什么是地理信息系统 (GIS)?
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发布日期:2023 年 11 月 20 日
撰稿人:Alexandra Jonker

什么是地理信息系统 (GIS)?

地理信息系统 (GIS) 是生成地理空间数据的互联可视化效果的计算机系统。除了创建可视化效果外,GIS 还能够捕获、存储、分析和管理地理空间数据。

借助 GIS,用户可以创建交互式查询、分析空间信息、编辑数据、集成地图并呈现这些任务的结果。GIS 是地理信息科学的一部分,地理信息科学是涉及 GIS 各个方面(例如硬件和软件、编程语言、地理空间数据以及它们如何协同工作)的总体领域。

GIS 连接并叠加通常被认为是不同的数据集,以帮助人们、企业和政府更好地了解我们的世界,发现以前未利用的模式和关系。通过 GIS 测绘和分析,各组织可以改进资源管理、资产管理、环境影响评估、市场营销、供应链管理和许多其他活动的决策和优化。

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GIS 的用途是什么?

当今许多最紧迫的挑战都可以从 GIS 工具和基于位置的信息获益,例如气候变化和自然灾害。例如,使用 GIS,设施管理者将能够轻松评估发生自然灾害时对设施资产的影响。或者,GIS 地图可以帮助我们了解与水体和湿地相关的污染地点的确切地理位置,辨别有风险的水源。

GIS 技术的实际应用包括以下机构的应用:

  • 美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 使用 GIS 绘制漏油扩散图,更好地了解海平面波动并绘制飓风路径。
  • 疾病控制与预防中心 (CDC) 使用 GIS 技术来解决公共卫生问题,例如分析位置对疾病的影响。
  • NASA 和马里兰大学的全球生态系统动态调查 (GEDI) 搭载在国际空间站 (ISS) 上的星载激光雷达仪器有助于更好地了解地球的森林和地形。

这些用例只展现了 GIS 强大功能的冰山一角。地理空间分析、GIS 项目和仍在开发的 GIS 工具可帮助世界各地的人们、企业和政府机构做出更好的决策,包括预测天气和城市规划。

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GIS 的历史

空间分析的最早实例之一发生在 1854 年,当时英国医生 John Snow 绘制了伦敦霍乱爆发地点和其他地理数据的地图。他发现霍乱病例发生在水岸沿线1

但直到 20 世纪 60 年代计算机和计算地理学出现后,GIS 领域才取得了长足发展。在此期间,GIS 软件开发领域的行业领导者 Esri 成立了。Esri 继续开发了当今使用的许多 GIS 方法和技术,例如 ArcGIS。

20 世纪 70 年代,出现了更快、更便宜和更先进的计算机,GIS 软件的商业化随之实现。还有卫星和遥感技术的兴起,促进了政府、企业和学术机构采用 GIS。

如今的 GIS 已变得无处不在。来自美国地质调查局 (USGS) 和其他机构的开源 GIS 数据以及 GIS 应用程序(例如 QGIS)及其教程非常容易获取。除政府和学术机构之外,GIS 还用于跟踪包裹、旅行路线和顺风车。

什么是地理空间数据?

地理空间数据描述了位于地球表面或附近的物体、事件或其他地理特征。地理空间数据将位置数据(如坐标)和属性数据(物体、事件或其他地理特征的特性)与时间数据(位置和属性存在的时间或寿命)相结合。地理空间数据包含来自不同来源的大型数据集,包括人口普查和人口统计数据、卫星图像(包括遥感数据)、房地产数据、天气数据、手机数据、绘制图像和社交媒体数据。

GIS 应用程序可以导入多种类型的数据格式:制图文件、电子表格、图像等。然后,GIS 工具将这些数据的任意组合进行叠加,生成可视化效果和数字地图。这些地理空间数据层提供的洞察远远超出纸质地图和传统制图的能力。

当地理空间数据可以被发现、共享、分析并与传统业务数据结合使用时,各组织可能会发现它最有用。如果利用得当,地理空间数据可以为组织提供即将发生的变化的预先警告、更深入地了解分析解决方案并提高整体运营效率。这些都是打造未来工作场所的关键。

地理空间数据格式类型

GIS 使用两种主要的地理空间数据文件格式:栅格数据和矢量数据。

栅格数据

栅格数据由网格或像素单元组成,具有与每个单元相关的空间信息,例如海拔、温度甚至土地利用。栅格数据用于创建复杂的高分辨率影像,例如照片和卫星影像。例如,使用由包含城市天气信息的数据矩阵表示的卫星图像,市民可以查看雷达图,了解是否下雨。

矢量数据

矢量数据通过其 x 和 y 坐标表示地理空间元素。矢量数据的最基本形式是点。两个或多个点形成一条线,三条或更多条线形成一个多边形。例如,Google 地图(一种使用矢量数据的常用 Web 地图和可视化表示形式)使用点定义城市的位置;使用线定义道路;使用多边形定义建筑物或边界。

GIS 和遥感

遥感功能可收集地理空间数据,并从太空对地球表面进行测量。此测量过程使用卫星、气球、无人机和飞机上的遥感器来感测和记录反射或释放的能量。这种遥感信息可以与 GIS 程序集成,帮助用户从全球视角做出由数据支持的有关地球的决策。

遥感有两种类型:主动和被动。

主动遥感技术使用发射自身能量或光源的传感器,然后检测反射的辐射。LiDAR(光检测和测距)就是其中一个示例,它使用激光束实时测量距离和运动。LiDAR 用于创建地形图以及引导自动驾驶车辆穿过街道的精确 3D 模型。主动遥感还用于评估熔岩流、山体滑坡和洪水等自然灾害。

被动式遥感自身并不释放能量。相反,它会收集自然发射和反射的辐射,即来自太阳的辐射。被动式遥感器的常见示例包括辐射计(测量电磁辐射)和加速度计(测量加速度)。

近年来,遥感数据量显著增加,这主要是由于卫星的增加和感测技术的改进。这也使得遥感数据管理变得越来越困难。AI 基础模型的引入有助于分析不断增长的遥感数据量,使组织和政府机构能够更轻松地进行分析并回答特定问题。

地理空间数据分析

地理空间分析利用地理空间数据确定模式并做出预测。组织可以通过使用 GIS 硬件和软件来执行地理空间分析,以生成显示空间关系的可视化效果,即不同地理空间元素如何相互关联。这些可视化内容可包括地图、图形、统计数据和示意地图。

如果没有 GIS 技术和 GIS 分析,大型地理空间数据集及其中的洞察,将会因其复杂性而很容易被忽视。上面提到的 GIS 可视化以易于理解的格式和可识别的模式展示这些数据。地理空间分析易于理解的附加背景为业务提供了新的视角,有助于做出更明智的决策。例如,公用事业公司可以使用地理空间分析功能,分析成千上万英里电力线路的性能,帮助预测极端天气造成的服务中断,了解哪些区域面临的风险最大,同时优化维护计划。

地理空间分析能够有效传送不断变化的情境的形状和能量。随着各组织围绕场景收集更多空间数据,发现细微差别并围绕它们做出更好的决策就变得更加容易。

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脚注

1《国际流行病学杂志》(ibm.com 外部链接),第 42 卷,第 6 期,2013 年 12 月。