GIS的一些基本概念

GIS的一些基本概念

GIS的一些基本概念

一個好的、完整的GIS 系統,存儲了該地區或該目標的眾多空間信

息,這些信息能隨時方便地從數據庫中調用,能快速地以圖形、圖象、表

格或文本形式在屏幕上顯示,或者打印、繪制出 來,并且可以對這些信息

進行綜合分析、提取有用信息,通過計算來模擬真實世界,進而提出相應

的決策意見,它是規劃、管理和決策的有效工具。圖2.1表明了 GIS的

這么一個性能。

從GIS這個功能可看出,一個GIS 系統應有三個主要的組成部分：

（1）計算機及其外圍設備,這是其硬件基礎；（2）一系列的應用軟件

模塊,包括數據和圖形的輸入/輸出、圖形和圖象處理、圖 形和圖象的

顯示、數據庫管理、統計分析、模擬計算以及實際應用模式等；（3）

組織有序的信息內容,即數據庫中要有充分的與地理位置有關的信息。

這些信息的 含義與表達方式有其獨自的特點,下面就它們的一些基本概

念作一些說明。

2.1 地圖和專業圖

早在古代文明時期,地圖已用來描述地表信息了。很早以前,在埃及

發現了公元前2300年左右的粘土板,在板上刻有一些土地圖形,這是世

界上描述土地特征 最早的樣本,而在古墓中也發現幾乎與此同年代的印

制的地圖。一些資料表明,古巴比倫和古埃及時期,人們就試圖把土地的

形狀和大小作為統一體表達出來。在古 希臘時期之前,地理學家就開始

對地球的自然性質加以推測和總結。在羅馬時代,土地測量和地圖制作

成為政府的一項重要工作。隨著人們對大自然的探索和認識, 地圖和專

業圖件越來越多地被用來記錄和表達世界的真實地理信息。

從某種意義上講,地圖本身就是一種信息系統,它是在平面介質上表

達的,具有一定比例尺的圖件。在圖上可以標出與地表有關的、選定的

物體的性質。如同數學 上常用圖形這個形式來表達數據一樣,制圖家把

地表的信息轉移到圖紙上,它也可廣義地定義為信息的可視性表達,尤其

是對一些信息的概括性的圖解表達。

2.1.1 圖件的類型

除了地圖之外,隨著科學技術和社會生產發展的需要,又出現了不少

專業圖件,以滿足專業活動的要求,例如：

航海圖：沿海地區和海域的地圖,它提供有關導航的信息。

航空圖：向飛機駕駛員和導航員提供航線基本數據,它是一種集中

所有有助于導航信息的小比例尺地形圖。

地形圖：根據一定的比例尺繪出地表某部分自然和人工特征的圖

示。圖上可看到地形和重要信息的完整清單,因而可用于土地利用和發

展等目的。地形圖也為其它專門用途的圖件提供藍圖,為較小比例尺的

通用圖件的編輯提供數據。

主題圖：包含一個單一主題或課題信息的專門圖件。用此工具可

以溝通不同地理概念之間的交互,例如：土地利用、人口密度、農作物

生長區、土壤、土地形狀、 試驗區中的PH值分布等等。主題圖也可

以是定量的,如土壤的有效厚度。它們可以表示為色階圖或由邊界分開

的等值范圍圖,例如土地利用圖、土壤圖、戶籍圖或 者行政區劃圖。也

可用等值線圖來表示,即用數學模型來擬合連續表面,利用連接相同值的

等值線的形態來描述變化趨勢,用來描述定量化的數據。等值線圖往往

用 來描述光滑變化的現象,如溫度、沉積厚度或人口密度。

圖件的比例尺表明了圖上的距離和相應實際距離之間的比值。大

比例尺圖用來表示大量的細節；而小比例尺圖僅僅描述主要的特性。

圖的比例尺與圖所包含的信息程度有關,大比例尺圖比小比例尺圖有更

多的細節和信息。

2.1.2 地圖的投影

地圖投影的根本問題是在平面上表達曲面,也就是說要在平面圖上

表示地球的表面。地圖投影問題可以用桔子皮這個簡單例子來粗略地

說明：為了將撕破的桔子皮 拼成一塊平的、連續接觸的桔子皮,每個小

塊必須經過拉伸,扭曲或再撕裂,才能完成。因此,這個例子也很好地表明

了完美的投影幾乎是不可能的。

在平面上表示一個曲面,必定包括“拉伸”或“皺縮”造成的扭曲,

