GIS地理信息系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1　地理信息系統(tǒng)概念及國(guó)內(nèi)外常用的地理信息系統(tǒng)軟件
　　地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System 簡(jiǎn)稱GIS)是一項(xiàng)以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新興技術(shù)，圍繞著這項(xiàng)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用形成了一門(mén)交叉性、邊緣性的學(xué)科，是管理和研究空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，它可以對(duì)空間數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)或空間位置進(jìn)行各種處理、對(duì)數(shù)據(jù)的有效管理、研究各種空間實(shí)體及相互關(guān)系。通過(guò)對(duì)多因素的綜合分析，它可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息，并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果。
　　目前世界上常用的GIS軟件已達(dá)400多種。它們大小不一，風(fēng)格各異。國(guó)外較著名的有ARC/INFO，GENAMAP，MGE等；國(guó)內(nèi)較著名的有MAP/GIS，Geostar和CITYSTAR等。雖然GIS起步晚，但它發(fā)展快，目前已成功地應(yīng)用到一百多個(gè)領(lǐng)域。

2　地理信息系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用
　　盡管現(xiàn)存的地理信息系統(tǒng)軟件很多，但對(duì)于它的研究應(yīng)用，歸納概括起來(lái)有二種情況。一是利用GIS系統(tǒng)來(lái)處理用戶的數(shù)據(jù)；二是在GIS的基礎(chǔ)上，利用它的開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)二次開(kāi)發(fā)出用戶的專用的地理信息系統(tǒng)軟件。目前已成功地應(yīng)用到了包括資源管理、自動(dòng)制圖、設(shè)施管理、城市和區(qū)域的規(guī)劃、人口和商業(yè)管理、交通運(yùn)輸、石油和天然氣、教育、軍事等九大類別的一百多個(gè)領(lǐng)域。在美國(guó)及發(fā)達(dá)國(guó)家，地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用遍及環(huán)境保護(hù)、資源保護(hù)、災(zāi)害預(yù)測(cè)、投資評(píng)價(jià)、城市規(guī)劃建設(shè)、政府管理等眾多領(lǐng)域。近年來(lái)，隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，加速了地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的進(jìn)程，在城市規(guī)劃管理、交通運(yùn)輸、測(cè)繪、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、制圖等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。下面先從GIS理論上提煉和歸納，然后給出應(yīng)用的例子。
　　1.地理信息系統(tǒng)在地理空間數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用，即以多種方式錄入的地理數(shù)據(jù)，以有效的數(shù)據(jù)組織形式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理、更新、維護(hù)、進(jìn)行快速查詢檢索，以多種方式輸出決策所需的地理空間信息。目前流行的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，與GIS中數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)在對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的管理上，存在兩個(gè)明顯的不足；一是缺乏空間實(shí)體定義能力；二是缺乏空間關(guān)系查尋能力，這使得GIS 在對(duì)空間數(shù)據(jù)管理上的應(yīng)用日趨活躍。如ARC／INFO在公路管理中的應(yīng)用；ARC／INFO在對(duì)市政設(shè)施管理中的應(yīng)用。后者如北京某測(cè)繪部門(mén)以北京市大比例尺地形圖為基礎(chǔ)圖形數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上綜合疊加地下及地面的八大類管線(包括上水、污水、電力、通訊、燃?xì)狻⒐こ坦芫€)以及測(cè)量控制網(wǎng)，規(guī)劃路等基礎(chǔ)測(cè)繪信息，形成一個(gè)測(cè)繪數(shù)據(jù)的城市地下管線信息系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下管線信息的全面的現(xiàn)代化管理。為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理部門(mén)、市政工程設(shè)計(jì)與管理部門(mén)、城市交通部門(mén)與道路建設(shè)部門(mén)等提供地下管線及其它測(cè)繪部門(mén)的查詢服務(wù)。
