地理信息系统的发展趋势

浅谈地理信息系统的发展趋势

摘要：地理信息系统(GIS)是随着计算机技术发展而形成的一门新兴技术,计算机技术正以前所未有的速度迅速发展,GIS应用程度和应用范围随之深入扩大,正处于急剧变化与发展之中。本文结合当前信息技术发展的特点,分析GIS的发展趋势及其主要功能。

关键词:地理信息系统(GIS) 网络GIS 开放式GIS 虚拟GIS

1引言：

地理信息系统(GIS, Geographic Information System)是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间地理分布有关的数据信息的计算机系统。它由硬件、软件、数据和用户有机结合而成。它的主要功能是实现地理空间数据的采集、编辑、管理、分析、统计与制图等。GIS始于60年代的加拿大与美国,尔后各国相继投入了大量的研究工作；自80年代末以来,特别是随着计算机技术的迅速发展,地理信息的处理、分析手段日趋先进,GIS 技术日臻成熟,已广泛地应用于城市规划、市政管理、政府管理、环境、资源、交通、公安、灾害预测、经济咨询、投资评价和军事等与地理信息相关的几乎所有领域。随着信息技术尤其是计算机技术的快速发展、数字地球(DigitalEarth)的提出与实施,以及GIS应用程度的不断深入和应用范围的逐渐扩大,GIS正处于急剧变化与发展之中,并对GIS提出了许多新的要求。本文就目前地理信息系统的热点问题进行介绍、分析和总结。

2 计算机技术对GIS发展趋势的影响

GIS技术依托的主要平台是计算机及其相关设备。进入90年代以来,计算机核心部件CPU的处理速度愈来愈快、性能价格比更高;其存储器可实现将大型文件映射至内存的能力,且能存储海量数据。随着多媒体技术、空间技术、虚拟实景、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术以及三维图形芯片、大容量光盘技术与宽频光纤通讯技术的突破性进展,特别是消除数据通讯瓶颈的卫星互

联网的建立,以及能够提供接近实时对地观测图像的高分辨、高光谱、短周期遥感卫星的大量发射,所有这些为GIS技术的广泛、深入应用展示了更加光明的前景。同时,也使得当前的GIS已不能满足信息时代、数字时代的要求,目前GIS 总体上呈现出网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势。

2.1网络GIS(WebGIS)

计算机网络技术的最新发展使得在网络上实现GIS应用日益引起人们的关注,建立万维网GIS(WWWGIS或WebGIS)是近年来GIS研究领域的一个前沿课题。IntranetGIS是指在Intranet的信息发布、数据共享、交流协作基础之上实现GIS的在线查询和业务处理等功能。Web分布式交互操作是工作重点。由于速率、安全性及面向业务处理等关键要素IntranetGIS正在Intranet上获得广泛应用,利用Java、CGI、Plug/ins等开发技术,使企业用户直接通过Browser对GIS数据进行访问,实现编辑修改、检索查询、信息分析、制图输出等GIS基本功能。网络GIS 是当前GIS的一个重要发展方向。目前,WWWGIS的建设面临四个方面的挑战:网上数据发布、网上数据互操作、网上数据采掘和网上数据管理及安全性。

与传统的GIS相比, WebGIS具有以下特点:

(1)适应性强。WebGIS是基于互联网的,因而是全球或区域性的,能够在不同的平台运行。

(2)应用面广。网络功能将使WebGIS应用到整个社会,真正实现GIS的无所不能、无处不在。

(3)现势性强。地理信息的实时更新在网上进行人们能得到最新信息和最新动态。

(4)维护社会化。数据的采集、输入、空间信息的分析与发布将是在社会协调下运作,可采用社会化方式对其维护以减少重复劳动。

(5)使用简单。用户可以直接从网上获取所需要的各种地理信息,方便地进行信息分析,而不用关心空间数据库的维护和管理。网络GIS可实现网上发布、浏览、下载,实现基于Web的GIS查询和分析。尽管目前已有多家国内外公司推出WebGIS,总体说来,WebGIS尚处在试验研究阶段,其最终目标是实现GIS与网络技术的有机结合,从而成为大众使用的技术和工具。

IntranetGIS发展甚为迅速,主要基于以下优势:

(1)大规模降低成本,全面取代桌面GIS系统。

(2)将企业成员的交流合作与GIS专业操作有机地结合,构成企业群体生产力。

(3)用页面取代窗口,使系统简单易用,降低了专业操作的难度。

(4)充分利用网络资源,对于复杂的处理,诸如大规模查询,则交由服务器执行,而数据量较小的简单操作则由客户端完成。

IntranetGIS与外部数据的动态链接采用了两种方式,即对网络中的GIS空间数据的访问采用GIS空间数据协议;对Web数据库的访问采用JDBC或JavSQL 的访问方式。IntranetGIS与Web数据库的动态链接主要价表现在与关系型数据库的链接方面,这是由于政府、企业等组织的最有值的信息一般都存储在Sybase、Oracle、DB2等商业数据库中,这种先期的信息管理方式将促使政府、企业继承原平台。另外,关系型数据库了适应处理多媒体数据的DataBlade技术,各种关系型数据库均推出了比较完善的Intranet解决方案。

2.2开放式GIS开放式地理信息系统(OpenGIS)

开放式GIS开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下,根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统内流动,还能在系统间流动。OpenGIS是为了使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性,以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。OpenGIS规范是由开放地理信息系统协会(OpenGISConsortium,简称OGC)制定的一系列开放标准和接口。OGC由商业部门、政府机构、用户以及数据提供商等多个领域的成员组成,以获取地理信息处理市场最大的互操作。OGC的目的是通过信息基础设施,把地理空间数据资源集成到主流的计算技术中,促进可互操作的商业地理信息处理软件的广泛应用。OpenGIS规范提供了地理信息及处理标准,按照该规范开发的各个系统之间可以自由地交换地理信息和处理功能。

为此,OpenGIS要具有下列特点:

(1)互操作性:不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。

(2)可扩展性:硬件方面可在不同软件、不同档次的计算机上运行,软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。

(3)技术公开性:开放思想主要是对用户公开,公开源代码及规范说明是重要的途

径之一。

(4)可移植性:独立于软件、硬件及网络环境,不需修改便可在不同的计算机上运行。

除此之外,还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。OGC促进了GIS的互操作。它通过规范,改变了地理数据及其服务的处理方式,通过互操作的开放式系统将它们集成,从而在Intranet/Internet环境下,通过分布式平台从异构信息中直接获取信息。OGC促进了地理数据提供者、厂商和服务商之间的联合,推动了全球范围内的标准化进程,拓宽了地理数据服务市场。OpenGIS技术将使GIS始终处于一种有组织、开放式的状态,真正成为服务于整个社会的产业以及实现地理信息的全球范围内的共享与互操作,是未来网络环境下GIS技术发展的必然趋势。

2.3 虚拟GIS(VGIS)

虚拟GIS就是GIS与虚拟现实技术(VirtualReality)的结合。VR技术是当代信息技术高速发展,并与其他技术集成的产物,是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟技术的一个特点是将过去认为只擅长于处理数字的单维信息的计算机发展成也擅长于处理适合人的特性的多维信息的计算机。G.Burdea(1993)提出虚拟技术是由沉浸-交互-构想(immersion-interaction-imagination),即“I3”组成,它强调人的主导作用。虚拟技术的基础是:高级的三维图形技术、问题求解工具、多媒体技术、网络通信技术、数据库、信息系统、专家系统、面向对象技术和智能决策支持系统等技术的集成。由于技术的限制,目前还未能开发出适用于遥感和GIS用户需要的真3维可视化的数据分析软件包。GIS与虚拟环境技术相结合将使GIS更加完美。GIS用户在计算机上就能观察到真3维的客观世界,在虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。目前虚拟GIS的研究主要集中在虚拟城市。

2.4 多媒体GIS多媒体技术（MGIS）

(Multia-Media)是一种集声、像、图、文、通讯等为一体,并以最直观的方式表达和感知信息,以形象化的、可触摸(触屏)的甚至声控对话的人机界面操纵信

息处理的技术。应用多媒体技术对GIS的系统结构、系统功能及应用模式的设计产生极大的影响,使得GIS的表现形式更丰富、更灵活、更友好。多媒体地理信息系统(MGIS)将文字、图形(图像)、声音、色彩、动画等技术融为一体,为GIS应用开拓了新的领域和广阔的前景。它不仅能为社会经济、文化教育、旅游、商业、决策管理和规划等提供生动、直观、高效的信息服务,而且将使电脑技术真正走进人类社会生活。多媒体技术在GIS领域的深入应用,乃至出现具有良好集成能力的MGIS是技术发展的必然。

