地理信息系统在挑战与机遇中发展

1,地理信息系统在挑战与机遇中发展,信息工程大学测绘学院,2,一、地球信息场表达的演进,二、地理信息系统在挑战和机遇中发展（技术推动与需求牵引）,三、自主创新是推动我国GIS更快发展的根本,3,地球信息场表达的演进,4,指有关地理实体，如资源、环境、经济和社会诸要素的物质和能量的性质、特征和状态表征的知识，是独立于地理实体的物质和能量的第三态，即信息。地球信息是无形的，是看不见和摸不着的，必须依附于一定的物质和能量即地球信息载体而存在。这些载体有的是有形的，有的是无形的，只有将它们转化为图形、影像、数字等有形的以后，才能被利用、传输。,地球信息,5,地球信息场,地球自形成以来就被其自身庞大的信息场笼罩着。地球信息场重点研究信息流。信息流指物质流和能量流的性质、特征和状态的表征的知识。物质流和物质流的信息，又是物质和能量的时空分布不均衡性特征所造成的。因此，信息流又是物质和能量的时空分布不均衡的性质、特征和状态的知识。地球信息场具有时空特性。,6,地球信息场表达的基本形式：地图（系列地图、地图集）,地图是地理学的第二语言，是地球信息的载体，具有4500余年的历史。它是根据构成地图数学基础的数学法则和构成地图内容的制图综合法则，以地图符号系统表达地理空间环境信息的载体，是传输地理空间环境信息的工具，能反映各种自然和社会现象的空间分布、组合、联系和制约及其在时空中的变化和发展。 所以，有专家将地图（系列地图、地图集）称为非计算机化的地理信息系统，又称地理学的第二语言。,7,地球信息场表达方法的演进：地图到地理信息系统,计算机的出现及计算机引入地图制图，产生了计算机地图制图，出现了数字地图。数字地图是地球信息场的一种抽象表达，是地球空间数据的集合。地球空间数据开始采用文件系统进行处理，在此基础上发展为数据库系统管理，形成地球空间数据库。当地球空间数据库的功能由数据管理发展到可视化、查询检索，并进一步拓展其空间分析和决策支持功能时，便形成了地理信息系统，称为计算机化地理信息系统或数字化地理信息系统，又称为地理信息科学的第三语言。,8,空间认知工具的演进：地图到地理信息系统,在计算机出现之前，人们主要是利用地图获得对空间地理研究的认识，在地图上进行各种量算统计和规划设计。 计算机出现以后，人们就试图构造一种工具来采集、存储、管理、分析和利用地理空间环境信息，即利用地理信息系统来认识地理环境，进行各种量算统计和规划设计，进行各种空间分析，并辅助人们进行与地理环境有关的各种决策。,9,空间认知系统与地理信息系统的比较,地 图,阅读资料,考 察,统计材料,地 图,遥感图像,控制数据,统计数据,文 本,视频图像,实物照片,声 音,空间信息的认知制图过程,概念、环境心像和心像地图,制作地图（通过技术）,区域叙述和评价（文字）,操作（行为）,地理环境信息流在人大脑中的处理过程,数据处理,查询检索,数字制图,分析计算,辅助决策,屏幕显示,绘图输出,打印输出,显示,输出,输入信息,进行编码 存储记忆 作出决策,输出结果,信息加工处理,地理信息系统与人的认知过程 信息加工系统,10,结论与讨论,把人的空间认知系统与地理信息系统加以比较，可以看出它们是如此惊人的类同，即二者的工作原理是一样的，都是信息加工系统：输入信息、进行编码、存储记忆、作出决策、输出结果。这就是环境信息流在人的大脑中的处理过程被地理信息系统所模拟和复制的原因，当然它们也有很多差别。智能地理信息系统实际上是人的空间认知能力与认知过程的仿真。