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(jì)60年代發(fā)展起來的一門空間信息分析技術(shù)，是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，它以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，實(shí)施提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，特別是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，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(shù)，它已經(jīng)上升到信息時(shí)代(Informationage)的產(chǎn)物，成為信息社會(huì)的一個(gè)基本內(nèi)容。從地理信息系統(tǒng)到地理信息科學(xué)，1992年是個(gè)標(biāo)志，Goochild在IJGISys

2、tem雜志上發(fā)表了Geographical information science ，從而標(biāo)志著地理信息科學(xué)作為一個(gè)學(xué)科正式成立。1996年國際雜志IJGISystem改名為IJGIScience。 地理信息科學(xué)理論的建立將GIS的發(fā)展提升到了一個(gè)新的高度。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，針對系統(tǒng)相對獨(dú)立、內(nèi)部耦合度強(qiáng)、互操作性差、集成能力匱乏等不足，2000前后年出現(xiàn)了“地理信息服務(wù)”這一新技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下地理信息的集成應(yīng)用，以滿足普通民眾對地理信息的需求。隨著Google Earth、志愿者GIS（VGI）為代表的GIS社會(huì)化應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，GIS已經(jīng)從真正意義上實(shí)現(xiàn)“專業(yè)化”向“大眾化”與“社會(huì)

3、化”的轉(zhuǎn)變。GIS發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和后來到網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，一直到數(shù)字地球的發(fā)展，是緊密相關(guān)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(jìn)來，還包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(xué)語言的演變，這是從虛擬現(xiàn)實(shí)這個(gè)角度看GIS的發(fā)展。武漢大學(xué)朱慶教授總結(jié)了GIS技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，認(rèn)為GIS向多維、動(dòng)態(tài)、一體化方向發(fā)展；GIS系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)向開放式、網(wǎng)絡(luò)化、信息柵格發(fā)展；軟件實(shí)現(xiàn)向組件化、中間件、智能體方向發(fā)展；空間信息技術(shù)和通信進(jìn)一步融合；數(shù)據(jù)獲取向“3S集成”方向發(fā)展，尤其是Sensor Web的發(fā)展；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理向分布式存儲(chǔ)及其

4、互操作方向發(fā)展；數(shù)據(jù)處理向移動(dòng)計(jì)算、普適計(jì)算和語義網(wǎng)方向發(fā)展；人機(jī)交互向自然的虛擬環(huán)境方向發(fā)展等。目前，GIS技術(shù)的主要研究領(lǐng)域集中在以下幾個(gè)方面：1.組件GIS（ComponentsGIS）組件GIS(ComponentsGIS簡寫ComGIS)是指一組具有某種標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的，允許跨語言應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)通訊接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，以及跨計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。ComGIS基于組件對象平臺(tái)，具有標(biāo)準(zhǔn)接口，允許跨語言應(yīng)用，因而使地理信息系統(tǒng)軟件的可配置性、可擴(kuò)展性，開放性更強(qiáng)，使用更靈活，二次開發(fā)更方便，成本更低等特點(diǎn)，因此是很有發(fā)展前途

5、的發(fā)展方向。組件式平臺(tái)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(jié)構(gòu))等。2.網(wǎng)絡(luò)GIS（WebGIS）飛速發(fā)展的Internet/Intranet已經(jīng)成為GIS新的系統(tǒng)平臺(tái)，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。WebGIS是GIS走向杜會(huì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的共享。實(shí)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(shí)現(xiàn)相同GIS軟件的分布式GIS之間的互操作、互運(yùn)算。如

6、果要實(shí)現(xiàn)不同軟件間的分布式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(jìn)行遠(yuǎn)程互操作和互運(yùn)算的有效途徑，是當(dāng)前地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)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(shù)架構(gòu)，這種系統(tǒng)的資源共享能力較低，系統(tǒng)維護(hù)要求高，操作復(fù)雜。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GIS技術(shù)相結(jié)合構(gòu)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(gè)分布

