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GIS的技术基础

GIS为各种涉及空间数据分析的学科提供了新的技术方法，而每个相关学科都提供了一些构成GIS的技术与方法。

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首先，地图是记录地球表面信息的一种形式，从历史发展来看，GIS脱胎于地图，而计算机制图技术更是为地图特征的数字表示、操作和显示提供了成套方法，为GIS的图形输出设计等提供了理论支持。同时，地图还是目前GIS的基础数据源，但地图强调的是数据分析、符号化与显示，地理信息系统更注重空间分析。

其次，数据库也是GIS的技术基础之一。数据库管理系统主要用于存储、管理和查询各类数据，并尽可能具备一些简单的统计分析功能，这是现代地理信息系统不可缺少的重要组成部分。

第三，遥感作为空间数据的采集手段，成为GIS的重要信息源与数据更新途径。遥感（RS）图像处理系统包含复杂的解析函数，并有许多方法用于信息的增强与分类；大地测量为GIS提供了精确定位的控制信息，尤其是全球定位系统（GPS），可快速、廉价地获取地表特征的数字位置信息；航空拍摄及其精确测量方法的应用使得摄影测量成为GIS主要的地形数据来源。总之，遥感是GIS的重要数据源与更新手段。

第四，计算机科学的发展对GIS起着关键性的影响。按照国际通行的定义，GIS软件的开发和使用基本属于计算机应用理论与方法在加入空间位置要素后的自然延伸，始于计算机出现不久，在最近10～15年，计算机不仅在容量与速度方面都有了质的飞跃，而且随着多媒体、网络、数据库、软件工程、电子技术等的飞速发展，GIS的发展也在突飞猛进（黄杏元，2004a，2004b，2004c）。几乎每一次计算机技术的重要进展都带动地理信息系统技术的重大进步，如空间数据的管理、网络GIS、三维GIS等技术，每一步的重要发展都与计算机信息技术的进展有关。计算机辅助设计提供了数据输入、显示与表达的软件与方法；计算机图形学是现代地理信息系统的基础之一，它提供了图形处理、显示的软硬件及其技术方法；网络的普及使地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等；人工智能的发展也给地理信息系统的技术进步带来了积极的影响（周成虎，1995）。

简而言之，地理信息系统就是能够输入、存储、管理并处理分析地理空间数据的计算机系统。它随计算机技术发展应运而生，是信息系统技术发展到高级阶段的产物。

GIS 技术

GIS技术可以为多种来源的空间信息数据采集提供地学知识与处理。空间数据是指描述“空间实体”的空间位置特征与专题属性的数据，通常包括不同来源和形式的遥感数据、地形图数据、专题图数据、野外采样数据、统计调查数据等。

广西壮族自治区农用地分等是在掌握全自治区农用地数量与分布的基础上，借助于地理信息系统和计算机技术，对农用地的质量进行全面、科学、综合的评价，为提高农用地管理提供依据。工作中主要利用MapGIS软件强大的图形编辑功能、数据库管理功能和空间分析功能，科学量化农用地数量、质量和分布，形成数字化的各类农用地分等工作底图，对全自治区农用地进行综合分析、评价，提高了分等结果的准确性和精确性。广西壮族自治区农用地分等采用的信息系统是以MapGIS软件为基础平台，结合Excel电子表格和Access数据库等软件，根据该自治区农用地分等的技术路线，对MapGIS软件进行局部的二级开发，保证了广西壮族自治区农用地分等信息系统的结构完整和功能齐全，建库方便、快捷。

（一）资料整理与图件准备

将资料整理录入计算机，对资料数据进行综合核实，剔除不符合实际的特殊的极值，为入库做好准备。图件的准备工作包括工作底图的准备和其他专业要素图件的准备。图件比例尺要满足农用地分等精度要求，图上内容要素齐全、图面清晰，满足扫描矢量化要求。

（二）工作底图的入库（数字化）

具体工作过程中，采用各县（市、区）1∶5万～1∶10万的土地利用现状图作为工作底图，用扫描仪将工作底图资料进行灰度扫描，以栅格形式存贮于图像文件中（例如TIFF格式），在MapGIS软件编辑功能下，经过图像黑白转换，进行矢量化，转换成矢量数据，把点、线分层存入，成为线文件或点文件，再进行点、线、面的编辑，然后把编辑好的图形文件进行光栅处理，输出图件校对。其中，图形编辑包括对点、线、面3种图元的空间数据和图形属性进行编辑。首先，对已经矢量化好的图形文件（线文件或点文件）进行参数设置（即分层设置、线形设置、符号设置、区颜色设置），编辑点、线属性结构；然后，对图形数据进行自动拓扑处理，经过建立拓扑关系的图形，每个区域赋予属性并自动控制为区域填色。根据图件的用途，可以更改区域参数及属性。

