地理信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
2013-12-09 23:10:22 來源: 王慶華，郝偉 作者：
摘要：隨著地理信息系統(tǒng)(GIS) 技術在各個應用領域的推廣使用，GIS技術與地理空間信息的表示、處理、分析和應用手段的不斷發(fā)展緊密相連，形成了各種不同功能的GIS系統(tǒng)軟件。介紹了GIS的定義，分析了當前GIS的應用方向和發(fā)展狀況，并著重闡述了GIS今后的發(fā)展趨勢及其應用領域。
關鍵詞：地理信息系統(tǒng)(GIS) ；地圖學；空間數(shù)據庫；虛擬空間
中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1005-8141(2005)01-0028-03
Development Trend of Geographic Information System
WANG Qing - hua，HAO Wei
（Geoscience College ，Yangtze University，Jingzhou 434023）
Abstract :With abroad application of GIS technology in every application field , different functional GIS software were formed on the base of close contact between GIS technology and ceaseless development of express ,disposal ,analyse and application measure of geographic space information. This paper introduced the definition of GIS and analyzed the application direction and development of today’s GIS ,em2 phasized the future development trend of GIS and its application field。
Key words :geographic information system (GIS) ; carpology ; space database ; dummy space
WANG Qing - hua，HAO Wei
（Geoscience College ，Yangtze University，Jingzhou 434023）
Abstract :With abroad application of GIS technology in every application field , different functional GIS software were formed on the base of close contact between GIS technology and ceaseless development of express ,disposal ,analyse and application measure of geographic space information. This paper introduced the definition of GIS and analyzed the application direction and development of today’s GIS ,em2 phasized the future development trend of GIS and its application field。
Key words :geographic information system (GIS) ; carpology ; space database ; dummy space
1 地理信息系統(tǒng)的定義
地理信息系統(tǒng)(GIS) 是采集、存儲、管理、檢索、分析和描述整個或部分地球表面與空間地理分布數(shù)據的空間信息系統(tǒng)[1] 。它是一種能把圖形管理系統(tǒng)和數(shù)據管理系統(tǒng)有機地結合起來的信息技術，既管理對象的位置又管理對象的其它屬性，而且位置和其它屬性是自動關聯(lián)的。它最基本的功能是將分散收集到的各種空間、非空間信息輸入到計算機中，建立起有相互聯(lián)系的數(shù)據庫。當外界情況發(fā)生變化時，只要更改局部的數(shù)據，就可維持數(shù)據庫的有效性和現(xiàn)實性。GIS是一種空間數(shù)據庫管理系統(tǒng)，是一個動態(tài)系統(tǒng)，所以不能簡單地把它同地圖數(shù)據庫混為一談。目前，GIS帶動的產業(yè)急劇膨脹，已經深入到市政工程、企業(yè)決策、資源管理、交通運輸、醫(yī)療保健、郵電通信、公安急救、市場銷售、金融保險、石油化工、水利電力、環(huán)境保護、旅游、科研、教育等各個方面。
