互联网时代的地理信息系统和地图学.pdf

互联网时代的地理信息系统和地图学 白翠玲 路 紫 丁疆辉 河北师范大学地理系 石家庄 050016 摘要 本文通过分析互联网的发展 阐明了网络技术的进步对地理信息系统和地图学发展的影响 并初步提出 了以互联网为平台的地理信息系统和地图学的发展方向 关键词 互联网 万维网 地理信息系统 地图学 1 概述 网络技术的迅猛发展 尤其是1989年万维网 WorldW ideW ed 简称WWW 概念的提出 及第 一个超文本 Hypertext 和超文本传输协议 Hyper2 text Transfer Protocol 简称HTTP 的问世 使早 期的只能面向字符服务的互联网 变成一个包含各 类信息 面向各种用户的互联网 网络时代的GIS 以计算 存储 网络技术的发展为基础 成为利用 信息技术共享信息的最佳途径之一 1 互联网时代 的地图学 是一门研究利用空间图形反映自然和社 会经济现象空间分布 相互联系及其动态变化 并 对空间地理环境进行获取 智能抽象 存储 管理 分析和可视化 以图形和数字形式传输空间地理环 境信息的科学和技术 2 基于网络技术的GIS和地图学正处在发展的 早期 即使是这样 在地理空间数据和信息存取的 本质上也发生了深刻的变革 3 4 以GIS和地图学 为特色的网络站点日益增长 并每天运行大量的地 图 在GIS和地图学应用方面 有三种表现 1 随 着国家信息基础设施 N ational Information Infras2 tructure 简称N II 和国家空间数据基础设施 N a2 tional SpatialData Infrastructure 简称N SD I 的建 立 以及光纤技术和网络技术的发展 可以快速地 获得多源的数据和信息 应用多种技术手段进行存 取 2 通过GIS 地图和非空间数据技术的耦合 并使空间和非空间数据链接 来创造新的表现形 式 并提出解决社会重要问题的新方法 3 促进 了地学可视化 即地图可视化和GIS可视化 使现 代地图表现出虚拟性 动态性 交互交融性 网络 性等新特征 本文仅就互联网对GIS和地图学发展 的影响予以阐述 2 互联网对地理信息系统发展的影响 网络技术与GIS的结合 促进了空间信息可视 化 数字化的产生和发展 关于网络技术在地理信 息系统中的表现 尤为突出的是GIS的可视化 GIS 的虚拟现实 分布式GIS及其构件化以及WWW为 平台的W eb GIS的出现等 211 GIS的可视化 可视化是一个心智处理过程 GIS可视化是科 学计算可视化与地学结合而形成的概念 是关于 GIS数据的视觉表达与分析 5 60 年代地理信息系 统形成之初 就开始利用计算机图形软硬件技术 把 地理空间数据的图形显示和分析作为不可缺少的功 能 但早期受限于计算机二维图形软硬件显示技术 大量的研究放在图形显示的算法上 如使用常规软 件的专题图和地形图的颜色设计 选择符号填充等 继二维可视化之后 进一步发展的是215维可视化 仍无法表达现实世界的真三维数据场 所以 从80 年代以来 真三维GIS及其可视化成为GIS的研究 热点 90年代互联网的出现使得动态处理具有空间 关系的大数据量成为可能 从而使得时态GIS 时空 数据模型 图形实时动态显示与反馈等研究进一步 深入 GIS的可视化对地学数据模型的研究包括地学 数据内插加密 多分辨率数据表达 多维数据显示 实时动态处理 并行技术 交互反馈技术 数据的 可视化等 偏向于技术层次 互联网技术的不断完 第2期 2000年6月 地 球 信 息 科 学 GEO I N FORMA T I ON SC IENCE No12 June 2000 河北省教育委员会2000年科研计划项目部分成果 教育部 高等学校骨干教师资助计划 项目部分成果 善 正为GIS的可视化提供新的发展空间 212 GIS的虚拟现实 虚拟现实 VR 也称虚拟环境或人工环境 是 一种计算机生成的高级人机交互系统 VR扩展了 人的认知手段和范围 改变传统的仿真与模拟方式 