,11,地理信息系统在挑战和机遇中发展技术推动与需求牵引,12,技术推动,一、面向对象技术导致面向对象GIS的发展 面向对象技术已成为20世纪90年代以来的主流技术，主要表现在： 面向对象的数据模型与数据结构 面向对象的编程语言 面向对象的软件系统结构,13,技术推动,二、全关系型数据库技术的发展促使基于空间与属性数据一体化管理GIS的出现 传统的关系型DBMS管理属性数据，而用文件系统管理空间数据 全关系型数据库技术实现空间数据和属性数据的一体化管理 基于全关系型数据的GIS的出现,14,技术推动,三、从以系统为中心转向以数据为中心促进GIS信息共享 网络技术的发展使数据共享成为可能 分布式计算机技术的发展改变了软件的工作方式 C/S和B/S体系结构的出现改变了软件的使用方式 Web GIS的广泛应用,15,技术推动,四、工程任务的综合性与技术发展导致GIS与其他技术的综合集成 “3S”技术集成与一体化 GIS、MIS与OA技术的集成与一体化 GIS与仿真、虚拟现实技术的集成与一体化 GIS与多媒体技术的集成与一体化,16,技术推动,五、智能体（Agent）技术的应用，促进当前Web GIS实现技术的改变 当前的Web GIS的实现技术包括CGI、Server API、Plugin、ActiveX和Java Applet，它们有各自的优点和缺点，致使当前的Web GIS系统相对孤立，缺乏良好的互操作性。 移动Agent具有减少网络负载、克服网络延迟、定制化服务、异步和自动执行、动态地适应、自然地实现异构性、强壮性和容错性等特性。 智能化MultiAgent是人工智能（Artificia）和代理（Agent）的交集，是具有智能和分布式软件系统，具有模拟人脑思维的能力，如推理能力、自学习能力等，具有自主性、协作性、响应性、主动性和可移动性等特性。,17,基于Multi Agents的Web GIS体系结构,MAGIS服务器(1）,MAGIS服务器（n）,MAGIS服务器(2）,MAGIS客户端,Agents,Agents,Agents,Agents,技术推动,18,（3）生成 客户端 Agent环境,（1）用户登录,Web浏览器,Web服务器,Agents服务器,GIS服务器,系统数据源描述信息（DSDI）,用户查询或输入界面,ClientAgent,查询或决策结果显示,产生Agent,(4)获取DSDI,生成界面（5）提交查询或决策,（2）返回,（8）Agents返回查询或决策结果,（4）获取DSDI,5,4,4,6,6,6,8,8,客户端的构成与操作过程,客户端主要向服务端提出空间数据服务请求，并根据服务端返回的结果进行实时处理、分析与显示。,基于Multi Agents的Web GIS体系结构,技术推动,（7）将Agent迁移到服务器,19,服务器端 包括GIS服务器（GIS应用服务器和空间数据库服务器）、Agent服务器（功能和接口）,技术推动,Agents服务器详细结构,20,技术推动,粮库查询：查询界面,基于Multi Agents的Web GIS示例国家粮库信息及智能决策系统,21,技术推动,根据库名定位结果,22,技术推动,粮库信息查询界面及结果,23,技术推动,智能选址界面,24,技术推动,新建库点智能选址布局图,25,需求牵引,我国的GIS是在引进、消化、吸收国外GIS软件，特别美国的Arc/Info、Map/Info等GIS软件的基础上发展起来的，但是近10年来，我国自主知识产权的GIS软件发展很快，这主要表现在以下5个方面。,26,需求牵引,（1）GIS企业数量和产值增长很快,企业数(单位:家),年份,100,200,300,400,500,图1,企业数量增长,03,05,400,500,产值(单位:亿元),年份,10,20,30,40,50,图2,产值的增长,03,05,20,50,40,10,据不完全统计，2003年全国大小GIS企业超过400家，总产值超过10亿元，如果加上国家部门、机关的GIS应用和数据加工部分，GIS产值超过20亿元；而到了2005年，我国从事GIS软件和应用开发的企业就已超过了500家，总产值达到40亿元至50亿元,27,需求牵引,（2）占领市场份额逐年增大,1996年我国的GIS软件多数还停留在研发阶段，而到2000年国产GIS软件占领市场份额已接近30%，到2005年则超过了50%，与国外GIS软件产品的竞争扩展到了几乎所有GIS应用领域，我国GIS软件企业的市场竞争力大幅提升。