果树采摘机器人发展概况及特点

第一篇：果树采摘机器人发展概况及特点

果树采摘机器人发展概况及特点

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现f3l。机器人集成了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向14J。21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期。我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入农、lp生产领域。目前，国内浆果采摘作业基本上都是靠人工完成的，采摘效率低，费用占成本的比例约为50％．70％。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和尘产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，冈而具有很大的发展潜力lM。1．2．1国外研究成果及现状自从20世纪60年代(1968年)美国人Schertz和Brown提出，}J机器人采摘果实之后，对采摘机器人的研究便受到广泛重视。随蓿科学技术的发展，农业机器人在国外迅速发展起来。最早的机械采摘方法是机械振摇式和7 e动振摇式两种方法，但这两种方法不仅容易损伤果实，采摘效率也不高，同时容易摘到未成熟果实I61。1983年，第一台采摘机器人在美固诞生，在以后20多年的时M晕，同、韩及欧美国家相继研究了采摘番茄、黄瓜、苹果、蘑菇、柑橘、番茄和甜瓜等的智能机器人。l、日本的番茄采摘机器人：日本的果蔬采摘机器人研究始于1 984年，他们利用红色的番茄与背景(绿色)的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行三维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且孥硬的机械手爪容易损伤果实。日本冈山大学的Kondo等人研制的番茄采摘机器人，山机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成，如图1-1所示。·—●T—争Sl7777一图1．1番茄采摘机器人结构简图S1一前后延伸棱柱关节；S2一上下延伸棱柱关节：3、4、5、6、7一旋转关节该机器人采用由彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统来寻找和识别成熟果实。考虑到番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能灵活避开障碍物，采用具有冗余度的7自由度机械手。为了不损伤果实，其末端执行器配带2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能在!tl问自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约是15s／个，成功率在70％左右。有些成熟番茄未被采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化17,81。

2、荷兰的黄瓜采摘机器人：1996年，荷兰农业环境工程研究所(1MAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置；末端执行器由手爪和切割器构成，用来完成采摘作业。机械手安装在行走车上，机械手的操作和采摘系统初步定位通过移动行走车来实现，机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。该机械手有7个自山度，采用三菱公司(Mitsubishi)RV．E2的6自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动自由度。收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱的自动行走的运输车来完成。整个系统无人工干预就能在温室工作，工作速度为54s／根，采摘率为80％。试验结果表明：该机器人在实验室中的采摘效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求l引。

3、韩国的苹果收获机器人：韩国庆北大学的科研人员研制出节果采摘机器人，它具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，其手心装有压力传感器，可以起到避免苹果损伤的作用。它利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果的识别率达85％，速度达5个／s。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从采摘到放置的时问，提高了采摘速度。该机器人无法绕过障碍物摘取苹果；对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有给出识别和采摘的解决方法【lol。

4、英国的蘑菇采摘机器人：英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节；末端执行器是带有软衬挚的吸引器；视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在7s％左右，采摘速度为6．7s／个，生长倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个未端执行器提高生产率是亟待解决的问趔¨1。

5、西班牙的柑橘采摘机器人：西班爿：科技人员发明的这种柑橘采摘机器人主体装在拖拉机上，由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器3部分组成。它能依据柑桔的颜色、大小、形状束判断柑桔是否成熟?决定是否采摘。采下的桔子还可按色泽、大小分级装箱。这种采桔机器人采摘速度为1个／s，比人工提高效率6倍多‘121。

6、以色列和美国联合研制的甜瓜收获机器人：以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人丰体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上，采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位，并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。在两个季节和两个品种的}H问试验证明，甜瓜采摘机器人可以完成85％以上的}H问甜瓜的识别和采摘．1=作‘"1。表1．1给出了国外部分国家果蔬收获机器人同期研究进展统计。1．2．2国内研究成果及现状国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，与发达国家相比，虽然起步较晚，但不少大专院校、研究所都在迸行采摘机器人和智能农业机械方面的研究，已有很多研究成果披露，简介如下：l、林木球果采摘机器人：东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成，如图1．2所示。采摘时，机器人停在距离母树3．5m处，操纵机械手回转马达对准母树。然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到～定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近I 5-2m，然后采摘爪的梳齿夹拢果技，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上的球果-完成一次采摘。这种机器人效率是500k∥天，是人工的30一50倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率矧川。

