（地理学专业论文）城市地理信息系统软件与工程设计.pdf

引言 人类己进入以知识经济为特征的信息化社会 信息将是重要的经济资源 因 此 如何快速 有效地获取城市各个方面的信息 实现信息之阀的交流和共享 并 在此基础上 对各种信息进行综合化管理和分析 满足不同层次的信息需求 将成 为一个城市现代化发展水平的重要标志 城市作为政治 经济 文化的集聚中心 时刻进行着各种信息的交换 融合 和再生 而日益发展起来的城市地理信息系统作为地理信息系统的一 卜重要分支 已逐渐成为城市建设中一项重要的基础设施 城市地理信息系统是一个获取 存 储 编辑 处理 分析和显示城市基础地理数据的空间信息系统 它以城市的地 理空间信息为核心 把人文属性与空间属性有机结合 对城市地理信息资源进行 整合 开发和再利用 为城市的发展和社会进步提供强有力的支撑 是一种决策支 持信息系统 同时 由于它采用了计算机网络 数据库管理 图形图像学 多媒 体技术等新技术成果 能共享多部门之间的数据信息 对具时空性的信息可作出 生动 直观的描述 并能根据各种模拟模型进行辅助决策 把分析结果迅速以图 文 声 像一体化的形式提供给用户 因此 城市地理信息系统已成为城市规划 建设和管理迈入现代化的一个标志 建设城市地理信息系统是一个大的系统工程 涉及很多方面 待研究和突破 的领域很多 2 0 0 2 年8 月作者从同济大学固体地球物理专业博士毕业并获得博士学位后 进入华东师范大学地理学博士后流动站工作 在教育部华东师范大学地理信息科 学重点实验室 中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室与华东师范大学 城市地理信息系统联合实验室的支持下 开展城市地理信息系统软件设计与工程 研究 在本报告中 将分四部分进行研究工作汇报 第一部分为地理信息系统技术 综述及上海市g i s 应用水平分析 这一部分基于上海市信息化委员会课题 上海 市g i s 综合应用规划研究 第二部分为城市地理信息系统软件与工程设计 本 部分以上海市静安区g i s 平台研究课题为参考 第三部分为基于j a v a c o r b a 的 w e b g i s 研究 本部分由博士后基金支持课题为基础 第四部分为城市地下管线 信息采集与g i s 管理 该部分探索地球物理探测与g i s 地下管线信息g i s 管理的 结合技术 城市地理信息系统本质上是希望将日常所用到的资源 环境 物流等信息流 与空间位置信息融合起来应用与呈现给用户 推进城市信息化 城市信息化在推动中遇到的障碍在很大程度上是由于传统的t 一3 s g i s r s g p s 应用与电子商务 电子政务应用流程的严重脱节 3 s 技术与 专业应用之间融合不够 因为 3 s 技术与专业之间的融合不仅仅是一个集成的 过程 而是一个研究与创新的过程 在上海市静安区空间信息平台建设中 对业 务属性数据与空间位置信息融合进行了一定的探索 根据国内外空间信息产业化研究的情况来看 城市空间信息应用服务基础设 施与网格技术基础设施集成开发城市空间信息应用服务平台是一个最佳的方式 这样就要改变传统g i s 软件开发模式 丽以w e b 与g r i d 技术为契机 建立融合 空间信息与非空间信息有机融合的城市信息化共享服务大平台 笔者无意就g r i d 展开讨论 而是对其支撑技术w e b s e r v ic e s 的构建模式进 行了初步研究 见附件1 对分布式计算中的几种服务器端技术进行了比较研 究 认为在未来城市地理信息系统软件工程设计中引入从信息共享到应用共享 或服务共享 理念 实现网格化信息管理与获取是城市地理信息系统发展的理 想方向 在g i s 开源软件方面 研究了地学资源分析支持系统 g r a s s 编写了汉字 操作说明 附件2 随着经济发展 城市规模扩大 现代化程度提高 城市地下管线功能细化 规模庞大复杂 更新速度加快 给地下管线数据 资料的管理带来许多新课题 随 着地下管线种类日益增多 管网规模逐渐扩大 企业需要一种更为方便和科学的 方式管理宝贵的地下资源 地下管网 以实现管网设计 管网运行 管网维修 管网分析 管网决策的自动化和科学化 传统的人工管线档案管理和更新方式明 显滞后于城市现代化的建设速度 其效率和效益已经远远不能适应时代发展的需 求 同时 城市地下管线资料作为城市规划的宝贵资源 可以极大地提高管线规 划 设计 施工以及城市基础设施管理的效率和科学性 因此城市地下管网地球 物理探测与管网信息g i s 管理也是作者博士后研究工作中的一个方面 在博士后研究工作期间 主要研究了城市地理信息系统软件工程 基于 j a v a c o r b a 的跨平台g i s 研究与设计 城市地下管网探测与管理 并比较研究 商业g i s 软件与自由软件的特点 探索设计一条自由g i s 软件之路线 以下各章 分别叙述 2 第一部分 地理信息系统技术发展趋势与o i s 软件 第一章地理信息系统技术发展趋势 地理信息系统 g e o g r s p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m o i s 是科学管理和应用 空间信息的基础 是一种采集 存储 管理 分析 显示与应用地理空间信息的 计算机系统 是分析和处理海量地理空间数据的通用技术 