地理信息系统的操作和应用实验报告

1. 怎样把地理信息系统运用到教学中

浅议地理信息系统在高中地理教学中的应用

摘要：
随着地理知识更新速度的加快，
新课改提高了对学生信息素养的要求。因此，
把
地理信息系统应用到地理教学中成为当代新型教师的重要任务。
本文笔者结合教学实际论述
了地理信息系统在高中地理教学中的应用。

关键字：
地理信息系统

地理教学

引言

伴随信息时代的到来，
地理学岌计算机技术、
航天技术等进行有效整合，
诞生了一门新
兴技术——地理信息系统。地理信息系统（
geographic information system
，简称

GIS
）是一
种以采集、
存储、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。
它以地
理空间数据库为基础
,
在计算机技术的支持下，采用地理模型分析方法适时提供多种空间的
和动态的地理信息。
地理学是一门研究地球表面的自然现象和人文现象空间分布以及两者间
相互关系的学科，实践性，应用性很强。
中学地理教育的基本目标是传授地理知识、培养地
理技能和提高地理思维能力。因此，在中学地理教学中，既可以根据课标适当地增加有关
GIS
的教学内容来开阔学生的视野，
又可以应用
GIS
改善地理教学，
拓宽学生解决问题的思
路，培养学生综合运用知识的能力及其创造精神和实践能力。

1
、
GIS
的发展简况

GIS
源于
20
世纪
60
年代，加拿大测量学家
R.F.Tomlinson
首先提出地理信息系统这个
概念并建立了世界上第一个地理信息系统，
用于自然资源的管理与规划。
后来，
美国哈佛大
学土地测量专业的一名学生
J.Dangermond
在其毕业论文中设计了一个简单的
GIS
系统，并
在毕业后成立了
ESRI
公司，促进了
GIS
的发展。九十年代以后，随着地理信息产业的建立
和数字化信息产品在全世界的普及，地理信息系统将逐渐深入到各行各业，成为人们生产、
生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。由于国外
GIS
发展较早，其
GIS
教育体系也
相对完善：如美国、日本、澳大利亚、加拿大、英国、德国等都将
GIS
专业教育提到非常
重要的高度。这些国家在大学里许多相关专业，如建筑、市政工程、林业、地理、城市规划
等，都增加了
GIS
课程。我国
GIS
从
20
世纪
80
年代初开始起步，
90
年代才进入快速发展
阶段。中学
GIS
教育更是属于刚刚起步的阶段。而实施
GIS
教育不仅是落实地理学科教育
的责任，也是落实教育本身赋予地理教育的任务。
GIS
教育中对学生信息技术的掌握、地理
研究技术的了解与应用、
地理区域系统思想的建立和地理空间思维能力的培养，
以及地理问
题的分析与处理等多方面具有不可替代的独特功能。因此，笔者认为尝试把
GIS
应用到中

2
学地理教学中势在必行。

2
、
GIS
在高中地理教学中实施的迫切性

2.1
时代发展的需要

20
世纪
90
年代以后，伴随计算机和网络技术的迅猛发展，地理知识的更新速度越来越
快，
将
GIS
引入中学地理教学中是信息时代的要求。
GIS
包含的信息大且更新速度快，
内容
丰富
,
能将大量的地理信息和理论结合起来加以储存
,
供学生查询和使用
,
使学生掌握最新的
地理信息和知识。

2.2
学科发展的需要

目前地理教学使用的相关参考书部分内容有些陈旧，
再加上受到客观因素的制约，
不可
能做到及时更新，影响了地理教学的深度和广度。使用
GIS
进行地理教学，可以实现地理
资料与世界的同步更新，
让我们可以在最短的时间内掌握其他国家的学科发展情况。
我国教
育部
2003
年颁布的《全日制高中地理课程标准
(
实验
)
》已经把地理信息技术纳入必修的地
理课程内容范围，并把它列为七大地理选修模块课程之一，并明确指出：
“强调信息技术在
地理学习中的应用，
充分考虑信息技术对地理教学的影响，
营造有利于学生形成地理信息意
识和能力的教学环境。
”

