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从“GIS的构成和设计”一文，已经提到GIS具有结构、功能和效率的高度统一，那么GIS能干什么，一个运行的GIS系统都有哪些基本操作，这就是本文所要介绍的内容。
地理信息系统的数据通常抽象为不同的专题或层（图1）。数据采集与编辑功能是保证各层实体的定位数据和属性数据的获取，并为了消除数据获取过程中的错误，需要对定位（图形）及属性（文本）数据进行编辑和修改。
图1 GIS数据分层概念
数据获取通过手扶跟踪或扫描地图图形要素（图2），得到图形的基本元素，然后通过图形编辑系统的拓扑组织功能形成GIS的点、线、面以及复杂实体，如果在拓扑组织中发现错误，则转入相应的编辑操作。GIS的编辑操作功能包括：修改、删除、添加、分割和结点匹配等。由于数据采集常常占去系统投资的很大比重，为了减少数据的重复获取和拓宽数据源，系统一般都具有综合来自不同机构数据的格式转换功能，这些不同机构的数据包括：USGS的DLG格式数据、美国人口统计局的DBF－DIME格式数据、ERDAS的图像数据、Integraph的SIF格式数据及AutoCAD数据等。
图2 扫描数字化及处理过程结构图
数据库是数据管理的最新技术，是一种先进的软件工程。GIS数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合，主要涉及对空间位置、拓扑关系和属性数据的管理和组织。由于地理数据库具有数据量大、空间数据与属性数据不可分割的联系，以及空间数据之间具有显著的拓扑结构等特点，因此GIS数据库管理功能除了具有非空间DBMS的一般管理功能外，还具有空间数据的专门管理功能。这些功能是：
（1）数据库定义。包括规定数据库的逻辑结构，定义存储结构，确定数据项名称，建立记录类型，以及规定记录间的联系和保密法则等。
（2）数据库操作。通过利用数据库操作语言，实现对数据的存储、查询、修改和删除等，其中查询能力是通过利用关系操作和空域操作，从数据库的任意区域提取满足条件的数据子集，它的使用频率很高。数据查询功能包括由空间坐标查询目标的属性和由属性查询坐标等。
（3）数据库例行管理。包括保密控制、编辑处理、完整性控制、通讯控制和输出打印等功能。因为数据库是共享的，除了本系统的专业用户能使用外，还必须能与其他数据库系统通讯，以便发送或接收其他系统的数据，因此数据库管理系统需要有通讯功能和前述的数据格式转换功能等。
（4）数据库维护。数据库建立以后，需要维护和更新，以确保数据库的安全和改善数据库的运行效率，包括能自动实施一致性维护、受损后的复原、信息格式维护、用户应用管理和版本控制等。
数据库管理系统中，主要部分的相互关系如图3所示。
图3 DBMS主要部分关系图
数据处理是指对数据本身进行的有关操作，而与数据的内容和分析无关。由于GIS涉及的数据类型多种多样，同一种类型数据所包含的控制基础和数据结构也可能有很大的差异。为了保证系统数据的规范和统一，建立满足用户需求和用途的数据文件，数据处理是GIS的基础功能之一。数据处理的任务和操作内容有：
（1）数据变换。指对数据从一种数学状态转换到另一种数学状态，包括投影变换、辐射纠正、比例尺缩放、误差改正和编辑处理等。
（2）数据重构。指对数据从一种几何形态转换为另一种几何形态，包括数据拼接、数据截取（图4）、数据压缩、数据转储、结构转换、类型替换和边沿匹配等。
图4 数据分层截取示意图
（3）数据抽取。指对数据从全集合到子集的限定性提取，包括类型选择、窗口提取、布尔提取、名称提取、相片解译和空间内插等。
空间分析功能是GIS的一个独立研究领域，它的主要特点是帮助确定地理要素之间的新的空间关系，它已经不仅成为区别于其他类型系统的一个重要标志，而且为用户提供了灵活解决各类专门问题的有效工具。
（1）拓扑叠加。通过将两个图层的特征相叠加（图5），不仅建立新的空间特征，而且能将输入的特征属性予以合并，以实现数据更新、特征提取、图幅合并和空间联结等，包括多边形与多边形的叠加、多边形与线的叠加及多边形与点的叠加。
（2）缓冲区建立。它是研究根据数据库的点、线、面实体，自动建立其周围一定宽度范围内的缓冲区多边形（图6），它是GIS重要且基本的空间分析功能之一。例如，规划建设一个开发区，需要周围一定范围内的居民动迁；在林业规划中，需要按照距河流一定纵深的范围来确定森林的砍伐区，以防止水土流失；在城市研究中，需要以一定的扩散半径，沿道路网建立缓冲带，以确定各级道路的通达程度及噪音影响等。