其多感觉交互能力为地学数据探索技术的实现提供 了可能 如 生成以VR技术为支撑的地学环境工作 平台和分布交互式模拟平台 地学工作者在可进入 的空间地理信息环境中进行交互式操作 在网络虚 拟现实构模语言 V irtual Reality M odeling Lan2 guage 简称VRML 传播信息的网络环境中 分布 式 虚 拟 现 实 系 统 Distributed V irtual Reality DVR 可以使多个虚拟环境通过网络相连接 并共 享信息 VRML被认为是一个三维的网络界面 揭开了 新的空间化 通过WWW传播地学信息 还为虚拟 现实技术在网络上实现奠定了基础 从而伴随着以 网络为基础的动态化 拓展了以前的GIS研究 从 理论上来说 VRML是不同于以前的三维的软件环 境的 这表现在WWW的世界里 多层次 多源化 的海量信息数据可以在统一协议之下实现互操作 WWW成为地图学和GIS的新的操作平台 VRML 规格的局限性在国际地图学协会 可视化委员会 计 算 机委员会 美国计算机协会图形学专业组 ACM SIGGRA PH 共同努力下得以逐步解决 并 将有望扩展VRML规格以及其他的联接VRML和 GIS的途径 6 213 GIS的构件化 应用研究需要探测特定的软件环境的潜力和局 限性以及开发利用网络分散结构优势的工具 前者 通过包括原型系统设计和检测的个案研究 可以代 表性地访问个体软件环境 例如 Tcl Tk 非商务 性的地理学书面语言 VRML和Java 这种研究已 使软件一体化 达到了地理学应用的目的 包括Java 和A ctive X的一体化以及VRML和Java的一体 化 后者 M oore 7 开发了一个虚拟的二维的Java到 三维的VRML网络的界面 这个界面是基于模拟的 编译程序GPS概念的 这说明了空间功能的多样 性 对特定的软件环境的补充研究是指在分散的网 络环境中用户和服务器之间的交互作用 基于互联网上的分布式用户 服务器模式 GIS实现了以构件开发为基础的分布式计算模型 它是一个建立于Internet Intranet之上的开放式 具有同一标准和广泛适应性的网络应用系统 它把 已有的GIS分解为可以跨网络和跨操作系统进行 互操作的构件 应用了最新的分布式技术 例如 OM G的CORBA和M icrosoft的A ctive X 以及 SUN的Java技术 分布式GIS构架主要的构件包 括 浏览器 用户构件 管理构件 ORB运行库 万 维网服务器和GIS服务构件等 8 现已有较简单的 以Java为基础的HTTP的GIS构件 在不久的将 来 以浏览器为平台的GIS体系结构将会实现 214 W eb GIS 分布式GIS的出现 WWW是一个多媒体的网络 精确地传递着分 散的多种形式的 例如 地图 影像 声音 文本 等 信息 随着同一地区不同信息系统之间 不同 地区的信息系统之间开始沟通和兼容 作为GIS与 WWW的产物 万维网地理信息系统 W eb GIS 应 运而生 WWW已成为GIS的新的操作平台 W eb GIS是基于互联网的技术标准和通信协议的网络化 地理信息系统 它支持网络化通信技术标准 TCP IP和HTTP 这意味着GIS系统能与任何地 方的数据相连接 使网络化分布式GIS系统形成 网络化分布式GIS技术应用体系结构的优越性在 于对客户端与服务器端均能提供方便的可执行进 程 可以使动态地理数据的提取 分析等进程分配 在服务器端进行 因为同一幅地图数据文档可能是 来自不同服务器的地图数据或图层 而空间查询集 的选定 地图缩放 平移和专题地图生成等进程任 务 则分配在客户机端执行 这种客户机与服务器 之间的进程处理 能够最大限度地发挥现有计算机 硬件资源的效用 而且 当对网络性能的需求提高 时 只要适当地提高服务器的处理能力就能实现 在 当前网络传输能力条件下 由于要支持动态访问地 理空间数据信息 对网络的传输速率要求较高 3 互联网对地图学发展的影响 311 动态地图 以国际互联网 Internet 