2.3
学生个体发展的需要

新课标指出，教学一切为了学生的发展。
作为教学主体，
学生的情况存在很大差异。传
统的教学方式很难关注全体学生的需要。
GIS
可以为学生提供互动的教学情境，
他们可以根
据自己的实际情况进行相关地理内容的学习，使每个学生都有所得。

3
、
GIS
在地理教学中的实际应用

3.1
激发学生的学习兴趣

辩证唯物主义认为
,
事物的发展是内外因共同作用的结果。外因是条件，内因起决定作
用。饥饿调动了人寻食的积极性
,
捕猎迫出了人们快速狂奔的能力。也就是说，需求是主观
能动性发挥的最根本动因。
学生是学习活动的主体，
激发主体的主观能动性是提高教学质量
的关键。而兴趣又是学生最好的老师，能够驱使学生主动地去发现问题，解决问题。如学生
对高中选修四的旅游地理内容很感兴趣，
希望可以通过地理课的学习了解中国乃至世界的主
要旅游景点，既满足视觉享受，
放松心情，又可以了解不同区域的文化特色。但是基于课时
及教具的限制，学生期待的效果很难达到。当然，学生学习地理的兴趣便大大折扣。其实，
旅游地理作为选修的学习，从内容的构成上充满乐趣，可以极大地调动学生学习的积极性，
但拘于呈现方式，严重阻碍了学习效率的提高，往往形成低效或无效教学。
GIS
的出现解决

3
了这个难题——依据教材的主要内容并补充相关旅游景点联系交通、
住宿及文化特色等制成
GIS
旅游地图。较一般的地图而言，
GIS
旅游地图可以为学生提供更详细、更准确的信息：

⑴一般的旅游地图因图幅面积的限制，只能呈现一些主要的信息，不能满足不同人群
的各种需要。但
GIS
旅游地图借助计算机技术的支持，表现出高容量的特点，学生可以根
据各自的需要有选择性地进行读取。

⑵一般的旅游地图以纸质形式出现，不易保存。长时间使用后，会出现折痕、破损等
现象，使用年限短暂，影响学生的正常使用。
GIS
旅游地图借助计算机存在，更易储存。

⑶一般的旅游地图不能及时进行信息的更新，
有时会对学生产生错误的指示。
GIS
旅游
地图可以通过网络及时进行更正、修改，保证信息的真实性。

⑷一般的旅游地图有特定的图例，
部分信息混杂在一起，
增加了学生的困难。
GIS
旅游
地图呈现方式直观，
并具查询功能，
学生可以进行相关信息的查询。信息表现清晰，使用起
来方便快捷，节省了学生宝贵的时间。

3.2
有助于学生建立空间概念

地理是一门空间性强的学科，在地理的学习中，要求学生掌握主要的地理事物及空间
分布，
并形成空间概念。
但事实上，
地理课要反映的信息是极其广阔和遥远的，还有一些是
不可见的。
数量之大，表现之抽象，
学生不可能把所有的信息都储存在大脑中。如果只是凭
借教师的有限讲解，
学生不可能从不同角度、
不同层次地对地理事物之间的联系进行深入分
析。
因此，
也就无法在学生大脑中呈现完整而清新的图像，
不能形成牢固而深刻的记忆。

