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地理信息系统综述ReviewofGeographicInformationSystem地101-12宋楠摘要：近年来地理信息系统（GIS）在计算机技术的支持下，在理论、应用、软件开发以及产业化方面都得到了快速发展。首先对GIS与地理信息科学的区别进行了讨论，然后对GIS应用开发技术发展历程以及目前GIS领域的热点问题进行讨论，最后指出GIS发展存在的问题，并对GIS发展前景进行展望。关键词：地理信息系统地理信息科学GIS应用开发技术GIS研究热点上世纪60年代，加拿大地理信息系统的建立，标志着地理信息系统作为一门科学而诞生。地理信息系统是这样一种空间信息系统，即在计算机软硬件系统支持下，具有对地球表面（包括大气层）空间中的地理分布有关的数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述等功能[1]。近年来GIS在计算机科学、数学、测绘科学、地理学等诸多学科快速发展的拉动下得到了迅猛的发展。本文就GIS与地理信息科学的区别，GIS应用可发技术的发展历程以及目前GIS领域研究的几个热点问题进行讨论。GIS与地理信息科学区别1992年Goodchild撰文提出地理信息科学这一新兴学科，认为地理信息科学主要研究应用计算机技术对信息进行采集、存储和分析等过程中所提出的如数据的获取、集成、空间分析和地理数据的不确定性及其对地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等一系列基本理论和技术问题[2]。作为一门新兴学科，地理信息科学与地理信息系统相比，侧重于将地理信息系统作为一门科学，围绕地理信息系统的应用，阻碍其功能实施，或在其潜在能力的理解中出现的一般性问题进行研究，是地理信息系统背后的科学，它解决的是蕴含在地理信息系统之中的一整套科学问题[3，4]。因此，地理信息科学与地理信息系统完全是两个概念，地理信息技术是地理信息系统进一步发展的动力，其学科体系涵盖了计算机科学、感知科学、地图学、大地测量学、数学、地理学。GIS应用开发技术发展历程2.1集成GIS在GIS发展的早期阶段，由于受到技术的限制，GIS提供一些能够满足某些功能的模块，并且各个模块之间彼此不能进行协调，因此早期的GIS软件没有形成一个完整的系统。随着GIS技术和理论的发展，早期的各个GIS模块逐渐朝着集成化发展，形成了大型的GIS软件包（GISPackage），因此GIS发展进入了集成GIS阶段。该阶段GIS的代表软件有：Arc/info、GenaMap等。GIS发展到这一阶段集成了各个GIS模块的各项功能，形成了独立完整的系统，具备了强大的数据输入功能、空间分析功能、图形平台以及可靠性能。由于仅仅是对原先分散的GIS模块进行简单集成，除了系统与其他应用系统进行集成也是很难做到的，这是该阶段GIS发展所面临的问题[5]。2.2模块GIS模块GIS与集成GIS相似之处在于，也是将GIS按照功能划分成一些模块，并且这些模块在同一基础环境上运行，但模块GIS能够针对具体工程应用将GIS软件模块有针对性的进行细划分，在降低开发难度的同时能够满足用户需求，这是与集成GIS的显著区别。但二者面临着同一难题是无法与管理信息系统等专业应用模型进行高效综合应用[5,6]。2.3核心式GIS核心式GIS完美的提供了解决集成GIS和模块GIS不能与MIS综合应用问题的思路，即对数据库管理要求较高的用户可以选择MIS开发工具来构造GIS应用[18]。在Windows系列操作系统中，开发GIS应用系统可以采用高级编程语言，通过应用程序接口(API)访问系统内部所提供的GIS功能。除了核心式GIS提供的一些动态链接库（DLL）之外，实现各种功能的DLL可以进行拆卸和重组，这能够给用户提供较大的灵活性。但由于核心式GIS所提供的组件位于底层，这也增加了系统应用开发的难度。2.4组件式GIS以Arc/Info和GeneMap为代表的集成GIS和以MGE为代表的模块GIS具有开发负担重、集成困难、二次开发语言复杂、普及困难等缺陷，严重制约了GIS进一步发展和应用，难以满足日益增多的GIS应用需求[7]。