地理信息科学的研究方法范文
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导语：如何才能写好一篇地理信息科学的研究方法，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
1 地理科学在科学体系中的地位
钱学森在20世纪80-90年代逐步完成了总结全人类研究的科学体系。概括起来分11个门类、5大巨系统、4项建设（图1、图2、图3、表1），下面分别表述原著与解解的内容。
附图
图1 钱学森论人类的知识体系
fig.1 the statement of human knowledge system by qian xuesen
钱学森将当今人类对科学知识的体系，分为数学科学、自然科学、地理科学、社会科学、建筑科学、军事科学、人体科学、思维科学、行为科学、系统科学与美学11个体系。对上述人类知识体系解读，可以将自然科学、社会科学和地理科学作为客体世界的主要研究对象；而人体科学、思维科学和行为科学作为人类主体的主要研究对象；建筑科学界于客体与主体科学之间；军事科学实际上是指谋略科学（包括经济、政治、军事等），是在掌握所有科学基础上的智慧较量；美学是纵贯于各个学科的；数学科学与系统科学是横贯于各个学科的。因此有以下的科学分类网络系统（图2）。
附图
图2 科学分类的网络体系
fig.2 the network system of science classification
在五个开放的、复杂巨系统中（图3），地理系统与星系系统、社会系统、人体系统、人脑系统并列，其中的物理、地理、事理、人理、脑理中的“理”都是指研究的“规律”。
钱学森提出的社会主义总体设计部（表1）中，除了政治文明建设、物质文明建设、精神文明建设外，特别提出地理建设，笔者将其修改为地理系统工程，并增加了人口、科教、城镇、资源、灾害、产业。
表1 社会主义建设的系统结构（略有修改）
tablel the system structure of socialism construction
附图
2 地理信息科学
20世纪70年代以来，随着航天技术的迅猛发展，来自外层空间的遥感、遥测、定位、通讯信息海量地增加；随着计算机技术的迅猛发展，处理与解决这些海量数据的能力大幅度地提高。地理信息系统、地理专家系统、管理信息系统、辅助决策系统应运而生，使得地理信息科学首先获得发展的机会。正是地理信息科学这门用高新技术武装起来的技术科学的发展，带动了整个地理科学的建立与发展。
附图
图3 五个开放的复杂巨系统
fig.3 five open complex giant system
地理信息科学的主要内容就是天地信息一体化网络系统，包括航天信息网络系统（外层空间卫星之间的信息网络）、地面的网络系统、天地之间的网络系统三部分，是有线网络与无线网络连通的一体化网络系统。1998年笔者发表了“航天信息与地理信息一体化网络系统及其应用”的论文[5]，2002年又发表了“论地理信息科学的发展”[6]一文。两篇论文基本上代表了地理信息科学的创始与发展，当前各行各业都在进行数字化或信息化的建设，实际上都是天地信息一体化网络中的部分子网络或子系统。地理信息科学中最重要的原创性的成果是遥感信息模型与地理信息编码模型。
随着遥感信息的大量获取，数学家以模式识别为工具对遥感信息进行图像处理与分类，使用的数学工具主要是数理统计的方法，把遥感信息看成是没有成因关系的随机变量；物理学家则把获取遥感的物理过程视为遥感信息的成因，因此采用反演的方法，使用辐射传输方程为主的数学工具，事实上不承认地理现象的不确定性；大多数地理学家将遥感信息当成系列成图的基础信息，快速、准确地制作系列地图。地图是符号系统，其信息量远不可与遥感信息量比较，地图学家把遥感信息转化成符号系统的系列图谱。遥感信息模型则是将地理复杂现象中的非遥感信息转变为归一化的影像信息，与遥感信息一起用方程、统计与相似准则结合，也即演绎逻辑、归纳逻辑与类比逻辑结合；确定性与不确定性（包括随机的不确定性、模糊的不确定性、灰色的不确定性、分形的不确定性）辩证统一；图像与方程（一个像元或一个图斑、一个方程）耦合；抽象思维与形象思维互动而建立起来的一种地理复杂信息模型[7-9]。这种信息模型只有在遥感技术的推动下才有可能产生。这种信息模型是遥感信息与地理信息连接的纽带。
地理信息系统本来就是为了制作地图而创建的，因此地图学家将从遥感中提取的系列地图存入地理信息系统，是顺理成章的。但是这种地理信息系统无论空间分析功能多么强大，也不可能进行模型计算，外挂、内嵌种种方式都不可能解决直接进行模型计算问题。系列地图存入计算机的图形库时，信息又是冗余的，因此带来一系列与计算机技术发展格格不入的疑难，最为典型的是数据挖掘，数据挖掘说明存在数据库中的信息有冗余。遥感信息模型的运算要求地理信息系统可以直接进行模型计算，由此地理信息编码模型应运而生[10,11]。传统的地理信息系统以图形的叠合(overlay)为主；而能够进行遥感信息模型运算的地理信息系统则以像元或图斑中的多位编码的抽取(extract)为主。这又是完全相反的途径。地理信息编码模型还是地理定量信息与定性信息转化的纽带，也是地理信息系统中属性库与地理专家系统中知识库联系的桥梁。
总之，天地信息一体化网络系统是开放的复杂巨系统，研究这个巨系统的地理信息科学的内容远远超过了3s(remote sensing,global positioning system,geographical information system)的范围，而是以天地信息一体化网络系统为核心的天—地—人—机系统。地理信息科学虽然是从属于地理科学的技术科学，但是地理信息科学的诞生与发展是引领地理科学成长的核心力量，因此本刊更名时，将地理信息科学与地理科学相提并论，突出了地理信息科学的重要性。
3 地理系统工程
地理系统工程当前尚未被广泛认识，已经认识到的也仅仅是系统工程在地理学中的应用。当地理信息科学中的模型在实践中应用时，必然会涉及地理系统工程的可操作性。地理遥感复杂信息模型的建立，可以进行定量预报和回溯，因此为地理系统工程打下了工程的基础。国民经济的主战场主要包括人口、资源、生态、环境、灾害、城镇、基建、产业等8个方面，这8个方面是互动的。
如果没有以高新技术武装起来的地理信息科学的支撑，研究复杂的地理系统工程就是空想，然而所幸的是人们已经掌握了地理信息科学的许多关键技术，地理系统工程的实践指日可待。
4 理论地理科学
地理信息科学一方面可以进一步为地理系统工程提供研究方法与手段；另一方面又为理论地理科学提供技术基础。从遥感信息模型发展到地理复杂信息模型再到地理数学[8]，为理论地理科学奠定了坚实的基础。
理论地理科学中首要的是建立开放的复杂巨地理系统的理论；其次是地理类比的广义相似理论[13]；第三是一般地理复杂模型理论与地理数学；第四是地理数学在部门地理—部门子地理系统工程与区域地理—区域地理系统工程中的应用。理论地理科学如果不能指导部门子地理系统工程的研究和区域地理系统工程的研究，那么就失去了理论意义。
如果没有以高新技术武装起来的地理信息科学的支撑，研究理论地理科学也是空想，然而所幸的是人们已经掌握了地理信息科学的许多关键技术，理论地理科学的建立指日可待。
5 地理科学在可持续发展信息社会中的作用
地理学的发展经历了“地理环境决定论”、“人类中心主义”，然后达到了地理科学的可持续发展的阶段。地球上人类消耗的资源、能源是极其不平衡的，按照发达国家的水平，一个地球是满足不了全人类的需求的。可持续发展只有在信息社会中才能实现，人类一方面需要依靠科学技术开发资源，如太阳能的利用，靠基因工程使绿色植被更多地利用太阳辐射，靠纳米技术直接转化太阳能为电能；另一方面是靠信息技术节省资源、能源，如天地信息一体化网络系统就是信息社会的重要支柱之一，靠航天技术获取外层空间信息源，靠计算机技术建立信息网络。由此可见，地理信息科学在可持续发展信息社会中的作用[14]。随着地理信息科学的发展，地理系统工程与理论地理科学的发展，将为国民经济的主战场做出重要的贡献。
由上分析，可见地理科学与地理信息科学已经被广泛共识，地理系统工程与理论地理科学的发展尚不够充分，因此本刊更名为“地理与地理信息科学”是适时的，是既有继承性又有发展性的；是既有前瞻性又有现实性的。在这里我们希望地理科学界的同仁，切不要轻视技术，高新技术恰恰是新理论、新应用的强大推动力。
【参考文献】
[1] 钱学森，等.论地理科学[m].杭州：浙江教育出版社，1994.1-325.
[2] 钱学森.发展地理科学的建议[j].大自然探索，1987,6(19):36-46
[3] 钱学森.就“地理科学”答《地理知识》记者问[j].地理知识，1990,(1):90-93.
[4] 马蔼乃.论地理科学的发展[j].北京大学学报（自然科学版），1996,32(1):120-129.
[5] 马蔼乃.航天信息与地理信息一体化网络系统及其应用[j].北京大学学报（自然科学版），1998,34(4):533-541.
[6] 马蔼乃，等.论地理信息科学的发展[j].地理学与国土研究，2002,18(1):1-8.
