gis读书报告

地理信息系统(GIS)是以地理空间和动态的地理信息为地理研究和地理决策的信息系统。由于其具有强大的图形信息处理功能，空间数据和属性数据的完美结台，统一的数据库管理系统，独特的空间分析功能等特点，已被广泛用于资源管理、城市规划、应急救援等各个领域。

本次读书报告分为两个部分，一是从地理信息系统的概念、组成、空间数据结构及其存储方式、数据采集方式、空间分析方法等方面总结了地理信息系统的原理、技术手段和方法；二是结合自己的专业从地理信息系统在矿井灾害中的应用角度分析地理信息系统应急救援的功能。

一、地理信息系统的原理、技术手段和方法

1.1 地理信息系统的概念

地理信息系统，英文简称GIS（Geographic Information System）。是在计算机支持下，对空间地理相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示输出，并采用地理模型分析方法，提供多种空间地理信息，为地学研究和决策服务的空间信息系统。

1.2 地理信息系统的组成

地理信息系统主要由硬件、软件、数据、算法和人员五部分组成。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境；数据是GIS的重要内容；算法为GIS建设提供解决方案；人员是系统建设中的关键和能动性因素，直接影响和协调其它几个组成部分。

硬件主要包括计算机和网络设备，存储设备，数据输入，显示和输出的外围设备等等。

软件主要包括以下几类：操作系统软件 、数据库管理软件 、系统开发软件 、GIS 软件，等等。

1.3 地理信息系统的空间数据结构及其存储方式

数据结构即指数据组织的形式，是适合于计算机存储、管理和处理的数据逻辑结构。空间数据结构包括栅格数据结构(显式表示 )和矢量数据结构(隐式表示 )两种。

1.3.1 栅格数据结构

栅格数据结构是最简单最直观的空间数据结构，它实际就是像元阵列，每个像元由行列确定它的位置，用像元值表示空间对象的类型、等级等特征。栅格数据的存储可以逐行进行，这与扫描数据的生成相一致；也可以分块进行，以适用于数据处理中的面状作业。栅格数据中，很多像元取相同的值，数据冗余明显，为了节省存储空间，设计产生了以下五种栅格数据存储的压缩编码。

全栅格式存储：用非压缩格式时，存放的是每个像元的灰度值。若每个象元规定N比特，则其灰度值范围可在0到2N—1之间；若每个象元只规定1比特，则灰度值仅为0和1，这就是所谓二值图像，0代表背景，1代表前景。

链式编码：链式编码又称为弗里曼链码(Freeman，1961)或边界链码。链式编码主要是记录线状地物和面状地物的边界。它把线状地物和面状地物的边界表示为：由某一起始点开始并按某些基本方向确定的单位矢量链。基本方向可定义为：东＝0，南＝3，西＝2，北＝1等。

行程编码：行程编码(Run Length Code)是栅格数据的一种压缩格式,是通过三元组序列来表示的。每个三元组的三个元素分别存储灰度值的起始列号、灰度值和该灰度值的像元个数。(图1-1）

图1-1 多区域栅格地图及行程编码表示

块式编码：块码是行程编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，把多边形范围划分成由象元组成的正方形，然后对各个正方形进行编码。块式编码数据结构中包括3个内容：块的原点坐标（可以是块的中心或块的左下角象元的行、列号）和块的大小（块包括的象元数），再加上记录单元的代码组成。（图1-2）

图1-2 块式编码分解示意图

四叉树编码：将图像区域按四个大小相同的象限四等分，一直等分到子象限上仅含一种属性代码为止。而块状结构则用四叉树来描述。按照象限递归分割的原则所分图像区域的栅格阵列应为2n×2n（n为分割的层数）的形式。