和万维网为主要特征 的信息基础设施的建立 尤其是网络技术的发展使 互操作的动态设计能力得以提高 为动态地图的发 展扫清了障碍 它可以动态地显示地学数据 以不 同方法 颜色 符号等 从不同角度观察其结果 及 地学现象随时间演变的过程等 由于地图的动态性 地学现象的表达还可在时间维上展开 9 故此 数字 地图和电子地图得到了迅速发展 静态地图扩展为 36 2期 白翠玲等 互联网时代的地理信息系统和地图学 动态地图 平面地图扩展为立体地图 进而利用VR 技术生成可 进入 地图 动态地图发展了地图作 为空间信息载体所固有的信息兼容 压缩 叠加 联 想等功能 312 地图学可视化 地图学可视化指的是通过研制计算机工具 技 术和系统 把实验数据或计算数据转换为人的视觉 可以直接感觉到的计算机图像 从而进行地学数据 的视觉表达与分析 10 地图学可视化实现了环境概 念化 给地学研究带来了根本性的变革 加深了地 学研究对数据的理解和应用 加强了地学分析的直 观性 使地学工作者不仅能得到计算结果 而且能 知道在计算过程中数据如何流动 从而修改参数 引 导和控制计算 它还可以将那些通常难于设想和接 近的环境与事物 以直观的方式设想 接近和表现 出来 对于地图学来说 空间信息可视化是一种空 间认知行为 提高了复杂空间数据的分析能力 多 维和多时相数据的显示能力 增强了对空间地理环 境信息的传输能力 对多种多样的视图信息的检测 能力 它给地学研究和社会带来巨大社会和经济效 益 313 地图学的虚拟现实 VRML为地图学提供了三维的运行环境 在地 图学广义化进程中 它将有效地为地图学所利用 虚 拟现实技术 计算机网络技术和地图学相结合 产 生了虚拟地理环境 它具有仿真性 交互性 人工 性 沉浸感 电子现场 网络化通信等多个特征 可 以使地学工作者身临地学数据中 使处于不同地点 的地学工作者开展同时性的研究 交流与探讨 地 学工作者根据观察实验 理论假设等建立了表达和 描述地理学空间分布以及过程现象的虚拟信息地理 世界 即地理系统的虚拟实验室 它可使地学工作 者按照个人的假设和意愿去修改地学空间 并直接 观测交互后的结果 最后获得地学规律的认知 虚 拟地理环境对地图学的发展有重要的意义 虚拟地 图学的提出即表达了虚拟地理环境对地理学的作 用 因为一般认为地学发展缓慢的一个原因是无法 进行室内模拟 而虚拟地理环境为其提供了可重复 的模拟实验的可能 11 12 由此可见 虚拟现实技术 作为地图学的新的增长点 对于拓宽地图学的领域 和促进地图学的理论与技术的进步必将产生更加深 远的影响 314 交互交融地图 技术的进步与用户的需要是促进学科发展的原 动力 在网络中 地理数据 地图 影像以及分析 工具的应用催促应用设计研究去了解用户的需要 网络使空间数据有选择的传递机制形成 使交互交 融地图产生 交互交融地图的含义是人与地图可进 行相互作用和信息交流 交互地图是指通过一定的 途径 例如选择观察数据的角度 修改显示参数等 来改变地图的显示行为 交融地图是指人与地图的 融合性 即虚拟地图中的投入感和沉浸感 这是一 种以WWW及其技术为基础 在一个用户控制的地 理信息环境中 理解人 机交互作用的理论和方 法 8 13 网络环境不同于那些绝大多数数据的查询 其信息形式 例如 影像 地图 图表等 将更广 泛地结合起来 无等级的环境更广泛地联接起来 为 了充分有效利用网络 目前尚需进一步发展 检验 解释用户可控的超级链接的人 机交互作用的理 论 315 超地图 Hyper2maps Internet Intranet的发展及其相关技术的完善 尤其是WWW技术的出现 为地图学的进一步发展 扫清了空间信息匮乏的技术障碍 加速了学科的信 息化进程和信息网络系统的进程 超地图基于空间 图形系统 它提出了在WWW上如何组织空间数据 并与其它超数据 如文本 图像 声音 动画等 相 联系的问题 它通过地图的广泛传播与使用 对公 众生活 行为决策 科学研究等产生巨大作用 4 结论 随着Internet的普及和万维网的兴起 