地理信息技术前沿.doc

地理信息系统的发展和前沿问题地理信息系统(GeographicInformationSystems，简称GIS) 是20世纪60年代发展起来的一门空间信息分析技术，是多学科交叉的产物，它以地理空间为基础，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服务的计算机技术系统。经过几十年发展，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发展。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基本内容。从地理信息系统到地理信息科学，1992年是个标志，Goochild在IJGISystem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IJGIScience。 地理信息科学理论的建立将GIS的发展提升到了一个新的高度。随着网络的发展，针对系统相对独立、内部耦合度强、互操作性差、集成能力匮乏等不足，2000前后年出现了“地理信息服务”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社会化应用的蓬勃发展，GIS已经从真正意义上实现“专业化”向“大众化”与“社会化”的转变。GIS发展和计算机技术发展和后来到网络的发展，一直到数字地球的发展，是紧密相关的。林珲教授说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的发展。武汉大学朱庆教授总结了GIS技术的发展动态，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、信息栅格发展；软件实现向组件化、中间件、智能体方向发展；空间信息技术和通信进一步融合；数据获取向“3S集成”方向发展，尤其是Sensor Web的发展；数据存储管理向分布式存储及其互操作方向发展；数据处理向移动计算、普适计算和语义网方向发展；人机交互向自然的虚拟环境方向发展等。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)是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，成本更低等特点，因此是很有发展前途的发展方向。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）飞速发展的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发展的必然趋势。WebGIS是GIS走向杜会化和大众化的有效途径，也是GIS发展的必由之路。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发展，人们对GIS的要求不断提高，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能力较低，系统维护要求高，操作复杂。随着互联网技术的发展，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，服务器具有提供信息或系统服务的功能。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、提高系统的灵活性，便于修改，具有很高的性价比。式GIS才是最佳方案。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规范，即Geospatialdata的交互操作规程和相互转换标准的软件规范。OpenGIS提出了开放的地理数据(OpenGeodata)模型，开放的服务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、便于共享和相互转换的数据格式；开放的服务模型是建立在分布式计算平台(DCP)构架上的；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，客户端与服务(Client/server)之间的数据传输采用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部分地解决问题。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发展。地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS的社会化和大众化等客观需求，使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本以及实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部分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手机和专用的GIS嵌入设备等移动GIS受限制小，使用灵活方便，拓展了地理信息服务的范围移动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，它不仅仅是一部移动电话，更是集电子邮件网页浏览以及地图服务等众多功能于一身，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服务，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的基础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三维几何模型的交互和可视化；3DGIS数据管理和空间分析。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部分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发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经过多年发展已逐渐成熟，但其应用还主要停留在数据库、空间叠加分析上，缺乏知识处理能力和推理能力。因而在解决如城市规划与管理、交通运输管理、生态环境管理等问题时就需将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，用于土地资源管理，该系统从各种文献资源中提取有关规则组成知识库建立专家系统，由GIS完成位置分析工作，由专家系统评价，组成专家GIS。LamDavid等将专家系统、神经网络与GIS相结合，建立了用于环境管理的决策支持系统。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安全管理与分析问题。此外，还有专家GIS在城市交通、地下水管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 GIS）GIS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机处理能力云计算是分布式计算并行处理和网格计算的进一步发展，它是基于互联网的计算，能够向各种互联网应用提供硬件服务基础架构服务平台服务软件服务存储服务的系统。利用云GIS，用户只需要一台笔记本或者一部手机，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2010年ESRI公司已推出了支持云架构的GIS平台产品ArcGIS10，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，把对空间数据的管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服务模式。11.自发式地理信息（VolunteeredGeographicInformation）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贡献地理数据。在传统的以电子地图为基础的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，因为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大众化的更新和服务，更新模式从静态定期更新走向实时和准实时的大众参与更新。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建的地图上。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应用程序中打开自己的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、以及智能融合的应用。无所不在的传感网络将实现城市部件的实时感知与自主联网，地理信息系统将水、电、气、交通、环境等基础信息与特定时空下的城市事件紧密关联、实时融合，将全面满足城市人与物的联通、管理、响应的需要。在这个环境中，各种传感器能够方便接入城市信息网络，确保来自任何空间位置的信息源一，能在任何时候经过接人、关联、融合等处理后发送并服务于在任何地点且有相应权限的数据管理与更新服务器，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行信息获取、传递、存储、认知、决策等。13.面向人的GIS 现有的GIS是面向“地”、面向图层及面向特征的GIS，而面向“人”的GIS应该是抽象成个体的、群体的以及有组织的人，人的表达既可以是虚拟的人也可以是现实的人。以社交网络、在线游戏等为代表的网络应用已经逐渐成为了人的“第二生命”。GIS对时空数据的管理、表达以及分析能力，不仅可为现实世界的人提供应用服务，也可以为虚拟世界的“人”提供完整的平台支撑。面向“人”的GIS不仅要关注人的心理特点与认知需求，更应充分结合GIS的优势和特色，强化公众参与，推进群体决策。另一方面，面向“人”的GIS还应该充分发挥“人”在GIS建设中的主观能动性，利用“人”实现数据的采集、分析与反馈，实现完整的、虚实融合的GIS应用体验。参与感、沉浸式的操作模式、简明优越的协同方式以及良好的用户交互与表达体系，是实现面向“人”的GIS应用的关键。