地理信息技术前沿

1、地理信息系统的开展和前沿问题地理信息系统(GeographicInformationSystems ,简称 GIS)是20世纪60年代开展起来的 一门空间信息分析技术,是多学科交叉的产物,它以地理空间为根底,采用地理模型分析方法,实施提供多种空间和动态的地理信息,是一种为地理研究和地理决策效劳的计算机技术系统.经过几十年开展,特别是近年来随着计算机技术的突飞猛进,地理信息系统也得到了长足的开展.地理信息系统已经不是一种单纯的技术,它已经上升到信息时代 (Informationage)的产物,成为信息社会的一个根本内容.从地理信息系统到地理信息科学,1992年是个标志,Goochild在IJGI

2、System杂志上发表了 Geographical information science,从而标志着地理信息科学作为一个学科正式成立.1996年国际杂志IJGISystem改名为IJGIScienca地理信息科学理论的建立将GIS的开展提升到了一个新的高度.随着网络的开展,针对系统相对独立、内部耦合度强、互操作性差、集成水平匮乏等缺乏,2000前后年出现了 “地 理信息效劳这一新技术,旨在实现网络环境下地理信息的集成应用,以满足普通民众对地理信息的需求.随着Google Earth、志愿者GIS (VGI)为代表的GIS社会化应用的蓬勃开展, GIS已经从真正意义上实现“专业化向“群众化与“

3、社会化的转变.GIS开展和计算机技术开展和后来到网络的开展,一直到数字地球的开展,是紧密相关 的.林辉教授说 GIS包括空间数据库、空间分析、可视化三大功能,后来把模型库和虚拟环 境加进来,还包括一个网络支撑环境.从地图到地理信息系统与虚拟地理环境,是地理学语言的演变,这是从虚拟现实这个角度看GIS的开展.武汉大学朱庆教授总结了 GIS技术的开展动态,认为GIS向多维、动态、一体化方向发展；GIS系统体系结构向开放式、网络化、信息栅格开展；软件实现向组件化、中间件、智 能体方向开展；空间信息技术和通信进一步融合；数据获取向“3S集成方向开展,尤其是Sensor Web的开展；数据存储治理向分布

4、式存储及其互操作方向开展；数据处理向移动计 算、普适计算和语义网方向开展；人机交互向自然的虚拟环境方向开展等.目前,GIS技术的主要研究领域集中在以下几个方面：1 .组件 GIS (ComponentsGIS组件GIS(ComponentsGIS简写ComGIS)!指一组具有某种标准通讯接口的,允许跨语言 应用的地理信息系统.该地理信息系统的组件之间,地理信息系统的组件与其他组件之间, 可以通过标准通讯接口实现互联互通,以及跨计算机实现.ComGIS基于组件对象平台,具有标准接口,允许跨语言应用,因而使地理信息系统软件的可配置性、可扩展性,开放性更强,使用更灵活,二次开发更方便,本钱更低等特点

5、,因此是很有开展前途的开展方向.组 件式平台主要有 Microsoft的COM(组件对象模式)/DCOM(分布或组件对象模式)和COBA公 共对象请求代理体系结构)等.2 .网络 GIS (WebGIS飞速开展的Internet/Intranet已经成为GIS新的系统平台,利用 Internet技术在Web上 发布空间数据供用户浏览和使用是GIS开展的必然趋势. WebGIS是GIS走向杜会化和群众化的有效途彳5,也是 GIS开展的必由之路.WebGIS的目的是解决分布式 GIS之间的联网,实现系统资源的共享.实现相同GIS软件的分布式GIS之间的数据、信息、软件和硬件的共享.实现相同GIS软

6、件的分布式 GIS之间的互操作、互运算.如果要实现不同软件间的分布式GIS间的系统资源共享,就要求具有开放的功能,即 OpenGLS的功能.3 .分布式GIS分布式GIS是解决地理数据、软件及硬件等资源共享和进行远程互操作和互运算的有效 途径,是当前地理信息系统领域研究的热点和前沿.随着信息产业的形成和开展,人们对GIS的要求不断提升,由以前的局部地区用户对信息的使用逐渐转变为 duang大地区用户对信息的共享.但传统的GIS系统大多采用 C/S技术架构,这种系统的资源共享水平较低,系统维护要求高,操作复杂.随着互联网技术的开展,互联网技术和 GIS技术相结合构建分布式 GIS系统能有效解决上

