當前計算機技術與GIS發展趨勢

當前計算機技術與GIS發展趨勢

    摘要  地理信息系統(GIS) 是隨著計算機技術的發展而形成的一門新興技術，并成為一種主要的信息產業，它極大地推動了計算機的普與應用。隨著信息技術，尤其隨著是計算機技術以前所未有的速度快速發展，以及GIS的應用深度的不斷深入和廣度的擴大，GIS正處于急劇變化與發展之中。本文結合當前計算機技術發展的特點，分析當前GIS的發展趨勢及其主要功能。



1　引言

    地理信息系統（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個或部分地球表面（包括大氣層在內）與空間和地理分布有關的數據的計算機系統（97年的參考文獻）。它由硬件、軟件、數據和用戶有機結合而構成。它的主要功能是實現地理空間數據的采集、編輯、管理、分析、統計、制圖的工具已逐步發展起來。

GIS始于60年代的加拿大與美國，爾后各國相繼投入了大量的研究工作，自80年代末以來,特別是隨著計算機技術的飛速發展,地理信息的處理、分析手段日趨先進，GIS技術日臻成熟，已廣泛地應用于環境、資源、石油、電力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市規劃、經濟咨詢、災害損失預測、投資評價、政府管理和軍事等與地理坐標相關的幾乎所有領域。

但是，隨著信息技術，尤其是計算機技術的快速發展、數字地球（Digital Earth）的提出與實施，以及GIS的應用深度的不斷深入和廣度的擴大，GIS正處于急劇變化與發展之中，并對GIS提出了許多新的要求。一方面，計算機的進步、信息網的發展和利用等技術上的突破，使得以數字形式表示信息更加容易，另一方面，地理信息仍滯后于其它更適合于以數字形式表示的信息，例如數字和文本。因此，地理信息的使用，又存在一定的困難和障礙，如果這些障礙能夠妥善解決，GIS的應用將會取得突飛猛進的發展。本文就目前地理信息系統的熱點問題進行介紹、分析和總結。

2          計算機技術對GIS發展趨勢的影響

    GIS技術依托的主要工具和平臺是計算機及其相關設備。進入90年代以來，隨著計算機技術的發展, 計算機其微處理器的處理速度愈來愈快性能價格比更高; 其存儲器能實現將大型文件映射至內存的能力,并且能存儲海量數據。此外, 隨著多媒體技術、空間技術、虛擬實景、數字測繪技術、數據倉庫技術、計算機圖形技術三維圖形芯片、大容量光盤技術及寬頻光纖通訊技術的突破性進展，特別是消除數據通訊瓶頸的衛星互聯網的建立，以及能夠提供接近實時對地觀測圖象的高分辨、高光譜、短周期遙感衛星的大量發射，這些為GIS技術的廣泛、深入應用展示了更加光明的前景。同時, 也使當前的GIS已不能滿足信息時代、數字時代的要求，目前GIS主要總體上呈現網絡化[1][3]、開放性[5]、虛擬現實[1]、集成化[2]、空間多維性[4][6]等發展趨勢。

2.1 網絡化——網絡GIS

計算機網絡技術的最新發展推動著當代GIS技術的快速更新和發展，使得在因特網上實現GIS應用日益引起人們的關注，建立萬維網GIS(WWWW GIS或Web GIS)是近年來GIS研究領域的一個熱門話題。Web GIS或互聯網地理信息系統（Internet GIS）是當前GIS的一個重要發展方向。

    目前，WWWGIS的建設面臨四個方面的挑戰：網上數據發布、網上數據互操作、網上數據采掘和網上數據管理及安全性。與傳統的GIS相比，Web GIS具有以下特點：

            (1)適應性強  Web GIS是基于互聯網的，因而是全球的，能夠在不同的平臺運行。

(2)應用面廣  網絡功能將使Web GIS應用到整個社會，真正實現GIS的無所不能，無處不在。

(3)現實性強  地理信息的實時更新在網上進行，人們能得到最新信息和最新動態。

                (4)維護社會化  數據的采集、輸入、空間信息的分析與發布將是在社會協調下運作，對其維護將是社會化，減少重復的勞動。

    (5)使用簡單  用戶可以直接從網上獲取所需要的各種地理信息，直接進行各種地理信息的分析，而不用關心空間數據庫的維護和管理。

網絡GIS可實現網上發布、瀏覽、下載，實現基于Web的GIS查詢和分析。盡管目前已有多家國內外公司推出Web GIS,總地來說，Web GIS尚處在試驗研究階段，其最終目標是應能實現GIS與WWW技術的有機結合，GIS通過WWW成為大眾使用的技術和工具。

