(完整版)地理信息技術前沿

1、地理信息系統(tǒng)的發(fā)展和前沿問題地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystems，簡稱GIS)是20世紀60年代發(fā)展起來的一門空間信息分析技術，是多學科交叉的產(chǎn)物，它以地理空間為基礎，采用地理模型分析方法，實施提供多種空間和動態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，特別是近年來隨著計算機技術的突飛猛進，地理信息系統(tǒng)也得到了長足的發(fā)展。地理信息系統(tǒng)已經(jīng)不是一種單純的技術，它已經(jīng)上升到信息時代(Informationage)的產(chǎn)物，成為信息社會的一個基本內(nèi)容。從地理信息系統(tǒng)到地理信息科學，1992年是個標志，Goochild在IJGISyst

2、em雜志上發(fā)表了Geographicalinformationscience，從而標志著地理信息科學作為一個學科正式成立。年國際雜志IJGISystem改名為IJGIScienee地理信息科學理論的建立將GIS的發(fā)展提升到了一個新的高度。系統(tǒng)相對獨立、內(nèi)部耦合度強、互操作性差、集成能力匱乏等不足，理信息服務”這一新技術，旨在實現(xiàn)網(wǎng)絡環(huán)境下地理信息的集成應用，1996針對“地隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，2000前后年出現(xiàn)了以滿足普通民眾對地理信息的需求。隨著GoogleEarth、志愿者GIS(VGI)為代表的GIS社會化應用的蓬勃發(fā)展，GIS已經(jīng)從真正意義上實現(xiàn)“專業(yè)化”向“大眾化”與“社會化”的轉(zhuǎn)變。G

3、IS發(fā)展和計算機技術發(fā)展和后來到網(wǎng)絡的發(fā)展，一直到數(shù)字地球的發(fā)展，是緊密相關的。林琿教授說GIS包括空間數(shù)據(jù)庫、空間分析、可視化三大功能，后來把模型庫和虛擬環(huán)境加進來，還包括一個網(wǎng)絡支撐環(huán)境。從地圖到地理信息系統(tǒng)與虛擬地理環(huán)境，是地理學語言的演變，這是從虛擬現(xiàn)實這個角度看GIS的發(fā)展。武漢大學朱慶教授總結了GIS技術的發(fā)展動態(tài)，認為GIS向多維、動態(tài)、一體化方向發(fā)展；GIS系統(tǒng)體系結構向開放式、網(wǎng)絡化、信息柵格發(fā)展；軟件實現(xiàn)向組件化、中間件、智能體方向發(fā)展；空間信息技術和通信進一步融合；數(shù)據(jù)獲取向“3S集成”方向發(fā)展，尤其是SensorWeb的發(fā)展；數(shù)據(jù)存儲管理向分布式存儲及其互操作方向發(fā)展；

4、數(shù)據(jù)處理向移動計算、普適計算和語義網(wǎng)方向發(fā)展；人機交互向自然的虛擬環(huán)境方向發(fā)展等。目前，GIS技術的主要研究領域集中在以下幾個方面：1. 組件GIS(ComponentsGIS)組件GIS(ComponentsGIS簡寫ComGIS是指一組具有某種標準通訊接口的，允許跨語言應用的地理信息系統(tǒng)。該地理信息系統(tǒng)的組件之間，地理信息系統(tǒng)的組件與其他組件之間，可以通過標準通訊接口實現(xiàn)互聯(lián)互通，以及跨計算機實現(xiàn)。ComGIS基于組件對象平臺，具有標準接口，允許跨語言應用，因而使地理信息系統(tǒng)軟件的可配置性、可擴展性，開放性更強，使用更靈活，二次開發(fā)更方便，成本更低等特點，因此是很有發(fā)展前途的發(fā)展方向。組件

5、式平臺主要有Microsoft的COM(組件對象模式)/DCOM(分布或組件對象模式)和COBA公共對象請求代理體系結構)等。2. 網(wǎng)絡GIS(WebGIS)飛速發(fā)展的Internet/Intranet已經(jīng)成為GIS新的系統(tǒng)平臺，利用Internet技術在Web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)供用戶瀏覽和使用是GIS發(fā)展的必然趨勢。WebGIS是GIS走向杜會化和大眾化的有效途徑，也是GIS發(fā)展的必由之路。WebGIS的目的是解決分布式GIS之間的聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的共享。實現(xiàn)相同GIS軟件的分布式GIS之間的數(shù)據(jù)、信息、軟件和硬件的共享。實現(xiàn)相同GIS軟件的分布式GIS之間的互操作、互運算。如果要實現(xiàn)不同軟件

