GIS第1213章教案.docx
《GIS第1213章教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GIS第1213章教案.docx（34页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
GIS第1213章教案
第十二章地理信息系统应用实例
学习目标
·了解GIS与实际结合的应用实例
·了解GIS具体应用的开发设计思想
自20世纪60年代GIS产生以来，地理信息系统已经应用到与空间位置相关的各行各业。
如，矿产、森林、草场等的资源清查；城乡规划中的城镇总体规划、土地适宜性评价、道路交通规划、城市环境动态监测等；灾害监测方面，借助RS，利用GIS对森林火灾的预测预报、洪水灾情的监测、洪水淹没损失估算等；土地清查中的土地利用现状建库、地籍管理；环境管理信息系统建设；城市管网中的供水、排水、供电、供气及电缆系统；军事领域作战指挥中虚拟战场模拟；宏观决策方面如通过GIS系统支持下的土地承载力研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。
如此众多的应用领域使GIS已经成地学研究不可缺少的工具。
本章通过两个具体的GIS应用实例来说明GIS与实际应用领域的结合方式和开发设计思想。
第一节城市居民防空疏散指挥信息系统
一、系统目标和意义
系统目标是开发用于战时辅助指挥、和平时期进行疏散演习的疏散指挥系统。
在该系统中模拟真实的战时居民疏散状况，通过GPS系统与该系统的整合，采用鹰眼、视图和主窗口三位一体，实现疏散目标的宏观区域定位、精准定位和综合观察，系统自动通过最短或最佳路径分析提供出发地到目的地的疏散预案，并且疏散目标在预定的路线发生故障时可以通过系统分析，自动智能改变路线，这样疏散指挥员在调度中心能够实时掌握城市居民的疏散状态，做出科学的决策，达到快速安全疏散居民的目的。
城市居民防空疏散指挥信息系统将实现城市居民防空疏散指挥管理的现代化、智能化、科学化，无论在战争时期还是和平时期都有重要的意义，使我们能够防患于未然。
二、系统的概念化设计
1.系统功能设计
⑴数据管理
系统成功实现了大跨度比例尺数据层的叠加显示与管理，采用工作空间管理多个不同比例尺的数据源。
①1：
250000及1：
5000底图的迭加与拼接；
②建立、保存本软件系统相应的工作空间；
③地图数据的分层管理；
⑵数据编辑维护
数据编辑包括几何特征及属性信息两种类型的编辑，其中属性信息的编辑包括对拓扑关系表中相关属性信息的编辑，同时也可以对相关的外部属性表进行编辑。
①点状图层的编辑；
②线状图层的编辑；
⑶空间分析功能
强大高效的空间分析功能是该系统实现自动化与智能化的关键所在，也是该系统的核心功能。
具体如下：
①建立路线图层的拓扑关系
系统可以自动建立交通等线状要素的拓扑关系，并能在数据修改或更新后自动重新修正新的拓扑关系。
②建立疏散路线的预案路径表（手工选择）
系统可以根据疏散目标的出发地与最终目的地，手工选择该目标的最终疏散路线，即预案，充分体现了指挥员决策的重要性。
③最短/最佳路径选择
系统通过内建的最短、最佳路径算法，可以生成疏散目标的最短或最佳疏散路径。
④当设置相关障碍类型后，建立修正路线的路径表（自动选择）
在疏散目标的疏散过程中，如果发生意外情况，预定的路线不能再走时，通过在系统中添加故障点，系统可以智能动态提供修正的行进路线供指挥人员参考。
⑷数据显示功能
abc
图12-1数据显示功能
为了满足指挥人员的需要，系统提供了多种数据显示功能，包括主窗口显示、多目标跟踪显示、鹰眼功能、点放大功能
①主窗口显示（图12-2）
主窗口是城市居民防空疏散指挥信息系统的主要数据显示窗口，随系统运行一直处于显示状态。
图12-2主窗口显示
②多目标跟踪显示功能（图12-1-a）
