2．3 地理信息系统的运行环境

    地理信息系统的运行环境是指支持地理信息系统工作的计算机硬件和软件环境。

    2．3．1 地理信息系统的硬件环境

    地理信息系统的硬件环境结构如图2-9所示。它是由计算机主机，标准外部设备，专用外部设备以及网络系统所组成。尽管，目前仍大量使用单机地理信息系统，但网络化是其发展的方向。

    计算机的主机可以是大型机，中型机，小型机，工作站及高档微机。由于地理信息系统是数据密集的系统，要求计算机运算速度及传输速度快、存储量大，所以，过去的地理信息系统，以大，中，小型计算机为主流机。目前，工作站和高档微机的性能已超过十年前中型机的水平，而且发展极为迅速，相应的商品软件已大量出现。因此，微机地理信息系统在未来将会被广泛地使用。

    一、数字图形的存储装置

    地理信息系统的特点之一是数据量大，因此必须用较大容量的存储装置对数据进行处理，存储及后备。目前在微机上数字图形的存储装置主要有硬盘，光盘等。

    1．硬磁盘

    硬磁盘是计算机上必备的存储设备。它是机电磁一体化的高科技产品。它的发展史是一部高密度，大容量，小型化，快速度，高可靠性，低成本，低价格的发展史。其中高密度技术是存储技术的核心。因此，磁致电阻头(MR，Magnete Resistive)视作当今重大发明之一，它驱使磁盘记录面上记录密度大大地增加，硬磁盘机的主要技术参数如下：

    1)存储容量，目前市场上硬盘容量已达到如4Gb，9Gb甚至23Gb。

    2)存取速度，反应速度的主要指标是硬盘的最大数据传达速率，如33.3Mb/s，16.6Mb/s；硬盘主轴转速如4600r/s或7200r/s；平均找道时间如7.5ms等。

    3)硬盘接口，一种是IDE(Intelligent Drive Electronics)接口，它是按美国国家标准协会AT Attachment标准制定的，所以又称IDE/ATA接口，这种接口可直接与主机相接；另一种是SCSI(Small Computer System Interface)，它原是小型计算机系统的高速并行智能接口，它是美国国家标准学会ANSI(American National Standards Institute)所接受的一种接口，目前已广泛用作磁盘机、光盘机、扫描仪、通讯设备工作站及个人计算机的接口，这种接口的最大优点是速度快，并同时能联8台设备，目前尚需配有SCSI接口板才可使用。

    2．光盘机

    光盘机作为一种新的存储装置，近几年发展十分迅速，种类繁多。其中包括只读式光盘存储器CD-ROM；一次写入的刻录机CD-R(CD-Recordable)；可擦写的光盘存储器MO(Magnet-Optical)及CD-RW(CD-Rewritable)。

    目前大量使用的CD-ROM，随着多媒体计算机的发展已成为微机上基本设备之一，但它是只读式的，主要用来保存数据，交换数据。在地理信息系统中可用它来保存各种图件，这类光盘直径为120mm(4.75英寸)，厚度为1.2mm，存储容量达650Mb。

    CD-R也简称刻录机，它只允许写一次，写完之后CD-R盘上信息不能改写，但可同CD-ROM一样反复读数，且存储可靠性高，成本低，寿命长，检索方便，因而已成为数据备份，图文保存，数据交换及分发的理想媒体。

    CD-RW，MO等可擦写光盘存储器。由于它同CD-ROM不兼用，用作数据备份。尽管其技术已基本成熟，但成本偏高。

    只读型光盘CD-ROM的主要技术参数为：

    1)数据传送速率 最初的单速光驱为150kb/s，以后的双倍速，四倍速，八倍速等的速度分别为单速光驱的倍数，即为300kb/s，600kb/s及1.2Mb/s等。

    2)平均存取时间即光学拾取头每次重新定位到盘片上新的位置，开始读取数据的平均时间。CD-ROM的平均存取时间如200ms。

    3)缓冲容量 容量越大，传送速率越大，如256kb，512kb。

    4)接口类型 CD-ROM同计算机接口通常为IDE接口、SCSI接口和并行接口，但目前用得较多的是IDE接口。

    地理信息系统中用光盘存储数字地图，不仅体积小，携带方便，且便于复制，查询检索。一张650Mb光盘可存储上千幅单要素A0图，这为地理信息系统中数据采集的自动化提供了有利条件。

