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地理信息系统研制与开发实践

钟耳顺
以《香港综合地理信息系统》为例

论文来源:《中国图象图形学报》 1998年第02期

摘要:在我国地理信息技术(GIS)已经在多个行业中应用,在国民经济建设中发挥着日益重要的作用,并且逐步成为一门新兴的信息产业。如何进一步推动地理信息技术的发展和促进地理信息技术产业的形成,对于从事这一技术研究的科技工作者来说,责无旁贷。
关键词: 地理信息系统,gis

  在我国地理信息技术(GIS)已经在多个行业中应用,在国民经济建设中发挥着日益重要的作用,并且逐步成为一门新兴的信息产业。如何进一步推动地理信息技术的发展和促进地理信息技术产业的形成,对于从事这一技术研究的科技工作者来说,责无旁贷。

  我们正处在世纪之交,一个新纪元即将展现在人类面前。从我们职业的角度去认识,21世纪将是一个新型的信息社会和空间时代,地理信息技术将会发挥更加重要、更加积极的作用。无疑,这给我们带来了新的机会,同时,也给我们带来了挑战。特别是随着全球经济的一体化进程,我国GIS市场面临着外国公司的不断扩展,只有发展自己的技术,尽快形成自己的地理信息技术产业,我们才能立足于世界信息技术发展的潮流之中。

1GIS技术发展与开发对策

  GIS技术已经进入一个新的发展时期,在技术上和应用上,已经达到了一个新的阶段,它的社会作用和影响,以及所涉及的法律范畴不断扩大。正确认识GIS的作用和掌握这一技术的发展动向,是我们制定技术和产业政策,以及组织技术开发和产品化的重要前提。

  1.1 GIS是信息技术(IT)的重要组成部分

  过去,GIS往往被认为是一项专门技术,主要应用于测绘、制图、资源和环境管理等领域。随着技术的发展和社会需求的增大,GIS应用日趋广泛,它不但成功地应用于以上领域,而且已经成为城市规划、设施管理和工程建设的重要工具,同时,还进入了军事战略分析、商业策划和文化教育,乃至人们的日常生活。GIS的社会地位也发生了明显的变化,它和数据库、信息处理、通信等技术一样,已经成为信息技术(IT)的重要组成部分。

  GIS是一门综合性技术,它已经与其它技术融合一体。即GIS的应用需要利用和集成其它技术,同时,其它信息技术的应用也需要GIS。

  在北美和西欧一些国家,GIS已经被纳入IT之中,在政府的统计和法律文件中,已给予GIS明确的地位。甚至一项地理信息标准,需要由国家首脑颁布法令加以实施。在联合国,也设立了专门机构和召开了专门会议讨论GIS的应用。

  所以,我们在探讨GIS产品化途径和制定产业政策时,必须把GIS与IT结合起来加以考虑,把发展GIS视为与数据库等技术一样重要。在技术上,发展GIS也必须符合信息技术潮流。

  1.2GIS技术正在走向综合

  近年来,计算机技术飞速发展,特别是软件技术的发展,促使GIS技术发生了很大的变化。如组件式GIS、Web GIS以及类似于超文本语言(html)和虚拟现实造型语言(VRM L)的GIS语言,已经成为国际GIS技术的重要发展方向。然而,GIS技术正在走向综合,综合是目前GIS应用上最为重要的方面。

  GIS技术的综合,主要体现在GIS与其它信息技术的结合之上,我们常常所说的“3S”,或GIS、遥感和GIS的一体化,就是技术综合的体现。然而,现在的GIS已经远远超出了这些,它已经与CAD、多媒体、通信、Internet、办公自动化、虚拟现实等多种技术结合,形成综合的信息技术。这一点,已经被许多从事不同业务的公司所重视。综合是GIS技术开发和应用值得注意的重要方向。GIS与有关信息技术结合的概要见表1。

  在我们的实际工作,也深深认识到,一个成功的GIS系统,必须能够充分应用和结合其它技术,这样才能更加有效地解决问题,满足用户的需求。

  我们在香港综合地理信息系统的研制与开发中,充分体现了GIS与其它信息技术相结合的特点,为用户提供了综合的系统解决方案。

2香港综合地理信息系统的开发

  1997年7月1日,香港回归祖国,这是一件具有历史意义的大事。为了体现“科技拥军,迎回归”,在中科院和国家科委的大力支持下,在总参二部计算所和广州军区二部的积极配合下,我们研制与开发了香港综合地理信息系统,并在驻港部门的进港过程中成功应用,为辅助指挥提供了有力的工具。

  利用GIS、遥感、GPS和多媒体技术建立综合型空间信息系统,具有空间信息显示、查询、制图、分析与对典型目标进行动态跟踪等功能,是军事和警务非常有效的信息工具和重要的辅助决策手段。从政治、地理及社会环境等方面看,香港是一个极其独特的地区,它受英国统治近百年之久,其社会和文化等多方面与大陆之间存在着巨大的差异。针对香港地区,在微型计算机平台上研制和开发综合信息系统,是一件非常必要的工作。