而且“撕裂”成小的斷塊。投影的質量可用下面三個標準來評價：

（ａ）等距性棗正確地表示距離,投影保證任意兩點間的距離的正

確。

（ｂ）同形性（正確形態）棗正確地表達形狀和方向。

（ｃ）等價性棗正確地表達面積。

由于歷史發展的原因,我們的圖件有著許多的地理投影和坐標系統,

所有這些投影,可歸納為三類：等積投影、等距投影和等角投影。例如：

等距園柱投影、等距 園錐投影、多園錐投影、正射投影、極射平面投

影、球極平面投影、正弦投影和格靈頓投影等等。而在投影的同時,又

要選擇投影的參考橢球體。

在實際應用中,同一地區的圖件,會有不同的比例尺、不同的投影坐

標系統,但是在同一GIS系統中,必須首先根據項目（任務）的要求,來選

擇合適的地理坐標投影系統,作為一個標準的坐標系統,所有的資料、信

息都要轉換到這個系統上來。

2.2 GIS數據的類型和結構

任何一個真實世界都可以用地理信息來描述和表達,這些信息都必

須以一定的數據格式存放在計算機里,它們可分成三大類：空間數據、

屬性數據和柵格化數據(即光柵數據)。

2.2.1 空間數據

一個幾何實體可用空間數據來描述,空間數據的編碼有四類：點、

線、多邊形和連續表面。圖2.2為一些點、線、面的例子。

點數據：點（無維數,只有空間的位置而無長度的目標）為空間數

據中最簡單的類型。這是最基本的數據,雖然只有一個X、Y坐標來描

述它的空間位置,但任何幾何實體都可以用點的集合來表示。

點有兩種形式：一種是離散分布的目標,如鉆井、油井、水井或地

面采礦點；另一種是固定點上隨時間而連續分布的觀測,如水位、降雨

量、風速和土壤溫度測量。

線數據：線實體（一維,具有長度的物體）為具有線性特性的實體,

由二對或二對以上的XY坐標組成直線段。線性實體可以是穩定的（結

構類）或動態的（流體 類）。結構類的線性實體例子有交通運輸網

（高速公路、鐵路....）、服務設施系統( 煤氣管道、供電網、電線、電

話線、自來水管網....) 等。為確定現有交通運輸網上的車流情況和運輸

能力而收集的車流流量數據的線段網,則為動態線數據。地質中的線性

特征和斷層分別是相連或不相連線數據的例 子。曲線也可用一組X、Y

坐標對來描述,都是連續的復雜線實體。

多邊形數據：多邊形（二維,具有長和寬的物體）構成GIS中最常

用的數據類型。多邊形也是有邊界的區域。區域的邊界可由土地形狀

如森林邊界等自然現象, 或人類活動形成的邊界如土地利用等來定義。

最常見的多邊形是自然資源環境,如土地覆蓋、地質、流域范圍、土壤、

社會經濟帶---人口區域、土地邊界等等。

當多邊形的邊界由另一個多邊形共享時,必須對多邊形數據加以調

整,以使其真正吻合和共享；而不同屬性的小區完全被另一個區所包含

時,可以采用嵌套的辦法。

連續表面：連續表面（三維,具有長、寬、高／深的物體）有水準

高程（作為地形數據的一部分）、降雨量、溫度、人口密度等。盡管

大部分GIS商業產品能處 理地形數據（通常為數字高程模型DEM：

Digital Elevation Model）并顯示等值線圖、立體圖等,但它們并不能

處理真正的三維數據。大部分DEM用網格化的高程矩陣或不規則三角

網 （TIN：Triangulated Irregular Network）來表示地形。在這種情

況下,高程（或稱為Z坐標）是一個重要的變量。有些系統允許有其它

圖件特點的整理,例如將土壤、土地覆蓋數據或衛星 圖象（Landsat、

Nova、MSS或TM、SPOT）復合在立體的地形高程面上,從而建立一

個三維的形象。

一般來說,GIS主要應用于二維的地表現象,如土地利用、森林或土

壤數據。在有些應用情況下,也可以通過對物體表面的處理將三維表達

簡化為二維的表達。 例如表達層面的表面,可以用等值線圖或立體圖來