图1-3 四树杈分解过程

四树杈编码又可分为：

（1）规则四叉树：用五个字段来表示树中的每个结点，其中一个用来描述该结点的特性（有目标、空白、非结点），其余四段用于存放四结点的指针。

（2）线性四叉树：将四叉树转换成一个线性表，表的每个元素与一个结点相对应，结点之间的层次关系在元素中描述。（图1-4）

图1-4 线性可排序四叉树编码示意图

1.3.2 矢量数据结构

矢量数据结构是通过记录坐标的方式，尽可能地将点、线、面地理实体表现得精确无误。其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。

除数学上的精确坐标假设外，矢量数据存储是以隐式关系以最小的存储空间存储复杂的数据。

矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。按照其功能和方法矢量数据结构的编码形式可分为：实体式、索引式、双重独立式和链状双重独立式。

实体式数据结构是指构成多边形边界的各个线段，以多边形为单元进行组织。按照这种数据结构，边界坐标数据和多边形单元实体一一对应，各个多边形边界都单独编码和数字化。

索引式数据结构采用树状索引以减少数据冗余并间接增加邻域信息，具体方法是对所有边界点进行数字化，将坐标对以顺序方式存储，由点索引与边界线号相联系，以线索引与各多边形相联系，形成树状索引结构。

双重独立式数据结构（DIME）采用了拓扑编码结构，是对图上网状或面状要素的任何一条线段，用其两端的节点及相邻面域来予以定义。

链状双重独立式数据结构是DIME数据结构的一种改进。在DIME中，一条边只能用直线两端点的序号及相邻的面域来表示，而在链状数据结构中，将若干直线段合为一个弧段（或链段），每个弧段可以有许多中间点。在链状双重

独立数据结构中，主要有四个文件：多边形文件、弧段文件、弧段坐标文件、结点文件。

1.4 地理信息系统数据采集方式

（1）手工方式：通过手工在计算机终端上输入数据，主要是键盘输入。

（2）手扶跟踪化数字方式：是一种图形数字化设备，是目前常用的地图数字化方式。

（3）扫描方式：扫描仪是一种图形、图象输入设备，可以快速地将图形、图象输入计算机系统，是目前发展最快的数字化设备

（4）影像处理和信息提取方式：从遥感影像上直接提取专题信息。

（5）数据通讯方式：联网方式下，信息系统内部各子系统之间以及与其它信息系统之间实现信息交流和信息共享的主要方式。

1.5 地理信息系统的空间分析方法

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的空间数据分析技术，其目的在于提取和传输空间信息。基于空间分析内容的需求，地理信息系统的空间分析方法主要由以下几种：

1.5.1 叠加分析

大部分GIS软件是以分层的方式组织地理景观，将地理景观按主题分层提取，同一地区的整个数据层集表达了该地区地理景观的内容。地理信息系统的叠加分析是将有关主题层组成的数据层面，进行叠加产生一个新数据层面的操作，其结果综合了原来两层或多层要素所具有的属性。叠加分析不仅包含空间关系的比较，还包含属性关系的比较。叠加分析可以分为以下几类：

（1）视觉叠加：将同一地区的同一比例尺的不同含义的图像、地图进行叠合，从而获得更多的空间信息或改善视觉效果，以便用户直观地判断不同地理实体的空间关系。

视觉复合只是改善了视觉效果，各属性层数据结构不变，也不生成新数据。

（2）栅格数据叠加：将单个栅格单元数据作为提取和分析的逻辑单元，逐个单元进行属性组合处理， 得到新的栅格数据层。

在栅格数据叠合分析中，地图运算又分为代数运算和逻辑运算两种

（3）矢量数据叠合：参与分析的图层的要素均为矢量数据，结果得到新的

矢量数据层。实现拓扑叠合，结果包含新的空间特性和属性关系。又可分为以下几种：

A、点与多边形的叠合：点与多边形的叠合是确定一图层上的点落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层的每个点建立新的属性。例如水井点位与规划区多边形相叠合。可确定每口井所属的规划区范围。它实质是点与面之间的包含分析，可采用铅垂线算法来实现点与多边形的叠合分析。