　　2.GIS在綜合分析評(píng)價(jià)與模擬預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。GIS不僅可以對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和提取，而且還是現(xiàn)實(shí)世界模型，可以將對(duì)現(xiàn)實(shí)世界各個(gè)側(cè)面的思維評(píng)價(jià)結(jié)果作用其上，得到綜合分析評(píng)價(jià)結(jié)果；也可以將自然過(guò)程、決策和傾向的發(fā)展結(jié)果以命令、函數(shù)和分析模擬程序作用上這些數(shù)據(jù)上，摸擬這些過(guò)程的發(fā)生發(fā)展，對(duì)未來(lái)的結(jié)果作出定量的和趨勢(shì)預(yù)測(cè)，從而預(yù)知自然過(guò)程的結(jié)果，對(duì)比不同決策方案的效果以及特殊傾向可能產(chǎn)生的后果，以作出最優(yōu)決策，避免和預(yù)防不良后果的發(fā)生。如GIS在焦作東部礦區(qū)煤礦底板突水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 ；GIS在土地信息和土壤保護(hù)中的應(yīng)用。后者如美國(guó)資源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蝕為主要目的的多用途專用的土地GIS。該系統(tǒng)通過(guò)收集耕地面積、濕地分布面積、季節(jié)性洪水覆蓋面積、土壤類型、專題圖件信息、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等信息，建立了潛在威斯康星地區(qū)的土壤侵蝕模型A=R*K*L*S*C*P，其中A為潛在的土壤侵蝕(面積/年)，R為降雨量，K為侵蝕土壤參數(shù)，L為坡長(zhǎng)，S為坡度參數(shù)，C為耕地面積，P為管理參數(shù)。探討了土壤惡化的機(jī)理，提出了合理的方案，達(dá)到土壤保護(hù)的目的，還可以利用它對(duì)土地進(jìn)行長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)研究，避免土質(zhì)的重心惡化。這里把土壤侵蝕模型A=R*K*L*S*C*P作用到與之有關(guān)數(shù)據(jù)，達(dá)到綜合分析評(píng)價(jià)及模擬預(yù)測(cè)結(jié)果。
　　3.GIS的空間查詢和空間分析功能的應(yīng)用。為了便于管理和開(kāi)發(fā)地理信息(空間信息和屬性信息)，在建庫(kù)時(shí)是分層處理的。也就是說(shuō)，根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)分類，性質(zhì)相同或相近的歸并一起，形成一個(gè)數(shù)據(jù)層。這樣GIS對(duì)單副或多副圖件及其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和指標(biāo)量算。這種應(yīng)用以原始圖為輸入，而查詢和分析結(jié)果則是以原始圖經(jīng)過(guò)空間操作后生成的新圖件來(lái)表示，在空間定位上仍與原始圖一致。因此，也可將其稱為空間函數(shù)變換。這種空間變換包括疊置分析、緩沖區(qū)分析、拓?fù)淇臻g查詢、空集合分析(邏輯交運(yùn)算、邏輯并運(yùn)算、邏輯差運(yùn)算)。這方面應(yīng)用例子有很多，例如在城市規(guī)劃過(guò)程中，對(duì)城市中救護(hù)車(chē)、救火車(chē)的分布位置以及行車(chē)路線和控制的規(guī)劃；如何安排多路警車(chē)交通路線，以保證在緊急時(shí)刻，在任意地方應(yīng)至少能有一輛警車(chē)在事發(fā)后最短時(shí)間內(nèi)趕到出事地點(diǎn)；在環(huán)境保護(hù)方面，對(duì)水土流失導(dǎo)致土地資源的破壞進(jìn)行評(píng)價(jià)；在區(qū)域環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)過(guò)程中，對(duì)整個(gè)區(qū)域的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行客觀地、全面地評(píng)價(jià)，以反映出區(qū)域中受污染的程度以及空間分布狀態(tài)；在地學(xué)方面，MAPGIS在油氣勘探中和在成礦預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，解決了肉眼所不能看見(jiàn)的深部構(gòu)造問(wèn)題和指明礦產(chǎn)的遠(yuǎn)景區(qū)。