因
此我们在进行地理事物的空间分析时要使用地图。
地图是地理的第二语言，
很多信息都是以
地图的形式出现。较纯粹的文字记忆，地图的记忆效果更好。
GIS
具有数据输入、存储，数
据操作和处理，
数据显示和结果输出，地图制图，
地理数据库的组织与管理，空间信息查询
与量算，
空间分析等功能，
可以用来处理具有空间特点的地理资料，
帮助学生建立空间概念。
尤其是
GIS
的空间信息的可视化。它使学生对于在空间中的各事物的状态有一个非常直观
的感受。
无论是在屏幕上展示一幅可以无级缩放和信息查询的地图，
还是展示一幅三维的地
形模型，都使学生对现实世界空间关系的认识更为直观、具体。由
GIS
显示的空间信息的
可视化结果，
能够帮助学生揭示空间关系、
空间分布模式和空间发展趋势。
如高中地理教学
中要求学生理解地形对气候的影响。
我们可以例证中国地形与气候之间的关系来讲述这个地
理原理：把中国地形图与气候图叠加，让学生先分析地形图，
再分析气候图，最后把两个要
素叠加起来进行比较，
即什么样的地形会形成什么样的气候。
学生尝试使用地形要素来解释
气候的形成。
比较容易的就是青藏高原由于海拔高形成特殊的高寒气候。
如果时间允许，
我

4
们还可以让学生来谈谈美国地形对其气候的影响，
即学即用，
实现地理知识的迁移，
加深学
生关于地形对气候影响的理解。

3.3
有助于学生提高解决问题的能力

受传统教育教学思维模式的影响，
目前绝大部分中学地理教师仍停留在课堂讲述为主的
教学模式上，学生也只能依照教材，
巩固所学知识，制约了学生与教师双方的思维，对地理
的学科教育价值实现产生了一定的阻碍，
而且也有悖于新课程的教育观念，
即
“整合教学与
课程”
、
“强调互动的教学”
、
“构建充满生命力的课堂教学运行体系”
等。
地理课堂教学也存
在不少问题。
如：
教师向学生提问多，
而引导学生主动发问少，
轻视甚至抑制学生发现问题、
主动提问的意识和热情；提出“知识训练”型的问题多，而思维性、启发性的问题少，量多
质差的“满堂问”几乎成为变相的“满堂灌”
。学生的自主探究、发现、创新的意识得不到
应有的发展，情感、
意志、
精神境界等得不到应有的塑造和升华。也许学生虽能攻克试卷上
的一道难题，
而面对真实生活中的难题时却不知所措，
面向未来纷繁复杂的大千世界将更是
茫然。
爱因斯坦说过：
“提出一个问题远比解决一个问题重要。
”
新课程理念要求教师应该是
学生学习的促进者，是教学教育的研究者，课程建设者和开发者，是社会型的开放的教师。
将
GIS
引入中学地理教学是中学地理课程改革的有力工具。因为
GIS
既是教师的教学工具
也是学生的学习工具，教师和学生面对的课程将不再是简单的教科书，
教师、学生、教材将
成为统一体，成为课程的有机组成部分。
GIS
在教师、学生和教材之间，将充当着桥梁和纽
带的角色。
在学习过程中师生互动，
信息多向流动。
如我们在学生学习某些地理概念或原理
时，只提供他们一些事实
(
事例
)
和问题，让学生自己阅读材料，或让学生自己从学习生活和
社会生活中选择和确定专题，独立探究，
自行去发现问题、分析问题和解决问题，
从而获得
知识并培养发明创造能力的一种方法。
在地理教学过程中，
我们不要把现成的东西交给学生，
而应在概念领域内，充分利用新奇、怀疑、困难、矛盾等引起学生的思维冲突，促使学生自
己动脑，去发现探索，对所发现问题和探索的结论由学生自己去做。首先，
我们根据学生的
水平，
确定探究型地理教学课题的探究类型。
课题研究以认识客观世界和人自身的某一问题
为主要目的，
具体包括社会调查、
科学实验和文献研究等。
项目活动类主要是设计以解决一
个比较复杂的操作问题为主要目的，
如模拟设计某一条地铁线路的活动等。
其次，
指导学生
设计研究方案。
研究方案主要包括研究的具体步骤和计划。
这是整个研究性学习的关键。
我
们可以根据学生掌握
GIS
技术的实际情况，结合预先课题或项目，引导学生逐步建立和修
正实施方案，
从而达到方案可行性之目的。
其三，
在实施过程中，
我们协助解决遇到的难题。
最后，开展研究性学习结题和展示成果。结题结果可能有不同情况，我们应引导学生对相

