第23卷第3期水利水电科技进展2003年6月
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50179023);高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目(2001272)作者简介:钟登华(1963)),男,江西赣州人,教授,博士生导师,主要从事工程系统仿真与优化研究.
GIS 在水利水电工程可视化仿真研究中的应用
钟登华,朱慧蓉,刘东海,毛寨汉
(天津大学建筑工程学院,天津 300072)
摘要:将GIS 与系统仿真技术相结合,利用GIS 特有的空间数据可视化组织结构,采用集成模式与扩展连接模式相结合的方式,使系统仿真应用模型与GI S 系统之间在原始数据采集及模拟数据的可视化表达这两个阶段实现彼此数据的交换和共享,从而实现仿真的可视化.结合作者近年来的有关科研工作,总结了GIS 与系统仿真技术相结合在水利水电工程施工导截流、地下厂房施工过程、混凝土坝施工全过程、施工总布置等问题的可视化仿真研究中的应用现状,并展望了其发展前景.关键词:地理信息系统;水利水电工程;可视化;仿真
中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1006O 7647(2003)03O 0014O 03 系统仿真技术是随着计算机科学与技术的发展而逐步形成的一种新技术,它已成为复杂工程设计和管理的有效分析手段.在水利水电工程这一传统领域中系统仿真技术已被运用到多个方面并取得显著效果.然而,众多水利水电工程均庞大而复杂,直观清晰地描述复杂工程建设的施工动态过程,将大大提高工程设计和管理现代化水平[1].因此,寻求新的技术和系统仿真技术相结合,从而实现仿真技术的可视化成为必然趋势.地理信息系统(GIS)是近年来迅速发展起来的一门地学空间数据与计算机相结合的新型空间信息技术,它把现实世界中对象的空间位置和相关属性有机地结合起来,满足用户对空间信息管理的要求[2],并借助其特有的空间分析功能和可视化表达,进行各种辅助决策.至今,GIS 已在水利水电工程规划设计及施工管理等多方面得到广泛的应用,如:文献[3]将GIS 应用于水电规划决策,文献[4]将GIS 应用于大坝安全监测,文献[5]将GIS 应用于施工导流管理决策支持系统等.本文结合近年来我们的科研工作介绍GIS 与系统仿真技术相结合在水利工程可视化仿真研究中的应用现状,并对其应用的发展前景进行展望.
1 GIS 与系统仿真技术相结合的原理
1.1 GIS 信息可视化组织原理
[1]
GIS 中将空间实体对象用图形(空间)数据和属性数据来共同描述,并分别使用不同的存储模块.前
者描述实体的几何空间数据和拓扑关系,后者用来
描述实体的属性及两者的关联标识,空间数据和属性数据通过内部代码和用户标识码作为公共数据项连接起来,使得构成空间对象的每一个图元与描述该图元的属性建立一一对应的关系(图1),这种空间数据组织结构为数字模型的可视化空间操作与分析提供了条件,从而为仿真可视化奠定了基础.
图1 GIS 数据可视化组织结构示意图
1.2 集成方式
研究人员将GIS 与系统仿真技术相结合进行新的综合应用研究,充分发挥它们的优势,并互相弥补不足之处.这也能够为它们各自的发展提供相互促进、相互作用的集成环境.
GIS 强调对空间数据的处理,它把现实世界中实体对象的空间位置与相关信息有机结合起来,满足用户对空间信息的管理与分析,并借助图形图像及3D 动画技术,实现空间信息的可视化表达.GIS
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特有的空间数据库结构为系统建模与仿真可视化创造了条件.GIS 与系统仿真的结合可以发生在原始数据采集及模拟数据的可视化表达这两个阶段.一般两者的结合有两种方式:一种称为/融合式(melting pot)0,这种集成方式是紧密结合方式,尽管它使两者间数据传递方便高效,操作简便,但开发费用高,开发周期长;另一种集成方式是通过建立两者的扩展模块来实现彼此数据相互交换和共享信息,这种集成方式相对松散,但它开发简便、费用低廉,而且由于两者的相对独立性及可扩展性,便于系统的维护及进一步开发.工程应用中一般采用后者,即系统仿真的原始空间数据及信息通过GIS 获取,经数据管理扩展模块传递至仿真环境,然后仿真所产生的过程及结果数据再由扩展模块进入GIS,用于反映仿真过程的可视化[1]
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根据GIS 软件系统与其他平台结合的三种模式[1]的优缺点,并考虑GIS 与仿真环境的具体结合方式,具体开发时可采用集成模式与扩展连接模式相结合的方式,即既通过Windows 的DDE 技术调用动态数据链接库,又通过不同平台间的数据文件扩展接口,使应用模型与GIS 之间实现彼此数据的交换和共享[5]
.图2反映出两者的集成方式及结合过程中各模块间的逻辑关系
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图2 GIS 与系统仿真的集成方式
1.3 GIS 可视化实现过程
GIS 提供了绘制各种类型图元的方法,主要包括点、线、多边形等简单的图形.对于复杂物体,利用基本图元显得比较麻烦.为此,可采用一种拓扑点连接法,利用该方法不需要进行复杂的数学计算,当数据点足够多时就可以绘制出极为精确的图形.GIS 三维空间数据模型主要是表达空间目标的几何信息和属性信息,同时相对独立地表达空间目标的拓扑关系.
GIS 的可视化过程,即实现模拟数据到图像的变换,分为三个子过程:
a.数据操纵.数据操纵主要完成数据的过滤,是原始数据的加细或增强,并转化为适合后续可视化操作的表示形式.
b.可视化映射.可视化映射将数据过滤导出的数据转换为抽象可视化对象(AVO),体现为各种可视化技术.GIS 的可视化过程是基于信息处理的,模型以信息链的形式表示,并存放在数据库中.
c.绘制.绘制将AVO 转换为可显示的图像.可以利用GI S 强大的动画及图形图像处理技术实现模拟数据、仿真过程的可视化表达.通过建立坐标系及实体的数字模型,按照一定方式将实体与其属性一一对应,从而反映实体的静态空间特征.
具体实现过程表现为:首先创建和组装三维场景(creating and populating a 3D scene),接着通过三维实体建模创建三维形状(creating 3D shapes).三维实体模型可以直接由其三维形体坐标参数构建,也可由二维形体生成,其高度由形体特征的几何属性提供,或由表面纹理数据提取.三维实体模型再经过纹理、光照、消隐、阴影等计算显示在三维场景中.
2 应用情况
a.GIS 应用于施工导截流三维动态可视化仿真系统[5].将GIS 作为可视化平台,VC++,VB 等作为仿真计算平台.水文实时数据库和大坝施工实时数据库等数据库存放在GIS 平台的表(table)中,通过Windows 的DDE 技术将数据传递给调洪演算、日径流模拟、导流实时风险率计算等仿真模块,这些仿真计算模块用VC++,VB 等平台开发,模拟所得数据再传回GIS 平台,以图形、报表的形式输出.数据在GIS 平台和VC++,VB 等平台间简便迅速地传递,保证了系统开发环境的协调统一.借助GIS 强大的空间查询能力可以方便地查询任意时刻施工导流面貌及相应信息.
b.GIS 应用于地下厂房施工过程可视化仿真系统[6].GIS 在地下厂房施工过程可视化仿真系统中的作用主要体现在仿真结果的可视化上.首先运行仿真程序得到确定方案下的洞室施工过程的信息,将所得参数按工序以电子表格的形式输出.GIS 读取这些数据并将其转换成相应的数据库.利用其中的时间参数,通过编程生成任一工序任意时刻的面貌S i (t)(i 工序t 时刻的面貌),则地下厂房系统任意时刻的整体面貌S(t)=
E S i (t).过程演示时
通过对施工面貌数据库的循环,逐条读取数据库中每条记录的形体数据及其他的相关信息,形体数据
以图形的形式显示在三维图上,其他信息以文本的形式显示在信息框中.
