地理信息系統——GIS簡介

地理信息系統簡稱GIS（Geographic Information System），它是指為收集、管理、操作、分析和顯示空間數據的計算機軟、硬件系統。它是一個以地理坐標為基礎的信息系統，具有強大的處理空間數據的能力，如地圖數字化、矢量和圖像的瀏覽查詢、基于空間數據的分析、三維模擬、虛擬現實、地圖輸出等。 

GIS是六十年代中期開始發展起來的新技術。它最初為解決地理問題而起，至今已成為一門涉及測繪學科，環境科學、計算機技術等多學科的交叉學科。1963年加拿大測量學家R.F Tomlinson首先提出了地理信息系統這一術語，并建成世界上第一個GIS(加拿大地理信息系統CGIS)，并用于自然資源的管理和規劃。不久，美國哈佛大學提出了較完整的系統軟件SYMAP。這可算是GIS的起步。進入70年代以后，由于計算機軟硬件水平的提高,促使GIS朝著實用方向迅速發展，一些經濟發達國家先后建立了許多專業性的GIS，在自然資源管理和規劃方面發揮了重大的作用。如,從1970年到1976年，美國國家地質調查局就建成50多個信息系統。其他國家如加拿大、德國、瑞典和日本等國了相繼發展了自己的GIS。80年代后興起的計算機網絡技術使地理信息的傳輸時效得到了極大的提高，它的應用從基礎信息管理與規劃轉向更復雜的實際應用，成為輔助決策的工具，并促進了地理信息產業的形成。到1995年，市場上有報價的軟件已達上千種，并且涌現出了一些有代表性的GIS軟件。 

我國地理信息系統在理論探索、硬件配制、軟件研制、 我國GIS的發展雖然較晚，經歷了四個階段，即起步(1970-1980)、準備(1980-1985)、發展(1985-1995)、產業化(1996以后)階段。GIS已在許多部門和領域得到應用，并引起了政府部門的高度重視。 

從應用方面看，地理信息系統已在資源開發、環境保護、城市規劃建設、土地管理、農作物調查與結產、交通、能源、通訊、地圖測繪、林業、房地產開發、自然災害的監測與評估、金融、保險、石油與天然氣、軍事、犯罪分析、運輸與導航、110報警系統公共汽車調度等方面得到了具體應用。國內外已有城市測繪地理信息系統或測繪數據庫正在運行或建設中。一批地理信息系統軟件已研制開發成功（如GeoSTAR，CityStar，MapGIS等）,一批高等院校已設立了一些與GIS有關的專業或學科，一批專門從事GIS產業活動的高新技術產業相繼成立。些外，還成立了"中國GIS協會"和"中國GPS技術應用協會"等。 我國地理信息系統方面的工作自80年代初開始。以1980年中國科學院遙感應用研究所成立全國第一個地理信息系統研究室為標志，在幾年的起步發展階段中，我國地理信息系統在理論探索、硬件配制、軟件研制、規范制訂、區域試驗研究、局部系統建立、初步應用試驗和技術隊伍培養等方面都取得了進步，積累了經驗，為在全國范圍內展開地理信息系統的研究和應用奠定了基礎。 

地理信息系統進入發展階段的標志是第七個五年計劃開始。地理信息系統研究作為政府行為，正式列入國家科技攻關計劃，開始了有計劃、有組織、有目標的科學研究、應用實驗和工程建設工作。許多部門同時展開了地理信息系統研究與開發工作。如全國性地理信息系統（或數據庫）實體建設、區域地理信息系統研究和建設、城市地理信息系統、地理信息系統基礎軟件或專題應用軟件的研制和地理信息系統教育培訓。通過近五年的努力，在地理信息系統技術上的應用開創了新的局面，并在全國性應用、區域管理、規劃和決策中取得了實際的效益。 

自90年代起，地理信息系統步入快速發展階段。執行地理信息系統和遙感聯合科技攻關計劃，強調地理信息系統的實用化、集成化和工程化，力圖使地理信息系統從初步發展時期的研究實驗、局部實用走向實用化和生產化，為國民經濟重大問題提供分析和決策依據。努力實現基礎環境數據庫的建設，推進國產軟件系統的實用化、遙感和地理信息系統技術一體化。在地理信息系統的區域工作重心上，出現了"東移"和"進城"的趨向，促進了地理信息系統在經濟相對發達、技術力量比較雄厚、用戶需求更為急迫的地區和城市首先實用化。這期間開展的主要研究及今后尚需進一步發展的領域有：重大自然災害監測與評估系統的建設和應用；重點產糧區主要農作物估產；城市地理信息系統的建設與應用；建立數字化測繪技術體系；國家基礎地理信息系統建設與應用；專業信息系統與數據庫的建設和應用；基礎通用軟件的研制與建立；地理信息系統規范化與標準化；基于地理信息系統的數據產品研制與生產。同時經營地理信息系統業務的公司逐漸增多。 

