引入
拿到一张遥感影像,知道哪里有森林、哪里有城市,这只是第一步。真正有价值的问题是:这个区域适不适合建学校?洪水来了哪些地方会被淹?最近十年城市扩张吞掉了多少耕地?
这些问题需要的不只是一张图,而是一个能存储、查询、分析和模拟空间数据的系统。这就是 GIS 要做的事。
正文
定义
**地理信息系统（GIS, Geographic Information System）**是在计算机软硬件支持下,对地理空间数据进行采集、存储、管理、查询、分析、显示和输出的技术系统。
GIS 的核心组成
| 组成部分 | 内容 |
|---|---|
| 硬件 | 计算机、服务器、GNSS 接收机、扫描仪、绘图仪 |
| 软件 | ArcGIS、QGIS（开源）、SuperMap（国产） |
| 数据 | 空间数据（坐标、几何）+ 属性数据（描述信息） |
| 人员 | GIS 操作员、分析师、决策者 |
| 方法 | 分析模型、工作流程、行业标准 |
空间数据模型
GIS 使用两种基本数据模型来描述地理现象:
矢量数据:
- 用点、线、面（多边形）表示地物
- 每个要素包含几何信息和属性信息
- 适合表示离散对象:道路、建筑、行政边界
- 优点:精度高、数据量小、拓扑关系清晰
- 缺点:不易表示连续变化的现象
栅格数据:
- 将空间划分为规则网格（像元/像素）
- 每个像元存储一个属性值
- 适合表示连续现象:高程、气温、遥感影像
- 优点:数据结构简单、易于叠加分析
- 缺点:数据量大、边界精度受像元大小限制
| 比较维度 | 矢量数据 | 栅格数据 |
|---|---|---|
| 表示方式 | 点、线、面（坐标序列） | 规则网格（像元矩阵） |
| 适合表达 | 离散地物 | 连续场 |
| 数据量 | 较小 | 较大 |
| 空间精度 | 高（精确坐标） | 受限于像元分辨率 |
| 叠加分析 | 计算复杂 | 像元对像元运算,简单高效 |
| 典型来源 | 测绘、数字化、GNSS 采集 | 遥感、扫描、模型输出 |
GIS 的核心功能
| 功能 | 说明 | 举例 |
|---|---|---|
| 数据输入 | 将各种来源的数据导入系统 | 导入遥感影像、数字化纸质地图、GNSS 采集 |
| 数据管理 | 组织和存储空间数据 | 空间数据库、地理数据库（Geodatabase） |
| 查询 | 按条件检索空间和属性信息 | ”查找距河流 500m 内的所有居民点” |
| 空间分析 | 对空间数据进行处理和建模 | 缓冲区分析、叠加分析、网络分析 |
| 可视化 | 以地图或图表形式展示结果 | 生成专题地图、三维场景 |
| 输出 | 将分析结果输出为地图、报告或数据 | 打印地图、导出 Shapefile、发布 Web 地图 |
核心空间分析方法
**缓冲区分析:**以点、线、面要素为中心,按指定距离生成缓冲区多边形。
- 用途:评估公路噪声影响范围、划定水源保护区、分析商业辐射圈
**叠加分析:**将多个图层的空间数据叠加,综合各图层的属性信息。
- 用途:土地适宜性评价（叠加地形 + 土壤 + 水源 + 交通）、环境敏感区划定
**网络分析:**基于线状网络（道路、管线）进行路径和连通性分析。
- 用途:最短路径、服务区分析、设施选址、物流配送优化
**插值分析:**根据离散采样点的数据,估算区域内任意位置的属性值。
- 用途:由气象站数据生成连续的降水量分布图、由钻孔数据生成地下水位面
常用 GIS 软件
| 软件 | 类型 | 特点 |
|---|---|---|
| ArcGIS | 商业（Esri） | 功能最全面,行业标准,价格高 |
| QGIS | 开源免费 | 跨平台,插件丰富,社区活跃 |
| SuperMap | 商业（国产） | 国内政府项目常用,支持二三维一体化 |
| Google Earth Pro | 免费 | 三维浏览和可视化,分析功能有限 |
引出
GIS 如何在城市规划、环境管理、灾害应急等领域支撑实际决策?→ GIS的应用
矢量数据和栅格数据的互相转换（矢栅转换）在什么场景下需要?
Web GIS 和云 GIS 的发展如何改变了传统桌面 GIS 的工作方式?