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1、第 1篇 地理信息系统及其开发第1章 地理信息系统概论1.1 信息与信息系统信息是近代科学的一个专门术语。关于信息有各种不同的定义，狭义信息论将信息定义为人们获得信息前后主体（人、生物和机器等）与外部客体（环境、其他人、生物和机械等）之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间一切有用的消息和知识，是表征事物的一种普通形式。在很多书中还采用如下的定义：信息是人们或机器提供的关于现实世界新的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。那么，数据又是什么呢？般来说，数据是通过数字化或直接记录下来的可以被鉴别的符号，数据不仅包括数字，还包括文字、符号、图形、图像以及各种可以转
2、换成数据的现象。数据是用以载荷信息的物理符号，在计算机化的地理信息系统中，数据的格式往往和具体的计算机系统有关，随载荷它的物理设备的形式而改变。例如同样的数据1和。都是普通阿拉伯数字符号，当用来表示某一种实体在某个地域内存在与否时，它就提供了有（用1表示）无（用0表示）的挖主息；当在绘图矩阵中表示绘线或不绘线时，它就提供抬笔落笔的信息等等。地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理，目的是为了获得数据中所包含的信息。对于同一数据由于每个人的解释根能不同，因而获得信息量的我少与人的知识水平和经验有关。在信息科学领域中，信息与数据不可分离，信息用记录在各种物理介质中的数据来表达，数据中
3、所包含的意义就是信息。数据只是信息的载体，并不等于信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能得到数据中所包含的信息。通常在不会引起混乱的情况下，人们往往对信息和数据这两个术语的使用不加以严格区分。系统是具有特定功能，由相互联系的若干要素所构成的一个整体。对计算机而言，系统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定相关关系联系起来进行工作的集合体，其内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及要素之间的联系方式所决定。信息系统是具有处理、管理和分析数据功能的系统，它能为企业、部门或组织的决策过程提供有用的信息。在信息社会中，我们所说的信息系统大部分都由
4、计算机系统支持，例如图书情报信息系统、商业服务管理系统、资源与环境信息系统等。1.2 地图与地理空间数据1.2.1地图地图是地理学家最常用的地理信息载体和地理语言，主要有地表形态和地表物分布（水系、植被、居民点、交通网、国界和行政区划等）的普通地理图、地形图，以及详细客观地表示某种（或某些）自然要素的专题地图。苏联地图学家萨里谢夫将地图定义为：由数学所确定的经过概括并用形象符号表示的地理表面上的图形，用其表示各种自然现象和社会现象的分布、状况的联系，根据每种地图的具体用途对所表示现象进行选择和概括，结果得到的图形叫做地图。也就是说地图包括三个方面的内容：由数学决定的结构，即必须首先确定地球表面
5、上点的地理坐标或其他坐标，以及这些点在地图平面上的直角坐标或其他坐标之间的严格的映射函数关系。确定了这些函数关系后，才可以利用地图来研究它表示的地物的空间关系和联系。特殊的符号系统。地图采用便于空间定位的专用图解符号，用于表示各种现象、性质及其相互关系，以及记录、转换和传递各种自然和社会现象的知识，从而在地图上构成客观实际的形象。现象的表示、取合和概括，或称为地图综合。这是由于地图受到图幅比例的限制和图解符号表示的可能性制约，地图在应用中也常需要对自然景观进行取舍和概括表示。地图是一种图像，从地图上我们可以获得一个地区或整个地球表面在同时间的空间现象。它们建立超地物形状、尺寸和相对的视觉形象，
6、从而可从地图上得出地表景象的空间尺度，即空间坐标、长度、面积、高度和体积，除表示地物的数量和质量方面的特征外，地图还可以表示地物之间的空间联系和其他联系，即邻近性、包含性、叠置性、相对距离、从属关系、经济和交通方面的联系等等。对于能够理解地图符号的使用者来说，地图是自然世界的一种模型，是制图人根据对自然世界的认识，用概括和简化的可视化形式客观反映自然世界在某些方面的结构，读图是通过对地图符号的理解，建立起地图所表示的客观实际的空间模型。这是一种思维模型，它的建立依赖于制图人和读图人对制图符号的“约定”，地图是制图人和读图人之间交流自然空间信息的图像载体。地图表达的对象可以是具体的（如居民区植被
