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GIS:揭开你神秘的面纱(上)

作者:王双 邮箱:wangsh@lreis.ac.cn 发布时间:2014-01-02 19:09:56 阅读(2664)

GIS:揭开你神秘的面纱(上)

 

GIS从出现到兴起,仅经历了短短的几十年时间,尤其是近几年,大有欣欣向荣之势,越来越多的人开始了解并使用GIS。自己和GIS打交道也快10年时间了,一直从事把“阳春白雪”变成“下里巴人”的工作,让GIS能为更多人所了解,但每每向其他行业的人介绍GIS,还真不是三言两语可以讲清楚的事情,于是近日写得小文一篇,希望能给想了解GIS的人一点点启发,也许GIS可以在你的工作中大显身手呢。本文的主要内容如下:

上篇:GIS:你能帮我做什么

     数据:有料才是王道

     比例尺:地图的亲密爱人

下篇:坐标:究竟有多重要

     投影:神马不是浮云

1.     GIS:你能帮我做什么

GIS是什么,能干什么?”,我想这个问题可能是困惑大多数GIS专业学生的问题,现在当然好很多,但在我们上学那会儿,完全是混混沌沌,不知道以后毕业了去干嘛,当人家很好奇地问起自己的专业时,也很难用只言片语跟人家描述清楚,直到后来Google MapGoogle Earth横空出世,当大家发现这玩意儿能在电脑上看到自己家房顶,找到玩转世界那种“君临天下”的感觉的时候,我们终于可以傲娇地说,俺的专业就是做这个。

当我们去查询GIS的概念,一般都会这样介绍——“在计算机软硬件的支持下,对地理数据进行获取、存储、分析、显示、输出的信息系统。”

“那GIS不就是用计算机做地图吗?”

GIS比计算机制图高级,因为我们有数据库支撑,我们还可以做空间分析……”

听起来无所不能的GIS,但在很长时间里其实也只是停留在做出专题图的阶段,像图1中的渐变色就很清晰的显示出各省的男同胞的平均身高,各位可以很迅速地在心里得出自己有木有拖后腿的结论,再或者可以跟地图交互查询一下属性,压根儿用不到复杂的空间分析。

                                                                                图1 中国各省男性平均身高

         GIS究竟能做什么呢?首先就是收集地理信息,人类活动75%都与地理位置有关,比如想和男朋友找个电影院看电影,出差到一个陌生的城市找宾馆,这些都是地理信息,通过GIS能有效地把这些都存储起来,怎么存呢?excel吗?那怎么和地图关联起来?这是后话,当然这些问题不太用我们用户操心,业界大佬们早就定义好了地理信息的各种存储方式,文件抑或数据库都可以,我们只要按要求把信息录入就可以了。

         收集到的地理信息,现在也只是电脑中的一堆表格,那怎么为人们所看到呢?这就是所谓的“可视化”了,各种图表是信息可视化的产物,那地理信息可视化的产物就是“地图”,当然地图远比GIS出现的要早,这位前辈是GIS重要的代言人,GIS可以方便地将收集到的信息在地图上展示,如图1用深浅变化的颜色表达身材的高低,如果收集到的信息还有女性的身高,分分钟就可以再做出一幅类似的女性身高图来。而即使你是一个绘图高手,可以在CorelDrawIllustrator甚至Photoshop中绘制出图1,但却很难再此基础上立刻绘制出另一幅女性身高图来。

         而空间分析其实离我们也并不遥远,像大众点评这样的应用已经相当普及,我可以很方便地找到周边的餐馆,还有地图导航,都是通过GPS装置收集的你的地理位置之后,在地图上找到正确的位置显示,再进一步的实现诸如查询搜索等功能。

2.     数据:有料才是王道

大体知道了GIS是什么,我们再来讨论下图1是怎么做出来的,身高之类的数据很好收集得到,可是地图呢?让我们追根溯源地想一想地图究竟是怎么画出来的,在没有测绘,没有RS,没有GPS的年代,我们的老祖先们就是靠脚步来丈量土地,靠眼睛看到的来手绘地图,而现在RS可以通过卫星来给地球拍照,GPS可以实时定位,虽然已经摆脱了“数据基本靠走”的时代,但是想得到数据还是要花费些代价,大多数地理数据还没有开放需要购买,当然像图1中这样比例尺级别(第4部分我们会讨论到)的地图,还是很容易从网上得到,那我们下载后,就可以在GIS软件中打开,将身高数据录入,从而快速的做出一幅地图来。

