GIS：揭開你神祕的面紗

轉自：http://www.cnblogs.com/gisangela/archive/2013/02/20/2918884.html#!comments

GIS從出現到爲人所知，只不過經歷了短短的幾十年時間，尤爲是近幾年，大有欣欣向榮之勢，愈來愈多的人開始瞭解GIS。本身和GIS打交道也快10年時間了，所從事的工做也是把「陽春白雪」變成「下里巴人」，讓更多的人能理解並使用GIS，但往往向其餘行業的人介紹GIS，還真不是三言兩語能夠講清楚的事情，因而近日寫得小文一篇，但願可以給想了解GIS的人一點點啓發，也許GIS能夠在你的工做中大顯身手呢。

1. GIS：你能幫我作什麼

　　「GIS是什麼，能幹什麼？」，我想這個問題多是困惑大多數GIS專業學生的問題，如今固然好不少，但在咱們上學那會兒，徹底是混混沌沌，不知道之後畢業了去幹嗎，當人家很好奇地問起本身的專業時，也很難用隻言片語跟人家描述清楚，那種學了n年還說不清本身專業的羞愧吶。。。直到後來Google Map、Google Earth橫空出世，當你們發現這玩意兒能在電腦上看到本身家房頂，找到玩轉世界那種「君臨天下」的感受的時候，咱們終於能夠傲嬌地說，俺的專業就是作這個的lol（其實你懂得）。

　　當咱們去查詢GIS的概念，通常都會這樣介紹——「在計算機軟硬件的支持下，對地理數據進行獲取、存儲、分析、顯示、輸出的信息系統。」

　　「那GIS不就是用計算機作地圖嗎？」

　　「GIS比計算機制圖高級，由於咱們有數據庫支撐，咱們還能夠作空間分析……」

　　聽起來無所不能的GIS，但在很長時間裏其實也只是停留在作出專題圖的階段，像圖1中的漸變色就很清晰的顯示出各省的男同胞的平均身高，各位能夠很迅速地在內心得出本身有木有拖後腿的結論，再或者能夠跟地圖交互查詢一下屬性，壓根兒用不到複雜的空間分析。

                                        

                                                                           圖1 中國各省男性平均身高

         那GIS究竟能作什麼呢？首先就是收集地理信息，人類活動75%都與地理位置有關，好比想和男友找個電影院看電影，出差到一個陌生的城市找賓館，這些都是地理信息，經過GIS能有效地把這些都存儲起來，怎麼存呢？excel嗎？那怎麼和地圖關聯起來？這是後話，固然這些問題不太用咱們用戶操心，業界大佬們早就定義好了地理信息的各類存儲方式，文件抑或數據庫均可以，咱們只要按要求把信息錄入就能夠了。

         收集到的地理信息，如今也只是電腦中的一堆表格，那怎麼爲人們所看到呢？這就是所謂的「可視化」了，各類圖表是信息可視化的產物，那地理信息可視化的產物就是「地圖」，固然地圖遠比GIS出現的要早，這位前輩是GIS重要的代言人，GIS能夠方便地將收集到的信息在地圖上展現，如圖1用深淺變化的顏色表達身材的高低，若是收集到的信息還有女性的身高，分分鐘就能夠再作出一幅相似的女性身高圖來。而即便你是一個繪圖高手，能夠在CorelDraw、Illustrator甚至Photoshop中繪製出圖1，但卻很難再此基礎上馬上繪製出另外一幅女性身高圖來。

         而空間分析其實離咱們也並不遙遠，像大衆點評這樣的應用已經至關普及，我能夠很方便地找到周邊的餐館，還有地圖導航，都是經過GPS裝置收集的你的地理位置以後，在地圖上找到正確的位置顯示，再進一步的實現諸如查詢搜索等功能。

2. 數據：有料纔是王道

　　大致知道了GIS是什麼，咱們再來討論下圖1是怎麼作出來的，身高之類的數據很好收集獲得，但是地圖呢？讓咱們追根溯源地想想地圖到底是怎麼畫出來的，在沒有測繪，沒有RS，沒有GPS的年代，咱們的老祖先們就是靠腳步來丈量土地，靠眼睛看到的來手繪地圖，而如今RS能夠經過衛星來給地球拍照，GPS能夠實時定位，雖然已經擺脫了「數據基本靠走」的時代，可是想獲得數據仍是要花費些代價，大多數地理數據尚未開放須要購買，固然像圖1中這樣比例尺級別（第4部分咱們會討論到）的地圖，仍是很容易從網上獲得，那咱們下載後，就能夠在GIS軟件中打開，將身高數據錄入，從而快速的作出一幅地圖來。