7、、土壤等）和抽象的（如人口密度、工农业产值、影响范围等）、现实的（如河网、道路、城市土地利用）和预期的（规划中的灌溉网、规划的道路和土地利用规划）。更为重要的是，地图还可表示自然现象的发生发展过程，例如城市扩展图、土地利用变化图、土壤侵蚀速率图等。由于地图在表达空间地理信息时具有精确、简洁、丰富、动态、灵活等特点，所以地图已经成为地理工作者普遍使用的地理语言，也是地理信息系统的最重要的数据源。事实上，地图也是地理信息系统向用户输出信息的重要形式之 1.2.2空间数据空间数据是单个或群体地以空间位置为参照的数据,地理空间数据是指人们通过观测所得到的地球上某些地物景观的空间数据。一般来说，空间位置
8、可以通过以下两种方法表示：1.专门位置表示法通过空间实体与某些数据要素之间空间位置的联系来表示，即表示为绝对坐标和相对坐标。专门位置法可以表示：小尺度空间现象的点或大尺度空间现象的抽象的点，如城镇、高程控制点、交通网络的结点等；具有线性特征的线段，如水系、公路等；有规则的面，如栅格、像元等：用于面状描述的不规则多边形，如土壤分布.、植被类型、空间影响范围等。2.列名位置表示法用名称或编码等可标识的数码表示。如邮政编码、街区地址、门牌号码等。它们只表示空间实体的组合和偶然的联系，本身并不能完整地表达空间位置，而需参照其他空间要素。如地图上地名与编码结合起来才能确定实体的空间位置。地理空间数据可以
9、用来描述地球上可更新与不可更新的自然资源、人类赖以生存的自然环境、人文经济与劳动力资源的有关信息，包括：地形地貌、土壤、岩石矿藏、植被、水、土地利用、行政界限、交通网络、政治分区、邮政区、公共设施位置、土地界限、土地价值、土地所有权、人口普查分区、人口分布、收入分配、经济区划、环境污染、疾病影响范围、自然灾害公布等。空间数据表示了各种空间现象之间的空间关系，如邻接、距离、重叠、包含等。空间现象的其他属性也可以用数据表示，有时在一定程度上空间关系或属性隐含于数据结构中，可以根据记录格式和数据结构计算出来。1.3地理信息与地理信息系统1.3.1 地理信息地理信息是指表征地理系统诸要素的数量、质量、
10、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志。地理信息的这种定位特征，是通过经纬网或公路网建立的地理坐标来实现空间位置识别的，地理信息还具有多维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构。而各个专题之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各图层之间的综合研究提供了可能，也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供了方便。1.3.2 地理信息系统地理信息系统(G e o g r a p h i c I n f o r m a t i o n S y s t e
11、m,简 称 G I S)是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。它是以地理空间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统。简而言之，地理信息系统是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型数据管理系统，它是一种特殊而又十分重要的信息系统。从学术与技术的角度看,地理信息系统是1 9 世纪6 0 年代开始迅速发展起来的一门新技术，结合计算机、系统工程、经济管理等多学
12、科的知识，属跨学科的技术系统。它所涉及的内容主要包括：有关的计算机硬、软件 空间数据的获取及计算机输入 空间数据模型及其数据表达 属性数据的数据库存储及处理 数据的共享、分析与应用 数据的显示与视觉化 地理信息系统的项目管理、开发、质量保证与标准化 地理信息系统的机构设置与人员培训等在本书中，我们将从功能或内容上来讨论地理信息系统，即把地理信息系统看成是一种以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的空间型信息管理系统。一般说来，地理信息系统按其内容可以分为三大类：专题信息系统(T h e m a t i c I n f o r m a t i o n S y s t e m)这是具有限目标和