    二、数据图形的输入装置

    地理信息系统中所用的输入装置的类型同地理数据的类型息息相关。

    通常，地理信息系统的输入数据有模拟数据和数字数据。模拟数据主要取自照片，底片及地图等，输入时可将其矢量化成数字数据，或转化成栅格数据；数字数据包括数值，文字及表格等数据。下面介绍以下几种主要输入设备。

    1．数字化仪(Digitizer)

    数字化仪是地理信息系统中主要的一种图形数据采集设备，主要用来获取矢量数据，如用它从地图上获取空间位置数据或从航测像片上获取空间数据。数字化仪工作的实质是把图上的位置点信息转换成数字化的平面坐标点信息，并输入给计算机。

    其硬件主要有感应板，定标器(检测器)及电子处理器三部分。

    图形感应板是一个长方形面板，里面印刷着等距离的平行格网线路。工作时，扫描脉冲依次加到网格阵列X，Y方向的各条线上。

    定标器又称坐标输入控制器或检测器，它实质上是一个检测线圈，其上有如16个功能键。当定标器在感应板上移动时，定标器线圈发射出的信号被图形感应板上栅格阵列接收，从而发生电磁耦合。也就是说，当定标器十字中心点对准要输入的图形的某点，并按下按扭时，扫描脉冲扫过检测线圈，检测线圈就感应到扫描脉冲，并经逻辑电路确定该点的坐标。当连续移动定标器时，根据移动轨迹产生一连串的坐标数据，并输入给计算机。有些数字化仪的图形感应板的边缘有一块称为“菜单”的区域，上面有许多常用图形符号或功能，可通过用户自定义。

    数字化仪的主要性能指标如下：

    1)最大有效幅面：指能够有效地进行数字化操作的最大面积。通常有A0，A1，A2，A3及A4幅面。

    2)最高分辨率：指数字化仪的输出坐标显示值增加1的最小可能距离。最高分辨率指标取决于电磁技术，亦就是对电磁感应信号的处理方法，一般为每毫米几十线到几百线。例如：100线/毫米，即2540线/英寸。

    3)数字化仪的接口：数字化仪与计算机的接口大多采用标准RS232C串行接口，数据传送速率(波特率)采用可变方式，通常最低的速率为150或300；最高速率为9600或19200。其中数据位、停止位和奇偶校验位等都可以设置，以便满足不同传送速率的要求。这里所说的波特率是每秒传送信息位的数量，即每秒离散事件或信号事件的个数，当每个信号事件用二进制表示时，波特率即为比特数/秒。例如，在微型机中设定格式为Mode coml∶9600，n，8，1，p。则表示数字化仪接在串行口COM1上，设置数据传输率为9600，8位数据位，1位停止位，无校验位。

    必须指出，用数字化采集数据是一项艰苦工作，它需要操作人员用定标器跟踪图上的区域边界、道路、等高线等要素，将各种位置信息送给计算机。因此，在进行数字化时应注意分要素标描，必要时给予编号，以免遗漏信息，注意标出各要素的特征点，减少输入过程中形态的失真，如注意标出等高线拐点等。数字化地图的质量优劣同操作者的经验及对输图负责程度有关。

    2．扫描仪(Scanner)

    扫描仪是地理信息系统中又一种重要的输入设备，主要用来获取栅格数据，即将各种图件转换成栅格数据结构的数字化图象数据，再输入给计算机。

    近几年扫描仪发展极为迅速，其应用已深入到计算机的各个应用领域。

    扫描仪是光机电一体化的产品，它的硬件主要有光学成象部分，机械传动部分和转换电路部分，其核心是完成光电转换的电耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。扫描仪将自身携带的光源照射到图件上，以反射光或透射光的形式，将光信号传给CCD器件，并将它转换成电信号，然后进行模/数(A/D)转换，把形成的数字图象信号传送给计算机，其工作过程如图2-10所示。

    1)扫描仪的主要性能指标：

    (1)分辨率，是指单位长度上的取样点数，通常以图象采样点/英寸来表示，记作DPI(Dot Per Inch)或PPI(Pixel Per Inch)。从物理上讲分辨率是图象扫描仪CCD器件的排列密度。例如300DPI表示该扫描仪每英寸300个CCD器件，有些扫描仪用内插算法来进一步提高分辨率，为了区分起见，未经插值时的分辨率称物理分辨率或光学分辨率。一般来说扫描仪的光学分辨率低于实际标出分辨率，严格地说只有光学分辨率才真正代表一台扫描仪的物理精度。