2、蘑菇采摘机器人：吉林工qk大学的周云山等人研究了蘑菇_={壬摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、二自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。汁算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息，并且引导机器手准确抵达待采摘蘑菇的中心位置，防止因对不准造成抓取失败或损伤蘑菇il”。

3、草莓采摘机器人：中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室罩垄作栽培的草莓设计了3种采摘机器人。分别采用桥架式、4自由度』毛门式和3自由度直角坐标形式的机械手进行跨行收获，通过彩色CCD传感系统获取彩色图像，经过图像处理进行目标草莓的识别和定位，进而控制末端执行器进行收获。同时，对草莓的生物特性、成熟度、多个草莓遮挡等实际问题进行了研究，为草莓采摘提供设计依据和理论基础{161。

4、番茄采摘机器人：南京农业大学的张瑞合、姬长英等人在番茄采摘中运用双目立体视觉技术对红色番茄进行定位，将图像进行灰度变换，而后对图像的二维直方图进彳亍腐蚀、膨胀以去除小团块，提取背景区边缘，然后用拟合曲线实现彩色图像的分割，将番茄从背景中分离出来。对目标进行标定后，用面积匹配实现共轭图像中目标的配准。运用体视成像原理，从两幅二维图像中恢复目标的三维坐标。通过分析实验数据得出的结论为．当目标与摄像机的距离为300mm-400mm时，深度误差可控制在3％4％t”I。

5、黄瓜采摘机器人：中国农业大学汤修映等人研制了6自由度黄瓜采摘机器人，采用基于RGB三基色模型的G分量来进行图像分割，在特征提取后确定出黄瓜果实的采摘点，未端执行器的活动刃口平移接近固定刃口，通过简单的开合动作剪切掉黄瓜。同时，提出了新的适合机器人自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。

6、节果采摘机器人：中国农业大学的孙明等人为苹果采摘机器人开发了一套果实识别机器视觉系统，并成功研究了一种使二值图像的像素分割J下确率大于80％的彩色图像处王甲技术。通过对果实、叶、茎等的色泽信号浓度频率谱图的分析，求}l{闽值，然后运用此值对彩色图像进行二值化处理l。引。1．2．3果树采摘机器人的特点

1、采摘对象的非结构性和不确定性果实的生长是随着时fHJ和空问而变化的。生长的环境是变化的，直接受土地、季节和天气等自然条件的影响。这就要求果树采摘机器人不但要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应多变的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有很高的智能性。

2、采摘对象的娇嫩性和复杂性果实具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理；并且其形状复杂，生长发育程度不一，导致相互差异很大。果蔬采摘机器人一般是采摘、移动协调进行，行走轨迹不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离以及遍及整个果园表面等特点。

3、具备良好的通用性和可编程性因为果树采摘机器人的操作对象具有多样性和可变性，这就要求采摘机器人具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，就能进行多种作业。

4、操作对象的特殊性和价格的实惠性农民是果树采摘机器人的主要操作者，他们不具有相关的机电理论知识，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及。

第二篇：机器人产业发展概况

机器人产业概况

一、发展前景

近年来，不少国家将机器人发展纳入国家计划，美国《先进制造业国家战略计划》、欧盟SPARC民用机器人研发计划、“中国制造2025”、日本《机器人新战略》、韩国《机器人未来战略2022》等，纷纷将机器人纳入国家科技创新和产业发展的重点领域。机器人已成为新一轮科技革命与产业变革背景下世界各国产业竞争的焦点。

《中国制造2025》将机器人列为中国十大重点推动领域之一，而智慧型机器人更跃升为未来10年中国制造业发展转型升级的方针。2016 年3 月21 日，工业和信息化部、发改委、财政部等三部委联合印发了《机器人产业发展规划（2016-2020 年）》。规划提出了五年我国机器人产业的“两突破”、“三提升”；五年总体目标、具体目标；以及五项主要任务。