在大都市防震減災(zāi)系統(tǒng)中的應(yīng)用，1994年的美國(guó)洛杉機(jī)大地震，就是利用RAC／INFO進(jìn)行災(zāi)后應(yīng)急響應(yīng)決策支持，成為大都市利用GIS技術(shù)建立防震減災(zāi)系統(tǒng)的成功范例。日本橫濱大地震后，日本政府決定利用GIS技術(shù)建立更好的能快速響應(yīng)的防震減災(zāi)系統(tǒng)。日本建筑署建設(shè)研究所、NASDA等政府機(jī)構(gòu)在聯(lián)合國(guó)區(qū)域發(fā)展支持下，建立了防震減災(zāi)應(yīng)急系統(tǒng)，選用ARC／INFO對(duì)橫濱大地震的震后影響作出評(píng)估，建立各類數(shù)字地圖庫(kù)，如地質(zhì)、斷層、倒塌建筑等圖庫(kù)。把各類圖層進(jìn)行疊加分析得出對(duì)應(yīng)急有價(jià)值的信息，該系統(tǒng)的建成使有關(guān)機(jī)構(gòu)可以對(duì)象神戶一樣的大都市大地震作出快速響應(yīng)，最大程度地減少傷亡和損失。在野生動(dòng)植物保護(hù)中的應(yīng)用，世界野生動(dòng)物基金會(huì)(WWF)采用GIS軟件ARC/INFO作為“老虎與人類”保護(hù)項(xiàng)目的主要技術(shù)工具。利用ARC/INFO空間分析功能，WWF已找到新的方法來(lái)幫助世界最大的貓科動(dòng)物改變它目前瀕于滅種的境地。
　　4.GIS的輸出功能在地圖制圖中的應(yīng)用。地理信息系統(tǒng)的發(fā)展是從地圖制圖開(kāi)始的，因而GIS的主要功能之一用于地圖制圖，建立地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。與傳統(tǒng)的、周期長(zhǎng)、更新慢的手工制圖方式相比，利用GIS建立起地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，可以達(dá)到一次投入、多次產(chǎn)出的效果。它不僅可以為用戶輸出全要素地形圖，而且可以根據(jù)用戶需要分層輸出各種專題，如行政區(qū)劃圖、土地利用圖、道路交通圖等等。更重要的是由于GIS是一種空間信息系統(tǒng)。它所制作的圖也能夠反映一種空間關(guān)系，可以制作多種立體圖形，而制作立體圖形的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)就是數(shù)字高程模型。在地圖的輸出中，MAPGIS達(dá)到世界先進(jìn)水平。
　　5.運(yùn)用GIS系統(tǒng)，建立起專題信息系統(tǒng)和區(qū)域信息系統(tǒng)。專題信息系統(tǒng)如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、草場(chǎng)資源信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)和目前上海正在建立長(zhǎng)途電信局GIS系統(tǒng)等等。這類信息系統(tǒng)具有有限目標(biāo)和專業(yè)特點(diǎn)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)項(xiàng)的選擇和操作功能是為特定的專門(mén)目的服務(wù)。區(qū)域信息系統(tǒng)如加拿大國(guó)家信息系統(tǒng)、美國(guó)Oakridge地區(qū)模式信息系統(tǒng)等等。這類信息系統(tǒng)主要以區(qū)域綜合研究和全面的信息服務(wù)為目標(biāo)，可以有不同的規(guī)模，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)項(xiàng)多，功能齊全，通常具有較強(qiáng)的開(kāi)放性。這兩種信息系統(tǒng)與上述四種GIS應(yīng)用或多或少有重疊處，但這里強(qiáng)調(diào)的是完整性、系統(tǒng)性、故與它們分開(kāi)討論。
　　6.地理信息系統(tǒng)與遙感圖像處理系統(tǒng)的結(jié)合的應(yīng)用。遙感數(shù)據(jù)是地理信息系統(tǒng)重要信息源。其實(shí)目前大多數(shù)GIS系統(tǒng)已揉進(jìn)圖像處理功能，并把它作為其一個(gè)子模塊。這種應(yīng)用如海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)國(guó)防制圖局GIS實(shí)時(shí)服務(wù)，為戰(zhàn)爭(zhēng)需要在工作站上建立了GIS與遙感的集成系統(tǒng)，它能用自動(dòng)影像匹配和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)處理，處理衛(wèi)星和高低偵察機(jī)實(shí)時(shí)獲得戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字影像，及時(shí)地將反映戰(zhàn)場(chǎng)現(xiàn)狀的正射影影像疊加到數(shù)字地圖上，數(shù)據(jù)直接傳送到海灣前線指揮部和五角大樓，為軍事決策提供24小時(shí)的實(shí)時(shí)服務(wù)。