[7] 马蔼乃.遥感信息模型[m].北京：北京大学出版社，1997.1-165.
[8] 马蔼乃.遥感信息模型与地理数学[j].北京大学学报（自然科学版），2001,37(4):521-529.
[9] 马蔼乃.遥感地理信息模型[j].地理学报，1996,51(3):266-271.
[10] 马蔼乃.地理信息编码模型[a].地理科学与地理信息科学论[c].武汉，武汉出版社，2000.283-302.
[11] 马蔼乃.地理知识的形式化[a].地理科学与地理信息科学论[c].武汉，武汉出版社，2000.261-274.
[12] 马蔼乃.21世纪黄河系统工程方略（首届黄河论坛暨王化云治黄思想研讨会）[n].黄河报（转载），2002.
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1、地理科学在科学体系中的地位
钱学森在20世纪80-90年代逐步完成了总结全人类研究的科学体系。概括起来分11个门类、5大巨系统、4项建设,下面分别表述原著与解解的内容。
钱学森将当今人类对科学知识的体系,分为数学科学、自然科学、地理科学、社会科学、建筑科学、军事科学、人体科学、思维科学、行为科学、系统科学与美学11个体系。对上述人类知识体系解读,可以将自然科学、社会科学和地理科学作为客体世界的主要研究对象;而人体科学、思维科学和行为科学作为人类主体的主要研究对象;建筑科学界于客体与主体科学之间;军事科学实际上是指谋略科学(包括经济、政治、军事等),是在掌握所有科学基础上的智慧较量;美学是纵贯于各个学科的;数学科学与系统科学是横贯于各个学科的。
在五个开放的、复杂巨系统中,地理系统与星系系统、社会系统、人体系统、人脑系统并列,其中的物理、地理、事理、人理、脑理中的“理”都是指研究的“规律”。
钱学森提出的社会主义总体设计部中,除了政治文明建设、物质文明建设、精神文明建设外,特别提出地理建设,笔者将其修改为地理系统工程,并增加了人口、科教、城镇、资源、灾害、产业。
2、地理信息科学
随着航天技术的迅猛发展,来自外层空间的遥感、遥测、定位、通讯信息海量地增加;随着计算机技术的迅猛发展,处理与解决这些海量数据的能力大幅度地提高。地理信息系统、地理专家系统、管理信息系统、辅助决策系统应运而生,使得地理信息科学首先获得发展的机会。正是地理信息科学这门用高新技术武装起来的技术科学的发展,带动了整个地理科学的建立与发展。
随着遥感信息的大量获取,数学家以模式识别为工具对遥感信息进行图像处理与分类,使用的数学工具主要是数理统计的方法,把遥感信息看成是没有成因关系的随机变量;物理学家则把获取遥感的物理过程视为遥感信息的成因,因此采用反演的方法,使用辐射传输方程为主的数学工具,事实上不承认地理现象的不确定性;大多数地理学家将遥感信息当成系列成图的基础信息,快速、准确地制作系列地图。地图是符号系统,其信息量远不可与遥感信息量比较,地图学家把遥感信息转化成符号系统的系列图谱。遥感信息模型则是将地理复杂现象中的非遥感信息转变为归一化的影像信息,与遥感信息一起用方程、统计与相似准则结合,也即演绎逻辑、归纳逻辑与类比逻辑结合;确定性与不确定性(包括随机的不确定性、模糊的不确定性、灰色的不确定性、分形的不确定性)辩证统一;图像与方程(一个像元或一个图斑、一个方程)耦合;抽象思维与形象思维互动而建立起来的一种地理复杂信息模型[7-9]。这种信息模型只有在遥感技术的推动下才有可能产生。这种信息模型是遥感信息与地理信息连接的纽带。
3、地理系统工程
地理系统工程当前尚未被广泛认识,已经认识到的也仅仅是系统工程在地理学中的应用。当地理信息科学中的模型在实践中应用时,必然会涉及地理系统工程的可操作性。地理遥感复杂信息模型的建立,可以进行定量预报和回溯,因此为地理系统工程打下了工程的基础。国民经济的主战场主要包括人口、资源、生态、环境、灾害、城镇、基建、产业等8个方面,这8个方面是互动的。中国的人口问题、西部开发问题、21世纪水资源问题、能源问题、洪旱灾害问题、环境问题、生态农业问题、城镇体系问题、基建布局问题、产业结构动态调整问题以及相互之间的协调发展问题,无不属于地理系统工程。
地理现象是复杂现象,地理系统是开放的复杂巨系统。当研究西部开发时,如果国家各个部门各行其是,石油开发只考虑石油开采与输送管道;交通只考虑公路建设;铁路只考虑铁路建设;水利只考虑南水北调问题;城镇建设只考虑城市规划等,那么整体的西部地区有可能产生许多事倍功半的现象,例如修了公路没有物资运输;城市居民结构不尽合理;劳动力与产业结构不配套等。钱学森的社会主义总体设计部就是要把地理系统工程与政治文明建设、物质文明建设、精神文明建设系统地结合起来,地理系统工程仅是其中的一个子系统。而人口、资源、生态、环境、灾害、城镇、基建、产业是地理系统工程中的子系统。
4、理论地理科学
地理信息科学一方面可以进一步为地理系统工程提供研究方法与手段;另一方面又为理论地理科学提供技术基础。从遥感信息模型发展到地理复杂信息模型再到地理数学[8],为理论地理科学奠定了坚实的基础。
理论地理科学中首要的是建立开放的复杂巨地理系统的理论;其次是地理类比的广义相似理论;第三是一般地理复杂模型理论与地理数学;第四是地理数学在部门地理―部门子地理系统工程与区域地理―区域地理系统工程中的应用。理论地理科学如果不能指导部门子地理系统工程的研究和区域地理系统工程的研究,那么就失去了理论意义。
如果没有以高新技术武装起来的地理信息科学的支撑,研究理论地理科学也是空想,然而所幸的是人们已经掌握了地理信息科学的许多关键技术,理论地理科学的建立指日可待。
5、地理科学在可持续发展信息社会中的作用
地理学的发展经历了“地理环境决定论”、“人类中心主义”,然后达到了地理科学的可持续发展的阶段。地球上人类消耗的资源、能源是极其不平衡的,按照发达国家的水平,一个地球是满足不了全人类的需求的。可持续发展只有在信息社会中才能实现,人类一方面需要依靠科学技术开发资源,如太阳能的利用,靠基因工程使绿色植被更多地利用太阳辐射,靠纳米技术直接转化太阳能为电能;另一方面是靠信息技术节省资源、能源,如天地信息一体化网络系统就是信息社会的重要支柱之一,靠航天技术获取外层空间信息源,靠计算机技术建立信息网络。由此可见,地理信息科学在可持续发展信息社会中的作用。随着地理信息科学的发展,地理系统工程与理论地理科学的发展,将为国民经济的主战场做出重要的贡献。
由上分析,可见地理科学与地理信息科学已经被广泛共识,地理系统工程与理论地理科学的发展尚不够充分,因此本刊更名为“地理与地理信息科学”是适时的,是既有继承性又有发展性的;是既有前瞻性又有现实性的。在这里我们希望地理科学界的同仁,切不要轻视技术,高新技术恰恰是新理论、新应用的强大推动力。
参考文献:
[1]钱学森,等.论地理科学[M].杭州:浙江教育出版社,1994.1-325.