5
关
GIS
探究型学习进行经验总结。

3.4
有助于学生实现个性发展

新课改指出，要关注学生的需求。既要实现学生的全体发展，又要实现学生的个性发
展。
GIS
可以提供界面友好、形象直观的交互式学习环境。
GIS
制作的多媒体电子地图不但
画面清晰、
色彩谐调，
而且加上视频和声音的配合，
具有较强的感染力和较强的人机交互性。
学生通过操作
GIS
地图进行自主学习，可以改变课程教材只是为教师讲授提供蓝本，学生
被动接受知识的局面，
实现信息技术和地理课程内容的整合，
有利于学生主动学习，
学生可
以根据自己的需求有选择地进行学习，进行个性学习，建立属于自己的地理知识框架。
GIS
可以实现人机互助，
个别指导，
有利于师生之间、
学生与学生之间的合作交流。从认识主义
来说，
合作学习可以促进学习的意义建构，
促进学生高水平的地理思维和学习活动。
理由如
下：一是学习者之间的交流、争议、
意见综合等有助于学习者建构起新的、
更深层次的对地
理事物的理解；
二是在合作学习中，
学习者的想法、
解决问题的思路都被明了化、
外显化了，
学习者可以更好地对自己的理解和思维过程实施监控。
行为主义的观点则认为，
学生看到同
伴们的成功，会提高他们自身的自我效能感。

4
、
GIS
在高中地理教学实施中存在的问题

4.1
师资不够

GIS
发展至今，
虽然有很多成熟的软件供教师使用，
但这些软件大多功能庞杂且操作复
杂，
熟悉和掌握这些软件需要一定的时间和相关的计算机基础。
这对于一般的地理专职教师
来说有些困难。
GIS
需要学校花费资金购买，地理教师学习和掌握又存在困难，这无疑会对
GIS
在地理教学的应用制造障碍。
因此，
亟待操作相对简单的软件出现，
来摆脱目前的困境。

4.2
教学需要的适度性

GIS
教学要根据实际教学环境采取分层次、
分地区、
分级别的有区别对待。
可以分为基
础教学、拓展性教学、研究性教学等几个层次进行。在教学方式上，要注意直观，加强传统
教学方式与多媒体教学、
参观、
实习等教学模式的结合；
在拓展性和研究性层次上，要加强
学生的实践能力、基本操作技能、系统设计能力的培养。

4.3GIS
教材的适用性

编制适合我国国情与学生特点的
GIS
教材，在教材中提供配套的练习，并建设相关网
站。学生使用起来既实用又方便。通过教材的重视程度加强社会对
GIS
在地理教学中使用
的关注，与世界接轨，缩小我们与发达国家之间的差距。

2. 地理信息系统的功能

GIS的核心问题可归纳为5个方面的内容:位置、条件、变化趋势、模式和模拟(见图1.1)。

图1.1 GIS的核心问题

(1)位置(Locations):即“在某个特定的位置有什么”。一般通过地理对象的位置进行定位，然后利用查询获取性质，例如当前地块名称、所有者、地点、土地利用情况等。位置问题是地学领域最基本的问题，在GIS中反映为空间查询技术。

(2)条件(Conditions):即“什么地方有满足某些条件的地理对象”。根据地理对象的属性信息，通过从预定义的可选项中进行选取，列出条件表达式，进而查找满足该条件的地理对象的空间分布位置，如在屏幕上将满足指定条件的所有对象以高亮度显示等。条件问题是GIS中一种较复杂的查询问题。

