第九講GIS的發(fā)展趨勢

第九講GIS發(fā)展趨勢前言GIS是多學(xué)科集成的空間信息系統(tǒng)GIS有著廣闊的應(yīng)用前景同時面臨著多方面的挑戰(zhàn)概念的發(fā)展上世紀60年代提出“地理信息系統(tǒng)”→現(xiàn)階段“地理信息科學(xué)”、“空間信息科學(xué)”（SIS），正經(jīng)歷著GIS概念從局部到一般，從單一研究向綜合研究的方向發(fā)展；GIS從開始的一種技術(shù)（計算機應(yīng)用系統(tǒng)）→已經(jīng)成為一門有自己獨特研究領(lǐng)域、科學(xué)問題和研究方法的科學(xué)。GIS、Geoinformatics、Geomatics其發(fā)展趨勢是：相鄰學(xué)科的交叉、滲透與融合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這兩個階段，目前發(fā)展到面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和多庫一體化（現(xiàn)階段以影像庫、矢量庫和DEM庫為代表）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以GIS應(yīng)用為前臺、以具有空間數(shù)據(jù)存儲功能的大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫（Oracle8i）為后臺數(shù)據(jù)管理的模式。表達技術(shù)的發(fā)展√傳統(tǒng)的靜態(tài)、二維數(shù)據(jù)表達向多比例尺、多尺度、動態(tài)多維和實時三維可視化方向發(fā)展；√真四維時空GIS是目前GIS理論的研究熱點之一；√基于金字塔的多比例尺空間數(shù)據(jù)庫，在不同尺度上實時顯示空間數(shù)據(jù)是目前的主要空間數(shù)據(jù)表達方法；√基于多庫一體化的3D可視化技術(shù)發(fā)展迅速。處理技術(shù)的發(fā)展√空間分析技術(shù)是GIS理論研究的核心問題之一，數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合等新理論和新方法不斷引入；●從GIS數(shù)據(jù)庫中挖掘知識以支持遙感圖像解譯，是遙感圖像自動解譯的方向之一。但空間數(shù)據(jù)挖掘的一系列問題仍處于理論研究階段；●從各異質(zhì)、異源GIS數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)以作決策分析，是空間數(shù)據(jù)融合主要研究內(nèi)容之一，和數(shù)據(jù)挖掘一樣，尚處于理論研究階段。數(shù)據(jù)多維化系統(tǒng)集成化平臺網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用社會化數(shù)據(jù)標準化1、3S集成GPS：即全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem）。簡單地說，這是一個由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。

1、3S集成RS：(RemoteSensing)遙感的英文縮寫，是以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，在本世紀60年代初發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。開始為航空遙感，自1972年美國發(fā)射了第一顆陸地衛(wèi)星后，標志著航天遙感時代的開始。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境、水文、氣象，地質(zhì)地理等領(lǐng)域，成為一門實用的，先進的空間探測技術(shù)。

遙感是利用遙感器從空中來探測地面物體性質(zhì)的，它根據(jù)不同物體對波譜產(chǎn)生不同響應(yīng)的原理，識別地面上各類地物，具有遙遠感知事物的意思。也就是利用地面上空的飛機、飛船、衛(wèi)星等飛行物上的遙感器收集地面數(shù)據(jù)資料，并從中獲取信息，經(jīng)記錄、傳送、分析和判讀來識別地物系統(tǒng)集成化GPS是空間實體快速、精密定位的現(xiàn)代化工具；GIS是空間信息集成、分析、處理的有力武器；RS是空間信息覆蓋面最大最迅速的采集手段，三者的結(jié)合簡稱3S集成。RSGPSGIS幾何配準、輔助分類等提供或更新區(qū)域信息提供或更新空間定位定點查詢專題信息幾何校正、訓(xùn)練區(qū)選擇及分類驗證等提供定位遙感信息查詢GIS與遙感結(jié)合的途徑

