用交互式的地圖識別是矢量化方法的一種較為現(xiàn)實的理想輸入方法，而全自動的智能地圖識別方法采用較少。

1.2.2  存儲系統(tǒng)：GIS中的數(shù)據(jù)分為柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)兩類，如何在計算機中有效存儲和管理這兩類數(shù)據(jù)是GIS的基本問題。目前計算機的硬盤容量已達到GB級，可有效存儲和高效處理地圖這類對象是比較方便靈活的。但GIS的數(shù)據(jù)存儲卻有其獨特之處，大多數(shù)的GIS系統(tǒng)中采用了分層技術，即根據(jù)地圖的某些特征，把它分成若干層，整張地圖是所有層疊加的結果，可同時高效地處理上萬幅的海量地圖庫。在與用戶的交換過程中只處理涉及到的層，而不是整幅地圖，因而能夠對用戶的要求做出快速反應和處理。

1.2.3  地理數(shù)據(jù)的操作：GIS對圖形數(shù)據(jù)(點、線、面)和屬性數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改等基本操作中對數(shù)據(jù)的操作提供了對地理數(shù)據(jù)有效管理的手段，GIS并使圖形數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)緊密結合在一起，形成對地物的描述。

1.2.4  空間分析：地理數(shù)據(jù)空間分析是通過GIS提供的空間分析功能，用戶可以從已知的地理數(shù)據(jù)中得出隱含的重要結論，這對于許多應用領域是至關重要的，是GIS得以廣泛應用的重要原因之一。

　　GIS的空間分析分為矢量數(shù)據(jù)空間分析和柵格數(shù)據(jù)空間分析兩類：矢量數(shù)據(jù)空間分析通常包括：空間數(shù)據(jù)查詢和屬性分析，多邊形的重新分類、邊界消除與合并，點線、點與多邊形、線與多邊形、多邊形與多邊形的疊加，緩沖區(qū)分析，網絡分析，面運算，目標集統(tǒng)計分析；柵格數(shù)據(jù)空間分析功能通常包括：記錄分析、疊加分析、濾波分析、擴展領域操作、區(qū)域操作、統(tǒng)計分析。

1.2.5  輸出：將用戶查詢的結果或是數(shù)據(jù)分析的結果以合適的形式輸出是GIS問題求解方程過程的最后一道工序，輸出形式通常有在計算機屏幕上顯示或通過繪圖儀輸出。對于輸出精度要求較高、質量較好的GIS輸出功能，還包括：數(shù)據(jù)校正、編輯、圖形修飾、誤差消除、坐標變換、出版印刷等技術。

2.1  地理信息平臺技術

面向對象方法為人們在計算機上直接描述物理世界提供了一條適合于人類思維模式的方法，即面向對象的GIS，已成為GIS的發(fā)展方向，這是因為空間信息較之傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫處理的單維或多維信息更為復雜、瑣碎，面向對象的方法為描述復雜的空間信息提供了一條直觀、結構清晰、組織有序的方法，因而倍受使用者的采納和接受。

2.2  地理信息系統(tǒng)空間技術

空間信息用于地球研究即為地理信息系統(tǒng)，空間信息是指與空間和地理分布有關的信息，經統(tǒng)計，世界上的事物有90%左右與空間分布有關。為了滿足數(shù)字地球的要求，將影像數(shù)據(jù)庫、矢量圖形庫和數(shù)字高程模型（DEM）三庫一體化管理的GIS軟件和網絡GPS，在我國相關領域已得到普及。極大的方便GIS應用軟件產生的地理信息將被另一個軟件讀取，可實現(xiàn)不同層次的互操作。

由于遙感和GIS的廣泛應用，空間分辨率快速的提升。分辨率指空間分辨率、光譜分辨率和時間分辨率?？臻g分辨率指影像上所能看到的地面最小目標尺寸，用像元在地面的大小來表示。從遙感形成之初的80m，已提高到6m，乃至2m，軍用甚至可達到5cm。到目前獲取1m或優(yōu)于1m的空間分辨率影像將會十分方便。光譜分辨率指成像的波段范圍，分得愈細，波段愈多，光譜分辨率就愈高，現(xiàn)在的技術可以達到1-5nm（納米）量級，800多個波段。時間分辨率指重訪周期的長短，目前一般對地觀測衛(wèi)星為3-5d的重訪周期。通過發(fā)射合理分布的衛(wèi)星星座可以1-3d觀測地球一次，應用高分辨率衛(wèi)星遙感圖像在可以優(yōu)于1m的空間分辨率，每隔1-3d為人類提供反映地表動態(tài)變化的詳實數(shù)據(jù)。