2 GIS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用領域
2. 1 發(fā)展現(xiàn)狀
GIS技術的創(chuàng)立和發(fā)展，與地理空間信息的表示、處理、分析和應用手段的不斷發(fā)展緊密相連。地理信息系統(tǒng)起源于地圖，它們都是地理信息的載體，具有獲取、存儲、編輯、處理、分析與顯示地理數(shù)據的功能。
地圖是地理學的第二代語言，而GIS將成為地理學的第三代語言。GIS是在地圖學的基礎上發(fā)展起來的，可分為以下幾個階段：①開拓發(fā)展階段。20世紀60年代，由于計算機硬件系統(tǒng)功能較弱，限制了軟件技術的發(fā)展。這一時期的軟件主要是針對當時的主機和外設開發(fā)的，算法粗糙,圖形功能有限。②鞏固階段。20世紀70年代，計算機硬件和軟件技術飛速發(fā)展，為空間數(shù)據的錄入、存儲、檢索和輸出提供了強有力的手段。用戶屏幕和圖形、圖像卡的發(fā)展增強了人機對話和高質量的圖形顯示功能，促使GIS朝著使用方向迅速發(fā)展。由于這一時期GIS的需求增加，地圖數(shù)字化輸入技術有了一定的進展，采用人機交互方式，易于編輯修改，提高了工作效率，并出現(xiàn)了掃描輸入技術系統(tǒng)，圖形功能擴展不大，數(shù)據管理能力較小。這一時期軟件最重要的進展是人機圖形交互技術的發(fā)展。③突破階段。隨著計算機軟件、硬件技術的發(fā)展和普及，GIS也逐漸走向成熟，這一時期是GIS發(fā)展的重要時期。GIS軟件技術在柵格掃描輸入的數(shù)據處理、數(shù)據存儲和運算方面有了很大的突破。隨著硬件技術的發(fā)展，GIS軟件處理的數(shù)據量和復雜程度大大提高，許多軟件技術固化到專用的處理器中，而且遙感影像的自動校正、實體識別、影像增強和專家系統(tǒng)分析軟件也明顯增加。在數(shù)據輸出方面，與硬件技術相配合，G1S軟件可支持多種形式的地圖輸出。在地理信息管理方面，除了DBMS技術已經發(fā)展到支持大型地圖數(shù)據庫的水平外，專門研制的適合GIS空間關系表達和分析的空間數(shù)據庫管理系統(tǒng)也有了很大發(fā)展。④社會化階段。進入20世紀90年代，隨著地理信息產業(yè)的建立和數(shù)字化信息產品在全世界的普及，GIS已經成為許多機構必備的工作系統(tǒng)，尤其是政府決策部門在一定程度上受GIS影響改變了現(xiàn)有機構的運行方式、設置與工作計劃等。而且，社會對GIS的認識普遍提高,需求大幅度增加，從而導致GIS應用的擴大與深化。自20世紀90年代以來，我國GIS步入快速發(fā)展階段。它為國民經濟重大問題提供了分析和決策依據，同時GIS的研究和應用正逐步形成行業(yè)，具備了走向產業(yè)化的條件。
2. 2 應用現(xiàn)狀
由于GIS是用來管理、分析空間數(shù)據的信息系統(tǒng)，所以幾乎所有使用空間數(shù)據和空間信息的部門都可以應用GIS[2] 。目前，GIS系統(tǒng)已經被應用到環(huán)境模型建立、城市規(guī)劃與管理、社會經濟統(tǒng)計與分析、土地管理、地理測繪與管理、交通與管道管理等與空間信息密切相關的各個方面。GIS的主要應用領域有：①城市基礎設施管理。城市基礎設施主要是指城市地下管道(包括自來水管道、污水排放管道、煤氣管道等) 、城市供電網、通信網絡、郵政網點、道路與交通設施等。由于這些設施同時具有與幾何和空間位置相關的特性,建立基于GIS系統(tǒng)的信息系統(tǒng)能夠提高對這些設施的管理水平，同時還能極大地提高設計與施工、設備維護與故障排除、線路改造等方面的效率，從而產生巨大的經濟效益和社會效益。②環(huán)境保護與管理。主要用GIS系統(tǒng)建立環(huán)境模型和環(huán)境信息系統(tǒng)，對環(huán)境的變化及發(fā)展趨勢進行預報分析，同時通過統(tǒng)計分析及模擬研究為環(huán)境保護提供決策依據。此外，GIS系統(tǒng)技術也被用來建立植物種類與棲息地及環(huán)境因素有關的信息系統(tǒng)。③社會調查與統(tǒng)計分析。GIS系統(tǒng)在國外已被廣泛應用于人口學、選舉、人文地理等方面，我國也開始開展這方面的研究和應用工作。④土地信息系統(tǒng)的建立。GIS系統(tǒng)最早是從土地信息系統(tǒng)LIS建立過程中發(fā)展起來的,而大量高質量GIS系統(tǒng)軟件平臺的出現(xiàn)又促進了土地信息系統(tǒng)的建立。目前基于GIS系統(tǒng)軟件平臺的土地信息系統(tǒng)，無論是圖形處理、空間分析與統(tǒng)計、屬性信息存儲與查詢、統(tǒng)計報表生成、決策支持等方面都比早期的土地信息系統(tǒng)有較大的改進。⑤在軍事領域中的應用。GIS系統(tǒng)已被廣泛地應用到軍事領域，包括數(shù)字化軍事地圖和定位系統(tǒng)、集團軍可視化指揮、模擬訓練等。最典型的范例是美國工程兵地形研究室開發(fā)的三維地形模擬GIS系統(tǒng)，已被成功地運用于美軍在世界范圍的導彈制導體系中。