根据中国机器人产业联盟发布的数据，我国从2013年起连续两年成为全球第一大机器人消费市场，机器人使用量约占全球销量的1/4。目前，我国工业机器人使用密度仍然偏低。韩国是世界上使用工业机器人密度最高的国家，每一万名工人使用机器人437台，而我国仅有35台，远低于国际平均水平，潜力巨大。按照预测，2017年，我国将成为使用工业机器人数量最多的国家之一。到2020年，我国工业机器人年销量将达到15万台，保有量达到80万台；到2025年，工业机器人年销量将达26万台，保有量达180万台。到“十三五”末，我国机器人产业集群产值有望突破千亿元。

2015年全球服务机器人市场规模为85亿美元，工业机器人为123亿美元。2011-2015年，全球工业机器人年复合增速仅为8%，服务机器人为13%。服务机器人的市场规模最终将超越工业机器人，已成为业内共识，且大多预计赶超时间仅需三至五年。

据国外媒体报道，市场研究公司IDC在《全球商用机器人消费指南》（Worldwide Commercial Robotics Spending Guide）上发布预测报告称全球机器人行业及相关服务市场规模年复合增长率达17%，2019年行业规模将达到1354亿美元。而2015年机器人行业规模为710亿美元。新兴的机器人消费市场囊括了机器人系统采购、系统硬件支持、软件支持，机器人相关服务以及后期硬件维护等13个关键行业和52个细分市场。

二、发展现状

（一）全球机器人产业发展现状

全球机器人发展格局是一个美日欧三分天下，韩后发奋起直追的格局。机器人产业的发展需要深厚的工业基础和科技底蕴，日欧美先发优势明显。自20世纪80年代将机器人产业作为国家发展战略以来，日本一直将机器人作为优先发展方向，其所积累的经验和技术优势，为该产业的长远发展打下了良好基础。如今世界四大机器人企业巨头中，日本独占其二，发那科和安川电机在世界机器人市场的地位难以撼动。

欧洲工业基础雄厚，德国库卡、瑞士ABB在世界机器人四大企业中各占一席。为巩固领先地位，欧盟不仅在“第七个框架计划”和“地平线2020”项目中投入巨资用于机器人技术研发，还于2014年6月推出了全球最大的民用机器人研发计划“SPARC”。同时，德国以“智能工厂”为重心的“工业4.0计划”、英国首个官方机器人战略“RAS2020”以及法国“机器人发展计划”，皆彰显了占领机器人产业制高点的决心。

作为科技强国，美国虽有造出世界第一台工业机器人的荣耀，但由于当时对机器人前景看淡而没能持续发展，终被日欧赶超。知耻后勇的美国在2011年6月推出的“先进制造伙伴计划”中，明确指出要通过发展机器人重振制造业。依靠强大的工业基础和科技底蕴，近些年美国开始在机器人产业领域发力，百特、Adept等企业已有资本向传统四大机器人企业发起挑战。

韩国机器人产业近几年发展迅速。在2009年发布第一个机器人产业发展五年规划后，韩政府于2014年8月宣布了第二个智能机器人开发五年规划，希望通过技术与其他产业的融合实现机器人产业的扩张。韩国已成为世界机器人产业领域一股不可忽视的新生力量。

2014年世界前五大机器人供应国中，我国的机器人密度显著低于韩国、日本、德国、美国等国家，机器人的渗透率还处于较低水平，该比例也低于机器人密度的全球平均值62台/万人。

就汽车工业来看，日本和意大利分别达到1436和1299，德国为1130，法国1120台，西班牙950台，美国770台，瑞典630台，英国610台，我国仅141台(2011年我国汽车从业工人约为370万)，发展空间相当巨大。而2010年日本电子电器行业机器人密度则可以达到300台/万人左右。按照重庆市“十二五”产业发展规划，到2015年，重庆汽车产量将从现在占全国的12%增长到15%，电子方面也将达到年产1亿台笔记本的产能，产业工人达到100万人，预计未来重庆两大支柱产业工业机器人整机需求在4.5万台左右，市场规模将超过200亿元。同时，化工、装备制造、采矿等行业市场对数控机床和工业机器人组成的工业自动化生产线的需求越来越高，此类需求也将带动工业机器人需求的不断增多。