在实际的居民疏散过程中，一个指挥员需要同时指挥多个疏散队目标进行疏散，系统可以实时对多个目标进行跟踪，自由的在多个目标之间进行视窗切换，观察它们的行进状态。
③鹰眼显示功能（图12-1-b）
系统提供了鹰眼显示功能，可以纵览大局，看到整个指挥现场全貌，动态显示当前目标在整个疏散地图中的位置。
④点视图（图12-1-c）
实现对主窗口中某一点的放大显示功能，用户可以实时自由定义放大倍数。
2.工作空间的数据组织
数据集、数据源、工作空间是该系统中使用的3个重要的概念。
“数据集”是由同种类型数据组成的数据集合，如：
点数据集，线数据集，多边形数据集，TIN数据集，GRID数据集，CAD数据集，NetWork数据集，文本数据集等。
“数据源”是由各种类型的数据集（如点、线、面类型数据，TIN、GRID、NetWork）组成的复合数据集，一个数据源可包含一个或多个各种类型的数据集，也可以同时存储矢量数据集和栅格数据集。
“工作空间”用于保存用户工作环境，包括：
当前打开的数据源（位置、别名和打开方式）、地图、布局、符号库、线型库等。
工作空间的数据源及其分层信息:
①1:
250000基础地理信息数据源（包含水系、居民点、企事业单位等地理要素）；②1:
5000基础地理信息数据源（包含水系、居民点、企事业单位等地理要素）；③用户数据源（重点是交通要素）。
用户数据源分层信息详见表12-1：
表12-1用户数据源
图层名称
拓扑类型
图例
显示状态
交通要素
网络拓扑
始终显示
疏散对象
点拓扑
始终显示
医疗专业队
点拓扑
始终显示
货运专业队
点拓扑
始终显示
客运专业队
点拓扑
始终显示
调整哨
点拓扑
始终显示
中转站
点拓扑
始终显示
食品站
点拓扑
始终显示
疏散目的地
点拓扑
始终显示
疏散指挥中心
点拓扑
始终显示
疏散安置中心
点拓扑
始终显示
事件发生地
点拓扑
始终显示
3．系统界面设计
（1）系统菜单设计
图12-3系统菜单设计
系统菜单设计采用以功能定义菜单的方法分为：
项目管理、地图、空间分析、属性维护、外部数据维护、空间查询、故障点、窗口、系统信息等9个菜单如图12-3所示，每个菜单下设具体的菜单项实现相应的功能。
（2）系统界面布局
系统主界面上，用工具条将相应的常用功能体现出来。
数据管理窗口是对数据、地图、布局、资源的一个综合管理窗口如图12-4所示，采用动态调用随时加载的形式。
动态跟踪、点视图、鹰眼视图三合一集中到一个小的视图窗口中，也是在需要时动态加载。
图12-4是主窗口和动态窗口同时显示的状态。
图12-4系统界面布局
三、系统开发
1．系统开发环境
硬件系统：
主机，联想奔月2000；CPU，PⅢ800；内存，128MB；硬盘，20GB。
操作系统：
Windows2000ProfessionalSP2。
开发工具：
VisualBasic6.0SP5。
开发平台：
SuperMap2000组件
2.系统开发思想
整个系统开发采用面向对象的设计思想，利用可视化开发工具VisualBasic6.0对SuperMap2000的组件进行二次开发，包括SuperMap、SuperWkspManager、SuperTopo、SuperGridView等。
图12-5是该系统的功能框架图，从宏观上描述了系统的主要功能和采用的SuperMap2000组件，以及功能模块之间的关系。
图12-6是系统的核心模块“多目标动态跟踪”的程序流程，该模块可以实现多目标按照预定的路线进行疏散，并且在任意目标的行进路线上发生故障（道路损坏等）时，根据具体情况重新选择新的行进路线继续行进。
图12-5系统功能框架图
图12-6动态跟踪模块流程图
第二节网络数字土地系统设计
随着信息技术的发展，特别是Internet技术和应用的广泛传播，又加之“数字地球”概念的提出，土地信息系统的形式发生了很大的变化，人们迫切期待“网络数字土地系统”的出现。