篇3
关键词：教学内容；地理信息系统原理；研讨式
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）09-0116-02
一、《地理信息系统原理》实施研讨式教学的必要性
（一）信息化条件下大学本科教学模式的需求
目前，传统的教学模式以被动的接收信息与知识、靠记忆获取知识已经不符合时代潮流，不能满足信息化时代对大学生提出的要求。从教与学各个方面进行教学改革，以教促学是信息化时代本科教学的需要。大学本科生毕业之后，帮你解决问题的是你思维，不是你记住多少，记住什么，而是你怎么想的，怎么解决问题。信息时代的教学模式在文化继承的同时更注重培养人的创造性，实现对文化的不断超越，这是信息时代对每一个社会成员素质的基本要求。
（二）“数字湖南”人才建设的需求
“四个湖南”即绿色湖南、创新型湖南、数字湖南和法治湖南，其中创新是发展的动力和活力，数字化是重要支撑。建设数字湖南，充分利用信息技术，是“四个湖南”建设的基础和支撑，是加快建设“两型社会”的客观要求和必然选择。地理信息科学（GIS）专业学生是“数字湖南”建设的潜在与贮备人才，是“数字湖南”建设的生力军。
（三）贯彻实施国家高等教育质量工程的需求
21世纪，知识经济化、经济全球化和高度信息化，对新世纪人才提出了更高的要求。人才强国的战略把教育工作提高到一个新的高度，高等教育由精英教育走向大众化教育，素质教育纳入到整个教育质量体系之中。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》把全面提高质量作为高等教育发展的核心任务，高等教育质量工程成为教育发展与改革的重点。
二、《地理信息系统原理》课程研讨式教学内容
（一）《地理信息系统原理》课程教学重点与教学难点
《地理信息系统原理》是地理信息科学专业的核心课程，也是测绘工程、土地资源管理等专业的主干课程。地理信息系统是利用计算机技术对地球表层空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、分析和显示的技术系统，处理和管理的对象是地理空间实体数据及其关系。课程主要目的是使学生掌握空间数据的存贮、管理和组织方式和空间分析的方法，了解地理信息系统学科的基本特征，了解国内外大型地理信息系统软件的空间数据结构组织，并掌握常用GIS软件的操作。根据《地理信息系统原理》课程特点和教学目的，本课程的教学重点为空间数据获取方式与空间数据质量、空间数据模型、两种常用空间数据结构和编码方式、空间数据库的组织方式、空间分析的原理与方法。本课程的教学难点为空间数据模型、两种常用空间数据结构、空间分析的原理。
（二）《地理信息系统原理》课程研讨式问题的设计
依据《地理信息系统原理》课程的教学重点和教学难点，结合数字城市建设对人才的实际需求，在地理信息科学专业和测绘工程专业设置4―6个研讨式的问题，以教师提出问题，学生思考与讨论问题，教师引导式解决问题的方式进行教学。在研讨式教学过程中，研讨式的问题的设置是关键，设置的问题需要能激起学生的兴趣，又能结合信息化时代对地理信息科学的相关要求。以长沙市公交线路的空间分布、空间数据建模、空间数据编码与路径分析为例，设置5个研讨式的问题，学生在课堂上分小组讨论问题，并总结小组答案，组长描述解决问题的过程与最终解决问题的方式。
三、《地理信息系统原理》课程研式教学方式
（一）小班模式
针对30人以下的小班教学，研究GIS本科专业必修课程课堂教学时学生参与方式，确保即能完成教学任务又能激发学生学习积极性。30人以下的小班，以5人为一个小组，6个小组，每个小组通过课前收集资料，课堂讨论与组长汇报解决方案，课后整理总结。《地理信息系统原理》共设置5个研讨式问题，3个问题在理论课堂解决，2个问题在实验课堂解决。
（二）大班模式
针对30人以上的大班教学，依据学生个体差异，分2个大组进行研讨式问题的设计，提供2组研讨式问题。每组研讨式问题列出5个研讨式问题，每个小组通过课前收集资料，课堂讨论与组长汇报解决方案，课后整理总结。3个问题在实验课堂解决，2个问题在理论课堂解决。
四、《地理信息系统原理》课程研讨式教学的效果
在2011级和2012级地理信息系统和测绘工程专业的《地理信息系统原理》课程实行研讨式教学，课程总课时为32理论，16实验，其中地理信息系统专业采用小班教学模式，在3次理论和2次实验课堂中采用研讨式教学。测绘工程专业采用大班教学模式，在2次理论和3次实验课堂中采用研讨式教学。
从表1可以看出，采用研讨式教学模式，学生参与度明显提高，能够体现学生学习的积极性和主动性。但研讨式教学时教学进度比较慢，《地理信息系统原理》共48课时，教学内容比较多，受到课时的限制，研讨式教学的内容和研讨式教学的问题不应设置的太多，因此，研讨式问题的设置一定是教学重点和教学难点，研讨式教学目的是为了学生更好地理解教学难点内容。
参考文献：
[1]陈志刚，张紫屏.课程改革的难题：凯洛夫教学模式的遗留[J].2013，311（6）：25-38.
[2]袁维新.科学探究教学模式的反思与批判[J].教育学报，2006，2（4）：13-17.
The Discussion on Teaching Content and Mode of Geographic Information System
ZHAO Chun-yan，CHU Rong
（College of Science，Central South University of Forestry & Technology，Changsha，Hunan 410004，China）
篇4
【关键词】数据结构 地理信息科学专业 教学内容改革
一、前言
数据结构是计算机专业的一门综合性专业基础课，算法和数据结构是计算机科学的两大支柱。地理信息系统（GIS）是在计算机硬、软件系统支持下，对地理空间数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。作为计算机专业核心课程的数据结构是GIS专业的核心课程。然而，计算机专业和GIS专业学生专业背景不同，学习重点也不同。因此，在GIS专业数据结构教学过程中，根据本专业的需求，并结合专业特点，设计合理的教学内容是十分必要的。
二、GIS专业数据结构课程教学存在问题
通过数据结构的学习，要求学生掌握：数据的各种逻辑结构和物理结构，包括线性表、栈、队列、串、树、图等；基于各种数据结构的各种运算，如插入、删除、检索等；基于各种数据结构的算法，例如基于图的最短路径分析、查找算法等；分析算法的效率，主要指算法的时间和空间复杂度[1]。
GIS专业是一门集地理学、计算机、遥感技术和地图学于一体的新型专业。GIS专业的学生不仅要有深厚的计算机功底，而且还应该具有较强的空间思维能力，能够处理和分析二维/三维的地理空间数据。然而教师在当前的数据结构教学过程中，普遍重视非空间数据的处理，较少涉及空间数据的组织和管理。同时，学生对于数据结构与GIS专业的关系非常疑惑，特别是常规的教学内容与方法，不能与专业相结合，学习起来就比较困难。
通过近几年的教学研究，笔者在数据结构教学过程引入空间数据存储、空间数据管理、空间关系、空间分析等与GIS专业关系密切的教学内容，使得学生对数据结构有了更好的理解，对GIS的学习也有了很好的促进作用。
三、GIS专业的数据结构教学内容改革实践
（一）数据结构用于空间数据存储和运算
数据结构研究内容包括线性表、栈、队列、串、树、图等结构。它们不仅能够对非空间数据进行表达，也能够对空间数据进行表达。在数据结构教学过程中，对数据结构存储的内容进行扩展，数据结构中存储的不再是整型、浮点型、字符型等简单类型，还可以是各种各样的空间数据。
在数据结构课程教学中，要求学生能够独立设计点、线和面等不同维度的矢量和栅格空间数据、影像空间数据的结构体（或类），并实现线性表、栈、队列、串、树、图等结构的定义和运算，使数据结构能够处理各种类型的空间数据。
（二）树结构用于空间数据管理
在数据结构课程教学中，要求学生能够利用树结构，设计典型的空间数据索引。空间数据的一个非常重要的特性是其海量特征。海量的空间数据管理，需要设计相应的空间索引。作为一种辅的空间数据结构，空间索引介于空间操作算法和空间对象之间，它通过筛选作用，排除大量与特定空间操作无关的空间对象，从而提高空间操作的速度和效率。比较有代表性的空间索引有格网索引、四叉树索引、R树和R+树索引、CELL树索引。
空间索引的设计需要树结构的支持。例如，四叉树空间索引的构建可以用树结构进行描述。通过建立树结构表示，表达地理空间对象，能够实现对空间数据的快速检索。
（三）图结构用于空间关系表示
GIS不仅关心空间目标自身的几何特征及属性，还必须能够处理其与所处环境间的关系。因此，在数据结构课程教学中，要求学生掌握空间关系的基本理论并设计相应的图结构，使图数据结构能够对各种空间关系进行计算机表达。
空间关系是GIS的核心研究内容之一，主要包含拓扑、方位和度量空间关系。拓扑关系描述了空间对象在拓扑变换下的拓扑不变量；方位关系描述了空间对象之间的相对位置信息；度量空间关系是用某种度量空间中的度量来描述对象间的关系。因此，数据结构支持空间关系的计算机表达，也是数据结构教学过程中的重点。
空间关系可以通过图数据结构来表达。图G是由集合V（G）和E（G）组成，记为G=（V，E），其中V（G）是顶点的非空有限集合，E（G）是边的有限集合，边是点的无序对或有序对。在空间关系的表达过程中，采用顶点表示地理空间对象，边表示地理空间对象之间的空间关系。V（G）表示地理空间对象集合，E（G）表示地理空间对象关系的集合。然而，地理空间对象之间存在多种空间关系，例如，地理空间对象A和B之间的拓扑关系为相离、方位关系为东、度量关系为10米。这就需要定义多种子图，分别表达不同的空间关系，然后将各种子图进行合并，形成一更高级别的图集合。可以定义图的集合：，其中，表示图的集合，分别表示各种子图。
（四）数据结构应用于空间分析
GIS包含很多空间分析方法，如叠置分析、网络分析、地形分析等。其中，网络分析通过研究网络的状态以及模拟和分析资源在网络上的流动和分配情况，对网络结构及其资源的优化问题进行研究。在数据结构课程教学中，要求学生掌握空间分析的基本理论并设计相应的图结构和改进的Dijkstra算法进行路径选择、资源分配和网流量分析。
网络分析可以通过图数据结构实现。例如，基于图数据结构和改进的Dijkstra算法能够进行网络分析。进行网络分析，能够选取一条最优的路径，也可以选择合理的资源配置中心，同样可以选择最佳的布局中心。
四、结论和展望
空间数据存储、空间数据管理、空间关系、空间分析是GIS专业的核心研究内容。教师结合GIS专业特色，对数据结构课程内容进行适当调整，强调数据结构在GIS方面的应用，使教学内容更具有针对性，既有利于增强GIS专业学生学习数据结构的兴趣，又有利于GIS专业人才培养。
【参考文献】
[1]严蔚敏，吴伟民.数据结构（C语言版）[M].北京：清华大学出版社，1997.