机器人及智能装备产业作为重庆市重点发展的十大战略性新兴产业之一，根据目前披露的信息来看，重庆作为中国最大的汽车生产地，最大的摩托车生产地，最大的笔记本电脑生产地，机器人市场潜力巨大。预计到2016年，重庆市重点行业装备智能化率将达到65%，智能制造装备产业规模达到250亿元，到2018年智能化率达到75%，产业规模达到400亿元，最终形成“整机+配套”、“研发+制造+服务”全产业链的智能制造装备产业集群。

（二）中国机器人产业发展现状

中国机器人产业已经形成四大区域集群。北部的环渤海地区、南部的珠三角、东部的长三角和中西部，均呈现出比较迅猛的发展势头。其中，环渤海科研机构扎堆，研发能力强；长三角、珠三角地区产业基础雄厚、市场空间大。

环渤海地区以北京、哈尔滨、沈阳为代表，科研实力较强，研究机构有中科院沈阳自动化研究所、哈工大、北航等，在机器人方面取得显著科研成果，具有人才培养优势。长三角地区的优势在于电子信息技术产业基础雄厚，这是发展机器人产业的必要条件。珠三角地区有规模庞大的制造业，生产线升级需求使得机器人应用有广阔的空间。而以武汉、长沙、重庆为代表中西部集聚区，则依托外部的科技资源，衍生出众多行业龙头企业。

2015年深圳市机器人企业435家，机器人产业产值约630亿元，同比增长31%。

目前，工业机器人主要服务于集成组装，应用最广泛的领域是汽车制造。2014年，全球工业机器人总销量为23万台，其中10万台应用于汽车行业。其他广泛使用机器人的行业还包括电子、金属、橡胶、食品、制药、化妆品等。

国内工业机器人大多集中于相对简单的搬运、码垛及家电、金属制造领域，在高精尖的多关节机器人仅占有10%、焊接机器人仅占有16%、汽车组装仅占有10%的市场份额，在产业链中偏低端且并未进入主流市场。

有超过六成的国内产工业机器人应用在搬运与上下料领域，其中用于塑料成型件的搬运与上下料机器人最多，其次是金属铸造的搬运与上下料和码垛的搬运与上下料。焊接和钎焊是国内产机器人应用的第二大领域，约占总销量的17%，其中主要以钎焊机器人为主。用于激光切割、机械切割、磨削、抛光等领域的加工类工业机器人销量增长较快，同比增速超过90%。

国内主要的工业机器人企业包括新松、广州数控、启帆、埃斯顿、新时达及遨博等。

据公开数据显示，目前工业机器人自动化的全球领导者为韩国。在此情况下，韩国的机器人密度超过全球平均值的7倍（478台），紧随其后的是日本（314台）和德国（292台）。美国目前的机器人密度是164台，居全球第七的位置。

仅达到全球均值的一半，居世界28位。在整体的全球统计中，这大致与葡萄牙（42台）或印度尼西亚（39台）相当。但在大约五年前，中国开始进行史无前例的追赶游戏以改变现状，现已成为世界上最大的工业机器人销售和增长市场。相关数据显示，中国2014年一年的机器人销售量为57100台，而此前从未达到这个数字。这种爆发式增长将在预测期内继续：2018年中国的机器人安装量的占比将超过世界的1/3。

第三篇：机器人大赛特点

机器人大赛特点

国际机器人竞赛的特点国际上各种类型的机器人竞赛，一般是在上世纪末兴起的。在短短七、八年的时间里，机器人竞赛的发展是一个从无到有、从单一到综合、从简单到复杂的过程。具体地说，机器人竞赛具有以下特点：

1、比赛规模不断扩大：FIRA从1996年第一届只有来自10个国家的23参赛队参加，发展到2002年第七届时，已经有25个国家的207支代表队参赛，无论是从参赛的人数，还是从参赛的国家都充分显示了机器人竞赛的勃勃生机以及在全世界范围内的普及程度。