　　所謂「巧婦難爲無米之炊」，數據纔是王道，不然GIS系統就是一個空架子。對於數據而言，GIS有兩大基本存儲模型，一種是矢量數據模型，一種是柵格數據模型。如圖2所示，一樣信息的表達，在左邊的矢量數據中，咱們看到的是清晰的點、線、面的實體，來表達河流、湖泊、地塊這樣的信息；而右邊的柵格數據中，咱們看到的則是一個個的格子，相相同的像元值在地圖上展現出相同的顏色，從而也呈現出河流、湖泊、地塊的形態。雖然都能表達出同樣的信息，可是這兩種存儲模型是徹底不一樣的，矢量是以對象爲單位，咱們能夠把一個湖泊的面積等屬性都存儲在該對象中；而用柵格表達的話，湖泊是由一組像元組成的，咱們不可能將整個湖泊的面積分別賦予每一個像元。

                                                          

                                                                     圖2 矢量數據模型與柵格數據模型

        網上公開免費的數據哪裏能夠下到呢？在美國數據的開放程度仍是至關高的，像人口普查之類的詳細數據徹底能夠獲取到（http://thistract.com/），另外還有一些網站能夠獲取數據：

全球90m分辨率的DEM（高程數據）下載：

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

Natural Earth提供了全球1:10 000 000、1:50 000 000、1:110 000 000比例尺的矢量和柵格數據下載，格式爲ESRI的shp、Geodatabase以及tiff：

http://www.naturalearthdata.com

Bathymetry是海洋深度的測量數據，在 British Oceanographic Data Centre 的網站上能夠下到全球海洋深度數據：

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

Globe land cover facility提供免費衛星圖像，如Landsat、 Modis、 Ikonos、 Quickbird等，下載地址：

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

 　　對於中國用戶，開放的免費數據獲取途徑有限，國家基礎地理信息中心發佈過全國1：400萬比例尺的矢量圖，詳細到縣級行政數據。另外，若是咱們只是須要背景地圖顯示的話，能夠沒必要獲取原始數據，而採用疊加地圖服務的方式。中國的ArcGIS Online（http://www.arcgisonline.cn）爲中國用戶提供了免費的地圖服務，咱們只須要將其與咱們的數據疊加，就能夠快速作出一幅地圖來，固然這裏的地圖服務不可以直接進行查詢，它的做用相似於背景圖片。

3. 比例尺：地圖的親密愛人

　　早在晉代製圖學家裴秀就提出「製圖六體」的概念：分率、準望、道里、高下、方邪、迂直，首當其衝的分率指的就是比例尺。不管是咱們購買的地形圖，仍是咱們在軟件中出圖，都要涉及到比例尺，對於地圖而言，比例尺是不可或缺的親密愛人。就像上節中咱們提到Natural Earth提供了全球1：10 000 000的矢量數據下載，這裏的1：10 000 000就是比例尺，它的含義是：地圖上任意線段長度與它表明的實地水平距離之比，也就是說若是地圖上兩點之間測量的距離爲1mm，那麼實地的距離則是10km。

　　簡單來說，地圖都是對現實世界的抽象縮小，比例尺就表明了抽象的程度。比例尺越小，抽象程度越高，表達的地物就少而簡單；比例尺越大，抽象程度低，表達的地物就越詳細。如圖3所示，同一個湖泊在較大比例地圖上以面來表示，能夠看到湖泊的輪廓，而在較小比例尺地圖上就只是以線來表示。這個對地物進行抽象的過程存在於數據採集這個環節，對於採集到的數據，在軟件中咱們是能夠實現比例尺的無極縮放的，這時候改變的就再也不是抽象程度，而是顯示的地理範圍了。

                                                 

                                                                    圖3 不一樣比例尺對於地物的抽象程度

 　　我國規定1：5千、1:1萬、1:2.5萬、1:5萬、1:10萬、1:25萬、1:50萬、1:100萬八種比例尺地形圖爲國家基本比例尺地形圖。編制這些地圖要麼經過全站儀、經緯儀等大地測量的方式，要麼經過航攝的方式。所以這裏又要引入兩個概念：測圖比例尺和航攝比例尺。因爲人眼在地圖上的分辨率一般爲0.1mm，不一樣比例尺圖上0.1mm所表明的實地距離，稱爲地形圖比例尺的精度，該精度決定了測圖比例尺。例如，某工程測量要可以在圖上表達出10cm的精度，則選取的測圖比例尺應不小於0.1mm/10cm=1/1000。航攝比例尺與成圖比例尺的關係見下表（影像分辨率指的是影像所能識別出的最小地物單元的大小）