  2.1系统设计与开发

  香港综合地理信息系统是一个融GIS、遥感、GPS、多媒体和通信技术为一体的综合信息系统。系统设计是针对用户需求进行的,系统开发反映了GIS技术综合性特点,采用了组件式GIS开发方案,充分利用先进技术。

  2.1.1用户需求调查与系统目标

  GIS的建立,需要进行用户需求调查与分析,以确定系统的目标,这是系统建设的重要环节。从技术开发人员来说,系统建设初期往往不了解用户的需求,而用户往往不了解技术的背景和能够实现目标的程度,用户需求调查就是使二者更好地结合。

  一般来说,用户需求分析是系统建设的第一步,以便尽快确定系统目标。在香港综合地理信息系统的研制与开发中,由于系统建设的特殊性,用户所提出的要求,随着对GIS和有关技术的了解,不断变化,不断提出更高和更新的要求。这给研制和开发工作带来了一定困难,然而,我们以高度的责任感,在用户意见的基础上,不断调整方案和多次更改系统目标。

  在总参二部计算所的协助下,我们多次到广州和深圳,与广州军区二部和驻港部队的同志共商系统建设,多次带去系统阶段性成果,进行演示和征求意见。同时部队的同志也数次来京,提供资料和讨论方案。系统中的一些功能,包括GIS与CSM通信方案等等,到系统建设的后期才以确定。

  2.1.2系统设计

  系统设计的目标是提供一个信息丰富、功能齐全、性能可靠,易于操作的综合型信息系统。要求使空间信息与文本、统计数据、图表、图片、遥感、视频等多媒体信息有机地结合起来,同时实现GPS动态目标的跟踪。使系统既成为帮助用户了解和熟悉香港,及时获取各种综合信息和提供信息服务的工具,又要求达到辅助指挥与决策的目的。

  系统设计具有十分明确的针对性,在建立一个内容丰富的数据库基础之上,针对每项应用需求开发功能。如针对军标的要求,设计和开发了一套军标编辑制作工具。针对识别道路系统的要求,对主要道路干线进行逐条编码,以便有效地选择指定道路和进行显示。

图1系统的基本框架示意图

  2.1.3软件开发

  软件是GIS的核心,也是系统能否成功的技术关键。香港综合地理信息系统采用了我们自行开发的组件式GIS-ActiveMap作为系统的基本平台。

  GIS-ActiveM ap是在跟踪国际GIS发展动向的基础上,结合任务的需要,利用Visual C++(5.0),在Windw os NT/95平台上开发的一套全32位组件式GIS。它具有25个属性,140个方法和13个事件。通过开发和应用,我们认为这类软件与传统GIS比较具有很多优点。首先它能够嵌入到其它软件和其它任务之中,可以利用Visual C++,VisualBasic和Delphi等软件进行集成,无须专门的开发语言,系统集成和开发非常便利。同时,Activ eM ap还具有显示速度快和功能灵活,以及便于开发特定功能等特点,成功地解决了将遥感、多媒体以及军标融合入系统之中,并且提供了良好的GPS接口。

  ActiveM ap为香港综合地理信息系统提供了技术基础。同时在后来的“香港之窗97”光盘和“南宁市土地信息系统”等项目中成功应用。

  2.1.4数据库建设

  为了达到系统的目标,系统设计了一个复合型数据库,内容包括基础地图、遥感图象、社会经济信息、敏感地区视频信息等多媒体数据。

  地图数据∶包括全港1∶5万全要素地形图、全港1∶2万全要素地形图和1∶1万街区图。在空间数据库设计中,根据用户需要,进行分层和编码,同时将3种不同比例尺的地图,分别进行坐标转换,置于同一坐标系统中,以便于系统集成,可以根据要求进行不同地图自动显示切换。

  遥感图象:包括美国T M(1996年3月)(分辨率30米)、法国SPOT(分辨率10米,(1997年1月)和俄罗斯COSM OS(1994年8月)(分辨率2米)3种数字遥感图象。这些遥感图象分别与地图复合,可以根据需要进行综合显示或单独显示。

  电子沙盘:利用高程数据生成了数字地面模型(DTM),并与SPOT遥感图象复合,制作出各地区不同方位的多种电子沙盘。

  统计数据:建立了区域概况、中英文地名、历史、人物、社会经济、社会团体、兵种等多种数据库。专题要素:有如警务机构、执勤警点、消防急救设施、安全通道、政府机关等。

  多媒体信息:数百张照片和数十个视频,用户可以根据需要,任意增加多媒体信息。

  2.1.5系统功能

  有人将电子地图与GIS混为一谈,其实,电子地图只是GIS的一种数据。GIS的特点主要体现在对信息的处理、分析和应用功能之上。一个真正的GIS,就必须进行系统集成和应用功能开发。香港综合地理信息系统的系统集成和功能开发是以应用为出发点的,下面仅介绍显示和GPS功能设计中一些考虑。