7、述问题.这种分布式的GIS系统是通过互联网连接无数个分布在不同地点、不同部门、独立的GIS系统,它同时支持 C/S和B/S工作模式,客户端具有获取信息和各种应用的功能,效劳器具 有提供信息或系统效劳的功能.在GIS系统中采用分布式体系结构不但可以解决网络条件下地理信息系统中存在的多 源数据异构、数据共享、复杂运算等问题,而且还可以扩大GIS系统的使用规模、提升系统的灵活性,便于修改,具有很高的性价比.式GIS才是最正确方案.4 .开放型 GIS (OpenGIS目前一种多用户、跨平台的OpenGIS技术正在被国外的许多研究机构、政府部门和高等院校所研究和开发利用. 开放型GIS的研究和应用使得

8、各政府部门及企业之间不同格式的数 据能够方便地互访,有利于网络GIS及分布式GIS空间数据库的建立,使 GIS的应用领域及其功能大大拓宽.OpenGIS的目的是在计算机网络的支持下,实现不同软件的分布式间的系统资源共享规范,如MAPINFO与ARC/INFO不同软件之间的共享的功能.OpenGIS是在不同平台上开发的、 不同GIS软件之间的可互操作的标准,即Geospatialdata的交互操作规程和相互转换标准的软件标准.OpenGIS提出了开放的地理数据 (OpenGeodata)模型,开放的效劳模型和开放的数据通 讯模型等.开放的地理数据模型是采用面向对象的方法,从现实世界抽象出来的、便

9、于共享和相互转换的数据格式；开放的效劳模型是建立在分布式计算平台(DCP胸架上的；可开放的数据通讯模型是建立在 WebGIS的构架上的,即客户端 (client)使用浏览器(Browser)作为软 件框架,客户端与效劳(Client/server)之间的数据彳输采用 HTML协议.OpenGIS具有在不同GIS软件间的GIS的数据、软件和硬件共享的功能.OGC-OpenGISConsultium,中文译为“开放的地理信息系统协会是OpenGIS的组织者. 她由30多家软件开发厂商、学校和政府部门所组成.OpenGIS 一定具有 WebGIS的功能,但可以具备 OpenGIS的功能,也可以不具备

10、 OpenGIS 的功能.5 .互操作 GIS(InteroperableGIS)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局部地解决问题.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开展.地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS的社会化和群众化等客观需求,使得尽可能降低采集、处理地理数据的本钱以及实

11、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InteroperableGIS的出现解决了传统 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.6 .移动GIS移动GIS主要由移动通信 GIS定位系统和移动终端四个局部组成移动终端是指在户外使 用的可移动终端设备,包括便携计算机PDA 和专用的 GIS嵌入设备等移动 GIS受限制小,使用灵活方便,拓展了地理信息效劳的范围移动GIS的出现大大拓宽了电子地图的应用领域,使得电子地图在人们生产生活中无处不在.目前全球热销的iPhone

12、,它不仅仅是一部移动 ,更是集电子邮件网页浏览以及地图效劳等众多功能于一身,正如其广告中宣称有超过8万个应用程序,几乎能做任何事情由此可见,GIS在其中发挥的作用也不应仅限于地图效劳,或许能够做的更多.7 .三维 GIS 3DGIS地球以及各种物体都是以三维空间的形式存在的,因此目前二维GIS技术或二维半平面X, Y坐标加高程GIS对于完整的描述地球上的对象是有一定限制的.3DGIS就是在二维GIS的根底上对具有三维地理参考坐标的地理信息输入、存储、编辑、查询、空间分析和模 拟操作的计算机系统.目前主要研究包括：3DGIS数据表达结构；面向对象的矢量与栅格一体化结构；3DGIS三维几何模型的交