顯示。在這種情況下,表面的高程并非真正的獨立變量,只是很好地定義

了類似三維或假三維數據。

2.2.2 屬性數據

每個實體,除了用空間位置、特征來表達它的性質外,通常還用一些

別的重要屬性來表達,這些屬性既可以是文字（例土壤系列的名稱、莊

稼類型．．．）也可以是標量,如水的深度、地形高程值等等。

一個真實存在的現象,用戶能看到,由人類的理解而感覺化的概念,用

戶也能感覺到。但是它們必須存在一個復雜的數據庫中,并能用適當的

方式表達出來。在計 算機里有幾種方法來組織這些地理數據。土地的

數學模型或實體的描述以及它們之間的關系,可借助于諸如點、線、地

區范圍和面等基本實體來表示這些空間數據。 而對于這些實體的特性

方面的描述,即非空間數據或屬性描述,則往往以表格形式存在關系數據

庫管理系統中。

2.2.3 光柵數據

在GIS的信息源中,網格化的光柵數據也是常見的數據形式。光柵

數據結構由大小均勻的矩陣元組成,每一個元的位置由統一的位置索引

（線數、列數）來確 定。每一網格代表一個數或一個碼,用這些網格表

達畫出圖形的屬性值。光柵值可以是數值,也可以是文字符號。它相當

于將地表劃分成規則的方格網,每個方格網 用一個值來表達,這個值就是

它的某個屬性。

對于一個空間分布較少的數據來說,光柵結構會浪費計算機的存儲

空間。雖然這個問題可以用一些數據壓縮技術來克服,但這仍然是光柵

數據結構的主要缺點。

不少觀測數據是在方格形測網上觀測得到的,例如物探、化探數據

等,最為突出的例子是衛星遙感圖象,各種資源或氣象觀測衛星在運行軌

道上,利用其矩陣排列 的傳感器,對地球表面進行掃描,從而獲得各波段

的衛星圖象,這些圖象就是網格化的數據,是GIS中相當重要的光柵數據

源。

2.2.4 數據模型

任何點、線、范圍和面的空間分布數據,可用兩種不同的數字形式

來表示：矢量模型和網格化的模型。圖2.3 即為這兩個模型。

矢量模型

矢量模型中用明確定義的點、線和多邊形位置來表達真實物體

（數字模型）的位置。點同樣是矢量模型中的最基礎部分。任何物體

可以由連接點的直線來建立,這 些直線組也確定了物體的范圍。對于兩

個連接物體的公共邊界可延伸為兩種不同的名稱：在圖論中常用邊端

這個名字；而有些則稱之為用于連接鏈的頂點、線段或 弧。

因而,在矢量模型中,物體由定義它們邊界的點、線表達。 每個物體

的位置則由坐標參考系統組織的在圖件空間中的位置所確定。在地理

應用上,矢量模型用線作為基本邏輯單位,一系列落在線上的點的X、Y

坐標被記錄為 單一數據記錄的組合元。點也可以看作為零長度的線,或

看作為有同一起點和終點的線所組成的多邊形。

最常用的矢量模型是完整的多邊形結構和拓樸模型。

完整多邊形模型：在完整多邊型模型中,每個多邊形作為邏輯編碼

記錄在數據庫中,它由表達封閉范圍的X、Y坐標弦線所定義。這個模

型的主要缺點為：

鄰近兩個多邊形之間的公共線段,必須隨兩個多邊形作兩次數字化

并存儲。

沒有保留空間關系,因此,多邊形之間存在的關系,必須通過多邊形之

間的計算來導出。

局部的孤立體僅僅是圖形建筑。

只有在可見的圖形輸出上加以比較才能實現編輯和修改數據庫。

這種模型常用于簡單形式的機助制圖生產。在繪圖處理過程中用不到

諸如空間關系等的外來信息的分析,因此這個模型能高效地再生產原始

圖件。

拓樸模型：是GIS中最常用的矢量圖件。在拓樸模型中,實體間的

空間關系按照已知的拓樸模型格式明確地記錄下來。拓樸模型中基本

的邏輯實體仍然是直線 段,這些直線段都由與另一線的交點（或是線的

彎曲處）出發或終止,每條線段由兩個端點坐標所記錄。此外,在這線兩

側的多邊形標識符或名字也要記錄下來,這 樣就更明確地記錄較多的基

本空間關系,以備以后的分析使用。基本數據存在無冗余的記錄中。

