地理信息系统

地理信息系统（GIS）是被设计为捕获、存储、操纵、分析、管理和本空间或系统的地理数据。GIS应用程序是允许用户创建交互式查询（用户创建的搜索），分析空间信息，编辑地图中的数据以及显示所有这些操作的结果的工具。GIS有时是指地理信息科学（GIScience），它是地理概念，应用和系统的基础。自1980年代中期以来，地理信息系统已成为用于支持各种城市和区域规划功能的有价值的工具。

GIS可以指许多不同的技术、过程、技术和方法。它涉及许多业务，并具有与工程、计划、管理、运输/物流、保险、电信和业务有关的许多应用程序。因此，GIS和位置智能应用程序可以成为许多依赖分析和可视化的支持位置的服务的基础。

GIS可以通过使用位置作为关键索引变量来关联不相关的信息。地球时空中的位置或范围可以记录为发生的日期/时间，并且x，y和z 坐标分别表示经度，纬度和海拔。所有基于地球的时空位置和范围参考都应相互关联，并最终与“真实”物理位置或范围相关。GIS的这一主要特征已经开始为科学探究开辟新的途径。

现代的GIS技术使用数字信息，为此使用了各种数字化数据创建方法。数据创建的最常用方法是数字化，其中通过使用CAD程序和地理参考功能将硬拷贝地图或勘测计划转移到数字介质中。随着正射影像（来自卫星、飞机、Helikite和无人机）的广泛使用，平视数字化正成为提取地理数据的主要途径。平视数字化涉及直接在航拍图像上跟踪地理数据，而不是通过传统方法在单独的数字化平板电脑上跟踪地理形式（平视数字化）。

地理处理是用于处理空间数据的GIS操作。典型的地理处理操作将获取输入数据集，对该数据集执行操作，然后将操作结果作为输出数据集返回。常见的地理处理操作包括地理要素叠加，要素选择和分析、拓扑处理、栅格处理以及数据转换。地理处理允许对用于形成决策的信息进行定义、管理和分析。

GIS使用时空位置作为所有其他信息的关键索引变量。正如包含文本或数字的关系数据库可以使用公共键索引变量来关联许多不同的表一样，GIS可以通过使用位置作为键索引变量来关联其他不相关的信息。关键是时空的位置和/或程度。

可以使用GIS引用可以在空间上以及在时间上也可以在位置上定位的任何变量。地球时空中的位置或范围可以记录为发生的日期/时间、并且x、y和z 坐标分别表示经度、纬度和海拔。这些GIS坐标可以表示其他量化的时空参考系统（例如，胶卷帧号、水位计站，高速公路英里标记、测量师基准、建筑物地址、街道交叉口、入口大门、水深探测、POS或CAD图）来源/单位）。应用于记录的时空数据的单位可能相差很大，但理想情况下，所有基于地球的时空位置和范围参考都应该相互关联，并最终与时空上的“真实”物理位置或范围相关。

与准确的空间信息相关联，可以分析、解释和表示令人难以置信的各种现实世界以及预计的过去或将来的数据。GIS的这一关键特征已经开始为科学查询的新途径开辟新渠道，而这些查询和行为以前是没有系统关联的现实世界信息的行为和模式。

GIS的准确性取决于源数据，以及如何进行编码以引用数据。土地测量师已经能够利用GPS衍生的位置提供高水平的位置精度。高分辨率数字地形和航空影像，功能强大的计算机和Web技术正在改变GIS的质量，实用性和期望，以便为社会大规模服务，但是尽管如此，还有其他影响整个GIS的源数据像纸质地图一样的精度，尽管这些在实现所需精度方面用途有限。

在开发用于GIS的数字地形数据库时，地形图是主要来源，而航空摄影和卫星图像是用于收集数据和识别可在比例尺位置的各个图层中映射的属性的额外来源。地图的比例尺和地理绘制区域表示类型是非常重要的方面，因为信息内容主要取决于比例尺集和地图表示位置的可定位性。为了数字化地图，必须在理论尺寸内检查地图，然后将其扫描成栅格格式，并且必须通过橡胶布 /翘曲技术流程。

对地图的定量分析使准确性问题成为焦点。用于GIS测量的电子设备和其他设备要比传统地图分析的机器精确得多。所有地理数据本质上都是不准确的，并且这些不准确度将以难以预测的方式在GIS操作中传播。

GIS数据代表真实对象（例如道路、土地用途、高程、树木、水路等），而数字数据则确定了混合对象。真实对象可以分为两种抽象：离散对象和连续字段（例如降雨量或海拔）。传统上，有两种广泛的方法可用于在GIS中为两种抽象映射参考存储数据：栅格图像和vector。点，线和面是映射的位置属性引用的内容。一种新的混合数据存储方法是识别点云，该点云将三维点与每个点的RGB信息结合在一起，返回“ 3D彩色图像”。GIS主题地图将越来越直观地描述它们打算显示或确定的内容。