本节将就一个范例向大家介绍如何设计一个基于Internet/Intranet的数字土地系统。
一、系统设计的总体目标及思路
信息化是当今时代发展的必然趋势，同时也为土地管理部门采用现代信息技术提高土地管理的水平、质量和效率提供了新的机遇同时也带来了新的挑战。
利用现代先进的信息技术，建立土地信息系统，实现土地管理的办公自动化，减少土地管理人员繁杂的手工劳动，提高工作质量和效率；及时把握土地资源的发展与变化的动态信息，摸清土地资源的家底，为管理和决策提供高效和科学的信息服务，已经成为土地管理必不可少的手段。
我们要设计的是一个地级市的网络数字土地系统，系统建成一个数据安全，可用性强，功能稳定，配置简单方便的空间型客户关系管理系统。
本系统首先将运行于市局内部，以后也要将下级土地部门包括进来。
系统要实现土地局内部以图文一体化为核心的土地登记、建设用地管理、测绘、土地监察、办公办文等的办公自动化，实现局内部信息资源的共享；按照政务公开原则和“窗口接办”等管理制度的要求，实现业务流程的计算机管理和监控以及土地政策信息的发布；实现城市土地管理的计算机辅助决策与分析。
从而促进土地局业务管理的科学化、规范化和信息化，提高全局业务管理和决策的水平、质量和效率。
二、系统结构的总体设计
1．系统结构
根据系统的建设的总体目标，系统按功能软件构成可分四个部分：
工作流管理系统（WFMS）、办公自动化系统（OAS）、GIS应用系统（GAS）、信息发布系统（IPS），其结构如图12-7所示。
●工作流管理系统主要是对系统工作流程和信息流进行调控，按照业务流程和规则，实现信息的路由（Route），并对工作过程和进度进行控制，控制GIS应用和办公自动化组件的调用和信息传输。
●办公自动化系统为工作人员日常办公提供各种信息处理工具，主要是文档、表格的录入、修改、查询检索、统计分析、输出（屏幕显示、打印输出）等处理，属传统的管理信息系统（MIS）的范畴。
●GIS应用系统主要是为工作人员提供业务管理所需空间数据录入、修改、查询检索、统计分析、制图等功能，是GIS技术针对规划国土管理业务的应用。
办公自动化系统与GIS应用系统根据应用的实际情况或场景（scene）,由工作流管理系统统一控制，集成于一体，使办公自动化系统与GIS应用系统对具体用户来说是一体的、无缝的。
●信息发布系统是将土地管理有关信息Internet向公众发布，系统所发布的信息包括空间信息和非空间信息。
近期，信息发布主要是单向的，即土地局向社会发布信息。
今后，随着技术的发展和管理体制的变革，将考虑实现通过Internet实现信息的双向交流，如通过Internet实现电子报件。
网络解决方案
本系统采用三层网络结构，如图12-8所示。
●用户层
用户层提供给用户一个视觉上的界面，通过用户层，用户输入数据、获取数据。
用户层也提供一定的安全保障，确保用户没有机会看到机密的信息。
●逻辑层
逻辑层是用户层和数据层的桥梁与核心，它响应用户层的用户请求，执行任务并从数据层抓取数据，并将必要的数据传送给用户层。
●数据层
数据层定义、维护数据的完整性、安全性，它响应逻辑层的请求，访问数据。
这一层通常由大型的数据库服务器实现，如Oracle、Sybase、SQLServer等。
在市局内部采用星型局域网连接，然后再和Internet相连，其网络拓扑图（图12-9）如下：
三、软、硬件支持
1．开发平台
●硬件：
网络100M局域网
开发工作站CPU、PⅢ800MHz以上、内存、128M（PC100）以上、硬盘20GB以上
●软件：
a）数据库管理系统（DBMS）：
b）GIS平台：
c）操作系统及Internet服务平台
d）软件开发平台（工具）：
2．运行平台
●硬件：
网络至少100M局域网
Web服务器
数据服务器
图形工作站
用户终端
●软件
a）数据库管理系统（DBMS）：
b）GIS平台：