6、間的分布式GIS間的系統(tǒng)資源共享，就要求具有開放的功能，即OpenGLS的功能。3. 分布式GIS分布式GIS是解決地理數(shù)據(jù)、軟件及硬件等資源共享和進行遠程互操作和互運算的有效途徑，是當前地理信息系統(tǒng)領域研究的熱點和前沿。隨著信息產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，人們對GIS的要求不斷提高，由以前的局部地區(qū)用戶對信息的使用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閐uang大地區(qū)用戶對信息的共享。但傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)大多采用C/S技術架構，這種系統(tǒng)的資源共享能力較低，系統(tǒng)維護要求高，操作復雜。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術和GIS技術相結合構建分布式GIS系統(tǒng)能有效解決上述問題。這種分布式的GIS系統(tǒng)是通過互聯(lián)網(wǎng)連接無數(shù)個分布在不同地點、不

7、同部門、獨立的GIS系統(tǒng)，它同時支持C/S和B/S工作模式，客戶端具有獲取信息和各種應用的功能，服務器具有提供信息或系統(tǒng)服務的功能。在GIS系統(tǒng)中采用分布式體系結構不但可以解決網(wǎng)絡條件下地理信息系統(tǒng)中存在的多源數(shù)據(jù)異構、數(shù)據(jù)共享、復雜運算等問題，而且還可以擴大GIS系統(tǒng)的使用規(guī)模、提高系統(tǒng)的靈活性，便于修改，具有很高的性價比。式GIS才是最佳方案。4. 開放型GIS(OpenGIS)目前一種多用戶、跨平臺的OpenGIS技術正在被國外的許多研究機構、政府部門和高等院校所研究和開發(fā)利用。開放型GIS的研究和應用使得各政府部門及企業(yè)之間不同格式的數(shù)據(jù)能夠方便地互訪，有利于網(wǎng)絡GIS及分布式GIS空

8、間數(shù)據(jù)庫的建立，使GIS的應用領域及其功能大大拓寬。OpenGIS的目的是在計算機網(wǎng)絡的支持下，實現(xiàn)不同軟件的分布式間的系統(tǒng)資源共享規(guī)范，女口MAPINFO與ARC/INFO不同軟件之間的共享的功能。OpenGIS是在不同平臺上開發(fā)的、不同GIS軟件之間的可互操作的規(guī)范，即Geospatialdata的交互操作規(guī)程和相互轉(zhuǎn)換標準的軟件規(guī)范。OpenGIS提出了開放的地理數(shù)據(jù)(OpenGeodata)模型，開放的服務模型和開放的數(shù)據(jù)通訊模型等。開放的地理數(shù)據(jù)模型是采用面向?qū)ο蟮姆椒?，從現(xiàn)實世界抽象出來的、便于共享和相互轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)格式；開放的服務模型是建立在分布式計算平臺(DCP構架上的；可開放的

9、數(shù)據(jù)通訊模型是建立在WebGIS的構架上的，即客戶端(client)使用瀏覽器(Browser)作為軟件框架，客戶端與服務(Client/server)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用HTML協(xié)議。OpenGIS具有在不同GIS軟件間的GIS的數(shù)據(jù)、軟件和硬件共享的功能。OGC-OpenGISConsultium,中文譯為"開放的地理信息系統(tǒng)協(xié)會”是OpenGIS的組織者。她由30多家軟件開發(fā)廠商、學校和政府部門所組成。OpenGIS定具有WebGIS的功能，但可以具備OpenGIS的功能，也可以不具備OpenGIS的功能。5. 互操作GIS(InteroperableGIS)目前的地理信息系統(tǒng)大

10、多是基于具體的、相互獨立和封閉的平臺開發(fā)的，它們采用不同的數(shù)據(jù)格式，對地理數(shù)據(jù)的組織也有很大的差異。這使得在不同軟件上開發(fā)的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換存在困難，采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準也只能部分地解決問題。另外，不同的應用部門對地理現(xiàn)象有不同的理解。對地理信息有不同的數(shù)據(jù)定義，這就阻礙了應用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，帶來了領域間共同協(xié)作時信息共享和交流的障礙，限制了地理信息系統(tǒng)處理技術的發(fā)展。地理數(shù)據(jù)的繼承與共享、地理操作的分布與共享、GIS的社會化和大眾化等客觀需求，使得盡可能降低采集、處理地理數(shù)據(jù)的成本以及實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的共享和互操作成為共識?；ゲ僮鞯乩硇畔⑾到y(tǒng)（InteroperableGIS）的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)