(a)發(fā)展一個能綜合處理矢量和柵格數(shù)據(jù)的矢柵一體的GIS(b)通過國際標準的空間數(shù)據(jù)交換格式作中間媒介、相互轉(zhuǎn)換(c)通過GIS與遙感系統(tǒng)間建立接口，實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳送

GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

LBS(LocationBasedService)地圖畫面顯示功能最佳路線制定功能檢索功能語音提示功能娛樂功能3S集成移動測量系統(tǒng)采用DGPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)兩臺車用電子計算機四臺CCD黑白相機+一臺彩色數(shù)碼相機測量精度0.1-0.3米量測范圍：道路及兩側(cè)各50米以內(nèi)車載測量系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域車輛導(dǎo)航公路及鐵路等道路網(wǎng)的測繪建筑物的測繪交通事故現(xiàn)場勘查與測量流動交通監(jiān)測車和移動作戰(zhàn)環(huán)境監(jiān)測智能化交通農(nóng)業(yè)遙感圖片珠江口伶仃洋1、3S集成近幾年，科學(xué)家們和應(yīng)用部門逐漸地認識到，單獨地運用上述三種技術(shù)（“3S”技術(shù)）中的一種技術(shù)往往不能滿足一些應(yīng)用工程的需要。事實上，許多應(yīng)用工程或應(yīng)用項目需要綜合地利用這三大技術(shù)的特長，方可形成和提供所需的對地觀測、信息處理、分析模擬的能力?！?S”技術(shù)的集成應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、導(dǎo)航、捕魚、公安、消防、保險、旅游等不同行業(yè)，將產(chǎn)生愈來愈大的市場價值。目前，國際上“3S”的研究和應(yīng)用開始向集成化(或一體化)方向發(fā)展。1、3S集成1、3S集成系統(tǒng)的實時空間定位2、3S集成系統(tǒng)的一體化數(shù)據(jù)管理3、語義和非語義信息的自動提取理論與方法4、遙感影像的全數(shù)字化智能系統(tǒng)及對GIS數(shù)據(jù)庫快速更新的方法5、3S集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信與交換6、3S集成系統(tǒng)中的可視化技術(shù)理論與方法7、3S集成系統(tǒng)的設(shè)計方法及CASE工具的研究8、3S集成系統(tǒng)中基于客戶機/服務(wù)器的分布式網(wǎng)絡(luò)集成環(huán)境平臺網(wǎng)絡(luò)化

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(shù)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。從WWW的任一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖、進行各種空間檢索和空間分析，這就是基于WWW的地理信息系統(tǒng)（WebGIS）。WebGIS顯然要求支持Internet/Intranet標準，具有分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，它可以看作是由多主機、多數(shù)據(jù)庫與多臺終端通過Internet/Intranet組成的網(wǎng)絡(luò)，其任一節(jié)點由C/S結(jié)構(gòu)組成，Client端為GIS功能層和數(shù)據(jù)管理層，用以給用戶提供信息和各種應(yīng)用；Server端為數(shù)據(jù)維護層，提供數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)服務(wù)。2、網(wǎng)絡(luò)GIS&WebGIS平臺網(wǎng)絡(luò)化ARC/INFOArcIMSMapInfoMapXtreamMAPGISMAPGISIMSGeoStarGeoSurf22122332333233323332服務(wù)器端CGIASP客戶端Plug-inJavaAppletActiveX2、網(wǎng)絡(luò)GIS&WebGIS