c.GIS 应用于混凝土坝施工全过程三维可视化仿真系统[7,8].首先建立数字地形模型,然后建立混凝土坝施工系统中建筑物的三维实体模型.所建的
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大坝实体模型按照分层分块原则划分成浇筑块来表现,该模型为大坝施工仿真提供不可或缺的浇筑块形体参数.需要说明的是,为了体现施工的动态过程,在反映实体的数据结构中还应包括时间特征,以便在三维演示中根据时间顺序调用不同的实体单元组成施工面貌.把工程施工任意时刻的整体面貌储存在图形库中,并与其一一对应的属性数据建立联系,从而在动画演示时,按时间顺序读取图形库中的形体数据及相应的属性信息,不断更新绘图变量和属性变量赋值,并不断刷新屏幕显示,当图像快速连续时,由于视觉的暂留,就实现了整个混凝土坝施工过程的三维面貌及相应信息的动态显示.GIS在混凝土坝施工全过程三维可视化仿真系统中的作用表现在仿真数据的前处理和仿真结果的可视化上.
d.GIS应用于水利水电工程施工总布置可视化仿真系统[9].在GIS平台上建立数字地形和施工场地布置系统中各系统部件的三维数字实体模型,这些数字模型既是可视化的基础模型,也是动态仿真的基础模型.GIS中信息的可视化组织表现在对系统数据库的操作及管理上.由于GIS特有的混合数据库设计结构,将施工总布置数据存储形式分为两个部分:一是实体的图形数据库,它主要存放实体的各种专题图及组成这些专题图的所有图素;二是图素的属性数据库,它主要用来存放描述图素的属性数据,如实体名称、施工起止时间、实体空间坐标等.空间数据和属性数据通过内部代码和用户标识码作为公共数据项连接起来,使得描述图素的属性数据与其图素建立一一对应的关系.根据不同工程的施工期长短,选择恰当的基本时间步长,再辅以典型时刻面貌,动态地显示施工过程,可以使施工生产管理者对工程进展情况有一个全面直观的了解.
3发展前景
GIS在水利水电工程可视化仿真研究中的应用还有待进一步发展,应用的发展既要与GIS本身的发展相结合,又要与水利水电工程专业相结合,同时,应用研究的深入进行也将赋予GIS发展趋势以新的内涵.
a.GIS数据精度.在GIS中,从数据的收集、准备、扫描,到数据的各种处理和分析,每一个环节都可能产生人为误差或累计误差.虽然空间数据的来源机理还有待进一步研究,但仍应考虑采取一定的手段来尽量减少误差.
b.4D GIS.施工可视化仿真中,众多描述对象都在不断变化,时间是一个很重要的因素,仅将时间特征作为属性数据库中的一个属性还不能很好地解决问题.对时间序列的需求将意味着在三维GIS数据模型中加入一个时间维,最终实现对三维实体本身、三维实体间的关系,以及三维实体随时间变化的情况准确、有效地描述和表达.
c.WebGIS.Internet可以提供强大的地理信息发布媒体,它与GIS融合,正逐渐形成一新的技术))) WebGIS.可视化仿真中大量数据的交流和传输问题可借助这种新技术得到解决.和传统GIS相比, WebGIS有更广泛的访问范围、平台独立性、降低系统成本、更简单的操作和平衡高效的计算负载等优点[10].需要加以控制的是数据的保密性,从而保障数据安全.
4结语
本文总结了GIS与系统仿真技术相结合在水利水电工程诸多问题可视化仿真研究中的应用现状,研究现状表明,GIS强大的空间数据管理功能和图形显示功能为仿真数据可视化表达提供了有力的技术手段.但是,GIS应用到水利水电工程可视化仿真研究中仍有许多有待发展和改进的地方,对数据精度和时间特性的处理以及在网络GIS方面有待进一步研究,本文亦对此进行了分析和展望.
参考文献:
[1]钟登华,郑家祥,刘东海,等.可视化仿真技术及其应用
[M].北京:中国水利水电出版社,2002.
[2]Li R X.Data structure and application issues i n3D geographic
information system[J].Geomatics,1994,48(3):209~214. [3]贺军,谈为雄.基于GIS的水电规划决策支持系统框架设
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[4]吴中如./4S0集成技术在大坝安全中的应用[J].水电能
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[6]钟登华,张伟波,郑家祥.大型地下洞室群施工系统仿真
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可视化设计方法初探[J].水利水电技术,2001,32(12): 32~34.
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[10]Burrough P A,McDonnell R.Principles of geographical
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(收稿日期:2002O09O23编辑:熊水斌)
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ADVANCES IN SCIENCE AND Vol.23No.3 TECHNOLOGY OF WATER RESOURCES Jun.20th2003
Irrigation development strategy of China for early 21st century/PEI Yuan-sheng,et al(Water Resources Department,China Institute o f Water Resources and Hydropo wer Research,Beijing100044,China) Abstract:Based on the macroeconomic the orem,an analysis is made on the trend of development of a griculture and national economy in China in the early 21st century and its require ment for irrigation development.To ensure the sustainable development of social economy and sustainable utilization of water resources,a ne w idea and strategy for irrigation development,suitable for the present stage of socioeconomic development in C hina,are put forward.In consideration of the local water resources and environmental conditions,specific objectives are proposed for irrigation development in different areas of China. Finally,some measures are summarized for irrigation development,with emphasis placed on the development of wa ter saving irrigation,implementation of pipe irrigation and drainage in southern China,popularization of centralized water supply and scattered water impoundment,enlargement of irrigated areas by water supple ment,conjunctive utilization of surface water and groundwater,and combination with local water and soil resources.
Key words:irrigation;development strate gy;sustainable development;regionalization
Net backw ard effect calculation of water conservancy investment in capital construction in main river basins of C hina/C HEN X-i kang,et al(Academy o f Mathematics and Systems Science,Chinese Academy o f Sciences,Beijing100080,China)
Abstract:For research of the economic benefit of water conservancy investment in capital construc tion(WCICC), new concepts concerning the positive effect of the final demand on economy are put forward,i. e.the net backward effect and gross backward effect,and their calculating methods are also developed.Based on1999.s inpu-t occupancy-output table of nine river basins of China compiled by the water project research group of Academy of Mathematics and Systems Science,C AS,the net backward effect and gross backward effect of WCICC are calculated for the nine river basins by use of the partially closed inpu-t output model,and the calculated results show that,except for a few river basins,WCICC has great effects on local economy as compared with the investments in other industries,especially in the river basins short of water resources.In the Songhua River and Liaohe River Basin,the effect of WCICC is significant,the net backward effect of the water conservancy construction industry ranking the second in all the departments;while in other river basins where water resources are abundant,the net backward effect of W CIC C is relatively small.
Key words:inpu-t output analysis;net backward effect; water conservancy investment in capital c onstruction; inpu-t occ upanc y-output table;river basins
Water resources protection in Taihu Lake Basin/ C HE N He-sheng(Taihu Lake Basin Water Resources Protection Bureau,Shanghai200434,China) Abstract:According to/the tenth five-year plan0for the Taihu Lake water pollution remediation,it is necessary to take measures and develop projects at different levels of the large river basin for overall ecological rehabilitation under the premise of c ontinuous strengthening of poin-t source and area-source pollution control,and to implement guarantee measures from the aspects of laws and regulations,government supervision and manage ment,fund investment,public participation, scientific and technical renovation,and development of environmental protection industry.Some countermeasures are proposed for implementation of comprehensive regulation of land areas,ecological restoration of lakes, unified manage ment of water resources,and water source and groundwater protection.
