测绘学概论论文(武汉大学)
从数据信息到智能生活
——浅谈对测绘学科研究方向之一——地理信息系统的认识与想法
引言：作为大一新生，在进入的大学第一个学期内，在《测绘学概论》这门课程的学习过程中，我有幸聆听了走在测绘学科学术最前沿的各位院士、教授的讲座，感受到了学术大家的风范。武大测绘学科走过了一个甲子，其研究之广博、积累之深厚自然是毋庸置疑的，通过这门课程，我从不同的视角、不同的研究方向对测绘学这门学科有了基本的认识。而在这些测绘学科研究方向中，“地理信息系统”是与我所在的资源与环境科学学院联系最为紧密，也是我最感兴趣的一部分，因此，在这门课程将要结束之际，我选择了浅述对此研究方向的认识和自己受生活启发产生的一些想法，作为对我所学与所思的一次小结。
摘要：测绘学是与我们生产生活联系极为紧密的学科，而地理信息系统要完成的首要任务，则是基于测绘学基础，使相关信息能够在经过一定处理之后更好的服务于我们的生产生活。本文首先浅述了GIS（Geographical Information System）作为一个重要分支与测绘学之间的联系，随后总结了GIS这一测绘学学科前沿研究方向的相关信息。最后，根据笔者对GIS的认识，基于一些参考文献，提出了一些关于GIS应用的想法。
关键词：测绘学；地理信息系统；大数据处理；智能应用
1. GIS与传统测绘学科的联系
1.1概述
作为一门新兴边缘学科，地理信息系统（GIS）近些年的发展突飞猛进，自1963年加拿大测量学家R．T．Tomlinson首次提出并建立了当时世界上第一个GIS系统——加拿大地理信息系统CGIS来，经过三十多年的快速发展，GIS已经在航空航天、石油、地籍调查与管理、电力、城镇规划和军事等众多领域得到了广泛的应用和推广。
GIS在面向未来测绘事业的发展前景，即向智能化、集成化、自动化和网络化发展，以便适合于不同测量工作者的各种需要。
GIS已经成为测绘工作者不可或缺的工具和重要的助手，GIS的发展也促进了测绘学科的发展走上了一个全新的数字时代。
1.2测绘对GIS发展的推动
自从上世纪50—60年代解析测图仪、机助测图系统、全站式测量仪器将测量结果以数字的形式直接输入电子计算机以来，GIS系统的空间数据的采集和更新，就已经具备了必要的条件基础。
世界上第一个GIS系统是由加拿大政府测量机构完成的。1978年，国际测量师联合会(FIG)规定，第三委员会的主要任务是研究地理信息系统。国际摄影测量学会(ISP)在1970—1980年期间对地理信息系统中的数字地形模型fDTM，从理论到实践整整研究了十年。而后，建立了专门工作组从事数字测图和GIS工作，并用GIS系统为测绘工作服务。可以说，测绘的发展，推动了GIS的发展。
1.3GIS推动测绘的发展
测绘为GIS的数据采集和更新提供了丰富的数据源，但是常规的模拟方法是将测绘的结果表示在地形图上，这样就需要对地形图进行数字化即矢量化，以便能更好地被GIS系统识别、加工和存储。因此，随着GIS的发展，就要求测绘能实现及时地、快速地直接提供数字形式的数据。这样就促使常规的光学测量仪器向数字化测量仪器发展，导致了数字化测绘生产体系的建立，并推动GIS、全站式电子速测仪和数字摄影测量等技术的发展。
1.4面向未来测绘的GIS发展前景
1.4.1 GIS与GPS(全球卫星定位系统)和RS(遥感系统)的结合
GPS是一种利用卫星定位技术的快速、实时确定任一地面目标点空间坐标的系统，它与GIS的结合可以用来更新GIS的空间数据库。RS是GIS重要的数据库和数据更新的手段。这三者的结合是GIS发展的必然趋势。
1.4.2GIS向网络化发展
由于空间某一点是很多信息的集合，对于研究人员和测绘工作者来说，了解更多的信息是一件非常困难的事情，这就要求GIS系统向网络化发展，以便实现资源共享，满足不同测量工作者的需求。总之，GIS的发展，必将是面向不同层次的测量工作者更易于学习和应用的系统，而且必将促进测绘事业的发展，适合于未来数字测绘事业的发展需要。
2.关于地理信息系统（GIS）
2.1地理信息系统的概念
2.1.1地理现象及其信息处理