由于互聯(lián)網(wǎng)GIS通常與GIS基礎(chǔ)軟件分開發(fā)展,它們之間的模型一致性和技術(shù)同步性存在一些問題。另外,由于當前互聯(lián)網(wǎng)GIS大部分定位于空間數(shù)據(jù)的查詢?yōu)g覽與發(fā)布,缺少強大的空間分析功能,用戶也不能操縱和修改數(shù)據(jù),制圖功能較弱,因而限定了互聯(lián)網(wǎng)GIS的應(yīng)用。2、WebGISWebGIS是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物。GIS通過WWW功能得以擴展，真正成為一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，以及進行各種空間檢索和空間分析，從而使GIS進入千家萬戶。WebGIS具有以下特點：2、WebGIS(1)全球化的客戶/服務(wù)器應(yīng)用,全球范圍內(nèi)任意一個WWW節(jié)點的Internet用戶都可以訪問WebGIS服務(wù)器提供的各種GIS服務(wù)，甚至還可以進行全球范圍內(nèi)的GIS數(shù)據(jù)更新。(2)真正大眾化的GIS,由于Internet的爆炸性發(fā)展，Web服務(wù)正在進入千家萬戶，WebGIS給更多用戶提供了使用GIS的機會。WebGIS可以使用通用瀏覽器進行瀏覽、查詢，額外的插件(plug-in)、ActiveX控件和JavaApplet通常都是免費的，降低了終端用戶的經(jīng)濟和技術(shù)負擔，很大程度上擴大了GIS的潛在用戶范圍。而以往的GIS由于成本高和技術(shù)難度大，往往成為少數(shù)專家擁有的專業(yè)工具，很難推廣。2、WebGIS(3)良好的可擴展性,WebGIS很容易跟Web中的其他信息服務(wù)進行無縫集成，可以建立靈活多變的GIS應(yīng)用。(4)跨平臺特性,在WebGIS以前，盡管一些廠商為不同的操作系統(tǒng)(如：Windows、UNIX、Macintosh)分別提供了相應(yīng)的GIS軟件版本，但是沒有一個GIS軟件真正具有跨平臺的特性。而基于Java的WebGIS可以做到"一次編成，到處運行(writeonce,runanywhere)"，把跨平臺的特點發(fā)揮得淋漓盡致。2、WebGISWebGIS產(chǎn)品:美國ESRI公司的MapObjectsInternetMapServer（IMS）和ArcViewInternetMapServer；美國MapInfo公司的MapInfoProServer；美國Autodesk公司的AutodeskMapGuide；美國Intergraph公司的GeoMediaWebMap；武漢大學(xué)的InternetGeoStar等2、WebGIS

1.GIS體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展階段：（1）以主機為中心的GIS系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（70年代初－80年代初）（2）以桌面PC機為核心的GIS系統(tǒng)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)（1981年至今）（3）局域網(wǎng)GIS（4）基于Internet/Intranet的WebGIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（1995年至今）基于WebGIS的地籍管理信息系統(tǒng)2、WebGIS