(3)趋势(Trends):该类问题需要在综合现有数据的基础上识别已经发生或正在发生变化的地理现象。它要求能够根据现有的历史数据、现状数据等，对现象的变化过程做出分析判断，对过去做出回溯，并能对未来做出预测。例如在研究地形演变问题时，可利用历史的和现有的地形数据对不同历史时期的地形发育情况进行展现，也可进一步对未来地形做出分析预测。

(4)模式(Patterns):即地理对象实体与现象的空间分布间的空间关系问题。第一步:确定模式，一般需要在熟悉现有数据、了解数据间的内在关系的基础上通过长期的观察来确定;第二步:获得报告，说明该事件发生的时间、地点、显示事件发生的系列图件。例如，城市中居住人口分布与不同功能区的分布的关系模式。

(5)模拟(Models):即某个地理位置如果具备某种条件会发生什么问题。是在模式和趋势的基础上，建立因素和现象之间的模型关系，进而发现普遍规律。例如，在对某矿区的突水和地质条件、含水层条件、隔水层条件等关系研究的基础上，对其他矿区进行相关问题研究。一旦发现具有普遍规律，便可建立通用分析模型，并可进行相应的预测和决策。

GIS作为空间信息自动处理及分析系统，其功能遍及“数据采集—数据分析—决策应用”全过程。因此，一个GIS应该具备以下基本功能:

(1)数据采集功能。GIS的第一步就是数据采集，主要用于获取数据。数据采集即通过各种数据采集设备(如GPS、全站仪、经纬仪等)获取现实事物的描述数据，并输入GIS。目前，可用于GIS数据采集的方法与技术很多，最典型的有两类，一是跟踪数字化技术，二是扫描数字化技术。随着扫描技术的发展和广泛应用，后者已经成为GIS数据采集的主要技术。

(2)数据处理。通过GIS数据采集获取的数据为原始数据，其不可避免地存在误差。为尽可能地减小误差，保证数据在逻辑、数值上的完整性和一致性，需要对数据进行格式化、格式转换和概化等一系列的处理工作。数据格式化是指不同数据结构数据间的转换。数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。数据概化包括数据平滑、特征集结等。GIS应该提供强大的、交互式的数据处理功能。

(3)数据存储、组织与管理功能。数据的有效组织与管理是成功建立GIS数据库的关键步骤，也是GIS系统应用成功与否的关键。为了能高效的再现真实环境并进行各种分析，必须按照一定的结构对计算机中的数据进行组织管理。由于空间数据本身具有特定的特征，GIS必须发展自己特有的数据存储、组织和管理功能。目前常用的GIS空间数据组织方法有栅格模型、矢量模型和栅格/矢量混合模型，数据管理模式有面向对象数据管理模式、全关系型数据管理模式和文件－关系数据库混合管理模式等。

(4)空间查询与空间分析功能。空间查询是GIS和其他许多自动化地理数据处理系统应具备的基本功能，空间分析是GIS特有的功能和的核心功能。

GIS可以方便地对地理信息进行检索和查询。虽然通用数据库提供了诸如SQL语言的数据库查询语言，但对GIS而言，需要对其进行补充或改进，进而使之支持空间查询。例如查询穿过一个城市的公路、与某个城市相邻的城市、某高速公路周围6km范围内的居民点等，这些查询问题是GIS所特有的。因此一个功能强大的GIS软件，应该满足常见的空间查询的要求，设计一些空间查询语言。

空间分析是较空间查询更深层次的应用，包括拓扑分析、叠置分析、网络分析、缓冲区分析等。随着GIS应用范围的拓广，GIS的空间分析功能将继续增加和完善。GIS的空间分析可分为3个不同的层次:①空间检索，包括从属性检索空间物体和从空间位置检索属性。②空间拓扑叠加，本质为空间意义上的布尔运算，实现了输入要素属性在空间上的连接(Join)以及要素属性的合并(Union)。③空间模拟分析，该层次的应用研究可以分为3类，即GIS内部的空间模型分析、GIS外部的空间模型分析及混合型的空间模型分析。其中空间模拟分析是GIS应用深化的标志。