  显示是GIS最基础的功能,系统在显示设计上,采用了不同要素控制显示的做法,对如等高线、不同级别的道路(共4种)、水涯线、多种级别的地名、符号、遥感图象等要素,设计了用户控制菜单,用户可以根据需要对他们进行组合和选择性显示。再者,在不同比例尺图件的显示上,也设有控制器,用户可以根据需要对地图缩放的程度,设置某种地图或遥感图象的显示,这样可以做到自动切换显示不同比例尺的地图和遥感图象,极大地方便了应用。

  此外,考虑到系统需要安装在行进移动的车辆上,为了减少对系统的操作,开发了利用GPS控制显示的功能,随着车辆的行进,系统可双根据GPS所接收的数据,自动显示周围的区域,无须手工控制。

  在GPS系统的集成上,采用了在行进车辆上使用移动电话,通过GSM数字通信传输数据的方法,指挥部通过电话、Modem与计算机联结,直接接收GPS数据。在广东省邮电部门的大力支持下,为我们开通了专门的数字数据通道,为利用GSM进行GPS数字传输成为可能,这也是我国首次进行这方面的实际应用。

  此外,考虑到有可能因数字通信中断,出现通信困难的情况,还设置了自动报数和利用电话传送GPS数据的功能。

  香港综合地理信息系统将多媒体、电子沙盘、军标等功能有机地结合起来,用户可以根据需要显示某一区域的不同方向电子沙盘,或加注军标等。系统还提供了空间量算(距离、面积、经纬度以及方位角等);空间分析(缓冲区、范围搜索);空间查询(空间与属性双向查询);逻辑查询与条件查询;要素添加(如重要目标等);要素跟踪和闪烁、军标编辑与要素添加和态势图的输出等多种功能。

  系统开发完成之后,为了确保系统的运行,我们还进行了实地调试。

  2.2系统应用

  香港综合地理信息系统完成之后,由中科院周光召院长代表中科院将系统赠送给我驻港部队,受到部队的热烈欢迎。

  系统先后给部队有关首长演示十多次,并在有关演习中试用。特别是系统数据丰富和显示快,以及GPS跟踪、电子沙盘遥感图象、地址查询和多媒体等功能,受到首长的高度赞扬。

  1997年6月30日,在部队进港中,在前进车队和指挥所分别安装了该系统,通过GSM联系在一起,实现了动态目标的跟踪,完全抛开了传统的纸质地图,达到了利用信息系统对部队行动进行指挥的要求。系统为辅助指挥发挥了积极的作用,得到广州军区和驻港部队的充分肯定和高度赞扬。

3体会与展望

  通过香港综合地理信息系统的研制与开发工作,我们认为我国GIS技术人员有能力掌握和开发先进的技术系统。然而,一个系统的成功开发与应用,必须与用户紧密合作,没有用户的密切配合,应用系统是难于成功的。

  香港综合地理信息系统的开发与成功应用,除了得到有关部门和领导的重视与支持之外,最根本的原因是得到用户密切的合作。我们深深体会到,应用是GIS发展的真正动力。GIS有着广泛的用途,但是,其作用和功能目前还没有被广大用户所了解和认识。一旦被人们对GIS有了新的认识,它将与其它信息技术结合,成为一种巨大潜力的综合信息工具。

  GIS应用在全世界已经形成了高潮,逐步被人们所接受。在北美和西欧等发达国家,GIS应用已经形成一定规模,但是,应用深度并没有达到应有的程度,大多GIS也只是停留于制图,其分析和辅助决策的功能并没有得到充分发挥。如在洛杉矶和南加州数十个城市的市政局中,几乎都设有制图部门,都采用了GIS系统,这些系统往往只是满足于制图,并没有与自70年代起就建立起来的人口和户籍数据库连接起来。

  我国GIS应用正在进入到一个需求旺盛期,目前,我国已经建成的GIS应用系统估计达数百个,百万元至数千万元级的系统,也有数十个之多。我国GIS应用已经初步形成一个多层次、不同规模、不同尺度的应用局面。我国GIS应用总体水平是比较高的,而且存在着巨大的应用潜力,对GIS的需求将不断增加。

  我们在承担国家项目的同时,先后开发了香港、厦门、南宁等城市实用型土地信息系统。从我们的实际工作中认识到,为了更加有效地推广GIS,建立行业示范工程和开发更多的应用系统原型是十分重要的,它对于系统的推广应用将发挥积极示范作用,建议国家和行业主管部门尽快支持这方面工作的开展。