地理信息科学定义范文

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国内在环境信息科学的一些主要论题包括环境信息系统、环境遥感、环境模型、环境可视化、环境信息处理等方面都开展了一些研究工作。20世纪90年代以来，环境信息化发展迅速，特别是从上至下的各级政府主管部门环境信息系统的建设极大地推动了这一工作的进展，环境地理信息系统则已成为实现环境信息化的主要途径。地理信息系统在环境领域的应用，正在从初期的信息管理、环境专题制图发展到Gls与环境模型集成陈9]、35技术集成的多媒体环境系统、基于Gls的环境污染扩散模拟t‘’，‘“1、基于GIS的环境治理决策支持系统等。遥感技术在环境科学与工程领域有着广泛应用，一些主要领域包括大气污染遥感、水环境遥感、固体废弃物遥感监测、城市热岛效应与热环境监测、植被遥感、景观格局遥感监测、海洋环境监测等。环境建模与模拟一直是环境工程研究的重要内容，一方面，各种数学模型、物理模型、统计模型在环境信息科学中得到大量应用，另一方面，基于环境过程机理的计算机模拟模型、元胞自动机(CA)模型、智能体(Agent)模型等也在环境领域受到重视。数据挖掘与知识发现是从海量数据库中挖掘和提取对决策分析有用的、先前未知的隐含模式和规则的过程，笔者在1999年即面向环境信息化与数据挖掘技术的发展，试图将二者结合，提出“环境数据库中的知识发现”并进行了初步研究。可视化是表达和传输环境信息有效的形式，通过三维可视化、三维模拟实现环境现象、过程的真实感表达，能够更加逼真地传输环境信息。近年来，虚拟现实技术在环境科学与工程领域的应用中受到了研究人员的重视卿]。“虚拟地理环境”是虚拟现实技术支持下地球科学研究的创新平台，依托这一平台，能够进行环境科学与工程相关的理论研究、技术开发、工程实践、模拟决策等活动。针对环境信息技术集成应用的趋势，聂庆华提出了“数字环境”的概念，数字环境是环境信息化的过程和结果，是三维显示的数字虚拟环境，包括环境信息数字化、环境信息传输网络化、环境分析模型化和环境空间决策的智能化、环境过程和管理可视化。尽管国内目前在环境信息科学各个分支方向的研究非常活跃，但缺乏整体性、系统性的认识和探讨。本文在分析环境信息科学研究进展的基础上，基于环境信息流和信息分析处理构建了环境信息科学的体系结构，并以煤矿区环境监测治理与管理为例，全面分析了环境信息科学理论、方法与技术的应用，以期促进环境信息科学研究及其在构建和谐社会、推进可持续发展中的应用。

2环境信息科学的体系结构及其在煤矿区的应用

2.1环境信息科学的体系结构尽管环境信息科学的概念提出已有近20年的时间，但从目前国内外研究的现状来看，对于环境信息科学的概念、学科体系还缺乏明显的定义。已有的一些环境信息科学研究计划中界定的范畴也不尽相同。因此，从促进环境信息科学研究的视角出发，首先需要对环境信息科学的体系结构进行界定。HuangGH等川提出的环境信息科学的构成要素及相互之间的关系见图l，这是当前引用较多的环境信息科学体系结构。由图1可见，环境信息科学是多学科集成的领域。传感器综合技术和通信技术的发展使得大尺度地面采样技术成为可能，处理不同特征、尺度和复杂性问题的模型综合成为新的挑战，包括不同模拟、优化、评价模型以及相关信息技术与平台的合并，不同技术输人与输出之间的联接，社会经济因子的量化，以及大尺度集成模型的解算策略。在此基础上，HuangGH等「‘〕提出基于环境信息科学研究的环境决策支持系统计算机系统，其结构（图略）USGS的研究报告’)中，将环境信息科学定义为:环境信息科学是为加强对不同复杂程度的环境现象的理解，并提出新的认识的，集成物理、生物学、计算机和信息科学的多学科方法的研发、试验和应用的学科。不同定义都强调环境信息科学的多学科交叉、以信息技术为支持、解决复杂环境问题的特点。Huang等川的观点显然更强调以遥感、地理信息系统和GPS技术为基础的空间信息技术与环境科学和工程的交叉，而USGS的定义则重点强调了现代计算技术、人工智能等在环境领域的应用，特别是USGS在其未来环境信息科学发展规划中重点强调了计算智能等技的应用。基于以上观点以及国内外研究的进展，结合我们的研究实践与认识，以环境信息流和环境信息处理分析为主线，可以构建环境信息科学的体系结构及主要技术方法（图略）。环境信息科学的理论基础来源于面向环境科学与工程领域需求的多学科理论交叉，技术支持在于面向环境信息流的多技术手段集成，最终通过不同学科领域方法模型的综合，实现环境科学与工程各个阶段、各个过程的目标和任务。因此，需要从多学科理论交叉与多技术手段集成的角度推进环境信息科学研究。