地理信息系统是地理 学 地图学和测量学等传统学科和遥感拄术 计算机科学等现代科学技术相结合 的产物 经过4 0 年的发展 地理信息系统已成为当前解决有关空问信息问题的 关键技术 被广泛应用于资源调查 环境评估 城市和区域发展规划 公共设施 管理 交通安全 疾病分析和预防 军事 以及商业和工业的位置分析等领域 并正逐步发展成为一门处理空间数据的现代化综合性学科 1 1 地理信息系统发展阶段 地理信息系统萌芽于2 0 世纪6 0 年代初期 加拿大的r o g e rf t o m l i n s o n 和美国的d u a n ef m a r b l e 在不同地方 从不同角度提出了地理信息系统 1 9 6 2 年 t o m l i n s o n 提出利用数字计算机处理和分析丈郎的土地利用数据 并建议加 拿大土地调查局建立了世界上第一套地理信息系统 加拿大地理信息系统 c g i s 综观地理信息系统的发展 可以分为开拓起步 巩固发展 快速发展 和应用普及等四个阶段 1 1 1 开拓起步阶段 2 0 世纪6 0 年代是地理信息系统开拓起步阶段 该阶段关注的主要是空间数 据的地学处理 在这个阶段 计算机硬件系统的功能还很弱 计算机存储能力很 小且磁带存取速度也很慢 这一切都极大地制约着地理信息系统的发展 使得图 形功能和地学分析功能都非常有限 相应的算法也比较粗糙 1 1 2 巩固发展阶段 2 0 世纪7 0 年代是地理信息系统的巩固发展阶段 该阶段关注的主要是空 间地理信息的管理 在这个阶段计算机硬件技术和软件技术得到了迅速的发展 数据处理速度加快 内存容量增大 输入 输出设备比较齐全 而且还推出了大 数据处理速度加快 内存容量增大 输入 输出设备比较齐全 而且还推出了大 容量直接存储设备 磁盘 这为地理数据的录入 存储 检索 输出等提供了 强有力的支撑 而图形 图像等技术的发展则增强了人机对话和图形的显示功能 为基于图形的人机交互提供了良好的基础 虽然这个阶段系统的数据分析能力仍 然较弱 但人机图形交互技术却取得了很大的进展 1 1 3 快速发展阶段 2 0 世纪8 0 年代是地理信息系统技术的快速发展阶段 该阶段关注的主要 是空间决策支持分析 这个阶段 图形工作站和个人计算机等性能价格比大为提 高的新一代计算机的出现 以及数据库管理系统等成熟软件产品的推出为地理信 息系统的普及创造了良好的条件 使得地理信息系统的应用领域得到了迅速地扩 展 并开始有商业化实用系统进入市场 1 1 4 应用普及阶段 2 0 世纪9 0 年代是地理信息系统的应用普及阶段 在这个阶段地理信息系 统已经是许多机构必备的工作系统 随着各个领域对地理信息系统认识程度和认 可程度的提高 应用需求大幅度增加 导致了地理信息系统应用的扩大与深化 而互联网络的出现和普及 以及分布式对象等技术的发展则使得地理信息系统得 到了极大地普及 并正逐步走进人们的日常生活之中 在地理信息系统的整个发展过程中 计算机技术的发展起到了极大的推动作 用 地理信息系统的发展是和计算机技术的发展 特别是和硬件 操作系统 数 据库和分布式计算等技术的发展紧密结合在一起的 其中 分布式计算技术的发 展对地理信息系统体系结构的演进起到了很大的推动作用 目前 比较流行的地 理信息系统都是基于i n t e r n e t 和w e b 采用c 1 i e n t s e r v e r 体系结构或者 b r o w s e r s e r v e r 体系结构 利用流行的分布式对象技术如c o r b a d c o m j a v a r m i 或者几种分布式对象技术的综合使用来实现的 而基于 b r o w s e r s e r v e r 体系结构的w e b g i s 由于能够充分利用网络上的各种计算资源 相较于以前的g i s 具有更为灵活的结构和更好的可扩展性 能够有效地实现空 间数据和相关资源在网络上的共享 为地理信息系统的普及 以及广大的 i n t e r n e t 用户利用空间信息 获取空间信息服务提供了良好的途径 是目前网 络环境中地理信息系统的主流应用模式 目前市场上已经有不少相对成熟的 w e b g i s 产品 主要包括m a p l n f o 公司的m a p x t r e m e i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a w e bm a p e s r i 公司的i n t e r n e tm a ps e r v e ri m s 和a u t o d e s k 公司的m a p g u i d e 4 1 2 现有地理信息系统面临的挑战 虽然地理信息系统在过去4 0 年的发展中已经取得了巨大的成绩 但是该领 域中仍然有不少理论和技术需要进一步发展和完善 数字地球的提出和数字城市 工程的逐步推进 在为地理信息系统带来发展机遇的同时也对地理信息系统的理 论和技术提出了挑战和新的要求 由于数字地球和数字城市建立在复杂 动态变 化的分布式网络环境的基础上 各种应用都构建在一个更为开放的分布式环境之 中 而且各种不同应用对于地理信息功能的需求也千差万别 这一切使得数字城 市对地理信息系统的体系结构和应用模式提出了新的要求 主要体现为以下几个 方面 1 系统的体系结构必须能够很好地适应开放 