2.WebGIS的結(jié)構(gòu)組成：（1）WebGIS瀏覽器（Browser）（2）WebGIS信息代理（InformationAgent）（3）WebGIS服務(wù)器（Server）（4）WebGIS編輯器（Editor）2、WebGIS與傳統(tǒng)GIS相比WebGIS具有的三個特點：（1）它是一個基于網(wǎng)絡(luò)的Client/Server系統(tǒng)，而不再是獨立的單機系統(tǒng)；（2）它利用Internet/Intranet進行客戶和服務(wù)器之間的信息交換，傳統(tǒng)GIS即使能作為服務(wù)器，其服務(wù)器和用戶端之間的信息交換通常也是限于單機或局域網(wǎng)上；（3）它是一個分布式系統(tǒng)，客戶和服務(wù)器可以位于不同地點和不同的計算機平臺上。2、WebGISWebGIS實現(xiàn)時需要考慮的情況：（1）支持Internet/Intranet技術(shù)標準，或與Internet/Intranet技術(shù)標準相兼容（2）分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)（3）系統(tǒng)的開放性目前WebGIS的解決方案主要有公共網(wǎng)關(guān)接口法（CGI）、服務(wù)器應(yīng)用程序法（ServerAPI）、插件/控件法（Plug-in/ActiveXControl）和Java編程法等2、WebGIS地理信息系統(tǒng)和Internet的結(jié)合是必然的趨勢，Client/Server計算模式的成熟和網(wǎng)絡(luò)計算的迅速發(fā)展為WebGIS的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。遵循于標準的Internet/Intranet協(xié)議，構(gòu)建于分布式計算平臺的WebGIS，把空間信息在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用推向了一個更為廣闊的天地，它的應(yīng)用范圍將從國家級的宏觀決策支持延伸到人民大眾的日常生產(chǎn)生活中。3、組件化地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)的組件化就是指采用組件（Component）技術(shù)編制地理信息基礎(chǔ)平臺及其應(yīng)用系統(tǒng)。組件技術(shù)實質(zhì)上就是軟件可復(fù)用技術(shù)，微軟的COM/ActiveX就是軟件組件實現(xiàn)規(guī)范的一種。3、組件化地理信息系統(tǒng)ComGIS的基本思想是把GIS的功能模塊劃分為多個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其它非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應(yīng)用。控件如同一堆各式各樣的積木，它們分別實現(xiàn)不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根據(jù)需要把實現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，就構(gòu)成地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)。3、組件化地理信息系統(tǒng)組件軟件的可編程和可重用的特點在為系統(tǒng)開發(fā)商提供有效的系統(tǒng)維護方法的同時也為GIS最終用戶提供了方便的二次開發(fā)手段，因此ComGIS將在很大的程度上推動了GIS軟件的系統(tǒng)集成化和應(yīng)用大眾化，同時也很好地適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。目前，幾個著名的GIS軟件廠商都推出了基于COM技術(shù)的GIS軟件，ComGIS的出現(xiàn)給國產(chǎn)GIS基礎(chǔ)軟件的開發(fā)提供了一個良好的機遇，它打破了GIS基礎(chǔ)軟件由幾個廠商壟斷的格局，開辟了以提供專業(yè)組件來打入GIS市場的新途徑。如ARCOBJECT，MAPOBJECT，MAPX………3.1軟件可復(fù)用技術(shù)通常情況下，應(yīng)用軟件（GIS基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)）的開發(fā)過程包含需求分析、設(shè)計、編碼、測試和維護五個階段。應(yīng)用系統(tǒng)一般包含三類組件：通用基本組件、領(lǐng)域共性組件和應(yīng)用專用組件。

軟件復(fù)用的意義：通過軟件復(fù)用，可以充分利用現(xiàn)有的開發(fā)成果，消除重復(fù)勞動，也可以避免重新開發(fā)可能引入的新錯誤，從而提高軟件開發(fā)的效率和質(zhì)量。3.1軟件可復(fù)用技術(shù)

目前，制定組件實現(xiàn)規(guī)范的機構(gòu)主要有Microsoft公司、SUN公司和OMG，它們同時也是分布式對象規(guī)范的制定者它們有各自的特點……….3.2組件對象模型（COM）組件對象模型（COM）及其相關(guān)技術(shù)是一種基于組件對象平臺、一組具有標準通信接口，允許跨語言應(yīng)用的新一代編程方法。它有很強的可配置性、可擴展性和開放性，具有使用靈活和易于開發(fā)的特征。COM的中心思想就是定義軟件中可以重用的部分，每一部分的組件都有其特定的界面和所能提供的服務(wù)，這樣就提供了一種創(chuàng)建可重用組件的有效機制，使這些組件能為軟件設(shè)計師復(fù)用，就象硬件設(shè)計師用的芯片那樣。3.2組件對象模型（COM）1、COM的推出

以前的應(yīng)用程序通常是由一個單一的二進制文件組成的，一旦編譯器編譯完成這樣的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序就不會改變。

Microsoft公司推出組件對象模型（COM）技術(shù)把單一的應(yīng)用程序打碎成許多單獨的碎片，每一個組件(碎片)就是一個微小的應(yīng)用程序，多個組件在運行時相互鏈接形成一個完整的應(yīng)用程序。采用COM結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序的修改和升級將變得非常簡單，只需要用相應(yīng)的新版本組件代替現(xiàn)有的組件即可，其他組件不需要做任何改動。3.2組件對象模型（COM）2.COM技術(shù)（1）應(yīng)用程序的定制（2）組件庫（3）分布式組件3.2組件對象模型（COM）