11、GIS開發(fā)方式帶來的數(shù)據(jù)語義表達上不可調(diào)和的矛盾，這是一個新的GIS系統(tǒng)集成平臺，它實現(xiàn)了在異構下多個地理信息系統(tǒng)之間的互相通信和協(xié)作，以完成某一特定任務。6. 移動GIS移動GIS主要由移動通信GIS定位系統(tǒng)和移動終端四個部分組成移動終端是指在戶外使用的可移動終端設備，包括便攜計算機PDA手機和專用的GIS嵌入設備等移動GIS受限制小，使用靈活方便，拓展了地理信息服務的范圍移動GIS的出現(xiàn)大大拓寬了電子地圖的應用領域，使得電子地圖在人們生產(chǎn)生活中無處不在。目前全球熱銷的iPhone,它不僅僅是一部移動電話，更是集電子郵件網(wǎng)頁瀏覽以及地圖服務等眾多功能于一身，正如其廣告中宣稱有超過8萬個應用程

12、序，幾乎能做任何事情由此可見，GIS在其中發(fā)揮的作用也不應僅限于地圖服務,或許能夠做的更多。7. 三維GIS（3DGIS）地球以及各種物體都是以三維空間的形式存在的，因此目前二維GIS技術或二維半（平面X，Y坐標加高程）GIS對于完整的描述地球上的對象是有一定限制的。3DGIS就是在二維GIS的基礎上對具有三維地理參考坐標的地理信息輸入、存儲、編輯、查詢、空間分析和模擬操作的計算機系統(tǒng)。目前主要研究包括：3DGIS數(shù)據(jù)表達結構；面向?qū)ο蟮氖噶颗c柵格一體化結構；3DGIS三維幾何模型的交互和可視化；3DGIS數(shù)據(jù)管理和空間分析。8. 可視化與虛擬現(xiàn)實（VRGIS）虛擬現(xiàn)實是目前GIS研究領域的另

13、一重要方向。虛擬現(xiàn)實是對人類真實世界某一部分或某一過程的逼真模擬，給人提供視覺、聽覺、觸覺、力覺、嗅覺等信息，令人完全置身于虛擬世界中，感受與現(xiàn)實系統(tǒng)一致或接近，從而讓人產(chǎn)生一種雖幻猶真的沉浸感。可視化（Visualization）和虛擬現(xiàn)實（VR）是GIS發(fā)展中涉及的一個重要技術問題。一方面GIS支持空間數(shù)據(jù)的可視化，提供了大量的空間數(shù)據(jù)可視化過程中所需要的空間分析功能；另一方面，空間數(shù)據(jù)的可視化也增強了GIS的功能。虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）的研究將促進GIS與Web的集成，使用戶在三維虛擬環(huán)境中，采用VR系統(tǒng)設備，在模擬的地理環(huán)境中實驗觀察、觸摸、操作和檢測。9. GIS的智能化智能G

14、IS是指與專家系統(tǒng)（Expertsystem簡稱ES）神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等相結合的GIS,它實際上是基于知識的專家系統(tǒng)在GIS中的應用，GIS經(jīng)過多年發(fā)展已逐漸成熟，但其應用還主要停留在數(shù)據(jù)庫、空間疊加分析上，缺乏知識處理能力和推理能力。因而在解決如城市規(guī)劃與管理、交通運輸管理、生態(tài)環(huán)境管理等問題時就需將GIS和ES相結合。目前，這方面的研究已得到廣泛重視。如GenemetM.A等開發(fā)出一種原型網(wǎng)絡專家系統(tǒng)，用于土地資源管理，該系統(tǒng)從各種文獻資源中提取有關規(guī)則組成知識庫建立專家系統(tǒng)，由GIS完成位置分析工作，由專家系統(tǒng)評價，組成專家GISoLamDavid等將專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡與GIS相結合，