分布式的网络环境 在服务 于数字地球或数字城市的过程中 地理信息系统需要面对的将是一个开放 动态 变化的网络环境因此其体系结构必须具有良好的灵活性以及对分布式环境的适 应性 2 必须能够提供各种针对特定任务 粒度适宜的地理处理功能 在数字城 市中 地理信息系统除了需要通过浏览器 直接服务于最终用户之外 还需要为 数字城市中的其它应用提供各种地理信息服务 由于这些应用需要解决的问题各 不相同 甚至可以说是千差万别 因此需要地理信息系统能够灵活的为不同需求 的应用提供多种粒度 功能不同的地理信息服务 包括一些十分专业的地理信息 分析功能 3 必须能够提供易于集成 具有良好互操作性的地理处理功能 在数字地 球和数字城市中 经常需要解决一些涉及面比较广的综合性问题 这需要涉及到 城市中多个部门或者单位的合作 如果这种合作是相对固定或者具有一定的绑定 性质 则最佳的模式就是在某种程度上实现自动化或者半自动化 尽量减少人工 的干预 因此数字城市中的地理信息系统还需要以一种易于集成和交互的模式来 提供服务 或者说具有良好的互操作性 从而确保这些服务能够被特定的应用方 便地使用和集成 或者和面向某个特定问题的其他服务集成起来以解决特定问 题 就目前而言 从体系结构和应用模式上看 现有的地理信息系统中最适于数 字城市的就是w e b g i s 了 和以前的地理信息系统相比 虽然w e b g i s 拥有上面 所谈到的诸多独特优势 并且也已经在现实中发挥了十分重要的作用 但面对数 字城市的 系列新要求 现有的w e b g i s 还是显得有些力不从心 这主要体现在 以下几个方面 1 客户 服务器体系结构有不足之处 目前的w e b g i s 主要都是基于 c l i e n t s e r v e r 或者b r o w s e r s e r v e r 的体系结构 采用分布式对象技术如 c o r b a d c o m 或j a v a i p w i 或者几种技术综合使用 虽然这种模式的采用曾经 为分布式应用带来了很好的效益 但是随着i n t e r n e t 的不断发展 分布计算环 境的高度分布和动态变化等特性变得越来越突出 而该模式固有的局限性 使得 它越来越无法适应开放式的网络环境和各种复杂 动态的分布计算要求 这主要 是因为以下的几个原因 采用客户 服务器模式要求有高质量性能稳定的网络连接 其主要原因有 第一 客户需要与服务器保持可靠的连接 因为只有建立并维持稳定的连接 才 能完成鉴别客户身份等工作 并保证交互过程的安全性 第二 由于对服务器的 请求一般都有一个交互的过程 客户端必须能够对一些可预见的响应进行确认 最后 为了能够在网络上顺利地复制和传输数据 还需要有很好的带宽 体系结构相对僵硬 在客户 服务器模式中主机的角色都是固定的 所有 的计算只能在服务器进行 或者让部分工作在客户方进行 服务提供者必须都集 中在这两个机器上 并不能真正实现分布对等的计算 连接规模所导致的问题 在一个只有一个集中服务器和多个客户端的系统 中 连接的规模问题还不是很突出 但是当有了多个服务器之后 连接规模就会 急剧增长 因为每个客户端都要管理和维持与多个服务器的连接 另外随着规模 的增大 服务器的控制将变得越来越复杂 其性能也会变得越来越低 而目前客 户 服务器模式在这方面的研究尚不能从根本上解决问题 另外由于客户 服务器 模式并不能很好地支持客户应用之间直接的群体感知 使得在客户应用之间 很 难进行充分的交互 并完成较高层次的协同工作 这导致了客户朋匣务器模式 无法胜任许多复杂的分布式应用 因为可交互性和可协作性正是分布式应用中最 为关键的特点 2 在应用模式上也有不足之处 传统w e b g i s 的主要目的 是为了能够在 网络上发布空间数据 以及和这些空间数据相关的一些信息 主要通过浏览器直 接地服务于最终用户 且服务对象一般情况下是非专业用户 这使得传统w e b g i s 存在着以下一些问题 数据和功能的相对绑定 现有的w e b g i s 系统在发布空间数据之前 不但 需要明确知道数据的位置 类型等有关信息 还需要进行一系列的相关操作 确 定与这些空间数据相应的一系列功能 如属性查询 缓冲区分析等 系统相对独立 缺乏良好的互操作性 使得w e b g i s 系统之间处于一种相 对孤立的状态 缺乏良好的空间信息处理功能的共享与互操作模式 系统内部耦合度较强 应用模式不够灵活 难以灵活地为需求不同的应用 提供各种不同粒度和不同功能组合的地理信息服务 也难以灵活地把系统中应用 6 所需的功能和应用的其它部分有机地集成起来 虽然采用组件的方式能够部分地 解决这些问题 但是该模式下系统的开发人员需要对组件有较为深入的了解 并 要显式地配置和使用这些组件 其可扩展性和灵活性并不理想 处理功能比较有限 相对简单 由于面向的用户通常都是非专业用户 且 以空间数据的发布作为主要目的 因此现有w e b g i s 的功能都相对简单 1 3 从地理信息系统走向地理信息服务 由于现有w e b o i s 还无法很好的满足数字地球和数字城市的应用需求 因而 需要针对数字地球和数字城市对地理信息系统的新要求 提出一种能够良好地服 务于数字地球和数字城市的地理信息系统模式 欧美 加拿大 日本 土耳其等 国在n s d i n a t i o n a ls