COM組件模型的這些優(yōu)點決定了其具有強大的生命力。在地理信息系統(tǒng)中，采用COM組件模型可以保證地理信息系統(tǒng)在各種應(yīng)用環(huán)境中的一致性、語言獨立性，我們可以對地理信息系統(tǒng)的各個功能模塊進行合理的顆粒度劃分和組織，以適應(yīng)將來的分布式應(yīng)用和Internet應(yīng)用。3.3組件化GIS（ComGIS）組件式GIS代表著當今GIS發(fā)展的潮流，其代表作當屬全球最大GIS廠商ESRI（美國環(huán)境研究所）推出的ArcObjects和著名的桌面GIS廠商美國MapInfo公司推出的MapX等。另外還有Intergragh公司的GeoMedia、加拿大阿波羅科技集團的TITAN、中國科學(xué)院地理研究所的ActiveMap等。目前大多數(shù)GIS軟件公司都把開發(fā)組件式軟件作為一個重要的發(fā)展戰(zhàn)略。

3-3組件化GIS（ComGIS）1、COMGIS的定義簡單的說，ComGIS就是采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件式軟件的GIS系統(tǒng)（包括基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)）。ComGIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個組件，每個組件完成不同的功能。各個GIS組件之間，以及GIS組件與其它非GIS組件之間，都可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS基礎(chǔ)平臺以及應(yīng)用系統(tǒng)。

繪制組件分析組件數(shù)據(jù)庫操作組件編輯組件GIS系統(tǒng)平臺3.3組件化GIS（ComGIS）2、COMGIS的優(yōu)點（1）便捷的GIS開發(fā)嚴格的標準，開發(fā)工具的多樣（2）強大的GIS功能功能豐富、性能出眾3.4ComGIS的開發(fā)

確定合理的開發(fā)策略和選擇合適的組件規(guī)范以及相應(yīng)的開發(fā)工具是從傳統(tǒng)GIS到ComGIS的關(guān)鍵。這又因開發(fā)ComGIS基礎(chǔ)平臺和ComGIS應(yīng)用系統(tǒng)的不同而不盡相同。（1）開發(fā)ComGIS基礎(chǔ)平臺的流程（2）開發(fā)ComGIS應(yīng)用系統(tǒng)的流程3.5ComGIS和WebGIS的關(guān)系在新一代分布式對象WebGIS中，ComGIS將起更為重要的作用基于ComGIS的WebGIS產(chǎn)品ActiveX就是Microsoft為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)而發(fā)展的標準，可以擴展Web瀏覽器的動態(tài)模塊，任何ActiveX控件都可以設(shè)計成Internet控件，鑲嵌在網(wǎng)頁中，作為Web頁面的一部分。隨著分布式對象Web（DistributedObjectWeb）技術(shù)的逐漸成熟，未來的WebGIS將是基于組件對象模型開發(fā)的分布式對象WebGIS。從基礎(chǔ)軟件的角度來看，ComGIS和WebGIS之間的界限將會變得模糊不清，而只是應(yīng)用方式上的區(qū)別。事實上，目前已經(jīng)有基于ComGIS的WebGIS產(chǎn)品，如ESRI的InternetMapServer；Intergraph的GeoMediaWebMap等。COM技術(shù)全面引入已有的GIS系統(tǒng)中4.3D&4DGIS4.3D&4DGIS數(shù)據(jù)多維化GIS處理的空間數(shù)據(jù)，從本質(zhì)上說是三維連續(xù)分布的，但目前，GIS的主要應(yīng)用還停留在處理地球表面的數(shù)據(jù)上，大多數(shù)GIS平臺都支持點、線、面三類空間物體，不能很好地支持曲面（體），因為三維GIS在數(shù)據(jù)的采集、管理、分析、表示和系統(tǒng)設(shè)計等方面要比二維GIS復(fù)雜得多。盡管有些GIS軟件還采用建立數(shù)字高程模型的方法來處理和表達地形的起伏，但涉及到地下和地上的真三維的自然和人工景觀就顯得無能為力，只能把它們先投影到地表，再進行處理，也就是說，實際上系統(tǒng)是以二維的形式來處理任何數(shù)據(jù)。這種試圖用二維系統(tǒng)來描述三維空間的方法，必然存在不能精確地反映、分析和顯示三維信息的問題。4.3D&4DGIS由于地質(zhì)礦體和礦山等三維實體不僅它的表面呈不規(guī)則狀,而且內(nèi)部物質(zhì)也不一樣,此時Z值不能作為一個屬性,而應(yīng)該作為一個空間坐標,礦體內(nèi)任一點的值是三維坐標x,y,z的函數(shù),即P=f(x,y,z)。而我們在目前進行三維可視化的時候,z是xy的函數(shù),如何將P=f(x,y,z)進行可視化,表現(xiàn)礦體的表面形狀,并反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個難題。所以當前真三維GIS還是一個“瓶頸”問題,推出了一些實用系統(tǒng),但一般都作了一些簡化。