2、比赛项目不断完善：在第一届FIRA的时候，只有微型机器人足球赛(MiroSot)一项比赛，发展到现在，已经扩展到六个比赛系歹IJ。项目设置由少到多的变化既可以给更多层次的参赛选手提供比赛机会，又可以从多角度推动各个相关学科技术的发展。

3、比赛的影响力不断增强：在机器人竞赛的同期，各个组委会都会举办各种机器人展览、相关论坛，各种论坛旨在为参赛选手及专家提供一个交流经验、互相学习的平台，并为机器人及其相关技术的发展以及机器人在娱乐、教育、服务等各领域的应用起到推动作用。因此，每届比赛都会吸引各国科学家、科研人员、学生和企业界人士的共同参与，机器人竞赛的影响力也相应得到提高。

4、推动技术进步：机器人竞赛对机器人技术及其相关学科领域的发展起到了明显的推动作用，这在机器人足球系列比赛上体现得更加明显。比如，机器人足球比赛对机器人的视觉功能要求非常高，只有机器人装备的显卡性能越好，机器人的识别速度就越快，运动速度也就越快，这样才能取得比赛的胜利，这就极大地促进了视觉技术的发展。在1996年，FIRA第一届比赛的时候，大部分参赛队所用显卡的工作频率是10桢/秒，机器人的运动速度也仅在50厘米/秒；仅仅两年之后的FIRA第三届世界杯时，显卡的频率就达到了60桢/秒，机器人的运动速度也相应提升到2米/秒，技术指标翻了几倍之多。机器人竞赛实际上是高技术的对抗赛，从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平。机器人竞赛使研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而又反过来促进各个领域的发展，这也正是开展机器人竞赛的深远意义，同时也是机器人竞赛的魅力所在。

5、促进学校教育：机器人足球系列比赛以推动技术进步为主要着眼点，而其他综合性的比赛则更加侧重于教育意义。以FLL为例，FLL的每个参赛队在每年的工程挑战赛主体公布之后，会有大约8个星期的时间来做准备工作，具体包括分析竞赛题目、设计解决方案、用乐高的配件搭建智能机器人模型、编写程序、反复不断的调试程序，优化程序和机器人结构，使机器人能够完成挑战赛的任务。在这8个星期的时间里，孩子们要想完成任务，就必须在互联网上搜集资料、向专家请教问题、到图书馆查阅资料以及与其它伙伴交流、探讨问题等等，这同时也是一个面对实际问题、解决困难、克服障碍的过程。因此，孩子们除了学到了机器人相关知识之外，还能够在自尊心、沟通能力、动手能力等方面得到一定的提高，而这也正是FLL以及其他机器人竞赛所要达到的目标之一。

第四篇：铝工业概况及发展

铝工业概况及发展

铝在地壳中分布广，平均含量为8.1%，仅次于氧和硅，居第三位，在金属元素中居第一位。全球铝矿资源丰富，储量巨大，其中澳大利亚、几内亚、巴西、牙买加、印度及中国铝土矿极为丰富。越南和老挝的铝土矿也超过10 亿吨.自电解法炼铝问世以来，铝的生产和消费量不断增加，近几十年，由于冶炼方法与工艺的不断改进和电力工业的发展，以及经济高速发展和社会文明需求的推进，发展惊人。

1940年全世界原铝产量不到100万吨，到2004年世界铝产量和消费量均已超过4000万吨，到2010年已经突破4500万吨。

起步于1954年，到1983年成立中国有色金属工业总公司，才确立优先发展铝的方针，出现崭新局面，1989年全国铝产量已达76万吨，铝加工材达42万吨，全年铝消耗87万吨。1990年来，进入高速发展，国家投入千亿资金，从矿山开采、选矿、氧化铝和电解铝生产到铝加工、深度加工及产品销售应用得到蓬勃发展，形成完整工业体系和产业部门。

我国铝产业在进入21世纪后经历了一个快速发展的时期。2000年—2011年，我国氧化铝、电解铝产量的年均增长速度分别达到21%和18%。铝产业的快速发展保证了国民经济的用铝需求，但是由于投资的过快进行，而需求受经济放缓等因素影响增长不力，我国铝产业产能严重过剩。据估计，到2011年，全国已形成氧化铝产能5220万吨/年、电解铝产能2550万吨/年、铝材产能3200万吨/年，与产