總之，中國地理信息系統事業經過十年的發展，取得了重大的進展。地理信息系統的研究和應用正逐步形成行業，具備了走向產業化的條件。 

地理信息系統的存在與發展已歷經30余年。用戶的需要、技術的進步、應用方法論的提高，以及有關組織機構的建立等因素，深深地影響著地理信息系統的發展。

一、國內外地理信息系統發展情況 

世界上 GIS 概念的提出 是在 40 年前 ，加拿大測量學家 Tomlinson 在上世紀 60 年代初指出 “ 要把地圖變為數字形式的地圖，以便計算機分析與處理 ” ，開創了利用計算機技術處理地理空間數據的先河，其技術路線一直延續至今。從本世紀 60 年代初加拿大的 Roger F.Tomlinson 和美國 Duane F.Marble 在不同方面、從不同角度提出了地理信息系統 (Geographic Information System ，簡稱 GIS) 概念以來，隨著多學科、多技術的發展和密切結合，尤其是空間分析理論和計算機技術的飛速發展 ,GIS 的含義與應用正在不斷擴大。 1956 年，奧地利測繪部門首先利 用電子計算機建立了地籍數據庫，隨后各國的土地測繪和管理部門都逐步發展土地信息系統 (LIS) 用于地籍管理。 1963 年，加拿大測量學家 R.F.Tomlinson 首先提出了地理信息這一術語，并于 1971 年建立了世界上第一個 GIS—— 加拿大地理信息系統 (CGIS), 用于自然資源的管理和規劃。稍后，美國哈佛大學研究出 SYMAP 系統軟件。由于當時計算機水平的限制，使得 GIS 帶有更多的機助制圖色彩，地學分析功能極為簡單。與此同時，國外許多與 GIS 有關的組織和機構紛紛建立。例如，美國 1966 年成立了城市和區域信息系統協會 (URISA),1969 年又建立起州信息系統全國協會 (NASIS): 國際地理聯合會 (IGU) 于 1968 年設立了地理數據收集和處理委員會 (CGDSP) 。這些組織和機構的建立為傳播 GIS 知識、發展 GIS 技術起了重要的推動作用。 中國 GIS 的發展 應該追溯到 30 年前 。以陳述彭院士為代表的老一輩科學家，敏銳地覺察到 GIS 的發展潛力與應用意義，將 GIS 技術引入國內，一個研究 GIS 理論與技術的熱潮隨之在中國的科研院所和高等學校中興起，并首先在資源和環境領域嘗試開展 GIS 的技術應用。這個熱潮確立了我國 GIS 的研究領域，培養了了一批熟悉和精通 GIS 的學術骨干，形成了我國 GIS 的核心技術隊伍，奠定了我國 GIS 發展的基礎。 90 年代初，徐冠華院士強調指出 “ 發展中國的 GIS 的發展必須走產業化的道路 ” ，科技部從 “ 九五 ” 開始將 GIS 軟件產品研發與示范應用列入國家科技計劃，開展年度國產 GIS 軟件測評，大力推動 GIS 技術進步和產業化的進程，形成了我國 GIS 發展的又一次高潮。 

我國 GIS 的起步較晚，到 70 年代末才提出開展 GIS 研究的倡議 。進入 80 年代后迅速發展，在理論探索、規范探討、實驗技術、軟件開發、系統建立、人才培養和區域性試驗等方面都取得了突破和進展。一些有遠見的地方政府也開始投資建立本地的 GIS, 在 GIS 應用日益活躍的今天，諸如沙市這樣名不見經傳的中小城市，由于 GIS 起步早而譽冠全國。 80 年代末，武漢測繪科技大學在攝影測量與遙感專業的基礎上建立了信息工程專業，使我國 GIS 基本人才的培養納入了正軌。 1994 年 4 月，我國專門成立了 “ 中國 GIS 協會 ”, 此后又成立了 “ 中國 GIS 技術應用協會 ”, 加強了國內各種 GIS 學術交流，研制推出了 Geostar 、 Citystar 、 MapGIS 等具有自主版權的 GIS 軟件。 GIS 是以應用為龍頭，市場為導向，軟件為核心的產業。是應用促進了 GIS 的發展，也是應用校正了 GIS 蓬勃發展的方向和促進 GIS 軟件市場的形成。　 