Key words:water pollution remediation;wa ter resources protec tion;Taihu Lake Basin
Application of GIS to visualized simulation of hydraulic and hydropow er engineering/ZHONG Deng-hua,et al(School o f Civil Engineering,Tianjin Univ., Tianjin300072,China)
Abstract:A ne w application research,which integrates GI S with syste m simulation technology,is performed.By use of the special visualized spatial data organization structure of GIS and by combination of the inte grated mode with extended conjunctive mode,the data exchange and sharing between the simulation application model and GI S are realized in the system at the sta ges of original datum collection and visualized expression of simulation results,thus,the visualized simulation is also realized. Based on the authors.researc h work in this field,a summary is made of the present situation of the application of the integrated technology to visualized simulation of water diversion and closure during construction of hydraulic and hydropo wer projec ts, underground plant construction,concrete dam construction,and the overall arrangement for
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construc tion;the further development of the technology is also prospec ted.
Key words:GIS;hydraulic and hydropower project; visualized simulation
Prevention of sal-t tide down-draught from north branch of Yangtze River Estuary to support South-to-North Water Transfer/C HE N Me-i fa(Shanghai Water Authority,Shanghai200040,China)
Abstract:There are two drinking water sources in Shanghai,i.e.the Songpu Bridge water source on the upper Huangpu River,and the Chenhang Reservoir water source at the Yangtze River Estuary.The former supplies 80%of the total volume of raw water,being the grade-IV surface water,and the latter supplies20%,being the grade-II surface water.To increase the total volume of wa ter supply and improve the quality of ra w water,it is necessary to strengthen the development and utilization of fresh water resources at the Yangtze River Estuary. However,in the dry season,the water quality at the Yangtze River Estuary is prone to be polluted by direct sal-t tide encroachment from the south branch and indirect sal-t tide down-draught from the north branch,and hydrological tests show that the impacts of the latter is more serious.Furthermore,after the completion of the South-to-North Water Transfer Project,especially the west route projec t,the operation of the projec t will decrease the runoff through the Yangtze River Estuary,and lower the water level at the estuary,further aggrava ting the sal-t wa ter encroachment to the Yangtze River Estuary.For protection of the fresh water resources of the south branch of the Yangtze River Estuary and promotion of the South-to-North Water Transfer Project,Shanghai Water Authority has granted a special projec t to search for engineering measures to prevent the sal-t tide down-draught from the north branch and non-engineering measures for reasonable dispatch and allocation of water resources of the Yangtze River.
Key words:Yangtze River Estuary;sal-t tide encroachment;sal-t tide do wn-draught from north branch; South-to-North water Transfer;countermeasures
W ater resources development and utilization in Heihe River Basin/YANG Xiang-hui,et al(College o f Economics,Hohai Univ.,Nanjing210098,China) Abstract:An analysis is made on the volume, composition,distribution,and charac teristics of water resources of the Heihe River Basin and the present situation of their development and utilization.Some problems are pointed out in the development and utilization of the water resources of the river basin, including e xcessive diversion inlets and plain reservoirs, poor channel distribution and c orollary engineering facilities,low level of development and utilization of groundwater resources,low-efficient water utilization in some places,serious e vaporation and seepage losses of water resources,and lack of key water resources control and regulation projects,and these problems aggravate the deterioration of the ecological environment of the Heihe River Basin.Finally,it is proposed that only the scientific allocation and efficient utilization of water resources can promote the c oordinate development of the local economy,society,and environment of the Heihe River Basin.