组件式GIS将GIS的各个功能分解为若干个组件，每个组件具有不同的功能，通过将可视界面和接口有效地组合在一起，形成了最终的应用系统[8,9]。组件式GIS是一种新型的GIS软件体系，它是面向对象技术和组件式软件在GIS软件开发中的应用，与传统GIS技术相比具有明显的优势：①可以实现各种应用分析模型与GIS之间进行高效无缝的系统集成；②无需专门的开发语言，只需实现GIS的基本功能函数，按照Microsoft的ActiveX空间标准开发接口，二次开发简捷；③可灵活定制、可封装；④采用基础组件-高级通用组件-专业性组件的构建方式，便于用户选择，降低软件开发成本；⑤GIS功能强大，便于扩充[10-12]。组件式GIS在设计和开发中应注意：①功能和接口设计既要符合GIS软件开发的要求，也要体现出组件式软件的优势；②要对基础组件、高级通用组件、行业性组件的功能进行清楚地区分，从而便于用户根据其需求发布相应的单元；③要有意识地采用高效的算法和对代码进行优化，从而可以有效改善软件的整体运行效率；④确定组件力度大小和设计接口时，要在系统功能实现、组件功能灵活性和满足用户需求之间取得平衡[13]。2.5万维网GIS万维网GIS是GIS与WWW（WorldWideWeb）的有机结合，在Internet或Intranet网络环境下可实现存储、处理、分析、显示、应用等功能。它可以在互联网上提供地理信息，用户通过浏览器可以获得GIS中的数据和相关服务，代表性的软件有MapObjectsInternetMapServer、ArcViewInternetServer、MapGuide和GeoMediaWebMap等[8,14]。万维网GIS在结构上属于分布式地理信息系统模型，一般有4部分组成。传统GIS具有成本高、桌面系统操作复杂、系统性能低下等缺陷，WebGIS在全球信息网上运行，是全球信息网络技术对传统GIS的改进和发展，相对于传统GIS，具有明显优势：①搜索范围广，用户可以实时查询多个位于不同地域服务器上的最新数据；②平台独立性；③系统成本得到大规模降低，提高工作效率；④操作简易，容易推广[15]。但WebGIS也存在着诸多缺陷：①异构空间数据难以实现互操作；②WebGIS跨平台操作随着数据资源的急剧增长而受到很大的制约；③无法解决海量数据传输的网络瓶颈问题；④无法综合利用其他资源；⑤WebGIS软件在开发、调试和维护方面随着用户需求的不断增加而愈发困难[16]。3GIS研究的热点问题3.1网格地理信息系统对网格计算的研究始于上世纪90年代，它能够将广域网上的所有数据和计算资源与其他一些设备进行互联组成一个可以实现资源大范围共享的高性能计算网[17,18]。建立在网格计算以及互联网技术基础上的Grid-GIS可以对空间信息资源进行汇集和共享并进行一体化的组织和处理，能够形成对用户透明的虚拟空间信息资源的超级处理环境，是一种具有按需服务能力的空间信息基础设施。网格环境下的GIS相对于传统GIS优势明显[16,19]：①空间数据资源的海量特性和动态性；②空间数据的多元性与标准性的统一；③空间数据分布性与共享性的统一；④系统的异够性与统一性；⑤高度的开放性。GridGIS是由若干种标准化服务和服务协议组成，整个系统可以划分成5个层次[16,17]。分别为用户层(将用户层请求提交GridGIS应用服务与实现层并将处理结果显示给用户)、应用服务与实现层(完成与用户的接口和实现GridGIS相关的功能服务)、核心服务层(协调使用各种资源，是整个系统有效运转的中枢)、资源服务层(实现底层资源共享)、基础设施层(负责各计算机资源之间和计算机资源与用户应用之间的通信)。近年来，对GridGIS的研究主要集中在空间信息服务语言[20]、信息服务系统[21]、结构体系[33]、数据传输机制与策略等[23,24]。3.2三维地理信息系统3DGIS是建立在2DGIS基础之上，将高度信息与2DGIS中的同等对待，不仅可以表示三维地物而且能够进行三维空间分析，具有更接近现实世界视觉效果的地理信息系统。