图5 空间数据的拓扑叠加分析
图6 缓冲区分析示意图
（3）数字高程模型分析。数字高程模型是定义于二维区域上的一个有限项的向量序列，它以离散分布的平面点（格网点或三角网点）上的高程值来模拟连续变化的地形起伏。GIS提供了构造数字高程模型及其有关地形分析的功能模块，包括坡度、坡向、地表粗糙度、山谷线、山脊线、日照强度、库容量、表面积、立体图、剖面图和通视图分析等，为地学研究、工程设计和辅助决策提供重要的基础性数据。
（4）空间集合分析。空间集合分析是按照两个逻辑子集给定的条件进行布尔逻辑运算，其算子及其运算结果如表1所示。
表1
注：1表示“真”，0表示“假”。
如前所述，GIS不同于一般的信息系统和CAD系统之处在于其空间关系的表达以及一系列的空间运算，利用这些空间运算，再加上发展一种专门适用于地理空间分析的计算机语言——地理模型语言，就能很好地解决某种复杂的应用目的和产品开发。
（1）GIS环境内的模型建造。指应用者利用GIS软件的宏语言（如ARC/INFO的AML和System9的ATP等）发展各自所需的空间分析模型。这种构模法是将由GIS软件支持的功能看作模型部件，按照分析目的和标准，对部件进行有机地组合。因此，这种构模法能充分地利用GIS软件本身所具有的资源，模型建造和开发的效率比较高。以下，以洪灾损失评估模型为例，说明模型建造的过程及相关的操作（图7）。
（2）GIS外部的模型构造。这种方法是基于应用GIS的空间数据库和输出功能，而模型分析功能则主要是利用其他应用领域的软件。这种构模法虽然运行效率受到很大影响，但实现了软件的嫁接，无须在GIS环境中重编分析软件，并具有广泛的适用性。
图7 洪灾损失评估模型的构模示意图
（3）混合型的模型建造。这是上述两种建模法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的压力，又不失具有外部建模法的灵活效果，例如自然语言命令或地图代数法就属于这类方法。
混合型的模型建造方法最常用的自然语言命令，例如：
①AVERAGE EXPOSURE TIMES 2 PLUS STEEPNESS TIMES 3 FOR COSTANALYSIS（益本分析）；
②SUBTRACT V MINUS U FOR CHANGE ANALYSIS（动态分析）；
③RENUMBER LANDUSE FOR WATER ASSIGNING O TO 1—3，5—6，AND 1TO 4（聚合分析）；
④ADD OVERLAY1 TO OVERLAY2 FOR OVERLAY3（叠加分析）；
⑤SPREAD ROADS TO X METERS（缓冲区分析）。
GIS产品是指经由系统处理和分析，产生具有新的概念和内容，可以直接输出供专业规划和决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明，其中地图图形输出是地理信息系统产品的主要表现形式，包括各种类型的点位符号图、动线图、点值图、晕线图、等值线图、三维立体图、晕渲图，以及行式打印机地图等。
一个运行的GIS，其产品输出的操作内容包括图形选择、原点设置、窗口缩放、比例尺变换、颜色选择、符号选择、绘线变换、图形显示、注记编辑、文本命令和图面整饰等。
总之，GIS是一个具有广泛功能和多种操作能力的系统，它可以将各种不规范的资料变为规范统一的数字格式，以便输入电子计算机；大量数据由空间数据库系统管理，便于查询、提取和维护；GIS广泛的数据处理功能，能有效地解决数据内部的变换和重构及数据之间的匹配和组织；根据目标之间的空间关系，系统能有效地通过空间分析和模型建造方法生成用常规方法无法取得的信息；系统可以将数据收集、空间分析和模型建造纳入统一的数据流程，解决诸如复杂的空间规划、位址选择、过程模拟和全球变化的重大课题；系统的交互图像设计和自动制图功能，为丰富多彩的可视化产品的输出提供了有效的工具。因此，对空间数据的获取、管理、处理、分析、建模和输出，这就是GIS的基本功能，每种功能由一组操作来完成，空间数据与这些操作的结合，及时而准确地向地学工作者、各级管理和生产部门提供有关区域综合、方案优选和战略决策等方面可靠的地理或空间信息，这应是GIS的主要贡献。