13、专业特点的地理信息系统，为特定的专门的目的服务，如矿产资源管理信息系统、农作物估产信息系统、灾害监测信息系统等。,区域信息系统(R e g i o n a l I n f o r m a t i o n S y s t e m)主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标。可以有不同的规模，如国家级的、地区或省、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以是按自然分区或流域为单位的区域信息系统，如加拿大国家信息系统、我国黄河流域信息系统等。事实上，许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统等。地理信息系统工具(G is
14、-T o o l)也称地理信息系统开发平台或外壳，它是具有地理信息系统基本功能的工具软件或开发平台，供其他系统调用或进行二次开发。国内外已在不同档次的计算机设备上研制了 一批地理信息系统工具，如美国耶鲁大学森林与环境学院的Map软件包(Map Analysis Package)Mapinfo公司的Mapinfo系统，以及北京大学研制的微机地理信息系统工具Spaceman等。将地理信息系统外壳与数据库系统结合，用以完成图形图像数字化、地理数据的存储管理、查询检索、结果输出等任务，就可以开发出相应的决策支持系统、专家系统等。另一方面，也可以从其他角度对地理信息系统进行分类。例如：按数据结构的不同可
15、将地理信息系统分为：基于多边形的，即矢量型地理信息系统;基于格网的，即栅格型地理信息系统。按照系统用途可将地理信息系统分为：自然资源清查信息系统；城市信息系统：规划和评价信息系统：空间分析型的地理信息系统；人才和智力资源信息系统。按系统职能的不同可以分为：地形信息系统；专题信息系统；土地资源信息系统:地籍信息系统；人口统计信息系统等等。1.4地理信息系统的构成一般说来，一个完整的地理信息系统通常由四个部分组成(见图1 1),它们是计算机硬件环境、软件环境、地理空间数据、系统维护和使用人员。图形编码请求一接口 一图t形数据获取扫描数字化士跟踪数字化窗口条件上DTM二属性条件一 地理信息系统 数据
16、库与数据库管理系统 空间数据处理 空间数据分析 规划、管理和决策模型 信息显示与制图输出查询功能SSS$)制图功能图 1-1 地理信息系统的基本构成图1 1地理信息系统的基本构成1.4.1硬件环境地理信息系统的硬件配置一般包括以下几个部分：计算机主机它可以是单机，也可以组成计算机网络系统来应用。数据输入设备用于将系统所需要的各种数据输入计算机，并将模拟数据转换成数字化数据。其他一些专门设备，如数字化仪、扫描仪、解析测图仪、数字摄影测量仪器、遥感图像处理系统、机助制图系统、图形处理系统等，它们均可以通过数字接口与计算机相联接。数据存储设备主要指存储数据的磁盘、磁带、光盘及相应的驱动设备。数据输出
17、设备它包括图形终端显示设备、绘图机、打印机、磁介质硬拷贝机、可擦写光盘、以及多媒体输出装置等，它们将以图形、图像、文件、报表等不同形式显示数据的分析处理结果。数据通信传输设备配上网络系统连线、网卡及其他网络专门设施，地理信息系统就可通过网络与服务器或其他工作站交流信息或共享数据。1.4.2 软件环境地理信息系统运行所必需的各种程序，通常包括：计算机系统软件一般由计算机厂家提供的，为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编系统、编译程序、诊断程序、库程序，以及各种维护使用手册、程序说明等。这些是地理信息系统正常运行所必需的。地理信息系统软件和其他支持软件可以是通过地理信息系
18、统工具专门开发的地理信息系统软件包，也可包括数据库管理系统、计算机图形软件包、CAD图像处理系统等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。应用分析程序这是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应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成地理信息系统的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。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着系统的优劣和成败。1.4.3 地理空间数据地理空间数据是地理信息系统的操作对象与管理内容。它是指以地球表血
