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ＧＩＳ在环境领域的应用及存在问题＊
祁轶宏 袁 峰 李湘凌 周涛发
合肥工业大学资源与环境工程学院 安徽合肥 ２３０００９
摘要：本文主要介绍了ＧＩＳ在环境领域的应用，归纳总结了ＧＩＳ在环境工程、环境科学、环境岩土工程、公路环境保护、流域综合治理、生态环境研究、矿区生态环境监测等方面的应用及其方法，提出了ＧＩＳ在环境领域应用中存在的一些问题，并对ＧＩＳ在环境领域应用的前景做出了展望。
关键词：地理信息系统（ＧＩＳ） 环境工程 环境科学
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＧＩＳ ｕｓｉｎｇ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｅｘｔ． Ｔｈｅ ｂａｓａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ＧＩＳ ｕｓｉｎｇ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ， ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｒｏａｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ｄｒａｉｎａｇｅ ａｒｅａ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， ｅｎｔｉｒｏｎｍｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｉｇｇｉｎｇｓ ｅｎｔｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ＧＩＳ ｕｓｉｎｇ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｉｅｌｄ ａｒｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｋｎｏｗｎ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ＧＩＳ ｕｓｉｎｇ ｉｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ（ＧＩＳ）；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｃｉｅｎｃｅ；
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
０． 引言
ＧＩＳ具有强大的空间分析功能，同时还能作为现实世界的模型，将对现实世界的各个侧面思维的评价作用其上，进行综合分析，是建立环境综合信息模式有力的技术手段，因而，地理信息系统引入环境领域具有重要的意义［１］［２］［３］。目前，ＧＩＳ已经被广泛的应用于环境领域，成为社会可持续发展的有效的辅助决策支持工具。
１． ＧＩＳ在环境领域的应用及其方法
１．１． 环境工程中的应用
近年来国内外将地理信息系统广泛的应用于环境工程中，取得了丰硕的成果，而且节约、高效。一个国家和地区有关环境工程的决策中应用地理信息系统已成为发展趋势。目前中国环境类学科中已普遍开设地理信息系统课程，加快了地理信息系统在环境工程中的应用和推广。
环境工程规划：ＧＩＳ在环境工程规划方面具有很大的优越性，它采用开放式的体系结构，规划人员可以利用现有的表格数据和数据库管理系统查询、使用各个部门的信息；它可以把各种数据按类型进行分类，并放在不同的图层上，各层之间可以进行运算、变换、叠加、旋转等。另外，ＧＩＳ具有很强的空间分析和图形管理功能，能把决策分析的结果以地理分布图的形式表达出来，更易为决策者理解和接受。
环境工程管理：环境工程管理的核心内容是对重大污染源的控制。利用ＧＩＳ的空间拓扑关系进行查询，可以把污染源的地理位置、污染种类、排放量及其他状况等清晰地反映出来。同时还可以对重点污染源的各种污染要素进行分析和综合统一的管理，还可分不同层面对污染源进行显示处理。也可以通过结构化查询语言 （ＳＱＬ）进行统计查询，获得所需的信息。例如，可以将城市中的每一个区域的污染源基础数据输入ＧＩＳ系统，然后对这些数据进行分析，针对存在的问题进行设计和提供解决方案，最后对得出的方案进行评价，从而为政府职能部门及时了解情况、提高管理效率以及吸引项目投资等提供方便。
环境监测：环境的演变是一个动态的过程，环境动态监测的实现，有赖于信息的适时更新和对信息的空间分析与综合处理。地理信息系统具有强大的空间分析和数据处理功能，充分利用 ＧＩＳ的功能模块结合选定的环境监测模型可以对多源环境信息进行处理，从中发现环境演变的动态规律，通过不同时段环境信息的对比和综合分析，辅助决策。其关键在于建立科学的监测模型，对信息进行有效的
＊安徽省优秀青年科技基金项目资助。
综合处理，从而实现对环境的综合动态监测。环境监测包括大气污染的监测、水体污染监测、生态环境监测、环境灾害监测等。 ＧＩＳ强大的专题制图功能可将环境的变化情况、规律通过直观的图件资料予以显示［４］。
１．２． 环境科学中的应用
环境科学的问题在不同程度上都具有某种地理含义，因此 ＧＩＳ技术的引入，必将带来巨大益处，体现在以下几方面：
（１）提高工作效率。例如，利用专题地图功能，可以迅速将环境统计报表数据显示在地图上。
（２）改善工作质量。利用 ＧＩＳ软件，可有效组织数据可视化，以解答诸如“若这口井被污染，潜在的污染源在哪 ？”等问题 。
（３）拓展工作范围。例如，对于有害危险气体的环境影响评价，以前只能基于一维风向模型，而 ＧＩＳ技术能够提供路径分析，利用当地的人口和气象数据，建立二维的污染物扩散模型。
（４）集成化解决问题。由于ＧＩＳ数据参照同一空间坐标系，这使得不同领域共享数据和结果变得简单高效，各部门数据可集成支持整个项目的战略决策。
ＧＩＳ在环境科学中的应用具体表现在以下方面。
环境影响评价：利用ＧＩＳ的空间分析功能，可以在空间上实现对建设项目的环境影响预测评价，其强大的图形与数据处理功能，将使环境影响评价工作走向崭新台阶；另外，将环境质量模型与ＧＩＳ结合，实现真正的集成化，可视化地描述污染物在空间上的扩散规律，可以很好实现污染物在流体介质的空间模拟，对促进环境影响评价工作的标准化和程序化，提高其精确度和可比性等各方面都有着重要作用［５］。
大气污染可视化：由于大气污染扩散对具有空间内涵对象的处理需求及ＧＩＳ的功能特点，使得ＧＩＳ技术与大气污染扩散研究走到了一起。在进行某一项目区的大气污染扩散研究时，可借助现有的ＧＩＳ平台，利用数字技术对具有空间内涵的对象作可视化处理，实现污染源可视化、结果浓度数据可视化和大气环境评价结果可视化［６］。
土壤污染评价研究：近年来，土壤污染评价研究将目标主要放在量化污染程度以及辨别污染源方面。然而，量化来自不同源区的污染分布仍是一个极大的挑战。统计学和空间分析工具被用来评价土壤中污染的分布，这项技术对研究地区的历史纪录有很高的要求，而且还需要收集大量的土壤质量数据，而且只能辨别或提供污染源的量化描述，在简单或是复杂记录污染源方面则无法保证结果令人信服。ＧＩＳ与地质统计学分析工具的结合，是开展这方面研究的理想模式，一个成功的例子是对希腊Ｌａｖｒｉｏ老矿区土壤污染数据的使用［７］，要素分析成功的探寻了污染后的物理过程。
地下水资源环境领域：地理信息系统正在广泛的应用于地下水资源—环境领域。ＧＩＳ在建立管理决策支持系统（ＭＤＳＳ）、地下水开发利用、资源评价与管理、以及水文地质填图等诸多方面的应用，都取得了令人瞩目的新进展。ＧＩＳ在信息采集、信息贮存、信息处理和信息可视化表达这些关键环节上，深刻的影响和改变着当前的地下水开发利用与规划管理，增强了空间区域的综合能力，强化了动态分析功能，提高了可视化技术在水文地质领域中的地位和作用［８］。