B．线与多边形的叠合：线与多边形的叠合是确定一图层上的弧段落在另一图层的哪个多边形内，以便为图层的每条弧段建立新的属性。例如当确定某一行政区内各种等级道路的里程数时，就需要将道路图与境界图相叠合，计算弧段与多边形边界的交点，在交点处截断弧段，并对弧段重新编号，建立弧段与多边形的归属关系，如图所示（1-5）。

图1-5 线与多边形叠合分析

C、多边形与多边形的叠合：多边形与多边形的叠合是指将两个不同图层的多边形要素相叠合，产生输出层的新多边形要素，用以解决地理变量的多准则分析、区域多重属性的模拟分析、地理特征的动态变化分析，以及图幅要素更新、相邻图幅拼接、区域信息提取等。因此，多边形与多边形的叠合分析具有广泛的应用功能．它是空间叠合分析的主要类型，一般基础GIS软件都提供该类型的叠合分析功能，以ARC/INFO为例，提供的多边形与多边形叠合分析功能，包括以下六种操作命令：Union、Intersect、Identity、Erase、Update、Clip。

1.5.2 缓冲区分析

邻近度描述了地理空间中两个地物距离相近的程度，其确定是空间分析的一

个重要手段。交通沿线或河流沿线的地物有其独特的重要性，公共设施的服务半径，大型水库建设引起的搬迁，铁路、公路以及航运河道对其所穿过区域经济发展的重要性等，均是一个邻近度问题。缓冲区分析是解决邻近度问题的空间分析工具之一。 所谓缓冲区就是地理空间目标的一种影响范围或服务范围。

缓冲区又称影响区或影响带，是指围绕地理要素的一定宽度的区域，可分为点的缓冲区、线的缓冲区和面的缓冲区三种。缓冲区包括主体、邻近对象和作用条件。

主体：分析的主要目标。

邻近对象：受主体影响的客体。

作用条件：主体对邻近对象施加作用的影响条件或强度

1.5.3 基于空间关系的查询

空间实体间存在着多种空间关系，包括拓扑、顺序、距离、方位等关系。通过空间关系查询和定位空间实体是地理信息系统不同于一般数据库系统的功能之一。如查询满足下列条件的城市：在京九线的东部， 距离京九线不超过200公里， 城市人口大于100万并且居民人均年收入超过1万。整个查询计算涉及了空间顺序方位关系(京九线东部),空间距离关系（距离京九线不超过200公里），甚至还有属性信息查询(城市人口大于100万并且居民人均年收入超过1万）。

1.5.4 空间量算

对于线状地物求长度、曲率、方向，对于面状地物求面积、周长、形状、曲率等；求几何体的质心；空间实体间的距离等。

1.5.5 网络分析

网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，其基本思想在于人类活动总是趋向于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源的最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。

在地理空间中，由于面向网络的地理目标具有不同的形态，因此构成的空间网络也有着不同的类型。根据空间网络的拓扑学分类，一般可分为：平面网络，非平面网络两大类。（图1-6）

图1-6 空间网络的拓扑分类

1.5.6 空间统计分类分析

多变量统计分析主要用于数据分类和综合评价。在大多数情况下，首先是将大量未经分类的数据输入信息系统数据库，然后要求用户建立具体的分类算法，以获得所需要的信息。分类评价中常用的几种数学方法有：主成分分析、层次分析、聚类分析、判别分析。

二、地理信息系统在矿井灾害中的应用

矿山的开发属于高危行业，通过建立生产安全事故应急救援预案，可以控制矿山发展并尽可能排除事故及矿井灾害，保护现场人员和场外人员的安全，将矿井灾害对人员、财产造成的损失降低到最小程度。

自20世纪60年代加拿大开发使用第一个地理信息系统以来，该技术不断得到发展，其应用也逐步扩展至社会生活的各个领域。

2.1 矿山灾害因素主要包含以下两类：

由于地质灾害引起的矿山灾害，如地震、洪水、泥石流等引起的矿山灾害。另一类是与矿山生产条件相关的重大事故引起的灾害，在矿山开采过程中，采场、顶底板、围岩、地表都在发生相应变化，矿山压力、矿井瓦斯、矿井涌水等属于主要危险因素。