19、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、磁带机或其他输入设备输入到地理信息系统中，是地理信息系统所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，其相应的区域信息包括位置信息、属性信息和空间关系等。地理信息系统中的数据包括两大类型：(1)空间数据用来确定图形和制图特征的位置，这是以地球表面空间位置为参照的。具体说来，它反映了以下两方面信息：在某个己知坐标系中的位置，也称几何坐标主要用于标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等。实体间的空间相关性即拓扑关系(T
20、opology),表示点、线、网、面等实体之间的空间联系，如网络结点与网络之间的枢纽关系，边界线与面实体问的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式软换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义。是地理信息系统的特色之一。(2)非空间的属性数据用来反映与几何位置无关的属性，即通常所说的非几何属性，它是与地理实体相联系的地理变量或地理意义，般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计等方法得到。非几何属性分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，如岩石类型、土壤种类、土地利用、行政区划等：后者则包括数量和等级等，如面积、长度、土地等级、人
21、口数量、降雨量、水土流失量等。任何地理实体至少包含有一个属性，而地理信息系统的分析、检索主要是通过对属性的操作运算来实现的。1.4.4系统使用与管理人员地理信息系统是一个动态的地理模型，是个复杂的人一机系统。仅仅有系统硬、软件和数据还构不成一个完整的地理信息系统，它必须处于相应的机构或组织环境内，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充等工作。因此，系统的管理、维护和使用人员是地理信息系统中的重要构成因素，他们在地理信息系统环境中的作用与关系如图12所示。组织、管理机构图 1-2 地理信息系统与组织、管理机构环境图12地理信息系统与组织、管理机构环境第2章地理信息系统的空间数据表示数
22、据结构是指数据记录的编码格式及数据间的关系的描述。不同类型的数据，只有按照一定的数据结构进行组织，并将它映射到计算机存储器中去，才能进行存储，检索，处理和分析。在地理信息系统中地理空间数据常用的数据结构有两种：栅格(R a s t e r)数据结构和矢量(V e c t o r)数据结构。例如，一幅具有森林、河流和住房的地图(见图2 1(a)可以分别用这两种不同的数据结构来描述。在栅格结构中，空间被有规则地分成了一个个小块(通常是正方形)，地理实体用它们所占据的栅格的行、列号来定义，栅格同时可以附有属性值，例如图2 1 凹中的P、R、S和 H；在矢量结构中，地理实体用点、线、面来表达，其位置由
23、二维平面直角坐标系中的坐标来定义，如图2 1(c)所示。1234567891 0图2-1 空间实体的栅格、矢量数据结构表示图 2 1 空间实体的栅格、矢量数据结构表示2.1 栅格数据结构栅格数据结构由像元阵列构成，每个像元用网格单元的行和列来确定它的位置，常用于表示地质、气候、土地利用或地形等面状要素。任何面状的对象，如土地利用、土壤类型、地势走伏、环境污染等，都可以用栅格数据来表示。栅格数据的获取方法比较简单，即在专题地图上均匀地划分网格，相当于将一透明的方格纸覆盖在地图上，格网的尺寸大小依要求设定。根据单位格网交点归属法(中心点法)、单位格网面积占优法、长度占优法、重要性法等方法，直接获取
24、相应的栅格数据。这类方法称之为手工栅格数据编码法，它适用于区域范围不大或栅格单元的尺寸较大的情况。但是当区域范围较大或者栅格单元的分辨率较高时，需要采用数据类型转换万法，即由矢量数据向栅格数据作自动转换。为了逼近原图或原始数据精度，除了采用上述的手工方法之外，还可以采用缩小单个栅格单元的方法(即增加精度)，使得每个单位的栅格可以代表更为精细的地面单元。这样，在大大提高精度，更接近真实形态的同时，行、列数也将大大增加，即数据量也大幅度地增加，使得数据冗余严重，为了解决这矛盾，现在已研究出了 系列栅格数据压缩编码方法，使得用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息。压缩编码方法可分为信息无损编码和信息有