地球表面表现出来的各种各样的地理现象代表了现实世界。地理信息系统即是人们通过对各种地理现象的观察、抽象、综合取舍，得到实体目标，然后对实体目标进行定义、编码、结构化和模型化，形成易于用计算机表达的空间对象，以数据形式存入计算机内。
人们首先对地理现象进行观察，然后人们对它进行分析、归类、抽象与综合取舍。在分析、归类和抽象过程中，为了便于计算机表达，人们总是把它分成几种几何类型，如点、线、面、体空间对象，再根据它的属性特征赋以它的分类编码。最后再根据一定的数据模型进行组织和存储。而地理信息系统的核心技术正是利用计算机表达和管理地理空间对象及其特征。
2.1.2地理信息系统的含义
地理信息系统( Geographical Information System，GIS)是一种以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的信息系统。它主要涉及测绘学、地理学、遥感科学与技术、计算机科学与技术等。特别是计算机制图、数据库管理、摄影测量与遥感和计量地理学形成了GIS的理论和技术基础。
计算机制图偏重于图形处理与地图输出;数据库管理系统主要实现对图形和属性数据的存储、管理和查询检索; 摄影测量与遥感技术是对遥感图像进行处理和分析以提取专题信息的技术; 计量地理学主要利用GIS进行地理建模和地理分析。
2.2地理信息系统的发展
2.2.1地理信息系统的发展过程
20世纪50年代，由于计算机技术的发展，测绘工作者和地理工作者开始逐步利用计算机汇总各种来源的数据，借助计算机处理和分析这些数据，最后通过计算机输出一系列结果，作为决策过程的有用信息。
50年代末(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，以后许多国家的土地测绘部门都相继发展了土地信息系统。60年代末，加拿大建立了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS)，用于自然资源的管理和规划。之后，美国哈佛大学研制出SYMAP系统软件。尽管当时的计算机水平不高，但GIS中机助制图能力较强，它能够实现地图的手扶跟踪数字化以及地图数据的拓扑编辑和分幅数据拼接等功能。
进入20世纪70年代以后，计算机技术的迅速发展，推动了计算机的普及应用。一些发达国家先后建立了各种专业的土地信息系统和地理信息系统。与此同时，一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎。据统计，70年代有300多个应用系统投入使用。这期间，许多大学研究机构开始重视GIS软件设计和研究。
20世纪80年代是GIS普及和推广应用的阶段。由于计算机技术的发展，推出了图形工作站和微机等性能价格比大为提高的新一代计算机。计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。许多工业国家将土地信息系统作为有关部门的必备工具，投入日常运转。与卫星遥感技术相结合，GIS开始用于解决全球性问题，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象、全球气候与环境的变化监测等等。80年代中期，GIS 软件的研制与开发也取得了很大成绩，仅1989年市场上有报价的软件就有70多个，并且涌现出一些有代表性的GIS 软件。
进入20世纪90年代以后，随着微机和Windows的迅速发展以及图形工作站性能价格比的进一步提高，计算机在全世界迅速普及，一些基于Windows的桌面GIS软件将GIS 带入到各行各业，使地理信息系统得到广泛应用。
目前，无论是国外还是国内，地理信息系统都得到普及应用，成功的应用实例不胜枚举。
2.2.2当代地理信息系统的进展
当代地理信息系统在技术方面的进展主要表现在组件GIS、互联网GIS、多维动态GIS、移动GIS和地理信息共享与互操作等方面。
1.组件GIS
GIS基础软件可以定性为应用基础软件。它一般不作直接应用，而是需要根据某一行业或某一部门的特定需求进行二次开发。
2.互联网GIS