2.2 開放性——開放式GIS

    開放式地理信息系統（Open GIS）是指在計算機和通信環境下，根據行業標準和接口（Interface）所建立起來的地理信息系統。它不僅使數據能在應用系統內流動，還能在系統間流動。Open GIS是為了使不同的地理信息系統軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構分布數據庫中實現信息共享的途徑。為此，Open GIS要具有下列特點：

    (1)互操作性：不同地理信息系統軟件之間連接、信息交換沒有障礙。

    (2)可擴展性：硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計算機上運行，其性能和硬件平臺的性能成正比；軟件方面增加新的地學空間數據和地學數據處理功能。

    (3)技術公開性：開放的思想主要是對用戶公開，公開源代碼及規范說明是重要的途徑之一。

    (4)可移植性：獨立于軟件、硬件及網絡環境，不需修改便可在不同的計算機上運行。

    除此之外，還有諸如兼容性、可實現性、協同性等特點。

    為了研究和開發Open GIS技術，1996年在美國成立的開放地理信息聯合會主要研究和建立了開放式地理數據交互操作規程（OGIS，Open Geodata Interoperable Specification）。OGIS是為了尋找一種方式，將地理信息系統技術、分布處理技術、面向對象方法、數據庫設計及實時信息獲取方法更有效地結合起來。基于OGIS規范制訂的開放系統模型是一種軟件工程和系統設計方法，這種方法應用于GIS領域，側重于改變當前GIS模型中特定的應用系統及其功能與它內部數據模型及數據格式緊密捆綁的現狀。當然，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規程，具體如何實現，還需采用分布式對象的技術，通過Acrobat、OLE、ActiveX、Java等語言實現。

    Open GIS技術將使GIS始終處于一種組織、開放式的狀態，真正成為服務于整個社會的產業以及實現地理信息的全球范圍內的共享與互操作，是未來網絡環境下GIS技術發展的必然趨勢。

2.3虛擬現實——虛擬GIS

    虛擬GIS就是GIS與虛擬現實技術（Virtual Reality）的結合。VR技術是當代信息技術高速發展，并與其他技術集成的產物，是一種最有效地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。這種模擬具有三個最基本的特征，即Immersion(沉浸)-Interaction(交互)-Imagina-tion(構想)。

    由于技術的限制，目前還未能開發出適用于遙感和GIS用戶需要的真3維可視化的數據分析軟件包。GIS與虛擬環境技術相結合，將虛擬環境帶入GIS將使GIS更加完美。GIS用戶在計算機上就能處理真3維的客觀世界的虛擬環境中將能更有效地管理，分析空間實體數據。目前虛擬GIS（VGIS）的研究主要集中在虛擬城市。

2.4 多媒體GIS

    多媒體技術（Multia-Media）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀的方式表達和感知信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機界面操縱信息處理的技術。應用多媒體技術對GIS的系統結構、系統功能及應用模式的設計產生極大的影響，使得GIS的表現形式更豐富，更靈活，更友好。

    多媒體地理信息系統（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動畫等技術融為一體，為GIS應用開拓了新的領域和廣闊的前景。它不僅能為社會經濟、文化教育、旅游、商業、決策管理和規劃等提供生動、直觀、高效的信息服務，而且將使電腦技術真正走進人類社會生活。多媒體技術在GIS領域的深入應用，乃至出現具有良好集成能力的MGIS是技術發展的必然。

2.5 集成化——3S技術的結合

    3S技術指的是全球定位系統（GPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統（GIS）。3S技術的結合與集成充分體現了學科發展從細分走向綜合的規律。

    GIS發展的重要趨勢是與全球定位系統（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構成實時的，動態的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點，為GIS不斷注入“燃料”，反過來又可利用GIS支持從遙感影像數據中自動提取語義和非語義信息。

    3S技術整體結合所構成的系統是高度自動化、實時化的GIS系統。這種系統不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數據的功能，而且能夠分析和運用數據，為各種應用提供科學的決策咨詢，并回答用戶可能提出的各種復雜問題。

2.6  空間多維性——三維GIS與時態GIS

2.6.1三維GIS

    在許多地學研究中，人們所要研究的對象是充滿整個3D空間的，如大氣污染、洋流、地質模型等，必須用一個（X，Y，Z）的3D坐標來描述。在3D GIS中，研究對象是通過空間X、Y、Z軸進行定義，描述的是真3D的對象。隨著計算機技術和GIS在許多行業諸如地質、礦山、海洋、城市地下管網，城市空間規劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋范圍分析等對三維GIS的需求日益迫切，3D GIS的理論和應用近年來受到許多學者的關注。到目前為止，雖然有3D GIS系統問世，但其功能遠遠不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是3D GIS理論不成熟，其拓撲關系模型一直沒有解決；另外三維基礎上的數據量十分大，很難建立一個有效的，易于編程實現的三維模型,計算機海量數據的處理為三維GIS提供了基礎。