p a t i a ld a t ai n f r a s t r u c t u r e 框架基础上 构建n g d c 国家数据交换中心 将在地理信息领域中引入a g e n t 技术和w e b 服务 w e b s e r v i c e s 技术 提出一种更适合于数字城市的地理信息系统模式 基于 g e o a g e n t 的空间信息服务或者地理信息服务 以及这种空间信息服务基于w e b 服务的应用集成模式 1 3 1a g e n t 技术的引入 目前分布计算还处于客户朋 务器计算的中间阶段 但由于受到新的应用需 求的推动 已经开始向分散对等的协同计算方向发展 将a g e n t 的概念和技术 引入分布计算 发展基于a g e n t 的分布计算技术是这一发展阶段的重要特征 a g e n t 技术之所以能够在基于网络的分布计算领域中发挥着越来越重要的 作用 主要是因为以下两个原因 一方面是a g e n t 技术为解决新的分布式应用 问题提供了有效途径 另一方面是a g e n t 技术为全面准确地研究分布计算系统 的特点提供了合理的概念模型 从逻辑上讲 一个分布式系统可以定义为由多个 相互作用的a g e n t 组成的系统 各种分布式系统的差异主要表现为其中a g e n t 的角色和交互方式上的差别 已有的分布式地理信息系统都基于客户 服务器模 式 在这种模式中 系统中的a g e n t 或为客户或为服务器 交互关系仅限于客 户主动请求 服务器被动服务的交互方式 而在基于a g e n t 的分布计算模式中 每个a g e n t 都具有良好的自治性 交互性 反应性和主动性 a g e n t 之间是平 等独立的 主要通过一种更为灵活松散型的消息机制来进行交互 并可以在交互 过程中实现良好的协作 这种基于a g e n t 的分布计算模式可使人们在设计系统 的过程中 跳出客户 月匣务器系统的局限和束缚 而相应的系统也能够克服客户 7 服务器体系结构的不足 此外 a g e n t 的一些附加特性也能够为地理信息领域中某些问题的解决带来 新的思维模式和有效的解决途径 这主要体现在以下两个方面 可移动a g e n t m o b i l ea g e n t 的引入将带来空间信息处理能力的网络 迁移新思路 为实现空间信息处理过程中 从大量空间信息网络迁移到空间信息 处理功能网络迁移的转变带来有效的解决途径 使得空间信息的处理能够在尽量 靠近空间信息的地点进行 不但提高了处理的效率 也为解决空间信息网络传输 这个瓶颈问题的解决带来的新的解决途径 按需装配特性则使得a g e n t 能够在运行的过程中 根据当时的需要 通 过加载所需的构件来实现自我功能的增强 从而更好地完成任务 这种特性能够 优化可移动a g e n t 的迁移机制 提高a g e n t 的灵活性和适应性 为不同粒度空 间信息服务的组合提供可行的机制 同时也为空间信息领域功能构件层次的共享 和互操作带来的有效的解决途径 因此在地理信息领域中引入更加强有力 更为有效的分布式计算技术 基 于a g e n t 的分布计算技术以解决在客户 服务器模式下分布式地理信息系统所 存在的问题 这就是基于g e o a g e n t 的空间信息服务模式 其中g e o a g e n t 是把 a g e n t 技术引入到地理信息领域的新型a g e n t 目前把a g e n t 领域的技术引入到地理领域的相关研究还比较少 而且大部 分研究基本上还停留在实验室阶段 如 圣地亚哥州立大学地理系提出的建立在 分布式构件技术上的基于a g e n t 的分布式地理信息服务a g e n t b a s e d d i s t r i b u t eg i s e r v i c e s 国内北京大学 武汉大学 华东师范大学做了相关研 究 总的来说 a g e n t 技术在地理信息领域的研究还处于子起步阶段还需要有更 多的研究项目和工程来推进相关研究的发展 1 3 2w e b 服务技术的引入 由于现有的地理信息系统在应用模式 以及与其他应用的集成上还存在着很 多问题 因此需要引入一种新模式即基于w e b 服务w e bs e r v i c e s 的应用模式和 集成模式 为基于g e o a g e n t 的空间信息服务在数字地球和数字城市中应用和集 成提供有效的途径 w e b 服务技术最大的优势是采用大量的标准化技术 建立在h t t p 协议 w s d l s o a p 和u d d i 等标准 以及x m l 等技术之上 从而允许在不同平台上以 不同语言编写的各种程序 以基于标准的方式相互通信 通过h t t p 协议极大地 扩展传统应用软件的服务范围 并通过s o a p u d d i 和x m l 等标准技术为应用 软件提供了基于w e b 的统一应用标准 屏蔽了应用软件底层具体的实现技术 因此在地理信息领域引入w e b 服务技术 将为基于g e o a g e n t 的空间信息服务与 其它空间信息服务或者非空间信息服务之间的互操作提供统一的标准 此外通过w e b 服务技术 w e b 服务流语言 w s d l 和a g e n t 技术的结合能 够实现基于a g e n t 的w e b 服务流引擎 充分突出w e b 