第四节 GIS相关学科

GIS是20世纪60年代开始迅速发展起来的地理学研究的新技术，是多种学科交叉的产物。作为传统科学与现代技术相结合的产物，GIS为各种涉及空间数据分析的学科提供了新的方法，而这些学科的发展都不同程度地提供了一些构成GIS的技术与方法。为了更好地掌握并深刻地理解GIS，有必要认识和理解与GIS相关的学科。

地理学是一门研究人类生活空间的学科，地理学研究空间分析的传统历史悠久，它为GIS提供了一些空间分析的方法与观点，成为GIS部分理论的依托。地理学的许多分支学科，如地图学、大地测量学等都与GIS有着密切的相依关系。另外，GIS也以一种新的思想和新的技术手段解决地理学的问题，使地理学研究的数学传统得到充分发挥。GIS的相关学科见图1-3。

图1-3 GIS相关学科

一、地理学

地理学是一门研究人类赖以生存的空间的科学。在地理学研究中，空间分析的理论和方法具有悠久的历史，它为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为GIS的基础理论依托。而GIS的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段，并使地理学研究的数学传统得到了充分地发挥。

地理系统的内部及其外界，不仅存在着物质和能量的交流，还存在着信息流，这种信息交流使得系统许多似不相关的形态各异的要素联系起来，共同作用于地理系统。而GIS体现着一种信息联系，由系统建立者输入，而由机器存储的各种影像、地图和图表都包含了丰富的地理空间信息的数据，通过指针或索引等组织信息相关联；系统软件对空间数据编码解码和处理；用户对GIS发出指令，GIS按约定的方式做出解释后，获得用户指令信息，调用系统内的数据提取相应的信息，从而对用户做出反应，这是信息按一定方式流动的过程。

由此可见，GIS不仅要以信息的形式表达自然界实体之间物质与能量的流动，更为重要的是以最直接的方式反映了自然界的信息联系，并可以快速模拟这种联系发展的结果，达到地理预测的目的。

总之，自然界与人类存在着深刻的信息联系，地理学家所面对的是一个形体的，即自然的地理世界，而感受到的却是一个地理信息世界。地理研究实际上是基于这个与真实世界并存而且在信息意义上等价的信息世界的，GIS以地理信息世界表达地理现实世界，可以真实、快速地模拟各种自然的过程和思维的过程，对地理研究和预测具有十分重要的作用。

二、地图学

地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的角度来看，GIS脱胎于地图，地图学理论与方法对GIS的发展有着重要的影响。GIS是地图信息的又一种新的载体形式，它具有存储、分析、显示和传输空间信息的功能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为GIS的图形输出设计提供了技术支持；同时，地图仍是目前GIS的重要数据来源之一。但两者又有本质之区别：地图强调的是数据分析、符号化与显示，而GIS更注重于信息分析。

地图是认识和分析研究客观世界的常用手段，尽管地图的表现形式发生了种种变化，但是依然可以认为构成地图的主要因素有三：地图图形、数学要素和辅助要素。地图图形是用地图符号所表示的制图区域内，各种自然和社会经济现象的分布、联系以及时间变化等的内容部分（又称地理要素），如江河山地、平原、土质植被、居民点、道路、行政界限或其他专题内容等，这是地图构成要素中的主体部分。数学要素是决定图形分布位置和几何精度的数学基础，是地图的“骨架”。其中包括地图投影及坐标网、比例尺、大地控制点等。地图投影是用数学方法将地球椭球面上的图形转绘到平面上；坐标网是各种地图的数学基础，是地图上不可缺少的要素；比例尺表示坐标网和地图图形的缩小程度；大地控制点是保证将地球的自然表面转绘到椭球面上，再转绘到平面直角坐标网内时，具有精确的地理位置。辅助要素是为了便于读图与用图而设置的。如图例就是显示地图内容的各种符号的说明，还有图名、地图编制和出版单位、编图时间和所用编图资料的情况、出版年月等。有的地图上还有补充资料，用以补充和丰富地图的内容。如在图边或图廓内空白处，绘制一些补充地图或剖面图、统计图等。有时还有一些表格或某一方面的重点文字说明。