（三）分等单元图的编制

根据分等评价单元的基本要求和单元划分时应遵循的原则，结合广西壮族自治区区域内地貌类型多样、地形复杂、土壤类型异常明显，呈垂直分带性、农用地分布零碎等特点，采用叠置法将同比例尺的土地利用现状图（工作底图）与地形图、土壤图叠加，手工划分分等评价单元，并按行政区划编号。

在已经编制好的各县（市、区）分等评价单元图上，进行农用地分等单元图数字化，即将划分好的分等评价单元的手工图作为作者原图，在已经数字化的同比例尺土地利用现状图上，采用MapGIS在图上进行点图元编辑。然后，在图形编辑菜单中打开区属性编辑栏，根据单元编号所在的区域（即面域），输入单元编号，编辑单元区属性（即分等单元属性编辑），使单元编号成为图、表链接的关键字段，完成分等单元图件数字化。

（四）编制单元因素分值

以手工划分的分等评价单元图为工作底图，按照广西壮族自治区农用地分等所确定的分等因素图逐一套合分等评价单元，读出该评价单元所应有的因素分值，即计算单元因素分值，对照“指定作物－分等因素－自然质量分”关系表，将分等因素分值转换成分等因素自然质量分，再把各分等评价单元的自然质量分录入计算机，编制分等单元分等因素自然质量分值表。

（五）分等评价单元的自然属性和经济属性入库

将分等评价单元自然质量分值表以Excel格式录入计算机，成为电子表格文件，即分等评价单元的自然属性入库。分等评价单元的经济属性指单元的土地利用系数和土地经济系数，是将有关资料在电子表格上按指标区进行汇总计算得出，根据规程要求划分土地利用等值区和土地经济等值区，将各分等评价单元所处的土地利用等值区的值与土地经济等值区的值读出并录入分等评价单元自然属性表，再在计算机上对电子表格进行分析，计算出各类等指数，完成分等评价单元的自然属性和经济属性入库，把Excel电子表转到数据库存为DBASE格式文件。

（六）建立农用地分等数据库

将编辑好的分等单元图形属性的数据文件与数据库中的分等单元自然属性和经济属性质量分值电子表（DBASE格式）数据文件，根据关键属性字段（分等单元编号）挂接，即把已经存在的图形属性信息和空间数据库中的自然属性和经济属性信息用关键字段链接起来，使图、表合一，成为统一的空间数据库。这样建立起来的农用地分等数据库，可以把图形属性数据和空间属性数据库的采集并行，便于图、表的修改，即对表格进行修改，就能使图形自动完成更改，提高成图的工作效率和精度。在计算机系统软件属性管理菜单中，根据属性赋参数栏，对各种农用地分等因素值、分等指数参数值规定一定范围域，给范围域设置颜色参数，完成颜色参数设置后，农用地分等信息系统自动给数据图形的值域赋予颜色，进行农用地的各种因素图件和等别图件的制作，并根据系统内的条件生成点文件，把区域属性转换成等别号，图形上注解等级信息，由此完成广西壮族自治区农用地分等数据库的建立。

（七）农用地等别面积的汇总统计

根据等别图图形属性数据文件，在MapGIS软件实用服务功能上，打开投影变换菜单，点击工具栏，在属性生成文件文本目录下，打开图元文件，由图形属性库（各单元图形属性）生成文件，存为TXT格式的报表文件，再由TXT文件转为Excel电子表格，进行分等面积汇总。由图形属性文件转换成的Excel电子表格文件，保留了农用地各单元的属性，例如，乡（镇）、村、地类号、单元号、等别、面积等。在此基础上分村汇总等别面积，并结合各县（市、区）土地利用现状变更台账数据，进行单元面积平差。经过平差的农用地单元面积，分村、乡（镇）、县（市、区）、全自治区4级，在计算机上进行等别面积汇总统计。

五分钟学GIS _ 倾斜摄影技术

本期五分钟学GIS我们来介绍倾斜摄影技术。

什么是倾斜摄影技术

倾斜摄影技术是通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个侧视等不同角度采集影像。我们可以将它理解为一项进化了的摄影测量技术，它比传统的摄影测量多了四个倾斜拍摄角度，从而能够获取到更加丰富的侧面纹理等信息。