2.5 三维GIS（3DGIS）

在许多地学研究中,人们所要研究的对象是充满整个3D空间的,如大气污染、洋流、地质模型等,必须用一个(X,Y,Z)的3D坐标来描述。在3DGIS中,研究对象是通过空间X、Y、Z轴进行定义,描述的是真3D的对象。随着计算机技术和GIS在许多行业诸如城市地下管网、空间规划、景观分析、地质、矿山、海洋、无线通信覆盖范围分析等对三维GIS的需求日益迫切,3DGIS的理论和应用近年来受到许多学者的关注。到目前为止,虽然有3DGIS系统问世,但其功能远远不能满足人们分析问题的需要,主要原因是3DGIS理论不成熟,其拓扑关系模型一直没有完全解决;另外三维基础上的数据量十分大,很难建立一个有效的、易于编程实现的三维模型;计算机海量数据的处理为三维GIS提供了基础。

2.6 时态GIS（TGIS）

时态GIS人们都在一定的空间和时间环境中生存并从事各种社会活动。从信息系统尤其是GIS的实用角度出发,时间可以看成是一条没有端点、向过去和将来无限延伸的线轴,它是现实世界的第四维。时间和空间不可分割地联系在一起,跟踪和分析空间信息随时间的变化,应当是GIS的一个合理目标。这样的GIS就被称为时态GIS(TemporalGIS)。记录历史数据有时候是非常重要的。笔者有过为解决法律纠纷查阅历史性地形图判断某处在某个时候是否存在深坑的经历。在GIS中也要经常查询历史,最明显的例子就是宗地,一块宗地可能经过许多次的买卖或变化。在土地纠纷中,人们需要详细的历史记录作为法律依据。GIS在环境应用中,也经常需要用到多时态的信息对环境进行综合评价。所以,研究GIS

的时态问题则成为当今GIS领域的一个重要方向。TGIS不仅应包括回顾过去的历史数据,还应包括展望未来的规划数据。时态GIS的组织核心是时空数据库,其概念基础则是时空数据模型。时空数据结构的选择应以不同类型的时空过程和应用目的作为出发点。虽然人们已分别在时态数据库和空间数据库研究方面取得很大进展,但是"时态"+"空间"≠"时空",两者难以简单地组合起来,这导致了时态GIS研究与应用的困难。作为一种系统方法,时态GIS的研究和应用还有很长的路要走。

2.7组件式GIS

GIS软件属大型软件,开发一套功能完备的GIS软件是一项极其复杂的工程。如何合理地组织GIS软件的结构,一直是GIS软件技术专家们研究的问题。它的发展大体经历了如下历程:GIS模块、集成式GIS、模块化GIS和核心式GIS。当前计算机软件控件技术(ActiveX控件,其前身OLE控件)为GIS软件提供了一种新的开发模式。组件化GIS基于标准的组件式GIS平台,各组件之间不仅可以自由、灵活地重组,而且具有可视化的界面和方便的标准接口。其特征主要体现在: (1)高效无缝的系统集成,允许将专业模型、GIS控件、其它控件紧密地结合在统一的界面下。

(2)无须专门的GIS开发语言,只要掌握基于Windows开发的通用环境,以及组件式GIS各控件的属性、方法和事件,就能完成应用系统的开发。

(3)大众化的GIS用户可以象使用其它ActiveX控件一样使用GIS的控件,使非专业的GIS用户也能胜任GIS应用开发工作。

(4)开发成本低,非GIS功能可以利用非专业控件,降低了系统的成本。

3 结束语

作为一种基于计算机的应用工具,GIS把地图的视觉和空间地理分析功能与数据库功能集成在一起,提供了一种对空间数据进行分析、综合和查询的智能化手段。当前计算机技术的发展使GIS的发展主要呈以上几种趋势外,GIS软件与建筑及规划设计CAD、办公自动化、统计分析等软件系统的集成等都是GIS研究与发展的热点。上述这些GIS的发展趋势并不是孤立的,而是相互影响、相互

促进,它涉及多学科的相互渗透、相互支撑。其作用就是促进地理信息产业的建设与发展,更好地为人类了解和保护人类赖以生存的环境服务。面对今天的计算机技术的快速发展,面对GIS充满生机与活力的前景,我们应该进一步面向世界、抓住机遇、探索规律、创造性地促进GIS技术与产业的发展。可以预见,随着计算机技术的发展,信息高速公路的建成,一个以地理信息系统为平台,以信息高速公路为纽带的"数字地球",必将为人类信息交流与共享提供一种全新的方式。

参考文献

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