数据捕获-将信息输入系统-占用了GIS从业人员的大量时间。有多种方法可用于将数据输入GIS，并以数字格式存储。

可以将打印在纸质或PET胶片地图上的现有数据进行数字化或扫描，以生成数字数据。当操作员从地图上跟踪点，线和多边形边界时，数字化仪会生成矢量数据。扫描地图会生成可进一步处理以产生矢量数据的栅格数据。

使用称为坐标几何（COGO）的技术，可以将测量数据从测量仪器上的数字数据收集系统直接输入到GIS中。来自全球导航卫星系统（GNSS）的位置（如全球定位系统）也可以被收集，然后导入到GIS中。数据收集的当前趋势使用户能够使用现场计算机，并能够使用无线连接或断开的编辑会话来编辑实时数据。低成本的，具有分米精度的实时地图级GPS单位的可用性得到了增强。这样一来，便无需在收集了现场工作后就在办公室发布数据，导入和更新数据。这包括合并使用激光测距仪收集的位置的能力。新技术还允许用户直接在现场创建地图和进行分析，从而使项目更高效，地图更准确。

遥感数据在数据收集中也起着重要作用，它由连接到平台的传感器组成。传感器包括照相机，数字扫描仪和激光雷达，而平台通常由飞机和卫星组成。在1990年代中期，在英国，称为helikites的混合风筝/气球首次率先使用小型机载数码相机作为机载地理信息系统。精确到0.4毫米的飞机测量软件用于链接照片和测量地面。Helikite价格便宜，并且比飞机收集更准确的数据。Helikite可以在禁止无人驾驶飞机（UAV）的道路，铁路和城镇上使用。

最近，使用微型无人机可以进行空中数据收集。例如，Aeryon Scout仅在12分钟内就绘制了一个50英亩的区域，地面采样距离为1英寸（2.54厘米）。

当前，大多数数字数据来自航空照片的照片解释。软拷贝工作站用于直接从立体声数码照片对中对特征进行数字化。这些系统允许以二维和三维形式捕获数据，并使用摄影测量原理从立体对直接测量高程。在将模拟航拍照片输入软拷贝系统之前，必须先对其进行扫描，对于高质量的数码相机，将跳过此步骤。

卫星遥感提供了空间数据的另一个重要来源。在这里，卫星使用不同的传感器套件来被动地测量从诸如雷达之类的有源传感器发出的电磁频谱或无线电波的反射率。遥感收集的栅格数据可以使用不同的波段进行进一步处理，以识别感兴趣的物体和类别，例如土地覆盖。

捕获数据时，用户应考虑应以相对准确度还是绝对准确度捕获数据，因为这不仅会影响信息的解释方式，还会影响数据捕获的成本。

将数据输入GIS后，通常需要对数据进行编辑，以消除错误或进行进一步处理。对于矢量数据，必须先使其在“拓扑上正确”，然后才能用于某些高级分析。例如，在公路网中，线必须与交叉点处的节点连接。还必须消除下冲和过冲等错误。对于扫描的地图，可能需要从生成的栅格中消除源地图上的瑕疵。例如，污点斑点可能会连接不应连接的两条线。

很难将湿地地图与在机场，电视台和学校等不同地点记录的降雨量联系起来。但是，可以使用GIS从信息点描述地球表面，地下和大气的二维和三维特征。例如，GIS可以快速生成具有等值线或等高线的地图表示降雨量不同。这样的图可以被认为是降雨等高线图。许多复杂的方法可以通过有限的点测量来估计表面的特性。由降雨点测量的表面建模创建的二维等高线图可以与覆盖相同区域的GIS中的任何其他图进行叠加和分析。然后，此GIS派生地图可以提供其他信息-例如水电潜力作为可再生能源的可行性。同样，GIS可用于比较其他可再生能源，以找到某个地区的最佳地理潜力。

此外，还可以从一系列三维点或数字高程模型生成代表高程轮廓的等值线，以及坡度分析，阴影浮雕和其他高程积。通过计算从任何给定兴趣点开始的所有连续和上坡区域，可以轻松地为任何给定范围定义流域。同样，预期河谷底线的，其表面的水将要在间歇性和xxx性的流行程可以从GIS高程数据来计算。

GIS可以识别和分析数字存储的空间数据内存在的空间关系。这些拓扑关系允许执行复杂的空间建模和分析。几何实体之间的拓扑关系传统上包括邻接关系，包含关系和接近度。