智慧城市的支撑技术——GIS技术

文│ 旭密林实业发展（上海）有限公司 卫校飞

1 GIS简介

GIS（Geographic Information System）是地理信息系统的简称。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息，又常称为空间信息。一般来说，GIS可定义为：用于采集、存储、管理、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。从应用角度可进一步定义为：GIS由计算机系统、地理数据和用户组成，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源评价与管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务。如图1所示。

地理信息系统是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）的有关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统具有数据的空间定位、空间关系处理的复杂性、海量数据管理能力等特征。

地理信息系统由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。地理信息系统中，数据处理对象可以分为空间信息系统和非空间信息系统，根据应用层次可以分为事务处理系统、管理信息系统和决策支持系统。

信息是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，从而向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。数据和信息都具有客观性、适用性、可传输性和共享性，地理数据是各种地理特征和现象以及它们之间关系的数字化表示，地理数据和信息都具有空间上的分布性、数量上的海量性、载体的多样性和位置与属性的对应性等特征；地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切相关的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释，因而地理信息具有空间特征、时间特征、属性特征三大特征。

地理信息系统具有数据采集、数据编辑与处理、数据存储、数据组织与管理、空间查询与空间分析和数据输出功能。

2 GIS发展历程

地理信息系统萌发于20世纪60年代。1962年，加拿大的Roger F.Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据。与此同时，美国的Duane F.Marble在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立地理信息系统的思想。70年代是地理信息系统走向实用的发展期。1972年，CGIS系统全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统。

80年代是GIS的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，特别是工作站和个人计算机的出现与完善，GIS技术从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题。在这一时期，出现了一大批具有代表性的GIS软件，如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS等，其中ARC/INFO已经越来越广泛地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要的作用。

90年代以后为GIS的用户时代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为了一个产业。目前，GIS的应用在走向区域化和全球化的同时，已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。

3 GIS的组成部分

GIS由硬件、软件、数据、人员和方法五部分组成（如图2所示）。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境；数据是GIS的重要内容；方法为GIS建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其他几个组成部分。

硬件主要包括计算机和网络设备、存储设备、数据输入、显示和输出的外围设备等。

软件主要包括：操作系统软件、数据库管理软件、系统开发软件、GIS软件等。GIS软件的选型，直接影响其他软件的选择，影响系统解决方案，也影响着系统建设周期和效益。

数据是GIS的重要内容，也是GIS系统的灵魂和生命。数据组织和处理是GIS应用系统建设中的关键环节，涉及许多问题，例如如何选择比例尺数据、有数据现势性如何、数据精度是否能满足要求、数据格式是否能被已有的GIS软件集成、应采用何种方法进行处理和集成采用何种方法进行数据的更新和维护等。

人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其他几个组成部分。人员的技术水平和组织管理能力是决定系统建设成败的重要因素。系统人员按不同分工有项目经理、项目开发人员、项目数据人员、系统文档撰写和系统测试人员等。各个部分齐心协力、分工协作是GIS系统成功建设的重要保证。

方法指系统需要采用何种技术路线，采用何种解决方案来实现系统目标。方法的采用会直接影响系统性能，影响系统的可用性和可维护性。

4 GIS功能

就GIS本身来说，大多数功能较全的GIS一般均具备四种类型的基本功能，如图3所示。

4.1 数据采集与编辑功能

GIS的核心是地理数据库，所以建立GIS的第一步是将地面的实体图形数据和描述它的属性数据输入到数据中，即数据采集。为了消除数据采集的错误，需要对图形及文本数据进行编辑和修改。属性数据比较规范，适应于表格表示，所以许多地理信息系统都采用关系数据库管理系统管理。通常的关系数据库管理系统（RDBMS）都为用户提供了一套功能很强的数据编辑和数据库查询语言SQL，系统设计人员可据此建立友好的用户界面，以方便用户对属性数据的输入、编辑与查询。

4.2 制图功能

GIS是一个功能极强的数字化制图系统。一个功能强的制图软件包还具有地图综合，分色排版的功能。根据GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量地图或栅格地图。地理信息系统不仅可以为用户输出全要素地图，而且可以根据用户需要分层输出各种专题地图，如行政区划图、土壤利用图、道路交通图、等高线图等；还可以通过空间分析得到一些特殊的地学分析用图，如坡度图、坡向图、剖面图等。

4.3 空间数据库管理功能

GIS一般都装配有地理数据库，其功效类似对图书馆的图书进行编目，分类存放，以便于管理人员或读者快速查找所需的图书。其基本功能包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作和通信功能。

4.4 空间分析功能

通过空间查询与空间分析得出决策结论，是GIS的出发点和归宿。在GIS中这属于专业性、高层次的功能。与制图和数据库组织不同，空间分析很少能够规范化，这是一个复杂的处理过程，需要懂得如何应用GIS目标之间的内在空间联系并结合各自的数学模型和理论来制定规划和决策。

5 GIS的应用领域

GIS在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎覆盖所有领域。GIS在一些领域中的具体应用如图4所示。

5.1 城市规划和管理

空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布，如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面（城市资源配置问题）等。

5.2 生态、环境管理与模拟

区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。

5.3 应急响应

解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。

5.4 选址分析

根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充分体现了GIS的空间分析功能。

5.5 网络分析

建立交通网络、地下管线网络等计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件（爆管、断路）等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。

5.6 可视化应用

以数字地形模型为基础，建立城市、区域、大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。

6 GIS的发展方向

目前，GIS的应用是以政府部门为主体，未来，面向企业以及大众的信息服务将成为GIS应用新的增长点。地理信息技术的发展必须依据新的要求和标准，GIS在各行业的应用模式也需要改革和创新。总体来说，GIS应用将向智能化、规模化、集成化、一体化以及产业化五个方面深化发展。未来，GIS在以下几方面有非常大的发展空间。

6.1 GIS与建筑信息模型（BIM）

地理信息系统在建筑领域的应用主要体现在∶安全管理地基设计、三维建筑规划方案可视化设计、户内可视化导航等。目前通过GIS的大地地形管理、地形第五模型的创建、规划方案的整合、贴图、数据处理等关键技术手段，可以对建筑方案进行三维可视化建模，场景优化和系统集成设计。GIS正在与BIM交互融合，应用于智慧城市。具体情况可见相关章节。

6.2 GIS与智能交通

基于GIS的智能交通不仅能够通过图形的形式记述道路通行状况、迅速定位事故点、调度抢修车辆以及提供交通疏散的方案等，还能够为这些信息的深层次挖掘、后续信息服务、辅助决策提供空间属性上的支持。具体应用包括监控、设施管理、车辆调度指挥、应急救援系统等。

6.3 GIS与农业资源管理

3S（RS、GIS、GPS）技 术， 尤 其 是GIS技术在农业的各个领域得到广泛的应用，农业部的多个业务部门纷纷构建了各自的应用系统。未来的农业应用将更多涉及精细农业、农作物监测及估产、农田水淹没分析以及绿色农业等方面。