建立水质模型：ＧＩＳ在水质模型中的应用主要是利用ＧＩＳ的空间数据管理功能和模型分析能力，将水环境质量、水污染状况及地理信息等集合在一起，对其进行综合分析、计算、评价，为水污染控制提供可操作的环境管理决策支持［９］。
环境决策支持系统：利用ＧＩＳ开发环境决策支持系统的关键在于分析模型的建立与应用，在ＧＩＳ分析模块中扩展各种环境与规划模型组成模型库，并利用ＧＩＳ数据库的管理功能来实现对模型的管理。模型库主要包括相关分析模型、评价识别模型、环境质量模拟模型、运筹学及规划学方面的各种优化决策模型等。
城市管网和污水处理厂的设计与管理：城市排水管网与污水处理厂所构成的系统，无论在设计还是长期运行管理方面，都具有相当的复杂性。ＧＩＳ的数据输入、管理、查询、输出及空间分析操作，特别是它所建立的二维矢量拓扑关系及其网络分析功能，为城市排水管网的规划设计、管理调控提供了强有力的工具。另外，将河流水质模型与各种规划模型扩展到ＧＩＳ分析模块后，可建立实用的决策支持系统，优化选择城市、区域或流域污水处理厂数量及其位置分布。例如，北京市测绘设计研究院于１９９５年底基本建成“北京市地下管线信息系统”，系统实现了数据输入、管理、查询、输出及一些基本的空间分析操作。
近海水域管理和分析 （污水排江排海管理 ）：污水排江排海的研究由于涉及潮汐等原因，如何建立有效的模型进行近海水域模拟分析，是目前的难点和热点。利用 ＧＩＳ的空间分析能力和建模能力，可以较好地对该类问题进行分析研究。
减灾防灾及紧急事故管理：ＧＩＳ可应用于地震和洪水的地图表示、飓风和恶劣气候建模、石油溢漏事故规划、有毒气体扩散建模，对突发性重大的人为环境事故如溢油、爆炸等进行准确的环境质量追踪调查、评估及应急对策的制定等方面。例如，美国 Ｇｅｏ－ｄｙｎａｍｉｃｓ公司１９９３年１０月利用 ＧＩＳ和准实时遥感数据，帮助扑灭了 Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ州 的大火，他们提供的 ＧＩＳ分析结果为及时了解火灾情况并制定有效恢复计划提供了巨大帮助［１０］［１１］。
１．３． 环境岩土工程中的应用
环境岩土工程的概念仍然在不断发展和完善，将环境因子加入到传统的岩土工程研究当中，使其相互协调发展是环境岩土工程的本质所在，ＧＩＳ在环境岩土工程中的应用具有广阔的前景。目前ＧＩＳ在环境岩土工程中的应用包括工程勘察管理及评价、地质灾害规划和分析、核废料处置等。在工程勘察管理及评价中 ，ＧＩＳ应用主要还是限于数据处理、数据管理及可视化等ＧＩＳ的基本功能方面。在地质灾害预报中，以滑坡为例，目前ＧＩＳ在滑坡灾害研究中的应用主要包括滑坡数据和图件的管理及分析，滑坡灾害分带，滑坡灾害风险评价，滑坡分布与动、静态环境因素之间的相关分析等方面。当然，只有在数据获取、ＧＩＳ与滑坡专业模型的集成、ＧＩＳ与遥感的集成等方面有较大的突破之后，才能充分发挥ＧＩＳ在滑坡研究中的作用。
在环境岩土工程中，对真三维和四维ＧＩＳ （真三维基础上增加时间维 ）的需求更加迫切。三维ＧＩＳ在环境岩土工程中的应用还存在一些困难：①三维ＧＩＳ的几何建模困难，环境岩土工程的主要研究对象是地质体，地质体的不规则性、非均质性决定了几何建模的复杂性，只有设计一种混合的三维几何模型，问题才有望得到真正解决；②三维ＧＩＳ的数据共享未解决，目前尚无统一完善的三维地质体编码、分层行业标准，使得三维ＧＩＳ的数据共享难以实现。这无疑阻碍了三维ＧＩＳ在环境岩土工程中的应用［１２］。
１．４． 公路环境保护中的应用
在公路建设中，地理、环境因素越来越成为投资决策不可缺少的依据。公路建设将导致土地利用方式的改变、水土流失、生态变化、环境污染等问题。公路环境研究所涉及的现代理论和方法有区位论、土地经济理论、灰色系统理论、模糊数学、层次分析法、计算机数据库方法、专家系统等，仅凭某一种理论或方法不可能对公路环境作出客观评价。而地理信息系统已成为理想的工具。
目前，针对城市交通管理、运输调度、道路设计的地理信息系统已经逐步在我国得到开发和应用；基于 ＧＩＳ的路面管理系统和桥梁管理系统已初步建立；“国道主干线地理信息系统”也正在研究开发中，但 ＧＩＳ在公路环境保护方面的应用还远远不够，其作用尚未得到充分发挥。
以“国道主干线地理信息系统”为例，它是以“国家基础地理信息系统”为基础建立省和地区级公路数据库，同时为广域网络支持的分布式系统，为部、省级行政机关提供了一个进行公路环境管理、评价、决策的辅助决策工具。该系统可存储公路沿线地理、环境、经济、社会等海量资料，成为融地形地貌、道路、土地、水文、地质、资源等于一体的综合性空间信息系统；能分层存储和显示各种图件 （如公路地理位置图、环境监测布点图、环境工程设计图等），能将各种环境数据信息与公路线位、环境敏感点的地理位置之间的关系建立在一张公共的底图上用以显示和分析，通过计算机屏幕在图形上查询属性信息；增强了资料的质量校正和更新的潜在能，使得到的信息更加充实、完善和准确，提高了所收集到的资料的价值，保证了对公路环境数据投资的实用性和持久性；便于用户对大型工程项目进行繁琐的文件保存、归档、更新和检索，并可快速调用有关文件以提高效率［１３］。
１．５． 流域综合治理中的应用
ＧＩＳ在流域综合治理中的应用包括以下几个方面。
预测与监测：ＧＩＳ可以通过历史资料和有效的数学模型对洪水进行定量分析预测和预报，为防洪和水库调度的科学决策提供及时的信息。当采用遥感和遥测等手段为ＧＩＳ提供及时准确的数据后，就可以对洪水灾情、环境污染、农作物生长状况、森林火灾、滑坡灾害及其影响范围等进行及时的监测与预测。
规划与管理：ＧＩＳ多要素拓扑空间分析管理功能可为规划管理部门快速地提供大量有价值的信息，如快速确定可利用而未利用的土地位置、为移民建镇选择最佳的新城建设地址、确定洪水期影响船泊运行的河段等。
提供决策方案：如当河流全流域性地发生洪水灾害时，利用ＧＩＳ可以选择最佳的防治方案，利用已有的防洪设施进行洪水的调节、根据分流洪水的总量选择经济损失最小的分洪区、根据网络分析功能挑选出人员撤离到安全区的最佳线路、及时统计灾区受灾的人口和耕地等［１４］。
１．６． 生态环境研究中的应用
ＧＩＳ使生态环境研究更加定量化和更具实用性，同时也促使了生态环境研究相关学科领域的理论及方法的完善与发展 ，特别是以信息论、控制论及系统论为先导，加上耗散结构理论、突变论和协同学理论的应用，使生态环境研究的理论及技术体系日臻完善［１］。以塔里木河下游生态环境治理为例，应用３Ｓ技术，以多维的动态监测系统来获取下游地区生态环境变化的动态信息，对下游以沙漠化为核心的生态环境问题进行分析，为流域生态环境治理提供了科学依据，实现了资源的合理利用，为生态环境保护及经济可持续发展起到了巨大作用，维护了下游绿色走廊并实现了生态环境的良性发展［１５］。
在生态影响评价方面，因为对生态的行为和人类干涉对生态系统造成的影响难以被完全认识，所以生态影响的可评价性仍存在着疑问。虽然可以相对容易的说明潜在的生态影响，但很难准确预测出这些影响是怎样作用于人口、社区及生态系统。而且，生态系统空间的差异往往被忽略，这是因为采用模型技术这种最常用的影响评价方法实际上是不可能进行测试的。同时公共部门已经逐渐意识到了生态影响评价在决策中的重要性，因此对影响重要性的认识受不同价值观的影响变得更加复杂。此外，影响评价的执行与最小数据、高不确定性、较低概念上的理解有关。于是生态影响评价需要综合各种各样的专家得出的主观的和相矛盾的意见。目前国际上倾向于采用一种基于综合模糊逻辑、最优化和ＧＩＳ技术的影响评价的方法，这种方法使环境分析能够处理专家得出的不明确的意见、对生态系统的描述及对生态影响的预测［１６］。
１．７． 矿区生态环境监测分析的应用
矿区作为一种特殊的地理区域，其生态环境正日益受到重视。矿区地理空间要素和社会经济要素内容广泛、综合、复杂、变化迅速，是一种复杂的、动态的、开放的社会经济区域。近２０年来，不少国家加强了区域资源开发与环境保护的系统调控和可持续发展。在实施矿区可持续发展战略的过程中，必须正确处理资源开采与环境保护、经济建设与环境治理的关系。