二、目前 GIS 的主要研究領域與發展趨勢 

1、目前 GIS 主要總體上呈現網絡化、開放性、虛擬現實、集成化、空間多維性等發展趨勢。 

1.1   組件 (Components)GIS 　 

Components GIS 是一種新的 GIS 開發思想 , 它是將 GIS 功能分散制作成 Active X Control 和 Automation, 這些標準的 Active X Control 和 Automation 可以被任何支持它們的開發環境調用 , 以便在原有的或新開發的信息系統中加入 GIS 功能。目前國際上比較流行的 Components GIS 軟件有 ESRI 的 Map Objects,Map Info 公司的 Map X 等。組件化 GIS 基于標準的組件式 GIS 平臺，各組件之間不僅可能自由、靈活地重組，而且具有可視化的界面和方便的標準的接口。其特征主要體現在： 

(1) 高效無縫的系統集成   允許將專業模型、 GIS 控件、其它控件緊密地結合在統一的界面下。 

(2) 無須專門的 GIS 開發語言   只要掌握基于 Windows 平面的通用環境 (VB,VC++,Delphi,power Builder 等 ) ，以及組件式 GIS 各控件的屬性、方法和事件，就能完成應用系統的開發。 

(3) 大眾化的 GIS  用戶可以象使用其它 ActiveX 控件一樣使用 GIS 的控件，使非專業的 GIS 用戶也能勝任 GIS 應用開發工作。 

(4) 開發成本低， 非 GIS 功能可以利用非專業控件，降低了系統的成本。 

1.2   基于 Internet 或 Intranet 的 GIS 網絡 GIS （ Web GIS ） 

計算機網絡技術的最新發展推動著當代 GIS 技術的快速更新和發展，使得在因特網上實現 GIS 應用日益引起人們的關注，建立萬維網 GIS(WWW GIS 或 Web GIS) 是近年來 GIS 研究領域的一個熱門話題 。 Web GIS 或互聯網地理信息系統（ Internet GIS ）是當前 GIS 的一個重要發展方向。 

萬維網的出現和發展，為地學空間數據提供了廣闊的社會需求，人們可以坐在自己的計算機前，通過因特網來獲得與空間位置相關的各種信息，如查找一個地區的旅游景點，得到一個城市的交通狀況等等。這樣的萬維網應用系統被人們稱為 WebGIS 系統，它的基本思想就是在萬維網上提供空間信息，讓用戶通過瀏覽器獲得和瀏覽一個空間信息系統中的數據。正是互聯網對地理信息的需求推動了 WebGIS 系統迅速地出現和發展。到 1999 年９月為止，在美國出現的這樣的系統就有 20 種之多。 目前基于 Internet 的地理信息系統，我們常稱為 Web-GIS ，這主要是由于大多數的客戶端應用采用了 WWW 協議。隨著技術的進步，客戶端可能會采用新的應用協議，因此也被認為是 Internet GIS 。 

建立 Internet GIS 的主要目的在于以下幾個方面 : 

1)    距離空間數據共享與信息查詢和交換 ； 

2)    為公眾提供 GIS 服務 ；　 

3)    建立大規模甚至超大規模的空間網絡信息系統 ； 

4)      為其它學科的研究提供基礎信息資料。 

目前較有典型示范作用的的應用有澳大利亞資源信息網絡（ ERIN ， http://www.erin.gov.au ）、美國加州大學伯克利分校數字圖書館計劃（ http://regis.berkeley.edu/grasslinks/index.html ）、美國 MapQuest 公司提供的網上地圖服務（ http://www.mapquest.com ）等。另外許多大的 GIS 廠商都推出了自己的 Internet GIS 解決方案，為用戶構建自己的 Internet GIS 應用提供方便，如 Esri 公司的 Internet Map Sever 、 MapInfo 公司的 MapProServer 、 Intergraph 公司的 GeoMedia Web Map 、 Autodesk 公司的 MapGuide 等。但上述所提到的在設計上采用的都是第一代客戶 / 服務器模式，基于傳統的 CGI 或服務器擴展方式，沒有真正引入對象 web 概念。這種計算模式沒有解決異構環境下的應用互操作、系統管理、系統安全等問題。 

當前國際、國內都十分注重分布式 Internet GIS 的發展，認為它將成為 GIS 發展的新一輪的熱點。美國 UCGIS 協會將分布式 GIS 列為今后 GIS 發展的十個主要方向之一。 UCGIS 認為基于 Internet 的 GIS 是近期分布式 GIS 發展的主要目標。 