服务能够在网络上无缝集 成各种应用程序的优势以及a g e n t 在实现工作流引擎方面的优势 实现跨越技 术和商业的边界对商业流程进行建模 使得商业流程和利用了大量w e b 服务的 交易生命周期能够进行同样的无缝集成 这种机制使空间信息服务能够无缝地融 入到各种商业流程 能够解决某些综合性问题的相对固定的处理流程之中 从而 更好的融入到i t 领域和数字城市之中 而且这种机制和g e o a g e n t 动态装配特 性的结合将为多种粒度的空间信息服务的组合提供有效的途径 目前把w e b 服务技术引入到地理信息领域的研究还很少 作为主要地理信 息领域标准化组织之一的开放式g i s 协会o g c 已经认识到 在地理信息领域中 引入w e b 服务技术的重要性和紧迫性 并已经在这方面启动了一些研究计划 麻省理工分析组织z a p t h i n k 新近报道 新出现的基于商业处理技术的网络 服务市场 将取代当前的 应用程序综合 a p p l i c a t i o n i n t e g r a t i o n 软件市 场 服务导向处理软件将会使传统企业软件丧失活力 从发展的态势来看g e o a g e n t 技术与w e bs e r v i c e s 技术的成熟过程 将是 g i s 与m i s 系统 0 a 系统逐渐融合的过程 1 3 3 地理信息服务 1 电子商务g i s 互联网的普及与发展 促成了电子商务的形成与发展 网上购物 电子银行 和物流配送等都要通过互联网付诸实现 在我国加入w t o 我国经济活动融入国 际大环境和跨国公司在境内的经营活动的大背景下 也为建设 发展电子商务多 级地理信息系统提供无限商机 2 智能交通信息数据库和车载导航电子地图 智能交通系统以计算机技术为基础 融入遥感 快速采集数据 g p s 高精 度定位 矢量化地图和g i s 空间分析与查询 等的最新成就 增强了自主导 9 航能力和地理空间信息的实用价值 为此建立的智能交通信息数据库 则需在基 础地理信息数据库基础上增加若千交通专用数据 车载导航电子地图可服务于驾 驶员和商用 运输 公交 紧急救援等部门 已经和正在逐步扩大应用领域形成 广泛的用户群 3 掌上电子地图信息服务 人们对城市的了解不再停留在原有数字图和平面图上 而掌上电子地图将如 同电视 手机一样 直观快捷 实时的为人们的旅游 出行 娱乐等日常生活提 供各种信息服务 4 网上电子地图服务 美国己着手建立基于硎的g z s 数据和服务网络 如提供各种街道图 机场 图 国家公园和风景路线图 我国网上电子地图已有推出 尚处于起步阶段 不 够完善 有很大的发展空问 5 精准农业发展 精准农业就是根据农用土地内部土壤条件的差异 综合利用 3 s 技术及其他 相关先进技术管理农作物的生产过程 以达到减少投入 减少环境污染 提高质 量 增加产量 增加效益的一项新技术 在农业发达国家己广泛运用 我国也通 过了示范试验 取得好的效果 随着农业现代化进程加快 这项技术也将具有无 限发展前途 第二章商业g i s 软件与自由软件 2 1g i s 软件的发展 地理信息系统 g i s 于上个世纪6 0 年代起源于北美 考察地理信息系统 的发展 可分为6 0 年代的起始发展阶段 7 0 年代的巩固阶段和8 0 年代的大发 展阶段 2 0 世纪9 0 年代之后 g i s 尤其是在应用软件方面进入了一个更加快速 的发展时期 从空间信息处理的角度出发 可将g i s 近4 0 年的发展与对未来的趋势预测 划分为空间信息的管理 2 0 世纪6 0 8 0 年代 分析 9 0 年代初 模拟 2 0 世纪 9 0 年代中后期 调控 2 0 0 0 年以后 与融入生活 未来 等五个阶段 见表2 1 表2 1g l s 的发展过程 空同 鞋性 空羁芙象分斩专业模型空回信悬模型 虚撤现善 网络与通信 时间标志矢量 橱格 叠置 不规则 水文 生态 空间相互作 遥感处理与多 有线 无线 数据库管理 三角同 同络 环境 城市 用 时空 维建模 6 0 8 0 1 年代 c g i s 管理 a r c i n f o 简单 9 0 年代 专业研究 初期 用户 外挂 分析 g o o dc h i l d 9 0 年代 f i s c h e r 简单 中后期 l a i n i n g 外挂 外挂 2 s 3 维 模拟 f o t h r i n g h a m o p e n s h o w 等 2 0 0 0 在 区域系统空间信息 n e m d t m 网络环 以后可持续发展 分析 空间过程模拟模型 与v 脚l 境中的数 调控 调控 模块 模块 模块 据共享 2 5 5 维 多智能体系统 分布式 时空信息 m u l t ia g e n t虚拟地理 跨平台 未来 管理s y s t e m m a s 模型环境 互操作 融入数字地球 算法集 生活 认识模拟 预测仿真 交流 地理信息科学 2 1 1g i s 软件在国外的发展 上个世纪6 0 年代 加拿大国家土地调查局开始建立地理信息系统 o i s 同时 也开始了对g i s 软件的研究与开发 并于7 0 年代初投入产品生产 产生 了世界上第一个运行性地理信息系统 同期 美国哈佛大学的计算机图形与空间 分析室 建立通用的制图软件包 大力发展空间分析模型和软件 上个世纪7 0 