将遥感 （ＲＳ）、全球定位系统 （ＧＰＳ）和地理信息系统 （ＧＩＳ）与传统的环境监测技术相结合，对矿区的环境和灾害现象进行动态综合监测，研究矿山工程活动与矿区生态环境的保护和治理，是矿区环境发展的重要方向。建立矿区生态环境及灾害动态综合监测与分析评价的综合系统则是其中重要的组成部分。通过该系统的建立，能够动态、综合地采集矿区的生态环境及灾害信息，并进行矿区空间多种生态环境与地质采矿工程信息的加工、处理及分析评价。该系统将应用在矿区大气监测、矿区水体监测、矿区土地植被研究、矿区土地监测、矿区土地复垦与生态环境重建、矿区环境评价方面［１７］［１８］。
２． 存在问题
ＧＩＳ在环境领域的应用发展迅速，但仍然存在着一些问题。
环境数据库的支持问题。ＧＩＳ系统在与环境领域相结合时，需要的信息是分布于不同地域的环境信息载体（如水、气以及土壤等）的数据，这就要求相应的环境数据库的支持，而目前这类数据库十分缺乏。如果环境数据库的建立得不到相应的重视，最终会导致ＧＩＳ系统这一先进的“武器”在环境领域发挥不了它应有的作用［１９］。同时各部门之间存在着重复数据建设问题，例如环境、地质、测绘等部门都单独建立了各自的信息数据库，但是却没有做到数据共享，合作开发，导致了信息数据库建立过程中步骤的重复，造成了人力、物力和财力的浪费，这一问题的解决还有待于政府部门在宏观上的规划和协调。
ＧＩＳ与专家系统的结合问题。ＧＩＳ是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。从这个意义上ＧＩＳ与专家系统相结合，形成智能化的高度集成ＧＩＳ系统是一个发展方向。在环境领域中专家的知识是任何技术手段以及数学模型无法替代的。ＧＩＳ应用于环境领域中，如何考虑专家意见以及ＧＩＳ系统与专家系统相结合等问题仍在探索之中。
三维ＧＩＳ技术急待发展。二维ＧＩＳ将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力。与二维ＧＩＳ相比，三维ＧＩＳ对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维ＧＩＳ特有的功能。而与ＣＡＤ及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。随着ＧＩＳ应用的深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维ＧＩＳ，但由于它们一般是针对自己的领域开发的，没有从理论上加以系统完整的研究，没有面向通用平台进行设计，因此具有较强的局限性。而环境领域的研究与应用对三维ＧＩＳ的需求也逐渐增强，因此，如何将三维ＧＩＳ技术应用于环境领域，如何可发环境领域的三维ＧＩＳ系统，也是当前的一个发展方向和难点。
时态ＧＩＳ技术的需求。环境中的诸多要素都是与时态相关的，例如大气中污染物浓度的变化，土壤中重金属元素的迁移等。可以说ＧＩＳ所描述的环境是随时间连续变化的。传统的无时间概念的ＧＩＳ中的数据，只能是环境在某个时刻的“快照”。当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时，可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响［２０］。但由于时空数据及其涉及的时空分析的复杂性，ＧＩＳ中的时空数据模型仍然处于研究阶段，还没有可实际应用的时态ＧＩＳ出现［２１］［２２］，也使得时态ＧＩＳ在环境学研究中的应用相当薄弱，相关研究刚刚起步。
３． 结语
当今世界环境问题日益严峻，这种严峻的形势促进了ＧＩＳ等先进的技术手段在环境领域中的应用，并且应用的范围越来越广。ＧＩＳ应用于环境领域不仅节省大量的人力、物力、财力，最主要的是获得成果的速度快，精度高。ＧＩＳ在环境领域中的应用系统的开发过程中，应该打破部门界限，合作开发，数据共享，这将大大加快开发速度同时可以使得系统发挥最大的效益。我国在ＧＩＳ的研究和开发上与国外相比还有较大的差距，一方面应加大开发力度，另一方面，从实际应用的角度出发，必须向“３Ｓ”一体化方向发展，实现信息实时动态采集、处理、分析。这将进一步提高环境领域研究与应用的现代化、自动化程度，对环境学的发展和环境可持续发展战略的实施具有深远的意义。
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作业一 一、GIS 的主要应用领域 1、环境保护与管理 主要用 GIS 建立环境模型和环境信息系统 , 对环境的变化及发 展趋势进行预报分析 , 同时通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。此外 ,GIS 技术也已被用来建立植物种类与栖息地及环境因素有关的信息系统中。 2、社会调查与统计分析 GIS 在国外已被广泛的应用到人口学、选举、人文地理等方面 , 我国也已经开始开展这方面的研究和应用工作。 3、城市基础设施管理 城市基础设施主要是指城市地下管道 ( 包括自来水、污水排放、煤气等管道 ) 、通信网络、邮政网点、道路与交通设施等。由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性 , 建立基于 GIS 的信息 系统能够提高对这些设施的管理水平 , 同时能够极大地提高设计与施工、设备维护与故障排除、线路改造等方面的效率 , 从而产生巨大的经济效益和社会效益。 4、土地信息系统的建立 GIS 最早是从土地信息系统 LIS 建立的过程中发展起来的 , 而大量高质量 GIS 软件平台的出现又促进了土地信息系统的建立。目前基于 GIS 软件平台的土地信息系统无论是图形处理、空间分析与统计、属性信息存储与查询、统计报表生成、决策支持等方面都比早期的土地信息系统有较大的改进。我国已经把土地信息系统的建设纳入了法制轨道 , 新颁布的《中华人民共和国土地管理法》第三十条明确规定“国家建立全国土地信息系统 , 对土地利用状况进行动态监测”。 5、GIS 在其它领域的应用 GIS 已被广泛地应用到一些其它领域 : 城市规划、房地产开发及物业管理、商业开发与购物中心设置、资源调查、灾害预报与灾后评估、金融机构与投资分析、地质普查、采矿等。 二、存在的问题 与国外对比分析 , 目前我国 GIS 发展中存在的问题主要表现在如下几个方面： 1)GIS 的科学和经济价值尚未被广泛地接受和认知 , 因此处于资金投入不足、推广应用比较困难的局面。 2) 根据有关资料的分析 , 地理信息系统中数据部分要占整个系统 投资的百分之七十左右 , 也就是说 GIS 系统的建立需要大量的数字 地图或电子地图及其属性信息库的支持 , 但在我国地图数字化的比例还很低。这需要政府部门及有关企业投入大量的精力及资金进行数字地图的建库工作。
最短路径之Dijkstra算法详细讲解 １最短路径算法 在日常生活中，我们如果需要常常往返A地区和B 地区之间，我们最希望知道的可能是从A地区到B地区间的众多路径中，那一条路径的路途最短。最短路径问题是图论研究中的一个经典算法问题，旨在寻找图（由结点和路径组成的）中两结点之间的最短路径。算法具体的形式包括： （１）确定起点的最短路径问题：即已知起始结点，求最短路径的问题。 （２）确定终点的最短路径问题：与确定起点的问题相反，该问题是已知终结结点，求最短路径的问题。在无向图中该问题与确定起点的问题完全等同，在有向图中该问题等同于把所有路径方向反转的确定起点的问题。 （３）确定起点终点的最短路径问题：即已知起点和终点，求两结点之间的最短路径。 （４）全局最短路径问题：求图中所有的最短路径。 用于解决最短路径问题的算法被称做“最短路径算法”，有时被简称作“路径算法”。最常用的路径算法