3 GIS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
GIS系統(tǒng)是一門綜合性的技術，也是一種對空間數(shù)據進行采集、存儲、更新、分析、輸出等處理的工具，而軟件是GIS系統(tǒng)的核心。GIS軟件體系主要指GIS軟件的組織方式，它依賴于一定的軟件技術基礎，并決定了GIS系統(tǒng)軟件的應用方式、集成效率等許多方面的特點。從發(fā)展歷程看，GIS系統(tǒng)應用軟件技術體系可以劃分為GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS、核心式GIS、組件式GIS和萬維網GIS系統(tǒng)6個階段[3] 。隨著計算機和互聯(lián)網技術的發(fā)展以及應用領域的擴展，GIS的應用軟件系統(tǒng)發(fā)展很快，從而構建了各種不同用途和功能的GIS系統(tǒng)。目前以GIS軟件發(fā)展為特征的系統(tǒng)主要呈現(xiàn)以下幾種趨勢。
3. 1 組件式GIS(ComGIS) 系統(tǒng)
這種新的GIS系統(tǒng)開發(fā)思路是將GIS系統(tǒng)功能分散制作成ActiveX Cont rol和Automation，這些標準的ActiveX Cont rol和Automtion可以被任何支持它們的開發(fā)環(huán)境所調用，以便在原有的或新開發(fā)的信息系統(tǒng)中加入GIS系統(tǒng)功能。組件軟件的可編程和可重用特點為系統(tǒng)開發(fā)商提供了方便的二次開發(fā)手段，將在很大程度上推動GIS軟件的系統(tǒng)集成化和應用大眾化。同時Com GIS也很好地適應了網絡技術的發(fā)展，是一種WebGIS的解決方案。它所涉及的關鍵技術包括各種組件技術的集成、通用性和可移植性的研究，因此利用Chaponents技術更容易建立Internet GIS或Intranet GIS信息系統(tǒng)。
3. 2 WebGIS 系統(tǒng)
眾所周知，信息高速公路的建立極大地方便了世界各地用戶之間的信息交換與信息查詢。由于GIS系統(tǒng)具有豐富的空間查詢、空間分析及屬性管理功能，因此GIS系統(tǒng)正在成為Internet 或Int ranet 的一個主要內容。隨著Internet 技術的不斷發(fā)展和人們對GIS系統(tǒng)的需求，把GIS系統(tǒng)與網絡技術相融合，利用Internt在Web上發(fā)布空間數(shù)據，為用戶提供空間數(shù)據瀏覽、查詢和分析的功能，形成一個網絡化的地理空間集成平臺，已經成為GIS 系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。WebGIS系統(tǒng)的概念是Internt技術應用于GIS領域的產物。GIS系統(tǒng)通過WWW功能得以擴展，真正成為一種大眾使用的工具。通過WWW的任意一個節(jié)點， Internet用戶就可以測覽WebGIS系統(tǒng)站點的空間數(shù)據、制作專題圖,以及進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS系統(tǒng)進入千家萬戶。
3. 3 GIS系統(tǒng)、多媒體數(shù)據與GPS和RS的集成
通過GIS系統(tǒng)與多媒體數(shù)據、GPS 系統(tǒng)、RS系統(tǒng)的集成，將使基于空間數(shù)據的信息管理系統(tǒng)變得更加靈活多樣，并極大地拓寬信息來源渠道，方便用戶對各種信息的存儲與管理，同時也能夠建立起更加科學的決策系統(tǒng)。目前在GIS系統(tǒng)中可以使用多種形式的多媒體數(shù)據，如Excel電子報表、Word文檔資料、像片、影像、影視片及GPS動態(tài)數(shù)據。
3. 4 OpenGIS系統(tǒng)
目前，一種多用戶、跨平臺的OpenGIS技術正在被國外的許多研究機構、政府部門和高等院校研究和開發(fā)利用。開放型GIS系統(tǒng)的研究和應用使各政府部門及企業(yè)之間不同格式的數(shù)據能夠方便地互訪，有利于建立網絡GIS系統(tǒng)及分布式GIS系統(tǒng)空間數(shù)據庫，大大拓寬GIS系統(tǒng)的應用領域及其功能。