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0 引言

GIS（Geographic Information System）是以地理科学为依托，以计算机科学技术为支撑，以遥感技术（Remote Sensing， RS）和全球定位系统（Global Position System，GPS）为重要数据来源的交叉学科，范围介于管理科学、空间科学、信息科学之间。正是由于这种地理事物的多学科性，最终导致了GIS具有明显的多学科交叉特征，它必须同时吸收相关学科的特点，并逐步形成自身独立的风格，同时又要被应用于多个学科，以推动这些学科的快速发展。近些年来，由于云计算技术在IT行业内的迅猛发展以及所导致的产业革命，PC时代将逐步被云计算时代所代替。虽然云计算目前还处于起步的发展阶段，但是在大规模计算、海量数据处理、降低系统设备代价和维护，以及用户透明性方面都已经展现出无与伦比的优势。

受益于云计算带来的优势，对广大用户而言，云GIS意味着数据、软件、开发之间的壁垒已被打破，地理信息资源变得唾手可得。用户可在云中随时获取所需的各种GIS资源，并且可以以计量方式拥有并进行灵活扩展，基于这种环境，GIS系统的运行模式面临了新的挑战。而对于GIS领域的研究者和工作者而言，如何利用云计算技术解决GIS问题，已经成为一项更具创新性和前沿性的研究工作。

1 云计算与GIS

1.1 云计算

云计算是继分布式计算、并行计算和网格计算之后出现的一种新兴的计算模式，或者也可称之为以上三种模式的商业化实现。其概念目前并没有统一的标准定义，大型IT厂商和领域专家们都从自身角度给定了其定义。综合来讲，在狭义上，云计算主要是通过Internet以按需和易扩展的方式获得所需资源（包括硬件、软件及平台），提供资源的Internet即可被称为“云”，“云”上的资源对用户而言是可以无限扩展的，并随时获取，即付即用；在广义上，云计算则是指一种服务的交付与使用模式，这种服务可以是与IT、软件、互联网等领域相关的，也可以是任意其他服务。

云计算的主要特征可总结为：1）规模大。云计算拥有庞大的系统规模，云数据中心的服务器可以多至上百万台并遍布世界各地。2）虚拟化程度高。云计算利用互联网实现功能虚拟化，使得分布于世界各地的用户都可以通过Internet使用云计算提供的服务。3）可靠性高。云计算提供了节点互换、虚拟机迁移及数据副本和容错等功能，这些技术可以极大地确保云数据中心的信息存储的稳定性和安全性。4）扩展性和通用性。云计算可以根据不同的用户需求为用户定制不同的分配资源。5）成本低。云计算以集中化的管理模式和功能强大的节点构成模式，可以极大地降低云计算的运营和管理成本，这样可将更为便利和廉价的服务提供给用户，而用户不需为获得更多资源付出过多代价。

1.2 GIS

地理信息系统GIS是利用计算机的软硬件系统，对各种形式的地理数据进行采集、存储、操作、运算、分析、描述并显示所组成的一种集成系统。GIS的应用基础是需要采集海量的基本地理空间信息，然后对这些信息进行存储、管理、分析。

1.3 云GIS

云GIS，旨在将云计算的各种特征利用于支撑GIS的各种要素（建模、存储及数据处理），从而改变传统的用户应用GIS的建设模式，以一种更加高效、低成本与友好的方式使用各种地理信息资源[1]。由此定义可见，云GIS实质上是利用云计算技术扩展GIS功能，改进GIS的传统架构，以实现海量数据空间的高性能可靠性存取及数据处理，使GIS能够更好地提供高效的计算能力和数据处理能力，解决地理信息科学领域中计算密集型和数据密集型的各种问题，以弹性按需方式获取更加广泛的Web服务。