有：Dijkstra算法、A*算法、Bellman-Ford算法、Floyd-Warshall算法、Johnson算法。 本文主要研究Dijkstra算法的单源算法。 ２Dijkstra算法 2.1 Dijkstra算法 Dijkstra算法是典型最短路算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。Dijkstra算法能得出最短路径的最优解，但由于它遍历计算的节点很多，所以效率低。 Dijkstra算法是很有代表性的最短路算法，在很多专业课程中都作为基本内容有详细的介绍，如数据结构，图论，运筹学等等。 2.2 Dijkstra算法思想 Dijkstra算法思想为：设G=(V,E)是一个带权有向图，把图中顶点集合V分成两组，第一组为已求出最短路径的顶点集合（用S表示，初始时S中只有一个源点，以后每求得一条最短路径, 就将加入到集合S中，直到全部顶点都加入到S中，算法就结束了），第二组为其余未确定最短路径的顶点集合（用U 表示），按最短路径长度的递增次序依次把第二组的顶点加入S中。在加入的过程中，总保持从源点v到S中各顶点的最短路径长度不大于从源点v到U中任何顶点的最短路径长度。此外，每个顶点对应一个距离，S中的顶点的距离就是从v到此顶点的最短路径长度，U中的顶点的距离，是从v到此顶点只包括S 中的顶点为中间顶点的当前最短路径长度。 2.3 Dijkstra算法具体步骤 （1）初始时，S只包含源点，即S＝，v的距离为0。U包含除v外的其他顶点，U中顶点u距离为边上的权（若v与u有边）或）（若u不是v的出边邻接点）。 （2）从U中选取一个距离v最小的顶点k，把k，加入S中（该选定的距离就是v到k的最短路径长度）。 （3）以k为新考虑的中间点，修改U中各顶点的距离；若从源点v到顶点u（u U）的距离（经过顶点k）比原来距离（不经过顶点k）短，则修改顶点u 的距离值，修改后的距离值的顶点k的距离加上边上的权。 （4）重复步骤（2）和（3）直到所有顶点都包含在S中。 2.4 Dijkstra算法举例说明 如下图，设A为源点，求A到其他各顶点（B、C、D、E、F）的最短路径。线上所标注为相邻线段之间的距离，即权值。（注：此图为随意所画，其相邻顶点间的距离与图中的目视长度不能一一对等）
网络分析（最短路径问题分析） 一、实验目的： 理解最短路径分析的基本原理，学习利用arcgis软件进行各种类型的最短路径分析的操作。 二、实验准备 1、实验背景： 最短路径分析是空间网络分析中最基本的应用，而交通网络中要素的设置对最短路径的选择有着很大的影响。实验要求根据不同的权重，给出到达指定目的地的路径选择方案，并给出路径长度。 在网络中指定一个超市，要求分别求出在距离、时间限制上从家到超市的最佳路径。 给定访问顺序，按要求找出从家经逐个地点达到目的地的最佳路径。 2、实验材料： 软件：ArcGIS Desktop 9.x ， 实验数据：文件夹ex6中，一个GeoDatabase地理数据库：City.mdb，内含有城市交通网、超市分布图，家庭住址以及网络关系。 三、实验内容及步骤 首先启动ArcMap，选择ex6\city.mdb，再双击后选择将整个要素数据集“city”加载进来，然后将“place”点状要素以“HOME”字段属性值进行符号化，1值是家，0值是超市。 第1步无权重最佳路径的选择 加载“设施网络分析”工具条（“视图”>>“工具条”，勾选“设施网络分析”），点选旗标和障碍工具板下拉箭头，将旗标放在家和想要去的超市点上。
第2步加权最佳路径选择 在设施网络分析工具条上，点选旗标和障碍工具板下拉箭头，将旗标放在家和想去的某个超市点上。 选择“分析”下拉菜单，选择“选项”按钮，打开“分析选项”对话框，选择“权重”标签页，在“边权重”上，全部选择长度“length”权重属性。 点选“追踪任务”下拉菜单选择“查找路径”。单击“执行”键，则以长度为 比重为基础的最短路径将显示出来，这条路径的总成本将显示在状态列。
GIS的应用领域有哪些？ 地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。 以下地理信息系统的应用领域分别回答了在各自领域内的作用 资源管理(Resource Management) 主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场) 分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。 资源配置(Resource Configuration) 在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。 城市规划和管理(Urban Planning and Management) 空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管
理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。 土地信息系统和地籍管理(Land Information System and Cadastral Applicaiton) 土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。 生态、环境管理与模拟(Environmental Management and Modeling) 区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。 应急响应(Emergency Response) 解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。
综合实习7：最短路径问题分析与应用 1．背景 在现实中，最短路径的求取问题可以拓展为许多方面的最高效率问题，最短路径不仅指一般意义上的距离最短，还可以是时间最短、费用最少、线路利用率最高等标准。 2．目的 学会用ArcGIS10进行各种类型的最短路径分析，理解网络分析原理。 3．数据 GeoDatabase地理数据库：City.mdb。 数据库中包含一个数据库：City，其中含有城市交通网net、商业中心及家庭住址place、网络节点city_Net_Junctions等要素。 4．要求 根据不同的要求，获得到达指定目的地的最佳路径，并给出路径的长度；找出距景点最近的某设施的路径。 在网络中指定一个商业中心，分别求出在不同距离、时间的限制下从家到商业中心的最佳路径。 给定访问顺序，按要求找出从家出发，逐个经过访问点，最终到达目的地的最佳路径。 研究阻强的设置对最佳路径选择的影响。 5．操作步骤 启动ArcMap，打开city.mdb，双击city数据库，加载数据。 对点状要素place符号化：以HOME字段，1值为家，0值为商业中心。 （1）无权重最佳路径的生成 1）在几何网络分析工具条上，选择旗标工具，将旗标放在“家”和想要取得“商业中心”点上。 2）选择分析|选项命令，打开“分析选项”对话框，确认“权重”和“权重过滤器”标签项全部是“无（None）”，这种情况下进行的最短路径分析是完全按照这个网络自身的长短来确定。 3）在“追踪任务”文本框中选择“网络路径分析”。单击“解决”按钮。显示出最短路径（图7-1），这条路径的总成本显示在状态栏中。
图7-1 无权重参照的最短路径的显示 （2）加权最佳路径生成 1）在几何网络分析工具条上，点选旗标工具，将旗标分别放在“家”和想去的某个“商业中心”的位置上。 2）选择“分析|选项”命令，打开“分析选项”对话框（图7-2）进入“权重”标签页，在边的权重（Edge weights）上，全部选择长度（length）权重属性。 图7-2 长度权重属性设置
