James Gray 继续他对桌面地理信息系统 (GIS) 应用程序的评测，并介绍了开始使用用户友好的开源 Quantum GIS 所需的概念。

深入 GIS：QGIS 简介
如果您玩过 GoogleEarth，您就会知道使用地理空间数据是多么有趣。每当我需要消遣时，我都会启动 GoogleEarth，漂浮在曼哈顿的摩天大楼之上，或者看看他们在我的成长地附近有没有建造什么新东西。

要更进一步，并获得对地理空间信息的新层次的控制——您是烹制整锅炖菜的厨师——请深入 GIS，即地理信息系统。GIS 不仅会让您感觉自己掌握了整个世界，而且您可能能够将其用于您的工作或私人生活，做一些非常有用的事情。

顺便说一句，虽然我将讨论许多基本概念，但如果您是 GIS 新手，您可能需要阅读我之前更广泛的 GIS 介绍，可以在这里找到。

本文的目的是在开始使用 Quantum GIS 或 QGIS 之前，为 GIS 新手提供一些有用的背景知识。QGIS 是开源世界中更高级、更全面、用户友好的桌面 GIS 系统之一。虽然 QGIS 有优秀的文档，但那些刚接触 GIS 的人可能会觉得术语有点生硬，并且缺少一些信息。这是因为文档的作者假设您已经熟悉 GIS，并且您来 QGIS 是为了寻找替代方案。另一方面，我将假设您以前从未使用过 GIS。

安装 QGIS
QGIS 有一个实用、全面的网站，其中包含大量资源供您咀嚼，您可以在这里找到。您会找到一个维基、帮助论坛、大量文档，当然还有应用程序本身。下载页面提供 Mac OS X、Windows 版本，以及 Linux 用户的几个选项：源代码版本、Debian、Ubuntu Gutsy 和 openSUSE。

只是为了让您知道您做得对，QGIS GUI 应该看起来像这样

不过，在我们造成任何损害之前，让我们回顾一下自信地使用 QGIS 所需的一些概念。

我可以用 GIS 做什么？
每当我告诉一个外行人什么是 GIS 时，我通常会告诉他们这涉及到“用电脑绘图”。虽然这种描述有点过于简单化，但它抓住了 GIS 的广泛目的。以下是 QGIS 人员对 GIS 的描述

[GIS] 是软件的集合，它允许您创建、查询和分析地理空间数据。地理空间数据是指关于实体的地理位置的信息。这通常涉及使用地理坐标，如纬度或经度值。空间数据是另一个常用术语，地理数据、GIS 数据、地图数据、位置数据、坐标数据和空间几何数据也是如此。

我会进一步提炼上述内容，即通过应用计算机的力量，人们可以使用 GIS 导入任何类型的地理信息，然后找到该信息之间的关系，并按您希望的方式显示它。

我们在 GIS 中处理的地理信息由两个要素组成，即空间要素和属性数据。空间要素的例子可能包括街道、河流或土地覆盖。换句话说，您可能在地图上找到的任何要素。同时，属性数据描述了空间要素的特征，并存储在 GIS 内的数据库中。例如，大多数街道都有名称和长度；土地覆盖类型有名称和相关联的面积。在土地利用案例中，GIS 可能会存储诸如高密度城市、低密度城市、农田、森林等类别，然后可以轻松查询这些类别。

现在我们知道了 GIS 可以做什么，我们应该花一些时间探索 GIS 如何处理数据。

剥开图层
如果命令您的道路地图“只显示河流和山脉，拜托”，或者“嘿，地图，打开和关闭县界”，它会认为您完全疯了。另一方面，由于 GIS 以地理元素的相似分组（称为图层）来描绘数据，您的计算机会听从您的命令，而不会给您贴上“疯子”的标签。图层的一些示例是国家、城市、河流、特定建筑物和海洋。GIS 允许您控制屏幕上在任何时候显示哪些图层。

图层可以由两种类型组成，即要素和表面。在我们上面的列表中，具有国家、城市、河流和特定建筑物的图层是基于要素的；海洋是一个单一的、连续的广阔区域，因此是一个表面。

GIS 如何处理数据：矢量与栅格
GIS 的艰巨挑战是以准确而快速的方式描绘我们可爱而复杂的世界 - 而且无需超级计算机！GIS 使用两种“技巧”或方法来创建地球要素到您桌面的数字表示。

第一种方法是使用矢量数据。尽管世界可能很复杂，但 GIS 可以使用三个几何元素（即点、线和多边形）来表示任何地理对象。像社区中心和交通信号灯这样的小东西可以用点来表示。河流和管道之类的东西实际上只是美化的线条，因此它们可以这样显示。最后，几乎所有其他东西，例如州立公园，尽管它可能是奇形怪状的，但在一天结束时，它也是有限的并包含在边界内，使其成为一个多边形。从广义上讲，矢量格式类似于传统地图，在传统地图中，世界用符号抽象化，精确度非常重要。

第二种方法是栅格数据。栅格数据用于直观地描绘地球的没有形状的特征，包括海洋深度、森林覆盖类型、海拔和年降雨量等测量值。栅格是由大小相同的正方形单元格组成的矩阵，每个单元格代表地球表面上的一个单位面积，例如 100 平方米。例如，我们可以回到我们之前讨论过的作为表面的海洋。每个单元格都包含一个深度值，可以反过来用不同的颜色值逻辑地显示该深度值 - 例如，水越深，颜色越深。您将遇到的一些图像类型包括 GeoTIFF、Erdas Imagine Images、GRASS AIG 和 USGS 数字高程模型

一些常见的基于栅格的图像类型是卫星图像和航空照片。在这两种类型的栅格图像中，每个单元格的值是对地球表面反射的光的测量。这些值的特定范围可以表示特定的土地覆盖或植被类型。