25、损编码两种，信息无损编码是指编码过程中没有任何信息处理损失，通过解码操作可以完全恢夏原来的信息；信息有损编码是指为了提高编码效率，最大限度地压缩数据，在压缩过程中损失了 一部分相对不太重要的信息，当解码时这部分信息难以恢复。在地理信息系统中一般采用信息无损编码方法。常用的数据压缩编码方法有以下几种：2.1.1 链式编码(Cha i n Codes)链式编码又称弗里曼链码(Freeman,1961)或边界链码。考虑图22 中的多边形，该多边形的边界可以表示为由某一原点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向一般定义为:东=0,东南=1,南=2,西南=3,西=4,西北=5,北=6,东北=7。
26、图 2-2 用栅格结构表示一个简单区域的例子图 22用树格结构表示一个简单区域的例子若设原点为像元(10,1),则图2-2 的多边形边界按顺时针方向的链式编码为：10,1,7,0,1,0,7,1,7,0,0,2,3,2,2,1,0,7,0,0,0,0,2,4,3,4,4,3,4,4,5,4,5,4,5,4,5,4,6,6。其中前两个数字10和 1,代表起始点为第十1,7,0,1,0,7,1,7,0,0,2,3,2,2,1,0,7,0,0,0,0,2,4,3,4,4,3,4,4,5,4,5,4,5,4,5,4,6,6。其中前两个数字10和 1,代表起始点为第十行第一列，从第三个数字开始每个数字代
27、表单位矢量的方向。链式编码对多边形的表示具有很强的压缩能力，且具有一定的运算能力，比较适合存储图形数据，但对叠置运算，如组合、相交等则很难实现，对局部修改将改变整体结构，效率较低，并且山于链码是以每个区域为单位存储边界的，相邻区域的边界则被重复存储而产生冗余。2.1.2 游程长度编码(RunLength Codes)游程长度编码是按行的顺序存储多边形内各像元的列号，把属性值相同的连续若干个栅格看成是一个游程，即在某一行上从左到右存储属于该多边形的始末像元列号，如 图 2-2中的简单区域按游程长度编码方法的编码为：第 9 行：2,3：6,6：8,1 0第 1 0 行第 1 1 行第 1 2 行第
28、 1 3 行第 1 4 行第 1 5 行第 1 6 行1,1 01,91,93,9：1 2,1 65,1 67,1 49,1 1这里我们用2 2 个编码的值就完整地表示了含6 9 个像元的多边形，因此大大地减少了存储量，这种编码方法在许多像元同时属于一个属性值的情况下，比传统编码法的存储情况有很大的改善。克服了链式编码中效率较低且很难实现叠置运算等缺点。这种编码方法同时也减少了栅格数据库的数据输入量，但是在计算期间的处理和制图输出期间的处理工作量都有所增加。2.1.3 四又树编码(Q u a d t r e e E n c o d i n g)四叉树编码又称四分树或四元树编码，这种编码的基本原
29、理是：先把地图看成是一个正方形的单元，如果该单元内有不同性质的多边形，则将单元分成四个大小相同的二级单元,然后分别判断这四个二级单元中是否还有性质不同的多边形，如其中某个二级单元中有不同性质的多边形，则再将其划分成四个大小相同的三级单元。这种逐级 吩为四的方法一直继续到预定的最高分辨率为止。图 2 3 给出了一个用四叉树方法表示一个多边形的划分过程，图 2 4则是与之相对应的树状数据结构。在图2 4中，树根代表整个区域，树的每个结点有四个子结点，为空的子结点称为叶子结点，用方框表示，叶子结点对应于区域分割时数据为单一类型或单个栅格的像元。此外,树根结点用圆圈表示，它说明在该四分之一范围内尚存在
30、不同性质的多边形，对此必须继续划分，直至分到树叶为止。该图的叶子结点中，带 X的结点框代表全属多边形范围，空心的结点框表示全不属多边形范围。图 2-3 用四叉树方法表示一个多边形的例子图 2 3 用四叉树方法表示一个多边形的例子图2 4 一个多边形的树状数据结构图 2 4 一个多边形的树状数据结构为了在计算机中既能以最小的冗余来存储与图像对应的四叉树，又能方便地完成各种图形操作，现巳有多种编码方法，如线性四叉树编码的存储算法、常规四叉树编码的存储算法等。这些栅格数据压缩方法各有利弊，我们应视图形的复杂情况合理选用，同时应在系统中备有相应的处理程序。另外，用户的数据分析H的和方法也在很大程度上决
