地理信息系统（GIS）的前沿技术综述

Posted 2022-06-18 召唤师峡谷

从系统角度看，在未来的几十年内。地理信息将向着数据标准化（interoperable GIS）、数据多维化（3D&4D GIS）系统集成化（componentGIS）、系统智能化（CybeGIS）、平台网络化（WebGIS）和应用社会化（数字地球）的方向发展。
　　1、Interoperable GIS 　　目前的地理信息系统大多是基于具体的、相互独立和封闭的平台开发的，它们采用不同的数据格式，对地理数据的组织也有很大的差异。这使得在不同软件上开发的系统之间的数据交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分地解决问题。另外，不同的应用部门对地理现象有不同的理解。对地理信息有不同的数据定义，这就阻碍了应用系统之间的数据共享，带来了领域间共同协作时信息共享和交流的障碍，限制了地理信息系统处理技术的发展。
　　地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS的社会化和大众化等客观需求，使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本以及实现地理数据的共享和互操作成为共识。互操作地理信息系统的出现就是为了解决传统GIS开发方式带来的数据语义表达上不可调和的矛盾，这是一个新的GIS系统集成平台，它实现了在异构地学下多个地理信息系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。
　　1996年，美国成立了开放地理信息系统联合会（OGC,Open Gis Consortium)旨在利用其提出的开放地理数据互操作规范(OGIS)给出一个分布式访问地理数据和获得地理数据处理能力的软件框架，各软件开发商可以通过实现和使用规范所描述的公共接口模板进行互操作。0GIS规范是互操作GIS研究中的重大进展，它在传统地理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构地学处理环境之间架起一座桥梁。目前，0GIS规范初具规模，很多GIS软件开发商也先后声明支持该规范。国内的一些具有战略眼光的GIS软件商也在密切关注着OGIS规范，并已着手开发遵循该规范的基础性GIS软件。
　　2、3D＆4DGIS
　　GIS处理的空间数据，从本质上说是三维连续分布的。但是，目前GIS的主要应用还停留在处理地球表面的数据上，大多数 GIS平台都支持点、线、面三类空间物体，不能很好地支持曲面(体)，这主要是因为三维GIS在数据的采集、管理、分析、显示和系统设计等方面要比二维GIS复杂得多。尽管有些GIS软件还采用建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏，但涉及到地下和地上的三维的自然和人工景观就显得无能为力，只能把它们先投影到地表，再进行处理，这种方式实际上还是以二维的形式来处理数据的。这种试图用二维系统来描述三维空间的方法，必然存在不能精确地反映、分析和显示三维信息的问题。
　　三维G1S目前的研究重点集中在三维数据结构(如数字表面模型、断面、柱状实体等)的设计、优化与实现，以及可视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。
　　另一方面，地理信息系统所描述的地理对象往往具有时间属性，即时态。随着时间的推移，地理对象的特征会发生变化，而这种变化可能是很大的，但目前大多数地理信息系统都不能很好地支持地理对象和组合事件时间维的处理。许多GIS应用领域的要求都是基于时间特征的，如区域人口的变化、平均年龄的变化、洪水最高水位的变化等。对这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题，因此，如何设计并运用四维GIS来描述、处理地理对象的时态特征也是GIS的一个重要研究领域。
　　3、Component GIS(ComGIS)
　　构件式软件技术成为了当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式。 ComGIS便是顺应这一潮流的新一代地理信息系统，是面向对象技术和构件式软件技术在 GIS软件开发中的应用。
　　ComGIS的基本思想是把GIS的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，可以分别实现不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成地理信息系统基础平台和应用系统。
　　组件软件的可编程和可重用的特点在为系统开发商提供有效的系统维护方法的同时，也为GIS最终用户提供了方便的二次开发手段。因此，ComGIS会在很大程度上推动GIS软件的系统集成化和应用大众化，同时也很好地适应了网络技术的发展，是一种 WebGIS的解决方案。
　　目前，国内外一些著名的GIS软件厂商都推出了基于COM技术的GIS软件。ComGIS的出现给国内GIS基础软件的开发提供了一个良好的机遇，它打破了GIS勘出软件由几个厂商垄断的格局，开辟了以提供专业组件来打入GIS市场的新途径。
　　4、WebGIS