从GIS的发展过程可以看出，GIS的产生、发展与制图系统存在着密切的联系，两者的相通之处是基于空间数据库的表达、显示和处理。从系统构成与功能上看，一个GIS具有机助制图系统的所有组成和功能，并且还有数据处理的功能。地图是一种图解图像，是根据地理思想对现实世界进行科学抽象和符号表示的一种地理模型，是地理思维的产物，也是实体世界地理信息的高效载体，地图可以从不同方面、不同专题，系统地记录和传输实体世界历史的、现在的和规划预测的地理景观信息。

三、计算机科学

GIS技术的创立和发展是与地理空间信息的表达、处理、分析和应用手段的不断发展分不开的。20世纪60年代初，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图。GIS与计算机的数据库管理系统(DBMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制图(CAM)和计算机图形学(Computer Graphics)等有着密切的联系，但是它们都无法取代GIS的作用。

数据库管理系统(Database Management System，DBMS)是操作和管理数据库的软件系统，提供可被多个应用程序和用户调用的软件系统，支持可被多个应用程序和用户调用的数据库的建立、更新、查询和维护功能，GIS在数据管理上借鉴DBMS的理论和方法，非几何属性数据有时也采用通用DBMS或在其上开发的软件系统管理；对于空间地理数据的管理，通用的DBMS有两个明显的弱点：第一，缺乏空间实体定义能力，目前流行的网状结构、层次结构、关系结构等，都难以对空间结构全面、灵活、高效地加以描述；第二，缺乏空间关系查询能力，通用的DBMS 的查询主要是针对实体的查询，而GIS中则要求对实体的空间关系进行查询，如关于方位、距离、包容、相邻、相交和空间覆盖关系等，显然，通用DBMS难以实现对地理数据空间查询和空间分析。数据是信息的载体，对数据进行解释可提取信息，通用数据库和地理数据库都是针对数据本身进行管理，而GIS则在数据管理基础上，通过地理模型运算，产生有用的地理信息，取得信息的多少和质量，与地理模型的水平密切相关。GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般数据库系统，即管理信息系统(Management Information System，MIS)侧重于非图形数据(属性数据)的优化存储与查询，即使存储了图形，也是以文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限，GIS和MIS的比较见表1-1。

计算机图形学是利用计算机处理图形信息以及借助图形信息进行人-机通信处理的技术，是GIS算法设计的基础。GIS是随着计算机图形学技术的发展而不断发展完善的，但是计算机图形学所处理的图形数据是不包含地理属性的纯几何图形，是地理空间数据的几何抽象，可以实现GIS底层的图形操作，但不能完成数据的地理模型分析和许多具有地理意义的数据处理，不能构成完整的GIS。

计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)是通过计算机辅助设计人员进行设计，以提高设计的自动化程度，节省人力和时间；专门用于制图的计算机辅助制图(Computer-Aided Mapping，CAM)，采用计算机进行几何图形的编辑和绘制。GIS与CAD和CAM的区别在于：第一，CAD不能建立地理坐标系和完成地理坐标变换；第二，GIS的数据量比CAD、CAM大得多，结构更为复杂，数据间联系紧密，这是因为GIS涉及的区域广泛，精度要求高，变化复杂，要素众多，相互关联，单一结构难以完整描述；第三，CAD和CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能，比较GIS和CAD的区别和联系如表1-2和表1-3所示。