31、定着压缩方法的选取。2.2 矢量数据结构矢量数据结构是另一种最常见的图形数据结构，地理实体用一系列X,y 坐标来确定它们的位置，即通过记录坐标的方式，尽可能的将点、线、面等地理实体表现得精确无误。该数据结构常用于描述线状分布的地理要素，如河流、道路、等值线等。任何的点、线、面实体都可以用直角坐标点x,y 来表示，这里，x,y 可以对应于地面坐标经度和纬度，也可以对应于数字化时所建立的平面坐标x和 y。点可以被表示成一组坐标(x,y),对于线和面，则均被表示为多组(x l,y l；x 2,y 2；x n,y n),由于表示面的多边形由首尾相连的线所组成，所以其起、止点的坐标相同。这些由x,y 坐
32、标表示的点都是由光滑的曲线间隔采样得到的，同样的一条曲线，取的点越多，则以后恢复时就越接近原来的曲线，失真越少，但数据量将增加；反之，取的点太少，恢复时就可能成为折线，出现失真的情况。这 种 用 x.y 坐标表示的失量编码方法文件结构简单，易于实现以多边形为单位的运算和显示，但是其缺点也是明显的，例如：邻接多边形的公共边被数字化和存储两次，由此将产生数据冗余或边界不重合的匹配误差。每个多边形都自成体系，而缺少有关邻域关系的信息。不能解决多边形嵌套问题，内嵌的小多边形只作为单个的图形建立，没有与外面多边形的联系，即不能解决多边形关系中“洞”和“岛”的结构，例如，图 2 5中 面 1 和 面 2的
33、结构。没有方便的办法来检查多边形边界的拓扑关系正确与否，例如是否存在不完整的多边形等。1413图 2 5 多边形矢量编码的例子为了解决上述问题,人们引入了树状索引编码法,这种方法是对所有边界点进行数字化,将坐标按顺序方式存储，以点索引和边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状结构。相应的文件结构如图2 6 所示。点号 坐标1 xl,yl2 x2,y233 x33,y33(a)点文件线号 起点 终点 点号II 7ni 9X 167 1 2 3 4 5 6 79 7 8 91 9 10 1 23 16 25 26 27 23(b)线文件多边形号 边界线号vnvoInVIKXnVWKIWn
34、lHVI12345(c)多边形文件图2-6 树状索引的文件结构例子图 2 6 树状索引的文件结构例子采用树状索引编码法消除了相邻多边形边界的数据冗余和不一致问题,邻域信息和岛状信息可通过线索引处理得到，但较麻烦。同时，上述编码表是以人工方式建立的，故较容易出错，而且这种编码基本上没有考虑到独立多边形，因而在地理信息系统中查询、检索较为困难。为了有效地解决内嵌和邻域关系问题，最好的方法是采用拓扑结构编码方法，并且只有建立完整的拓扑多边形数据结构，岛屿多边形邻域关系处理，奇异多边形及“死点”检查等问题才能彻底而有效地解决。关于拓扑结构编码方法的具体内容请读者参见有关文献。综上所述，地理信息系统空间
35、数据的矢量数据结构表示方法可分为简单结构表示法与拓扑结构表示法两种，前者的实现相对简单-、方便，但效果不如后者。当面和边界线之间的相互关系查询、面和面的相邻查询、面和面以及线和面的叠合分析对用户比较重要时，应采用拓扑结构表示法，反之可采用非拓扑的简单结构表示法。2.3 两种结构的比较和选择空间数据的栅格结构和矢量结构是模拟地理信息的截然不同的两种方法。栅格结构十分有利于空间分析，但输出的地图既不美观也不够精确；矢量结构存储量小，且能输出精美的地图，但进行空间分析不方便。总而言之，这两种结构各有其优缺点，表2 1给出了它们的简单比较。表2.1栅格结构和矢量结构方法的比较名称 优点矢量数据结构(1
36、)表示地理数据的精度高(2)数据结构紧凑、存储空间小(3)有利于网格分析(4)图形输出质量好、精度高(5)图形和属性数据的恢复、更新和综合都能有效地实现栅格数据结构(1)数据结构与处理算法均较简单(2)申间数据的叠置和组合十分方便(3)易于进行各类空间分析(4)数学模拟方便(5)数学输入与技术开发的费用低缺点(1)数据结构与处理算法均较复杂(2)多边形叠置分析比较困难(3)对软、硬件的技术要求较高(4)显示和绘图成本较高(5)数学模拟比较困难(1)图形数据存储量大(2)投影转换比较困难(3)图形输出的质量较低，精度不够(4)图像识别的效果不如矢量方法(5)难以建立网络连接关系从上表的比较中可以
37、了解到栅格数据结构和矢量数据结构各自的特点与适用范围。例如对于与遥感相结合的地理信息系统来说，栅格结构是必不可少的；而对于地图数字化、拓扑检测、矢量绘图等功能而言，矢量结构又是不可缺少的。一个较为合理并且行之有效的方法就是两种数据结构并存，并用计算机程序来实现二种结构之间的高效转换。第 3 章 地理信息系统的开发与评价3.1 一般管理信息系统的开发过程3.1.1 信 息系统及其分类信息系统通常是指以计算机为工具，对信息进行收集、传输、存储和处理，具有完整功能的一个人一机系统。从广义角度看，人们往往按其在组织、机构中所发挥的作用把信息系统分成四类：电子数据处理系统(E l e c t r o n