比较传统GIS，云GIS具有以下特征[2]：1）存储在云平台上的空间数据具有“云”特征，即虚拟化特征。2）空间数据管理与实施过程具有 “云” 特征。3）GIS业务的连续性。云GIS可以为用户提供弹性的地理信息服务，并能够根据用户需求的变化，动态的进行资源扩展，从而提升其连续性。4）更好的用户体验。云GIS可以降低用户使用地理信息资源的复杂度，用户只需根据需求选择适合终端即可访问GIS服务。综合来看，云GIS平台实质上就是在实现已有GIS通用功能（如可视化服务、缓冲区分析、叠加分析、统计分析和遥感影像操作）的基础上，使得用户在使用云GIS时如同使用个人PC一样简单便利；同时， 这些地理信息服务还提供了服务接口，供更多更高级的用户开发和使用，以产生更丰富的GIS功能。图1显示了云GIS的主要应用模式[3]。

图1 云GIS应用模型

2 基于云计算的GIS系统框架设计

基于云计算的相关技术，本文设计了一种基于云计算的GIS通用框架体系，主要利用虚拟化技术、即付即用的方式将GIS资源封装为在线服务，用户通过Internet进行基础设施和地理空间信息资源的共享，以提高资源利用效率，降低GIS系统的重复建设成本。框架体系如图2所示。

图2 基于云计算的GIS框架

该框架体系共分为三层，其中，基础设施层由各种硬件资源组成，通过硬件、存储、网络等虚拟化技术将物理资源转化为虚拟共享资源池；中间层负责管理虚拟共享资源池，并提供虚拟资源的调度部署策略，实现虚拟机的实时动态调度；服务层主要面向用户，以按需方式提供虚拟化的GIS环境。

图3是根据图2的GIS框架设计的基于云计算的GIS平台功能。访问控制功能用于对用户进行分类，并对不同的分类给予其对资源不同的操作权限，这可以保证GIS数据及系统的安全性，降低系统运行的复杂度。资源管理功能负责管理云数据中心的各类基础设施，并利用分配与调度策略提供给不同分类的用户不同的服务类型。GIS虚拟机（VM）主要用于管理与调度GIS虚拟机，用户通过互联网即可访问GIS VM，并设置自身的数据与应用。按需收费功能继承云计算资源的即付即用使用模式，将虚拟机使用成本细划为计算、存储、网络带宽等成本，制定GIS资源的收费模式，并按需向用户收费。

图3 功能

3 结论

基于云计算与GIS的技术关联性，本文设计了一种基于云计算的GIS系统框架，该框架可以有效利用云计算在资源提供与数据分析上的优势，为GIS用户提供更高效稳定的服务。

【参考文献】

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1.地理信息系统的定义与发展目标

地理信息系统（GIS， Geographic Information System）是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使 GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值[1]。

国家测绘地理信息局日前印发了《测绘地理信息发展“十二五”总体规划纲要》，目标是到2015年，建成数字中国地理空间框架和信息化测绘体系。规划还提出，争取把地理信息产业纳入国家战略性新兴产业规划。统计显示，截至“十一五”末，我国地理信息产业总值突破1000亿元；而到“十二五”末，这一数字有望突破2000亿元。倍增的规模将给地理信息产业链上下游企业带来巨大的市场空间。

2.地理信息系统的构成

地理信息系统主要有五个部分构成，及硬件系统、软件系统、地理空间数据库、空间分析模型和系统管理人员、系统开发人员和数据处理及分析人员。其中，核心部分是硬件、软件系统[2]。

2.1 硬件系统

计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称。是构成GIS的物理外壳。根据句构成GIS规模的不同，分为基本设备和扩展部分两大部分。基本部分包括计算机主机、存储部分、数据输入设备、数据输出设备。扩展设备部分包括解析测图仪、图像处理系统、多媒体系统、虚拟现实与仿真系统、各类测绘仪器、GPS、数据通信端口、计算机网络设备等。它们用于配置GIS的单机系统、网络系统等不同规模模式。以及以此为基础的一半GIS应用系统、导航GPS系统和能够与传感设备联动的GIS。

（1）GIS单机系统模式。GIS单机系统是一台计算机为核心，由存储设备、输入设备和输出设备共同组成的GIS硬件系统，提供单用户操作。

（2）GIS企业内部网系统模式。GIS企业内部网系统模式是有计算机企业网、服务器群、客户机群、磁盘存储系统（磁盘阵列）、输入设备、输出设备等支持客户/服务器（C/S）模式的GIS系统，提供一个机构内的多用户操作。

（3）GIS因特网系统模式。GIS因特网系统模式是有因特网、服务器群、客户机群、磁盘存储系统（磁盘阵列）、输入设备、输出设备等支持浏览器/服务器（B/S）模式的GIS系统，提供因特网上许可用户的多用户操作。一般是由企业内部网和外部网共同组成的客户/服务器，浏览器/服务器的混合模式。