美國 NCGIA 協會的地理概念的計算實現小組的年度報告中將定義和研究開放的、可以分布式存貯地理信息的新一代的 GIS 體系結構列為主攻方向之一。 

美國 Open GIS 協會長期以來一直致力于數據和地理操作的分布與共享的研究與標準的指定。其制定的開放地理數據互操作規范給出了一個分布式訪問地理數據和獲得地理數據處理能力的軟件框架，遵照這個框架用戶可以在一個開放的信息技術環境中通過一致的計算接口訪問和處理不同來源的地理數據。在規范中規定了應用程序之間所要互操作的地理數據所包含的各種標準數據類型和在這些標準數據類型上所實施的操作，以及如何將這些標準的數據類型組織成應用程序間交互的地理數據，另外還規定了共享地理操作的協議，應用程序通過該協議得知提供地理操作的服務以及如何請求這些服務，或者從服務提供者的角度來看，得知一個請求是數據請求還是服務請求。遵循這個規范的軟件之間可以進行互操作【 Open GIS Consortium,1998 】。 Open GIS 協會已經公布了基于這兩種分布式對象標準的 OPEN GIS 的標準函數的征求意見稿。但是一切都只是剛剛開始，尚未有成熟的理論和技術以及應用系統的出現。 

WebGIS 空間數據模型和 WebGIS 系統體系結構的新進展——這方面工作做得出色的是 Allan Doyle 。在 Adrian Cuthbert 起草的一個 OGC 的討論稿《 User Interaction With Geospatial 》的基礎上，他提出了在因特網上訪問異構空間數據源的分步驟服務模型。 

目前， WWWGIS 的建設面臨四個方面的挑戰：網上數據發布、網上數據互操作、網上數據采掘和網上數據管理及安全性。與傳統的 GIS 相比， Web GIS 具有以下特點： 

(1) 適應性強   Web GIS 是基于互聯網的，因而是全球的，能夠在不同的平臺運行。 

(2) 應用面廣   網絡功能將使 Web GIS 應用到整個社會，真正實現 GIS 的無所不能，無處不在。 

(3) 現實性強   地理信息的實時更新在網上進行，人們能得到最新信息和最新動態。 

(4) 維護社會化   數據的采集、輸入、空間信息的分析與發布將是在社會協調下運作，對其維護將是社會化，減少重復的勞動。 

(5) 使用簡單   用戶可以直接從網上獲取所需要的各種地理信息，直接進行各種地理信息的分析，而不用關心空間數據庫的維護和管理。 

網絡 GIS 可實現網上發布、瀏覽、下載，實現基于 Web 的 GIS 查詢和分析。盡管目前已有多家國內外公司推出 Web GIS, 總地來說， Web GIS 尚處在試驗研究階段 ，其最終目標是應能實現 GIS 與 WWW 技術的有機結合， GIS通過 WWW 成為大眾使用的技術和工具。 

1.3   Data Warehousing 數據倉庫 

Data Warehousing 的字面意思是建立數據倉庫。由于空間數據量非常大 , 這些數據大都分散在政府和私人機構及公司的各個部門 , 數據的管理與使用變得非常的復雜。但同時由于這些空間數據具有極大的科學和經濟價值 , 因此大多數發達國家都比較重視空間數據庫的建庫工作 , 在這些國家一般都有許多研究機構和政府部門參與到空間數據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 SDI 或 NSDI 的概念。 SDI 的全稱是 Spatial Data Infrastructure,NSDI 的含義是 National Spatial Data Infrastructure, 其字面意思是 ( 國家 ) 空間數據基礎設施。 98 年 6 月份在加拿大首都渥太華召開的第十屆國際地理信息工程學術會議更把 SDI 作為本次會議的主題 , 可見國際上對地理空間數據基礎設施建設的重視。國家測繪局也積極地推進我國 SDI 的建設工作 , 并提出規劃模式 , 部分內容已經在實施當中。 
　 
1.4    3D GIS 

在許多地學研究中，人們所要研究的對象是充滿整個 3D 空間的，如大氣污染、洋流、地質模型等，必須用一個（ X ， Y ， Z ）的 3D 坐標來描述。在 3D GIS 中，研究對象是通過空間 X 、 Y 、 Z 軸進行定義，描述的是真 3D 的對象。隨著計算機技術和 GIS 在許多行業諸如地質、礦山、海洋、城市地下管網，城市空間規劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋范圍分析等對三維 GIS 的需求日益迫切， 3D GIS 的理論和應用近年來受到許多學者的關注。到目前為止，雖然有 3D GIS 系統問世，但其功能遠遠不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是 3D GIS 理論不成熟，其拓撲關系模型一直沒有解決 ；另外三維基礎上的數據量十分大，很難建立一個有效的，易于編程實現的三維模型 , 計算機海量數據的處理為三維 GIS 提供了基礎。 

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 技術或二維半 ( 平面 X,Y 坐標加高程 )GIS 對于完整的描述地球上的對象是有一定限制的。需要用三維空間來描述的應用領域有如下幾個方面 : 氣象學、地質學、采礦學、石油勘探與開發、計算機輔助設計與制造 (CAD/CAM) 、醫學影像和機器人學等。一個三維 GIS 空間信息系統應該能夠模擬、表示、管理、分析與三維實體相關的信息 , 并提供決策支持。 