[2]胡学钢，张晶，周红鹃，等.数据结构实践教学体系设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2005，23（S2）：138-141.
[3]姜跃.《数据结构》课程的教改与实践探索[J].云南师范大学学报（自然科学版），2011，31（03）： 71-73.
篇5
【 关键词 】 地理信息科学；数字地球；云计算；空间计算；时空；高性能计算；地理信息网络基础设施
1 引言
“唯一不变的是变化本身”——肯尼迪。在全球化和人类活动地域扩张的21世纪，理解变化变得越来越重要（Brenner 1999； NRC 2009b）。这些变化在一定的空间范围内发生，这个范围可以小到个人或周围的小空间，也可以大到整个地球（Brenner 1999）。我们用时空维度来更好地记录空间的相关变化（Goodchild 1992）。为了理解、保护和改善我们的生活环境，人类已经积累了约十万年或更长时间发生的变化的宝贵记录。这些记录通过各种传感技术获得，这些传感技术包括我们人类的视觉、触觉和感觉，以及最近发展的卫星、天文望远镜、原位传感器和传感器网（Montgomery and Mundt， 2010）。传感技术的进步极大地提高了记录的精度和时空范围。总的来说，我们已经积累了EB级的记录数据，而且这些数据集每天以PB级的速度在增加（Hey， Tansley and Tolle 2009）。
云计算的出现为解决地理科学的挑战，即能够灵活访问广泛集中的、实体化的以及负担得起的计算机资源，带来了可能的解决方案（Cui et al.， 2010； Huang et al.， 2010）。21世纪的地理空间科学与所描述的密集问题可以受益于最新的云计算框架，并充分利用时空原理以优化云计算。要抓住云计算和地理空间科学之间的内在关系，我们引入了空间云计算：a）解决地理空间科学中的4个密集问题；b）促进实施和优化云计算汇集、弹性、按需以及其他特点。
2 空间云计算（Spatial Cloud Computing （SCC））
云计算正在成为下一代的计算平台，政府机构正在促进它的使用以降低启动、维护和能源消耗成本（Buyya et al.， 2009； Marston et al. 2011）。结合地理空间科学，几个试验性的云计算项目正在诸如FGDC、 NOAA和 NASA等联邦机构内实施。商业机构，如微软、亚马逊和ESRI正在调研如何在云计算环境中操作地理空间应用，了解如何最好地适应这个新的计算模式。早期的调研发现云计算不仅能够帮助地理空间科学，而且能够采用时空原理进行优化以最好地使用分布式计算资源（Yang et al.， 2011）。地理空间科学问题具有强时空约束和原则，能够通过系统地考虑通用时空规则来获得最好的答案（De Smith 2007； Goodchild 1990； Goodchild et al.， 2007； Yang et al.， 2011b）：1）物理现象是连续的，数据表示在时空上是离散的；2）物理现象在空间、时间和时空关系上是异构的；3）物理现象在局部地理域上是半自治的，并且能够被分割和合并；4）地理空间科学和应用问题包括数据存储、计算/处理资源、物理现象和用户的时空位置；上述四种位置的相互作用随空间分布强度愈发复杂；5）时空现象越接近越相关（Tobler' first law of geography）。
一个支持地理空间科学的云计算平台应该利用上述时空原则和限制，以便以一种时空形式更好地优化与使用云计算，而不是设置限制条件和重新设计应用架构（Calstroka and Waston 2010）。
时空云计算涉及地理空间科学驱动的计算规范，通过将分布式计算环境应用于地理空间和其他科学发现，其能够被时空原则所优化。
空间云计算框架包括物理计算基础设施、分布在多个区域的计算资源，和用来管理为终端用户提供服务的资源的空间云计算虚拟服务器。
空间云计算可以用一个架构来表示，这个架构包含物理计算基础设施、分布在多个区域的计算资源，以及一个管理为终端用户提供服务的资源的空间云计算虚拟服务器。
空间云计算环境的核心组件主要通过结合时空原则的SCCM来支持地理空间科学，以寻求计算资源的优化。基于传统空间云计算平台和核心GIS功能是能够实现的，例如动态重投影和空间分析。本地用户和系统管理员通过SCCM管理接口，能够直接访问私有云服务器，云用户能够通过空间云门户访问云服务。还需要进一步研究IaaS、PaaS、SaaS和DaaS环境在云计算与地理信息科学两方面可用的一致性。在下一节中，我们使用四种有代表性的应用来说明四种密集的问题。
3 空间云计算应用
为说明云计算如何能潜在解决四个密集问题，我们选择了四个科学和应用场景来分析这些问题、时空原则和潜在空间云计算解决方案间的内在联系。
3.1 数据密集型
地理空间科学中的数据密集型问题至少可以总结为三个方面：1）利用专门的投影和地理坐标系统，多维地理空间数据在二维以上空间表示；2）诸如卫星观测、照相获取、或者模型模拟，会收集或产生海量多维数据；3）数据的全球分布。许多数据密集型的应用访问和数据整合，因此，大数据可能在快速计算机网络中传输，或者通过组合技术实现最小传输。
为解决这些数据密集型问题，我们开发了一种DaaS——分布式的目录和基于空间云计算的门户，来发现、访问、使用地理空间数据。这个DaaS基于Microsoft Azure， Amazon EC2和 NASA 的地理空间社区的云服务上正在进行开发与测试。
空间云计算可考虑拥有和使用数据、服务、计算和终端用户的位置、能力、容量和质量等信息并予以优化，当然是在计算、地理空间科学和应用使用时空原则的情况下。
3.2 计算密集型
计算机密集型是地理空间科学需要解决的另外一个问题。在地理科学元素中，在信息/知识的数据挖掘、参数提取和现象模拟应用中计算密集型问题愈发突出。这些问题包括：1）地理空间科学在建模和分析方面天然是耗费计算资源的；2）参数提出需要运行复杂的地球物理算法，以从海量观测数据中获取现象值（Phenomena Values），这个复杂的算法运算使得参数提取更具有计算密集型特征；3）当考虑到地球系统的所有动态参数时，模拟地理空间现象是非常复杂的。周期性的现象模拟密集计算的不断循环，高性能计算机常用来提升此类计算速度。更重要的是，现象处理的时空原则可用来优化分布式计算单元的组织，以实现时空科学模拟和预测（Govett et al.， 2010； Yang et al.， 2011）。这些原则对于实现数据挖掘、参数提取、现象模拟的云计算来优化计算资源也是很关键的（Ramakrishnan et al. 2011； Zhang et al. 2011），主要通过：1）利用动态需求和能力，为计算工作选择最匹配的计算单元；2）并行化操作单元以降低这个处理时间或提高整个系统的可操作性，3）利用更加匹配的工作、计算应用以及存储与网络状态，优化整个云操作性。由于科学算法的多样性和动态性，最好的实现平台是PaaS和IaaS。
3.3 并发访问密集
互联网的发展和“在任何地点、任何时间将正确信息提供给任何人”的理念，使得基于位置的地理空间服务流行开来（Jensen 2009），并允许数以千万计的用户并发访问系统（Blower 2010）。例如，Google Earth通过其SaaS支持数百万互联网用户并发访问。这些并发密集型访问在某一时间（例如2011年3月日本海啸和地震期间）非常密集，而在另外时间则很少。为更好地满足这些并发访问，空间云计算需要弹性调用更多的来自不同区域的服务进程来应对访问峰值。
实验证明计算进程越多，性能越高。弹性自动提供和释放计算资源允许我们共享其他无并发访问峰值的应用的计算资源，以应对当前的并发访问峰值。
3.4 时空密集型
为更好地理解过去和预测未来，一些被收集的地理空间数据是基于时间序列的，将已有的观测数据进行时间序列的重建工作也已实施。时空密集型的重要性体现在时空索引（Theodoridis and Nascimento， 2000； Wang et al.， 2009）、时空数据建模方法（Monmonier， 1990， Stroud et al.， 2001）、地球科学现象关联分析（Kumar 2007）、飓风模拟（Theodoridis et al.， 1999）以及计算机网络技术（在传输负载与拓扑复杂性上飞速发展）（Donner et al.， 2009）之上，面临着的挑战也来自于这些。
针对数据采集，不同的路径传感器、照相机以及公众探测技术用来获取实时的交通状态信息（Goodchild 2007）。已存在的路径连接和节点也被添加进来作为基础数据。模型模拟在高性能计算环境中进行。不像静态路径规划可利用Dijkstra算法实现，近实时的路径规划则不能如此（Cao 2007），我们不得不针对每一个路径规划请求进行准实时的计算。此复杂性给计算和地理科学带来很大的挑战。由于路径规划请求的动态特点，我们不能为应对最大量的用户而去维持最大的计算能力，通常我们不需要全部的计算能力。云计算提供的弹性与按需特征能够用来解决这个问题，PaaS最适合这种应用。
