地理信息系统目前与未来发展方向.pdf

测绘科技情报总第 期 地理信息系统目前与未来发展方 向 美 等 提要 虽然地理信息系统可促进各种不同的应用 但其缺陷仍妨碍 了其高效 率及有效的使用 尤 其是复杂的空间问题 用户要求地理信息 系统易于使用 灵活 便 利 快 速且价格 低廉 地理信息 系统作为决策支持系统在 一 大领域的应用正日益增长 该趋势正在扩大和 延伸 在各 个应用领 域的能力 为了提高地理信息系统 的能力 必须重新考虑通用 特征 且设计儿个新功能 本 文综述了 的一般能力 研究了现有功能的扩张 推荐未来地理信息系统的新特征与功能 导言 在广阔应用 领域分析 模型 化与决策支持方面的应 用正迅 速增长 诸如制图 例在工 程测量 监 测 例生态 决策 例管理 与研究 例地 理科学 等应 用显著受益于 方 法 系 统 工 具与 程序设计 一个真正的 应该持久 地 包含各种数字地 理 空 间数据 给决策辅助 提供专 门 的解析工具 与具体领域的 属性数据 区别于其它信息 系统的 主要特 征是 具 有 空间分析能力 能 够促进 环境各种数据类 地 理空间及其 它 混合用以分析 模拟与决策支持 现有地 理信息 系统 的调 查 利用某些 产 品所报告 的经历指 出 目前 适合用作建立称 为 空间决策支持系统 空间 问题 解决环境 的 基础 未来的地理信息 系统 必须支持合作环境中的 文 献 确定 为支 持 复 杂空 间 问题的 具体 决策 研 究 活 动而设 计 的 系 统 见 飞 二 飞 进一步释其通用定义 一 个 是一个基于计算机的信息 系统 它能借助自 动化决策帮助解决空 间相关问题 其数据库包 含 两类数据 空 间 和非空间 空 间 数据 组 成部 分是 系统的中心 如它包括地球位置 高程与拓扑学 非空间数据组成常指 属 性或辅助 数据 补充空 间数据以处理 空 间查询且 解决空 间 问题 在一个 中 这两类数据能够提供和支 持大范 围空 间问题的自动化决策 在 这方面 空间 问题意指其解法所需 的地理 空 间数据处理 所以 一个真正的 应该包 含 必 要 的工 具 存取各种数字 空间数 据以帮助不同环境 的决 策 的一个重要特征 就是 在处 理 查询与解决 问题 中融合不同数据类 地 理空间与其它 的能力 在解释了 是什么以及了解 目前 动 态之 后 可以看 出现存 目前并不 支持 的所有 要求 但它们可作为建设高级 白勺工具 只弘的一个逻辑增强就是联合空 间决策支持系统 的建立 共享 黔 的相同 目标 其能力可扩展到以一 种 联合方式解决空间问题 理想的 名 支持局部环境 中 的用 户需求 当数据 程 序或专业 知识在局部范 围并不充分时 系统也能够推荐和提供对必要 数据与信息处理 的有价值的遥感系统的传输存取 与 相比 污 的重 要特征 就是解 决合作环境中多学科领域里空间问题的能力 随着 关键 功能的改善以及新能力的蕴含 能够用作建立 的 工具 与 已讨论 和分析了 豁作为 组决策工具的使用 年 第 期 地理信息系统目前与未来发展方向 表 提供了 目前 与未来 的 比较 目前 存在着明显 限制 与 的缺陷 未来的 应该设计和 开发具有特殊的处理新问题与新挑战的特征 而 且还可成为 优秀的 与 污砍弱 换言之 未来的 应该易于使用 灵活 模型化 开放 且价 格低 廉 为了达到这些 目标 必须首先更好地了解目前的缺陷 以便于克服设计 开 发和 实施中的 困 难 随后讨论了建立 以粥 所必需的技术与环境 该表内容的严格探讨揭示了未来 乐所提出的特征将与其它人关于 的研 究成果相 一致 世 界范 围所报告的诸多研究活 动中 由国家地理信息与分析中心 所进行的 作最 为著名 也为许多 研究人 员和科学家所认可 连同其它研究机构通过 研 究引 导 了空间模型化与分析领域的未来方 向 这些 研究及表格内容之 间的 比较揭示 了本著作中所 介 绍 的 