四、遥感

遥感是一种不通过直接接触目标物而获得其信息的一种新型的探测技术。它通常是指获取和处理地球表面的信息，尤其是自然资源与人文环境方面的信息，并最后反映在像片或数字影像上的技术。影像通常需要进一步处理方可使用，用于该目的的技术称为图像处理。图像处理包括各种可以对像片或数字影像进行处理的操作，这些操作包括影像压缩、影像存储、影像增强、处理以及量化影像模式识别等。目前，遥感已经成为环境研究中极有价值的工具，不同学科的专业人员不断地发现航空遥感不同数据在各领域内的潜在应用。遥感和图像处理技术被用于获取和处理地球表面有关的信息；GIS的发展则源于对土地属性信息与相应几何表达的集成及空间分析的需求。这两项技术在过去是相互独立发展的，尽管它们实际上是互补的。首先，从GIS本身的角度出发，随着应用领域的开拓和深入，首先要求存储大量的有关数据，通过不断的积累和延伸，从而具备反映自然历史过程和人为影响的趋势的能力，揭示事物发展的内在规律。但是GIS数据库几乎只是通过地图数字化建立起来的，用户不能接触到原始资料及其有关信息，而地理信息系统中的原始数据却是有效地模拟和控制误差传播的基础。其次，GIS为了保持系统的动态性和现势性，它还要求及时地更新系统中的数据，目前GIS中存储的信息只是现实世界的一个静态模型，需要定时或及时的更新。遥感作为一种获取和更新空间数据的强有力手段，能及时地提供准确、综合和大范围内进行动态检测的各种资源与环境数据，因此遥感信息就成为GIS十分重要的信息源。另外GIS中的数据可以作为遥感影像分析的一种辅助数据。在两者集成过程中，GIS主要用于数据处理、操作和分析；而遥感则作为一种数据获取、维护与更新GIS中的数据的手段，此外，GIS可用于基于知识的遥感影像分析。GIS和遥感是两个相互独立发展起来的技术领域，随着它们应用领域的不断开拓和自身的不断发展，即由定性到定量、由静态到动态、由现状描述到预测预报的不断深入和提高，它们的结合也逐渐由低级向高级阶段发展。

遥感和GIS的结合经历了由低级向高级阶段的发展过程。最早的结合工作包括把航空遥感像片经目视判读和处理后编制成各种类型的专题图，然后将它们数字化、输入GIS；从20世纪70年代中后期开始，各种影像分析系统得到了迅速而广泛地发展。大量的遥感数据以及图像分析系统图像分类所形成的各类专题信息，可以直接输入GIS，整个过程能在“全数字”的环境下进行，图像数据能够在生成编辑地图的屏幕上显示，标志着遥感和GIS的结合进入了新的阶段。

遥感作为空间数据采集手段，已成为GIS的主要信息源与数据更新途径。遥感图像处理系统包含若干复杂的解析函数，并有许多方法用于信息的增强与分类。另外，大地测量为GIS提供了精确定位的控制系统，尤其是全球定位系统（GPS）可快速、廉价地获得地表特征的位置信息。航空像片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的主要数据源与更新手段，同时，GIS的应用又进一步支持遥感信息的综合开发与利用。

五、管理科学

传统意义上的管理信息系统是以管理为目的，在计算机硬件和软件支持下具有存储、处理、管理和分析数据能力的信息系统，如人才管理信息系统、财务管理信息系统、服务业管理信息系统等。这类信息系统的最大特征是它处理的数据没有或者不包括空间特征。

非传统意义上的管理信息系统是以具有空间分析功能的GIS为支持、以管理为目标的信息系统，它利用GIS的各种功能实现对具有空间特征的要素进行处理分析以达到管理区域系统的目的，如城市交通管理信息系统、城市供水管理信息系统、节水农业管理信息系统等。

事实上，可以形象地把GIS与其他学科的关系用一棵树来表示，如图1-4所示。

正如图1-4所述，“树根”表示GIS的技术基础，如测量学、计算机科学与数学等；“树枝”表示GIS的应用，应用的结果与需求返回到“树根”；“雨滴”是每个应用中的数据来源，如各种测量如地形测量、环境测量等，并为它的发展提供了有效的手段，而GIS的应用主要是在环境科学、地理学和社会科学等领域。

六、测绘学

GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数据；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。GIS的发展要求测绘能及时、快速、直接地提供数字形式的数据，这样就促使常规的测量仪器向数字化测量仪器发展，导致了数字化测绘生产体系的建立。