13、互和可视化；3DGIS数据治理和空间分析.8 .可视化与虚拟现实VRGIS虚拟现实是目前 GIS研究领域的另一重要方向.虚拟现实是对人类真实世界某一局部或某一过程的逼真模拟,给人提供视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等信息,令人完全置身于虚 拟世界中,感受与现实系统一致或接近,从而让人产生一种虽幻犹真的沉浸感.可视化Visualization和虚拟现实VR是GIS开展中涉及的一个重要技术问题.一方 面GIS支持空间数据的可视化,提供了大量的空间数据可视化过程中所需要的空间分析功 能；另一方面,空间数据的可视化也增强了GIS的功能.虚拟现实建模语言VRML的研究将促进GIS与Web的集成,使用户在三维

14、虚拟环境中,采用 VR系统设备,在模拟的地理环 境中实验观察、触摸、操作和检测.9 .GIS的智能化智能GIS是指与专家系统ExpertSystem简称ES神经网络、遗传算法等相结合的GIS,它实际上是基于知识的专家系统在GIS中的应用,GIS经过多年开展已逐渐成熟,但其应用还主要停留在数据库、空间叠加分析上,缺乏知识处理水平和推理水平.因而在解决如城市规划与治理、交通运输治理、生态环境治理等问题时就需将 GIS和ES相结合.目前,这方 面的研究已得到广泛重视.如GenemetM.A等开发出一种原型网络专家系统,用于土地资源治理,该系统从各种文献资源中提取有关规那么组成知识库建立专家系统,由G

15、IS完成位置分析工作,由专家系统评价,组成专家GISo LamDavid等将专家系统、神经网络与GIS相结合, 建立了用于环境治理白决策支持系统.Sarasua, Wayre等讨论了基于知识的GIS用于铁路与高速公路交叉口的平安治理与分析问题.此外,还有专家GIS在城市交通、地下水治理等领域的应用研究.而遗传算法以其简单通用、鲁棒性强、适合于并行处理等特点,也在解决GIS 的排序问题SequencingProblem中得到了应用.10 .云 GIS (Cloud GISGIS操作的是地理空间数据,随着时间推移,数据量也会变得越来越庞大,数据之间的 关系也越来越复杂,处理这些数据就需要强大的计算

16、机处理水平云计算是分布式计算并行处 理和网格计算的进一步开展,它是基于互联网的计算,能够向各种互联网应用提供硬件效劳根底架构效劳平台效劳软件效劳存储效劳的系统.利用云GIS,用户只需要一台笔记本或者一部 ,就可以通过网络来使用GIS功能,这就使得 GIS应用能够快速部署,容易扩展2021年ESRI公司已推出了支持云架构的GIS平台产品ArcGISIQ作为全球第一款真正支持云架构的GIS平台产品,ArcGIS10可直接部署在云计算平台上,把对空间数据的治理分析和 处理功能送上云端,实现了GIS平台在云中的部署和效劳模式.11 .自发式地理信息(VolunteeredGeographicInfor

17、matioi)自发式地理信息的概念是由MichaelF.Goodchild提出来的.它是指用户通过移动设备和浏览器自发奉献地理数据.在传统的以电子地图为根底的GIS时代,数据提供者与用户有明显的界线；而现在,数据使用者和用户间已没有明显界线,由于地理信息的更新与维护可以是数据提供者,也可以是终端用户更新与维护是提供者和终端用户,从专业的定期更新走向群众化的更新和效劳,更新模式从静态定期更新走向实时和准实时的群众参与更新.Google公司的GoogleEarth是非常典型的由用户参与地理数据的例子.在 GoogleEarth 中可以轻松插入要返回的地点的标记,或者将自己的图像覆盖在所创立的地图上

18、.一切工作都可以在工具栏中完成.还可以将用户的文件导入到GoogleEarth中来显示路线兴趣点边界数据等.GoogleEarth可以理解一种名为 KML的语言,在 GoogleEarth应用程序中翻开自己 的KML文件,然后看着数据显示在 GoogleEarth图像中.有关VGI一个更有说服力的例子就是Wikimapia ,它采用的一些程度,已经在 Wikimapia百科全书里运行的非常成功,而且将它们提供给地名辞典共享任何人只要可以上网就可以选 择地球上任何地点为其他添加描述,包括链接它的其他资源任何人都可以编辑词条,义务评论查看结果,以检查其准确度和意义.12 .智慧城市智慧城市是基于物联网、云计算等新一代信息技术以及社交网络、智能搜索、智能分析等工具和方法,实现城市信息全面透彻的感知、宽带泛在的互联、以及智