三维可视化分析则是3DGIS与2DGIS最显著的区别，其表现形式有：①三维景观方式，可以从不同角度、方位和距离观看三维模型表面；②掀盖层三维景观方式，在三维景观方式基础上，可以先开上覆层看到下伏的界面；③透视三维景观方式，可以透视地看到人们所感兴趣的界面；④切面方式，能够切开三维模型，从水平、垂直切面上观看三维体地内部详细结构[25]。3DGIS关键技术有：三维GIS数据获取、三维GIS数据管理、完整三维空间数据模型与数据结构、三维GIS数据可视化与分析、三维GIS空间建模等[26]。近年来针对3DGIS展开的研究主要有三维GIS数据获取[27]和三维GIS空间建模[28]2个方面。3.3移动GIS移动GIS的研究开始于上世纪90年代初期，将Internet上的海量信息与GIS强大的数据分析和处理功能有机结合提供基于位置的服务（LBS），即用户能够获得基于位置信息的信息获取、信息交换、信息共享和信息发布等服务。移动GIS是一个集GIS、GPS和移动通信（GSM、GPRS、CDM）于一体的系统，相对于传统的GIS具有以下特点：①无线通信能够与移动GIS各种移动终端进行交互，可以随时随地进行移动；②能够及时响应用户提出的请求，使用环境的变化，实时处理信息；③对位置信息依赖性较强；④移动终端具有多样性[10,29,30]。移动GIS主要有客户端、服务器、数据服务器3部分组成。移动GIS分为表示层（为移动GIS的离线服务模式提供数据更新支持）、逻辑层（利用该层的多层架构，结合服务器机群和各服务器提供的线程机制，处理负载平衡问题）和数据层（管理空间数据和属性）。随着通信技术与网络技术的相互融合，移动计算将会成为主流计算环境，这将促使移动GIS在野外数据采集、地形测图、资源勘探等领域得到广泛的应用；移动GIS在新的通信标准以及移动通信技术的支持下，将向着多元化、多途径的方向发展；多种通信技术（蓝牙、无限局域网、红外线）的相互融合，将使得移动GIS的应用领域得到进一步地拓宽[16]。3.4嵌入式地理信息系统EmbeddedGIS是在嵌入式计算机系统上构建的、集成了地理信息功能的一种高度浓缩、高度精简的GIS软件系统[31,32]。EmbeddedGIS一般由硬件系统、地理信息软件以及操作系统构成。“可裁剪性”则是EmbeddedGIS最大的特点，即可以通过对数据类别、数据格式以及功能进行裁剪，从而既可以节省系统容量又能够提高系统运行速度。因此，节省存储量则是EmbeddedGIS设计与开发的必须遵循的基本原则。一个完整的EmbeddedGIS应该具备3方面基本功能：①对地图进行显示、缩放、漫游等基本的地图操作功能；②根据需求进行图层的打开、关闭、隐藏等操作；③结合具体应用的查询、检索、分析以及导航等功能[32]。3.5时态地理信息系统TemporalGIS简言之就是在传统的GIS发展基础上，增加时间以及时间管理机制从而能够跟踪和分析随时间变化的空间、非空间信息的地理信息系统，也被称作4DGIS，时空分析功能是其核心功能。理论上GIS中的时间可以分为处理时间和有效时间2类，处理时间是指在GIS中信息处理发生的时间又称系统时间；有效时间又称实际时间是指实际应用中实际发生的时间，按照时间不同，TGIS可以被进行如下划分[33]：静态时间表（不支持处理时间和有效时间，系统只保留应用领域的一种状态）、历史时态系统（支持有效时间，事件实际发生的历史问题）、回溯时态系统（支持处理时间，信息系统的历史对问题求解）、双时态系统（支持处理时间、有效时间，可记录下信息系统的历史和时间发生的历史）。TGIS操作对象主要是时空信息，其特点是在系统中增加对时间维的分析表达能力，能够进行对历史和趋势的分析，那么一个完整的TGIS应具备的功能有：①存储、编辑和管理多时态数据；②时空信息的查询和检索；③时空信息分析；④时空数据库的管理以及时空信息的显示和输出[10]。目前关于TGIS的研究主要集中于时空数据的组织[34]、时空数据库的实际与实现[35]、时空数据模型[36-38]等。4.