由于這個特點,拓樸數據成為自動制圖分析的基礎,拓樸過程能最有

效地進行諸如誤差的自動預測和更正,以及其它多邊形分析處理。拓樸

學本身研究幾何結構的 關系與轉換。當用于制圖和自動空間分析時,就

要求把所有的線段都明確地、有序地聯接成完整的數字線形,以便在計

算機環境下加以解釋。

光柵模型

空間數據的光柵（網格化）結構是最簡單的數據結構。格網模型

以空間的一個單元作為基本數據單元,在這個單元上記下單元的實體信

息。由空間排列的每一個單 元的值作為光柵結構的每個元的參數。光

柵文件中的每個元只有一個值相對應,實體的不同屬性則分別存在不同

的光柵文件中。

主要的光柵模型有：格網式、嵌套格網和不規則格網。在方形網

格和其它規則格網模型中,采用了正方形、三角形和六邊形網格。正方

形網格應用最廣泛。在正方 形網格光柵排列里,每個元由行和列的序數

來確定并和一個代表圖上的屬性值組成光柵文件。光柵文件的原點通

常選在屏幕上的左上角,這個參考系統與其它參考系 統不同,如地學參考

系統的地理坐標原點是地表上的某一點。

正方形網格也有它的局限性：從每個元的中心到相鄰元的中心點

距離不盡相等,沿線和列的方向上相同,但不同于對角線方向上的距離。

于是產生了六邊形網格：元的中心點到六個方向上的相鄰元中心點的

距離都相等。放射對稱這個特點使這模型在放射狀查索和調用的功能

上極為方便。

對于三角形網格,有它的優點：即所有的三角形不具有相同的方向。

這造成對一些象“單一元比較”這種簡單處理的過程都變得較復雜。

它也有用三角形表達地形 和其它類型表面數據的缺點。六邊形網和三

角形都有共同的缺點：不能進一步劃分為與原來單元形狀相同的更小

的元,而且數字系統也比方形網更為復雜。

光柵結構中的每個元對應于地表上的一個面積范圍,這與最小的繪

圖單元有不同的概念,最小繪圖單元可由一個或多個光柵元組成。由于

每個元的屬性作為唯一的 值存在文件中,每個光柵文件所占的存儲空間

為文件中的線數與列數的乘積。因為文件的大小與覆蓋的面積有關,所

以每個元代表的土地面積越小,說明這個文件數 據的分辨率就越高,其分

辨率隨著每個元代表的面積的縮小以平方關系而升高。

方形網格可用于一般的處理,如計算空間特性的中心計算或諸如復

合和窗口等的空間處理。這些對方形網有效的處理方法,也很容易改為

三角形和六邊形網。

把原有的圖件轉換為光柵結構可采取下列兩種方法：點采樣,由網

格單元的中心值來給出網格元的屬性值；模型采樣,網格單元的值由網

格范圍內的主要值確定。圖2.4 簡單地表明了對一個圖件進行光柵化處

理的例子。

在GIS中,自然要能對同一圖件在兩種不同的模型中進行互相轉換。

當光柵數據轉換為矢量數據時,兩個均勻的單位之間的間隔確定了線元。

由于光柵數據的基 本單元為網格,當把光柵數據轉換處理成矢量文件時,

得到的線條不一定是光滑的直線,而往往呈現出“臺階現象”。這種轉

換的另一個問題是：由一系列光柵域內 定義的線所組成的多邊形為一

拉長的多邊形,或者是使多邊形的邊界變“粗”,這須要重新處理成一根

單一的線條。

嵌套式的格網模型：在這種模型里,格網單元可重復地再劃分成具

有相同形狀和方向的更小的單元。研究得最多的是四分樹數據模型,其

基礎就是重復地分解網 格。四分樹模型將研究的圖形或數據范圍定為

一個正方形,并分成四個象限,每個象限再反復地分解為子象限,一直到每

個子象限的值是相同值為止,或者分解到事 先確定的分辨水平為止。由

于四分樹模型的分辨率是可變的,并且自然地劃分為分級途徑,四分樹結

構對處理和存儲大的地理范圍數據來說,頗為理想。

四分樹模型通過大小可變的格網來作出更為細致的表達,來代替方

形網格中把一個地區劃分為大小相同的元,這樣一些細節部分可由更細

的劃分來完成,從而在需 要的時候可以提高更高的分辨率。一般來說,主