3. 5 3D and 4D GIS系統(tǒng)
由于地球以及各種物體都是以三維空間的形式存在的，因此目前二維GIS系統(tǒng)技術或H維半(平面x ,y坐標加高程) GIS系統(tǒng)對于完整描述地球上的對象就有一定限制。需要用三維空間來描述的應用領域有如下幾方面:氣象學、地質學、采礦學、石油勘探與開發(fā)、CAD/ CAM、醫(yī)學影像和機器人學等。一個三維GIS系統(tǒng)空間信息系統(tǒng)應該能夠模擬、表示、管理、分析與三維實體相關的信息，并提供決策支持。因此，如何設計并運用4DGIS來描述、處理地理對象的時態(tài)特征也是一個重要研究領域。它所涉及的關鍵技術是：3Dand 4D的建模技術，數(shù)據模型的研究，海量數(shù)據的存貯、管理、訪問，顯示空間索引技術，三維顯示技術與科學計算可視化技術的集成，面向對象的空間數(shù)據庫的研究，面向對象的空間數(shù)據庫與三維實時顯示技術的集成。
3. 6 新型的GIS系統(tǒng)空間數(shù)據庫管理系統(tǒng)
這是建立大型GIS系統(tǒng)空間數(shù)據庫的新方法。GIS系統(tǒng)一般由兩個部分組成：一是應用程序，它包括專門的GIS系統(tǒng)應用軟件以及用標準或非標準程序語言開發(fā)的用戶界面及系統(tǒng)工具；一是數(shù)據。在GIS系統(tǒng)中，空間數(shù)據庫的建立是一項非常復雜的工作，目前大多數(shù)GIS系統(tǒng)在處理空間數(shù)據和屬性數(shù)據時都是將兩者分開存放和管理，比如在Maplnfo系統(tǒng)中用.map文件來存放幾何和空間數(shù)據，而用.dat文件來存放空間實體的屬性數(shù)據；又如在ArcView系統(tǒng)中用.shp文件來存放幾何和空間數(shù)據，而用DBF數(shù)據庫文件來存放屬性數(shù)據。上述數(shù)據管理和存放方式對于小型的GIS系統(tǒng)有一定的優(yōu)越性，但對建立以面向對象為基礎的大型GIS系統(tǒng)來說存在很多缺陷。因此，現(xiàn)在已出現(xiàn)一些新型的GIS空間數(shù)據庫管理系統(tǒng)，這些新的系統(tǒng)將空間數(shù)據與屬性數(shù)據存放在同一個數(shù)據庫管理系統(tǒng)中。如Oracle開發(fā)的SDO和ESRI開發(fā)的SDE(Spatial Data Engine) 都屬于這種類型的空間數(shù)據庫系統(tǒng)。
3. 7 空間數(shù)據倉庫(Spatial Data Warehouse)
空間數(shù)據量非常大，而且數(shù)據大都分散在政府、私人機構、公司的各個部門，數(shù)據的管理與使用就變得非常復雜，但這些空間數(shù)據又具有極大的科學價值和經濟價值，因此大多數(shù)發(fā)達國家都比較重視空間數(shù)據倉庫的建立工作，許多研究機構和政府部門參與到空間數(shù)據倉庫建立的研究工作中。目前，在北美、歐洲、澳大利亞等國提出了(國家) 空間數(shù)據基礎設施(SDI) 或NSDI的概念。國際上對地理空間數(shù)據基礎設施建設十分重視，我國國家測繪局也積極地推進SDI 的建設工作，并提出了規(guī)劃模式，部分內容已經在實施當中。
3. 8 虛擬現(xiàn)實
虛擬現(xiàn)實(VR) 是目前GIS系統(tǒng)研究領域的另一重要方向。虛擬現(xiàn)實是對人類真實世界某一部分或某一過程的逼真模擬,給人提供視覺、聽覺、觸覺、力覺、嗅覺等信息，令人完全置身于虛擬世界中，感受與現(xiàn)實系統(tǒng)一致或接近，從而讓人產生一種雖幻猶真的沉浸感。美國MultiGen公司生產的MultiGen軟件已可以利用地理信息中心的數(shù)字地形海拔數(shù)據(DTED) 、數(shù)字文化特征數(shù)據(DFAD) 和與之配套的航空或衛(wèi)星照片，快速、高效地構造任何地區(qū)的地形地貌和文化特征。
4 結論
由于空間數(shù)據模型是GIS系統(tǒng)技術的核心，對其認識和研究在很大程度上決定了GIS系統(tǒng)及其應用的成敗，因此近年來許多學者對GIS系統(tǒng)空間數(shù)據模型進行了研究。為了有效描述和表達空間實體及其相互之間關系的時空變化，學術界開始研究和發(fā)展時態(tài)GIS系統(tǒng)，如為解決側向空間相鄰關系表達和空間數(shù)據動態(tài)存取，學者C. M. Gold提出了Voronoi 圖方法，等等。
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