所谓“巧妇难为无米之炊”,数据才是王道,否则GIS系统就是一个空架子。对于数据而言,GIS有两大基本存储模型,一种是矢量数据模型,一种是栅格数据模型。如图2所示,同样信息的表达,在左边的矢量数据中,我们看到的是清晰的点、线、面的实体,来表达河流、湖泊、地块这样的信息;而右边的栅格数据中,我们看到的则是一个个的格子,相相同的像元值在地图上展示出相同的颜色,从而也呈现出河流、湖泊、地块的形态。虽然都能表达出一样的信息,但是这两种存储模型是完全不同的,矢量是以对象为单位,我们可以把一个湖泊的面积等属性都存储在该对象中;而用栅格表达的话,湖泊是由一组像元组成的,我们不可能将整个湖泊的面积分别赋予每个像元。

  

                                                                                              图2 矢量数据模型与栅格数据模型

    网上公开免费的数据哪里可以下到呢?在美国数据的开放程度还是相当高的,像人口普查之类的详细数据完全可以获取到(http://thistract.com/),另外还有一些网站可以获取数据:

全球90m分辨率的DEM(高程数据)下载:

http://srtm.csi.cgiar.org/index.asp

Natural Earth提供了全球1:10 000 0001:50 000 0001:110 000 000比例尺的矢量和栅格数据下载,格式为ESRIshpGeodatabase以及tiff

http://www.naturalearthdata.com

Bathymetry是海洋深度的测量数据,在 BritishOceanographic Data Centre 的网站上可以下到全球海洋深度数据:

https://www.bodc.ac.uk/data

Globe land cover facility提供免费卫星图像,如Landsat Modis Ikonos Quickbird等,下载地址:

http://glcf.umiacs.umd.edu/

 

对于中国用户,开放的免费数据获取途径有限,国家基础地理信息中心发布过全国1400万比例尺的矢量图,详细到县级行政数据。另外,如果我们只是需要背景地图显示的话,可以不必获取原始数据,而采用叠加地图服务的方式。中国的ArcGIS Onlinehttp://www.arcgisonline.cn)为中国用户提供了免费的地图服务,我们只需要将其与我们的数据叠加,就可以快速做出一幅地图来,当然这里的地图服务不能够直接进行查询,它的作用类似于背景图片。

3.     比例尺:地图的亲密爱人

早在晋代制图学家裴秀就提出“制图六体”的概念:分率、准望、道里、高下、方邪、迂直,首当其冲的分率指的就是比例尺。无论是我们购买的地形图,还是我们在软件中出图,都要涉及到比例尺,对于地图而言,比例尺是不可或缺的亲密爱人。就像上节中我们提到Natural Earth提供了全球110 000 000的矢量数据下载,这里的110 000 000就是比例尺,它的含义是:地图上任意线段长度与它代表的实地水平距离之比,也就是说如果地图上两点之间测量的距离为1mm,那么实地的距离则是10km

简单来讲,地图都是对现实世界的抽象缩小,比例尺就代表了抽象的程度。比例尺越小,抽象程度越高,表达的地物就少而简单;比例尺越大,抽象程度低,表达的地物就越详细。如图3所示,同一个湖泊在较大比例地图上以面来表示,可以看到湖泊的轮廓,而在较小比例尺地图上就只是以线来表示。这个对地物进行抽象的过程存在于数据采集这个环节,对于采集到的数据,在软件中我们是可以实现比例尺的无极缩放的,这时候改变的就不再是抽象程度,而是显示的地理范围了。

                                                                 图3 不同比例尺对于地物的抽象程度

 

我国规定15千、1:1万、1:2.5万、1:5万、1:10万、1:25万、1:50万、1:100万八种比例尺地形图为国家基本比例尺地形图。编制这些地图要么通过全站仪、经纬仪等大地测量的方式,要么通过航摄的方式。因此这里又要引入两个概念:测图比例尺和航摄比例尺。由于人眼在地图上的分辨率通常为0.1mm,不同比例尺图上0.1mm所代表的实地距离,称为地形图比例尺的精度,该精度决定了测图比例尺。例如,某工程测量要能够在图上表达出250px的精度,则选取的测图比例尺应不小于0.1mm/250px=1/1000。航摄比例尺与成图比例尺的关系见下表(影像分辨率指的是影像所能识别出的最小地物单元的大小)

                    表1  成图比例尺与航摄比例尺及影像分辨率关系

成图比例尺

航摄比例尺

影像分辨率(m)

1:500

1:2000-1:3000

0.05

1:1000

1:3500-1:4000

0.1

1:2000

1:6000-1:8000

0.2

1:5000

1:10000-1:20000

0.4-0.8

 

通过上表中的对比,我们可以发现成图比例尺基本是航摄比例尺的4倍,为什么是4倍,原因是精度决定,4倍内的摄影照片就够了,刚好不会出现马赛克,如果将摄影比例尺确定得过小,造成图像模糊不清,甚至出现马赛克图案,影响成图质量;反之,将摄影比例尺确定得太大,大材小用造成不必要的资源浪费。

 


作者:王双 邮箱:wangsh@lreis.ac.cn

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关键词:GIS、数据、比例尺

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