年代 美国 加拿大 英国 前联邦德国 瑞典和日本等国家 对地理信息系统 g i s 投入了大量的人力 物力 财力 各种各样的 各具特 色的地理信息系统在各国纷纷研制 此时 由于计算机技术的发展以及计算机技 术在资源环境数据处理中的用 促进了地理信息系统 g i s 的发展 例如 从 1 9 7 0 年至1 9 7 6 年 美国地质调查所就建成了5 0 多个信息系统 i g u 于1 9 7 5 年 和1 9 7 6 年两次调查了与空间数据处理有关的软件 当时大约有3 2 0 个程序组和 系统 其中较为完整的地理信息系统 g i s 软件就有8 0 个之多 上个世纪8 0 年代 由于计算机的迅速发展和普及 促进了g i s 的普遍发展 和推广应用 美国 前苏联 前联邦德国 英国 法国 挪威 瑞典 芬兰 荷 兰 澳大利亚 以色列等国家都在积极解决g i s 的发展和应用 在此期间 些基础g i s 软件得到研制 如 a r c i n f o g e n a m a p m i c r o s r i o n s y s t e m 9 等 进入2 0 世纪9 0 年代以后 g i s 的应用得到了更加迅速的发展 g i s 成为一 种通用的地理信息技术工具被广泛使用 称为g i s 的用户时代 此时 g i s 软件 的发展尤为迅速 许多g i s 软件发展的愈来愈完善 并广泛应用于生产生活中 例如 美国环境系统研究所 e n v i r o n m e n t a ls y s t e m sr e s e a r c hi n s t i t u t e e s r i 研制的a r c i n f o 软件以及桌面式g i s 软件a r c v i e w 澳大利亚g e n a s y si i 公司开发的g e n a m a p 软件 美国i n t e r g r a p h 公司的m g e 软件和g e o m e d i a 软件 美国m a p i n f o 公司开发的m a p l n f o 软件 美国c a j i p e r 公司研制的m a p t i t u d e 软件等 2 0 世纪末 组件式g i s 被提出 一些g i s 组件如m a p o b j e c t s m a p x 等被推出 进入2 l 世纪之后 随着软件构件技术的发展 构件式g i s 被提出 一些相关的研究开始展开并已取得部分成果 例如德国的d e e g r e e 2 1 2g i s 软件在国内的发展 g i s 在国内的起步较晚 从1 9 8 1 年到1 9 8 5 年为起步阶段 1 9 8 6 年开始 g i s 在我国进入初步发展阶段 一些相关的软件开始研制 2 0 世纪9 0 年代至今 g i s 在我国开始迅速发展 这一方面是因为许多机构 逐渐了解了g i s 的功能 认识到了g i s 的重要性 利用g i s 来提高工作效率和 工作质量 另一方面 公众对g i s 的认识亦普遍增强 用户需求大量增加 从 而扩大了g i s 的应用领域 并提高了g i s 的应用水平 目前 部分国产g i s 软 件也已经研制成功并推向市场 例如 北京大学与三秦信息技术有限公司联合研 制的城市之星 c i t y s t a r g i s 软件 武汉测绘科技大学地理信息系统研究中心 1 2 研制开发的吉奥之星 g e o s t a r g i s 软件 中国地质大学研制的m a p g i s 软件 中国科学院开发的s u p e r m a p 软件等 组件式o i s 在此时期亦得到了发展 研制 了一些g i s 组件如m a p e n g i n e a c t i v e m a p 等 2 2 自由软件g i s 的发展及与商业g i s 比较 国外早在8 0 年代就开始意识到商业化g i s 软件对g i s 发展 应用推广 及 专业人才培养的制约因素 开始开发发展一些f r e eg i s 产品 到目前为止 已 经有1 5 4 种g i s 类f r e es o f t 根据b 业 螋 g i 些g 统计 其中有 基础g i s 平台6 种 可视化工具3 4 种 g p s 应用软件1 8 种 能实现交互实现的 g i s 软件3 2 种 支持w e b 发布的g i s 软件与工具1 4 种 具有遥感图像处理功能 的6 种 g i s 数据格式转换软件1 9 种 支持飞行模拟的g i s 软件与工具4 种 投影变换软件8 种 模型插件8 种以及5 0 种其它工具 以上统计数据中有交叉 在这1 5 4 种软件中有5 种可运行于微软平台 g r a s s g e o g r a p h i cr e s o u r c e a n a l y s i ss u p p o r ts y s t e m g e o t r a n s g e o g r a p h i ct r a n s l a t o r g p s 3 d f e r a l 与s u r v e x 在f r e eg i s 中最著名的是由美国陆军结构工程研究实验室m s a r m y c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n gr e s e a r c