未来方向与由其它研究者和科学家所做的工作成果相吻合 在 与 这种研究项 目中 考虑了未来 的几 个特征 表 表 目前与未来 乐的比较 数数据据问题题 常规 未来 转转转换 换大多耗时 不同的数据格式 标准化 化 分分分析与处理理 时间动画画 格格格式式较多矢量式 较少栅格式式矢 址与栅格格 模模模型型缺乏语义 相关 语 义 而向目标 容容容量量 大 百万一十亿字节 巨大 十亿一万亿字节 设 计计非模件化化 模件化 化 软软件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件 应应应用 开发 发困难 一般一与特殊一用途语 言 简单 可 视化编程 语言 与与与外部 部不可能或困难难 直截了当 当 系系系统接 口口口口 综综综合设 想想松散藕合 合 紧密藕合 合 用用用户界面面文字图形形虚 拟现 实 文字 图形 声音 视觉化等 联联联网存取取 此此 空空间 间 处理设 想想分层特征征面向目标与处理理 分分析 析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析 与与模 模 模拟拟 有限 限 普遍 虚拟现实 型型化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化 功功功能 能制图 空 间分析析制图 空 间分析 与模型化 决策支持等等 决决决策支持持算法 法 算法与推断 基于知识 的的的推理理理理 不不不确定 定 此此全面面 性性性管理理理理 计计算算结构构单机 一 些 客户一伺服器器客户一伺服器 非均 匀性分布计算算 平平平 台台 二 与工作站 站 二 工作站 超计算机 具有超计算机远程获 获 取取取取取的 贻与工作站 站 处处处理理一些分布式式 非分布式 与分布式 式 计计计算算 纯量量纯量 矢 量 并行 各个版 问问问题解 解 独立立 合作作 决决决环境 测绘科技情报 总第 期 数据研究 在 中 数据库的有效管理与使用于查询处 理 和 空间 问题解决至关紧要 然而 一般 的 经常具有从早 生代 所继承 的数据库 在其数据模型 结构与外延性方面具有严 重制约 而且由于常规数据模型是以记录为基 础 它们不能区分不同的 地理实体与相关 常 规数据模型用以地理 空间应用域已引起 了成果的复制与数据依赖性 有悖于数据库系统的 目 标 语义地理 空间数据模型 在近 两个时代的演变 从制图工具到空间分析 系统 到复杂 的决策支持 系统 已经显示数据模型 的适宜性于一个成功 的 非常重要 现存的 基于常规数据模型 它 们为通用的 没有高效率和有效地包含地理 空间特征与语 义 而借助语 义 通 过现实世界实体 的高度提取 的更强 表 述力非常重要 语义地理空间数据模型的缺乏极大 地影响地理 空间数据 的处理与计算 因为在模型化复杂问题 时 无可 避免地存在 着信息遗漏 一个恰当的 语义地 理 空间数据模型 显 然是 必要 的 相 对高级 的一 种模型允许数据更为精确和直接地 反 映 目标与概念 一个以 的目标就是能够确定所储存的 地理 空间数据的结构与行 为特征 结 构 依照目标 属性 相 关而确定 而行为则依据查询与事务操 作来确定 在 中 一个语义数据模型必须 处理 的问题如下 拓 扑结构 状态与行为 的模型化与处理 用以查询 空间处理 干 扰与研究非完整 和不确 定性信息 模糊状 况等功 能结构 各种应 用 尤其是 相关地球观 测系统 与环境变 化的多分辨能力 问题解决的多学科需 要 未来演变动态 的模型化与可伸展性 在开发 语义地理 空间数据模型的现 有方 法中 面向目标的范例具有 更严 密研究上述 问题的潜力 矢量 与栅格数据 具有高分辨率 广泛 覆盖与可用性 的更为频繁的多光谱卫星影象目前可以获 得且用以复 杂 的问题 比如 环境监测 自然资源 公共服务与紧急状 况管理 结果 可望更高效率 更 有效地 