量相比，2011年氧化铝、电解铝、铝材的产能利用率分别只有65%、70%和87.5%。实际上铝产业的过快发展已经使铝供给超过市场需求，铝价低迷，铝企业经营困难。

我国铝产业发展成果显著，但产能过剩问题也较为严重，供大于需的局面令产品价格低落，铝企业经营亏损严重。要解决这一问题，国内需求的增长是重要方向，铝产业自身也必须对产能的增长做出限制，并适度加快淘汰过剩产能。同时我国铝产业也要不断提高技术水平，努力降低成本，以应对能源价格的上涨，并在经营战略上对可能出现的铝土矿紧缺做好准备。

第五篇：GIS基础知识及发展概况

GIS基础知识及发展概况

GIS定义

地理信息系统(G1S)是近十年来发展起来的一门综合应用系统，它能把各种信息向地理位置和有关的视图结合起来，并把地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、CAD技术、遥感、GPS技术、Intemet、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据。这样，可根据用户需要将这些信息图文并茂地输送给用户，便于分析及决策使用。GIS应用遍及金融、电信、交通、国土资源、电力、水利、农林、环境保护、地矿等国民经济各领域。权威的统计资料和研究报告都表明，国民经济信息数字化的80％以上都构筑在地理信息系统之上，GIS产业已达到几十亿美元的规模。

学科基础

地理信息系统作为传统学科（地理学、地图学和测量学等）与现代科学技术（遥感技术、全球定位系统、计算机科学等）相结合的产物，正逐渐发展成为处理空间数据的多学科综合应用技术：从计算机技术角度看，其主要是空间数据库技术；从数据收集角度看，其主要是3S

（GIS/GPS/RS）技术的有机结合；从应用角度看，其主体是数据互访和空间分析决策的专门技术；从信息共享的角度看，其主体是计算机网络技术。

系统组成及解决问题

一个GIS系统，主要包括空间数据输入子系统、空间数据存储与管理子系统、数据处理与分析子系统、输出子系统。

一个GIS系统的功能构成：①数据输入、存储、编辑；②操作运算；③数据查询、检索；④应用分析；⑤数据显示、结果输出；⑥数据更新。

GIS能回答和解决以下五类问题：

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 位置，即在某个地方有什么。位置可以是地名、邮政编码或地理坐标等。条件，即符合某些条件的实体在哪里。如：在某个地区寻找面积不小于1000M2的不被植被覆盖的，且地质条件适合建大型建筑的区域。趋势，即在某个地方发生的某个事件及其随时间的变化过程。模式，即在某个地方的空间实体的分布模式。模式分析揭示了地理实体之间的空间关系。模拟，即某个地方如果具备某种条件会发生什么。通过基于模型的分析实现。

GIS发展历史 “地理信息系统”概念的提出，要追溯到50年代。由于电子计算机科学的兴起和它在测量学与地图制图学中的应用，使人们开始有可能用电子计算机来收集、存储和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据，并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务。

1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和

管理部门都逐步发展土地信息系统（LIS）用于地籍管理。

60年代为GIS开拓期。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个GIS--加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理与规划。

本年代内，IBM公司和COLORADO公共服务公司开始致力于用计算机工具管理公用事业的设施，也就是电力线、煤气管道、阀门、仪表、土地等。紧接着的一个十年，其他人继续挑战“计算机化的设施管理”（FM），包括计算机制图系统，并且诞生了自动制图（AM）。FM、AM、计算机辅助设计（CAD）及数据库管理（Database Management）等学科的发展为GIS技术的发展创造了条件。许多大学研制了GIS软件包，如哈佛计算机图形与空间分析实验室开发了SYMAP系列软件。

早期的GIS发展的另一个显著特点是许多与GIS有关的组织与机构纷纷成立，对GIS知识传播与技术发展起到重要的指导作用。

进入70年代，受计算机软硬件技术飞速发展的促进，GIS技术朝实用化方向发展。一些发达国家先后建立了许多专业性的土地管理信息系统和地理信息系统。与此同时，GIS软件市场活跃。GIS技术受到政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为一个引人注目的领域。