1.5    建立大型 GIS 空間數據庫的新方法 

GIS 系統一般由兩個部分組成 : 其一是應用程序 , 它包括專門的 GIS 應用軟件以及用標準或非標準程序語言所開發的用戶界面及系統工具 ；另一部分是數據。在 GIS 系統中 , 空間數據庫的建立是一項非常復雜的工作。目前大多數 GIS 系統中在處理空間數據和屬性數據時都是將兩者分開存放和管理。比如在 Map Info 系統中用 Map 來存放幾何和空間數據 , 而用 dat 來存放空間實體的屬性數據 ；又如在 Arc View 系統中用 Shapefile 來存放幾何和空間數據而用 DBF 來存放屬性數據。上述數據管理和存放方式對于小型的 GIS 系統有一定的優越性 , 但對于建立以面向對象為基礎的大型 GIS 系統就存在很多缺陷。因此 , 現在已經出現了一些新型的 GIS 空間數據庫管理系統 , 這些新的系統將空間數據與屬性數據存放在同一個數據庫管理系統中。如 Oracle 開發的 SDO 和 ESRI 開發的 SDE(Spatial Data Engine) 都屬于這種類型的空間數據庫系統。　

1.6      GIS 與多媒體數據及 GPS 和 RS 的集成—— 3S 技術 

3S 技術指的是全球定位系統（ GPS ）、遙感技術（ RS ）、地理信息系統（ GIS ）。 3S 技術的結合與集成充分體現了學科發展從細分走向綜合的規律。 

GIS 發展的重要趨勢是與全球定位系統（ GPS ）和遙感（ RS ）的集成 ，從而構成實時的，動態的 GIS 。 GPS 為 GIS 的快速定位和更新提供手段，遙感技術的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點，為 GIS 不斷注入 “ 燃料 ” ，反過來又可利用 GIS 支持從遙感影像數據中自動提取語義和非語義信息。 

3S 技術整體結合所構成的系統是高度自動化、實時化的 GIS 系統。這種系統不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數據的功能，而且能夠分析和運用數據，為各種應用提供科學的決策咨詢，并回答用戶可能提出的各種復雜問題。

1.7 多媒體 GIS (MGIS) 

多媒體技術（ Multia-Media ）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀的方式表達和感知信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機界面操縱信息處理的技術。應用多媒體技術對 GIS 的系統結構、系統功能及應用模式的設計產生極大的影響，使得 GIS 的表現形式更豐富，更靈活，更友好。 

多媒體地理信息系統（ MGIS ）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動畫等技術融為一體，為 GIS 應用開拓了新的領域和廣闊的前景。它不僅能為社會經濟、文化教育、旅游、商業、決策管理和規劃等提供生動、直觀、高效的信息服務，而且將使電腦技術真正走進人類社會生活。多媒體技術在 GIS 領域的深入應用，乃至出現具有良好集成能力的 MGIS 是技術發展的必然。　 

 GIS 與多媒體數據及 GPS 和 RS 的集成使得基于空間數據的信息管理系統變得更加靈活多樣 , 極大地拓寬了信息來源渠道 , 方便用戶對各種信息的存儲與管理 , 同時能夠建立起更加科學的決策系統。
　 
目前在 GIS 中可以使用多種形式的多媒體數據。比如在 Arc View 中通過使用 hot link 或其它工具 , 可以把 Word 文件、 Excel 電子報表、 VCD 聲像資料、攝影像片、衛星影像等納入到 GIS 系統中 , 用戶可以根據需要對這些信息進行查詢和管理。 GIS 與 GPS 和 RS 的集成問題已被研究了多年目前已進入實用開發階段。筆者在加拿大學習訪問期間曾參與了一個 GIS 應用系統的開發研究工作 , 其中用 Arc View 作為系統平臺 , 用面向對象的程序語言 (Object-Oriented Programming Language)Avenue 作為開發工具開發出了一個用于特種工業管理的基于 GIS 的信息管理系統。整個系統的管理包括原材料產地、加工廠、運輸過程、產品更新換代儲存地、產品銷售地等環節。在此系統中就使用了 Excel 電子報表、 Word 文檔資料、像片 (Photos) 、影像 (Images) 、影視片 (Video) 及 GPS 動態數據。 

1.8 開放型 (Open)GIS 

目前一種多用戶、跨平臺的 Open GIS 技術正在被國外的許多研究機構、政府部門和高等院校所研究和開發利用 。開放型 GIS 的研究和應用使得各政府部門及企業之間不同格式的數據能夠方便地互訪 , 有利于網絡 GIS 及分布式 GIS 空間數據庫的建立 , 使 GIS 的應用領域及其功能大大拓寬。 