Key words:Heihe River Basin;water resources; development and utilization;ecological environment Fuzzy control principle-based mult-i objective decision-making method/ZOU Jin,et al(College o f Hydro power and In formation Engineering,Huazhong University o f Science and Technology,Wuhan430074, China)
Abstract:A ne w solution to the mult-i objective decision-making problem with qualitative variables is developed based on the fuzzy c ontrol principle.In this method,by fuzzification of the objective values and weight,the fuzzy inference and defuzzification process are employed to evaluate each alternative,and further to implement the mult-i objective decision-making.Finally,the practicability and effec tiveness of the solution are verified by a case study.
Key words:mult-i objective decision-making;fuzzy control;fuzzy set
Discussion on weir flow coefficient for broad-crest ridge-free weirs/TI AN Jian,et al(Shandong Survey and Design Institute o f Water Conservancy,Jinan 250013,China)
Abstract:The broad-crest ridge-free weir is a common structural form of hydraulic structures.In determination of the size of sluice projects,the influence of weir flow coefficient should not be ignored.For convenient and precise determination of the flow coefficient for broad-crest ridge-free weirs according to the compulsive requirement of the current trade standard,a disc ussion is made on the adoption of the calculating formula,conforming to/the sluice design specifications0SL265-2001,to derive a suitable value of the flo w c oefficient for further calculation of the discharge capacity and determination of scale of sluice projects by a comparative analysis of data from hydraulic model tests on some completed hydraulic projec ts.It is concluded that the flow c oefficient in the range of0.36~0.375is suitable for broad-crest ridge-free weirs with a rec tangular conjunctive section between the upper and lower reaches of lock-chambers under free outflow conditions.
Key words:sluice design;broad-crest ridge-free weir; hydraulic model test;weir flow coefficient;range of value
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GIS软件应用（MapInfo）（书） 一.填空题 1. MapInfo软件具备的GIS基本功能有、、、 和等。 1. GIS基本功能有、、、、和 等 地理信息输入、编辑、查询、显示、分析和输出 P8 2. GIS（mapInfo）中空间数据可用和数据结构表示。 2. GIS中目前主要采用和数据结构表示空间数据。 矢量和栅格 P9 3. 根据代码符号的表示形式可将代码分为、和三种类型。 数字型、字母型、数字和字母混合型 P10 3. 根据代码符号的作用可将代码分为和两种类型。 P10 分类码和标识码 4. MapInfo中提供的坐标系统有、和三种类型。 经纬度表示的地理坐标系统、多种投影坐标系统和非投影（Non-Earth）坐标系 P13 4. MapInfo系统默认的坐标系统是，并用表示坐标值。 经纬度表示的地理坐标系统，用十进制弧度值表示坐标值。 5. MapInfo中提供的选取地理目标方法可分为、和三种类型。 定位区域属性 P25 6.地理数据采用的表示方法有、、和等。 文字、报表、图表、地图和数字地图等 7. MapInfo中地图标注可采用和两种方法实现。 自动标注或交互式标注 8. 通常一个MapInfo表包含、、、 和等五个文件。 属性数据的表结构文件（.TAB）、属性数据文件（.DAT）、交叉索引文件（.ID）、图形数据文件（.MAP）、索引文件（.IND）。 9. MapInfo中，除了一般操作的图层外，还有和两个特殊图层。 装饰图层、无缝图层 9. MapInfo中的图层控制工具可以控制、、和属性。 图层可见、可编辑、可选和可标注 10. MapInfo中，输入线的工具有、和 直线、折线、曲线
第二节地理信息技术在区域地理环境研究中的应用 教学目的： 1．了解遥感、全球定位系统、地理信息系统的原理，以及数字地球的含义。 2．举例说明遥感、全球定位系统、地理信息系统在区域地理环境研究中的应用 教学重难点： 1．遥感、全球定位系统、地理信息系统的原理，以及数字地球的含义 2．遥感、全球定位系统、地理信息系统在区域地理环境研究中的应用 教具准备：有关挂图等、自制图表等 教学方法：比较法、图示分析法、图示法等 教学过程： 第二课时 三、全球定位系统(GPS) 1．概念： 利用卫星，在全球范围内适时进行导航、定位的系统，称为全球定位系统，简称GPS。 2．组成： 空间部分——GPS卫星星座(图)．7)； 地面控制部分—一地面监控系统； 用户设备部分——GPS信号接收机。 3．特点 全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性 4．应用 ⑴为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。 ⑵在区域地理环境研究中的应用。 如：野外调查是区域地理环境研究常用的方法之一，全球定位系统可以帮助野外考察人员确定考察点的地理位置(经度和纬度)、高程(海拔)，从而可在野外调查中获得更为精准的数据。 ⑶ 在日常生活中应用——GPS导航 无论是在何时何地，只要拥有GPS信号接收机，就能知道自己前进的方向和所处的地理坐标。利用GPS为导航服务也成为—种新兴的行业(图1．8)。 GPS汽车导航（图1．8）汽车导航装置可显示城市道路图和该车的位置。驾驶员辅入出发点和目的地的地名然后从系统显示的可行路线中选择其中的一条。系统除动态显示该车的位置》L还通过语音提示引导驾驶员把车开到目的地。 5．GPS卫星星座
gis设计与开发 Gis设计与开发思路 现实需求、GIS概念模型、机理过程、人机交互系统、现实需求 开发方式：独立开发，扩展式二次开发，集成式二次开发 第一章GIS设计思想内容，标准 （一）GIS设计目标 通过改进系统设计方法，严格执行开发的内容划分，进行阶段质量把关以及做好项目建设的组织管理工作，从而达到增强系统的实用性，降低系统开发和应用的成本，延长系统生命周期的目的。 （二）GIS设计的特点 1、数据：数据量大，实体种类繁多、实体间关联复杂的特点 2、功能：GIS设计以空间数据为驱动 3、工程：GIS工程投资大，周期长，风险大，涉及部门繁多 二gis设计的理论基础 Gis工程学：GIS本身发展和将系统工程学思想引入GIS设计的产物 （一）GIS工程学体系 1、任务：寻求系统总体最优化 2、基础理论：（1）系统学思想（整体性，层次性，相关性，功能性，动态性），（2）系统工程学（3）软件工程学（4）地理信息科学三层次（理论，技术，应用） 3、方法论：根据GIS工程学的基础理论而形成的一系列程序化的基本操作技术与方法（二）GIS工程学的特点 1、以空间信息系统工程优化为目的 2、横跨多学科 3、直接面向决策，为可持续发展提供决策支持 4、与GIS产业化密切相关 三GIS设计的内容 （一）设计原则：标准化，先进性，兼容性，高效性，可靠性通用性 （二）设计内容 软件设计和数据库设计 第二章gis设计的方法 一、结构化生命周期法 1、结构化生命周期法又称结构化分析和设计方法，又称结构化系统开发方法 结构化生命周期法是系统分析员，软件工程师，程序员以及最终用户按照用户至上的原则，自顶向下分析与设计和自底向上逐步实施建立计算机系统的一个过程，是组织，管理和控制信息系统的开发过程的一种基本框架。 2、基本思想：（1）要求设计过程必须严格按照阶段进行 （2）在系统建立之前就必须严格的定义和描述用户的需求。 3、阶段划分：（1）系统开发的准备阶段 （2）调查研究及可行性研究阶段