80年代是GIS普及和推广应用的阶段。随着图形工作站和PC机性能价格比的大为提高，计算机和空间信息系统在许多部门被广泛应用。GIS软硬件的发展使GIS应用从空间数据管理向空间决策支持分析迈进。GIS软件研制和开发也取得了很大成绩，涌现出一些有代表性的GIS软件。

进入90年代，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，GIS深入到了各行各业乃至千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。

90年代，GIS软件在以下几个方面取得了很大的进展：

1.开放GIS的研究：主要是制定GIS互操作与数据共享标准。

2.关系数据库和GIS的结合：利用RDBMS存储GIS数据。

3.GIS构件的开发：GIS系统正迅速走向构件化。

4.互联网，尤其是万维网已经成为GIS的新的操作平台。

GIS应用领域

地理信息系统在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通讯、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业、统计、商业金融等几乎所有领域。

与CAD的区别

GIS与CAD的区别： CAD和GIS之间有大量的技术重叠，两者都用计算机图形，相似的输入、输出设备，和生成漂亮的彩色图像。但是，两者的相似性到此为至。同GIS相比，CAD较简单，这就是随着计算机图形学的发展，它发展更快的原因。

下面是一个对比：（Newell and Theriault,1990）

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 CAD的几何形式主要由制图员构成，而GIS的几何形状是由扫描数字化或测量方法得到的。CAD几何形状包含水平和垂直线段，通常线段之间的夹角是规则的。GIS实际上不包含

水平或垂直线段，除了直角，其它的规则夹角很少。另一方面，形状破碎的线段，如等高线和海岸线，则很平常。

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 在CAD中，圆弧和曲线是基本的，在GIS中，它们实际上不存在。在CAD中，一个典型的多边形有四个顶点；在GIS中，一个多边形可能有上千个顶点。在CAD中，诸如映射、旋转、比例、拷贝之类的操作频繁地被用到，在GIS中不常用。在CAD中，目标间的拓扑关系实际上不存在；在GIS中，拓扑是主要的考虑之一。在CAD中，栅格很少用；但在GIS中，这是获取地图库或卫星数据的一个有效、经济的方法。

国内GIS的发展现状

我国GIS的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段。GIS已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。国内外已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地理信息系统软件已研制开发成功（如GeoSTAR,CityStar,MapGIS等),一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立。些外，还成立了“中国GIS协会”和“中国GPS技术应用协会”等。

我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、我国GIS的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步(1970-1980)、准备(1980-1985)、发展(1985-1995)、产业化(1996以后)阶段。GIS已在许多部门和领域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产、交通、能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110报警系统公共汽车调度等方面得到了具体应用。国内外已有城市测绘地理信息系统或测绘数据库正在运行或建设中。一批地理信息系统软件已研制开发成功（如GeoSTAR,CityStar,MapGIS等),一批高等院校已设立了一些与GIS有关的专业或学科，一批专门从事GIS产业活动的高新技术产业相继成立。些外，还成立了“中国GIS协会”和“中国GPS技术应用协会”等。我国地理信息系统方面的工作自80年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制订、区域试验研究、局部系统建立、初步应用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为在全国范围内展开地理信息系统的研究和应用奠定了基础。

地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划开始。地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。如全国性地理信息系统（或数据

库）实体建设、区域地理信息系统研究和建设、城市地理信息系统、地理信息系统基础软件或专题应用软件的研制和地理信息系统教育培训。通过近五年的努力，在地理信息系统技术上的应用开创了新的局面，并在全国性应用、区域管理、规划和决策中取得了实际的效益。