2.2 软件系统

GIS的软件系统构成了GIS的核心，关系到GIS的功能。GIS软件系统的层次结构按照从高到低分为，GIS与用户的接口、通信软件（用户界面、通信软件）；

GIS应用功能（二次开发系统）；GIS基本功能软件（商业化的GIS工作平台）；

标准软件（图形图像处理、数据库系统、系统库、程序设计等）；网络管理软件、工具软件；操作系统。

GIS基本功能软件是由GIS软件商开发的，提供GIS基本功能和开发环境的商

业软件。多数GIS工程应用首先是基于这个商业平台，经过二次开发来完成的。目前，ESRI公司、Intergraph公司、MapInfo公司占据GIS市场的主导地位。当前，GIS软件可运行于Unix，WindowsXP、等操作系统，多数软件都提供不同的操作系统的软件版本。

根据GIS概念和功能，GIS基本软件由六大子系统组成，即空间数据输入与格式转换子系统、图形与属性编辑子系统、数据存储与管理子系统、空间数据处理与空间分析子系统、空间输出与表示子系统和用户接口。

3.地理信息系统的应用

地理信息系统按照应用模式可以分为两类[3]：一是，科学研究工具。对于科学计算结果的获得和分析，把GIS作为科学研究的辅助手段。它主要应用于有关地学领域的科研项目研究中。它不仅需要用到GIS通用软件所提供的功能，还要用到各种专业分析模型。二是，办公服务系统。办公服务系统应用于涉及空间数据的政府部门以及企业，以提高管理效率、制定好的决策和实现组织目标。

3.1 农业气候区划

根据农作物生长发育过程中对气候条件的要求和气候资源的地理分布特征来进行分区划片的，在某种农作物的气候可种植区内还有不同的地物类型，不同的农作物要求不同的地理环境。

3.2 城市大气污染模拟

基于GIS建立大气污染扩散模型，1）模拟污染物的空间分布，评价不同区域的环境质量；2）将污染物空间分布与人口密度空间进行复合分析，确定受污染影响的人口数目；3）预测在给定气象条件下污染物的空间分布；4）确定不同点源对整个研究区污染总量的贡献；5）为污染整治，如降低排放量、甚至关闭某些污染源，提供决策依据；6）如果要增加污染点源，可以比较不同的方案（如烟囱的位置，高度等），从中选择最优方案；7）在城市规划时，作为确定不同用地（居住、工业、商业等）的分布。

4.结束语

地理信息系统是近20年来新兴的一门集地理学、计算机、遥感技术和地图学于一体的边缘学科，主要培养具备地理信息系统与地图学、遥感技术方面的基本理论、基本知识、基本技能，能在科研机构或高等学校从事科学研究或教学工作，能在城市、区域、资源、环境、交通、人口、住房、土地、灾害、基础设施和规划管理等领域的政府部门、金融机构、公司、高校、规划设计院所，从事与地理信息系统有关的应用研究、技术开发、生产管理和行政管理等工作的高级专门人才。

参考文献：

[1] 杨开忠，沈体雁.试论地理信息科学[J].地理研究.1999（03）

[2] 张青锁.地理信息系统介绍[J].河南地质.2000（D3）

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[中图分类号] P228.4 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-278-1

0引言

GIS的发展一方面使得计算机知识得到了推广和应用，另一方面也提高了我国信息技术。对基于计算机技术的GIS 技术的发展趋势进行探讨，能够有效指导GIS 研究工作的开展。

1地理信息系统概述

1.1地理信息系统的基本概念

地理信息系统（GIS肠eogarphiealIL-oflrmationSystem）是一种决策支持系统，具有信息系统的各种特点，一方面，它是一门介于地球科学与信息科学之间的交叉类学科，另一方面它是在计算机硬件和软件系统的支持下对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、模拟、分析、显示和描述的技术系统。综合而言它是为区域和工程规划、设计、管理决策服务的信息加工与管理技术的学科池是一种综合性强、适用性广的工具。

1.2地理信息系统的构成

地理信息系统（GSI）是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

1.3地理信息系统（GSI）的特征

地理信息系统具有以下三个方面的特征：1.具备采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力具有很强的空间性和动态性；2.以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息；3.由计算机系统支持进行空间地理数据管理。并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法作用于空间数据，产生有用的信息并完成人类依靠传统方法难以完成的任务。