　　飞速发展的Internet／Intranet已经成为GIS新的系统平台，利用Internst技术在 web上发布空间数据供用户浏览和使用是GIS发展的必然趋势。从www的任一节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，进行各种空间检索和空间分析，这就是基于www的地理信息系统 (WebGIS)。 WebGIS显然要求支持Internet ／Intranet标准，具有分布式应用体系结构，它可以看作是由多主机、多数据库与多台终端通过Internet／Intranet组成的网络。其网络Client端为GIS功能层和数据管理层，用以获得信息和各种应用网络Server端为数据维护层，提供数据信息和系统服务。
　　WebGIS系统可以分为四个部分：webGIS浏览器，用以显示空间数据信息并支持Client端的在线处理，如查询和分析等；WebGIS信息代理，用以均衡网络负载，实现空间信息网络化；WebGIS服务器，用以满足浏览器的数据请求，完成后台空间数据库的管理；WebGIS编辑器，提供导入空间数据库数据的功能，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。
　　目前， WebGIS的实现方法有Java编程法、Active法、公共网络接口法(CGl)、服务器应用程序接口法(ServerAPl)和插件法 (PlUgins)等。国外ESRI、 Maplnfo、 Intergraph、 AutoDesk等公司已经提供了他们各自的WebGIS解决方案，国内的武汉测绘科技大学实现了Internet GeoStar；北京大学李疡教授、许卓群教授和中科院遥感应用研究所杨崇俊研究员各自领导的课题组都在从事WebGIS开发，许多其他的GIS公司也在WebGIS方面做了很多工作。
　　WebGIS是GIS走向杜会化和大众化的有效途径，也是GIS发展的必由之路。
　　5、CyberGIS
　　赛博空间(CyberSpace)目前在媒体中较多出现，它以计算机技术、现代通讯、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，是一个人工世界。科学家预言未来的人们将在赛博空间里的信息海洋中生活，从一个节点到另一个节点，从一个信息源到另一个信息源进行信息交流和信息创造。世界各地的人们在全新的赛博空间中漫游，实现相互之间的通信、贸易和科教活动。
　　计算机软件技术发展经历了从软件的模块化到软件的对象化转变的过程，目前，正在进一步向软件的智能化发展。软件智能体 (Agent)是软件设计进一步抽象的结果，是为适应广泛的分布式网络计算环境而发展起来的软件技术方向。麻省理工学院媒体实验室主任贝蒂·梅斯(PatieMaes)认为：软件智能体是“驻留在复杂动态环境中的计算机系统，它们自觉地感知环境并作用于环境，从而实现设定的目标或任务。”
　　作为软件智能体的一种，空间智能体处于分布式网络计算环境中，感知并作用于这一环境，以各种不同的形式出现，实现空间数据的智能获取、处理、存储、搜索、表现以及决策支持。这种空间智能体拥有两种非常重要的能力：一是利用空间知识进行推理，二是可进化。
　　在赛博空间中以这种空间智能体作为构成模块的GIS系统就是CyberGIS，它自动地接受用户以高级语言描述的指令，利用它能够感知并作用于所处的赛博空间的“本领”。通过与其他空间智能体的交互，为用户找到赛博空间中所需要的信息。
　　6、数字地球
　　数字地球一词近来风靡全球，从哲学上说，数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化的重现与认识。从技术上说，数字地球是一人在全球范围内建立的一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，也就是全球范围的、以地理位置及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称。
　　数字地球在当前以工农业经济为主体的经济建设中的重大作用已初见端倪，它在农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、教育、环境、人口、城市建设等几十个领域都能产生巨大的经济效益和杜会效益，比如农作物监测和估产、土地覆盖物的识别和评价、地籍的管理和规划、灾害的模拟和预报以及监测和评佑等。
　　作为新的凝聚全人类梦想的目标，数字地球提供了一种前所未有的认识地球的方式，它将对人类与自然的协调和平衡带来不可估量的推进作用。
　　GIS未来的发展主要表现为传统GIS在内容(3D＆4DGIS、 CyberGIS)和结构 (Interoperable GIS、 CompGIS、 WGbGIS) 两方面的完善，这两个方面都将统一于数字地球框架下。从另一个角度来看， GIS的发展首先面临着GIS应用领域的具体需求，然后在相关支撑技术的发展和完善下得以实现，而数字地球作为“集大成者”，无疑是GIS最终的发展目标。
　　GIS从学术研究走向产业化(总结）
　　GIS从学术研究走向产业化。地理信息系统的英文缩写为GIS，它是20世60年代开始迅速发展起来的地理学研究技术，是多种学科交叉的产物。虽然不同领域的学者对GIS的定义并不一致，但广义而言，凡是对空间资料进行各种处理、应用、分析的系统均可称之为地理信息系统，它具备地理信息的获取、存储、检索、处理、分析和显示等功能。
　　用户的需要、技术的进步和应用方法理论的提高等因素，深深地影响着GIS的发展，而网络技术日新月异的飞速发展更是大大加速了GIS普及应用的进程，最终将帮助人类实现建立“数字化地球”的梦想。