    (2)彩色位数，对于黑白二值扫描仪，每个象素用一位来表示，低于阈值的电压为0，反之为1。而在灰度扫描仪中，每个象素有多个灰度层次，因此需要用多个二进制位来表示。如4位精度的模/数转换器可以输出16种灰度值从0000(黑)到1111(白)。对彩色扫描仪而言用彩色位数来表示图象扫描仪对色彩的分辨能力，从物理上讲，彩色位数是扫描仪A/D转换器的位数。

    由于彩色图象显示和电视接收机一样，都基于三基色原理而得到各种彩色。因此，彩色图象需要存放红、绿、蓝(R、G、B)3种原色，上面所说的A/D转换器也应选择3的倍数，如3×6位，3×8位，3×10位，3×12位。目前，图象扫描仪及其软件常采用3×8位，称24彩色位。显然，色彩位越大，扫描的彩色图象质量越高，所需数据量也就越大。

    (3)扫描仪的硬软件接口

    由于扫描仪同计算机之间连结时所传送的图象数据量很大，用传统的串行口和并行口进行数据通信速度太慢，不宜选用。通常采用如下几种通信接口：

    (a)SCSI接口，这种接口其传送速率高，但必须另装SCSI卡，再进行系统配置。

    (b)EPP(Enhanced Parallel Port)接口，这是一种新型并行通讯标准口，它采用双向，半双工方向进行数据传输，可认为是计算机高速并行口，最高速率达2Mb/s，数据传输速率与SCSI接口相当。由于这种接口不需扫描仪专用接口卡，只要计算机支持EPP协议即可。目前所有的Pentium计算机都支持EPP协议，预计今后EPP接口将成为扫描仪的标准接口。其它的标准接口如USB(Universal Serial Bus)，传送速率为12Mb/s；Fireware传送速率可达100Mb/s亦将出现。

    扫描仪输出栅格结构的图象数据的格式已标准化，常用格式有TIF格式，BMP格式等。其应用软件与图象软件有关，如Photoshop，Photostyler，Imagestar等。

    2)扫描仪的分类

    目前市场上扫描仪种类很多，并有很多不同的分类方法，按转换部件类型分有以CCD为核心的平板式，手持式及以光电倍增管为核心的滚动式扫描仪；按扫描图象幅面大小可分为小幅面手持扫描仪，中等幅面的台式扫描仪及大幅面工程图扫描仪；按扫描图稿的介质分有反射式(纸介质)扫描仪和透射式(胶片)扫描仪及反射透射式多用途扫描仪，按颜色分有黑白扫描仪和彩色扫描仪；而按用途分又有通用型扫描仪(扫描图稿)和专用型扫描仪(如条形码读入器，卡片读入器)等等。地理信息系统主要用于如下类型的扫描仪。

    (1)平板扫描仪

    主要为A3，A4幅面，其中以A4幅面为多，这类扫描仪用途广、种类多、功能强，是扫描仪家族中代表性产品。扫描时，将图稿放在扫描台上，由软件自动完成扫描的全过程。若配有透明胶片适配器的扫描仪，可扫反射图和透射图。分辨率通常为1200DPI左右，高的可达2400DPI；彩色位一般为24bit，高的可达36bit。

    由于平板扫描仪已达到很高水平，目前已广泛地用于图象处理、广告制作以及地理信息系统等领域。

    (2)大幅面扫描仪

    主要指A1，A0幅面的扫描仪，由于它主要用于工程图纸的输入扫描，所以又称工程图扫描仪，它为CAD及工程图纸的管理提供了输入手段。另外，在测绘，勘探，某些地理信息系统中也被使用。大幅扫描仪的核心部分仍是CCD器件，由于幅面大，相对价格高；其最大进纸宽度为1040mm，最大扫描宽度为914mm。它采用滚筒式走纸机构，进纸长度不受限制。其分辨率通常在300DPI～1000DPI之间。它有黑白和彩色，灰度级通常为256级，24位彩色位。目前大幅面扫描仪上已有Windows的驱动程序。