随着互联网( Internet)的发展，特别是万维网(World Wide Web，WWW)技术的发展，信息的发布、检索和浏览无论在形式上还是在手段上都发生了革命性的变化，给人们带来极大的方便。互联网为地理信息系统提供了新的操作平台，互联网与地理信息系统的结合，即Web GIS 是GIS发展的必然趋势。
3.多维动态GIS
传统的GIS都是二维的，仅能处理和管理二维图形和属性数据。随着技术的发展，三维建模和三维GIS迅速发展，而且具有很大的市场潜力。
4.移动GIS
随着计算机软、硬件技术的高速发展，特别是Internet和移动通信技术的发展，使得GIS 由信息存储与管理的系统发展到社会化的、面向大众的信息服务系统。
2.3地理信息系统的工程建设与应用
地理信息系统是一种应用非常广泛的信息系统。它可以用于土地、城市、资源、环境、交通、水利、农业、林业、海洋、矿产、电力、电信等各种信息的监测与管理，还可以用于军事上建立数字化战场环境。实际上，各行业、各部门建立的地理信息应用系统千差万别，所以通常情况下，要在地理信息系统基础软件上开发应用系统，但开发的模式与方法随地理信息系统的基础软件不同而有所差别。
2.3.1GIS的应用系统开发
随着计算机软件技术的发展，不同时期的GIS应用软件的体系结构是不完全相同的。当前的软件技术以组件技术为主。所谓组件是根据不同功能设计的软件模块，通过一种标准化的接口，组装成应用系统，就像汽车的零部件组装成汽车一样。通常，将基本功能，如数据采集、图形编辑、数据管理、空间查询、空间分析、地图制图等设计成组件，GIS应用系统再根据需要开发一些专用的功能组件，然后按应用系统的设计要求装配不同的组件模块，并设计出相应的系统界面，以供用户使用。
2.3.2GIS的主要应用领域
GIS在许多方面都有广泛应用，凡是与地理空间位置相关的领域都要应用地理信息系统。它主要应用于两大方面:地理分析和空间信息资源的管理与应用。
地理分析主要用于地理科学研究和辅助决策方面，例如:利用GIS分析城市的扩展模型，
开展土地适应性评价的研究，以及生态与环境变迁的研究等等。
空间信息资源的管理与应用一般指GIS的工程应用，目前已在许多方面获得了应用，例如：国土资源管理、城市规划与管理、水利资源与设施管理、电子政务、交通、旅游、数字化战场环境等等。
3.对GIS应用的思考——Collaborative Filtering（协同过滤）与GIS
3.1 Collaborative Filtering的概念
个性化推荐(personalized recommendation)技术通过研究不同用户的兴趣, 主动为用户推荐最需要的资源，从而更好地解决互联网信息日益庞大与用户需求之间的矛盾。协同过滤(collaborative filtering)是迄今为止应用最成功的个性化推荐技术。它的基本思想是根据用户兴趣的相似性来推荐资源, 把和当前用户相似的其他用户的意见提供给当前用户。其优点是无需考虑资源的表示形式，并能为用户发现新的感兴趣的资源。
简单来说，协同过滤是通过将过滤操作在一大群人中扩散，从而过滤大量信息并获得相应结果的一种机制。
协同过滤基于以下的两个基本原则之上：
1. 群体智慧与大数据效应
通过分析汇总大量个体在特定问题上的选择和由这些选择所构成的大数据，我们可以得到一个对该特定问题来说较为合理、较为符合某些群体偏好倾向的决策，并且这个决策会随着参考数据变多而变得更为智慧。
2.关联性分析与智能推荐
基于单个个体与其他参与者的关联性信息，我们可以分析出某一类个体的偏好，并更进一步，推测出该群体可能感兴趣的其他信息，从而创造一个基于协作过滤方式的智能推荐引擎。
一个具有以偏好为基础的推荐功能的过滤系统，本质上来说，是社会化网络的未来。目前, 协同过滤方法已经被广泛应用到电子商务、数字图书馆、新闻网站、影音应用等系统中并取得了一定成果。
3.2对Collaborative Filtering与GIS结合应用的思考
在当前这个“信息爆炸”的时代，通过Collaborative Filtering来进行处理大数据，最终实现智能决策与分析，已经在相当一部分服务型软件中得到了应用，而在GIS应用方面，目前的应用实例还不多，可以预想的是，大量的地理信息数据如果经过Collaborative Filtering处理，