15、建立了用于環(huán)境管理的決策支持系統(tǒng)。Sarasua,Wayre等討論了基于知識的GIS用于鐵路與高速公路交叉口的安全管理與分析問題。此外，還有專家GIS在城市交通、地下水管理等領域的應用研究。而遺傳算法以其簡單通用、魯棒性強、適合于并行處理等特點，也在解決GIS的排序問題（SequencingProblem）中得到了應用。10. 云GIS(CloudGIS)GIS操作的是地理空間數(shù)據(jù)，隨著時間推移，數(shù)據(jù)量也會變得越來越龐大，數(shù)據(jù)之間的關系也越來越復雜，處理這些數(shù)據(jù)就需要強大的計算機處理能力云計算是分布式計算并行處理和網(wǎng)格計算的進一步發(fā)展，它是基于互聯(lián)網(wǎng)的計算，能夠向各種互聯(lián)網(wǎng)應用提供硬件服務基礎

16、架構服務平臺服務軟件服務存儲服務的系統(tǒng)。利用云GIS,用戶只需要一臺筆記本或者一部手機，就可以通過網(wǎng)絡來使用GIS功能，這就使得GIS應用能夠快速部署，容易擴展2010年ESRI公司已推出了支持云架構的GIS平臺產(chǎn)品ArcGISIO,作為全球第一款真正支持云架構的GIS平臺產(chǎn)品，ArcGISIO可直接部署在云計算平臺上，把對空間數(shù)據(jù)的管理分析和處理功能送上云端，實現(xiàn)了GIS平臺在云中的部署和服務模式。11. 自發(fā)式地理信息(VolunteeredGeographicInformation)自發(fā)式地理信息的概念是由MichaelF.Goodchild提出來的。它是指用戶通過移動設備和瀏覽器自發(fā)貢

17、獻地理數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的以電子地圖為基礎的GIS時代，數(shù)據(jù)提供者與用戶有明顯的界線；而現(xiàn)在，數(shù)據(jù)使用者和用戶間已沒有明顯界線，因為地理信息的更新與維護可以是數(shù)據(jù)提供者，也可以是終端用戶更新與維護是提供者和終端用戶，從專業(yè)的定期更新走向大眾化的更新和服務，更新模式從靜態(tài)定期更新走向?qū)崟r和準實時的大眾參與更新。Google公司的GoogleEarth是非常典型的由用戶參與地理數(shù)據(jù)的例子。在GoogleEarth中可以輕松插入要返回的地點的標記，或者將自己的圖像覆蓋在所創(chuàng)建的地圖上。一切工作都可以在工具欄中完成。還可以將用戶的文件導入到GoogleEarth中來顯示路線興趣點邊界數(shù)據(jù)等。GoogleEa

18、rth可以理解一種名為KML的語言，在GoogleEarth應用程序中打開自己的KML文件，然后看著數(shù)據(jù)顯示在GoogleEarth圖像中。有關VGI個更有說服力的例子就是Wikimapia，它采用的一些程度，已經(jīng)在Wikimapia百科全書里運行的非常成功，而且將它們提供給地名辭典共享任何人只要可以上網(wǎng)就可以選擇地球上任何地點為其他添加描述，包括鏈接它的其他資源任何人都可以編輯詞條，義務評論查看結果，以檢查其準確度和意義。12. 智慧城市智慧城市是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術以及社交網(wǎng)絡、智能搜索、智能分析等工具和方法，實現(xiàn)城市信息全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯(lián)、以及智能融合的應用。無所不在的傳感網(wǎng)絡將實現(xiàn)城市部件的實時感知與自主聯(lián)網(wǎng)，地理信息系統(tǒng)將水、電、氣、交通、環(huán)境等基礎信息與特定時空下的城市事件緊密關聯(lián)、實時融合，將全面滿足城市人與物的聯(lián)通、管理、響應的需要。在這個環(huán)境中，各種傳感器能夠方便接入城市信息網(wǎng)絡，確保來自任何空間位置的信息源一，能在任何時候經(jīng)過接人、關聯(lián)、融合等處理后發(fā)送并服務于在任何地點且有相應權限的數(shù)據(jù)管理與更新服務器'，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進行信息獲取、傳遞、存儲、認知、決策等。13. 面向人的GIS現(xiàn)有的GIS是面向“地”、面向圖層及面向特征的GIS,而面向“人”的GIS應該是抽象成個體的、群體的以及有組織的人，人的表達