hl a b o r a t o r i e s u s a c e r l 1 9 8 2 年研制 1 9 9 5 年 正式推出的g r a s sg i s 软件 到目前为目 该软件已经在全球3 0 个国家和地区 建立了镜像站点以供软件与内核代码的下载 并提供相关技术文档与开发实例 它的使用范围几乎覆盖了全球 并在欧洲 北美等发达国家得到了广泛的研究与 使用 n a s a n o a a 等国际著名的政府机构也开始用它来逐渐替代商业化g i s 软件 那么什么是f r e eo l s 这里首先要说明的是g n u 与l i n u x 1 9 8 4 年 曾经 是b i l lg a t e s 比尔 盖茨 哈佛大学同学的r i c h a r ds t a l l m a n 源于其在麻省理工学 院人工智能实验室o l i ta r t i f i c i a li n t e l l i g e n c el a b 组织开发了一个完全基于自由 软件的软件体系计划g n u g n u 是g u ni sn o tu n i x 的递归缩写 并且拟定了 一份通用公共许可证 g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e g p l 并针对版权保护 c 叩y r i g h t 运用版权法制定了g n u 软件的c o p y l e f t 软件开放权 g p l 保证任何人有共享 和修改自由软件的自由 任何人都有权取得 修改和重新发布自由软件的源代码 并且规定在不增加附加费用的条件下得到源代码 基本发行费除外 这一规定保 证了自由软件总体费用是低的 在使用i n t e m e t 下载的情况下则是免费的 o p e n s o u r c e 开放代码 指g n u 的同类软件 因一部分g n u 会员觉得让初学者领 会f r e e 的含义太困难 所以成立了一个另外的组织名为o p e ns o u r c e g n u 软件中最著名的是由芬兰人l n i u st o r v a i d s 发起开发的l i n u x 操作系 统 它的诞生日期从1 9 9 1 年算起的十多年 由于受到i b m o r a c l e 等国际大公 司的强力支持 再加上自身是f r e e 的平台 又是一类u n i x 操作系统 在当今 知识产权限制越来越严密的时代中 发展势头非常迅猛 已经成为微软操作系统 真正强有力的竞争对手 2 0 0 4 年4 月4 日中日韩三国在北京签署了 开放源代 码合作备忘录 中日韩三国将共建l i n u x 标准 1 0 项措施推进开放源代码软 件 l i n u x 操作系统具有多任务 多用户 强大的网络功能与稳定性的特点 目 前世界上的l i n u x 版本繁多 但其中的差别在于自身设计的x i n d o w 风格各异 因其内核代码完全公开 用户可以自己设计xw i n d o w 并以自己冠名 比如中 国的红旗l i n u x 主要做了l i n u x 内核与k d e 的汉化工作 但由于l i n u x 属于类u n i x 操作系统 它的优越性做网络服务器使用时体现 的更为明显 在全球的服务器与工作站操作系统市场占据了仅次于u n i x 的市场 份额 作为单机操作平台 入门学习相对比微软平台复杂 再加上f r e e 软件不 可能拥有强大的商业广告推广手段 在中国高校中除重点大学的计算机系在研究 使舟外 并未得到广泛应用 作为全球最主要的数据库厂商 o r a c l e 为了推广j a v a 的应用 将9 i 后的数据库开发重心全部转移到l i n u x 平台 因l i n u x 是f r e e 软 件 受至峪 球计算机专家 尤其是一些黑客组织的支持 现在的l i n u x 中应用软 件中已经出现与微软平台的接口软件 w i n e 与c y g w i n 从操作系统的层面上讲 l i n u x 极有可能成为未来跨平台操作系统中的标准 f r e eg i s 就是建立在g n u 软件的基础上开发研制的g i s 平台 它完全遵循 g n u 规范 保证代码开放与用户的无限复制权与开发 重写等权利 丽商业g i s 软件对以上的重要内容均完全保密 而且自成体系 互不兼容 国内对常用的商 业化g i s 软件进行对比的文章相当多 客观的结论往往是e s r i 公司的a r cg i s 产品是最好的 其它的均存在各种不足 毕竟它发展三十多年 a r cg i s 的数据 结构已经成为g i s 彳亍业中事实上的数据结构标准 美国招聘g i s 人员中一个重 要的条件就会使用a r cg i s 软件 m a p l n f o 公司的m a p i n f o 系列产品不具备g i s 软件的功能完整性与多平台支持特性 不支持u n i x 平台 不支持分布式运算 不支持带方向的矢量数据格式 只是对a c c e s s 与图形进行了简单绑定来定义其 数据结构 但因其用户界面美观与盗版盛行 入门操作简单 二次开发速度快 完 全建立在微软平台的软件开发理念上 在中国得到普及 国产的商业g i s 软件由 于发展时间短 还存在许多使用中的b u g 目前还不能完全与国外的商业g i s 软件加以比较 