題圖在點、線和多邊形邊界的鄰近區域要求較高的分辨率,而對于大的

多邊形單一等級的編碼來說,它與許多相同小 元組成的多邊形的準確度

是一樣的,因為在這區內,所有的屬性都相同。四分樹模型在使用中,允許

用大的單元（粗分辨率）來對大的均勻地區編碼,而高一層的分 辨率則

用于有較大的空間變化的地區。四分樹的缺點是在作旋轉和轉換換算

中,數據結構是變的,這樣帶來了麻煩,在作形狀分析和模式識別時顯得格

外困難。往往 需要中間處理程序。

矢量模型和光柵模型都有其優缺點。光柵模型適合于空間變化較

大的現象,而矢量模型適于網絡分析。具體優缺點這里不詳細敘述。

2.2.5 圖象的壓縮

由于許多單元都含有與相鄰元數據相同的數值,這就產生了較大的

冗余。利用數據壓縮技術可以有意義地削減數據文件的大小。更有效

地存儲數據的方法有幾種。 一些方法可以完全重現原來文件,即原始數

據可以準確無誤地重現；而另一些方法,則通過舍棄和控制原始數據的

量來減少數據存儲量,這就不能完全恢復原始數 據。

行程碼是一種允許準確地恢復到原來文件的數據壓縮技術。該方

法利用了許多數組具有大量均勻區域的事實,在記錄時,記錄了行的序數,

屬性值數據和行的前 進方向具有相同數值的單元數。這種方法有效性

隨數組本身的情況而異。在最壞的情況下,當沿著數組一行上順序記錄

數據時,如果沒有任何重復數據時,其容量就 要比原來數組擴大一倍。

四分樹模型則是不可完全重現原始數據文件的壓縮方法例子之一。

3. GIS的圖層和復合

在GIS 中,圖層是圖件的最基本的信息單元,任何一個真實的地理實

體,都可以用多個基本的信息單元---圖層來描述,而這些圖層的各種組

合可以形成具有不同實際應用價值的使用圖件。

來自不同的光柵數據文件或不同數據層的相應元上的值可以用多

柵格文件的操作來顯示和處理。這就是復合處理的基本概念,也就是說,

把多個二維排列的光柵文件數

據疊加起來,并分析對應于每個元位置上的多個數據值。此外,光柵

數據極易溝通常用的空間數據輸入輸出硬件。

圖 2.6 為矢量圖形簡單復合迭加的的例子。從圖中可以清楚地看

出：兩個矢量圖形迭加后,形成了更多不同含義的小子區,每個小區域的

屬性都發生了變化,具有其新的屬性。它們是通過圖形的拓撲關系計算

得來的。

4 GIS信息和圖件的收集與輸入

信息與圖件的收集和輸入是建立地理信息庫的基礎,而且工作量巨

大。有了信息庫,GIS才能進行各種各樣的綜合分析,才能作出合理的模

擬,從而提供可靠的管理和決策信息。

4.1 GIS信息的收集

地理信息系統收集數據的方法不斷地得到發展,這些方法提供了與

信息本身應用程度相一致的準確性和可信性。深入的野外工作和充分

采樣仍是確保數據準確性和 價值性的基礎;遙感資料也是圖形庫的一個

重要組成部分;在自動遙測與數字傳輸技術高速發展的今天,實時數據也

成了動態GIS與實施分析的基礎。圖象的解釋 成果也是數據收集的一

個主要內容。

4.2 GIS信息的輸入

地理實體可由兩種類型的數據來定義：幾何數據與非幾何數據,前

者與實體的地理位置有關,后者與實體的性質、特征等屬性記錄信息有

關。把圖件轉換成計算機 的數字化形式,是建立地理信息系統過程中最

花費時間的工作,且費用最昂貴。數據輸入必須通過編輯來確認數據與

原圖是否對應一致,并作適當的校正。

圖件的數字化輸入,是GIS建庫的瓶頸。近十年來,將光柵文件自動

轉換成矢量文件的軟件發展較快,雖然并非真正地100%自動轉換,但用

這些軟件可大大提高圖件矢量化的速度。

對于地面實時信息來說,有兩種情況：(1)觀測點是固定的,通過傳感

器自動觀測采樣,數據通過有線或無線傳輸到RTU作必要的預處理,并等

待發送,這類 觀測例子有水文觀測、氣象觀測、地震臺站監測等等；(2)