SuperMap安装在Web服务器上；
c）操作系统及Internet服务平台：
Windows2000Server操作系统及其自带的IIS4.0安装在Web服务器上，Windows2000Professional（推荐）或WindowsME或Windows98安装在客户终端上。
四、系统功能结构及技术细节
1．系统功能设计
数字土地系统总体软件结构是基于B/S（Browser/Server）架构的软件体系。
包括日常性业务，如土地登记、建设用地审批、土地征迁管理、土地监察、土地市场管理、土地开发复垦管理、地产评估、土地收购储备等子系统，各子系统的功能如表12-2所示：
表12-2数字土地系统子系统功能表
子系统名称
主要功能简介
地籍调查与土地测量
实现地籍调查的各项功能，包括地形修改和编辑，宗地和权利人属性录入与编辑，地籍调查表的生成和打印。
土地登记
实现各种土地登记（变更登记、初始登记和他项权利登记）业务的受理、初审、审核和审批；实现审批表、土地证书及登记卡、归户卡等打印输出；实现地籍图和宗地地图制图。
建设用地审批
土地征迁管理
集体土地征用、安置补偿费用计算、划拨信息的录入、修改、查询检索和统计分析，办理征地手续等。
集体土地土地征用与拆迁信息的录入、修改、统计与分析。
征迁方案比选、补偿安置费用计算。
土地市场管理
国有土地收购储备、招标、拍卖，旧公有住房的出售，地价信息录入、修改、查询检索和统计分析，办理土地出让、转让手续等。
地价评估
土地分等定级与基准地价评估、地价调整、统计分析及公告等。
土地利用规划
录入、更新、查询、检索、统计、分析土地利用现状信息（该市及其下属的所有乡镇和村各用地类型的占地面积）及土地利用规划成果，辅助日常的土地利用规划管理和设计、年度土地利用计划计算机辅助编制和报表生成。
土地开发复垦
农用地整理，建设用地整理，未利用土地开发，废弃地复垦、耕地开发项目储备库管理等。
土地监察
对各类信访案件，非法用地信息审查、查处，信息的录入、修改、查询检索、统计、分析及输出等。
工作流
日常审批业务的受理资料的录入、修改、查询，审理信息的传递，审理流程的监控，审理信息的查询、公告，审批项目的统计。
土地档案管理
土地档案登录、归档、调阅登记及查询，电子档案的归档。
公文管理
局长办公支持
对局内外来文及局内发文录入、修改、查询检索及审批功能；为局长了解全局业务处理状况、财政收支状况、人员状况，指挥各个科室协调运作提供支持，可以通过网络对全局各项业务进行了解。
包括业务审批和进程监控、收支查询、人事查询与安排、办文与网络自动传文。
信息发布
通过窗口的大屏幕显示系统、触摸查询系统及Internet发布土地管理的政策法规信息、业务审批流程及有关信息、公告及该市的各种土地信息（如城市基础地理信息、基准地价等），这些信息除一般的多媒体信息外，还应包括动态的空间信息（即GIS数据）。
另外通过Internet接收社会的反馈信息，如违法用地举报、土地争议等。
系统管理
用于用户权限设置，系统的备份和恢复，数据字典和元数据管理等。
这些子系统主要为内部管理和业务管理服务，其中为业务管理服务的子系统，如地籍管理、建设用地审批、土地利用规划、土地市场管理、征地拆迁等子系统将分别针对日常性业务和非日常性业务进行开发。
对于日常性业务，系统将通过工作流管理系统进行管理，使业务子系统与窗口子系统紧密的集成。
而非日常性业务对应的模块则相对独立，自成体系。
系统详细功能如下：
（1）数据编辑与更新模块
（2）显示控制模块
（3）数据质量控制模块
（4）查询统计模块
2．数据库设计
（1）原则
数据库设计是系统设计的核心，是系统实现的前提，是系统成败的关键，也是衡量系统好坏的一个重要的因素。
在进行土地数据库设计时考虑的原则是：
●便于调查数据的管理维护，特别是对变更调查数据的更新和维护；
●结构化数据和非结构化数据，结构化数据采用关系数据库存贮，如各种审批表及属性数据。