所以唯一能成为商业g i s 软件代表的只有a r cg i s 从种类上来 讲 商业g i s 软件目前在中国市场上占一定份额的不超过2 0 种 远远少于f r e e g i s 下表将重点对比商业化g i s 软件的代表a r cg i s 与f r e eg i s 软件的代表 1 4 g r a s s 的某些特性 并将对比分析的结论作为依据提出中国g i s 软件选型与发 展的一些观点 表2 2 商业g i s 软件与自由g i s 软件比较 特性a r c g i sg r a s sg i s 优势方 开发平台与团队 u n i x e s r i 公司 u n i x 早期为u s e c e r l 后为相当 高校与个人组成的松散团队 运行平台 u n i x 系列 u n i x 系列 a r c g i s 全系列微软平台w i n n t 2 0 0 0 通过c y g w i n 灵活性模块化 可伸缩性平台 掌上机专用系统 a r c g i s 操作比较方便复杂 a r cg i s 数据库支持全系列 空间数据引擎 o r a c l e m y s q l f r e e a r c g i s p o s t g r e s q l f r e e o d b c 基本空间分析支持支持相当 附加横型收费 f r e eg r a s s g p s支持支持相当 遥感图像处理需与e r d a s 结台有 g r a s s i n t e r n e t 发布 a r ci m s 支持 相当 掌上机 a r c p a d 支持相当 二次开发语言v b d e l p h i c j a v ac c j a v a a r c g i s 代码开放 不提供全部开放 g r a s s 开发例程代码不提供多 g r a s s 信息技术标准f g d c x i l l m l c o m f g d c o g c n i l u m l c o r b ag r a s s 支持数据格式 常用数据格式全部数据格式 仍在增加 g r a s s 产品说明随软件 有中文i n t e r n e t 下载 全英文 目前为a r c 开发手册 g i s 培训国内富融公司定期举办 国内无目前为a r c 收费国外高校开设 g i s 参考书少 但有中文版 多 但无中文版 相当 图形界面美观 美观 相当 售后服务收费 可靠 通过i n t e r n e t 交流 a r eg i s 价格 高 f r e e g r a s s 总体评价 在灵活性 操作 数据库支持 培训与服务等8 项指标中充分展示了商 业化g i s 的优越性 但在价格 模型支持 数据格式与标准支持等7 项 指标中g r a s s 占优势 从g i s 平台的功能性等考察 基本相当 从二次 开发角度讲目前a r cg 工s 因其良好的售后服务占据了主动 从上表中的总体评价不难发现 培养g i s 操作员与g i s 程序员 现阶段仍采 用商业化g i s 软件是一个快捷 有效的途径 这是因为自由软件多是基于u n i x 或l i n u x 而在中国运行u n i x 多是有实力的大公司或高校 商业g i s 是在w i n d o w s 平台 中国市场普及的是w i n d o w s 平台 但是有两点要注意到 一是随着l i n u x 的崛起 f r e e g i s 将会比商业g i s 发 展和普及的更快 二是在w i n d o w s 平台上也可以通过c y g w i n 等模拟u n i x 的s h e l l 命令解释器环境来运行与部署f r e e o i s 借助f r e e o l s 中国有可能逐渐摆脱对商业g i s 软件的依赖性 同时能够共享 世界范围的最新成果 g g 章 g i s 软件技术发展与上海市g i s 综合应用水平 3 1g i s 软件技术发展 g i s 软件中所涉及的软件开发技术是随着i t 技术中通用软件技术的发展而 推进的 正是有了当前的组件技术 w e bs e r v i c e s 技术 g r i d 技术出现及在g i s 软件中的应用 使人们看到了今后的信息技术应用的广阔前景 因为在原来技术 的支持下 海量 多源 多格式的空间信息的管理与展现难以满足普及的 大众 化的应用 对融合空间信息后的信息系统的渴望来自于人们对 虚拟现实 的追 求 以上所提到的技术基础是面向对象技术发展的产物 图3 1 是基于对象技术 发展的演化图 图3 i 对象技术演化图 图中横轴指示的是各软件单元的祸合度 可以看出随着各单元粒度的增大 各单元间的耦合度减小 也就更便于装配与共享 纵轴体现的应用范围也表明了 这一点 对象 o b j e c t s 早期主要在程序 p r o g r a m 中定义与管理 随着程序中对象 数增加及功能的专门化 把具有特定功能的程序单元封装起来 以构件 f c o m p o n e n t s 的形式提供给相同平台环境的其他用户共享 当把具有特定功能的 构件 如读取数据 专业分析计算 显示输出 组装起来完成某 4 任务时 就形 成了一个服务 s e r v i c e s 把这种服务在网络上注册发布供用户发现后绑定应用 t 7 因为w e bs e r v i c e