地理信息系统复习思考题 第一章导论 1、解释：信息、数据、地理信息、地理数据、地理信息系统 2、地理信息有何特点？ 3、地理信息系统与CAD、数字制图、一般事务管理有何主要区别？ 4、地理信息系统有哪些类型？ 5、G IS的基本构成有哪些？务部分的主要作用？ 6、G IS的基木功能有哪些？并筒要说明。 7、G IS主要应用在哪些方面？ 8、G IS的发展主要经历了哪4个阶段？备有何主要特点？ 第二章空间信息基础 1、G IS中为什么要考虑地图投影？我国大比例尺采用什么投影方式？ 2、地理空间实体的三要素是什么？它们之间的关系是怎样的？ 3、空间数据的基本特征有哪些？地理信息的数字化描述方法有哪些？ 4、地图投影有哪些类型？ 5、解释：地图投影、拓扑、空间数据、元数据 6、空间对象的描述要素有哪些？ 7、拓扑关系中有哪儿种基本的拓扑关系？其基本含义是什么？在GIS+用拓扑有什么主要作用？ 8、什么是地理空间数据？有哪些类型，并简要说明。 9、地理信息系统的应用功能主要包括哪些方面，并简要说明。 10、地形图“都江堰”的编号是H48G024026,简要说明其编号的含义。 第三章空间数据结构 1、空间实体可抽象为哪几种基本类型？它们在矢量数据结构和栅格数据结构分别是如何表示的? 2、叙述四种栅格数据存储的压缩编码方法。 3、试写出矢量和栅格数据结构的模式，并列表比较其优缺点。 4、叙述由矢景数据向栅格数据的转换的方法。 5、叙述由栅格数据向矢量数据的转换的方法。 6、简述栅格到矢量数据转换细化处理的两种基木方法。 7、解释：地理空间、栅格数据、矢量数据、空间数据结构 8、费尔曼链码的含义是什么？如何取值？ 9、游程编码的含义是什么？有哪2种方式？ 10、块码给栅格数据编码的方式是什么？ 11、四叉树编码的基木思想是什么？ 12、矢量数据的获取方式有哪些？ 13、DIME编码什么？有何特点？
简答题 1．何为GIS设计？ GIS设计就是在GIS开发的整体过程中，遵循一般软件工程的原理和方法，结合GIS开发的特点、特殊规律和要求，对GIS软件从系统定义、系统总体设计、系统详细设计、空间数据库和地理模型库设计、GIS实施、GIS软件测试与评价、直到GIS维护的各个阶段进行工程化规范的方法体系。 2．GIS设计的目标和主要内容是什么？ GIS设计目标就是通过改进系统设计方法、严格执行开发的阶段划分、进行各阶段质量把关以及做好项目建设的组织管理工作，从而达到增强系统的实用性、降低系统开发和应用的成本、延长系统生命周期的目的。GIS设计包括软件设计和数据库设计两部分的内容。 3．GIS有哪些特点？ GIS作为一个特殊的软件领域，其主要特点是海量数据存储及空间数据与属性数据一体化管理，基于GIS本身的特殊性，GIS设计也有其自身的特点：⑴ GIS处理的是空间数据，具有数据量庞大、实体种类繁多、实体间的关联复杂等特点。⑵ GIS设计以空间数据为驱动。⑶ GIS工程投资大、周期长、风险大、涉及部门繁多。 4．简要说明GIS有哪些产品模式及其主要特征。 GIS产品可归结为以下几种模式。 数字地图 数字地图是GIS最简单、最基本的产品之一。通过GIS的地图数据库，可以实现地图的数字化存储，即数字地图。 b）桌面制图 很多GIS产品具有桌面制图的功能（如MapInfo公司的MapInfo，ESRI公司的ArcView，ArcEditor和ArcInfo等产品）。桌面制图提供的产品不仅可以对数字地图进行显示、漫游、缩放，还可以对地图进行实时的编辑。桌面制图是GIS传统的市场领域，也是份额最大的一块。 c）桌面GIS 桌面GIS同时管理空间信息与属性信息，可以进行简单的空间分析操作，还可以在此基础上进行二次开发。由于它们具有界面友好、操作简单等优点，所以广泛应用于城市规划、土地管理、市政管理等部门。 d）专业化GIS 专业化GIS的主要特点是具有相对较强的分析功能。地理数据的基本组成要素包括空间数据、属性数据和拓扑数据。其中，拓扑数据指的是地理要素间的空间位置关系。专业化GIS不仅存储地理要素的空间数据和属性数据，而且还对其拓扑数据进行存储，极大增强了GIS的空间分析功能。 5．为实现地理信息资源共享，必须具备哪些基本条件？ 要实现地理信息资源共享，必须具备三个基本条件：一是数据资源的贮备；二是要有技术支撑系统的保障，例如通讯技术、网络技术、数据库技术等现代化技术手段；三是共享规则的制订、被广泛采纳和遵循，主要包含标准、规范、政策和相关法律。 6．简要说明使用结构化生命周期法进行GIS设计需要完成的六个阶段内容。 ⑴系统开发准备阶段。针对用户提出开发系统的要求，有关人员进行初步调查，组成开发领导小组，制定开发的进度和计划。如果新系统开发采取外包方式，本阶段还要包括招投标过程。⑵调查研究及可行性研究阶段。采用各种方式进行调查研究，了解现行系统的界限、组织分工、业务流程、资源及薄弱环节等，绘制现行系统的相关图表。在此基础上，与用户协商方案，提出初步的新系统目标，并进行系统开发的可行性研究，提交可行性报告。⑶系统分析阶段。在对现行系统进行调查研究的基础上，使用一系列的图表工具进行系统的目标分析，划分子系统以及功能模块，构造出新系统的逻辑模型，确定其逻辑功能需求，交付新系统的逻辑功能说明书。⑷系统设计阶段。根据逻辑模型进行物理模型的设计，并具体选择一个物理的计算机信息处理系统。这个阶段还要进行人-机过程的设计、代码设计、输入、输出、文件数据库设计及程序模块、通讯网络设计等。⑸系统实施阶段。系统实施是新系统付诸实现的实践阶段，主要是实现系统设计阶段所完成的新系统物理模型。包括软硬件设备的安装和调试、程序设计、代码编写、调试。还包括对用户及操作人员进行培训，编制操作、使用手册和有关文档。⑹维护和评价阶段。对系统的修改和完善进行维护，如针对系统处理过程、程序、文件、数据库甚至某些设备和组织的变动进行相应的维护。系统的评价，广义上贯穿于系统开发过程的始终，这里主要指系统开发后期的评价。旨在将建成的新系统与预期的目标做一一比较，不同的指标综合体现为用户的满意程度——可接受性。、原型法是应软件设计新情况和新要求的出现而产生的，其特点主要体现为鼓励用户不断修改和完善需求，并根据新的需求不断修改和完善原型。请说明应用原型法开发信息系统各个阶段的内容。 7．原型法开发信息系统包括哪几个阶段？ ⑴确定用户的基本需求。在这一阶段中，用户根据系统的特点清楚地表达自己的基本需求，系统分析开发人员据此来确定系统的规模及基本框架，判断系统需要的数据能否得到，同时应估算出开发原型的成本。⑵开发初始原型。开发初始原型仅仅反映用户的基本需求，并不要求完善。⑶利用原型来提炼用户需求。用户通过亲自使用原型，从而了解其需求得到的满足程度以及存在的问题。开发人员一方面记录下用户提出的该系统的缺点和不足之处；另一方面也要借助原型系统引导、启发用户表达对系统的最终要求，在用户和开发人员共同反复讨论过程中进一步提炼用户需求以及需要修改和变动之处。⑷修正和改进原型。开发人员根据第三阶段中用户提出的修改意见或发现的问题，对初始原型系统进行修改、扩充和完善。这是一个多次反复的过程，直到用户满意为止。 8．用UML模型进行系统的分析和设计有什么优点？ 采用UML模型进行系统的分析和设计具有以下优点：①在面向对象设计领域，存在数十种面向对象的建模语言，都是相互独立的，而UML可以消除一些潜在的不必要的差异，以免用户混淆；②通过统一语义和符号表示，能够稳定面向对象技术市场，使项目根植于一个成熟的标准建模语言，从而可以大大拓宽所研制与开发的软件系统的适用范围，并大大提高其灵活程度。 9．系统定义时期的主要任务是什么？ 系统定义时期的主要任务是确定软件开发工程必须完成的总目标以及工程的可行性；导出实现工程目标应该采用的策略即系统必须完成的功能；估计完成该项工程需要的资源和成本；并且制定工程进度表；最后编写系统需求分析报告。这个时期的工作通常又称为系统分析，由系统分析员负责完成。10．简述GIS数据字典的任务？ GIS数据字典的任务是对GIS数据流图中出现的所有被命名的图形要素在数据字典中作为一个词条加以定义，使得每一个图形要素的名字都有一个确切的解释。 11．简述GIS成本有哪些部分组成？ GIS的成本由五个部分组成：①购置并安装软硬件及其相关设备的费用；②生产系统所需数据的费用；③软件开发费用；④系统安装、运行和维护费用； ⑤人员培训费用。 12．总体设计的主要任务是什么？ 总体设计的主要任务是确定系统总体架构与软、硬件配置，根据系统分析成果进行系统功能模块的划分，建立模块的层次结构及调用关系，确定模块间的接口及人机界面，并设计数据库总体结构。 13．试述详细设计与总体设计阶段工作的差别？ 详细设计以总体设计阶段的工作为基础，但又不同于总体设计阶段，这主要表现为以下两个方面：⑴在总体设计阶段，数据项和数据结构以比较抽象的方式描述，例如，总体设计阶段可以声明矩阵在概念上可以表示一幅遥感图像，详细设计就要确定用什么数据结构来表示这样的遥感影像。⑵详细设计要提供关于算法的更多细节，例如，总体设计可以声明一个模块的作用是对一个表进行排序，详细设计则要确定使用哪种排序算法。总之，在详细设计阶段为每个模块增加足够的细节，使得程序员能够以相当直接的方式对每个模块编码。 14．结构化方法详细设计的主要表达工具有哪些？ 结构化方法详细设计的主要表达工具有：程序流程图、N-S盒式图、问题分析图、类程序设计语言、序列图和活动图。 15．试说明关系型数据库建库三个范式的内涵。 第一范式（first normal form，简称1st NF）要求同一张表中没有重复项出现，如果有则应将重复项删除。这个删除重复项的过程就称为规范化处理。