開放式地理信息系統（ Open GIS ）是指在計算機和通信環境下，根據行業標準和接口（ Interface ）所建立起來的地理信息系統。它不僅使數據能在應用系統內流動，還能在系統間流動。 Open GIS 是為了使不同的地理信息系統軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構分布數據庫中實現信息共享的途徑。為此， Open GIS 要具有下列特點： 

 (1) 互操作性：不同地理信息系統軟件之間連接、信息交換沒有障礙。 

(2) 可擴展性：硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計算機上運行，其性能和硬件平臺的性能成正比；軟件方面增加新的地學空間數據和地學數據處理功能。 

(3) 技術公開性：開放的思想主要是對用戶公開，公開源代碼及規范說明是重要的途徑之一。 

(4) 可移植性：獨立于軟件、硬件及網絡環境，不需修改便可在不同的計算機上運行。 

除此之外，還有諸如兼容性、可實現性、協同性等特點。 

為了研究和開發 Open GIS 技術， 1996 年在美國成立的開放地理信息聯合會主要研究和建立了開放式地理數據交互操作規程（ OGIS ， Open Geodata Interoperable Specification ）。 OGIS 是為了尋找一種方式，將地理信息系統技術、分布處理技術、面向對象方法、數據庫設計及實時信息獲取方法更有效地結合起來。基于 OGIS 規范制訂的開放系統模型是一種軟件工程和系統設計方法，這種方法應用于 GIS 領域，側重于改變當前 GIS 模型中特定的應用系統及其功能與它內部數據模型及數據格式緊密捆綁的現狀。當然， OGIS 只是對 Open GIS 定義了抽象的互操作規程，具體如何實現，還需采用分布式對象的技術，通過 Acrobat 、 OLE 、 ActiveX 、 Java 等語言實現。 

Open GIS 技術將使 GIS 始終處于一種組織、開放式的狀態，真正成為服務于整個社會的產業以及實現地理信息的全球范圍內的共享與互操作，是未來網絡環境下 GIS 技術發展的必然趨勢。 

1.9 虛擬現實技術——   虛擬 GIS 和網絡虛擬 GIS 介紹 

1 ）虛擬 GIS 介紹   

計算機科學中圖形技術和人機接口技術的發展，特別是虛擬現實技術應用的推廣，為 GIS 提供了一種新的分析地學數據和探索地學問題的技術平臺，推動著 GIS 技術同虛擬現實技術和可視化技術的融合，拓展了多維 GIS 、特別是三維 GIS 研究的內涵，提供了全新的空間數據分析模式和新的 GIS 應用模式。當前國際上把這種結合虛擬現實技術和科學計算可視化技術而設計的多維 GIS 系統稱之為虛擬 GIS 系統 “ Virtual GIS  （ VGIS ） 。 

虛擬 GIS 是建立在多維 GIS ，特別是三維 GIS 研究的基礎上，在強調傳統三維 GIS 幾何空間分析的同時，虛擬 GIS 也強調“逼真”的多維圖形分析環境，“直覺”的交互手段對空間分析的作用。同傳統意義上的三維 GIS 研究相比，虛擬 GIS 在分析方法和應用上都帶來了新的變化 , 如： 

(1)  充分利用虛擬 GIS 提供的“逼真”圖形顯示和高級的交互分析手段，進行探索數據分析 [5][6][7] ，充分發揮人在圖形空間思維能力上的優勢來分析和解決地學問題； 

(2)  充分利用虛擬 GIS 提供的“逼真”感的虛擬地理圖形空間，讓人在真實地理世界中的地理空間認知能力能在虛擬的地理圖形空間中得到充分的發揮，同時虛擬 GIS 也促進人在虛擬地理圖形空間中獲取的知識能快速的應用到真實地理世界中； 

(3)  虛擬現實技術拓展了虛擬 GIS 在時間維上的表達能力，結合地學分析模型，虛擬 GIS 為過去或是未來的某一地理場景提供了更為便利的手段，從而為發展高級的空間決策支持環境提供了可能；虛擬 GIS 在 GIS 系統設計上帶來了新的問題，由于虛擬 GIS 中表達的內容比傳統的三維 GIS 更為豐富，需要在數據模型、軟件結構、算法等方面研究虛擬 GIS 的設計。 

虛擬 GIS 目前已經廣泛的應用到傳統 GIS 的諸多應用領域之中，如城市設計和規劃、環境監測、交通管理、地表建模、文明重建、旅游等方面。虛擬 GIS 為這些領域中問題的分析和解決提供了新的方式和手段，拓展了 GIS 的分析能力和應用領域。 