諸如2.5維的GIS,目前技術(shù)比較成熟,市場上有不少這樣的系統(tǒng);但是當前許多這樣的三維GIS與GIS基礎(chǔ)軟件脫節(jié),沒有與主模塊融合在一起,空間分析功能受到限制;另一方面,一般采用文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù),不能對大區(qū)域范圍進行建模和可視化,似乎有點像兒童游戲軟件。只有采用了空間數(shù)據(jù)庫的主流技術(shù),包括應(yīng)用服務(wù)器中間件技術(shù),能夠建立大區(qū)域,如一個特大城市的三維空間數(shù)據(jù)庫,包括分布式數(shù)據(jù)庫,并與傳統(tǒng)二維GIS緊密結(jié)合,才可以起到真正的作用。4.3D&4DGIS數(shù)據(jù)多維化

另一方面，地理信息系統(tǒng)所描述的地理對象往往具有時間屬性，即時態(tài)。隨著時間的推移，地理對象的特征會發(fā)生變化，這種變化可能是很大的，但目前大多數(shù)地理信息系統(tǒng)都不能很好地支持地理對象和組合事件時間維的處理。許多GIS應(yīng)用領(lǐng)域的要求都是基于時間特征的，如區(qū)域人口的變化，平均年齡的變化，洪水的最高水位的變化等。對這樣的應(yīng)用背景，僅采取作為屬性數(shù)據(jù)庫中的一個屬性不能很好地解決問題因此，如何設(shè)計并運用4DGIS來描述、處理地理對象的時態(tài)特征也是個重要的研究領(lǐng)域。4.3D&4DGIS

GIS處理的空間數(shù)據(jù)，本質(zhì)上是三維連續(xù)分布的，但目前，GIS的主要應(yīng)用還停留在處理地球表面的數(shù)據(jù)上。盡管有些GIS軟件還采用建立數(shù)字高程模型的方法來處理和表達地形的起伏，但涉及到地下和地上的真三維的自然和人工景觀就顯得無能為力，只能把它們先投影到地表，再進行處理，實際上系統(tǒng)是以二維的形式來處理數(shù)據(jù)。這種試圖用二維系統(tǒng)來描述三維空間的方法，必然存在不能精確地反映、分析和顯示三維信息的問題。4.3D&4DGIS三維GIS目前的研究重點

三維GIS目前的研究重點集中在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如數(shù)字表面模型、斷面、柱狀實體等）的設(shè)計、優(yōu)化與實現(xiàn)，體視化技術(shù)的運用，三維系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)計等方面。加入時態(tài)特征的四維GIS

