2.2 GIS技术

2.2.1 基本概念

1.定义

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种专业的计算机系统，主要应用于空间数据的处理，并集采集、存储、管理、分析和表达于一体，它不仅是一个分析工具，同时也是一门科学技术，能表示、模拟现实空间世界，并进行空间数据处理分析。简而言之，GIS可以理解为将现实世界微缩为计算机信息模型，供各种条件下的查询、分析及决策等。

地理信息是表征地理环境中固有要素或实体的数量、质量、分布、联系，以及规律的数字、文字、图形和图像等的总称。

2.主要组成部分

从应用的角度，GIS主要由硬件、软件、数据、人员、应用模型组成。其中，软硬件为地理信息系统的建设提供基础环境；数据是GIS的核心内容；人员是系统建设中的关键因素，对其他几个组成部分有直接的影响；应用模型则为GIS建设提供可靠的解决方案。

1）硬件方面

硬件是指能够运行GIS软件的整体环境。如今，硬件环境也在不断地发展，从中央计算机服务器到桌面计算机，从单机到网络环境，GIS软件可实现在不同类型的硬件上运行。

硬件组成部分主要包括处理设备、输入设备、输出设备、存储设备等内容（见图2-1）。

2）软件方面

GIS软件能够实现地理信息的存储、分析和显示等功能。GIS软件组成部分主要包括操作系统、系统库、标准软件、GIS基本功能软件、GIS应用软件等（见图2-2）。

3）数据方面

GIS系统中最核心的部件为数据。地理空间数据、相关的属性数据可以通过采集的方式获取，也可在合法合规的商业数据提供者处购买。GIS可将空间数据及其他数据源的数据集成在一起，而且可以使用空间数据库管理系统来管理空间数据。

GIS数据是一个地理信息的空间数据集，其特征主要包括几何、属性、时间等，主要采用矢量数据、栅格数据进行数据组织。

（1）在直角坐标系中，矢量数据是通过X坐标和Y坐标来表示地理实体的位置或地图图形的数据。一般来说，矢量数据可以通过记录坐标的方式尽可能准确地表达地理实体的空间位置。矢量数据是计算机中以矢量结构存储的内部数据，是跟踪式数字化仪的直接产物。

（2）栅格数据。

将空间分割成有规律的网格，每个网格被定义为一个单元，栅格数据就是通过赋予每个单元相应的属性值来代表实体的一种数据形式。

无论是使用矢量数据还是栅格数据来存储地理数据，都有其优点和缺陷。现代的GIS都可以处理这两种数据。

4）人员方面

GIS的人员范围很广，包括规划、设计、咨询、建设、管理、维护等各阶段的技术专家，还有实际使用者在内的所有人员。

5）应用模型

GIS的应用模型，就是按照实际的应用目标和问题，依托于GIS本身的技术优势，将观念世界中形成的概念模型转化为信息世界中可操作的机理和过程。其主要模型包括地理参考系统、专业数学模型。

这种模型的构建，不仅是解决实际复杂问题的必要途径，也是GIS取得经济和社会效益的重要保证。

2.2.2 技术发展及应用发展趋势

1.技术发展

GIS是空间技术和信息技术的交叉学科，相关领域的研究热点都有可能成为GIS的发展趋势。GIS经过多年的发展，已从最开始的辅助绘图技术，发展到了基于物联网、大数据和云计算技术的地理信息服务，融合了智慧城市、交通运输、资源环境、商业金融等人类社会多维度元素。GIS技术的发展方向，一直备受产业界和学术界的关注。国际咨询机构Gartner的研究报告表示，最有影响力的技术趋势都与GIS有关。分析和掌握GIS技术的发展方向，对于理论研究、技术研发和产业发展都具有重要的参考价值。

1）云GIS

云（Cloud）逐渐成为GIS基础资源，越来越多的用户将其整个GIS业务系统完全部署到云端。利用云服务的功能优势，有效地将空间数据通过Web服务的方式进行管理和使用。

云GIS通过对云平台中Web服务进行编辑、制图和数据分析来实现对GIS服务的弹性使用，减少对局域网数据库中的空间数据依赖。这种方式的根本目的是通过基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）和平台即服务（Platform as a Service，PaaS）的支撑，使得GIS资源可以集中存储和有效利用。

2）BIM+GIS

随着智慧城市的不断推进，单一技术已不能满足未来城市的管理和建设需求，多种技术的融合和集成将是必经之路[8]。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）用于整合单栋建筑的精确模型，管理整个建筑物全生命周期的信息，GIS则为当今城市的建设和管理提供了基础框架。