一、GIS的主要应用领域 1、环境保护与管理 主要用GIS建立环境模型和环境信息系统,对环境的变化及发展趋势进行预报分析,同时通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。此外,GIS技术也已被用来建立植物种类与栖息地及环境因素有关的信息系统中。 2、社会调查与统计分析GIS 在国外已被广泛的应用到人口学、选举、人文地理等方面,我国也已经开始开展这方面的研究和应用工作。 3、城市基础设施管理 城市基础设施主要是指城市地下管道(包括自来水、污水排放、煤气等管道)、通信网络、邮政网点、道路与交通设施等。由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性,建立基于GIS的信息系统能够提高对这些设施的管理水平,同时能够极大地提高设计与施工、设备维护与故障排除、线路改造等方面的效率,从而产生巨大的经济效益和社会效益。 4、土地信息系统的建立 GIS最早是从土地信息系统LIS建立的过程中发展起来的,而大量高质量GIS软件平台的出现又促进了土地信息系统的建立。目前基于GIS软件平台的土地信息系统无论是图形处理、空间分析与统计、属性信息存储与查询、统计报表生成、决策支持等方面都比早期的土地信息系统有较大的改进。我国已经把土地信息系统的建设纳入了法制轨道,新颁布的《中华人民共和国土地管理法》第三十条明确规定“国家建立全国土地信息系统,对土地利用状况进行动态监测”。 5、GIS在其它领域的应用 GIS已被广泛地应用到一些其它领域:城市规划、房地产开发及物业管理、商业开发与购物中心设置、资源调查、灾害预报与灾后评估、金融机构与投资分析、地质普查、采矿等。二、存在的问题 与国外对比分析,目前我国GIS发展中存在的问题主要表现在如下几个方面： 1)GIS的科学和经济价值尚未被广泛地接受和认知,因此处于资金投入不足、推广应用比较困难的局面。 2)根据有关资料的分析,地理信息系统中数据部分要占整个系统投资的百分之七十左右,也就是说GIS系统的建立需要大量的数字地图或电子地图及其属性信息库的支持,但在我国地图数字化的比例还很低。这需要政府部门及有关企业投入大量的精力及资金进行数字地图的建库工作。 3)GIS市场尚未形成,有关数字产品的法律、权属、定价等方面的问题还没有得到有效的解决。 4)有关数字地图产品的规范和标准,以及数据格式有待统一和完善。 5)我国具有自己知识产权的GIS系统平台比较少,目前只有MapGIS,GeoStar等少数几个产品,大量进口GIS系统平台增加了GIS应用开发的成本。而且,由于国情不同进口GIS软件二次开发的工作量一般都比较大。 三、发展方向 目前GIS主要总体上呈现网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势。 1、组件(Components)GIS ComponentsGIS是一种新的GIS开发思想,它是将GIS功能分散制作成ActiveXControl和Automation,这些标准的ActiveXControl和Automation可以被任何支持它们的开发环境调用,以便在原有的或新开发的信息系统中加入GIS功能。目前国际上比较流行的ComponentsGIS软件有ESRI的MapObjects,MapInfo公司的MapX等。组件化GIS基于标准的组件式GIS平台，各组件之间不仅可能自由、灵活地重组，而且具有可视化的界面和方便的标准的接口。其特征主要体现在：
GIS 环境下的最短路径规划算法 ―――此处最短路理解为路径长度最小的路径 02计算机1班刘继忠 学号：2002374117 1.整体算法说明： 将图的信息用一个邻接矩阵来表达，通过对邻接矩阵的操作来查找最短路进，最短路径的查找采用迪杰斯特拉算法，根据用户给出的必经结点序列、起点、终点进行分段查找。 2.各函数功能及函数调用说明。 1).void Welcome() 程序初始化界面，介绍程序的功能、特点及相关提示 2) void CreatGraph(MGraph *G,char buf[]) 把图用邻接矩阵的形式表示,并进行 初始化。 3).int ShortestPath(MGraph *G,int jump,int end,int avoid[],int P[MAXSIZE][MAXSIZE],int Dist[],int ShPath[])根据用户给出的起点、终点、必经结点、避开结点进行最短路径的分段查找。 4).void Print(int jump,int end,int Dist[],int ShPath[]) 输出找到的最短路径所经的 结点和路径长度。 函数调用图： 3.各函数传入参数及返回值说明： 1).void Welcome() 无传入和返回值 2) void CreatGraph(MGraph *G,char buf[ ]) MGraph *G为主函数中定义的指向存放图的信息的指针变量。 char buf[ ]为主函数中定义的用来存放在图的相关信息录入时的界面信息的数组，以便以后调用查看各结点的信息。
无返回值。 3).int ShortestPath(MGraph *G,int jump,int end,int avoid[],int P[MAXSIZE][MAXSIZE],int Dist[ ],int ShPath[ ]) MGraph *G指向存放图的信息的指针变量。 int jump起点，int end终点，int avoid[ ] 避开结点序列。 int P[MAXSIZE][MAXSIZE]用来记录各点当前找到的最短路径所经过 的结点。 int Dist[ ] 记录各结点的当前找到的最短路径的长度。 int ShPath[ ]用来存放用户需要的最短路径所经的各结点。 返回最短路径查找是否成功的信息。（return SUCCEED；return ERROR）4).void Print(int jump,int end,int Dist[],int ShPath[]) int jump起点，int end终点。 int Dist[ ] 记录各结点的当前找到的最短路径的长度。 int ShPath[ ]用来存放用户需要的最短路径所经的各结点。 无返回值。 4．用户说明： ①源程序经编译连接后运行，出现程序的初始化界面，其内容为介绍程序的 功能、特点及相关提示。如下： Welcome to shortest path searching system. Instructions Function: 1. Personal travelling route choosing. 2. Assistan helper in city's traffic design. 3. Shortes path choose in the comlicated traffic net of the city. Characteristic: It is convient,you could set vital point you must travel,and the point you must avoid. Prompt: If the condition is too secret ,maybe there will have no path available. Designer: Liu jizhong. Complate-data: 2004. 3. 21 CopyRight: Shared program,welcome to improve it. Press anykey to enter the program... ②按任意键进入图的信息录入界面根据提示即可完成图的信息的录入。