38、 i c D a t a P r o c e s s i n g S y s t e m s -E D P S)、管理信息系统(M a n a g e m e n t In f o r m a t i o n S y s t e m -M IS)、决策支持系统(D e c i s i o n S u p p o r t S y s t e m s-D S S)和专家系统(E x p e r t S y s t e m s -E S)。地理信息系统则是一种比较特殊的管理信息系统，它也可以与决策支持系统或专家系统进行有机结合而发挥出更大的作用。1 .电子数据处理系统电子数据处理系统以计算机应用、通
39、信和数据处理技术为主，主要处理单项管理事务，因此也称为事务处理系统(T r a n s a c t i o n P r o c e s s i n g S y s t e m)。该系统主要帮助对日常的管理活动进行跟踪，多用于数据统计、更新、状态报告等，一般不涉及预测、规划、调节和控制功能。例如工资管理、银行账单管理、财务报表、库存登记、统计汇总等都是典型的电子数据处理系统。按照R.N.A n t h o n y 的三级管理模型，任一企业或组织的管理功能都可分为三个层次：战略计划层(高层)、管理控制层(中层)和操作运行控制层(基层)。高层管理的主要任务是确定或改变组织的总目标，决定达到目标所用的
40、资源，以及获取、使用和分配这些资源的政策；中层的任务是根据上述总目标及所拥有的资源，制定资源分配计划及进度，组织基层单位来实现总目标；基层管理则是按照计划去执行日常的具体任务。可见，电子数据处理系统主要服务于管理的最低层次一操作运行控制层。2 .管理信息系统1 9 6 1 年,美国经营管理协会(A M A)首次发表了 J.D.G a l l a g h e r 建立管理信息系统的设想：开发一个全面性的企业信息系统，各级管理部门能通过它了解和利用企业有关的一切经济活动信息。可见，管理信息系统的服务对象主要涉及A n t h o n y 模型中的第二层次一管理控制层。此后的3 0 多年里，如何从严
41、格意义上定义管理信息系统的讨论一直没有间断过。目前人们使用较多的是美国明尼苏达大学的G.B.D a v i s(1 9 8 5)在他的经典著作 管理信息系统中给出的定义：”管理信息系统是一个利用计算机硬、软件，手工作业，分析、计戈I、控制和决策模型以及数据库技术的人。机系统。它能提供信息，支持企业或组织的运行、管理与决策功能。”西方现代管理学派代表人物1 1.A.S i m o n 认为：管理就是决策，决策贯穿于管理的全过程。他还提出了决策的三种结构化划分：结构化决策，是指有规律可循，能用形式化方法描述和求解的一类管理决策问题：非结构化决策，则无规律可循并难以用确定方法表达、只能根据当时情况凭
42、经验来决定；介于上述两者之间的是半结构化决策问题，它有一定的规律性但又不完全确定。按 S i m o n 的观点，管理信息系统所涉及的正是结构化的管理问题，它面向整个企业或组织的日常信息处理业务，追求的是系统所处理问题的效益(响应速度、运行效率和成本)，是一个山数据驱动的人-机系统。近年来，管理信息系统的许多相近类型也相继产生并得到发展，例如从工业企业管理角度出发产生了物料需求计划系统(M R P)和生产资源规划系统(M R P H)；从工业工程角度发展了柔性生产/加工系统(F M S)、计算机辅助过程控制系统(C A P P)和计算机辅助设计/生产系统(C A D/C A M)；接着又出现了
43、集生产管理和工业工程于一体的计算机集成制造系统(C I M S)。3 .决策支持系统所谓决策支持系统，指的是一个以计算机为基础的、辅助管理人员利用数据和模型求解半结构化决策问题的人机交互式信息系统。决策支持系统至少应当包括数据库及其管理系统、模型库及其管理系统和人机接口机构等几个部分。在决策支持系统中，数据库是系统求解问题的主要数据源，它与传统的数据库相比，内容更加丰富。为了提高决策效率，通常还需设置逻辑上相对独立的专用数据库。数据库管理系统负责维护的管理各类数据，实现与模型库及人机接口的联结。模型库用来存储辅助决策所需的各种数学模型，例如线性规划模型、投入产出模型等等用于优化、预测和评价分析