(5)数据输出功能。通过图形、表格等方式显示空间数据是GIS项目的必须。作为可视化工具，图形是传递空间数据信息的最有效工具。GIS的主要功能之一就是计算机地图制图，包括地图符号的设计与符号化、图幅整饰、图例与布局地图注记、统计图表制作等项内容。另外GIS软件也应具备驱动打印设备或显示设备的能力，因为对属性数据也要设计报表输出，且这些输出结果需要在打印机、显示器、绘图仪上输出。

图1.2显示了这些功能之间的关系及它们操作(Manipulation)数据的不同表现。

图1.2 GIS功能概述(椭圆)以及它们的表现(矩形)

3. 地理信息系统的基本功能和应用功能的区别和联系

地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分回重要的空间答信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
应用功能:GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。

4. 地理信息系统在地质学上应用

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；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。地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。

GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展，以减小重复很费，提高数据共享程度和实用性。
在配电自动化系统中地理信息系统（GIS）是一个重要内容:由于配电网节点多，设备分散，其运行管理工作常于地理位置有关，引入配电地理信息系统（GIS）系统，可以更加直观的进行运行管理；其内容主要包括：设备管理（FM），是将变电站、馈线、变压器、开关、电杆等设备的技术数据反映在地理背景图上；用户信息系统（CIS），指借助GIS对大量用户信息，如用户名称、地址、帐号、电话、用电量和负荷、供电优先级、停电记录等进行处理，便于迅速判断故障的影响范围，而用电量和负荷的统计信息还可作为网络分析的依据；停电管理系统（OMS），是指接到停电投诉后，GIS通过调用CIS和SCADA功能，迅速查明故障地点和影响范围，选择合理的操作顺序和路径，显示处理过程中的进展，并自动将有关信息转给用户投诉电话应答系统；另外GIS还可具有辅助配电网发展规划设计功能等。