第二范式（sencond normal form，简称2nd NF）要求每个表必须有一个（而且仅一个）数据元素为主关键词（primary key），其它数据元素与主关键词一一对应。主关键词在表中必须具有唯一性，作为主关键词的数据项中不能出现重复的记录。第三范式（third normal form，简称3rd NF）是指表格中的所有数据元素不但要能够唯一地被主关键词所标识，而且他们之间还必须相互独立，不存在其它的函数关系。也就是说对于一个满足2nd NF的关系表来说，表中有可能存在某些数据元素的函数还依赖于其它非关键词数据元素的现象。 16．程序编写的组织管理包括哪些内容？ 程序编写的组织管理包括：1)对程序员组织训练；2)购进软件消化利用；3)程序编写；4)程序模块的调试；5)程序模块的验收。 17．组件式GIS具有哪些特点？ 1)小巧灵活、价格便宜；2)无须专门GIS开发语言，直接嵌入可视化开发工具；3)不逊色于传统GIS软件的强大GIS功能；4)直接嵌入各种开发工具，开发简捷；5)更加大众化，使非专业的普通用户也能够开发和集成GIS应用系统。 18．简述述组件式GIS应用系统的开发过程。 用户调研、可行性研究、用户需求分析、系统总体设计、系统详细设计、基础平台选择、熟悉基础平台、进行二次开发、系统测试、系统维护和系统使用。 19．简述程序代码编写过程中应注意的问题？ 1)程序语言的选择；2)程序设计风格的确定；3)系统代码文档的编写。20．简述程序调试过程中发现的错误有哪些排除方法？ 方法有：1)硬性排错：采用试验的方法，比如设置临时变量、增加调试语句、设置断点、单步执行等。2)归纳法排错：准备几组有代表性的输入数据，反复执行，对得出的错误结果进行整理、分析、归纳，提出错误原因及位置假想，再用新的一组测试数据去验证这些假想。3)演绎法排错：针对各组测试数据所得出的结果，列举出所有可能引起出错的原因，然后逐一排除不可能发生的原因与假设，将余下的原因作为主攻方向，最终确定错误位置4)跟踪法排错：在错误征兆附近进行跟踪找错；错误诊断出来以后，需要进行修改；修改完后，应立即利用先前的测试用例，重复先前的测试过程，进一步验证排错的正确性。 21.系统文档主要包括哪些内容？ 系统文档主要包括系统实施方案、系统架构方案、系统分析报告、系统总体设计、数据库设计报告、系统详细设计、系统测试报告、用户手册等。22.如何有效地维护和管理系统文档？ 1)软件开发小组应由一位文档保管员负责集中保管本项目的已生成文档（主 文档）。2)开发小组成员可根据工作需要自己保留一些个人文档，但这些文档 一般都应是主文本的复制件，应与主文本保持一致，在做必要修改时，也应 同步修改主文档。3)开发人员个人只保存主文档中与本人工作有关的部分文 档。4)在新文档取代旧文档时，管理人员应及时注销旧文档。在文档的内容 有更改时，管理人员应随时修订主文档，使其及时保持最新。5)在软件开发 过程中，可能需要修改已完成的文档。修改主文档前应充分估计修改可能带 来的影响，并且按照提议—评议—审核—批准—实施的步骤加以严格控制。 6)开发过程结束时，文档管理人员应收回开发人员的个人文档，并同时检查 个人文档与主文档的一致性，当发现两者有差别时，应立即着手解决。 23.简答系统实施阶段的任务？ 系统实施阶段的任务可概括为以下五个方面： ①硬件和软件的购置及安装。包括计算机、绘图机、数字化仪、扫描仪等输 入输出和分析处理设备以及各种支撑软件如操作系统、数据库系统、编译系 统的购置安装。②程序的编写与调试。由于各模块的详细设计已经形成，只 需要编写相关程序。一般的处理办法是自编程序，但对于一些比较特殊的成 熟的算法可购买，程序编写后要进行调试，以减少程序的错误。③系统的安 装与调试。即对系统硬软件的安装及调试。④培训。在购买硬件、编写软件 的同时，应对用户进行培训。同时，这也是考验及检查系统结构、硬件设备 和应用程序的过程。⑤系统中有关数据的录入或转换。指的是各种地图数据 及属性数据的输入或从其它系统转化过来的过程，这个工作量是相当大的， 需要耗费大量人力、物力及时间。 24.在系统实施阶段，如何选择程序语言？ 程序语言的选择应作如下考虑：①考虑编程的效率及代码的可读性。一般应 选择高级语言作为主要的编程工具。②考虑要符合详细设计的思想。一般应 选择结构化的语言，如C、Pascal等，这些语言的特点是直接支持结构化的 控制结构，具有完备的过程结构和数据结构。③程序设计语言应是一种通用 语言。因为GIS软件既包括数据、图形处理及分析，还包括对各种软硬件的 控制等，任何一种专用型的高级语言都无法完全胜任。④考虑到程序的执行 效率以及对某些特殊硬件的控制和操作要求。可以针对特定的模块采用混合 编程，达到程序的特别目的。⑤考虑编码和维护成本。选择合适的高级语言 以降低编码量及日常维护工作中的困难程度。⑥根据系统开发的不同规模， 选择合适的高级语言。比如对于一个大型的GIS，用Turbo C就可能不完全 适用，而应选择Visual C++等易于项目管理的高级语言。⑦根据不同的开发 平台和使用平台，选择不同的语言。⑧系统的兼容性、移植性等。 25.简单述GIS软件评价的含义以及评价的内容。 GIS评价是在GIS测试的基础上，通过对技术因子、经济因子和社会因子（如 进行评价，从而得出对系统整体水平以及系统实施所能取得的效益的认识和 评价。软件评价的内容包括：1)技术评价：可靠性、可扩展性、可移植性、 系统效率。2)经济评价：系统产生的效益、软件商品化程度、技术服务支持 能力、软件维护与运行管理。3)社会评价：系统的科学价值、系统的政治与 军事意义、系统决策能力、管理工作改革。 26.试简述GIS维护流程？ 1）提交GIS维护申请；2）评估维护请求；3）维护过程；①确定维护的类型。 ②改正性维护。③适应性和完善性维护。④实施维护工作。⑤编写详细的维 护报告。 简述GIS可行性研究工作的主要内容？ 简述系统详细设计阶段的目标与任务？ 简述地理建模的一般过程？ 简述GIS软件维护工作的影响因素？ 论述题 1．论述系统可行性研究的主要内容是什么？ 2．论述GIS工程学的主要任务、理论基础和内容分别是什么？ 3．GIS规范化和标准化在GIS产业化和社会化过程中的作用是什么？其具体 内容主要体现在哪些方面？ 4．论述GIS详细设计阶段的表达工具有哪几种？各有什么特点？ 5．简要论述GIS软件评价的基本方法，评价类型及评价指标？ 6．论述空间数据库建库流程？ 7．试简述结构化生命周期法包括哪几个阶段？每个阶段的基本任务是什么？ 8．简述在GIS系统实施时有哪些系统实施人员参与及他们各自的任务？ 9．论述地理信息管理与更新的主要技术手段及各自的特点？ 1
第五章地理信息系统产品输出 S扛地理信息系统产品类型 地理信息系统产品是指由系统处理、分析，可以直接供研究、规划和决策人员使用的产品，其形式有地图、图像、统计图表以及各种格式的数字产品等。地理信息系统产品是系统中数据的表现形式，反映了地理实体的空间特征和属性特征。 地图是空间实体的符号化模型，是地理信息系统产品的主要表现形式(如图5-1)，地图具有以下特征: 「采用特殊数学法则产生的可量测性:制作地图采用地图投影、比例尺和定向将地球表面的实体投影到二维平面并制成各种分幅的地图。 2·使冉符号化模型产生的直观性:地图使用符号表示实体，符号的视觉感受由符号的视觉变量决定，视觉变量包括形状、尺寸、色相、色值、色强度、图案排列、图案方向、图案纹理等。地图符号根据其形式可分为点状符号、线状符号、面状符号。地图的符号模型简化了地物图形，可以选择性地表示地物并与地物的实际大小无关，能够表示视觉上相互重叠的多种要素和不能直接看到的现象，还可反映实体的质量特征。 3·采用制图综合产生的一览性:制图综合对实体质量特征进行分类分级，对次要的实体或实体特征进行选取概括，使得反映的地理现象主次分明，确切地表示出各要素间相互关系，更易于理解事物本质和规律。 根据地理实体的空间形态，常用的地图种类有点位符号图、线状符号图、面状符号图、等值线图、三维立体图、晕演图等。点位符号图在点状实体或面状实体的中心以制图符号表示实体质量特征;线状符号图采用线状符号表示线状实体的特征;面状符号图在面状区域内用填充模式表示区域的类别及数量差异;等值线图将曲面上等值的点以线划连接起来表示曲面的形态;三维立体图采用透视变换产生透视投影使读者对地物产生深度感并表示三维曲面的起伏;晕喧图以地物对光线的反射产生的明暗使读者对三维表面产生起伏感，从而达到表示立体形态的目的。 图像也是空间实体的一种模型，它不采用符号化的方法，而是采用人的直观视觉变量(如灰度、颜色、模式)表示各空间位置实体的质量特征。它一般将空间范围划分为规则的单元(如正方形)，然后在根据几何规则确定的图像平面的相应位置用直观视觉变量表示该单元的特征。 非空间信息可采用统计图表表示。统计图将实体的特征和实体间与空间无关的相互关系采用图形表示，它将与空间无关的信息传递给使用者，使得使用者对这些信息有全面、直观的了解。统计图常用的形式有柱状图、扇形图、直方图、折线图和散点图等。统计表格将数据直接表示在表格中，使读者可直接看到具体数据值。 随着数字图像处理系统、地理信息系统、制图系统以及各种分析模拟系统和决策支持系统的广泛应用，数字产品成为广泛采用的一种产品形式，供信息作进一步的分析和输出，使得多种系统的功能得到综合。数字产品的制作是将系统内的数据转换成其它系统采用的数据形式。 地理信息系统产品的输出设备有打印机(字符/图形)、绘图机、显示屏、胶片记录仪等。根据图形设备输出形式可以将其划分为矢量制图设备和栅格制图设备。矢量制图设备以点和线划作为其输出方式，栅格制图设备以制图单元为输出方式。 根据制图指令的形式也可以将制图方法分为矢量制图和栅格制图。矢量制图万宽嫡常来历欠量数据作为输入，根据坐标数据和属性数据将其符号化，然后通过制图指令驱动制图设备;也可以采用栅格数据作为输入，将制图范围划分为单元，在每一单元中通过点、线构成颜色、模式表氏其驱动设备的指令依然是点、线。矢量制图指令在矢量制图设备上可以直接
