地球信息系統

地球信息系統（Geographic Information System，GIS）有時又稱為“地學信息系統”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統。它是在計算機硬、軟體系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行採集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。

從計算機科學的角度來看，地球信息系統是由計算機硬體、軟體、數據以及對本系統進行管理四個主部分組成。

基本介紹

• 中文名：地球信息系統
• 外文名：Geographic Information System
• 英文縮寫：GIS

硬體部分

地球信息系統的硬體組成如右圖。

地球信息系統的硬體組成

從圖可以看出，計算機外圍設備以及專用輸入設備，通過計算機匯流排系統與計算機聯接起來，組成GIS的硬體系統。其核心部分是計算機，它被用於數據的管理和處理、加工和分析。

專用輸入設備之一是數位化儀，它用來將圖形轉換成數據，稱為矢量數據。掃瞄器與數位化儀類似，但它將圖形直接轉換成柵格形式的數據，柵格數據經過識別與轉換，可轉換成矢量形式的數據。解析測圖儀(或機助測圖系統)，從航空像片上採集數據。上述這些輸入設備採集的數據可以在線上，直接輸入到GIS，也可由有關的數字測圖部門提供軟碟或磁帶進行輸入。

輸出設備有平板繪圖儀、彩色噴墨繪圖儀、靜電繪圖儀或其它的顯示裝置等，是用來產生目視化產品的。磁帶機是用來存儲數據量大、不經常調用的數據或程式。目前硬碟和光碟是GIS重要的存儲介質。

數據管理、加工、分析設備

GIS的數據管理加工分析設備是計算機，它可以組成網路，也可以單獨使用。計算機是由中央處理器(CPU)、記憶體儲器(RAM)、顯示器、鍵盤以及滑鼠器等組成。主要部件是中央控制器和記憶體儲器。

能運行地理信息系統的計算機，包括大型、中型、小型、微型計算機以及工作站。描述計算機的主要性能是處理速度、字長和記憶體儲器的容量。

字長，由二進制位(bit)的多少組成。它是影響計算機效率的一個重要指標。

存儲器，是能被中央處理器直接訪問的存儲區域。它也是影響計算機效率的一個重要指標。記憶體儲器一般以千位元組(KB)或兆位元組(MB)為單位。微機的記憶體儲器容量是由64KB、640KB、到現在的2MB、4MB、16MB。工作站的記憶體儲器容量從8MB到32MB、512MB。

處理速度，是衡量計算機性能的另一個重要指標。估算處理速度方法有多種，較流行的有時鐘的頻率和MIPS。時種頻率，是指每秒變換記憶體儲器中某一個單元內容的次數，即指訪問記憶體儲器的效率。對於微機，時鐘頻率是衡量主機處理速度的主要指標。高檔微機時鐘頻率可達100MHz以上，一般IBM/PC386/486微機時鐘頻率為25至66MHz之間。MIPS，是每秒鐘百萬條指令。工作站常用MIPS表示，一般處理速度為28.5至77.5MIPS，有的達100MIPS。

建立地球信息系統除軟體外，首先要選擇計算機平台，儘管現在許多商用的GIS軟體在多種檔次的計算機上都有不同的版本，但仍需要精心考慮選擇哪一種類型的計算機才能滿足自己的要求，達到最佳的性能價格比。在這裡還應該指出，雖然個人用微型計算機處理速度已趕上大型機的速度，但是微機的記憶體儲器和外存儲器容量對GIS而言仍然偏小。特別是記憶體儲器與硬碟之間的傳輸速率制約了GIS在微機上的套用。當然對於一個局部小區域的GIS套用也並不是不可以的。

工作站是GIS的主流機型, 這是因為工作站處理速度在70MIPS以上，記憶體儲器容量達32MB到128MB以上，硬碟和光碟超過1GB，體積不大，價錢大大降低。工作站都配有大螢幕高解析度的圖形終端，配有專用的圖形加速卡，特別適宜於GIS的圖形圖像處理。工作站還可以通過網路將各種微機聯成一個網路系統，達到數據和資源共享。

外存儲器

磁帶和磁碟是計算機的主要外存儲器。磁帶有兩種類型：一種是通常看到的圓盤磁帶；另一種是類似錄像帶的盒式數據流磁帶，體積相對小。存儲量一般為150MB以上，微機和工作站上都可以配備這種磁帶。