    三、数据图形的输出装置

    从原理上讲，图形输出设备分两大类：一类是画线式的输出设备，另一类是画点式的输出设备。

    画线式图形输出设备分随机扫描图形显示器及存储管式图形显示器，笔式绘图仪等。这种设备所产生的图形是由不同灰度等级的线条或不同色彩的线条组成。

    画点式图形输出设备包括光栅扫描图形显示器，喷墨绘图仪，静电绘图仪等。这种设备所产生的图形是由不同灰度等级的点或不同色彩的点组成。

    从输出介质看，又可以分为图形显示设备，图形绘制设备，以及图形数据存储设备。其输出介质可以是显示屏，纸张，磁盘和光盘等。

    1．图形显示装置

    图形显示装置是计算机系统的最基本的输出设备。当然，也是地理信息系统的最基本的输出设备，它的最大优点是可以进行实时控制，即把图形显示设备的显示屏看作图纸，对它所显示的图文进行实时操作处理，如修改，放大，缩小等等。

    从工作原理讲，图形显示器分矢量式和光栅扫描式两种：矢量式显示器亦称画线式显示器或称随机扫描图形显示器，因为在这种显示器中电子束的定位和偏转具有随机性，即在某一时刻，显示屏上只有一个光点发光，因而可画出很细线条；光栅式图形显示器(简称光栅显示器)是画点设备，对相同尺寸屏幕，点数越小，距离越小，分辨率越高，显示的图形越清楚，目前计算机配置的图形显示器为光栅显示器。

    1)光栅图形显示器与适配器

    光栅图形显示器本身是一种模拟显示器，因此，它接收的信息是模拟信号。计算机要显示的是以数字形式存储在存储器中的字符和图形，为达到该目的必须配置适配器(亦称显示卡)。适配器在计算机和显示器之间起到信号转换和视频信号发送的作用，也就是把存储的字符和图形首先以数字形式存储在适配器的视频存储器VRAM中，再将其变成视频模拟信号送到显示器的CRT(Cathode Ray Tube)阴极射线管上显示。如图2-11所示。

    2)彩色显示器的主要性能指标

    (1)点距(Dot pitch)是指彩色CRT上相邻象素间的距离，即相邻相同基色圆点之间的中心距。点距越小，同样大小屏幕上的象素越多，显示图形精度越高。目前，显示器点距主要有0.39mm，0.31mm，0.28mm和0.2mm等几种。

    (2)分辨率也称清晰度，是指可显示的水平和垂直象素的数目，这同显示卡的显示方式有关。标准VGA，SVGA和8514A分辨率分别为640×480，800×600，1024×768(隔行)。在彩色显示器分辨率中常给出最高分辨率，如1024×768，1280×1024，1600×1280等。但高分辨率的显示器必须配备高性能图形适配器才能发挥其作用。

    (3)显示范围是指在屏幕上可显示的有效区域，通常用水平(mm)和垂直(mm)来表示，例如PC机上彩色显示器的显示范围为：

14英寸为：250×180mm2

15英寸为：270×200mm2

17英寸为：325×243mm2

    2．绘图仪(Plotter)

    绘图仪作为计算机的外围设备，是计算机辅助设计CAD和地理信息系统中不可缺少的一种输出设备。

    绘图仪种类较多，按绘图方式分为笔式绘图仪和无笔式绘图仪；按走纸方式分为滚动式绘图仪和平板式绘图仪；按图幅分为A0、A1、A2和A4绘图仪；按绘图颜色分为黑白和彩色绘图仪，按性能指标分为低档、中档和高档绘图仪；按功能分为绘图用、刻膜用及感光用绘图仪等等。下面以绘图方式来叙述绘图仪，及其技术指标。

    1)绘图仪的主要性能指标

    (1)绘图速度，由于绘图仪是一种慢速设备，它的速度和计算机主机速度相差很大，因此不可能在主机发送数据的同时，完成绘图任务。为此，必须设计绘图缓冲存储器，把主机发来的数据存在缓冲区中，由绘图仪“慢慢去画”。

    当然，不同类型绘图仪其绘图速度差别也很大。如通常的笔式绘图仪走笔的速度其数量级约为1m/s。喷墨绘图仪速度比笔式绘图仪快，如用喷墨绘图仪绘出一张A1图约为3y到5分钟，而笔式绘图仪却要用2小时。当然同样是笔式绘图仪和喷墨绘图仪的速度也因型号不同而不同。