读书报告：地球空间信息学与数字地球 引言：最近有幸拜读了中国科学院院士、中国工程院院士李德仁的文章《地球空间信息学与数字地球》，感觉颇受教益。李德仁教授，中国科学院院士，中国工程院院士，主要从事地理信息系统、摄影测量与遥感等领域的教学和科学研究工作。代表成果：高精度摄影测量定位理论与方法；GPS辅助空中三角测量；SPOT卫星像片解析处理；数学形态学及其在测量数据库中的应用；面向对象的GIS理论与技术；影像理解及像片自动解译以及多媒体通信等。地球空间信息科学(Geo-Spatial Information Science——Geomatics)是以全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)等空间信息技术为主要内容，并以计算机技术和通讯技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用与地球和空间分布有关的数据的一门综合和集成的信息科学和技术。地球空间信息科学是以“3S”技术为代表，包括通讯技术、计算机技术的新兴学科。它是地球科学的一个前沿领域，是地球信息科学的重要组成部分，是数字地球的基础。美国副总统戈尔在《数字地球——认识21世纪我们这颗星球》的报告中阐述了数字地球的概念。所谓“数字地球”，可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题，最大限度地利用资源，并使普通百姓能够通过一定方式方便地获得他们想要了解的有关地球的信息，其特点是嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、三维描述，通俗地说就是虚拟地球。 内容概述：叙述了地球空间信息学和数字地球的基本概念。讨论了地球空间信息学的形成、理论基础和技术体系，以及数字地球的关键技术和应用。分析了两者的相互关系，提出空间数据基础设施是数字地球的基本建设，发展数字地球为传统测绘行业带来了一个极好的发展机遇和一系列的挑战。 1 地球空间信息学 1.1 地球空间信息学的形成 空间定位技术、航空和航天遥感、地理信息系统和互联网等现代信息技术的发展及其相互间的渗透，逐渐形成了地球空间信息的集成化技术系统。近二三十年来，这些现代空间信息技术的综合应用有了飞速发展，使得人们能够快速及时和连续不断地获得有关地球表层及其环境的大量几何与物理信息，形成地球空间数据流和信息流，从而促成了“地球空间信息科学”的产生。 1.2 地球空间信息学的理论基础 地球空间信息科学理论框架的核心是地球空间信息机理。地球空间信息机理作为形成地球空间信息科学的重要理论支撑，通过对地球圈层间信息传输过程与物理机制的研究，揭示地球几何形态和空间分布及变化规律。主要内容包括：地球空间信息的基准、标准、时空变化、认知、不确定性、解译与反演、表达与可视化等基础理论问题。 1.3 地球空间信息学的技术体系 地球空间信息科学的技术体系是指贯穿地球空间信息采集、处理、管理、
1绪论 1.1 研究背景 作为朝阳型的世界第一大产业，旅游业越来越受到人们的亲睐，数十年来全球旅游业实现了持续发展。来自世贸组织的预测，在21世纪初中国将成为世界上最大的旅游国。而到2020年，中国入境旅游的人数就将达1.37亿人次，对如此巨大的旅游流的研究也显得具有极大的紧迫性和必要性。其实科技的不断发展，也使得地理学研究的各个方面都需要有新技术融入，尤其是如此蓬勃的旅游业。旅游流研究中海量的数据反映出的丰富信息以及各景区景点间的联系和动态变化资料需要GIS技术的支撑和协调。建立一个专门研究中国旅游景区整体规划的地理信息系统能从定量、动态等方面进行综合分析处理，把各种地理信息数据转换成支持决策的科学根据。 人类用来纪录各种空间现象的主要工具之一，地图对于人类的生产生活实在是不可忽视。经过长时间的经验累积，人类都是按照惯用的使用方法及使用型态来使用地图；不再是用纸张来而是电子讯号来传递信息的电子地图，有着许多传统地图无法达到的优势，例如：查询分析，路径规划等。再次基础上结合计算机的发展，地理信息系统（GIS）即应运而生。 虽然早在50年前加拿大地理信息系统（CGIS）就已经开始运作，但在早期，其主要的工作平台也都是价钱昂贵的工作站计算机，极高的软硬件价位也使得小老百姓望而却步，只有政府或大型研究机构才能负担，这使得多年来GIS始终定位在专业用途上；就连操作人员，也必须经过多年训练的专业人才才能胜任各项工作。可叹的是近十年来的发展，使用者计算机接口及软硬件功能的进步使得地理信息系统已经可以很方便地在个人计算机上安装，经过短期训练的人员也可以加以操作。 1.2 国内外研究现状 信息技术在第一届信息技术与旅游国际会议上被认为是现代旅游业发展与提高竞争力的一个决定性的因素。例如分布式旅游目的地数据库会对
摘要：GIS在当前以工农业经济为主体的经济建设中的重大作用已初见端倪，它在农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、教育、环境、人口、城市建设等几十个领域都能产生巨大的经济效益和社会效益，比如农作物监测和估产、土地覆盖物的识别和评价、地籍的管理和规划、灾害的模拟和预报以及监测和评估等。作为新的凝聚全人类梦想的目标，GIS提供了一种前所未有的认识地球的方式，它将对人类与自然的协调和平衡带来不可估量的推进作用。。本文主要研究了GIS的发展及其在环境领域的应用。 关键词：GIS ，环境领域，发展，应用 引言： 理信息系统（Geographic Information System，GIS ）是一种为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统（1998年，美国国家地理信息与分析中心定义）。这里的空间定位数据是指采用不同方式的遥感与非遥感手段所获得的数据，它有多种数据类型，包括地图、遥感、统计数据等，它们的共同特点是都有确定的空间位置。地理信息系统的处理对象是空间实体，其处理过程正是依据空间实体的空间位置与空间关系进行的地。 1.GIS 的发展 1.1 GIS的产生 自1962年加拿大人罗杰?汤姆林森首先提出地理信息系统的概念并领导建立了世界上第一个具有实用价值的地理信息系统———加拿大地理信息系统（Canada Geographic Information System，简称“CGIS”）以来，地理信息系统在全球范围内获得了长足的进步。作为对人类生活空间的数字化描述、分析和表达的工具，GIS正逐渐成为信息产业的一个重要组成部分，成为国民经济新的增长点。全球范围内从事GIS理论和应用研究的研发人员、科研院所和高新企业不计其数，应用科学化、科学技术化、技术产业化已经成为GIS 领域发展的主旋律。地理信息系统正在从一个单纯的应用系统发展为一个完整的技术系统和理论体系 GIS 的发展趋势 从系统角度看，在未来的几十年内，地理信息系统将向着数据标准化（interoperable GIS ）、数据多维化（3d＆4d GIS ）、系统集成化（component GIS ）、系统智能化（cyber GIS ）、平台网络化（web GIS ）和应用社会化（数字地球）的方向发展。 1.2.1数据标准化（interoperable GIS ）、 地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS的社会化和大众化等客观需求，使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本以及实现地理数据的共享和互操作成为共识。互操作地理信息系统（Interoperable GIS）的出现就是为了解决传统GIS开发方式带来的数据语义表达上不可调和的矛盾，这是一个新的GIS系统集成平台，它实现了在异构环境下多个地理信息系统或其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。 1.2.2数据多维化（3d＆4d GIS ）、 3D：三维gis目前的研究重点集中在三维数据结构（如数字表面模型、断面、柱状实体等）的设计、优化与实现，以及体视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。 4D：地理信息系统所描述的地理对象往往具有时间属性，即时态。随着时间的推移，地理对象的特征会发生变化，而这种变化可能是很大的，但目前大多数地理信息系统都不能很好地支持地理对象和组合事件时间维的处理。许多gis应用领域的要求都是基于时间特征的，如区域人口的变化、平均年龄的变化、洪水最高水位的变化等。对这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题，因此，如何设计并运用四维GIS 来描述、处理地理对象的时态特征也是GIS的一个重要研究领域。