磁碟分軟碟、硬碟和光碟三種。硬碟和光碟的存取速度以及存儲容量都比軟碟大得多。特別是可擦寫光碟，容量達1GB以上, 工作站已裝上這種光碟。

地球信息系統是數據密集型系統，一張地形圖一般至少要有1到2MB的記憶體儲器容量，一幅1024×1024遙感圖像需要1MB，假如沒有高密度的存儲介質和較快的傳輸速度，在微機上建立地理信息系統及進行圖像處理受到的局限性就很大。

輸入設備

數位化儀是GIS最基本的輸入設備。它將地形圖轉換成數字形式(矢量數據)。地圖數位化的精度受數位化儀本身的解析度、數位化方式、操作者的經驗和技術等多種因素影響。選擇數位化儀時要注意它的實際解析度一般比出廠標定的解析度要低。

掃瞄器既可以作為圖形又可以作為圖像輸入的一種工具。隨著圖像識別、柵格矢量化技術的發展和提高, 掃瞄器可代替數位化儀。

對原有的模擬測圖儀進行改造，增加接口和相應的驅動軟體，就變成了新一代解析測圖儀，它與計算機相連形成了GIS圖形數據採集站。

輸出設備

GIS的輸出設備主要包括矢量繪圖儀、柵格式繪圖儀和圖形終端。

矢量繪圖儀分平板和滾筒兩種。矢量繪圖儀的輸出精度主要取決於筆控制馬達的步進量，對製圖來說, 步進量不應大於0.054mm。

行式印表機為柵格式繪圖儀。它精度較低但經濟，作為草圖輸出還是可以的。高精確度的彩色雷射印表機比行式印表機要好，但經濟性不足。

圖形終端在數據輸入編輯和檢索等階段都要用到。對於某些用戶，許多圖形輸出不要求拷貝，只要求顯示一下就可以了。微機上常見的有VGA或TVGA卡或適配器可用來支持微機系統。一個實用的GIS運行系統應該配備高解析度的圖形終端，至少達到1024x1024或1152x900；最好配圖形卡，這樣對圖形圖像處理速度可以加快。

軟體部分

軟體層次

GIS的核心是它的軟體，關係到GIS的功能。

GIS的軟體層次

右圖為GIS的軟體層次。最上面兩層為作業系統和系統庫。則兩層與硬體有關，稱為系統軟體。再下一層為軟體庫，由此保證圖形、資料庫、視窗系統及GIS其他部分能夠運行。上面三層稱為基礎軟體。

下面三層包括基本功能軟體、套用軟體以及用戶界面。這三層代表了地理信息系統的能力和用途。

五大子系統

五大子系統具體框圖見右圖。

數據輸入與轉換子系統，包括現有地圖、航空像片、遙感數據、野外觀測數據、文本資料等轉換成計算機能接收的數字形式及其各種處理轉換軟體。許多計算機控制的外部設備，例如終端、數位化儀、掃瞄器、磁帶機、軟碟等都可以作為輸入設備。不同的輸入設備配備相應的軟體，並將得到的數據歸一化後進入地理資料庫。

圖形和文本編輯子系統。經掃瞄器和數位化儀輸入的信息，GIS除了進行信息輸入外，還要對圖形進行編輯，一旦原始輸入數據有錯誤，立即進行編輯修改。還可以對圖形進行修飾、設計線型、顏色、符號註記, 建立拓撲關係、組合複雜地物、輸入屬性數據等。對於屬性數據輸入，雖然也可以在前述的數據輸入子系統中輸入，但在圖形和文本編輯子系統中，是直接參照圖形輸入屬性數據，即在圖形輸入的同時，輸入屬性數據，實現圖形數據與屬性數據的連線。

存儲與管理的資料庫子系統。數據存儲與管理涉及地理元素(地物的點線面) 的位置，空間關係以及屬性數據怎樣結構和組織，使其便於機器的處理和用戶的理解。數據模型決定了資料庫管理系統的類型。

空間查詢與空間分析子系統。資料庫管理子系統一般提供資料庫查詢語言，如SQL語言。對GIS來說，要在常用的資料庫查詢語言的基礎上，為支持空間查詢，還需進行必要的擴充或重新設計GIS所特有的查詢，例如查詢，穿過一個城市的公路，某鐵路二側2公里的居民點等。空間分析，包括地形分析、土地適用性分析、網路分析、疊直分析、緩衝區分析等。

數據輸出子系統可以在多種介質上以地圖、圖像、圖表、表格、文字等各種形式向用戶提供中間和最後分析結果。