倾斜影像的采集

倾斜影像的采集主要分为两个过程，首先是设备准备，其次是设计航线和实拍。

设备准备： 倾斜影像采集的设备包括航空器和倾斜相机。航空器可以是有人飞机或无人机，有人飞机多用于特大面积倾斜摄影，如国产的运十二、运五，中等规模作业可用无人直升机，如七维航测无人直升机，小范围作业可用多旋翼无人机，如红鹏无人机、大疆无人机等。倾斜相机方面，大多数倾斜相机采用下视、前视、后视、左视和右视五个镜头来获取地物倾斜影像，比较常见的如徕卡RCD30倾斜相机、四维远见SWDC-5倾斜相机、红鹏微型倾斜相机等。

设计航线和实拍： 倾斜摄影的航线设计采用专用航线设计软件进行设计，其相对航高、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。设备组装就绪并规划好路线后，实施航拍，得到具有一定重叠度的多角度影像，倾斜影像采集部分就完成了。

倾斜模型生产

倾斜摄影获取的倾斜影像经过影像加工处理后可以进行模型生成。建模技术主要分为三类，他们分别是：

第一类倾斜摄影 + 机载激光扫描建模 ，即由倾斜摄影提供模型纹理、由机载雷达构建模型骨架，再通过适度的人工干预生产出倾斜摄影模型，常见输出的格式有.obj、.max等，目前具备这种建模工艺的数据厂商有：武汉华正、东方道迩及中科遥感等。

第二类倾斜摄影 + 人工干预建模 ，也是对倾斜摄影数据进行自动化建模，再通过修饰软件进行人工修饰。修饰的细节包括：模型的骨架变形、建筑物底部纹理的遮挡等。修饰后的模型成果不破坏自动化模型成果的结构。目前具有这种工艺的软件有天际航的DP-Modeler等。

第三类倾斜摄影自动化建模 ，只通过倾斜摄影获取的多视角影像来生产模型，即Mesh（三角网）模型。目前市场上的自动化建模软件包括街景工厂、Smart3DCapture、Altizure、PhotoScan、Pix4D、无限界等。这种模型输出的常见格式有osgb、dae、obj、s3c（Smart3D私有格式）、3mx(轻量级的开放格式)等。自动化建模的过程可以简单描述为：先经过几何校正、联合平差等一系列复杂的运算得到带有高程的稠密的点云数据，抽稀，然后构建一张连续的TIN三角网，最后把拍摄的高分影像贴到三角网上，最终得到倾斜摄影模型，如下图。

倾斜摄影建模技术有哪些优势？

传统三维建模通常使用3ds Max、AutoCAD等建模软件，基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算建筑物轮廓与高度等信息进行人工建模。这种方式制作出的模型数据外观表达美观，局部细节变形率低，但精度较低，纹理与实际效果偏差较大，并且生产过程需要大量的人工参与，制作周期较长。倾斜摄影技术通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证，并且有效提升模型的生产效率，采用人工建模方式一两年才能完成的一个中小城市建模工作，通过倾斜摄影建模方式只需要三至五个月时间即可完成，大大降低了三维模型数据采集的经济代价和时间代价。

倾斜摄影模型与

倾斜摄影模型作为三维GIS数据的重要来源之一，越来越多地应用到三维GIS项目中。在智慧城市的管理体系、旅游、景区等行业应用中，倾斜摄影模型能让用户从多个角度观察地物，更加真实地反映地物的实际情况，弥补基于二维地图及传统虚拟三维模型应用的不足。

倾斜摄影模型通过单体化操作，可以实现与其他传统三维模型数据同样的GIS应用，如模拟建筑物拆除，满足规划行业应用；对建筑物进行高度、长度、面积、角度、坡度等的量测，应用于水利、能源开采等管理系统；在三维场景中能看到房屋侧面的紧急出口，倾斜模型上任意点之间可以进行准确量算，比如计算通视距离、设计制高点和狙击方案等，这些事发地周围的详细信息，在应急行动中关乎人员及财产的安全，有时甚至能起到决定性作用。

最后，我们以倾斜摄影模型应用案例来结束本期的内容，在我国地理信息产业今后的发展中，倾斜摄影技术无疑将扮演更加重要的角色！

GIS技术的介绍

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