另外，這里有必要介紹一下與虛擬 GIS 緊密相關的另一個概念，即虛擬現實 GIS  “ Virtual Reality GIS ”，在本文理解中，虛擬 GIS 強調虛擬現實、科學計算可視化與 GIS 三者的結合 ，既強調高級人機接口在地學分析中的作用，又強調可視化思維和可視化分析在地學分析中的作用；而虛擬現實 GIS 主要強調虛擬現實與 GIS 的結合，強調高級人機接口在地學分析中的作用，所以虛擬現實 GIS 可被理解為虛擬 GIS 的高級形式，是一種虛擬 GIS 。 
　 
2 ）網絡虛擬 GIS 介紹 
　 
同網絡結合是當前虛擬 GIS 發展的方向。結合網絡技術的網絡虛擬 GIS 不但為人們通過網絡來分析空間數據和解決空間問題提供了技術平臺，同時通過“沉浸式”的虛擬現實模式，為人們通過虛擬的地理空間交互提供了可能性，從而為研究虛擬地理環境提供了理想平臺。當前網絡化的虛擬 GIS 主要采用兩種架構方式：一種虛擬 GIS 是以網絡 GIS 為基礎，將虛擬現實系統同 GIS 的 Client 端連接起來，在虛擬現實系統中提供簡單的空間分析功能或是將 GIS 的分析結果轉化為虛擬現實系統支持的數據格式，供虛擬現實系統觀察；另一種虛擬 GIS 是基于分布式虛擬現實系統，在虛擬現實系統中擴展空間數據類型的支持能力，提供簡單的空間分析功能。當前分布式虛擬現實領域的一個重要技術是基于“ avatar ”的用戶交互模式。“ avatar ”為用戶在簡單平臺上觀察虛擬世界和與虛擬空間中其他用戶交流提供了非常便捷的途徑。網絡虛擬 GIS 同“ avatar ”技術結合起來，將不但在技術上，在理論上都為虛擬 GIS 帶來了新的研究問題，所以是當前的研究熱點 

當前虛擬 GIS 在結構上一般都采用 GIS+VR 的方式 。通過 VR 來創建虛擬信息空間和管理用戶與虛擬信息空間的交互，而 GIS 則是用來管理空間數據．網絡虛擬 GIS 基本上延用了這種結構，在 GIS 信息表達上是在 3DGIS 為基礎進行擴展，特別是以面三維為主體的三維地理實體表達方面 ,3DFDS  （ Formal Data Structure ）概念數據模型已經為相當多的 3D GIS 原型系統所采用，可以作為擴展虛擬 GIS 數據模型的選擇；在 VR 信息表達上大多是以 VRML 為基礎。 

虛擬 GIS 是在傳統多維 GIS 系統基礎上發展起來的新型的 GIS 系統，虛擬 GIS 在擴展 GIS 應用領域的同時，也給 GIS 設計帶來了新的問題，特別是網絡虛擬 GIS 的設計更需要特別研究。本文根據當前計算機技術的新發展，特別是在網絡信息表達技術和網絡平臺技術的最新發展，來設計面向 Web 的網絡虛擬 GIS 。通過與這些新技術的結合，為開發有著豐富功能，完全開放的網絡虛擬 GIS 建立了新的途徑。虛擬現實是目前 GIS 研究領域的另一重要方向。虛擬現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 , 感受與現實系統一致或接近 , 從而讓人產生一種雖幻猶真的沉浸感。美國 Multi Gen 公司生產的 Multi Gen 軟件已可以利用地理信息中心的數字地形海拔數據 (DTED) 、數字文化特征數據 (DFAD) 和與之配套的航空或衛星照片 , 快速高效地構造任何地區的地形地貌和文化特征。虛擬 GIS 就是 GIS 與虛擬現實技術（ Virtual Reality ）的結合。 VR 技術是當代信息技術高速發展，并與其他技術集成的產物，是一種最有效地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。這種模擬具有三個最基本的特征，即 Immersion( 沉浸 )-Interaction( 交互 )-Imagina-tion( 構想 ) 。由于技術的限制，目前還未能開發出適用于遙感和 GIS 用戶需要的真 3 維可視化的數據分析軟件包。 GIS 與虛擬環境技術相結合，將虛擬環境帶入 GIS 將使 GIS 更加完美。 GIS 用戶在計算機上就能處理真 3 維的客觀世界的虛擬環境中將能更有效地管理，分析空間實體數據。目前虛擬 GIS （ VGIS ）的研究主要集中在虛擬城市。 

1.10 時態 GIS 

人們都在一定的空間和時間環境中生存并從事各種社會活動。從信息系統，尤其是 GIS 的實用角度出發，時間可以看成是一條沒有端點，向過去和將來無限延伸的線軸，它是現實世界的第四維。時間和空間不可分割地聯系在一起，跟蹤和分析空間信息隨時間的變化，應當是 GIS 的一個合理目標。這樣的 GIS 就被稱為時態 GIS （ Temporal GIS ）。 