7、在不同地點(diǎn)、不同部門、獨(dú)立的GIS系統(tǒng)，它同時(shí)支持C/S和B/S工作模式，客戶端具有獲取信息和各種應(yīng)用的功能，服務(wù)器具有提供信息或系統(tǒng)服務(wù)的功能。在GIS系統(tǒng)中采用分布式體系結(jié)構(gòu)不但可以解決網(wǎng)絡(luò)條件下地理信息系統(tǒng)中存在的多源數(shù)據(jù)異構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、復(fù)雜運(yùn)算等問題，而且還可以擴(kuò)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(jià)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(tái)的OpenGIS技術(shù)正在被國外的許多研究機(jī)構(gòu)、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(yīng)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(luò)GIS及分

8、布式GIS空間數(shù)據(jù)庫的建立，使GIS的應(yīng)用領(lǐng)域及其功能大大拓寬。OpenGIS的目的是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持下，實(shí)現(xiàn)不同軟件的分布式間的系統(tǒng)資源共享規(guī)范，如MAPINFO與ARC/INFO不同軟件之間的共享的功能。OpenGIS是在不同平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(shí)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(wù)模型是建立在分布式計(jì)算平臺(tái)(DCP)構(gòu)架上

9、的；可開放的數(shù)據(jù)通訊模型是建立在WebGIS的構(gòu)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(wù)(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(huì)”是OpenGIS的組織者。她由30多家軟件開發(fā)廠商、學(xué)校和政府部門所組成。OpenGIS一定具有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)

10、大多是基于具體的、相互獨(dú)立和封閉的平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)也只能部分地解決問題。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(shí)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。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(huì)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(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的共享和互操作成為共識(shí)?；ゲ僮鞯乩硇畔⑾到y(tǒng)(InteroperableGIS)的出現(xiàn)解決了傳

11、統(tǒng)GIS開發(fā)方式帶來的數(shù)據(jù)語義表達(dá)上不可調(diào)和的矛盾，這是一個(gè)新的GIS系統(tǒng)集成平臺(tái)，它實(shí)現(xiàn)了在異構(gòu)下多個(gè)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(wù)。6.移動(dòng)GIS移動(dòng)GIS主要由移動(dòng)通信GIS定位系統(tǒng)和移動(dòng)終端四個(gè)部分組成移動(dòng)終端是指在戶外使用的可移動(dòng)終端設(shè)備，包括便攜計(jì)算機(jī)PDA手機(jī)和專用的GIS嵌入設(shè)備等移動(dòng)GIS受限制小，使用靈活方便，拓展了地理信息服務(wù)的范圍移動(dòng)GIS的出現(xiàn)大大拓寬了電子地圖的應(yīng)用領(lǐng)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(dòng)電話，更是集電子郵件網(wǎng)頁瀏覽以及地圖服務(wù)等眾多功能于一身，正如其廣告中宣稱有超過8萬個(gè)應(yīng)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(yīng)僅限于地圖服務(wù)，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(shù)或二維半(平面X，Y坐標(biāo)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(chǔ)上對具有三維地理參考坐標(biāo)的地理信息輸入、存儲(chǔ)、編輯、查詢、空間分析和模擬操作的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。目前主要研究包括：3DGIS數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)；面向?qū)ο蟮氖噶颗c柵格一體化結(jié)構(gòu)；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(shí)（VRGIS）虛擬現(xiàn)實(shí)是目前GIS研究領(lǐng)域的另一

13、重要方向。虛擬現(xiàn)實(shí)是對人類真實(shí)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(shí)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?？梢暬╒isualization）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是GIS發(fā)展中涉及的一個(gè)重要技術(shù)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(qiáng)了GIS的功能。虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言（VRML）的研究將促進(jìn)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(shè)備，在模擬的地理環(huán)境中實(shí)驗(yàn)觀察、觸摸、操作和檢測。9.GIS的智能化智能GIS