　　7.應(yīng)用GIS一些二次開(kāi)發(fā)函數(shù)庫(kù)開(kāi)發(fā)出具有特定功能軟件系統(tǒng)。如國(guó)家九五攻關(guān)項(xiàng)目“緊缺金屬資源快速勘察評(píng)價(jià)系統(tǒng)”，這個(gè)系統(tǒng)中，分為地質(zhì)變量信息提取模塊、數(shù)據(jù)挖掘模塊、物探數(shù)據(jù)處理模塊、圖像處理模塊、綜合預(yù)測(cè)模塊等，其中地質(zhì)變量信息提取模塊使用了MAPGIS中基本輸入函數(shù)、空間功能分析函數(shù)，目前這個(gè)系統(tǒng)已初具皺形。
　　8.GIS中屬性數(shù)據(jù)的綜合及融合。在現(xiàn)有的GIS中，屬性數(shù)據(jù)只是用于檢索和查詢，或進(jìn)行簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)，難以深入的分析，難以發(fā)掘隱含在其中的模式和規(guī)律。在眾多項(xiàng)的屬性數(shù)據(jù)中，有時(shí)將幾個(gè)屬性項(xiàng)的屬性數(shù)值加以綜合，構(gòu)成一個(gè)具有某領(lǐng)域特定意義的新屬性項(xiàng)新屬性值，這種綜合不是綜合前屬性數(shù)據(jù)值的簡(jiǎn)單反映，也不是它們的孤立集合，而是經(jīng)過(guò)某領(lǐng)域研究人員深思熟慮的綜合分析，用數(shù)量表示某領(lǐng)域問(wèn)題的綜合概念和結(jié)果特征。國(guó)家科委九五攻關(guān)項(xiàng)目“緊缺礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”中，我們對(duì)研究區(qū)進(jìn)行合理網(wǎng)格大小劃分后，利用GIS空間分析功能，求得每個(gè)網(wǎng)格單元的各地層、巖體、脈體的面積及相應(yīng)的面積百分?jǐn)?shù)、各斷裂的長(zhǎng)度、方向等眾多的屬性數(shù)值，在此基礎(chǔ)上，我們用具有特定意義數(shù)學(xué)模型計(jì)算出三個(gè)綜合屬性值，分別為相對(duì)熵、斷裂的優(yōu)益度和中心對(duì)稱度。用相對(duì)熵來(lái)考查圍巖蝕變組合特征與礦化的關(guān)系；在以構(gòu)造為主要控礦因素的內(nèi)生礦產(chǎn)中，用斷裂的優(yōu)益度來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)網(wǎng)格單元是否有利儲(chǔ)礦；用中心對(duì)稱度來(lái)研究和圈定古火山機(jī)構(gòu)、小型等軸狀隱伏侵入體等具有放射狀斷裂體系的環(huán)形構(gòu)造。
　　數(shù)據(jù)融合的概念始于70年代，但直接促其迅速發(fā)展的是進(jìn)入90年代以后，最初以軍事應(yīng)用為目的的數(shù)據(jù)融合技術(shù)現(xiàn)今亦用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)國(guó)家科委九五攻關(guān)項(xiàng)目“緊缺礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”中，引進(jìn)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，融合GIS的屬性數(shù)據(jù)，進(jìn)行地質(zhì)異常單元的圈定與評(píng)價(jià)。利用GIS對(duì)空間數(shù)據(jù)強(qiáng)大的顯示功能，顯示其結(jié)果。我們?cè)陂_(kāi)發(fā)國(guó)家科委九五攻關(guān)項(xiàng)目“緊缺礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”中，如前面所述，求出各網(wǎng)格單元的各屬性項(xiàng)的屬性數(shù)據(jù)值(即各變量值)，我們知道，地學(xué)數(shù)據(jù)是典型的多源空間數(shù)據(jù)，它們的量剛不一、形式多樣；既有定量數(shù)據(jù)、又有定性文字描述數(shù)據(jù)，因此在數(shù)據(jù)融合前，必須統(tǒng)一量剛、把定性數(shù)據(jù)定量化，然后篩選出獨(dú)立、有用的變量(包括綜合變量)，選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(包括定量模型、定性模型和定量定性混合模型)和模型單元，確定地質(zhì)異常臨界值大小，根據(jù)它對(duì)未知單元進(jìn)行異常圈定和異常評(píng)價(jià)，最后利用GIS其顯示結(jié)果。通過(guò)GIS空間疊加分析，對(duì)其屬性數(shù)據(jù)值的預(yù)處理、篩選、數(shù)據(jù)融合，利用GIS管理、顯示，使其結(jié)果的應(yīng)用范圍與利用價(jià)值大大提高。
　　總之，GIS為人類由客觀世界到信息世界的認(rèn)識(shí)、抽象過(guò)程以及由信息世界返回客觀世界的利用改造過(guò)程的發(fā)展和轉(zhuǎn)化，創(chuàng)造了空前良好的條件和環(huán)境。

作者簡(jiǎn)介：* 國(guó)家“九五”重點(diǎn)攻關(guān)課題(96-916-05)資助

作者單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院　武漢　430074

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