44、的模型，它们通常以子程序形式保存在系统中。模型库及其管理系统是决策支持系统的核心，也是与传统管理信息系统的重要区别。虽然传统管理信息系统和决策支持系统都是以计算机为基础的信息系统,但两者却有着不同目的：前者是完成结构化的任务，即用户的日常的信息处理工作，设计时强调符合用户现状，所追求的是提高信息处理效率：后者主要对半结构化问题进行辅助决策，追求的是所提供信息的有效性。在企业管理中，人事管理和财务管理等都属于结构化的管理问题而原料需求预测、企业发展规划制定、投资效益分析等则属于半结构化或非结构化问题，用决策支持系统解决这一问题时，需通过大量人机交互，借助于管理人员的经验和判断能力，才能辅助作出决
45、策。因此，决策支持系统的重点是支持管理人员的决策，而不是代替管理人员实现所谓决策自动化。近年来，决策支持系统不断发展，相继衍生出一些其他形式，主要有：执行支持系统(ESS),也称为执行信息系统(EIS)。它兼具管理信息系统和决策支持系统的主要功能，用以辅助高级管理人员获取有关信息并进行分析和决策。群体决策支持系统(GDSS)。由于群体决策可以有效地抑制个体决策的独断性和片面性，因此群体决策支持系统可以支持更加合理、科学的决策过程。事实上，该系统主要是在决策支持系统基础上增加了一个全面支持多决策者的接口操作环境，使得在驱动系统、人机对话、共同讨论和评价方案时，诸决策者间及人机间可以很好地交互和协
46、调。智能决策支持系统(IDSS)。是决策支持系统与人工智能(AI)技术相结合的产物，具 有“学习、理解、建议”的能力。它能够启发或支持决策者进行半结构化和非结构化问题的决策，为决策者提供必须的数控、模型、方法和知识等。分布式决策支持系统(DDSS)。这是由多个有逻辑联系但物理上分离的信息处理结点组成的计算机网络系统，其中每个结点至少含个决策支持系统。系统内的结点成员既充分自治又能共享其他结点的资源，它是一个开放系统，网络拓朴具有一定柔性，便于各结点的扩展。4.专家系统专家系统是一种智能型软件，它采用一定的知识，模拟人的推理过程去解决通常需专家的知识和经验才能解决的复杂问题。为此，专家系统的最主
47、要特征是具有知识库和推理机制，同时，人机界面应尽可能地拟人化，例如提供自然语言理解机制等。由于人类专家决策中包含大量的非结构化问题，无法用常规的定量数学方法进行描述和处理，往往采用定性求解方法，借助于人们的知识和经验。因此，在专家系统中首先必须解决的是如何表示知识和经验，其次应解决如何在计算机内对这些定性问题进行描述和识别，以及如何利用知识对问题进行求解处理。专家系统的上述任务主要由知识库、推理机和解释机构三部分来完成，它们通过人机接口机构同用户进行交互。知识库用于存放领域专家提供的专门知识以及领域专家凭经验得到的启发式知识，它们通常以规则的形式表示。知识库管理系统提供知识的增加、删除、修改等
48、维护功能，它使系统更有生命力。推理机针对某一定性问题，选取知识库中恰当的知识进行推理判断，从而得出问题的结果。推理机的控制策略通常分正向、反向和正反向混合推理三种，对上述任何一种策略又可分为确定性推理和不精确推理两种方式。解释机构用来回答用户对系统求解过程或当前系统状态的提问，使得系统具有较高的透明度，并使非专家的用户能够了解问题求解的具体过程。专家系统的人机接口机构除了具备一般决策支持系统中人机接口的功能以外，通常还提供自然语言理解能力，用户能使用受限的自然语言同系统进行交互操作或进行检索查询。从系统设计思想上看，专家系统力图用计算机来代替领域专家，旨在为非专家用户提供一个拥有专家级知识和经
49、验的工作环境：决策支持系统则面向决策者，旨在扩大决策者作出决策的能力。从问题性质和求解过程看，专家系统通过对知识、数据的搜索和启发式推理来解决非结构化问题；决策支持系统则以数值计算和人机交互方式来解决半结构化问题。专家系统的作用不言而喻，但是它的开发周期长、费用高、专家知识获取非常困难。众多不利因素很大程度上限制和影响了专家系统的应用。数据管理技术是上述信息系统应用的关键，它经历了 5 0 年代中期以前的手工操作、5 0 年代后期至6 0 年代中期的文件系统、从 6 0 年代后期开始的数据库系统等三个发展阶段。尤其是 1 9 7 0 年 I B M 的 E.F.C o d d 首次提出数据库的
50、关系理论后，高效的关系数据库和大容量硬盘有力地推动了信息系统的发展。3.1.2管理信息系统的开发过程管理信息系统是一个涉及管理科学、信息科学和计算机技术的复杂的人机系统，它的建立过程是一项耗费大量人力、财力、物力和时间的系统工程。为了使管理信息系统达到预期目标，就必须针对组织、机构管理和计算机信息系统的特点，根据软件工程思想，采用科学的开发步骤和技术，对系统建立的全过程进行控制与协调。1111用户11 领导1开发人员 11总1 11问题的提出和11.提出所要解决的问题11 1.批准开始研究|1.听取用户要求 1|2.指出所需要的信息1 2.组织开发队伍|2.回答用户的问题 I1体1规1初步调查