处理矢量与卫星影象 栅格 数据 必须 允许卫星影象与其它相联结的常规地理 空 间与辅助数据处理的并合 面向目标数据模型化已为一些 研究者建议 如 沁 用以处理 中矢 量与栅格数据 近来在实施处理诸如卫 星 影象这样大目标的面向目 标方 法的研究具有指导意义 三维 地理 空间数据 目前 由地图制图方法演变而来 基于 与 数据结构 这种数据结构极大地 限 制了可完成的 空 间分析与模型 化类别 未来 应该 基于 甚至 更高维而建立 因为时间 分析与模拟正变得日益普遍 尤其在环境应用方面 在此 一个重 要特征 就是建立 二 仅 建立 数据结构 是 与数据库是不够的 并且 目前 的功能方面必 须 同 样延伸 多分辫率地理空间数据 几个世纪以来 地图制图者在其制图活动中一直使用 多重比例尺 因为他 们确 信在不同的 年第 期 地理信息系统目前与未来发展方向 比例尺上 可包含 更多的信息 相似地 正演变为可允许用 户查询 与处理不同比例尺与分 辨率地 理 空间信息的多分辨率系统 利用面 向 目标方法可便利开发金 字塔式数据结构 在卜 个时代 有关各个领域最佳战略设想曾得到饶有兴 趣的研究 数据处理 随着穿越各大陆及全世界的实时通 讯的出现 数据与信息库能够 获得各种 应 用 从 沿海钻 探定位的测 图到极地冰川监测以及热带海岸区洪水泛 滥监 测 为了最佳使用 这些数据 卜 言息 库 现时 及未来 中均需要 解析工具与程序方法 查询空间数据的 数据库是 一 种 可 由适当的 弓 所 处 理 的 应 用 然而 多 分 辨率需 要 的 内含可显著地使情况复杂化 未来的 将必 然能够处 理各种分辨率的 查询 收 集 一个地区各种比例尺地图 的人力制图员能够处理那个 地区的各种 查询 未来 至 少应 具有 竞争性 软件研究 未来 软件的设计必须能够提供一个模件开 发设想 必须提供一 个 不 同模件可协同 作的环境以取 得 交互运 行性 尤其 未来的 软件应该由以下 几部分组成 基卜多 媒体技 术 如 虚拟 现 实 的高级用 户 界面 易于使用 且 允许模型与 功 能 密切藕合的 应 开发设 施 允许与实时应用的外部系统和 设施 比如 接口的模件 交互可视环境 在目前的 中开 发分析程序与管理数据极其繁琐 通常以一种复杂似是 宏 观 的 语 言实 施 特殊的 用户尤其重 视 分析而非计算机工作 随 着计算机技术提供可视性控制以及 可视性 输出的更好利用 能期望 在用 户生 产率方面出现巨大进 步 这 些 技术中的 一 种 就是 可 视性 编 程语言 它表达 一个 的命令 把数据从一个持续不变 的数据设施 转换到 二 卜的 高 级层次 在 此 本文研 究 了通 用 用户命令 的一些合适 的图 形 用 户 界面 把 一个 图形或可视 表示 用以编程 它们具有使 易于使用 理 解和 维 护 的潜 力 这可通过 提供 待完成处理 的清晰表格 图形 配 置程序单元 利用颜色与图标开发 测 试 调 整以及维护 程序和 过 程等来获得 已经调 查了 一 且讨论了其优点 一 方 法已成为许多可 获科学视觉化程序包的标准 诸如 数据开 发器与 豁 开发 器 综合设想 与应用模型一 起利用 必 然存在着三种途 径 利用 与模型作为分隔的系统 在模型中利用GI S功能 3 在GI S中利 用模型 各方法均 有其优缺点 第一个方法 的 主要优点就是过程的简化 然 而其方法却非常耗时 具有许多手工过程 可能导致过度开销 方法2的 主要优点就是 所有GI S功能十分适 宜模型 的精确需要 但其缺点则是GI S功能受限于模型的需 要 任何扩张均需较多的编程努力 方 法3生成系统是一个通 用系统 但其模型 的数据与结构则由GI S的数据与结构来限定 给G IS s提供交互 可视环境将利用 上述任一个 方法促进GI S与模型 的综合 为了给G IS s 提供交互可 视环境 G I S 软件设计与开 发的一个面向目标方法具 