4 机遇与挑战
这篇论文罗列了21世纪地理空间科学面临的诸多巨大挑战：数据、计算、并发和时空分析密集特征。我们论证采用空间特征的云计算的最新进展能够为解决这些巨大挑战提供潜在的解决方案。
时空云计算的成功依赖许多因素，例如时空云计算在能够采纳云解决方案的地理空间科学家中的推广，在能够采纳时空原则进行设计、建设和部署云平台的计算科学家与工程师中推广。我们列举了几个方面，包括：
4.1 时空原则挖掘和提取
地理空间现象在时间和空间上不断变化，利用四维或更多维去表示或描述其演变是可能的。我们已建立了欧几里德和其他空间去描述这些现象。由于现象的复杂性和多维的庞大，我们力图简化维度，引入现象的特征或模板去帮助更好地在理论和计算环境中表示，使得其具有可计算性。
在地理空间科学中，由于人类活动的扩展和全球化，一些表示方法需要重新定义。例如，我们需要整合陆地区域、海洋和大气进程以更好地理解气候变化。另一方面，我们需要更好地描述地理空间现象如何影响我们的生活。这些时空关系帮助我们形成更好的时空原则，开发多维状态下的时空案例。横向应用需要多领域的不同背景的科学家进行合作。社会上，跨领域和地域的处于分散状态的科学家合作是一个巨大挑战。
4.2 重要的数字地球与复杂的时空科学及应用
Digital Earth要求将我们星球的数字信息进行整合，并开发出地理空间问题的解决方案。理解可预知的模式并提供特定环境下的解决方案，这是非常必要的。解决这些问题不仅为人们提供需求便利，而且从长远看能够改善人们的生活质量。
为此，需要研究：a）辨明具有较大影响的基础性的应用，以及需要的计算支持；b）结合可获取的分布式计算能力，分析应用中的四个密集型问题；c）通过考虑云计算能力和时空需求，扩展或指定数学和概念模型到计算机模型，以实现应用的可计算性；d）为决策者和其他最终用户解决或提出问题；e）通过改进传感器技术、数据处理算法、数据结构和模型模拟以改善应用；f）总结经验教训，优化通用云计算技术。
4.3 支持空间云计算（SCC）特征
空间云计算严重依赖计算基础设施的状态，除了工程研究和计算基础设施特征的可用外，网络、CPU、RAM、硬盘、软件许可和其他资源的使用/状态，对于优化使用时空原则的云计算环境也是重要的。
在调研面向解决四种密集型地理空间问题的云计算特征工作中，需要进行扩展研究以更好地理解计算基础设施和应用的时空特性，应用和计算资源的优化调度也是关键的（Mustafa Rafique et al. 2011）。
4.4 安全
云计算公司通常会使用授权和认证技术来保护用户隐私，云服务提供商确保其基础设施安全并拥有可行的保护用户数据与应用的解决方案是必须的。美国联邦首席信息官（The US Federal CIO）正努力合并安全访问与授权成为统一功能，这计划为三个步骤（FEDRAMP 2011）：a）安全需求底线；b）持续监控；c）潜在访问与授权。
（注：本文译自《国际数字地球学报》International Journal on Digital Earth）
译者简介：
翟永（1969-），男，硕士，高级工程师；研究方向：计算机网络、服务器和空间数据库系统集成以及安全保密技术。
刘津（1989-），女，学士，助理工程师；研究方向：空间数据库管理和地理信息管理系统集成。
篇6
关键词：实践能力；培养模式探索；地理信息科学
【中图分类号】G641 文献标志码：A 文章编号：
地理信息科学（Geographic Information Science，简称GIS）是一门实践性、创新性和实际应用性很强的学科，其实践教学对于培养创新型实用人才具有至关重要的作用[1]。作为非师范类专业，GIS的发展速度极快，应用范围广泛、影响领域众多，是其他地理学科无法相提并论的。因此基于此背景，结合新疆师范大学本科教学质量工程建设教学研究与改革项目“非师范类专业学生实践技能提升的教学研究”，对我校非师范专业―GIS专业学生实践能力培养模式进行探讨，通过构建培养GIS专业学生创新能力和实践能力的多维实践平台及其运作机制进行探索，开展多样的实践教学活动，让学生在获取、巩固地理学理论知识的过程中，理解和掌握处理实际问题的基本技能，培养学生敢于质疑和探究的品质；培养学生的观察能力、思维能力和实践操作能力；通过激发学生的学习兴趣与学习动机，培养学生的创新精神和创新能力，以及社会意识和合作精神；提高学生的综合素质和科学的价值观，锻炼学生的社会实践能力、创新与创业能力和科研能力。
1 目前存在的问题
作为一所省属本科高校，新疆师范大学承担着为地方培养人才、提供服务的重任。如何通过改进实践教学方法和构建培养大学生创新精神和实践能力的系统化、科学化实践平台是我校非师范专业在学科发展方面所面临的首要问题。目前，我校的GIS专业是学校在多年教学过程中逐渐发展起来的新兴专业，其办学经验、办学条件、师资力量相对于师范专业较为薄弱，实习基地的建设还比较落后[2-3]。加之由于承担了高等教育扩招以后繁重的教学任务，使得我校GIS专业在学生实践能力培养方面尚缺乏行之有效的方法和手段。在学科建设方面，缺乏与学科发展相适应的实践基地和实验室；由于教学课时所限，我校GIS专业所开设的实践课程课时相对较少，不能很好地满足对学生实践能力的培养。在专业设置上，受师资力量和办学实力的限制，专业设置局限，一些应用型专业的应用性和实践性特点不明显，很难做到根据社会经济发展需求来设置本科专业的实践教学环节。在实践教学中，综合性和创新性实验安排较少，实践教学的研究性和创新性相对缺乏，部分学生对专业知识的学习兴趣不大，对专业理论知识掌握不牢，对专业学习的实践操作能力不足。
2 构建实践能力培养模式
2.1构建原则
实践能力培养模式是指基于教学实践平台、创新实践平台和创业实践平台，在结合各种校内外可利用资源以及合理安排时间的基础上，在充分考虑每个学生个体差异的基础上，以学生为主体，意在提高学生实践创新能力的面向GIS专业全体学生的创业实践教育平台。根据GIS专业人才培养目标，实践能力培养平台应该遵循如下一些原则[4]：
（1）针对性原则 创建实践能力培养平台的主要目的就是提高学生的实践创新能力，并要求与专业培养要求一致，增强学生创新意识。
（2）条理性原则 按照从简到繁，从低级到高级的原则，依照学生的接受力，分条递进的培养学生创新能力。
（3）完整性原则 平台的实践内容要环环紧扣紧密联系，前后呼应使整个实践平台形成一个完整的系统，并突出创新平台的整体性。
2.2实践能力培养模式的构建
基于实践能力培养模式构建原则，建立了我校GIS专业由教学实践平台、创新实践平台、创业实践平台组成的多角度实践能力培养学习模式，并形成了以提高学生实践创新能力为重点，结合课堂授课及课外实践，并综合教学科研的新型人才培养模式[5]。根据学生个体成长和全面发展的需要，制定多样的实践教学研究方向和构建多层次的实践教学平台，把学生培养成具有创新能力、创业能力和社会实践能力的新时代大学生，提高学生的就业率，提升学校的办学水平。
2.2.1教学实践平台
教学实践平台是以师生教学过程为基础，立足于课程体系的平台，是培养专业人才及进行科研项目的前提条件。通过综合课内外可利用的教学资源，构建教学实践平台的主要目的是：一、在课堂上借助多媒体等形式的授课进一步夯实学生的基础知识，并结合软件的操作提高学生对专业知识的理解力；二、整合基础课程中的实践内容，加强专业实践技能课程的开设，保证学生的基础实践能力。
2.2.2创新实践平台
创新实践平台是基于教学实践平台的，由实践技能比赛、科研项目、各类学术活动组成的平台，其主要目的是通过开展相关学术讲座、学生社团活动、大学生课外学术科技作品竞赛等，使学生参与到社会活动和教师的科研项目中。通过搭建各类科技创新活动平台，培养学生的创新思维、实践创新能力和团队协作能力。
2.2.3创业实践平台
该平台是综合教学实践平台与创新实践平台，联合实践活动以及创业能力的训练，旨在提高学生的创业能力、提升学生的就业率。为了培养全面的应用型人才需要加强对实训基地的建设，在建立和完善校内基础实验室和专业实验室的前提下，要进一步加强和完善校外实训基地。
3实践能力培养模式的实现机制
实践能力培养模式的实现将有助于提高我校GIS专业学生的GIS数据采集与获取能力、GIS软件操作与应用能力、GIS软件设计与开发能力以及GIS综合能力（即能自主利用GIS技术解决工作中的实际问题）[6]。当然，该模式的实现要依托有效的运作方式、管理方法以及完整的保障体系。
3.1构建“简单――复杂――个性化”的运行框架