    (2)分辨率

    不同类型绘图仪对该指标含义具有一定的差异，对笔式绘图仪往往用机械分辨率和软件分辨率来描述。

    机械分辨率是指机械装置可移动的最小距离，如Calcomp 3036的机械分辨率为0.0125mm。

    软件分辨率也称可寻址分辨率，是指图形数据增加一个最小单位时绘图点移动的最小距离，如为0.025mm，0.05mm或0.1mm。

    对喷墨绘图仪而言，分辨率可用每英寸象素点即DPI表示，如HP Design jet 650C喷墨绘图仪的分辨率黑白为600DPI，彩色为300DPI。

    (3)精度

    重复精度，是指重复跟踪指定图形时，两次外滑的距离，显然距离越小，精度越高。

    距离精度也称零位精度，指从零位向X，Y方向移动最大距离后，再移到零位时的偏移量。

    通常，在不具体指定某精度时，指最大精度数值。例如Calcomp 3036笔式绘图仪的距离精度为±0.1mm，有时简称为精度±0.1mm。

    2)按绘图方式对绘图仪分类

    (1)笔式绘图仪是用户中拥有数量很多的一种绘图仪。通常分滚筒式和平板式绘图仪。滚动式绘图仪通常有滚动传动部分，绘图笔传动部分，脉冲电机驱动部分及操作控制等部分组成。画图时，图纸在一个方向滚动(如X方向)，绘图笔在另一方面(如Y方向)移动。所画的直线或曲线，实际上有许多阶梯状折线组成，由于这线折线的步距很小(例如0.1～0.06mm)，所以看上去是一条光滑的直线或曲线。

    平板绘图仪用静电吸附或磁力压条等方法固定纸张，通常控制横架和笔架分别向X和Y方向移动来完成画图任务，这种绘图仪所用机械运动部件较前者少，因此，其绘图精度高于滚动式绘图仪。

    笔式绘图仪，价格低，消耗品成本低，适用于矢量数据结构图形的输出，其最大缺点是速度慢。

    (2)无笔式绘图仪。从物理上讲，它不存在绘图笔；但从逻辑上讲，它又具有模拟绘图笔的逻辑笔。无笔式绘图仪将计算机传来的矢量数据转换成栅格数据，然后用逻辑笔进行绘制，并采用一遍走纸画图的方式，避免了笔式绘图往返走纸造成的偏差，且使绘图的速度得到了很大提高。

    无笔式绘图仪还分喷墨绘图仪，静电绘图仪，激光绘图仪等。

    喷墨绘图仪是近几年发展起来的新型绘图仪。它的关键部件是喷墨头，喷墨头中的墨水通过加热汽化，或压电陶瓷产生的压力，把墨水喷出喷嘴，印到图纸上形成图象。目前既有单喷头的黑白喷墨绘图仪；还有双喷头，四喷头的彩色喷墨仪。这种绘图仪随着技术发展的成熟，价格不断下降；加上它速度快，绘图质量高等优点，正在替代笔式绘图仪。

    静电绘图仪是采用矢量栅格转换技术，将矢量的图形光栅转成一系列基本图形单元进行光栅处理，最后将带电介质通过调色槽，使调色剂中色粒吸附到潜象点上，使该点显象。这种绘图仪数据运算处理能力强，精度高，色彩效果佳，但结构复杂，价格高。

    2．3．2 地理信息系统的软件环境

    地理信息系统的软件是它的核心，它直接关系到地理信息系统的功能。地理信息系统的软件层次结构见表2－3。

    从表中可看出最下层软件同硬件有关，属于计算机系统软件的范畴。其上一层为标准软件，它是确保地理信息系统能运行的图形，数据库及窗口软件等。不同机型的计算机如工作站，小型机及微型机等各自有自己的基础软件，国际上大部分著名的地理信息系统均采用大型操作系统或UNIX操作系统。微机地理信息系统通常采用Windows作为平台。

    目前，实现地理信息系统功能的软件，有工具型和应用型。工具型地理信息系统为用户提供了基本的功能及通用空间分析处理能力，但面对各种各样用户很难满足各领域的所有要求。因此，用户使用时很可能还需进行二次开发。应用型地理信息系统是针对某一应用领域开发的，针对性强，具有一定的局限性。

    图2-12显示了一个通用工具型地理信息系统的结构功能图。

    表2-4列示了国内市场上常见几种国外工具型地理信息系统的主要性能。