,28,需求牵引,（3）参加国家组织测试的软件逐年增加，而且测试重点逐步由功能测试向可用性和实用性转移,据有关统计 ，1996年组织首次GIS软件评测，参评的软件18个，以后各年分别为：1997年9个，1998年34个，1999年40个，2000年31个，2001年43个，2002年52个，2003年48个，2004年51个，2005年66个，参评GIS软件数量总体上呈上升趋势；GIS软件产品种类逐步增加，从开始主要是综合性基础平台软件，发展到现在的基础平台软件、应用开发平台软件、专项工具软件和应用软件的系列产品；GIS应用越来越广泛，从开始主要注重功能，发展到现在主要关注GIS的可能性和实用性。,29,需求牵引,（4）随着计算机技术和信息技术的发展，代表GIS技术发展方向的国产GIS软件明显增多,我国的GIS从70年代末和80年代初期引进Arc/Info起步，经过近30年的努力，在消化、吸收的基础上，逐步融入了一些新的技术，并跟上了国际GIS的时代潮流。例如由单机GIS向网络GIS（WebGIS）发展，由集成式GIS向组件式GIS（ComGIS）发展，由桌面GIS向嵌入式GIS发展，已经出现了一批国产WebGIS、ComGIS和嵌入式GIS。,MapGIS,SuperMap,Geostar,MGIS,30,需求牵引,（5）GIS理论研究活跃，一批优秀理论研究成果支撑着GIS技术的发展,近10余年来特别是近5年来，在我国出版的有关GIS的著作有数十种之多，大体分为三种类型：一种类型是GIS基本原理与理论方面的；另一种类型是GIS二次开发技术方面的；第三种类型是专题GIS和应用方面的。这些理论成果既是我国GIS领域长期研究的总结与积累，又是我国GIS技术与应用发展的理论支撑。,31,结论和讨论,（1）国家的引导和扶持，在GIS发展的前期是必不可少的；以企业为主体，产学研结合，是推动GIS发展的好模式。 （2）我国GIS是在引进的基础上发展起来的，但长时间引进的多，自主创新特别是原始创新少，是我国GIS理论落后于发达国家、GIS核心技术竞争力低、国产GIS基础平台软件强势品牌少的根本原因。,32,自主创新是推动我国GIS更快发展的根本,33,Question：什么是自主创新,？,如何理解自主创新,34,作为创新的个人，创新源于灵感、激情、胆识和韧性,科林.马丁代尔：创新的两个阶段,积极的情绪与创造力存正相关关系，科学创造在人们情绪积极和精力旺盛时出现； 特雷莎.阿马比尔创新需要胆识，要有敢于挑战的精神和勇于战胜困难的勇气 ；创新需要长期积累，不可能一跳而就，这就需要有韧性，即所谓“十年磨一剑”。,如何理解自主创新,35,作为企业，只有实施自主创新才能掌握核心技术和拥有自主知识产权,企业要想掌握核心技术和拥有自主知识产权，首先要牢固确立“创新是发展的根本”的理念，坚持“自主创新”的发展模式；必须建立一支具有创新能力的人才队伍，创新管理体制和机制，形成激励成功、善待挫折、宽容失败的创新氛围。,如何理解自主创新,36,作为政府，只有实施自主创新，才能建设创新型国家,人才,资金,信息,成果,政府应该在政策层面上促使自主创新体系的构建，通过政策把政府管理、企业、高等院校、科研院所、金融服务等都组织到自主创新体系的网络中来，以形成一种互动传递，而非线性分工的模式，实现人才、信息、资金、成果的顺畅流动,如何理解自主创新,37,（1）我国GIS企业正在自主创新中前进国内发展比较好的GIS软件企业，基本上遵循以企业为主体，产、学、研相结合的技术创新发展模式，或是依托高校，或是依托科研院所，在产、学、研相结合方面具有得天独厚的优势； 国内高校、科研院所由科研团队培育出的企业，只有走出高校、科研院所，才能发展壮大 ，这是由于高校、科研院所的科研管理体制和机制同企业的管理体制和机制是不同的。