2地理信息系统的基本功能

地理信息系统（GIS）的基本功能体现在6个方面：1.数据的采集与编辑，用于获取数据，保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性。2.数据转换与处理，保证数据在入库时内容上的完整性，逻辑上的一致性。3.数据的存储和管理功能地理信息数据库管理系统是数据存储和管理的高新技术，包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通讯功能等。4.制图功能根据GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量化的地图或栅格地图。可以为用户输出全要素地图，也可以根据用户需要分层输出各层的地图。5.空间查询与空间分析功能包括拓扑空间查询、缓冲区分析、数字高程模型的建立、地形分析等等。6.二次开发和编程功能用户可以在自己的编程环境中调用GIS的命令和函数，或者GIS系统将某些功能做成专门的控件供用户开发使用。

3 GIS的发展

3.1 GIS软硬件技术

随着计算机技术的发展，让GIS能够将更为复杂、更为大量的计算任务完成，使其所处理的空间分析和图形更加复杂等等优势。此外，努力改善开发平台能力能够决定GIS技术的发展，并能将软件的可移植性增强和其所应用的领域扩大化，在相关技术的辅助下，将GIS系统的集成度和用户友好度提高。美国的ARC/INFO、MAPINFO，澳大利亚GENAMAP和加拿大的TITAN/GIS、PCI是目前较好的GIS开发平台；而国内中国地质大学的MAP/GIS和北大遥感所的CITYSTAR软件也比较好。这些都是较为强大的二次开发功能；但在各个领域的开发利用的重点不一样，在数据结构、集成化和智能化都有所不同。

3.2 MGIS―多媒体GIS

多媒体技术能够将声、像、图、文和通讯等集合到一体，通过最为直观的方式和感知信息，以及形象可感的、甚至能够声控对话的人机界面对信息处理进行操纵。GIS的系统结构、系统功能及应用模式的设计深受多媒体技术的影响，多媒体技术能够让呈现更为丰富、灵活、友好的表现形式。多媒体地理信息系统（MGIS）实现了文字、图形（图像）、色彩、声音、色彩、动画等技术的融合，使得GIS应用的市场和领域更为广阔。它一方面能够将生动直观、高效快捷的信息服务提供给社会经济、文化教育、旅游、商业和决策管理等领域，另一方面能够让电脑技术真正渗入到人们生活当中。多媒体技术在GIS领域的应用以及具有良好集成能力的MGIS的出现，都是技术发展的必然结果。

3.3 WebGIS技术

基于Web的GIS系统综合利用了信息处理、计算机图形学、数据库、Internet、地理信息系统（GIS）、软件工程等先进技术，借助现代网络通信设备，使各类数据能够很方便的到网络上。达到了由用户自定义数据检索方式、自定义图形层结构、在网络上直接处理数据，显示各类图形等目标。

4 GIS技术的应用

4.1 GIS在地理学中的应用

一般来说，地理学任何一门分支学科在具体的研究过程中，都必须收集前人的成果资料，并进行调研和分析测试，上述数据则是GIS信息管理分析的重要数据源之一，它和专题地图提供的数据以及各种遥感数据构成了GIS的三大数据源。在地理学的研究工作中，不管研究对象、研究目的有何差异，三种类型的基本数据是利用GIS进行管理与分析的必要条件；然后针对具体问题采用各分支学科的研究方法，解决所要研究的问题；最后可以应用GIS进行专题地图的编辑处理，或者应用GIS数据库资料及相应的数据模型对研究对象的现状或发展趋势进行分析与预测。

4.2 GIS在环境科学领域的应用

随着“数字地球”的概念的提出“，数字环保”的概念随之形成“。数字环保”是在EMIS、DE、DE、GPS等技术的基础上所衍生的大型系统工程。当前，引进地理信息系统（GIS）技术已经成为当前环境管理信息系统建设的一个热点，GIS使EMIS的功能更加强大，可实现环境制图、专题分析、统计分析表现、空间等值分析、模拟结果表现、信息查询等功能。不仅把环境信息进行科学直观化，将管理者置身于自然和社会环境中，而且使管理工作变得直观、生动和全面。GIS除了在环境管理方向有重要的应用之外，在环境规划、环境监测与评价以及环境影响评价等方面都有重要的应用。

5结束语

在当今这个信息化的社会中，唯有有效地利用自身资源，掌握更全面、更准确的信息，更快地作出科学的决策，才能在激烈的竞争中站稳脚跟，并同时给企业带来更高的回报。GIS技术在我国取得了广泛的应用，我们只有正确了解GIS技术发展动向，利用GIS最新技术开发产品，推广应用，发展产业，才能立足于世界信息技术发展的潮流中。

参考文献