2.3  地理信息系統(tǒng)集成模塊

多數(shù)GIS的空間分析功能對于大多數(shù)的應用問題是遠遠不夠的，因為這些領域都有自己獨特的專用模型，目前通用的GIS大多通過二次開發(fā)來解決這一現(xiàn)實問題。而GIS成功應用于專門領域的關鍵技術在于支持建立該領域特有的空間分析模型。GIS通過二次開發(fā)可以支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗的環(huán)境，支持與用戶交互式的基于GIS的分析、建模和決策等功能。

目前GIS空間分析功能與各種領域專用模型的結合主要有兩種途徑.(1)松散耦合式：即除GIS外，借助其他軟件環(huán)境實現(xiàn)專用模型，并與GIS之間采用數(shù)據(jù)通訊的方式聯(lián)系。(2)嵌入式：即在GIS中借助GIS的通用功能來實現(xiàn)應用領域的專用分析模型。

3.1  水土保持規(guī)劃系統(tǒng)平臺設計

-   傳統(tǒng)GIS開發(fā)平臺均采用專門設計的開發(fā)語言。例如，Arc/Info采用AML或C++語言，加上龐大的函數(shù)、命令庫，使得開發(fā)技術人員掌握難度較大，遞延了應用產品的開發(fā)周期。傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通常均直接由GIS廠商提供，這也是傳統(tǒng)GIS軟件價格昂貴的一個重要原因。一方面大大提高了應用開發(fā)與系統(tǒng)建設的成本，另一方面也限制了用戶根據(jù)應用需要和各種數(shù)據(jù)庫工具的優(yōu)劣，選擇利用數(shù)據(jù)庫工具的機會。-

3.2  水土保持規(guī)劃系統(tǒng)與GIS組件設計理論

基礎組件是面向空間數(shù)據(jù)管理，提供基本的交互過程。基礎組件屬基礎性平臺，是整個系統(tǒng)的基礎，主要面向空間數(shù)據(jù)管理，提供基本的交互過程，并能以靈活的方式與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)連接。

高級通用組件是面向通用功能。高級通用組件由基礎組件構造而成。它們面向通用功能，簡化用戶開發(fā)過程，如顯示工具組件、編輯工具組件等。

行業(yè)性組件是面向行業(yè)應用的管理方式，固化到組件中，加速開發(fā)進程。行業(yè)性組件以GPS監(jiān)控為例。對于GPS應用，除了需要地圖顯示、信息查詢等一般的GIS功能外，還需要特定的應用功能，如動態(tài)目標顯示、目標鎖定等。這些GPS行業(yè)性應用功能組件被封裝起來后，開發(fā)者的工作就可簡化為設置顯示目標的圖例以及調用、接受數(shù)據(jù)的方法等。

3.3  水土保持規(guī)劃系統(tǒng)在GIS使用中的優(yōu)越性

將GIS的功能適當抽象，以組件形式提供開發(fā)者使用，會帶來許多傳統(tǒng)GIS工具無法比擬的優(yōu)點。

3.3.1  GIS功能強大、系統(tǒng)處理速度快。目前市場上開發(fā)使用的GIS組件都是基于128位系統(tǒng)平臺的，采用InProc直接調用形式，所以無論是管理大數(shù)據(jù)的能力還是處理速度方面均不比傳統(tǒng)GIS軟件遜色。GIS組件完全能夠提供拼接、裁剪、疊合、緩沖區(qū)等空間處理能力和豐富的空間查詢與分析能力。