許多GIS應(yīng)用領(lǐng)域的要求都是基于時間特征的，如區(qū)域人口的變化、平均年齡的變化、洪水的最高水位的變化等。對這樣的應(yīng)用背景，僅采取作為屬性數(shù)據(jù)庫中的一個屬性不能很好地解決問題，因此，如何設(shè)計并運用4DGIS來描述、處理地理對象的時態(tài)特征也是個重要的研究領(lǐng)域。

4.1二維半的GIS目前的GIS軟件大多都不能表達、分析和處理真實的三維世界。它們只能支持數(shù)字化的二維平面圖，或是通過不同遙感平臺得到的二維像素陣列，借助于建立高程模型，它們也僅僅達到二維半的水平。在GIS的某些應(yīng)用領(lǐng)域中，如地質(zhì)、氣象、水文等領(lǐng)域，這種用二維方法表征三維地理現(xiàn)象的解決方案顯然有很大的缺陷，人們無法獲得三維地理實體之間的空間關(guān)系，但這些三維信息在這些應(yīng)用領(lǐng)域中卻至關(guān)重要。

三維GIS與二維GIS相比，在數(shù)據(jù)采集、表達和管理、系統(tǒng)維護以及功能界面設(shè)計等方面都要復(fù)雜得多。642023/2/54.2三維GIS的技術(shù)難點與實現(xiàn)途徑三維GIS的研究絕不只是對二維GIS的簡單擴展，而是從整個GIS數(shù)據(jù)處理流程到系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的改變。以數(shù)據(jù)為中心，GIS可以認為是一種采集、存儲、管理、分析、顯示和應(yīng)用地理信息數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。在這些環(huán)節(jié)上三維GIS存在的技術(shù)難題：

（1）數(shù)據(jù)采集：昂貴，難度大（2）數(shù)據(jù)存儲：數(shù)據(jù)模型不完善（3）數(shù)據(jù)管理：拓撲運算不成熟（4）數(shù)據(jù)分析：空間關(guān)系運算不成熟（5）數(shù)據(jù)顯示4.3四維GIS的研究四維GIS系統(tǒng)的主要研究領(lǐng)域是時空數(shù)據(jù)的描述、存儲、操作、查詢、分析和顯示的方法以及整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。許多GIS應(yīng)用領(lǐng)域，如地籍管理、房地產(chǎn)交易、地震預(yù)報與救援、環(huán)境監(jiān)測、天氣預(yù)報等具有很強的時間敏感性，空間實體的屬性隨著時間變化而變化的特點對于特定問題的求解是非常重要的。4.3四維GIS的研究1.時空對象分類（1）根據(jù)事件發(fā)生頻率可分為發(fā)生頻率較高的和發(fā)生頻率較低的。（2）根據(jù)系統(tǒng)確定位置的方法可分為使用絕對地理位置的和使用相對地理位置的。（3）根據(jù)空間和屬性變化的主導(dǎo)性可分為以空間變化為主的和以屬性變化為主的。（4）根據(jù)變化形成可分為連續(xù)的和離散的。（5）根據(jù)對象生命期的不同可分為長期的、中期的和短期的。（6）根據(jù)目標空間結(jié)構(gòu)可分為連續(xù)分布結(jié)構(gòu)、多邊形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及多邊形和網(wǎng)絡(luò)混合結(jié)構(gòu)。（7）其它有特殊要求的時空對象。4.3四維GIS的研究2.時態(tài)GIS的主要功能

從功能上講，時態(tài)GIS除了應(yīng)具備靜態(tài)GIS的所有功能外，還應(yīng)該提供：（1）檔案功能。記載相關(guān)區(qū)域隨時間的演變。（2）分析功能。以變化為參照，考察歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測未來。（3）更新功能。保持GIS數(shù)據(jù)的現(xiàn)時性，延長服務(wù)期。（4）顯示功能。以真實的動態(tài)方式，回答用戶關(guān)于“哪里”、“何時”、“怎樣”的詢問。（5）其它功能。包括檢查新舊數(shù)據(jù)的邏輯一致性，預(yù)定義某些時空臨界狀態(tài)，并識別、預(yù)報它們。