BIM与GIS的跨界融合为城市的建设管理提供了新的方法和手段。BIM全生命周期的管理需要GIS的参与，BIM也将开拓三维GIS的应用领域，把GIS从宏观领域带入微观领域。

“BIM+GIS”应用涵盖BIM的全生命周期，包括BIM的规划、设计、施工、运维等各个阶段。为了应对BIM与GIS融合的技术难题，SuperMap GIS研发了BIM主流数据的无损接入、超百万级BIM模型实时绘制、BIM数据到GIS平台厘米级精准匹配等关键技术，推动了三维GIS在建筑、隧道、大坝、桥梁等工程领域的应用和发展，为“BIM+GIS”应用提供了强有力的技术支持和平台支撑。

3）室内导航

室内导航与定位系统是指在室内空间中采用不同技术来实现人员导航，以及对人员、物体的定位与跟踪。随着物联网技术的发展，人员、物体在个人活动、经济和军事等应用领域的定位需求越来越多[7]。相较于2D地图，3D室内地图还能为物联网的发展提供室内空间信息数据，方便各个场景的管理人员直观地获取信息。

目前大多数的室内导航定位系统是基于指纹定位、三角定位、多边定位、临近探测法来实现的，也可采取组合定位的方法提高精度。多数室内定位技术的原理是根据信号的接收时间判断已知信号点与接收机的相对距离，主要包括基于传感器、射频信号、融合定位等室内定位技术。

2.应用发展趋势

随着人们对空间数据信息认识的加深及数字化产品的普及，GIS应用的深度和广度将进一步加深和拓宽。GIS在众多领域都将扮演重要角色，不仅能帮助人们解决全球环境变化和区域可持续发展等重大问题，而且将呈现社会化的应用趋势，为人们在科研、生产、生活、学习和工作中提供一个全新视角。

1）区域智能化规划

区域规划具有高度的综合性，涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、通信和金融等众多要素，在诸多的信息中筛选出可用的信息并不容易，需要规划人员具备切实可行的技术、掌握实时性强的信息，而GIS能为规划人员提供综合性的信息服务。

规划人员可利用GIS对土地利用、人口数据、交通流量进行分析，预测未来的道路等级；工程技术人员利用GIS将地质、水文和人文数据结合起来，进行路线和构造设计。GIS软件的空间搜索、多元信息的叠置处理、空间分析和网络分析等功能，可帮助政府部门完成道路交通规划、公共设施配置、城市建设用地适宜性评价、商业布局、区位分析、地址选择、总体规则制定、现有土地规划利用，以及空地、开发区和设施位置等的分析工作，是实现区域规划科学化和满足城市发展的重要保证。

2）城市灾害全流程监测

地理监测是确保地理信息系统中的数字模型准确地反映地理系统变化过程的技术手段，随着传感器网络及物联网（特别是对地观测网络）的发展，如无人机的发展，高时间、高空间、高光谱分辨率的对地观测和多主题、多要素的地理动态监测成为可能，使地理信息系统的数据动态化和实时化，其应用模式也将发生变化。地理监测技术手段的变化也会影响地理建模技术的变化，如倾斜摄影技术和LiDAR的发展，地理信息系统需要支持倾斜摄影数据模型和激光点云数据模型，包括数据存储、管理、分析计算和可视化，地理监测和地理建模是相互作用和相互影响的过程。

地理信息是抗灾救灾部署的重要参考依据，为各种救灾措施的实施提供信息支撑，以提高抗灾救灾的效率和精准率，最大限度地减轻灾害造成的损失。

3）智慧城市辅助决策

智慧城市是未来的城市发展方向，其目标是找出更明智的选择，最大限度地提升终端用户的满意度，加快城市社会文化和经济发展建设。智慧城市是知识型城市，有能力通过规划、管理、治理和发展系统促进城市的可持续发展，其中地理空间信息将位于第一线，帮助决策者做出正确的决策。

GIS已经具备了全面模拟城市的能力，它可以包含数百万个变量，并有能力对这些变量进行地理编码，从而促进城市的规划、管理和发展。在2019年印度地理智能展会上，浦那智慧城市（Pune Smart City）的首席知识官Manojit Bose表示：“发展智慧城市是一段旅程，而不是目的地。其中GIS是推动智慧城市向前发展的一种新兴工具。”

智慧城市是城市信息化的高级阶段，由若干个信息系统集成，是体系化的信息系统生态，以GIS平台为核心，通过空间关系来表达城市问题，其核心要素和能力为数据集成与融合、可视化表达，以及智能化辅助决策。