3.3.2  采用直接嵌入法對MIS開發(fā)。組件的開發(fā)建立在嚴格的標準之上，因此，凡符合標準的組件都可在目前流行的各種開發(fā)工具上使用。這樣Delphi、PowerBuilder、Notes、Access等都可直接成為GIS或GMIS的最優(yōu)開發(fā)工具，它們各自的優(yōu)點都能夠得到充分發(fā)揮。與傳統(tǒng)GIS專門性開發(fā)環(huán)境相比，是一種質的飛躍。

3.3.3  靈活方便、價格適宜。在組件模型下，各組件都集中地實現(xiàn)與自己最緊密相關的系統(tǒng)功能。組件化的GIS平臺集中提供空間數(shù)據(jù)管理能力，并且能以靈活的方式與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)連接。在保證功能的前提下，系統(tǒng)表現(xiàn)得靈活方便，而其價格僅是傳統(tǒng)GIS開發(fā)工具的三分之一，甚至更少。這樣，用戶便能以較好的性能價格比獲得或開發(fā)最優(yōu)GIS應用系統(tǒng)。

3.4   水土保持規(guī)劃系統(tǒng)中的GIS系統(tǒng)基本功能

水土保持規(guī)劃系統(tǒng)管理中存在海量的多時態(tài)水土保持規(guī)劃數(shù)據(jù)，能夠快速獲取水土保持規(guī)劃因子中的土地分類數(shù)量、質量、空間分布和利用狀況；能夠對年度水土保持規(guī)劃數(shù)據(jù)進行更新、管理、分析；能夠輸出各種查詢、統(tǒng)計和分析結果。因此，建立水土保持規(guī)劃信息系統(tǒng)的目標是高效地管理海量的多時態(tài)水土保持利用數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水土資源的科學管理，及時提供科學、詳實、直觀的數(shù)據(jù)，為水土保持工程的實施決策提供科學依據(jù)，實現(xiàn)水土保持生態(tài)資源總量動態(tài)平衡，最終達到區(qū)域水土保持可持續(xù)發(fā)展。

3.4.1  查詢功能:水土保持規(guī)劃系統(tǒng)采用關系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化，因此圖形和屬性之間相互查詢比較方便。查詢包括對圖形和屬性的雙向查詢、圖形定位等查詢功能。

3.4.2  統(tǒng)計分析功能:水土保持統(tǒng)計分析是水土保持規(guī)劃信息系統(tǒng)的重要組成部分。通過水土保持統(tǒng)計了解土地數(shù)量結構、利用狀況的區(qū)域分布特征。

3.4.3  變更編輯功能：水土保持規(guī)劃系統(tǒng)變更是指水土保持利用狀況發(fā)生的變化，即地類、面積發(fā)生的變化。系統(tǒng)將水土保持各因子變更劃分為屬性變更和圖形變更。系統(tǒng)提供各種圖形和屬性變更工具，圖形變更能夠直接輸入精確坐標進行變更操作，圖形變更時自動生成新實體編號（如圖斑編號），避免重號的發(fā)生。

3.4.4  制圖顯示功能:制圖顯示功能包括常規(guī)的地圖操作，如放大、縮小，地圖圖層控制管理等；創(chuàng)建默認水土保持規(guī)劃(現(xiàn)狀)利用圖，創(chuàng)建各種專題圖如單一值規(guī)劃圖、等級符號圖、統(tǒng)計專題圖等。利用等高線和高程點生成DEM和數(shù)字正射影像，并與水土保持利用圖疊加顯示，生成形象直觀的水土保持土地利用圖，可以很直觀地看出地類在地形上的分布情況。

3.4.5   輸出功能:根據(jù)用戶具體要求可以輸出多種形式的數(shù)據(jù)、報表、圖表，按小流域或者區(qū)劃可以輸出一定比例的水土保持土地利用圖、水土保持規(guī)劃圖、水土流失現(xiàn)狀圖等。

 

 

 

[1]  中地軟件叢書編委會.MAPGIS地理信息系統(tǒng)使用手冊[S].3-270.2004.4

[2]  吳信才.地理信息系統(tǒng)的基本技術與發(fā)展動態(tài)[J].http://www.esri.com.2005.2.5

[3]  齊清文，劉岳.GIS環(huán)境下向地理特征的制圖概括的理論和方法[J].地理學報:1998.53卷.第4期 28-29.