GIS专业实践课程的安排应该依照学生的接受能力遵循循序渐进由易到难。近年来，我校该专业学生的一些专业课中加入了一到两周的实践课程以及操作能力的测试，增加了课程的难度，提高了学生动手操作能力。而后，针对学生的个体差异，再由学生选择，进行其他不同的实践活动，如参加大学生科技创新比赛，创业大赛等。
3.2建立科学有效的管理方式
任何一种教学方法的有力实施都是依托有效的教学管理体系，实践教学更是如此。除了制定保障实践教学能顺利进行的相关制度以外，对于我校GIS专业来说建立和完善校内基础实验室和专业实验室的各项管理制度，加大对教学仪器设备和实验室的开放与共享，进一步完善校外实训基地以及在专业单位实习的规则制度是非常必要的。无论是在教学实践环节、创业创新项目，还是在专业实习训练都有专门的人员负责，对学生加强指导和管理，并形成一整套科学有效的管理体系。
3.3完善模式应用的保障体系
实践能力培养模式的顺利实施必须要有完整的监督体系，通过实时掌握学生的实践过程，对模式的实施进行全面正确评价和改进完善。同时，培养模式的实施要建立在校内基础实验室和专业实验室的前提下，更要改进和完善校外的实训基地和实习基地，要尽可能多的增加学生去相关单位实习的机会，拓宽学生的校外实践渠道。最后，要鼓励教师基于自身科研项目，积极指导学生参与其中，完成一定的科研任务，培养学生的创新思维、实践创新能力和团队协作能力。软硬件皆施才能保证培养模式顺利进行，对学生实践能力的培养起到实质性作用。
4结语
学生实践能力的培养，不是单指课程或者单指实践内容的培养，而是要形成从课程到实践再到创新相结合的教学模式，在课程中加强学生的专业基础，在实践中拓宽学生的专业视野，提升学生的实践创新能力，从而使学生在社会工作岗位中尽可能多的用到所学的专业知识。这是一个循序渐进的过程，也是一个随着社会需求的变化而不断完善不断调整的过程，只有经过长期的探索与实际的操作，才能培养出同时具有稳固专业基础知识与实践能力，并兼有创新精神与开发能力的GIS人才。
参考文献：
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篇7
[关键词]地理信息 GIS 发展 应用
[中图分类号] P228.4 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-278-1
0引言
GIS的发展一方面使得计算机知识得到了推广和应用，另一方面也提高了我国信息技术。对基于计算机技术的GIS 技术的发展趋势进行探讨，能够有效指导GIS 研究工作的开展。
1地理信息系统概述
1.1地理信息系统的基本概念
地理信息系统（GIS肠eogarphiealIL-oflrmationSystem）是一种决策支持系统，具有信息系统的各种特点，一方面，它是一门介于地球科学与信息科学之间的交叉类学科，另一方面它是在计算机硬件和软件系统的支持下对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、模拟、分析、显示和描述的技术系统。综合而言它是为区域和工程规划、设计、管理决策服务的信息加工与管理技术的学科池是一种综合性强、适用性广的工具。
1.2地理信息系统的构成
地理信息系统（GSI）是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统该系统设计支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。
1.3地理信息系统（GSI）的特征
地理信息系统具有以下三个方面的特征：1.具备采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力具有很强的空间性和动态性；2.以地理研究和地理决策为目的，以地理模型方法为手段，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力，并能产生高层次的地理信息；3.由计算机系统支持进行空间地理数据管理。并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法作用于空间数据，产生有用的信息并完成人类依靠传统方法难以完成的任务。
2地理信息系统的基本功能
地理信息系统（GIS）的基本功能体现在6个方面：1.数据的采集与编辑，用于获取数据，保证GIS数据库中的数据在内容与空间上的完整性。2.数据转换与处理，保证数据在入库时内容上的完整性，逻辑上的一致性。3.数据的存储和管理功能地理信息数据库管理系统是数据存储和管理的高新技术，包括数据库定义、数据库的建立与维护、数据库操作、通讯功能等。4.制图功能根据GIS的数据结构及绘图仪的类型，用户可获得矢量化的地图或栅格地图。可以为用户输出全要素地图，也可以根据用户需要分层输出各层的地图。5.空间查询与空间分析功能包括拓扑空间查询、缓冲区分析、数字高程模型的建立、地形分析等等。6.二次开发和编程功能用户可以在自己的编程环境中调用GIS的命令和函数，或者GIS系统将某些功能做成专门的控件供用户开发使用。
3 GIS的发展
3.1 GIS软硬件技术
随着计算机技术的发展，让GIS能够将更为复杂、更为大量的计算任务完成，使其所处理的空间分析和图形更加复杂等等优势。此外，努力改善开发平台能力能够决定GIS技术的发展，并能将软件的可移植性增强和其所应用的领域扩大化，在相关技术的辅助下，将GIS系统的集成度和用户友好度提高。美国的ARC/INFO、MAPINFO，澳大利亚GENAMAP和加拿大的TITAN/GIS、PCI是目前较好的GIS开发平台；而国内中国地质大学的MAP/GIS和北大遥感所的CITYSTAR软件也比较好。这些都是较为强大的二次开发功能；但在各个领域的开发利用的重点不一样，在数据结构、集成化和智能化都有所不同。
3.2 MGIS―多媒体GIS
多媒体技术能够将声、像、图、文和通讯等集合到一体，通过最为直观的方式和感知信息，以及形象可感的、甚至能够声控对话的人机界面对信息处理进行操纵。GIS的系统结构、系统功能及应用模式的设计深受多媒体技术的影响，多媒体技术能够让呈现更为丰富、灵活、友好的表现形式。多媒体地理信息系统（MGIS）实现了文字、图形（图像）、色彩、声音、色彩、动画等技术的融合，使得GIS应用的市场和领域更为广阔。它一方面能够将生动直观、高效快捷的信息服务提供给社会经济、文化教育、旅游、商业和决策管理等领域，另一方面能够让电脑技术真正渗入到人们生活当中。多媒体技术在GIS领域的应用以及具有良好集成能力的MGIS的出现，都是技术发展的必然结果。
3.3 WebGIS技术
基于Web的GIS系统综合利用了信息处理、计算机图形学、数据库、Internet、地理信息系统（GIS）、软件工程等先进技术，借助现代网络通信设备，使各类数据能够很方便的到网络上。达到了由用户自定义数据检索方式、自定义图形层结构、在网络上直接处理数据，显示各类图形等目标。
4 GIS技术的应用
4.1 GIS在地理学中的应用
一般来说，地理学任何一门分支学科在具体的研究过程中，都必须收集前人的成果资料，并进行调研和分析测试，上述数据则是GIS信息管理分析的重要数据源之一，它和专题地图提供的数据以及各种遥感数据构成了GIS的三大数据源。在地理学的研究工作中，不管研究对象、研究目的有何差异，三种类型的基本数据是利用GIS进行管理与分析的必要条件；然后针对具体问题采用各分支学科的研究方法，解决所要研究的问题；最后可以应用GIS进行专题地图的编辑处理，或者应用GIS数据库资料及相应的数据模型对研究对象的现状或发展趋势进行分析与预测。
4.2 GIS在环境科学领域的应用
随着“数字地球”的概念的提出“，数字环保”的概念随之形成“。数字环保”是在EMIS、DE、DE、GPS等技术的基础上所衍生的大型系统工程。当前，引进地理信息系统（GIS）技术已经成为当前环境管理信息系统建设的一个热点，GIS使EMIS的功能更加强大，可实现环境制图、专题分析、统计分析表现、空间等值分析、模拟结果表现、信息查询等功能。不仅把环境信息进行科学直观化，将管理者置身于自然和社会环境中，而且使管理工作变得直观、生动和全面。GIS除了在环境管理方向有重要的应用之外，在环境规划、环境监测与评价以及环境影响评价等方面都有重要的应用。
5结束语
在当今这个信息化的社会中，唯有有效地利用自身资源，掌握更全面、更准确的信息，更快地作出科学的决策，才能在激烈的竞争中站稳脚跟，并同时给企业带来更高的回报。GIS技术在我国取得了广泛的应用，我们只有正确了解GIS技术发展动向，利用GIS最新技术开发产品，推广应用，发展产业，才能立足于世界信息技术发展的潮流中。
参考文献
[1]吴云丰，陈学辉.地理信息系统的应用及发展动态探析[J].硅谷，2014，15：8+5.