论述gis的应用和发展前景 GIS系统是将描述“在什么地方”的信息与描述“这是什么”的信息相链接的制图软件。与画在纸上的地图不同，GIS是“所见即所得”的，一个GIS地图关联许多不同的层信息。 一幅画在纸上的地图，你所能做的操作就是打开它。这时候展现在你面前的是关于城市、道路、山峦、河流、铁道和行政区划的一些表现。城市在这些地图上只能用一个点或一个圈表示、道路是一条黑线、山峰是一个很小的三角、而湖泊则是一个蓝色的块。 同纸质地图一样，GIS产生的数字地图也是用象素或点表示诸如城市这样的信息，用线表示道路这样的信息、小块表示湖泊等信息。 但是不同的是，这些信息都来自数据库，并且只在用户选择显示它们的时候才被显示。数据库中存储着诸如这个点的位置、道路的长度、甚至湖泊的面积等信息。 数字地图上的每一条信息都位于一个层上，用户可以根据需要打开或关闭这些层。一个层也许构成了一个地区所有的道路信息，另外的层也许表现了同一个地区所有湖泊的信息。当然，也许还会有一个层描述所有的城市信息。 为什么分层是如此重要呢？GIS同纸质地图相比，强大之处就是运用GIS你可以根据你行动的目的去选择你想看的信息。 商人们为某一特定城市绘制客户地图所显示的信息当然与市政工程师希望看到的同一城市自来水管线信息非常不同。这两幅地图都是以相同的街道和街区地图为基础的，但是他们在这张地图上添加了不同的信息。 1 GIS技术发展概况 在新兴的信息产业中，GIS(Geographic Information System,地理信息系统)作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和治理科学及相关学科等为一体的新兴边缘学科，近30年来迅速兴起。GIS将计算机技术和空间地理分布数据相结合，通过系统建立、空间操作与模型分析，为地球科学、环境科学和工程设计、乃至企业治理等方面的规划、治理和决策提供有用的信息。目前GIS在国内外应用领域已相当广泛，不但成功地应用于测绘、制图、资源和环境等领域，而且已成为城市规划、公共设施治理、工程建设等的重要工具，此外GIS还进入了军事战略分析与决策、商务策划、文教卫生乃至人
实验十、网络分析（道路网络分析） 一、实验目的 网络分析是GIS空间分析的重要功能分。有两类网络，一为道路（交通）网络，一为实体网络（比如，河流、排水管道、电力网络）。此实验主要涉及道路网络分析，主要内容包括： ●最佳路径分析，如：找出两地通达的最佳路径。 ●最近服务设施分析，如：引导最近的救护车到事故地点。 ●服务区域分析，如：确定公共设施（医院）的服务区域。 通过对本实习的学习，应达到以下几个目的： (1)加深对网络分析基本原理、方法的认识； (2)熟练掌握ARCGIS下进行道路网络分析的技术方法。 (3)结合实际、掌握利用网络分析方法解决地学空间分析问题的能力。 二、实验准备 软件准备：ArcMap, 要求有网络分析扩展模块的许可授权 数据准备： Shape文件创建网络数据集（高速公路：Highways, 主要街道：Major Streets, 公园：Parks，湖泊：Lakes，街道：Streets） Geodatabase网络数据集：NetworkAnalysis.mdb：包含：街道图层：Streets 仓库图层：Warehouses 商店图层：Stores 在ArcMap中加载启用NetWork Anylyst网络分析模块： 执行菜单命令［工具Tools］>>[Extensions], 在［Extensions］对话框中点击[Network Analyst] 启用网络分析模块，即装入Network Analyst空间分析扩展模块。 道路网络分析步骤 1. 创建分析图层 2. 添加网络位置 3. 设置分析选项 4. 执行分析过程显示分析结果 三、实验内容及步骤 (一) 最佳路径分析 根据给定的停靠点，查找最佳路径（最省时的线路）
GIS的主要研究领域与发展趋势 发表时间：2017-05-22T11:49:53.380Z 来源：《基层建设》2017年4期作者：覃海娇 [导读] 本文将根据现状对其进行多方面的分析，展望一下未来的发展前景。 身份证号码：45212319810415xxxx 广西南宁 530023 摘要：随着我国科学技术的不断进步与发展，伴随着计算技术水平的不断提高，一门新型的技术已经形成就是GIS，随着它的出现，其所应用的范围也很广，应用程度也很大，已经渗透到各个方面，被人们越来越重视。本文将根据现状对其进行多方面的分析，展望一下未来的发展前景。 关键词：GIS；研究领域；发展趋势 随着计算机行业的迅速发展，对于日新月异的新型技术已经越来越多，对于日渐完善的图形学理论，GIS也逐渐成熟起来，在此已经被人们所认识，而且已经应用到我们的生活每一个角落。这些年，GIS已经被全国普遍重视起来，可想而知它的重要性。它的管理空间数据比较大，已经在很多部门进行应用，它的范围已经覆盖到各个领域。而且它正处在急速发展的时期，并且在不断变强，对于GIS的研究与总结，对我们而言具有重大的意义，为此我们将进行未来发展趋势的分析。 1.GIS现状的研究及分析 近些年来，随着计算机网络的不断进步，以及相关理论知识的和技术方面正在不断完善，GIS正在进行着迅速的发展。它拥有着海量的存储功能，并且在处理与表达显示方面也有着非常显著的成效，我们可以将其概括为以下几个方面：1.硬件系统采用服务器/客户机结构,初步形成了网络化、分布式、多媒体GIS。2.在GIS的设计中,提出了采用“开放的GIS环境”的概念,最终以实现资源共享、数据共享为目标;3高度重视数据标准化与数据质量的问题,并已形成一些较为可行的数据标准;4面向对象的数据库管理系统已经问世,正在发展称之为“对象一关系DBMS(数据库管理系统)”；5以GIS为核心的“3S”技术的逐渐成熟,为资源与环境工作提供了空间数据新的工具和方法;6新的数学理论和工具采用GIS,使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。 2.当前GIS发展所存在的问题 根据目前GIS的研究成果表明，GIS现在的技术还存在着一些问题，GIS 的科学和经济价值尚未被广泛地接受和认知 , 因此处于资金投入不足、推广应用比较困难的局面。对于模型，数据结构等一些方面还存在着不足之处，可以说这样下去会在某种程度上对GIS技术的发展起到一定的制约。 2.1数据结构方面存在的问题 现在来看，我们通用的GIS主要是有矢量，栅格或者是二者相结合的一种混合系统，如果说是混合系统，可是二者也是把两类数据进行分开存储的，在执行某些任务的时候还是需要不同的数据形式进行处理。在矢量结构方面,其缺点是处理位置关系(包括相交、通过、包含等)相当费时,且缺乏与DEM和RS直接结合的能力。在栅格结构方面,存在着栅格数据分辨率低,精度差;难以建立地物间的拓扑关系;难以操作单个目标及栅格数据存贮量大等问题。 2.2GIS模式存在的问题 对于传统的GIS模型来说，它是把对客观世界地理空间按照计算机的方法进行不自然的分割和抽象化，让人们对地理的空间进行认知，这样很难表达出现实中复杂的地理实体，同时会更难满足客观世界的整体特征要求。在GIS软件开发中,如果语义分割不合理,将难以有效表达地理空间实体间的关系,这就导致较深层次的分析、处理操作难以实现。随着GIS应用需求领域的不断开拓及计算机技术的迅速发展,对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求,使得传统的地理空间数据模型力不从心,逐渐暴露其弊端。目前，面向对象的数据模型一定程度上解决了传统GIS数据模型的某些不足之处，但是OODB（面向对象数据库）目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受，因为OODB作为一个DBS还不太成熟，如缺少完全非过程性的查询语言以及视力、授权、动态模式更新和参数化性能协调等；且OODB与RDB之间缺少应有的兼容性，因而使得大量的已建立起来的庞大的RDB客户不敢轻易地去选择OODB。 2.3其他方面的问题 目前，GIS正自在一个发展时期，正在不断进行着改进，它在进一步发展的同时也面临着诸多的问题与挑战，主要是在以下几个方面体现出来：①GIS设计与实现的方法学问题。在GIS设计与实现过程中缺乏面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学的指导,导致GIS软件系统的可靠性和可维护性差;②GIS的功能问题。