GIS 中的空间数据格式
当您在 GIS 世界中畅游时，您还会遇到大量的空间文件格式。如果您曾经使用过 ESRI 的 ArcGIS 应用程序，您可能熟悉地理数据库和 coverage，这是专有 GIS 中最常见的两种空间文件格式。这两种格式允许在一个文件中存储多个要素类 - 即点、线或多边形的组。地理数据库是两种格式中较新的、更高级的格式，它通过使用所谓的“空间参考系统”来实现不同要素类之间更高级的关系。地理数据库还建立在关系数据库的现有功能之上。

在这两种更高级的空间数据格式中，只有 coverage 可在 QGIS 中使用，但地理数据库不可用。此外，在 QGIS 中，我们可以使用 ESRI shapefile，它在在线数据存储库中非常丰富，并且由于存在时间很长，因此是一种“标准”。实际上，shapefile 是 ESRI ArcView 的标准格式，ArcView 是该公司上一代的 GIS 应用程序。本质上，shapefile 是一组文件，其中包含基于矢量的位置和属性数据，这些数据可以在 GIS 应用程序中表示。

QGIS 还支持其他一些文件格式，例如 MapInfo 和 PostGIS。更多内容将在以后的文章中介绍。

一些硬核制图学：地图投影和坐标系
另外两个重要的概念，它们对于任何制图工作以及 GIS 都至关重要，是地图投影和坐标系。

还记得您在四年级教室里看到的大型平面世界地图吗？格陵兰岛比非洲还大的那张？这张地图是描绘地球等圆形物体到平面地图上时会发生什么情况的理想例证。将 3-D 地球转换为 2-D 地图称为地图投影。

在 GIS 中，您需要考虑投影，因为您查看或创建的任何地图本质上都像纸质地图一样是平面的。因此，地图概念适用于这两种情况！

在地图投影中，您无法避免在描绘空间数据时产生失真。您必须忍受地图的形状、面积、距离或方向的失真。（很抱歉打破这个消息！）减少某些属性的失真只会增加其他属性的失真。我们墙上的那张格陵兰岛面积夸张的平面地图很好地说明了这一难题。那张经典的地图可能使用了著名且无处不在的墨卡托投影，该投影保持了精确的方向，但在南北两极附近的区域方面明显失真，那里的纬度线像橡皮泥一样向上延伸。同时，请注意，在赤道附近，与面积相关的失真不太明显。这一观察结果印证了一个重要的观点，即您选择的投影极大地影响了您在 GIS 中分析的准确性。在以后的文章中，我们将讨论如何根据您的地理重点以及您将执行的分析类型，为您的需求选择最佳投影。

与地图投影同样重要的是坐标系。坐标系是笛卡尔 x 轴和 y 轴系统，GIS 使用该系统来定义地图上的位置。这与定义球体上位置的纬度和经度系统相反。

为了能够使用 GIS 定义地球上的点，您必须首先确定您的地球是什么样的。制图学专家将地球的形状称为“扁球体”，这意味着它在顶部和底部（两极）较平，并且在中间周围凸起。除了这种大致形状外，还有其他隆起和凸起需要考虑。

各种选项可以帮助您选择 GIS 项目的椭球体和基准面。椭球体是地球形状和大小的模型；一些常见的椭球体是 Clarke 1866 和 GRS 80。同时，基准面是一组控制点，这些控制点的位置和几何关系已通过测量或计算确定。基准面还定义了纬度和经度线的方向和原点。NAD27 基准面与上面提到的 Clarke 1886 椭球体相伴；NAD83 基准面与 GRS 80 椭球体相伴。

理论已经足够了，让我们获取一些矢量数据
此时，我们已经掌握了足够的 GIS“理论”来了解我们在做什么并开始一个项目。在本文中，我将向您展示如何找到 ESRI shapefile 形式的一些矢量数据，并将其加载以进行显示。在后续文章中，我们将操纵和查询基于矢量的数据，以及处理栅格数据。

QIS 项目非常友好地提供了一个示例数据集，您可以从此处下载。下载数据集后，请按照以下步骤加载 shapefile

1. 有四个带有加号的图标。单击最左侧的那个，标记为“添加矢量图层”。

2. 在您将遇到的对话框中，有五个不同的 shapefile，即 Alaska、Canada、Lakes、Majrivers 和 Russia。让我们通过选择 alaska.shp 来打开 Alaska shapefile。

请注意，每个 shapefile 反过来都由至少四个子文件组成，后缀为 .shp（包含要素）、.sbn（空间索引）、.dbf（包含属性）和 .shx（形状索引）。shapefile 缺少投影文件，投影文件将被标记为 .prj。

这就是您的生成的 shapefile 应该看起来的样子，阿拉斯加州的简单轮廓，即多边形。

请注意 shapefile 图层如何在 QGIS 左侧的区域（称为“地图图例”）中显示。同时，阿拉斯加州的简单轮廓地图在右侧的区域（称为“地图视图”）中显示。您可以使用图层标签旁边的复选框打开和关闭名为“alaska”的图层。地图图例就像管理所有图层的控制中心。如果您想删除图层，只需右键单击它并选择“删除”。

理论到实践，实践，实践
在本文中，我介绍了许多构成任何 GIS 的概念，包括应用程序 QGIS。虽然这些信息以碎片的形式存在于书籍和互联网上，但它并没有在单个地方进行简洁的总结。现在我们已经以介绍性的方式讨论了图层、矢量、栅格、文件格式（例如 shapefile、coverage、GeoTIFF）、投影和坐标系等概念，我们已经准备好利用 QGIS 的强大功能来完成一些有趣且引人入胜的地理空间数据工作。关于开源 GIS 的这个系列将在未来几周内继续。祝您好运，玩得开心！