記錄歷史數據有時候是非常重要的。在 GIS 中也要經常查詢歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經過許多次的買賣或變化。在土地糾紛中，人們需要詳細的歷史記錄作為法律依據。 GIS 在環境應用中，也經常需要用到多時態的信息對環境進行綜合評價。所以，研究 GIS 的時態問題則成為當今 GIS 領域的一個重要方向 。 

時態 GIS 的組織核心是時空數據庫，其概念基礎則是時空數據模型。時空數據結構的選擇應以不同類型的時空過程和應用目的作為出發點。雖然人們已分別在時態數據庫和空間數據庫研究方面取得很大進展，但是 “ 時態 ”+“ 空間 ”≠ “時空”，兩者難以簡單地組合起來，這導致了時態 GIS 研究與應用的困難。作為一種系統方法，時態 GIS 的研究和應用還有很長的路要走。 

2 GIS 的主要應用領域 

2.1 環境保護與管理 

主要用 GIS 建立環境模型和環境信息系統 , 對環境的變化及發展趨勢進行預報分析 , 同時通過統計分析及模擬研究為環境保護提供決策依據。此外 ,GIS 技術也已被用來建立植物種類與棲息地及環境因素有關的信息系統中。 

2.2 　社會調查與統計分析 

GIS 在國外已被廣泛的應用到人口學、選舉、人文地理等方面 , 我國也已經開始開展這方面的研究和應用工作。 

2.3 　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、污水排放、煤氣等管道 ) 、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 的信息系統能夠提高對這些設施的管理水平 , 同時能夠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。
 
2.4 　土地信息系統的建立 

GIS 最早是從土地信息系統 LIS 建立的過程中發展起來的 , 而大量高質量 GIS 軟件平臺的出現又促進了土地信息系統的建立。目前基于 GIS 軟件平臺的土地信息系統無論是圖形處理、空間分析與統計、屬性信息存儲與查詢、統計報表生成、決策支持等方面都比早期的土地信息系統有較大的改進。我國已經把土地信息系統的建設納入了法制軌道 , 新頒布的《中華人民共和國土地管理法》第三十條明確規定“國家建立全國土地信息系統 , 對土地利用狀況進行動態監測”。 

2.5 　 GIS 在其它領域的應用 

GIS 已被廣泛地應用到一些其它領域 : 城市規劃、房地產開發及物業管理、商業開發與購物中心設置、資源調查、災害預報與災后評估、金融機構與投資分析、地質普查、采礦等。 
3 GIS 應用的前景與存在的問題 

三、面臨的機遇和挑戰 

3.1 　面臨的機遇 

目前 GIS 的研究和應用都處在一個高速發展的階段。在國外 GIS 技術已被各級政府部門和企業界廣泛認知和采用。尤其是在北美、歐洲、日本和奧大利亞等國家和地區 ,GIS 市場已經基本形成。 GIS 數據公司和軟件公司比較多 , 他們在 GIS 系統建立和空間數據的使用方面已有了一套比較規范和成熟作法。在我國 GIS 技術也正被越來越多的政府部門和大型企業所采用。雖然起步較晚 , 但是有后發優勢可以少走彎路 , 以比較高的起點開展 GIS 的理論研究和開發應用工作。 

3.2 　存在的問題 

與國外對比分析 , 目前我國 GIS 發展中存在的問題主要表現在如下幾個方面 : 

1)GIS 的科學和經濟價值尚未被廣泛地接受和認知 , 因此處于資金投入不足、推廣應用比較困難的局面。 

2) 根據有關資料的分析 , 地理信息系統中數據部分要占整個系統投資的百分之七十左右 , 也就是說 GIS 系統的建立需要大量的數字地圖或電子地圖及其屬性信息庫的支持 , 但在我國地圖數字化的比例還很低。這需要政府部門及有關企業投入大量的精力及資金進行數字地圖的建庫工作。 

3)GIS 市場尚未形成 , 有關數字產品的法律、權屬、定價等方面的問題還沒有得到有效的解決。 

4) 有關數字地圖產品的規范和標準 , 以及數據格式有待統一和完善。 

5) 我國具有自己知識產權的 GIS 系統平臺比較少 , 目前只有 Map GIS,Geo Star 等少數幾個產品 , 大量進口 GIS 系統平臺增加了 GIS 應用開發的成本。而且 , 由于國情不同進口 GIS 軟件二次開發的工作量一般都比較大。   

當前計算機技術的發展使 GIS 的發展主要呈以上幾種趨勢外， GIS 軟件與建筑及規劃設計 CAD 、辦公自動化、統計分析等軟件系統的集成 等都是 GIS 研究與發展的熱點。