当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS,不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求,直接影响到GIS的应用效益和生命力;③三维GIS模型及可视化问题。目前大多数GIS 软件的图形显示是基于二维平面的,即使是三维效果显示也是采用DEM的方法来处理表达地形的起伏,涉及到地底下真三维的自然和人工现象显得无能为力。有关数字地图产品的规范和标准，以及数据格式有待统一和完善。 3.GIS 的主要应用领域 3.1 环保管理：主要用 GIS 建立环境模型和环境信息系统，对环境的变化及发展趋势进行预报分析，同时通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。 3.2 社会调查与统计分析：GIS 在国外已被广泛的应用到人口学、选举、人文地理等方面，我国也已经开始开展这方面的研究和应用工作。 3.3 城市基础设施管理：城市基础设施主要是指城市地下管道、通信网络、邮政网点、道路与交通设施等。由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性，建立基于 GIS 的信息系统能够提高对这些设施的管理水平，从而产生巨大的经济效益和社会效益。 3.4 测绘地理信息系统的建立：目前基于 GIS 软件平台的地理信息系统无论是图形处理、空间分析与统计、属性信息存储与查询、统计报表生成、决策支持等方面都比早期的系统有较大的改进。 3.5 其它领域的应用：GIS 已被广泛地应用到一些其它城市规划、房地产开发及物业管理、商业开发与购物中心设置、资源调查、灾害预报与灾后评估、金融机构与投资分析、地质普查、采矿等领域。 4.GIS未来的发展趋势 GIS未来发展的主要趋势可以分为数据管理方面，技术集成方面以及发展历程方面。 4.1对于多比例尺数据的显示,将运用影像金字塔技术、细节分层技术和地图综合等技术;而为了实现GIS的动态、实时和三维可视化,出
基于ArcGIS对矢量数据模型的最短路径分析 摘要：利用ArcGIS中网络分析模块对最短路径问题分情况进行了探讨，分别给出了在不同情况下如何找到不同最短路径。关键词：矢量数据；网络分析；ArcGIS；最短路径人们每天都会提出如下一些问题：应该在道路的何处开挖，才能迅速找到煤气总管？将冰箱送到客户家里，如何走最好？这个城市卖掉的土地和财产总值多少？要回答上述问题需要访问具有多维(x、y、z坐标和时间)、大容量和高处理费用特征的地理信息；同时，即使回答明显简单的地理学问题，也要求按统一的标准集成多种数据源。1 矢量数据模型的概念与特点以计算机能够接受和处理的数据形式，为了反映空间实体的某些结构特性和行为功能，按一定的方案建立起来的数据逻辑组织方式，是对现实世界的抽象表达。空间数据模型是地理信息系统的基础，它不仅决定了系统数据管理的有效性，而且是系统灵活性的关键。空间数据模型是在实体概念的基础上发展起来的，它包含两个基本内容，即实体组和它们之间的相关关系。实体和相关关系可以通过性质和属性来说明。空间数据模型可以被定义为一组由相关关系联系在一起的实体集(D.J.Peuqoet)[1]。结合空间数据的具体特点进行空间数据模型的设计是地理信息系统的关键。由于空间数据模型的设计与计算机硬件、系统软件和工具软件的发展现状密切相关，所以，就目前的发展现状而言，很难用一个统一的数据模型来表达复杂多变的地理空间实体。例如，某些空间数据模型可能很适合于绘图，但它们对于空间分析来说效率却十分低；有些数据模型有利于空间分析，但对图形的处理则不理想[2]。地理信息系统中一种常见的图形数据结构为矢量结构，即通过记录坐标的方向尽可能精确地表示点、线、多边形等地理实体，坐标空间设为连续，允许任意位置、长度和面积的精确定义。 2 最短路径问题的分析与应用2.1 背景在现实中，最短路径的求取问题是可以拓展为许多方面的最高效率问题，最短路径不仅是指一般意义上的距离最短，还可以是时间最短、费用最少、线路利用率最高等标准。2.2 技术路线图利用GIS软件进行最短路径分析的技术路线图。 2.3 网络中的基本组成部分和属性(1)链：网络中流动的管线，如街道、河流、水管等。其状态属性包括阻力和需求。(2)障碍：禁止网络中链上流动的点。(3)拐角点：出现在网络中所有的分割点上状态属性的阻力，如拐弯时间和限制。(4)中心：是接受或分配资源的位置，如水库、商业中心、电站等。其状态属性包括资源容量和阻力限额。(5)站点：在路径选择中资源增减的站点，如库房、汽车站等。其状态属性有要被运输的资源需求，如产品数。网络中的状态属性有阻力和需求两项。实际的状态属性可通过空间属性和状态属性的转换，根据实际情况赋到网络属性表中。2.4 网络分析的基本方法网络分析的基本方法包括路径分析、地址匹配和资源分配。(1)路径分析①静态求最佳路径：由用户确定权值关系后，即给定每条弧段的属性，当需求最佳路径时，可读出路径的相关属性，从而求得最佳路径。②动态分段技术：给定一条路径由多段联系组成，要求标注出这条路上的公里点或定位某一公路上的某一点，标注出某条路上从某一公里数到另一公里数的路段。③最短路径：确定起点、终点和所要经过的中间点、中间连线，求最短路径。(2)资源分配资源分配网络模型由中心店及其状态属性和网络组成。分配有两种方式，一种是由分配中心向四周输出，另一种是由四周向中心集中。这种分配功能可以解决资源的有效流动和合理分配，其在地理网络中的应用与区位论中的中心理论类似[3，4]。3 矢量数据网络分析实现过程 3.1 网络分析的预处理在进行网络分析之前，首先要对已建好的网络进行初始化参数设置，主要内容如下。3.1.1 网络数据的加载进行网络分析的前提是几何网络的调用。一般来说，根据需求，选择调用的网络数据。基本的网络分析必须加载至少一种包含网络属性的要素类
地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。 以下地理信息系统的应用领域分别回答了在各自领域内的作用 资源管理(Resource Management) 主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源(如土地、森林、草场) 分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。 资源配置(Resource Configuration) 在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。 城市规划和管理(Urban Planning and Management) 空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。 土地信息系统和地籍管理(Land Information System and Cadastral Applicaiton) 土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。 生态、环境管理与模拟(Environmental Management and Modeling) 区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。 应急响应(Emergency Response) 解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。 地学研究与应用(Application in GeoScience)