觀測點是移動的,它要傳輸的信息是各流動點的地理位置,往往在要觀測

的流動目標上裝置GPS系 統,自動定時記錄其地理坐標,然后發送。

對于空間觀測的信息,在有條件的地方,可以通過地面接受站,將實時

信息接收并轉換到GIS系統中去,例如氣象衛星的云圖。

5 GIS信息和圖件的數據庫管理

GIS系統中信息量巨大。這些信息是進行綜合分析的基礎,要求能

方便、快速地查詢、調用和顯示。因此,保存和管理信息,是GIS的一個

核心部分。

5.1 數據庫的基本概念

數據庫是數據的計算機管理系統,能將所有具內在聯系的數據收集

在一起,用最小的數據冗余,達到高度的數據組合,并方便地用于一個或多

個任務。

5.2 數據庫結構

GIS采用三種主要的數據模型來建造數據庫：分級數據模型、網絡

數據模型和關系數據模型。數據模型包含了數據庫的組織結構、描述

和維護。數據模型還包括管理數據庫中數據的基本操作（一般以數據

語言,數據子語言或數據管理子語言為工具）。

下面是一個GIS軟件中所用到的數據庫實例,引進了ORACLE數據

庫的基本部分,圖4.1粗略地表明了它的結構。

5.3 GIS的數據庫管理

與工程設計中常用的CAD軟件不同,GIS中的信息都要存放在數據

庫中,而不是一些簡單的互不關聯的信息文件。一般的GIS軟件都采用

標準的數據庫管理 系統（DBMS）,因為DBMS具有許多現成的功能可

以利用,否則的話,GIS必需自己在系統內編制相應的數據庫程序。

5.3.1 數據庫管理系統

DBMS的一些主要特征為：

數據的獨立性：應用程序、數據結構和存儲設備的關系是互相獨

立的。數據庫的數據也具有獨立性,即用戶看到的數據與實際儲存的數

據互相隔離。用戶把數據看作為完全獨立的實際結果數據,而數據的個

別部分可以由幾個用戶共同享用。

數據目錄：數據庫的結構存在于數據目錄中。數據目錄專門用來

存儲和調出有關由數據庫系統定義的結構信息系統。數據目錄也包含

數據庫中數據的有關信息。

數據結構：如果數據庫中的數據不能按照意義明確、精心設計的

方式存儲,那么包含有大量數據項的數據庫就會阻礙自身的應用。數據

庫管理系統就是要提供有關功能,來構制數據和數據的存儲,并能表達往

往是很復雜的數據項之間的關系。

確認性和修復：數據的共享改進了數據的組成結構,但另一方面,它

也潛在地造成另一個問題, 即數據庫中的數據不僅影響用戶本身,還影響

到共享此數據的其他用戶。因此,數據管理系統在允許數據存入數據庫

之前,必須加以確認,并提供可以理解的數據修復過程。

能控制的冗余：在文件處理環境中,分離的數據文件用于種種不同

的應用目的,很可能產生數據冗余。雖然有必要保留一些數據的多個拷

貝,然而冗余數據太浪費存 儲空間。因此為了增大數據的有效存儲,必須

定出一個有效的策略來更新數據的多份拷貝。DBMS可用來監視和削

減冗余的程度,并且為保留的多份數據拷貝作更 新處理。

用戶顯示：DBMS提供了極為方便的用戶界面來建立和維持多用

戶的屏幕顯示。 因此,DBMS由一組對數據庫中的數據進行處理和維護

的功能程序組成。開發這些程序,是為了讓用戶以順序方式共享數據并

確保數據庫的完整性和使其得到維護。

6 GIS信息的綜合分析和信息處理功能

地理信息系統的最重要特點之一就是廣泛的空間數據綜合分析和

模型模擬能力，它能夠對具有地理坐標的空間信息作拓撲分析和計算，

對空間的和非空間的屬性進行 綜合分析處理，并能對各類信息作出種

種統計分析，從而提供了極為豐富的綜合評估和提取有用信息的手段。

常規的GIS的分析和處理能力包括圖象的復合、重新 分類處理、近似