2.6.2 時態GIS

    人們都在一定的空間和時間環境中生存并從事各種社會活動。從信息系統，尤其是GIS的實用角度出發，時間可以看成是一條沒有端點，向過去和將來無限延伸的線軸，它是現實世界的第四維。時間和空間不可分割地聯系在一起，跟蹤和分析空間信息隨時間的變化，應當是GIS的一個合理目標。這樣的GIS就被稱為時態GIS（Temporal GIS）。

    記錄歷史數據有時候是非常重要的。在GIS中也要經常查詢歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經過許多次的買賣或變化。在土地糾紛中，人們需要詳細的歷史記錄作為法律依據。GIS在環境應用中，也經常需要用到多時態的信息對環境進行綜合評價。所以，研究GIS的時態問題則成為當今GIS領域的一個重要方向。

    時態GIS的組織核心是時空數據庫，其概念基礎則是時空數據模型。時空數據結構的選擇應以不同類型的時空過程和應用目的作為出發點。雖然人們已分別在時態數據庫和空間數據庫研究方面取得很大進展，但是“時態”+“空間”≠ “時空”，兩者難以簡單地組合起來，這導致了時態GIS研究與應用的困難。作為一種系統方法，時態GIS的研究和應用還有很長的路要走。

2.7　部件組裝化——組件式GIS

GIS軟件是一種大型的軟件，開發一個功能完備的GIS軟件是一項極其復雜的工程。如何合理地組織GIS軟件的結構,一直是GIS軟件技術專家們研究的問題。它的發展體經歷了如下歷程：GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS和核心式GIS。當前計算機軟件控件技術（ActiveX控件，其前身OLE控件）為GIS

軟件提供了一種新的開發模式。

組件化GIS基于標準的組件式GIS平臺，各組件之間不僅可能自由、靈活地重組，而且具有可視化的界面和方便的標準的接口。其特征主要體現在：

　　(1)高效無縫的系統集成  允許將專業模型、GIS控件、其它控件緊密地結合在統一的界面下。

　　(2)無須專門的GIS開發語言  只要掌握基于Windows平面的通用環境(VB,VC++,Delphi,power Builder等)，以及組件式GIS各控件的屬性、方法和事件，就能完成應用系統的開發。

　　(3)大眾化的GIS  用戶可以象使用其它ActiveX控件一樣使用GIS的控件，使非專業的GIS用戶也能勝任GIS應用開發工作。

　　(4)開發成本低  非GIS功能可以利用非專業控件，降低了系統的成本。



3          結束語

當前計算機技術的發展使GIS的發展主要呈以上幾種趨勢外，GIS軟件與建筑及規劃設計CAD、辦公自動化、統計分析等軟件系統的集成等都是GIS研究與發展的熱點。

上述這些GIS的發展趨勢并不是孤立的，而是相互影響、相互促進，它涉及多學科的相互滲透、相互支撐。其目的就是促進地理信息產業的建設與發展，更好地為人類了解和保護人類賴以生存的環境服務。面對今天的計算機技術的快速發展，面對GIS充滿生機與活力的前景，我們應該進一步面向世界、抓住機遇、探索規律、促進GIS技術與產業的發展。可以預見，隨著計算機技術的發展，信息高速公路的建成，一個以地理信息系統為平臺，以信息高速公路為紐帶的“數字地球”，必將為人類信息交流與共享提供一種全新的方式。



參考文獻

[1]龔健雅主編．當代GIS的若干理論與技術．武漢：武漢測繪科技大學出版社，1999

[2] 李德仁.論RS、GPS與GIS集成的定義、理論與關鍵技術.遙感學報，1997，1(1)：64—68.

[3]袁相儒等．Internet GIS的部件化結構．測繪學報，1998,27(4),363-369.

[4]邊馥苓.地理信息系統原理和方法.北京:測繪出版社,1996,172-175.

[5]韓海洋，龔健雅．開放地理信息系統的內涵與地理信息互操作性的實現．測繪通報，1999,(6):22-25.

[6]張子平,肖  平,龔健雅. 時態土地資源信息系統中數據結構的研究. 武漢測繪科技大學學報,1998,23(2):141-144

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