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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。

ArcGIS地理信息系统平台的功能和性能？

ArcGIS 平台的功能是很强大的，这个就不用说了，可以在网上查询ArcGIS产品介绍,性能并不是很好,因为太庞大导致的，桌面启动有点慢，不过只要内存达到1G，运行是没问题的.

但是ArcGIS 9.3中的ArcGIS Server 9.3性能已经很不错了。

MAPGIS三维地质建模软件组成

1.三维处理基础平台MAPGIS-TDE

MAPGIS-TDE三维处理平台是中地公司在MAPGIS7.0中推出的一套真三维空间数据处理开发平台，该平台是中地公司三维地学产品和应用项目开发的基础模块。该平台本着“面向专业领域，开发主题型三维应用系统”的设计原则，同时为适应地学三维应用正在朝地表、地下信息集成，强调表达的真实感及实时性以及多维、网络化等方向发展，在MAPGIS7.0内核模块基础上，全面整合GIS、DEM、三维景观建模、三维地质构模、体视化、三维模型显示、虚拟现实、数据库、网络通信等多方面的技术，采用先进的三维空间数据模型、构模算法、三维可视化技术及框架加插件的软件体系结构，是一个研制开发的技术起点高、算法新颖、易于扩展、可满足不同层次用户需求的三维空间信息存储、管理及应用、开发的平台。目前，在平台所提供的基本框架、三维空间数据管理和渲染引擎基础上，中地公司开发了景观建模及可视化、地质建模及可视化、体数据建模及可视化、虚拟仿真显示驱动等面向具体应用领域的三维建模和可视化支撑工具，用户可根据需要自行选择配置或自己开发插件扩展平台功能。MAPGIS-TDE开发应用体系结构框架如图6-1所示，综合来讲该平台具有如下特点：

图6—1 MAPGIS-TDE框架结构

（1）高效的三维空间数据管理。MAPGIS-TDE的三维空间数据库采用先进的顾及拓扑、面向实体的三维空间数据模型，可实现多种三维矢量模型和栅格模型空间数据和属性数据的一体化存储管理。通过三维空间数据引擎G3D SDE，支持基于文件的本地化存储和基于大型数据库的网络化存储两种三维空间数据存储管理方式。

（2）统一的三维空间数据渲染引擎。三维处理平台提供统一的三维空间绘制引擎接口，同时支持OPENGL和DIRECT 3 D三维渲染引擎，提供多种显示接口及特效。平台的三维空间绘制引擎提供针对系统存储管理的三维空间数据的直接渲染和漫游控制，包括键盘与鼠标驱动、路径漫游等多种三维场景操作方式，这一设计极大简化应用系统开发的工作量，减轻了应用系统开发人员在不同三维渲染引擎上的花费，提高开发效率。

（3）高效的地表、地下景观建模。针对地表地形、地物、地下洞室等地下建构（筑）物、地下管线三维建模应用，MAPGIS-TDE在构建平台提供了与之相应的一系列模型建模（导入）、编辑、可视化及分析工具，支持快速建立大规模地上、地下景观集成的三维场景。

（4）高效的地质体三维建模工具。针对岩土工程、区域三维地质、矿产储量估算等领域工作的应用需求，MAPGIS-TDE在构建平台中提供了特定的地质体结构建模、地质体模型可视化及地质体剖切分析等专业应用工具。支持基于多源地质数据（地表高程数据、地质图、构造图、地层等值线、钻孔数据、地质剖面等）耦合建模，可建立包含断层的复杂地质结构模型。

（5）体数据建模及可视化。针对地质体内物化属性等体数据在区域地质信息三维可视化分析领域中的应用，平台提供了相应的地质参数体数据插值、可视化及分析工具。

（6）多通道虚拟仿真显示驱动。针对虚拟现实系统中立体投影系统多通道场景同步显示的需要，MAPGIS-TDE中开发了多通道被动（主动）立体显示驱动程序，可用于景观模型、地质模型、体数据模型等模型在多通道立体投影环境下的立体展示引擎。

（7）三维模型集成及分析。支持将地表以上的景观模型、地表地形、地质体模型、地下建（构）筑物和地下管线模型等三维空间信息进行集成，构建多层次的区域三维模型场景，并支持模型空间查询、任意截面剖切、任意方位实时动态剖切、隧道开挖模拟及体积、面积量算等分析计算功能。

2.三维可视化工程勘察信息系统

MAPGIS三维可视化工程勘察信息系统是一个运行在Windows2000/XP环境下，集工程地质数据管理、专业分析应用及三维可视化表达于一体的专业工具软件。系统基于GIS实现对工程勘察项目或区域地质调查涉及的图形、图像、表格、文字报告等形式的钻孔、专题图件等地质资料以及地理底图、遥感影像等基础地理数据的一体化组织管理，在此基础上用户可以进行钻孔柱状图、剖面图等工程地质专业图表生成及桩基分析等分析计算，可利用钻孔及剖面数据动态建立区域三维地层模型，并可在三维环境下进行空间查询、剖切、隧道模拟、虚拟钻探、桩基模拟等分析功能，借助三维可视化技术直观、形象地表达研究区域内地层单元的空间展布特征。系统框架如图6-2所示。

