GIS组成要素

、虽然GIS定义表述不统一，具体的GIS显示内容也不同，但能构成GIS的基本都具备以下几点。第一，应有处理地理数据的能力；第二，在统一的地表定位坐标系统下，以特定的数据模型输入、组织、存储和管理地理数据，并允许用户根据地理空间位置访问数据，或依据专题属性访问数据，能以可视化的形式表示地理数据；第三，拥有一套特殊的用于处理和分析地理数据的基本工具；第四，要有很强的地理数据的输出功能。若从人机系统来看，GIS则由软硬件及网络、标准、数据、方法、人员等要素组成（见图1.4）。若只从计算机系统来看，GIS则由输入系统、输出系统和处理系统三大部分构成。

图1.4 GIS组成要素

一、GIS硬件

GIS硬件包括计算机、输入与输出设备以及计算机网络通信设备。单机模式的硬件配置和网络模式的硬件配置如图1.5和1.6所示。

                       图1.5单机模式的硬件配置

                          图1.6   网络模式的硬件配置

用于运行GIS的计算机可以是小型个人计算机（如台式或笔记本式），也可以是大型的多用户超级计算机。由于GIS通常涉及到复杂的数据处理，且数据量大，运行GIS的计算机一般需要具有较强运算能力的处理器、较大的内存容量以及外设存储设备。GIS的主要输入设备包括数字化仪、扫描仪、键盘和鼠标。数字化仪和扫描仪用于将描绘在地图上的地理实体转换成数字形式表达并将其输入到计算机中。GIS输出设备包括计算机屏幕、绘图仪和打印机。磁盘、光盘等外部存储媒介既可用于输入，也可用于输出。计算机网络是利用通信设备和线路将位于不同地点的、功能独立的多个计算机系统连接起来。通过计算机网络，不同计算机之间可实现数据的共享与交换。目前，万维网（World Wide Web，简称3W）已成为GIS广泛应用的平台。

数字化仪有不同的形式和幅面规格，主要可分为手扶数字化仪和自动跟踪数字化仪。小型数字化仪的有效幅面在750px×1500px左右，只适合于数字化小幅面的地图或相片。大型数字化仪的有效幅面可达2250px×3000px，由于数字化大幅面的地图和影像。数字化仪由数字化台面、电磁感应板、游标和相应的电子电路组成。数字化仪是早期GIS获取矢量数据的主要途径之一，由于其工作强度大、数据录入效率低，目前很少使用。

扫描仪是通过对地图原图或遥感相片进行逐级扫描，将采集到的原图资料上图形的反射光强度转换成数字信息。扫描仪主要有三种：普通桌面平台扫描仪，滚筒式扫描仪和大幅面送纸式扫描仪。不同类型的扫描仪其空间分辨率有很大的差异，大多数GIS 扫描数字化工作要求空间分辨率在400dpi～1000dpi之间，所以，应根据精度需求选取扫描仪。

实验室常见的硬件设备见图1.7。

                       图1.7 实验室常见的硬件设备

二、GIS软件

GIS系统是将描述“在何处”的位置信息与描述“是什么”的语义信息相链接的集成软件。GIS软件涉及数据读、写、维护管理等计算机数据处理的基本功能，也包括空间分析、空间决策规划等专业化软件功能，同时还有其独特的空间图形可视化、地图制图等软件功能。因此，GIS运行所需的软件系统通常有三个，一是计算机系统软件，二是地理信息系统软件和其他支持软件，三是应用分析程序。

（1）        计算机系统软件：由计算机厂家提供的、为用户使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需得软件。

（2）        地理信息系统软件和其他支持软件：包括通用的GIS软件包、也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户解开等操作。

（3）        应用分析程序：系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定任务的程序，是系统功能的扩展和延伸。在GIS工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关，并能随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题或区域数据，构建GIS的具体内容，这是用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统应用的优劣和成败。