2.2 矿井灾害预测应急救援管理中GIS的应用

2.2.1 GIS矿井灾害预测系统在矿山灾害预测应急救援管理中的应用

高效的GIS矿井灾害预测系统是矿山安全的重要环节，它能够监测井下地

质灾害因子的变化，根据各灾害因子测量值综合分析灾害事故发生的可能性，给出相应灾害预警等级，同时在灾害发生之后为救援工作提供大量的灾前资料以指导救援工作。具体的说，GIS强大的图形信息处理功能，实现了矿井电子地图的可视化，并将图中地物的空间数据和属性数据完美结合，从为矿井地质灾害收集灾前资料。

灾害预警系统包括：前端数据采集、信号传输通道、综合预警算法研究、联动控制及信息发布等。

2.2.2 GIS矿井灾害应急救援系统在矿山灾害预测应急救援管理中的应用

矿井灾害救援制约因素多、情况复杂多变，与其他行业的抢险救灾工作相比，具备更强的技术性、时效性和更大的危险性，要求反应迅速、判断准确、应变及时、措施有力，一旦事故发生，需要多支救援队伍密切配合、集中指挥展开救援工作

GIS矿井灾害应急救援系统首先包含应急救援力量的数量和空间分布，包括救援基地、救灾设备、救援专家和救护队等重要应急救援机构的数量和空间分布情况。

其次包含社会经济因素。主要包括井下人员分布、井下生产和救援设备的布置及统计分析，矿井应急救援作为一个动态运行的过程，其复杂的灾害生成机制需要强有力的信息分析工具的支持。地理信息系统(GIS)是解决这一问题的有力工具。

如近年来RFID（射频识别技术）的出现为灾后救援行动提供了新的思路。RFID的定位识别功能、信息携带传递等功能使得井下人员分布、考勤管理、移动车辆管理、灾后人员快速救援成为可能。将RFID的动态监测系统及GIS的静态管理技术相结合，将GIS与井下重大危险源及应急救援数据库连接，实现了井下重大危险源分布在地图上的显示功能，并能动态模拟各区域相应矿井地质灾害的避灾路线、影响范围及灾害处理措施，引导人员及时逃生，同时指导救援人员及时开展救援工作。同时可用GIS建立强大的灾害应急救援知识库，为领导和事故救援人员的决策提供依据。

当灾害发生时，只需在GIS矿井灾害应急救援系统地图上点击灾害发生区域，在弹出的菜单中选择相应的灾害处理情况，系统就会根据用户所选择的区域

ID值自动判断和选择相应灾害的处理措施、救灾专家和救灾设备，并将结果显示出来。

灾害应急救援系统包括：救援数据库、地质灾害监测系统、动态监测系统等。 在河北东庞矿进行了GIS矿井灾害预测应急救援系统实地应用，实现了根据需要绘制、编辑多条避灾路线；路线可以放在不同的图层中；可以沿事先设定好的避灾路线动态模拟人员避灾逃生路径。

总而言之，地理信息系统可以实现对矿井基本情况、主要矿井地质灾害信息、矿井地质灾害危险源分布及救灾力量等信息的查询、图形编辑等内容的更新，确定特定矿区地质灾害的影响范围，大致预测矿区灾害损失。在矿区地质灾害应急响应与快速救援指挥中显示最佳避灾路线，调度与管理抗灾力量，对应急预案数据库进行决策支持和数据更新，从而方便生产单位在矿区地质灾害发生时及时启动相应的应急预案，辅助全面掌握灾情并进行救灾决策，将灾害损失降到最低限度。

地理信息系统将矿山生产工作范围内的电子地图、属性数据以及统计数据相结合，构成地理信息系统平台，通过此平台，实现生产工作范围内井下巷道、采掘工作面和各种机械设备数据及其他数据的全面整合，达到数据统一管理和资源共享。

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