14、是指與專家系統(tǒng)(ExpertSystem簡稱ES)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等相結(jié)合的GIS，它實(shí)際上是基于知識(shí)的專家系統(tǒng)在GIS中的應(yīng)用，GIS經(jīng)過多年發(fā)展已逐漸成熟，但其應(yīng)用還主要停留在數(shù)據(jù)庫、空間疊加分析上，缺乏知識(shí)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(yùn)輸管理、生態(tài)環(huán)境管理等問題時(shí)就需將GIS和ES相結(jié)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(luò)專家系統(tǒng)，用于土地資源管理，該系統(tǒng)從各種文獻(xiàn)資源中提取有關(guān)規(guī)則組成知識(shí)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(jià)，組成專家GIS。LamDavid等將專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS相結(jié)合，建

15、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(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用研究。而遺傳算法以其簡單通用、魯棒性強(qiáng)、適合于并行處理等特點(diǎn)，也在解決GIS的排序問題(SequencingProblem)中得到了應(yīng)用。10.云GIS（Cloud GIS）GIS操作的是地理空間數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間推移，數(shù)據(jù)量也會(huì)變得越來越龐大，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系也越來越復(fù)雜，處理這些數(shù)據(jù)就需要強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力云計(jì)算是分布式計(jì)算并行處理和網(wǎng)格計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展，它是基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算，能夠向各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供硬件服務(wù)基礎(chǔ)架

16、構(gòu)服務(wù)平臺(tái)服務(wù)軟件服務(wù)存儲(chǔ)服務(wù)的系統(tǒng)。利用云GIS，用戶只需要一臺(tái)筆記本或者一部手機(jī)，就可以通過網(wǎng)絡(luò)來使用GIS功能，這就使得GIS應(yīng)用能夠快速部署，容易擴(kuò)展2010年ESRI公司已推出了支持云架構(gòu)的GIS平臺(tái)產(chǎn)品ArcGIS10，作為全球第一款真正支持云架構(gòu)的GIS平臺(tái)產(chǎn)品，ArcGIS10可直接部署在云計(jì)算平臺(tái)上，把對空間數(shù)據(jù)的管理分析和處理功能送上云端，實(shí)現(xiàn)了GIS平臺(tái)在云中的部署和服務(wù)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(dòng)設(shè)備和瀏覽器自發(fā)貢獻(xiàn)地

17、理數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的以電子地圖為基礎(chǔ)的GIS時(shí)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?yàn)榈乩硇畔⒌母屡c維護(hù)可以是數(shù)據(jù)提供者，也可以是終端用戶更新與維護(hù)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(wù)，更新模式從靜態(tài)定期更新走向?qū)崟r(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(diǎn)的標(biāo)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(dǎo)入到GoogleEarth中來顯示路線興趣點(diǎn)邊界數(shù)據(jù)等。GoogleEart

18、h可以理解一種名為KML的語言，在GoogleEarth應(yīng)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(guān)VGI一個(gè)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(yùn)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(diǎn)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(wù)評論查看結(jié)果，以檢查其準(zhǔn)確度和意義。12.智慧城市智慧城市是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)以及社交網(wǎng)絡(luò)、智能搜索、智能分析等工具和方法，實(shí)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(yīng)用。無所不在的傳感網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)城市部件的實(shí)時(shí)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(chǔ)信息與特定時(shí)空下的城市事件緊密關(guān)聯(lián)、實(shí)時(shí)融合，將全面滿足城市人與物的聯(lián)通、管理、響應(yīng)的需要。在這個(gè)環(huán)境中，各種傳感器能夠方便接入城市信息網(wǎng)絡(luò)，確保來自任何空間位置的信息源一，能在任何時(shí)候經(jīng)過接人、關(guān)聯(lián)、融合等處理后發(fā)送并服務(wù)于在任何地點(diǎn)且有相應(yīng)權(quán)限的數(shù)據(jù)管理與更新服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間按需進(jìn)行信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、認(rèn)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(yīng)該是抽象成個(gè)體的、群體的以及有組織的人，人的表達(dá)