3.城市三维地质信息系统

该系统本着实现城市地质调查成果“数字化、可视化、立体化、智能化”的设计原则，以实现综合地学数据的一体化组织与管理及建立面向专业研究的基础平台、面向政府的三维可视化决策平台、面向社会公众的地质信息服务为目标，在MAPGIS基础地理信息平台（含TDE平台）基础上，综合运用先进的数据库、GIS、地质分析、三维可视化与网络技术，开发的一套针对城市地质调查特点集城市综合地学资料管理、专业分析应用、三维地质建模及信息发布于一体的大型网络化数字地质集成信息系统，包括城市地质数据管理与维护子系统、城市地质数据分析评价子系统、城市地质信息Web发布与服务子系统等三个子系统，可分别运行于局域网（C/S）和互联网（B/S）环境下，实现基础地质、工程地质、水文地质、地球物理、地球化学、地质灾害、地下空间开发利用、地质资源等地质专业资料及地形图、遥感影像等基础地理信息的一体化存储管理、查询统计、专业图表生成及针对有关专业数据的三维建模及分析功能。考虑到不同用户不同层次的地质信息处理需求，系统通过框架加插件的体系结构实现了高度模块化和可扩展性，同时推出了普及版（桌面版）、标准版、专业版、大型企业版等不同版本，允许根据不同的需求进行软件配置，真正做到既满足了用户应用需求，又避免了不必要的过度配置，造成资源浪费。该系统建立在工作流之上，以地质应用的内在规律和程序为基本框架，提供了柱状图生成、剖面图生成、等值线图生成等一系列实用专业分析工具及钻孔、剖面、地质图等多源数据三维地质建模、三维可视化、三维分析等高级功能，除可应用于城市地质信息管理、分析之外，该系统还可应用于其他任何类似形式的地质信息处理（图6-3）。

图6—2 三维可视化工程勘察信息系统框架

图6—3 上海城市三维地质信息系统（C/S）主界面

空间数据引擎技术

空间数据库的研究始于20世纪70年代的地图制图与遥感图像处理领域。由于传统数据库在空间数据的表示、存储和管理上存在许多问题，从而形成了空间数据库这个多学科交叉的数据库研究领域。空间数据库（Spatial Database）是指地理信息系统在计算机物理存储介质上存储的与应用相关的地理空间数据的总和，一般是以一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的（黄杏元等，2001）。

ArcSDE可看成是一个连续的空间数据模型，借助这一模型，就可用关系型数据库（RDBMS）管理空间数据库。在关型数据库中融入空间数据后，通过ArcSDE实现空间、非空间数据高效率操作服务。ArcSDE提供了应用程序接口（API），开发人员可将空间数据检索和分功能集成到自己的应用系统。ArcSDE具有如下一些特点。

1）高性能的DBMS 通道。ArcSDE 是多种DBMS 与应用程序（如ArcGIS）的通道。它本身并非一个关系数据库或数据存储模型。它是一个能在多种DBMS平台上提供高级的、高性能的GIS数据管理的接口。

2）开放的DBMS支持。ArcSDE允许你在多种DBMS中管理地理信息：Oracle、Oracle with Spatial/Locator、Microsoft SQL Server、Informix，以及IBM DB2。

3）支持多用户GeoDatabase。ArcSDE为用户提供大型空间数据库支持，并且支持多用户编辑。

4）连续、可伸缩的数据库。ArcSDE可以支持海量的空间数据库和任意数量的用户，直至DBMS的上限。

5）GIS工作流和长事务处理。GIS中的数据管理工作流，例如多用户编辑、历史数据管理、Check-out/Check-in，以及松散耦合的数据复制等都依赖于长事务处理和版本管理。ArcSDE为DBMS提供了这种支持。

6）丰富的地理信息数据模型。ArcSDE保证了存储于DBMS中的矢量和栅格几何数据的高度完整性。这些数据包括，矢量和栅格几何图形、支持X，Y，Z和X，Y，Z，M的坐标、曲线、立体、多行栅格、拓扑、网络、注记、元数据、空间处理模型、地图、图层，等等。

7）灵活的配置。ArcSDE通道可以让用户在客户端应用程序内或跨网络、跨计算机地对应用服务器进行多种多层结构的配置方案。ArcSDE支持Windows、UNIX、Linux等多种操作系统。

对空间数据的管理职责是由GIS软件和常规DBMS软件所共同承担的。某些空间数据的管理功能，如磁盘存储、属性类型定义、查询处理，以及多用户事务处理等是由DBMS来完成的。而对空间数据索引和搜索功能主要由ArcSDE 负责实现。一般在服务器端有SDE服务器处理程序、关系数据库管理系统和实际的数据。

ArcSDE通过SQL引擎执行空间数据的搜索，将满足条件的数据在服务器端缓冲区中存放并返回到客户端。缓冲区处理收集一批数据，然后将整个缓冲区中的数据发往客户端应用，而不是一次只发一条记录。在服务器端处理并缓冲的方法大大提高了效率，使网上荷载大大降低，这在应用操作数据库中成百上千万的记录时体现其优势。ArcSDE采用协作处理方式，即处理可在SDE客户库或服务器端实现，但取决于处理在哪一端更快。有的功能不需要与服务器通信，像多边形叠加和分割这类主要耗费CPU资源的任务，则由客户库来完成，可避免大量的网上操作。所有的服务器任务都是在SDE服务器所在的平台上完成的。而客户端应用则可运行于多种不同的平台和环境中，去访问同一个SDE服务器和数据库。

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