不论从 学科背景 还是技术层次来看 对GIS和地图学等 地球信息科学部门的影响都很大 以网络为基础的 GIS和地图学将快速发展 1 在互联网时代的地理信息系统 将具有许 多新特点 数据多源化 空间数据存储大量化等 这 为向用户传递海量数据信息奠定了基础 信息查询 检索方式灵活多样 信息传输可选择性极强 万维 网地理信息系统的成功使GIS的功能在WWW上 得以扩展 以WWW为平台的GIS在互联网上已开 始更为复杂的应用 网络及其技术促进了地理学信 息存取的应用和新视图的发展 将来还会促使对专 家智能系统存取的进展 2 在互联网时代的地图学有必要把重点由信 46 地 球 信 息 科 学2000年6月 息源获取的一端向智能化加工 最终产品生成一端 用户端 转移 除了用地图和地图集综合表达各种 自然和社会经济现象外 数字地图和电子地图还将 从常规的屏幕地图发展到超媒体 多媒体 CAD模 型和动画制作直至虚拟现实 空间信息基础设施的 建立和完善 以及传输协议和通信标准的一体化 将 为地图学理论和技术的发展提供基础平台 从而实 现空间信息的互联 互通 融合 集成和互操作 地 图数据源的多元化及地图数据库 地理信息系统 虚 拟现实与地形仿真 数字化地图的新体系必将使地 图学充满活力 3 Internet Intranet的信息传输 浏览与发布 等功能为地图学和GIS的数据处理与信息传输及 具有空间特征的图形信息发布等功能的发挥提供技 术支撑 可使原来仅局限于小范围 专业人士应用 的GIS系统 呈现在广大GIS用户面前 基于Inter2 net Intranet的W eb GIS系统的开发已成为一种历 史的必然 数字地图是GIS最重要的用户接口 可 视化和虚拟现实等计算机技术和网络技术是GIS 和现代地图学的新的增长点 参考文献 1 李德仁 1 信息高速公路 空间数据基础设施与数字地球 1 测绘学报 1 测绘出版社 11999 1 11 51 2 王家耀 1 信息化时代的地图学 1 解放军测绘研究所学 报 11999 1 26 281 3 易善桢 李琦 承继成 1 略论地球地理空间信息基础设 施 1 科技导报 1999 9 47 491 4 Tayloy D1R1F11997 M aps and mapping in the infor2 mation era1In ICA AC I InternationalCartographic Con2 ference ICC 97 Stockhol m 1 101 5 V isualingam M1V isualization in GIS Cartography and V ics1V isualizationinGeographicalInformationSys2 tem1edited by H ilary M1Heam shaw David J1U rw in1 1994 15 181 6 Chen shupeng1Information Flow and Cartography1Geo exploration The Fourth Volume Geographical Informa2 tion System s1In Chinese119921101 7 Moore k1 Dykrs J1andWood J11997 U sing Java to interact w ith geo referenced VRML w ithin a virtual field course1In International Cartographic A ssociation Comm ission on V isualization 19 21 June http www1geog1le1ac1uk mek usingjava1htm l 1 8 张梨 林晖等 1 互联网时代的地理信息系统 1 测绘学 报 11998 1 9 151 9 Dykes J11997 Exploring spatial data representat