我国地理信息系统的起步稍晚，但发展势头相当迅猛，大致可分为以下三个阶段。
第一是起步阶段。20世纪70年代初期，我国开始推广电子计算机在测量、制图和遥感领域中的应用。随着国际遥感技术的发展，我国在1974年开始引进美国地球资源卫星图像，开展了遥感图像处理和解译工作。1976年召开了第一次遥感技术规划会议，形成了遥感技术试验和应用蓬勃发展的新局面，先后开展了京津唐地区红外遥感试验。新疆哈密地区航空遥感试验、天津渤海湾地区的环境遥感研究、天津地区的农业土地资源遥感清查工作。长期以来，国家测绘局系统开展了一系列航空摄影测量和地形测图，为建立地理信息系统数据库打下了坚实的基础。解析和数字测图、机助制图、数字高程模型的研究和使用也同步进行。1977年诞生了第一张由计算机输出的全要素地图。1978年，国家计委在黄山召开了全国第一届数据库学术讨论会。所有这些为GIS的研制和应用作了技术上的准备。
第二是试验阶段。进入80年代之后，我国执行“六五”、“七五”计划，国民经济全面发展，很快对“信息革命”作出热烈响应。在大力开展遥感应用的同时，GIS也全面进入试验阶段。在典型试验中主要研究数据规范和标准、空间数据库建设、数据处理和分析算法及应用软件的开发等。以农业为对象，研究有关质量评价和动态分析预报的模式与软件，并用于水库淹没损失、水资源估算、土地资源清查、环境质量评价与人口趋势分析等多项专题的试验研究。在专题试验和应用方面，在全国大地测量和数字地面模型建立的基础上，建成了全国1：100万地留数据库系统和全国土地信息系统、1：4见万全国资源和环境信息系统及1：25o万水土保持信息系统，并开展了黄土高原信息系统以及洪水灾情预报与分析系统等专题研究试验。用于辅助城市规划的各种小型信息系统在城市建设和规划部门也获得了认可。
在学术交流和人才培养方面得到很大发展。在国内召开了多次关于GIS的国际学术讨论会。1985年，中国科学院建立了“资源与环境信息系统国家级重点开放实验室”，1988年和1990年武汉测绘科技大学先后建立了“信息工程专业”和“测绘遥感信息工程国家级重点开放实验室”。我国许多大学中开设了rs方面的课程和不同层次的讲习班，已培养出了一大批从事GIS研究与应用的博士和硕土。
第三是GIS全面发展阶段。80年代末到90年代以来，我国的GIS随着社会主义市场经济的发展走上了全面发展阶段。国家测绘局正在全国范围内建立数字化测绘信息产业。1：100万地图数据库已公开发售，卫：25万地图数据库也已完成建库，并开始了全国1石万地图数据库生产与建库工作，各省测绘局正在抓紧建立省级1：1万基础地理信息系统。数字摄影测量和遥感应用从典型试验逐步走向运行系统，这样就可保证向GIS源源不断地提供地形和专题信息。进入90年代以来，沿海、沿江经济开发区的发展，土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，有力地促进了城市地理信息系统的发展。用于城市规划、土地管理、交通、电力及各种基础设施管理的城市信息系统在我国许多城市相继建立。
在基础研究和软件开发方面，科技部在“九五”科技攻关计划中，将“遥感、地理信息系统和全球定位系统的综合应用”列入国家“九五”重中之重科技攻关项目，在该项目中投入相当大的研究经费支持武汉测绘科技大学、北京大学、中国地质大学、中国林业科学研究院和中国科学院地理研究所等单位开发我国自主版权的地理信息系统基础软件。经过几年的努力，中国GIS基础软件与国外的差距迅速缩小，涌现出若干能参与市场竞争的地理信息系统软件，如GeoStar， MapGIS， OityStar， ViewGIS等。在遥感方面，在该项目的支持下，已建立全国基于IK4遥感影像土地分类结果的土地动态监测信息系统。国家这一重大项目的实施，有力地促进了中国遥感和地理信息系统的发展

5. 地理信息系统的应用背景

地理信息系统 ( Geographic Information System，GIS) 是一项以计算机为基础的新兴技术，是管理和研究空间数据的技术。围绕这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科 ( ESRI Corporation，2010) 。在计算机软硬件的支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行有效管理、研究各种空间实体及其相互关系。通过对多因素的综合分析，迅速地获取满足应用需要的信息，并以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。

目前世界上常用的 GIS 软件已达 400 多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名的有 Arc View，ArcInfo，MapInfo，GenaMap 等; 国内较著名的有 MapGIS，GeoStar 等 ( ESRI Corporation，2010) 。虽然 GIS 起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到 100 多个领域。

地理信息系统软件的研究应用，归纳概括有两种情况。第一种是利用 GIS 系统来处理用户的数据; 第二种是在 GIS 的基础上，利用它的开发函数库二次开发出专用的地理信息系统软件。目前 GIS 已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、能源、教育、军事等领域。

在美国、日本等发达国家，地理信息系统的应用遍及安全、环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。

近年来，随着我国经济建设的迅速发展，地理信息系统的应用在城市规划管理、交通运输、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，先后开发出了众多基于 GIS 的防震减灾、地质灾害预测、煤矿通风安全信息、城市安全防范等信息管理系统，取得了良好的经济效益和社会效益。

由于 GIS 在煤矿中能够对煤矿生产进行实时动态监控、预测预报事故、进行生产管理以及快速有效地调度管理，对减少事故发生起着非常重要的作用。目前，地理信息系统在矿山领域中的应用主要包括以下几个方面。

( 1) 基于 GIS 的矿图管理与更新

对地理底图数据的管理与更新，包括地理底图数据的录入、编辑、修改、保存、输出以及地理底图库的生成，可使用 GIS 的图形编辑系统、空间分析系统、输出系统、地图库管理系统、校正系统等进行处理。