非结构化数据采用Html、Doc、PDF格式存贮，最终的存档文档采用PDF。
●通过建立空间实体之间的时间变化关系表的形式，解决地籍管理、土地利用等方面的空间实体（宗地、土地利用地块）历史数据的保存问题。
●确保数据共享性、应用数据一致性，完备性和安全性。
●要处理好集中式与分布式数据库的设计问题，采用分布式数据库提高远程系统的访问效率。
●要建立元数据和数据字典。
（2）组成
土地管理数据可分为空间数据和非空间数据。
空间数据主要以地籍图、土地利用现状图和土地总体规划图等土地管理的基础和专题地图的形式存在，包括图形和属性数据。
非空间数据主要是以各种文档、报表和多媒体等形式存在，包括结构化数据和非结构化数据，结构化数据主要是指有一定结构，可以划分出固定的基本组成要素，以表格的形式表达的数据，可用关系数据库的表、视图表示，如各种申请表、审批表等；而非结构化数据是指没有明显结构，无法划分出固定的基本组成元素的数据，主要是一些文档、多媒体数据，如申请材料、各种文件、法规等。
为实现系统的计算机管理，必须将这些数据由现有的模拟方式转换为电子格式的数据，建立文档数据库。
按数据特征分类，本数字土地系统数据库可分为空间数据库、非空间数据库，非空间数据库又可分为非空间关系数据库和文档数据库。
其组成如图12-10所示。
五、数字土地系统展望
随着网络技术的迅速发展，Internet不断普及，GIS应用面的不断扩大，应用程度的不断深入，数字土地系统将全面由局域网走向Internet，随着计算机技术和GIS技术的发展，实现真正的Internet网络办公是信息化发展的需求；地理信息系统技术的发展，到一定阶段，地理信息系统应以服务为主，不再是纯粹的开发，地理信息系统开发商应不断的向用户，提供系统升级服务和其他方面的服务。
第十三章3S集成技术与数字地球
学习目标
·掌握3S的基本概念
·了解GIS与RS集成的形式和应用
·了解GIS与GPS集成的应用
·了解3S集成技术
·掌握数字地球的基本概念
·了解数字地球的核心技术及其应用
·掌握国家信息基础设施与国家空间数据基础设施基本概念
·了解我国国家空间数据基础设施建设内容
地理信息系统是一个多学科集成的空间信息系统，遥感（RS）技术的不断进步和发展，使得遥感已经成为GIS最主要的数据源，全球定位系统（GPS）则为GIS提供实时的地球空间中任意一点的高精度定位信息。
3S（GIS、GPS、RS）的集成已经成为GIS的发展趋势。
“数字地球”，一个凝聚着全人类美好梦想的目标，已经成为风靡全球的名词，它提供了我们人类认识地球的一种全新的方式，对人类与自然的协调和平衡将起到不可估量的作用。
数字地球的核心思想是用数字化手段统一的处理地球问题和最大限度的利用信息资源，它是地理信息系统的延伸和最终的发展归宿。
第一节3S集成技术
虽然GIS在理论和应用技术上已经有了很大发展，但单纯的GIS并不能满足目前社会对信息快速、准确更新的要求。
GPS、RS的出现和飞速发展为GIS适应社会的发展提供了可能性。
RS目前已经成为GIS最重要的数据源，在大面积资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用。
遥感技术在空间分辨率光谱分辨率和时间分辨率上都在飞速发展和提高，担负着越来越重要的作用。
GPS是以卫星为基础的无线电测时定位和导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。
国际上“3S”的研究和应用开始向集成化（或一体化）方向发展。
在3S集成应用中，GPS主要用于实时、快速的提供目标的空间位置；RS用于实时或准实时的提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时的对GIS进行数据更新；GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理和动态存取，作为新的集成系统平台，并为智能化数据采集提供地学知识。