自90年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部实用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。努力实现基础环境数据库的建设，推进国产软件系统的实用化、遥感和地理信息系统技术一体化。在地理信息系统的区域工作重心上，出现了“东移”和“进城”的趋向，促进了地理信息系统在经济相对发达、技术力量比较雄厚、用户需求更为急迫的地区和城市首先实用化。这期间开展的主要研究及今后尚需进一步发展的领域有：重大自然灾害监测与评估系统的建设和应用；重点产粮区主要农作物估产；城市地理信息系统的建设与应用；建立数字化测绘技术体系；国家基础地理信息系统建设与应用；专业信息系统与数据库的建设和应用；基础通用软件的研制与建立；地理信息系统规范化与标准化；基于地理信息系统的数据产品研制与生产。同时经营地理信息系统业务的公司逐渐增多。

总之，中国地理信息系统事业经过十年的发展，取得了重大的进展。地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。

国外GIS的发展现状

GIS是六十年代中期开始发展起来的新技术。它最初为解决地理问题而起，至今已成为一门涉及测绘学科，环境科学、计算机技术等多学科的交叉学科。1963年加拿大测量学家R.F Tomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建成世界上第一个GIS(加拿大地理信息系统CGIS)，并用于自然资源的管理和规划。不久，美国哈佛大学提出了较完整的系统软件SYMAP。这可算是GIS的起步。进入70年代以后，由于计算机软硬件水平的提高,促使GIS朝着实用方向迅速发展，一些经济发达国家先后建立了许多专业性的GIS，在自然资源管理和规划方面发挥了重大的作用。如,从1970年到1976年，美国国家地质调查局就建成50多个信息系统。其他国家如加拿大、德国、瑞典和日本等国了相继发展了自己的GIS。80年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大的提高，它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用，成为辅助决策的工具，并促进了地理信息产业的形成。到1995年，市场上有报价的软件已达上千种，并且涌现出了一些有代表性的GIS软件。

地理信息系统的存在与发展已历经30余年。用户的需要、技术的进步、应用方法论的提高，以及有关组织机构的建立等因素，深深地影响着地理信息系统的发展。

GIS最新发展趋势 从系统角度看，在未来的几十年内，GIS将向着数据标准化（Interoperable GIS）、数据多维化（3D&4D GIS）、系统集成化（Component GIS）、系统智能化（Cyber GIS）、平台网络化（Web GIS）和应用社会化（数字地球DE）的方向发展。

Interoperable GIS 互操作地理信息系统（Interoperable GIS）是GIS系统集成平台，它实现在异构环境下多个地理信息的系统或其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。

3D&4D GIS 三维（四维）地理信息系统（3D&4D GIS）目前研究重点集中在三维数据结构的设计，优化与实现，以及体视化技术的运用，三维系统的功能和模块设计等方面。

Com GIS 面向对象和构件技术的地理信息系统（Com GIS）是把GIS的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终GIS应用。

Web GIS 基于WWW的地理信息系统（Web GIS）是利用Internet技术在Web上发布空间信息供用户浏览和使用。Web GIS系统可分为四部分：Web GIS信息代理，用以显示空间数据信息并支持Client端的在线处理；Web GIS信息代理，用以均衡网络负载，实现空间信息网络化；Web GIS服务器，用于满足浏览器的数据请求，完成后台空间数据库管理；Web GIS编辑器，提供导入空间数据库数据功能，形成完整的GIS对象，GIS模型和GIS数据结构的编辑和表现环境。Web GIS 是GIS走向社会化和大众化的有效途径，也是GIS发展的必由之路。

Cyber GIS < 赛博空间（Cyberspace）是以计算机技术、现代通信、网络技术、虚拟现实技术的综合应用为基础，构造出一种人们进行社会交往和交流的新型空间。在赛博空间中以这种空间智能体做为构成模块的GIS系统就是Cyber GIS，它自动地接受用户以高级的语言描述的指令，利用它能感知并作用于赛博空间的“本领”，通过与其它空间智能体的交互，为用户找到赛博空间中所需信息。

Digital Earth 它是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一地处理地球问题和最大限度地利用信息资源。数字地球是GIS的延伸，建立数字地球的核心技术包括GIS与数字库、遥感、遥测、信息技术等。遥感、遥测技术用来完成数据采集、处理和识别，GIS和数据库技术用于完成数据存贮、检索、集成、融合、综合和分析，从而完成数字地球的核心功能，光缆、卫星通信技术以及计算机网络等技术则完成海量空章数据的传输任务。