分析、最優化緩沖區和其它制圖模擬技術。

圖件的再分類處理可指定已有圖件的主題值為初始值，把它與每

個區域相伴隨的位置、空間組成的大小和形狀一起進行某個函數運算，

得到新的圖件。例如，一個土壤圖可以經過再分類，得到滲透性圖。

這些功能既可以由系統自身完成， 也可以和其它統計模型共同實現。

距離功能可以確定距離及進行傳導方向處理，以得到點之間的距

離和路徑。

在制圖模擬中，概念模型可以分解為能分別得到解決的子模型。

模型可由如下方式構成：每個個別的子模型的解組合起來形成原始模

型的解；而每個子模型又可以進 一步地分解為更小的、能直接解決的

子模型。這種將模型分解的關系模型也可用于決策模型。決策分析的

基本模型就是把決策問題分解為多個子問題，決策人分別對 子問題進

行討論解決，最后完成對整體的決策。

它們可用于:土地高程、農業生態、農作物產量、水文模型、土地

降級、侵蝕模型、風險評價等方面。下面對其主要功能加以說明。

6.1 地理座標參照系統的設置和轉換

為某個光柵文件確定地理坐標系統；由選定的幾個點對柵格文件

按照某地理系統進行再采樣和轉換；根據坐標系統對兩個柵格文件進

行拼接。

6.2 圖形顯示、處理和分析模塊

圖形和圖象顯示是GIS的信息可視化的主要優點之一，因此，它

有許多圖形和圖象處理的功能。

(1)它允許用戶修改多邊形名字和線段顏色；把柵格文件轉換成矢

量文件；把包括線段的矢量文件轉換成柵格文件，把包含多邊形的矢

量文件轉換成柵格文件；

(2)根據已知點的信息表格建立柵格文件；

(3)在彩色屏幕上顯示或根據現有彩色顯示圖象存儲柵格文件；用

戶可選擇、修改、控制彩色顯示色階；顯示與屏幕上某點有關的資料；

顯示柵格圖上某點的值。

(4)在彩色屏幕上顯示柵格數據的三維立體透視圖；建立立體圖象

對；利用三幅柵格圖象進行彩色合成。

(5)對單一柵格圖進行密度分割。對幾個輸入的柵格圖象進行邏輯、

條件和代數運算；對兩個柵格作交叉處理；對指定范圍內的區域進行

面積計算；由用戶定義目標計算距離。

(6)建立用于兩幅圖合成的二維表和原始圖進行分類的分類表。

(7)計算柵格圖象的直方圖；計算一組柵格圖象的協方差和相關矩

陣；進行主分量和因子分析。

6.3 信息的數字處理，綜合分析及有用信息的提取

針對柵格圖象信息，有些GIS應用系統中也溶入了一些圖象處理

手段(尤其是遙感圖象處理)，來突出有用信息及實現綜合信息的提取。

來說，不存在理想的或所謂最好的圖象處理，因為最 終結果還是由用

戶自己來判斷其結果是否有用，因此，了解圖象處理的含義非常重要。

圖象處理總體上可分為兩種：點的計算和局部計算；點的計算只

是獨立地改進每個象元的亮度；而局部計算則利用這個象元及其周圍

象元的值參加運算。下面說明幾種簡單但又是常用而又有效的圖象處

理手段。

6.3.1 圖象增強處理，改善直觀印象

遙感圖象實質上是記錄了在某個波段內，地表物質反射的波的能

量，不同物質反射的能量不同，從而形成圖象上的差異。但是在某些

情況下，不同物質反射的可見光和近紅外射線的量相差不大，導致其

對比度不大。

一些空間分布的數據，由于存在個別特別大的局部異常幅度，在

轉換成柵格化圖象文件時，若按常規圖象化，會造成圖象上大部分較

弱異常的對比度的壓縮，從而降低了這些異常特征的分辨力。

遇到上述這些情況時，就需要對原有圖象進行反差對比增強處理，

通過對比拉伸來區分不同的物質或不同場源的異常。對比增強有線性

與非線性兩種。

線性對比增強最適合于那些在直方圖上表現為高斯或似高斯分布

的圖象。根據直方圖上的值，可確定圖象拉伸的極大值和極小值。