第一章 一．地理信息系统基本概念 1．地理信息系统：GIS是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。2．GIS使用的工具：计算机软、硬件系统； 3．GIS研究对象：空间物体的地理分布数据及属性 4．GIS数据建立过程：采集、存储、管理、查询、分析和显示。 5．GIS是在计算机软、硬件支持下，采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示空间物体的地理分布数据及与之相关的属性，并以回答用户问题等为主要任务的技术系统。 二．GIS软件技术经历以下五个阶段：集成式GIS，模块式GIS，核心式GIS，组件式GIS，万维网GIS 三．GIS发展的各阶段特点 1集成式GIS 特点在一个系统中集成了GIS的各项功能 存在问题系统过于复杂，软件成本高；难与其它系统集成 2模块式GIS 特点：系统分成许多相对独立的功能模块 存在问题：难于与其它系统集成 3核心式GIS 特点：从底层提供GIS功能，通过API访问 存在问题：开发难度高，不能进行可视化程序设计 4组件式GIS 特点：通过标准通信接口实现模块间通信及GIS与其它系统集成 存在问题：有待于进一步发展 5万维网GIS 特点：结合Internet，实现GIS的共享和互操作 存在问题：目前还不成熟 四．GIS构成：硬件软件数据人员 五．GIS软件的分类:工具型软件应用型软件 地理信息系统的类型: 工具型地理信息系统，应用型地理信息系统(专题地理信息系统,区域地理信息系统),大众地理信息系统 第二章 一．GIS软件的主要特点 （1）在存储技术上，传统的GIS采用两库结构，即空间数据库和属性数据库的分离。 （2）在数据组织与处理模式上，传统的GIS仍然沿袭地图处理的模式。在实现上，将空间数据组织成物理实体（点、线、面等）、图层、地图和图库几个层次。 （3）在网络和分布式环境下系统组成方面，传统的GIS支持树型的系统结构和主－从工作模式，上下级数据交换基本上以图层为单位进行。 （4）在空间数据管理范围方面，目前的GIS可以比较有效地处理二维空间数据，并能较好地处理DEM数据、实现三维实体的表面显示。 （5）在数据共享和功能共享方面，虽然目前开始注意元数据问题，已经解决了不同格式空间数据之间转换问题，可以实现有缝的数据共享。但是GIS功能共享和互操作问题尚未得到解决。以系统为中心的问题没有得到根本克服。 因此，传统的GIS软件的特点可以简要地归纳为：以系统为中心，以地图为基础，二维处理，静态管理，尺度割裂，数据集中。 二、GIS软件开发过程中的问题 （1）经费预算经常突破，完成时间一再拖延。 （2）开发的软件不能满足用户的要求。 （3）开发的软件可维护性差。 （4）开发的软件可靠性差。 （5）数据工程量特别大，特别是数据采集工作量十分大。 （6）软件需求与软件生产的矛盾日益加剧，突出表现在软件生产率低。 （7）软件可重用性差。
地球信息科学和数字地球(地理信息系统--原理、方法和应用) 球形的地代替了平面的地，引起了大地观念的依次彻底变化。这时人们无须扩展大地的圆盘以远远超过有人烟的地区，而认为有人烟的地区只包括地球的一小部分，更大的空余地面则可留待假说玄想去填充… … 阿尔夫雷德.赫特纳 导读：本章介绍了GIS发展的一些最新的概念，包括地球信息科学，数字地球等等，这些概念的具体含义至今仍在变化。 数字地球与其说是一门技术，不如说是一个政策，它是GIS应用发展的顶点。最后介绍了国家空间数据基础设施，它是一个国家推广GIS应用重要的第一步。 1．地球信息科学 1．1几个相关概念 近十几年来，随着遥感，全球定位系统，地理信息系统以及计算机网络技术的发展，出现了一系列新的、意义相近的、与地理信息系统相关的名词，如地理信息科学（Geographical Information Science），地球测量（Geomatics，地球信息学[宫鹏]，地球空间信息学[李德仁]），地球信息学（Geo-Informatics），地球信息科学（Geo-information Science）等等，这些概念提出的时间还都不长，其含义存在交叉，目前国内对其确切的译名有些也存在着争论，下面介绍地理信息科学，地球测量的概念以及地球信息科学的概念和内容。1．1．1地理信息科学 地理信息科学是1992年Goodchild提出的，与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学，而不仅仅是一个技术实现，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题，包括： 1）分布式计算 2）地理信息的认知 3）地理信息的互操作 4）比例尺 5）空间信息基础设施的未来 6）地理数据的不确定性和基于GIS的分析 7）GIS和社会 9）地理信息系统在环境中的空间分析 10）空间数据的获取和集成等等 地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理
目录 1．设计背景：................................................................................................................ 2．设计目标.................................................................................................................... 设计原则与设计方法...................................................................................................... 1．设计原则：................................................................................................................ 设计方法.......................................................................................................................... 三、需求分析（系统定义）.......................................................................................... 1．系统设计的方法........................................................................................................ 2．系统定义：................................................................................................................ 四、系统设计（系统结构体系、模块设计）.............................................................. 结构体系设计：.............................................................................................................. 2．系统模块设计：........................................................................................................ 五、数据库设计.............................................................................................................. 1．概述............................................................................................................................ 2．需求分析.................................................................................................................... 3．概念设计.................................................................................................................... 4．逻辑模型.................................................................................................................... 5．物理设计.................................................................................................................... 6．数据字典设计............................................................................................................ 六、系统实施计划.......................................................................................................... 七、总结.......................................................................................................................... 设计背景与目标 1．设计背景： 随着现代社会的发展，大学校园的规模日益扩展，传统的管理方法显得力不从心，为了提高效率，节省物力人力资源，大学校园的管理也将逐步实现现代信息化管理。而地理信息系统（一种基于空间数据库的空间信息处理与分析技术，已被广泛应用于市政、交通、电信、军事和旅游等领域，具有极其广泛的应用前景，从地理关系的角度分析和解决与地理信息有关的问题往往会得到意想不到的效果。）技术的发展恰好迎合了这个需求，可以为大学校园的数字化、信息化管理提供相应的技术支持，大学校园多媒体管理系统应运而生。我校虽然已经有了较完善的校园多媒体管理系统，但是身为我校地理信息系统专业的学生，专业相关的课程设计选择这个题目显得更有意义，特建立我校的空间管理GIS系统。 2．设计目标 要求包括道路及道路基本信息、建筑基本信息、校园特殊标记的空间数