4.3四維GIS的研究3.時態(tài)GIS數(shù)據(jù)模型（1）時間作為新的一維時空數(shù)據(jù)沿時間軸的冗余度極大，因為目標的空間位置和屬性的變化總是局部的。

（2）基態(tài)修正法不存儲研究區(qū)域中每個狀態(tài)的全部信息，只存貯某個時間的數(shù)據(jù)狀態(tài)(稱為基態(tài))，以及相對于基態(tài)的變化量，則數(shù)據(jù)量可大大減?。?）時空復(fù)合法將空間分隔為具有相同的時空過程的最大單元，稱為時空單元，每個時空單元在存貯方法上被看成靜態(tài)的空間單元，而該時空單元中的時空過程則作為屬性來存儲。

5.互操作地理信息系統(tǒng)目前的地理信息系統(tǒng)大多是基于具體的、相互獨立和封閉的平臺開發(fā)的，它們采用不同的空間數(shù)據(jù)格式，對地理數(shù)據(jù)的組織有很大的差異。這使得在不同GIS軟件上開發(fā)的系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換存在困難，采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準也只能部分解決問題。另外，不同的應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，帶來了領(lǐng)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(shù)的發(fā)展?jié)摿Α?.1傳統(tǒng)GIS在數(shù)據(jù)標準化上的缺陷和面臨的新課題（1）GIS基礎(chǔ)平臺層目前，國內(nèi)外的GIS基礎(chǔ)軟件多達幾十種，從事基礎(chǔ)軟件開發(fā)的不同軟件廠商都采用自定義的空間數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)組織方式來存儲與管理數(shù)據(jù)，采用自定義的數(shù)據(jù)操作流程來處理數(shù)據(jù)。因此，各個GIS基礎(chǔ)平臺之間相互封閉和獨立，數(shù)據(jù)的共享只能通過冗余的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換來進行。（2）GIS應(yīng)用系統(tǒng)層不同領(lǐng)域的GIS應(yīng)用系統(tǒng)建立在不同的相互封閉的GIS基礎(chǔ)平臺上。它們面向具體的應(yīng)用背景，實現(xiàn)時采用的數(shù)學(xué)建模方法也不同，因而也是相互獨立的，在語義表達上往往存在著不可調(diào)和的矛盾，被稱為“信息孤島”。

5-1傳統(tǒng)GIS在數(shù)據(jù)標準化上的缺陷和面臨的新課題（3）GIS最終用戶層

GIS工程包括硬件、軟件、應(yīng)用開發(fā)和人員培訓(xùn)等多個方面的建設(shè)，是一項投資巨大的系統(tǒng)工程。由于目前各個GIS基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)之間的封閉和獨立，最終用戶也不得不“從一而終”，就更難以實現(xiàn)存儲在異構(gòu)地理數(shù)據(jù)庫中的地學(xué)空間信息的集成。飛速發(fā)展的計算機網(wǎng)絡(luò)和不斷拓展的GIS應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H需求給GIS的進一步發(fā)展提出了新的要求：5.1傳統(tǒng)GIS在數(shù)據(jù)標準化上的缺陷和面臨的新課題（1）地理數(shù)據(jù)的繼承和共享統(tǒng)一坐標系統(tǒng)和數(shù)據(jù)格式（2）地理操作的分布和共享（3）GIS社會化的要求為國民提供即時、周到的信息服務(wù)成為提高國民信息待遇的實現(xiàn)途徑，這是GIS社會化研究的課題總的來說，盡可能地降低采集、處理地理數(shù)據(jù)的成本，促進地理數(shù)據(jù)的共享已經(jīng)成為共識，這就引導(dǎo)著GIS向互操作GIS（InteroperableGIS）的方向發(fā)展。