典型的GIS软件以空间数据库为引擎，系统结构有三层，即：一为界面层，由图形用户界面和应用程序接口构成；二为工具层，由数据输入和输出以及数据处理与分析软件构成；三为数据管理层，包括数据存储和管理（见图1.8）。对于单一用户使用的GIS，这三层软件以及数据都安装在同一台计算机内。对于多用户使用的GIS，界面层软件通常安装在用户的计算机上，而工具层、数据管理层软件和数据则安装在与用户计算机联网的另一台称为服务器的计算机上，这种软件结构称为客户端――服务器（Client _Server）结构。通过计算机网络通信，客户端由GIS用户界面向服务器索取数据，或请求解决某一问题，服务器上的GIS 工具层和数据管理层软件则执行客户端的请求，为客户端提供数据或解答问题。

                                图1.8 典型的GIS软件系统结构

在一些大型的应用机构中，GIS可以涉及到多个服务器以及在地理上广泛分布的客户，这种结构称为分布式GIS软件结构（见图1.9）。此外，GIS软件结构还有基于组件式开发平台、基于嵌入式开发平台、基于桌面平台、基于导航应用开发平台等。

                                  图1.9 分布式GIS软件结构

GIS发展至今，软件产业也日趋成熟。目前国内外流行的GIS商业软件主要特点概括见表1.5和1.6。
                                        
                                        表1.5和1.6（略）

三、GIS数据

GIS软件是为处理地理数据而设计的，没有数据，GIS就没有实际的用处。所以，GIS数据是系统分析的对象与处理的内容，它一般指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，这些数据可以是数字、文字、表格、图像和图形等。它们由系统建造者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或者其他输入设备输入到GIS中，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，其相应的区域数据包括位置数据、属性数据和时间数据。GIS则将把这些数据集成在一起统一管理。高质量的地理数据是GIS能否成功地应用于解决实际问题的关键之一。（关于GIS数据的采集和处理将在第4章介绍）。

四、GIS方法

GIS方法，即我们常说的“GIS应用模型”，它们的构建和选择是GIS应用成功与否的关键。GIS方法是面向实际应用，在较高层次上对基础的空间分析功能集成并与专业模型接口、研制解决应用问题的模型方法。虽然GIS基本功能能为解决各种现实问题提供了有效的基本工具（如：空间量算、网络分析、叠加分析、缓冲分析、三维分析、通视分析等），但对于某一领域或部门的应用，则必须构建专门的应用模型并进行GIS二次开发，例如土地利用适宜性模型、大坝选址模型、洪水预测模型、污染物扩散模型、水土流失模型等。为构建这些具体的应用模型，需要进行GIS二次开发。这些应用模型是客观世界到信息世界的映射，它反映了人类对客观世界的认知水平，也是GIS技术产生社会、经济、生态效益的所在，因此，应用模型在GIS技术中占有十分重要的地位。利用GIS求解问题的基本流程可参见图1.10。构建GIS模型的具体内容详见第6章。

                          图1.10  用GIS求解问题的基本流程

五、GIS人员

GIS需要人去规划，需要人去输入数据、选择和执行系统功能，需要人去解译并输出结果。也就是说GIS只有在适当的应用环境中才能真正发挥作用。GIS应用环境除GIS方法外，GIS人员很重要。人员是GIS开发建设中最活跃的因素,一般可以将其分为三类:高级技术人员（GIS专家或受过GIS基本训练的系统分析员、系统设计人员)、一般技术人员(代码设计员、数据录入员、系统管理员)和管理人员(领导决策者、各开发阶段的公关协调人员)。GIS工程建设的不同阶段对各类人员的数量要求是不一样的,一般地说，在系统规划阶段所需求的人员小于系统实施阶段。

由于计算机的飞速发展和地理信息的时序特征（一般硬件寿命为3～5年，软件寿命为5～15年，数据为1～2年或5～70年不等），由于GIS构建后需要不断维护、更新，所以用户（包括开发者和使用者）需要不断进行知识更新。

总之，一个成功的GIS离不开高效可靠的硬件、功能完善的软件、高质量的数据和良好的应用环境。

六、GIS标准

当前GIS组织在GIS标准的规则和内容方面不是很一致。当今的信息技术是基于标准的，没有标准，很难信息共享，很难网络通信，很难进一步应用。关于GIS标准问题参见本课程4.5。