,如何推动GIS的自主创新,38,（2）构建以GIS软件企业为主体，产、学、研、政、金相结合的自主创新体系，是推动我国GIS软件企业发展的根本。,GIS企业,软件产品,如何推动GIS的自主创新,39,（2）构建以GIS软件企业为主体，产、学、研、政、金相结合的自主创新体系，是推动我国GIS软件企业发展的根本。,高校、科研院所,企业,科研成果,高校和科研院所具有技术人才和科研力量的优势，是科学创新的主体，应以GIS领域的基础研究、关键技术特别是前沿技术攻关为主，为企业源源不断地提供支持企业发展的科研成果。,“科技成果最好的转化办法就是发明成果的人员下到企业中去，直接和企业发展相对接。” 周光召院士,如何推动GIS的自主创新,40,GIS市场，谁主沉浮？,（3）中国GIS软件企业需要有自己的“航空母舰”,应顺应时势，逐步形成以GIS强势企业为龙头的中国GIS软件的企业集团，即中国GIS软件企业的“航空母舰”,如何推动GIS的自主创新,41,面对复杂多样的现实地理世界、各行各业的丰富多彩的应用需求和信息科学技术的日新月异的快速发展，我国GIS软件还有许多问题需要研究解决，为GIS软件的自主创新留有广阔的空间。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,42,一、基于网络的海量数据的存储、管理和多用户高效快速检索查询技术,随着GIS应用领域的扩大和地理空间信息获取技术的进步，GIS所涉及到的空间数据由几个MB增加到几个GB、几百个GB甚至超过TB，（例如像Google Earth一类的全球20TB以上的数据），这就对GIS的真正意义上的海量空间数据的存储、管理和多用户高效快速检索查询技术提出了很高的要求，需要研究先进的海量空间数据引擎技术，能实现海量地理空间数据的管理、图形数据与属性数据的一体化存储、高效的空间索引和支撑多用户并发访问，矢量数据的无损和有损压缩，影像数据的压缩与解压缩，等等。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,43,二、多尺度地理空间数据的自动生成和一体化更新技术,目前存在的问题（1）没有把地图自动综合作为一个整体来研究。现在的研究多注重于单要素综合算法、模型的开发与实现，缺乏对整个制图综合过程及其控制的研究 。（2）自动综合系统的研究缺乏知识和智能的支持 ,自动综合智能化进展步履维艰,实际上制图综合是一个高度智能化的系统。（3）众多的自动综合算法都只能处理特定环境下的特定问题 ,算法之间缺乏整体配合 ,导致系统整体性能落后。（4）缺乏统一的并具有可操作性的理论技术和智能化数据结构的支持。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,44,新的解决方案,采用自动制图综合过程控制理论与技术来解决制图综合问题的新思路；基于知识的空间数据检查、基于数据检查的制图综合任务提取、基于制图综合任务的综合链自动生成与自动执行、综合操作自动监控、基于知识的综合算法与结果评估、综合链的CASE存储的新途径；把知识、算法、评估集成起来，实现基于自动制图综合链的整个自动综合过程控制的新方法。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,45,自动制图综合链 定义与描述 :一个给定的制图综合任务可以分解为数个子任务，而每个子任务可能又包含更多的子任务，任务和子任务之间存在着“父子”关系，父任务的节点称为“父节点”；子任务的节点称为“子节点”，把制图综合任务节点按照一定的层次和顺序串联起来，并转化为可以描述和执行的链表 。