篇8
关键词：湿地；地理信息系统；关键技术
随着工业的不断发展，人类活动的日益频繁，导致湿地系统受到相应的污染，并且已经超出了其自净能力，受到了人们的高度重视。伴随着湿地功能的衰退，社会经济的发展以及人类的生存都受到了一定程度的影响。所以，合理、有效、科学的管理与维护湿地资源已经成为目前急需解决的问题。
一、湿地地理信息系统的发展现状
我国对于湿地的研究相对比较晚，随着社会的发展、科学技术的进步，逐渐出现许多的湿地信息保护系统，近几十年来，建立了湿地地理信息系统，该系统可以充分结合湿地的特点，根据湿地的实际情况设计相关的管理与维护的技术。湿地地理信息系统的功能主要包括查询、浏览、管理、分析等。根据相应的系统功能可以将系统分成两类：查询服务型与决策支持型，前者的功能主要就是利用相应的数据库为相关人员提供湿地的信息；后者可以进行集成处理形成相应的信息对湿地的情况开展总体评价工作，同时可以辅助相关的管理人员制定合理、科学的湿地管理与维护措施以及相应的发展计划。随着地理信息技术的不断发展与进步，相应的系统功能也在不断的增多，预测、可视化、空间分析以及数据综合管理等将会成为该系统主要的发展方向。
二、湿地地理信息系统的建设及关键技术
（一）研究区域的概况
鄱阳湖湿地的位置在长江中下游的南岸，水系流域的面积为16.21万平方千米，占据了整个长江流域面积的百分之九。鄱阳湖湿地发挥着降解污染、调节气候以及调洪蓄水等作用，是我国重点生态自然保护区与商品粮的生产基地，在这两方面有着非常重要的意义。
（二）系统结构的设计
湿地地理信息系统就是利用地理信息技术、遥感技术以及全球定位技术这三个技术，为整个流域的实际情况提供场景再现，同时为湿地流域的洪水预报、灾情评估、水利工程建设、生态保护以及信息管理等方面提供相应的技术保障。该系统的软件研发主要是以3D网络地理信息技术为平台，数据库管理主要是以Orcal为平台，在逻辑结构方面而言，将划分为数据层、业务层以及表示层；在硬件结构角度而言，将其划分为数据服务器层、网络服务器层以及客户层。
（三）数据库的建设
针对鄱阳湖湿地的实际情况，其系统数据库的建设主要包括物理数据库、数据检查、数据入库、数据索引、质量检测以及数据验收等环节。系统数据平台根据相应类别可以将其划分为各种业务与空间地理信息这两种数据库。其中业务数据主要包括环境监测、野外生态观测、湿地样品信息；社会信息、人文信息、经济信息；湿地植被、水文以及土壤等生态信息；灾情、工情、水情等信息；专业模型、行政划分、专家知识库；辅助数据库以及与湿地管理有关的各种法律法规、文件等数据。空间数据主要包括比例尺为1：250000鄱阳湖的数字地图；比例尺为1：5000、1：1000等重点区域、城市以及提防的数字地图；比例尺为1：100000、1：10000等重点干、支流的数字地图；以及用来构建图形信息的数字高程、数字模型、数字影像等多尺度数据。
在构建数据库的过程中，一定要时刻注意系统整体的协调性与一致性。将辅助信息数据库当成是整体系统的规范与标准，无论是构建什么样的数据库都要根据此数据库的有关规范与标准进行相关部分的设计，而所有的数据也要根据此数据库中相关的规范、标准以及编码信息执行相应的具体操作，进而保证数据可以进行高效、精确的运行，在开展交互的过程中不会出现任何差错。在数据库系统中，地物是其中最为基本的单元，在整个系统结构中发挥着核心的作用。实时信息数据库与历史信息数据库中的数据主要就是利用地物的唯一编码实现与地理信息数据库中的数据一一对应的，同时也为相关数据的分析与管理奠定了坚实的基础。除此之外，还可以利用空间图形不同要素的不同存放、空间索引的构建以及属性与空间之间的联系等手段，优化数据库的相关功能。
（四）空间数据库的更新与维护
利用重新构建、重新组织以及加强对系统运行完整性与安全性的控制等方式对空间数据库开展相应的更新与维护，以此来增强数据库利用的效率与运行的周期。同时，在卫星影像或者航空中利用全数字摄影测控技术提取出比例各不相同的4D数据产品，主要有数字线化、数字影像、数字高程等，全自动、全数字、高效快速以及大范围的提取地形、水利以及地貌等要素信息。此种方式的使用有效的冲破了传统方式自动化技术水平比较低、人工投入比较多以及批量处理能力比较低的劣势，有效的完成了对空间数据库信息的更新。除此之外，卫星遥感影像技术也得到了一定的应用，尤其是在商业领域中应用了1米分辨率的伊科诺斯卫星影像传感器与0.62米分辨率的快鸟卫星影像传感器等，在一定程度上推进了数字化水利建设的发展。
（五）系统集成技术的研发
系统集成的研发是一项非常重要的创新性研究。对于湿地地理信息系统的建设而言，其是一项非常复杂的工程，需要对不同的模型、模块、子系统等进行研发，并且执行系统集成，比如地理信息模块、洪水模拟模型、专用数据库等展开集成，利用总控制程序构建防洪调度系统，实现系统与模型之间的集成，完善系统运行的各项功能。在此系统设计中，模型集成技术是一个比较困难的方面，也是项目运行的关键技术，一定要充分考虑以下几点：一是，模型组件化的设计，分离了用户界面与系统程序，在运行的过程中不展开人机对话操作；二是，规范化与标准化模型的输入与输出，建立相应的预报模型库，进而设计相应的预报方案；三是，利用XML格式的文件将模型计算结果以及参数等相关数据信息储存在数据库当中，方便分离其与模型程序。
（六）3D网络地理信息系统技术
3D网络地理信息系统技术的出现，突破了传统网络地理信息系统数据的发送方式，为空间信息的发送提供了新的技术途径。该技术的使用能够使服务器与客户端之间的空间数据不用直接传输，而是传输一些KML文档或者影像图片等。影像数据会事先被分成不同的比例，之后按照相应的要求形成图片，当相关用户发出请求的时候，服务器就不用对数据进行相应的复杂处理，只要按照用户的要求改变一下图片的尺寸，选择形成的相应图片进行拼接，最后返回给用户。这样的技术可以有效的减少服务器与带宽的运行负荷，为空间数据的发送提供了新的解决途径。
结束语：
总而言之，在地理信息系统中湿地地理信息系统占据着非常重要的位置，需要进行不断的分析与研究，进而创新出更好的技术手段与方法。随着科学技术水平的不断提高，湿地地理信息系统也取得了一定的成效，并且在各个方面也得到了一定的突破。所以，加强对湿地地理信息系统的研究是一个值得探讨的问题。
参考文献：
[1]陈建群，王振兴，朱建军等.湿地地理信息系统建设及关键技术研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2012（02）.
[2]陈建群，王振兴，朱建军等.鄱阳湖湿地地理信息系统建设及其关键技术研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2012（08）.
篇9
【关键词】空间信息技术；3S；矿山测量
0 前言
空间信息技术是20世纪80年展起来的，其核心和主体是“3S”技术，即遥感、全球定位系统、地理信息系统，作为一项综合性的技术已构成当代高技术的一个重要组成部分。与传统的对地观测手段相比，它的优势在于能够提供全球或大区域精确定位的高频度宏观影像 ，扩大了人类的视野，加深了对地球及其变化的了解。目前，空间信息技术已在全球与区域通信、导航定位、资源调查、灾害和环境的动态监测、区域和城市规划等领域得到了广泛应用[1]。
近年来，中国空间信息技术发展取得一系列重要进展，其中，遥感信息技术方面，已建立资源卫星数据服务体系，形成一定市场规模，相应遥感数据生产加工市场潜力巨大，相关企业也正在迅速发展与壮大。此外，卫星定位技术方面已得到广泛应用，并形成相当规模的产业群体[2]。矿山测量应用于矿区生产与管理的各个环节，矿山测量技术经过几十年的发展，在理论和技术上基本能够满足矿山开采生产的要求，但信息时代的矿山测量面临的是新的任务和要求，近十几年来空间信息技术在矿山测量界取得了较大进展，其理论研究和实际应用不断发展和完善，这些先进技术已经在一些矿区得到广泛应用，并取得了显著的经济效益。
1 空间信息技术在矿山测量中的应用
以“3S”集成为主导的空间信息技术体系已逐渐成为测绘学或地球信息学（Geoinformatics或Geomatics）新的技术体系和工作模式，其先进性、时效性明显。以空间信息技术为技术支撑，现代测绘仪器、技术正处于快速的发展之中。空间信息技术是矿山测量实现其现代任务的重要的技术支撑和保证，以“3S”技术和其他测量仪器技术的有机结合为基础的矿区资料环境信息系统就是空间信息技术在矿山测量中应用的综合性成果[1]。
1.1 遥感及其在矿山测量中的应用
遥感依据不同的物体的电磁波特性不同来探测地表物体对电磁波的反射和发射，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。遥感包括卫星遥感和航空遥感，航空遥感作为地形图测绘的重要手段已在实践中得到了广泛的应用，卫星遥感用于测图也正在矿究之中并已取得一些意义重大的成果，基于遥感资料建立数字地面模型（DTM）进而应用于测绘工作已获得了较多的应用。