网络分析算法的实现，又能够在节约存储空间的前提下根据需要扩充数据，对交通网络进行综合分析。 然后是网络搜索，主要依据求解单源点间最短路径的Dijkstra算法思想，同样也可以对其进行优化改进以提高效率。 应用到的基本工具 Arc map View/toolbars/utility network analyst工具条 操作流程图（尽量为图解模型） 操作步骤（方法） 1、对各个图层的属性表及其投影信息进行查看与了解，了解utility network analyst工具条中各个选项的用处。 2、最短路径的选择 （1）首先打开Arc Map选择E:\Chp7\Ex2\city.mdb再双击后选择将整个要素数据进来。然后将place点状要素以HOME字段属性值进行符号化，1值是家，0值是 超市，如图1。 图1 （2）在place图层上右击label features，使name字段显示在图层中。 3、最短路径的求取 无权重最佳路径的选择 1）在设施网络分析工具条上，点选旗标和障碍工具板下拉箭头，将旗标放 在家和想要去的超市点上。 2）确认在Analysis下拉菜单中的Options按钮打开的Analysis Options
对话框中的weight和weight filter标签项全部是none，这样使得进行的最短路径分析是完全按照这个网络自身的长短来确定的。 3）点选追踪工作（Track task）下拉菜单选择寻找路径（find path）。单击solve键，则最短路径将显示出来，这条路径的总成本将显示在状态列。 图2 无权重最佳路径的选择 加权最佳路径选择 1）在设施网络分析工具条上，点选旗标和障碍工具板下拉箭头，将旗标放在家和想去的某个超市点上。 2）选择Analysis下拉菜单，选择Option按钮，打开Analysis Option对话框，选择Weight标签页，在边的权重(edge weight)上，全部选择长 度（length）权重属性。
地理信息系统应用领域 地理信息系统作为一门交叉性极强、运用及其灵活的学科，其在功能上十分强大，其应用领域更是覆盖面及其广泛。由于地理信息系统的综合性以及运筹帷幄优势，其也已经成为国家宏观决策和区域目标开发的重要工具，也成为与空间信息相关各行各业的基本工具。以下，简要介绍下地理信息系统的一些主要应用。 一、测绘与地图制图。地理信息系统技术源于机助地图制图。而地理信息系统（GIS） 技术和遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）在测绘领域的广泛应用，为测绘和地图制图领域带来了一场革命性的变革。地图数据获取和成图的技术流程、地图成图周期、地图图幅精度以及地图的种类都发生了巨大的变化，不仅为广大用户带来便利，也促使测绘和地图制图进入一个崭新的时代。 二、资源管理。资源清查本就是地理信息系统最基本职能，GIS会将各类数据已经资源 集合在一起，通过系统分析和处理，按照不同属性和条件进行再划分，实现资源和数据快速再现。例如在土地利用领域，可以输出不同类型的分布和变化，根据不同的搞成划分土地利用类型，不同坡度利用状况以及不同时期土地利用变化等。 三、规划设计。地理信息系统可以有效将城市与区域规划中所涉及的资源、环境、人口、 交通、教育、经济、教育、文化以及金融等多个地理变量和大量数据进行管理并统一规划，并对城市建设交通规划、环境质量、以及公共设施配置等进行良好评测。这些功能的实现，主要以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件作为支撑的。 四、灾害监测。利用地理信息系统和遥感数据的结合，可以有效的对森林火灾、洪水灾 情等进行监测、预防以及损失估算，为灾害抢救和防洪决策机试提供准确信息。我国08年汶川地震时，地理信息系统准确的勾画出堰塞湖的位置，以及对地形的分析对当时的营救工作起到了巨大作用。 五、环境保护。利用GIS技术建设城市环境监测、分析预报系统，为实现环境监测与管 理科学化、自动化提供最基本条件，在区域华宁质量现状评价过程中，利用GIS技术，实现对整个地区的客官、全面的监控和评价，用以反映该地区受污染程度以及雨季分布等信息；在野生动物保护中，GIS会帮助统计世界所有动物的生存状况包括生存地状况，对于保护濒危动物，有很大的作用。 六、国防。现代战争的一个基本特点就是“3S”技术被广泛利用从战略构思到战术安排 各个环节。这往往决定一场战争的成败。例如海湾战争期间，美国国防部就利用GIS 和遥感成像集成系统，自动搜索识别战区地图，通过卫星及时将战况传回五角大楼，为军事决策提供有力的保障。 GIS和现代各类行业的结合使得其已经跻身于世界高新技术行列。而其他行业的发展和需求必然推动GIS的进步、完善、进而形成独立的科学系统。GIS理应好好应用发展，人们应当利用其强大的功能为人类造福。
目前GIS的主要研究领域与发展趋势 GIS的主要应用领域 自60年代加拿大建立世界上第一个地理信息系统并由Tomlinson率先提出GIS的概念之 后，在最近的二十多年时间里GIS的研究与应用得到了突飞猛进的发展。尤其是在应用方面，目 前GIS已经被应用到环境模型建立，城市规划与管理，社会经济统计与分析，土地管理，地籍测 绘与管理，交通与管道管理等与空间信息有密切关系的各个方面。下面对GIS的主要应用领域 作一简单的总结。 2.1环境保护与管理 主要用GIS建立环境模型和环境信息系统，对环境的变化及发展趋势进行预报分析，同时 通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。此外，GIS技术也已被用来建立植物种类与 栖息地及环境因素有关的信息系统中。 2.2 社会调查与统计分析 GIS在国外已被广泛的应用到人口学，选举，人文地理等方面，我国也已经开始开展这方面 的研究和应用工作。 2.3城市基础设施管理 城市基础设施主要是指城市地下管道,包括自来水，污水排放，煤气等管道:，通信网络，邮政 网点，道路与交通设施等。由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性，建立基于GIS 的信息系统能够提高对这些设施的管理水平，同时能够极大地提高设计与施工，设备维护与故障 排除，线路改造等方面的效率，从而产生巨大的经济效益和社会效益。 2.4 土地信息系统的建立 GIS最早是从土地信息系统:*+建立的过程中发展起来的，而大量高质量GIS软件平台的出现又促进了土地信息系统的建立。目前基于GIS软件平台的土地信息系统无论是图形处理，空间分析与统计，属性信息存储与查询，统计报表生成，决策支持等方面都比早期的土地信息系统有较大的改进。我国已经把土地信息系统的建设纳入了法制轨道，新颁布的中华人民共和国土地管理法第三十条明确规定国家建立全国土地信息系统，对土地利用状况进行动态监测。 2.5 GIS在其它领域的应用 GIS已被广泛地应用到一些其它领域。城市规划，房地产开发及物业管理，商业开发与购物中心设置，资源调查，灾害预报与灾后评估，金融机构与投资分析，地质普查，采矿等。 3 GIS应用的前景与存在的问题 3.1面临的机遇 目前GIS的研究和应用都处在一个高速发展的阶段。在国外GIS技术已被各级政府部门和企业界广泛认知和采用。尤其是在北美，欧洲，日本和奥大利亚等国家和地区，GIS市场已经基本形成。GIS 数据公司和软件公司比较多，他们在GIS系统建立和空间数据的使用方面已有了一套比较规范和成熟作法。在我国GIS技术也正被越来越多的政府部门和大型企业所采用。虽然起步较晚，但是有后发优势可以少走弯路，以比较高的起点开展GIS的理论研究和开发应用工作。 3.2存在的问题 与国外对比分析,目前我国GIS发展中存在的问题主要表现在如下几个方面: 1。GIS的科学和经济价值尚未被广泛地接受和认知,因此处于资金投入不足，推广应用比较困难的局面。 2。根据有关资料的分析,地理信息系统中数据部分要占整个系统投资的百分之七十左右,也就是说GIS系统的建立需要大量的数字地图或电子地图及其属性信息库的支持,但在我国地图数字化的比例 还很低。这需要政府部门及有关企业投入大量的精力及资金进行数字地图的建库工作。 3。GIS市场尚未形成,有关数字产品的法律，权属，定价等方面的问题还没有得到有效的解决。