                                                                          表1  成圖比例尺與航攝比例尺及影像分辨率關係

成圖比例尺	航攝比例尺	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

 　　經過上表中的對比，咱們能夠發現成圖比例尺基本是航攝比例尺的4倍，爲何是4倍，緣由是精度決定，4倍內的攝影照片就夠了，恰好不會出現馬賽克，若是將攝影比例尺肯定得太小，形成圖像模糊不清，甚至出現「馬賽克」圖案，影響成圖質量；反之，將攝影比例尺肯定得太大，「大材小用」形成沒必要要的資源浪費。

4.  座標：究竟有多重要

　　不少時候碰到學員拿來這樣的數據，座標值不正確或者沒有座標系，沒法和其餘數據正確的疊加在一塊兒顯示，沒法設置比例尺，也沒法作拓撲檢查之類的工做。座標不正確的緣由主要有：在用CAD等軟件做圖的時候沒有設立好正確的地理座標系，或者數字化紙質地形圖或影像的時候沒有注意是否通過配準這一步驟；座標系缺失的狀況就更多了，導入數據的時候只導入了座標值信息，或者數據格式轉換的時候忘記了指定座標系。

　　而一個地物怎樣才能正肯定位在地球上？答案是正確的座標值加上座標單位。讓咱們暫時拋開地球是個三維球體，先來完成在平面圖上畫出一棟房子的任務，如今知道房子的幾個拐點座標（1，1）（3，1）（3，4）（1，4）。首先咱們必需要先確認的是座標原點在哪裏？其次還要有橫軸和縱軸以及單位刻度（房子的長寬是米，如今座標軸的刻度單位也是米），那圖4中所示的就是房子應該在的位置。而地理數據定位也是一樣的原理，只不過大地座標系的定義則是：以參考橢球體（用來模擬地球的光滑球體）中心爲原點，本初子午面（英國格林尼治天文臺所在位置爲本初子午線，即0度經線）爲縱軸方向，赤道平面爲橫軸方向，如圖5所示，紅色點的座標就應該是（50，40），單位爲度。

                             

                                                    圖4 二維笛卡爾座標系

                                          

                                                    圖5 大地座標系

　　獲取正確的地理座標究竟有多麼重要？是否是我作一幅地圖所需的數據必需要知道正確的地理座標呢？咱們知道獲取座標並非一件至關容易的事情，草根的方法一般是在Google Earth上添加地標，經過KML這種格式導入GIS軟件生成矢量圖，官方的途徑就是經過購買了。但其實某些時候，座標並非咱們所認爲的那麼重要，好比我要作景觀分析，研究一個村落的佈局，在此基礎上作一些地圖，我想說，其實你真的沒必要爲地理座標困擾，找一個航拍圖片，沒有的話紙質地圖也能夠，直接在上面描圖得到數據，就像小時候你們大概都撕過課本封面上的透明薄膜疊在其餘圖上描圖，原理是同樣的，只是你這時獲取的座標是相對座標罷了，既然我不須要和其餘地圖疊加在一塊兒定位，我又何須要關心地球座標原點在哪裏呢？    

5.  投影：神馬不是浮雲

　　咱們知道地球是一個形狀不規則的橢球體，那若是爲地球畫一張平面畫像，那該如何儘量真實地再現地球的真實面貌呢？前面咱們瞭解到地理座標系的定義：以球心爲座標原點，東西方向按經度劃分爲360度，南北方向按緯度劃分爲180度，也就是咱們所說的WGS（大地座標系）將地物進行還原，如圖6便是按經緯度直接描繪出的世界地圖。

                              

                                                             圖6 未投影的世界

         一切看起來都很正常，正若有本書所寫「世界是平的」，但咱們仔細一看就會發現問題，A1A2之間的距離和B1B2之間的距離在圖上看起來是相等的，可是實際上，位於不一樣緯度的相同經度差絕對是不相等的，位於赤道上的距離遠比位於兩極的要大不少，所以用上面提到的畫像方式來作平面地圖是不能很好地表達距離，方向之間的相對位置關係的，因此咱們在製圖的時候纔要引入投影，即將三維球面展示到平面地圖上，對於地圖來說，投影絕對不是浮雲。

                             

                                                                圖7 Albers投影

　　這裏咱們選取了Albers（等積圓錐投影），世界地圖立馬呈現出不同的形態，這裏A1A2和B1B2之間的距離也發生了變形，由於投影是三維向二維的映射，因此必然會產生變形，咱們能夠爲不一樣用途的地圖選取相應的投影方式來保證面積，方向或角度的變形最小。