遥感科技正在走向定量化 、自动化与实用化。遥感观测技术向多传感器、多平台、多角度和三高（高分辨率、高光谱、高时相）的方向发展；1m及更高空间分辨率的多光谱遥感数据已商品化；具有几十、上百个光谱段的高光谱遥感正在从航空向航天平台迈进，它能够鉴定矿物岩石的成分及土壤的物化性质；合成孔径雷达图像处理与应用发展喜人；无地面控制遥感影像定位技术，国际上已达到15m甚至更高的精度[3]。
遥感技术在矿山测量中的应用已经历了较长的时间，并积累了丰富的经验。应用遥感资料，可获取矿区实时、动态、综合的信息源，对矿区环境进行监测，为矿区环境保护提供决策支持，在进行找矿、矿区地质条件研究、煤层顶底板研究等方面也已得到应用。合成孔径雷达干涉（InSAR）测量技术是近年来微波遥感发展的一个重要方向，InSAR 利用雷达信号的相位信息提取地球表面的高精度三维信息，可以测量地面点的高程变化，是目前空间遥感技术中获取高程信息精度最高的一项技术，由于它可以获得全球高精度的（毫米级）、高可靠性的（全天时、全天候）地表变化信息，因此能够有效地监测由自然和人为因素引起的地表形变。
1.2 全球定位系统及其在矿山测量中的应用
全球定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国国防部批准，陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。全球定位系统共三部分构成：空间部分、地面控制部分、用户装置部分等。GPS的主要特点是全天候、全球覆盖、三位定速定时高精度、快速省时高效率及应用广泛。未来几年中，GPS和俄国研制的GLONASS两个卫星导航定位系统的技术水平、精度和抗干扰能力将会大幅度提高。有中国参与的欧洲Galileo 卫星导航定位系统 2005年已进入实质建设阶段，将于 2010年前后建成，其精度和性能将大大优于目前的 GPS系统，从而打破美国GPS在全球的垄断局面[2]。
GPS作为一项引起传统测绘观念重大变革的技术，已经成为大地测量的主要技术手段，也是最具潜力的全能型技术，在矿山测量、控制测量、工程测量、环境监测、防灾减灾以及交通运输工具的导航方面发挥着重要的作用。由于GPS不仅具有全天候、高精度和高度灵活性的优点，而且与传统的测量技术相比，无严格的控制测量等级之分，不必考虑测点间通视，不需造标，不存在误差积累，可同时进行三维定位等优点，在外业测量模式、误差来源和数据处理方面是对传统测绘观念的革命性转变。
目前，在矿山测量中，主要应用GPS技术建立区域性或局域性的大地测量GPS控制网，进行矿区地表移动监测等等。其中，定位精度比 DGPS高100倍的GPS-RTK实时载波相位差分技术，以其高精度、全天候、高效率等优势，在大地测量和工程测量中，显示出巨大的潜力和广阔的前景。传统的定位和施工放样，不仅仪器种类繁多，需要人员多，而且精度容易受施工作业现场影响。GPS-RTK 综合了其他测量仪器的功能，提高了作业效率，对于图形的数字化管理和使用也起到了促进作用，利用 GPS-RTK 测量手段可以得到每一个测点的三维坐标，并采用数据、图形和位置等不同的表现形式反映到不同的应用环境中，解决了图形不能统一到国家坐标系中这一问题。GPS-RTK 在矿山测量中的应用，使得代表着当今尖端科学水平的3S技术在矿山测量中成功实现突破[3]。
1.3 地理信息系统及其在矿山测量中的应用
GIS是近20年来发展起来的一门综合应用系统，它能把各种信息同地理位置和有关的视图结合起来，并把地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、Internet、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析与输出地理图形及其属性数据。这样，就可根据用户需要将这些信息图文并茂地输送给用户，便于使用。地理信息系统作为对空间地理分布有关的数据进行采集、处理、管理、分析的计算机技术系统，其发展和应用对测绘科学的发展意义重大，是现代测绘技术的重大技术支撑。GIS正在向地理信息科学或空间信息科学的方向发展，并与计算机技术、信息技术相互借鉴、渗透，将成为一门独特的影响广泛的空间信息科学技术。
地理信息系统在地质、矿产领域的应用可以概括为三个方向：GIS技术建立多源数据找矿模型、矿山地理信息系统（Mine GIS，MGIS）和三维矿山[4]。目前虽然在我国矿山资源勘查、开发和生产管理中已经有多种GIS软件系统发挥了作用，但是由于许多原因如地下矿产资源数据获取不易性、不完整性及矿山地下采掘空间动态性等等，使得这些软件在矿山不完全实用，因此致力于研发适宜矿山特点的矿山地理信息系统是十分必要的，十几年来国内外的科技人员特别是矿业界的科技人员在MGIS的基本理论、技术体系、方法及实用软件开发方面做了大量的工作，取得了可喜的成果；三维矿山是矿山客观实体的一个模型描述， 通过三维矿山的建设，地质、矿业界人士能够更直观、更精确地圈定矿体边界，了解不同矿体分布的三维形态，准确地解译和圈定地下地质体，借以指导矿业开发和深部找矿预测，现在三维矿山已成为地学与信息科学的交叉技术前沿和热点。
2 结语
随着计算机技术、空间信息技术的发展，平面模型在向空间模型转化，数值记录在向数字模型转化 ，测绘科学也正逐步发展为内涵更为丰富的地球空间信息学，以“3S”集成技术为主导的空间信息技术虽然还在起步阶段，但其对于矿山测量的发展所起到的促进作用是不可估量的，在空间信息技术技术的推动下，矿山测量学正在演绎着深刻的变革，朝着“矿山空间信息学”的方向前进。
【参考文献】
[1]3snews中国地理空间产业门户网站[OL].http：///.
[2]郭达志.论“矿山空间信息学”：矿山测量的现展[J].测绘工程，2006，15（3）.
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关键词 ArcView；选址；最佳路径；最近设施；矢量化
中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）64-0158-02
1 概述
1.1 GIS介绍
GIS（Geographical Information System）即地理信息系统，是由计算机软硬件、地理数据和用户组成的通过对数据的采集、输入、存储检索，操作和分析生成并输出各种地理信息，从而为工程设计、土地管理、资源管理、城市管理、环境监测、管理决策等应用服务的计算机科学，是一门具有极大发展潜力的高新技术。
1.2 ArcView介绍
ArcView GIS是美国ESRI公司开发研制的地理信息系统软件。它有灵活易用点击式图形用户界面，通过这种界面，用户可以快速装载空间和表格数据，并以地图、表格、图表的形式显示出来。因其方便、灵活、操作简单、通用性强的特点，特别适用于地理信息系统应用的普及和对传统信息系统的GIS化，以技术可靠、算法先进、实用性强而著称于世[1]。
2 应用案例
2.1 火力发电厂选址
利用ArcView软件的网络分析、空间分析、3D分析功能做适宜性分析，提供火电厂厂址的备选地点范围。
案例：某区域需为1处火力发电厂的建设进行选址，可选范围约6 000km2。区域内有煤矿一处，为煤炭来源。东侧有湖泊，为冷却水源。区域内有铁路主线3条，需建设火电厂铁路专用线一条用于煤炭运输。区域内同时还有3个城镇和1处森林公园，如图1所示。
经过环境限制分析（有四种不能选作火力发电厂厂址的限制条件：湖泊；研究区之外；城镇及周边3km范围内；森林公园及其周边5km范围内）、计算取水费用、计算铁路支线建设费用、计算煤炭运输费用等4个步骤，得到每一步的单项专题。但是每个影响因素对选址的影响程度并不相同，故通过权重评价（设取水、铁路支线建设、煤炭运输的权重分别为0.2、0.7、0.1），并进行叠加分析，得到最终评价结果，如图2所示（颜色越浅，适宜度越高）。
2.2 查询路径
利用ArcView的网络分析功能，提供给人们解决问题的方案，让人们能根据自己的需求，以时间、距离或费用等因素为成本，获得最佳路径；或是获得离自己最近的目标设施、场所等的路径。
2.2.1 查询最佳路径[2]
案例：查找美国蒙大拿州的海伦娜和北卡罗来纳州的罗利两个城市之间的最佳路径，或以时间为成本、或以距离为成本。当以距离为成本时，如图4所示。当以时间（时速限制为65英里/小时）为成本时，恰巧和以距离为成本的路径是一样的，如图5所示。
2.2.2 查询最近设施[3]
案例：在俄罗斯莫斯科市的任意一点，从两个消防站中，查找最近的消防站以及到这个消防站的最佳路径，同样可以以时间或距离为成本。
3 结论
本文利用ArcGIS软件，以三个比较具体的案例，展示了GIS技术的多方面应用中的一小部分。发现通过GIS技术的空间分析功能、网络分析功能、3D分析功能等，确实能够快速、有效地解决现实中的一些实际问题，可以给决策者提供强有力的数据支持和科学保障。相信今后，随着社会数字化的不断发展，GIS的应用必将更上一个台阶。不仅会有功能更加丰富这样的横向发展，也会有具体功能进一步挖掘这样的竖向发展。尽量提高GIS大众化、社会化、实用化的程度，使GIS技术的成果真正惠及人民大众，从而服务于社会。
参考文献
[1]韩晨，魏海燕.基于R2V、ArcView的地形图屏幕矢量化和三维显示的方法[J].山西师范大学学报：自然科学版，2006，20(1)：92-95.