非線性對比拉伸這一方法適用于圖象的直方圖不是高斯分布的情

況，這時須由幾段線性對比增強組成的非線性對比增強處理來完成對

式識別計算，從而達到巖性判別和自動填圖等方面的目的。

6.3.3 圖象復合進行綜合分析

經過圖象增強或濾波處理的基本圖象圖層和其它地學圖形圖象圖

層一樣，集中表現了某些信息，為了了解不同資料之間的相關關系，

進行綜合解釋，GIS中的圖象 復合技術提供了極為便利而且有效的手

段。如圖6.1所示，圖象復合迭加是把幾個選定的圖象在坐標配準的前

提下，復合在一起，從而達到了解各種不同源信息的 相互關系的目的。

圖6.1 圖象復合示意圖

復合迭加的關系可用下式來表現：

U=f(A，B，…) (6.1)

式中 A，B，…是參加復迭加的圖象的屬性值

U是復合迭加的結果圖象

f為進行迭加的函數關系

迭加的函數關系可以是簡單的算術運算，如加、減、乘、除…；

可以是邏輯運算，如邏輯與或非及其它條件；也可以是較復雜的函數

運算，如三角函數、乘方、開方或對數等。

從這個式子，可以看出，圖件的復合也可以得到新的圖件。用相

同位置上的兩個或兩個以上的圖件相應的值，經過函數計算，得到復

合的新圖。利用圖象復合迭加技術可以極方便地進行各種信息圖象的

組合，從而為綜合分析提供許多便利而又靈活的途徑。

6.3.4 分類處理

分類處理方法就是把二維分布的屬性數據，按照相同、相近或相

關的屬性歸成一個類，用某種標記來表達，標記往往代表一定邊界內

的某一類的平均值或總的描述。

我們可以根據目的、目標的尺寸以及針對重要的屬性進行不同的

分類。

6.3.5 模式識別和綜合信息提取

對于各種已轉換成GIS中基本圖層的不同源的地理信息， 除了利

用上述圖象復合技術來進行信息綜合外， 其它模式識別技術也可很好

地用來進行綜合信息提取。例如主分量分析技術，可把復雜的多元數

據加以簡化，以取得對多種信息更好的理解，實際上綜合信息的標志

變量之間常常是相關的，通過主分量分析，選出排在前面的幾個主元

再做彩色合成，往往能反映大部分有用信息。當然在實際工作中，采

用選擇的主元分析，即選擇 與有意義的信息高度相關的圖象參加主元

分析，以避免丟失有用信息。

交互式的采樣訓練、盒子分類、最大或近似值分類和最近鄰域分

類、最小距離分類方法，以及無監督的集群分析，也都是可用的模式

識別方法。

綜上所述，GIS通過潛在效益的規劃和模擬來協助決策者工作。它

向規劃者提供了一個隨時可以看到的與客觀地球有關的信息源，并進

而利用它本身對這些信息進 行快速、靈活而又經濟的分析和不同結果

的組合，來進行決策。那些與具體地點、可利用的自然資源的數量等

等有關的專家意識，則成為定量規劃中的獨立部分。

7 GIS信息和圖件的表達方式

綜合信息和決策依據的表達，是任何一個項目或任務的重要環節，

隨著圖形、圖象技術的發展，一目了然的彩色成果圖越來越為廣大用

戶所采用。

把處理好的圖象或結果圖形，用高分辨率的彩色打印機或彩色繪

圖儀按比例尺輸出，制成正規使用的圖件，這點極為重要。

輸出模塊為用戶提供的成果有：地圖、圖形、表格、照片和磁性

存儲介質。

有一點必須強調：標準的GIS系統均具有數據和圖形文件的格式

轉換功能，便于與通用數據庫及通用軟件相兼容，有效地集成到信息

系統中去。例如轉為 Arc/Info， AutoCad 的矢量文件，ASCII柵格文

件，Erdas柵格文件，Lotus 或 Ms Office 等等的表格或文本文件。

為了輸出的圖件更滿足用戶的需求，用戶可增加或修改圖例，建

立彩色打印的模式，由繪圖儀、彩色打印機、單色打印機或激光輸出

圖件。