一、GIS与遥感的集成
简而言之，地理信息系统是用于分析和显示空间数据的系统，而遥感影像是空间数据的一种形式，类似于GIS中的栅格数据。
因而，很容易在数据层次上实现地理信息系统与遥感的集成，但是实际上，遥感图像的处理和GIS中栅格数据的分析具有较大的差异，遥感图像处理的目的是为了提取各种专题信息，其中的一些处理功能，如图像增强、滤波、分类，以及一些特定的变换处理（如陆地卫星影像的KT变换）等，并不适用于GIS中的栅格空间分析，目前大多数GIS软件也没有提供完善的遥感数据处理功能，而遥感图像处理软件又不能很好地处理GIS数据，这需要实现集成的GIS。
在软件实现上，GIS与遥感的集成，可以有以下三个不同的层次[Ehlers]：
①分离的数据库，通过文件转换工具在不同系统之间传输文件；②两个软件模块具有一致的用户界面和同步的显示；③集成的最高目的是实现单一的、提供了图像处理功能的GIS软件系统。
在一个遥感和地理信息系统的集成系统中，遥感数据是GIS的重要信息来源，而GIS则可以作为遥感图像解译的强有力的辅助工具，具体而言，有以下的应用方面[J．C．Hinton]：
1.GIS作为图像处理工具
将GIS作为遥感图像的处理工具，可以在以下几个方面增强标准的图像处理功能：
①几何纠正和辐射纠正
在遥感图像的实际应用中，需要首先将其转换到某个地理坐标系下，即进行几何纠正。
通常几何纠正的方法是利用采集地面控制点建立多项式拟合公式，它们可以从GIS的矢量数据库中抽取出来，然后确定每个点在图像上对应的坐标，并建立纠正公式。
在纠正完成后，可以将矢量点叠加在图像上，以判断纠正的效果。
为了完成上述功能，需要系统能够综合处理栅格和矢量数据。
一些遥感影像，会因为地形的影响而产生几何畸变，如侧视雷达（Dideways-lookingradar）图像的叠掩（Layover）、阴影（Shadow）、前向压缩（Foreshortening）等等，进行纠正、解译时需要使用DEM数据以消除畸变。
此外，由于地形起伏引起光照的变化，也会在遥感图像上表现出来，如阴坡和阳坡的亮度差别，可以利用DEM进行辐射纠正，提高图像分类的精度。
②图像分类
对于遥感图像分类，与GIS集成最明显的好处是训练区的选择，通过矢量／栅格的综合查询，可以计算多边形区域的图像统计特征，评判分类效果，进而改善分类方法。
此外，在图像分类中，可以将矢量数据栅格化，并作为“遥感影像”参与分类，可以提高分类精度，例如，考虑到植被的垂直分带特性，在进行山区的植被分类时，可以结合DEM，将其作为一个分类变量。
③感兴趣区域的选取
在一些遥感图像处理中，常常需要只对某一区域进行运算，以提取某些特征，这需要栅格数据和矢量数据之间的相交运算。
2.遥感数据作为GIS的信息来源
数据是GIS中最为重要的成分，而遥感提供了廉价的、准确的、实时的数据，目前如何从遥感数据中自动获取地理信息依然是一个重要的研究课题，包括：
①线以及其他地物要素的提取
在图像处理中，有许多边缘检测（EdgeDetection）滤波算子，可以用于提取区域的边界（如水陆边界）以及线形地物（如道路、断层等），其结果可以用于更新现有的GIS数据库，该过程类似于扫描图像的矢量化。
②DEM数据的生成
利用航空立体像对（StereoImages）以及雷达影像，可以生成较高精度的DEM数据。
③土地利用变化以及地图更新
利用遥感数据更新空间数据库，最直接的方式就是将纠正后的遥感图像作为背景底图，并根据其进行矢量数据的编辑修改。
而对遥感图像数据进行分类，得到的结果可以添加到GIS数据库中。
因为图像分类结果是栅格数据，所以通常要进行栅格转矢量运算；如果不进行转换，可以直接利用栅格数据进行进一步的分析，
升级会员 