有潜力 利用该方法 所有过 程将模型化为目标 在一个分布不均匀环境中 系统 的 主要 工作将以一个综合的 方式 综合 测绘科技情报 总第3 1期 分布式目标管理 管理所有这些 目标 在许多科学应用中 通常方法1适宜于综合模型与GI S 目的为数据同化和相 关分析 因 为其要求可能完 全不同于普通GI S应用 参B la i S 肠 hj n 确认 所 必需 的地理 空间与辅助数据的 贮 存位置 决定所 需 空 间分析模块和处理的 全部类 型 决定处 理环境 单机或分布式 决定处 理 机 的类型 PC 工作站 矢 量或 并行 机 建议计算查询中的最 好设想 辅助协作活 动 从上述要求 中显而易 见 C S I 55 5 必 须基 于一个开放结构的GI S 5 1 开放的结构 现存G I乐 可在两 个 基本领域考虑 为专有 系统 所包含 数据的格式 与结构 新 功 能与能 力可增补 到 这些 系统的方 式 由于在 大多情 形下 所包含数据的格式与结构基于卖主定义 G G G G G G G G G G G巧巧 甲甲 元数 据 据据 空空空 间数 数数 据据据 转 换换换 二I 13 3 3 3 3 奋 I 11 1 1 1 1 I l弓弓 地理空间屋 图 4 在G 6 S中应用地理空间元数据 与空间数据转换 标准 的概念 和判断 各个GI S有其 自己数据独有 的格式与结构 这使得不同 的地 理信息系统与交 换 站 之 间地 理数据转换十分麻烦 由于该地理空间数据的独 有性 绝大部分的GI S实施努力花费在 数据转换上 为了解决该问题 必须建立G IS s 与国家地理 空 间源数据之 间 的界面以及数据转 换标准 诸如美国国家空 间数据基础 设 施 N SD I 加拿大 的空间文件库与交 换 格式 SAI F 尤其重要 的是 地理 空间元数据标准 显然 较之 现有 的G l乐 具有较高的优越性 图4描述 r 在 G IS s 中利用地理 空 间元数据与空间数据转换标准的情况 现存GI S S 可以考虑为特有 系统的其它领域是 新功 能 和 能力可增补于这些系统 的方式 通常把新功能引进 现有G IS s十分困难 即使可能进行 但在新功能与现有功能之间的交流 也 不完善 开放系统结构的一个主要特征就是交互 可运行性 意指不同的处理 在GI S中协调作 业 换言之 开放的G IS s必 须基 于模件开发设想 系统的扩张非常简单 5 2 开放的计算环境 不同的空间计算任务通常最 适合于不同的计算机 平台 现存G ISS基于PC S 与工作站 随 着PCs与笔记本计算机日益 增 长 的力量 和日渐降低的成本 在P公与笔记本计算机上建立 G IS s 的趋势 逐渐 增长 对于未来的G IS s 预计可利用PC S 或笔记本作为空 间分析 问题解决的 年第2期地理信息系统目前与未来发展方向4 7 主要计算环境 这些平台也将提供高性能计算系统 比如超计算机 以及需 要时的高性能远 距离传输 见Ka r imi 1996 已知一个查询 在用户与这些PC或笔记本环境之间的智能界 面应该确定在 提供答案与 解法时所涉及 的复杂性与细节 例如 如 果一个 问题 的复杂性引起系统确定 一台超计算机是 最佳计算环境 那么系统应该提供获取超计算机 和其它资源 的 选择方法 现有 的 空 间 分析算 法是序贯算法 但随着开放的计算环境的发展 空间分析算法与程序编码 序列 矢 量与并 行 的 必须能在 C S I 55 5 中获得 5 3 计算速度 每秒数以万计的指令 MI P s 与每秒数以万计的浮点 M F L PS 用以量 测 计算机速 度 为 了准确量 测一个所给定任务所需 的处理力 必须确定不同硬件平 台上任务的指令数 如需要 处 理 所给任务 的一 千个地理点 必须了解基本编码 及其向机器指令的转换 以便于估测 所需 的处 理时间 为了解决该难题 需要G IS s处理力