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,46,自动综合链的特点 （1）综合链的复合性 （2）综合链的单向性 （3）综合链的多态性 （4）综合链的不可精确求解性 （5）综合链的可分解性,我国GIS自主创新的若干技术突破点,47,基于综合链的制图综合过程控制模型,我国GIS自主创新的若干技术突破点,48,自动综合系统GenerMap (1)具有对综合算法进行评 价与管理的能力(2)具有对空间数据智能化 识别和自动编绘的能力(3)具有循环控制与逐步求 精的能力(4)具有对综合结果进行质 量评估的能力,我国GIS自主创新的若干技术突破点,49,GenerMap系统界面,GenerMap系统界面,我国GIS自主创新的若干技术突破点,50,GenerMap系统原始数据显示,原始数据显示,我国GIS自主创新的若干技术突破点,51,GenerMap系统自动综合的结果,自动综合的结果,我国GIS自主创新的若干技术突破点,52,多尺度空间数据库的数据模型与数据结构及小尺度空间数据的自动生成技术 基于GPS道路测量数据和实时遥感新数据的小尺度空间数据库的一体化更新 自动综合中的拓扑一致性保持与评价 自动综合的智能化及Agent技术的应用 自动综合结果与算法评估 城市三维建模与集成的尺度问题,我国GIS自主创新的若干技术突破点,53,三、面向现实地理世界的时空多维空间数据模型,空间数据模型是GIS研究的主要问题，而时空多维空间数据模型和地上（建筑物）、地面（地表起伏）和地下“三位一体”的真三维模型至今还是一个未很好解决的问题。其困难之处在于数据模型要解决反映时间和空间变化，在X、Y、Z三维坐标上能载负多维经济、社会和人文信息，地上、地面、地下“三位一体”的复杂空间关系及空间分析等，都需要深入研究解决。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,54,四、面向各行各业深层次实际应用空间分析建模理论和技术,目前的GIS教科书中都有空间分析的内容，但都是原理性的、理想情况下的，离实际应用相差甚远。例如：缓冲区分析，无论点、线、面还是复杂缓冲区分析都是平面几何概念的公式，没有考虑到地理条件、行业应用的专业特色，因此建立的缓冲区分析模型只能论证其原理，不能解决实际应用问题；路径分析，叠置分析也都如此。这种情况是目前GIS应用效率和效益不高的主要原因。所以，紧密结合各行各业应用的专业特色，紧密结合地理环境条件，建立深层次实用空间分析模型是一项艰巨的研究任务。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,55,五、空间数据和具有空间分布特征（定位）的专业数据的一体化数据挖掘和知识发现技术,是人类面对海量空间数据的一个极具吸引力和挑战性的研究领域。具有决策支持功能的GIS的实现，必须依赖于空间数据和具有空间分布特征的专业数据的一体化数据挖掘和知识发现（Spatial Data Mining and Knowledge Discovery，SDMKD）的方法和技术。至于决策支持作用的模式、知识等都是隐藏在数据深处的，采用数据挖掘方法，才能从海量空间数据集中识别或提取出有效的、新颖的、潜在有用的、最终可理解的模式或知识。主要研究基于时空统计分析的SDMKD方法、基于空间关联规则的SDMKD方法、基于求解问题不确定性的SDMKD方法，基于可视化的SDMKD方法、基于人工智能的SDMKD方法、基于联合运用的SDMKD方法、面向SDMKD的查询语言和数据导航方法、SDMKD中数据算法、可视化的有机结合（形、数、理的统一）等。,我国GIS自主创新的若干技术突破点,56,地理信息系统具有强大的海量数据存储、管理、处理和分析应用功能，空间信息可视化与虚拟现实系统具有多维动态可视化和实时交互操作功能和效果，两者优势互补，集成与一体化是一个必然的选择。主要研究内容包括