对于其他诸如采掘工程平面图、开拓巷道布置系统图、通风系统图、避灾路线图等矿图，运用 GIS 可以实现图形处理与非图形属性信息处理相结合，用户不必在两个系统之间来回切换，提高了系统性能。另外，图纸的无级缩放功能可以对任何图形或图层任意缩小和放大。漫游功能可漫游到图上任意点，仔细查看每一条巷道及布置，可测算并动态显示任意两点间的距离。

( 2) 矿井监测及调度管理

以图形方式实时监测煤矿传感器的工作情况以及井下设备的工作状态。在图上能够看到每个传感器当时的物理参量和设备的开停状态。如瓦斯超限时有铃声报警，通讯中断时有相应的显示。通风系统提供实时的风速、风量、风向、变化趋势等相关数据的处理及分析功能，能实时显示和查询监控所采集的数据，并能自动进行超限报警。

( 3) 塌陷区的动态监测系统

塌陷区动态监测系统包括动态监测解译系统和统计系统两部分。第一部分主要实现对图像的显示、分析和校准等; 第二部分主要实现功能查询、面积统计和统计图的绘制等。GIS 主要用于该系统的统计分析。

( 4) 煤矿生产勘探管理中的应用

应用 GIS 进行图件管理，主要是应用其对栅格图像的管理功能。这种管理贯穿于煤矿生产勘探设计到勘探资料提交的全部过程。其关键技术是栅格图像的获取和处理。

( 5) 矿井灾害事故预测预报

应用 GIS 复杂而深层次的可视化查询、分析功能，建立矿井灾害事故预测预报系统。例如，在煤矿突水预测预报中，可以选用断层密度、岩溶发育程度、水压及隔水层有效厚度、开采方法、顶板管理方法等因素构成模型。通过与实际结果的多次拟合，得出突水指数，最后以图形的方式输出危险突水区。同样，对于矿井中瓦斯及煤尘爆炸、顶板冒落、煤层自然发火、冲击地压等灾害事故也可以用同样的方式进行预测预报。

GIS 也可用于突发事故的救灾指挥系统，通过 GIS 功能强大的 SQL 查询，在显示器上可以看到由 GIS 分析得出的该事故可能波及的范围、疏散人员的最佳路径以及该事故可能造成的损失等，管理人员将 GIS 所提供的资料与现场实际情况相结合，进行调度指挥，把事故的损失尽可能降到最低 ( 孙长篙等，2004) 。

( 6) 基于 GIS 数字煤矿的发展

所谓数字煤矿是指在煤矿范围内建立一个以三维坐标为主线，将煤矿信息构建成一个煤矿信息模型，描述煤矿中每一点的全部信息，按三维坐标组织、存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使有关人员可以快速、准确、充分和完整地了解及利用煤矿各方面的信息。

6. 地理信息系统有何用途

其基本功能抄包括对数据的采集、管理、处理、分析和输出。同时，地理信息系统依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术和数据库集成技术等，更进一步演绎丰富相关功能，满足社会和用户的广泛需要。

从总体上看，地理信息系统的功能可分为：数据采集与编辑、数据处理与存储管理、图形显示、空间查询与分析以及地图制作。

(6)地理信息系统的操作和应用实验报告扩展阅读

所需要的知识能力：

1、掌握数学、物理、计算机科学等方面的基本理论和基本知识；

2、掌握地理信息系统和地图学的基本理论、基本知识和基本实验技能，以及地理信息系统技术开发的基本原理和基本力法；

3、了解相邻专业如地理学、资源环境与城乡规划管理、测绘工程等的一般原理和方法；

4、了解国家科学技术政策、知识产权、可持续发展战略等有关政策和法规；

5、了解地理信息系统的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及地理信息系统产业发展状况；

6、掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有-定的实验设计、创造实验条件，归纳、整理、分析实验结果，撰写论文，参与学术交流的能力。