结语GIS从诞生之日起经过近50年的发展，在理论、技术、应用、市场化等方面均取得了较大进展，但也存在着一些有待深入研究的问题：①基础理论，GIS从本质上来说是测绘科学、地理学、数学、计算机科学等多学科交叉集成的产物，如何充分利用多学科发展的最新成果来促进GIS的发展在理论方面仍需加以突破；②空间分析与信息处理，空间分析与信息处理是GIS的核心功能，为了满足空间信息在快速实时化获取处理的要求，海量化数据获取、管理、共享以及空间分析智能化方面需要进一步研究；③地理信息产业化，地理信息产业近年来已经成为信息产业的一部分，但在市场规模化、市场标准化以及产业人员整体素质方面需要加以规范和提高；④GIS应用，解决实际问题则是GIS研究开发的终极目的，尽管GIS在交通、农业、地质等多领域得到成功地应用，但从应用深度与广度来说并不是十分理想。随着GIS在理论、行业应用以及产业化方面的深入研究，必将促进GIS发展进入一个更高的阶段。参考文献：[1]汤国安,赵牡丹,杨昕等.地理信息系统（第二版）[M].北京:科学出版社,2010[2]GOODCHILDMF.GeographicInformationScience[J].GeographicInformationScience,1992,6(3):31-35[3]GOODCHILDMF,EGENHOFERMJ,KEMPKK,etal.IntroductiontotheVareniusProject[J].GeographicInformationScience,1999,13(8):731-745[4]刘妙龙,周琳.地理信息科学学科领域界定再思考[J].地理与地理信息科学,2004,20(3):1-5[5]曹雁.开发GIS的基本技术及其发展动态[J].石河子大学学报:自然科学版,2002,6(2):170-172[6]曾钱帮,何小萍.地理信息系统的开发工具及其在地址灾害研究中的应用进展[J].工程地质计算机应用,2005(4):23-25[7]刘南,刘仁义.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社,2002[8]龚健雅,杜道生,李清泉，等.当代地理信息技术[M].北京:科学出版社,2004[9]刘伯红.组件式GIS应用研究[J].计算机与数字工程,2006,34(11):12-15[10]张海荣.地理信息系统原理与应用[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007[11]张军海,李仁杰,傅学庆，等.地理信息系统原理与实践[M].北京:科学出版社,2009[12]汪林林,覃小琪.组件式GIS系统的设计[J].计算机科学,31(4):195-196[13]李永红,邓红艳,赵敬东，等.组件式GIS开发的实践[J].计算机工程与设计,2005,26(4):1090-1092[14]李爱民,何正国.万维网GIS的若干关键技术及实现[J].测绘通报,2004(11):38-39[15]刘明德,林杰斌.地理信息系统GIS理论与实务[M].北京:清华大学出版社,2006[16]孟令奎,史文中,张鹏林，等.网络地理信息系统原理与技术(第二版)[M].北京:科学出版社,2010[17]王喜,王大中,王萌.地理信息技术发展的新方向-网格GIS初探[J].测绘与空间地理信息,2006,29(4):43-46[18]李孝玲,周彬,石常敏.网格GIS安全体系的研究[J].测绘与空间地理信息,2010,33(3):132-134[19]孙庆辉,骆剑承,李宏伟，等.网格GIS及其关键技术[J].测绘学院学报,2004,21(3):200-204[20]刘建英,徐爱萍.网格GIS中空间信息描述语言的研究[J].科技导报,2006,24(6):46-47[21]陈红英,杨宜民,李卫华.网格GIS信息服务系统的研究与实现[J].计算机工程,2006,32(13):260-262[22]蔡正林,韩金华,李梦琪.网格GIS体系结构研究及应用[J].计算机技术与发展,2006,16(7):221-223[23]张立朝,王青山,郑海鹰，等.基于网格的地理空间数据传输策略研究[J].测绘通报,2008(6):37-40[24]孙庆辉,骆剑承,赵军喜.网格GIS数据传输机制与策略[J].地球信息科学,2005，7(1):65-69[25]孙杭,孙芳.浅谈可