会使具有GIS模块的软件更加个性化、更加智能。
与传统应用方式不同的是，要对GIS软件所收集的信息进行处理，实质上便是对个人位置信息数据进行处理，特定个体在某一位置出现的频率，事实上代表了其在进行各种生活活动时的位置偏好。
如今，全球导航卫星系统（GNSS）系统的快速发展结合电子商务、电子支付的逐渐流行、无线网络的大范围覆盖，我们可以准确定位并分析出某个公共区域的相关信息。例如，结合上述系统，我们可以准确的定位出特定个人所处的位置，以及其在该位置所进行的生活活动——饮食、购物、旅游、娱乐等等，从而分析出该个体在进行某些生活活动的特殊位置偏好，其个人在位置选择上的实践，实际上就是Collaborative Filtering的过程。最终，基于大量的个体的位置信息，我们可以根据位置偏好的相似度，划分用户群体，并在相似群体内给其中的特定个体提供准确的智能推荐与决策服务。
需要注意的是，仅仅靠GIS所获取的个人地理信息来完成Collaborative Filtering系统的构建可能会存在很大的困难与误差，但如果将其与特定个体在其他具有Collaborative Filtering功能应用中所表现出的个人特征信息结合，一方面，我们可以更好的确定该个体的个人属性，另一方面，可以使具有GIS模块的软件的智能推荐与决策功能更加准确与个性化。例如：通过在其他应用中收集到的信息，我们可以确定一个个体的收入水平、生活习惯、消费习惯、受教育程度、文化与娱乐兴趣偏好等等个人信息，并将这些数据与个人位置信息相结合，最终实现基于GIS数据的智能推荐与决策——“与你相似的人选择了这条度假路线”、“你可能会对这家店感兴趣”
总而言之，GIS推动了测绘信息的数字化，而将Collaborative Filtering与GIS相结合，也许我们就能最终实现GIS的个性化、智能化。
4.小结
经历了一学期对《测绘学概论》的学习，我不仅对测绘学有了一个大概的认识，也体会到了武汉大学测绘学院各位院士、教授的学术精神与大家风范。总而言之，在这门课程的学习中，我既有知识上的收获，也有治学精神上的收获，可谓是受益匪浅。
在当今的社会生产生活中，许多方面都离不开测绘学的帮助，作为一门对信息进行收集与处理的学科，测绘学着眼于基础数据测量，同时又拥有着广泛的应用范围。在这一学期的学习中，我认识到了测绘学科深厚广博而又科学严谨的学科特点。
其次，作为资源与环境科学学院的一名新生，我也认识到了本学院GIS方向专业与测绘学科的紧密联系，明白了开设这门课程的重要意义。GIS作为测绘学的研究方向之一，以测绘学为基础，同时又有着其独特的学科特点。可以说，两者相辅相成，测绘学的发展为GIS打下了坚实的基础，而GIS的发展又拓宽了测绘学的应用领域。
最后，结合我对这门课程与自己生活中受到的一些启发，我认为，建立在测绘学基础上的GIS在未来的信息社会中还会有更广泛、更为智能的应用，Collaborative Filtering也许就是实现这一目标的手段之一。我对Collaborative Filtering最早的认识来源于日常使用的音乐软件，可以说，该方法在此类软件中的应用让我体会到了个性化推荐的强大效果。而放眼于我所学习的专业中，我发现，一个人在日常生活中所产生的各种位置信息，实质上也可以看作是带有偏好性的Collaborative Filtering过程，将两者结合起来，也许会在未来产生出人意料的效果。
需要说明的是，从最初的一个想法到这篇我选择建立在这个想法上的期末论文作业，由于目前个人知识储备的不足，我查阅并引用了一些学术著作、网络文章，在这篇小论文中，可能会有一些错误的概念理解，抑或是学术上的专业性错误，但基本上，文章所呈现的思路完整阐述了我的个人想法。
回顾这一学期的学习，我对测绘学，尤其是其中的某些研究方向产生了兴趣。未来测绘学还有未知而光明的研究前景，吾生也有涯，而知也无涯，以有涯之生做二三事，正是我在未来的学习中的目标。
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