地理信息系统的发展趋势

2013-12-09 23:10:22　来源: 王庆华，郝伟　作者：

摘要：随着地理信息系统(GIS) 技术在各个应用领域的推广使用，GIS技术与地理空间信息的表示、处理、分析和应用手段的不断发展紧密相连，形成了各种不同功能的GIS系统软件。介绍了GIS的定义，分析了当前GIS的应用方向和发展状况，并着重阐述了GIS今后的发展趋势及其应用领域。

关键词：地理信息系统(GIS) ；地图学；空间数据库；虚拟空间

中图分类号：P208　文献标识码：A　文章编号：1005-8141(2005)01-0028-03

Development Trend of Geographic Information System
WANG Qing - hua，HAO Wei
（Geoscience College ，Yangtze University，Jingzhou 434023）
Abstract :With abroad application of GIS technology in every application field , different functional GIS software were formed on the base of close contact between GIS technology and ceaseless development of express ,disposal ,analyse and application measure of geographic space information. This paper introduced the definition of GIS and analyzed the application direction and development of today’s GIS ,em2 phasized the future development trend of GIS and its application field。
Key words :geographic information system (GIS) ; carpology ; space database ; dummy space

1　地理信息系统的定义

　　地理信息系统(GIS) 是采集、存储、管理、检索、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布数据的空间信息系统[1] 。它是一种能把图形管理系统和数据管理系统有机地结合起来的信息技术，既管理对象的位置又管理对象的其它属性，而且位置和其它属性是自动关联的。它最基本的功能是将分散收集到的各种空间、非空间信息输入到计算机中，建立起有相互联系的数据库。当外界情况发生变化时，只要更改局部的数据，就可维持数据库的有效性和现实性。GIS是一种空间数据库管理系统，是一个动态系统，所以不能简单地把它同地图数据库混为一谈。目前，GIS带动的产业急剧膨胀，已经深入到市政工程、企业决策、资源管理、交通运输、医疗保健、邮电通信、公安急救、市场销售、金融保险、石油化工、水利电力、环境保护、旅游、科研、教育等各个方面。

2　GIS的发展现状与应用领域

　　2. 1　发展现状

　　GIS技术的创立和发展，与地理空间信息的表示、处理、分析和应用手段的不断发展紧密相连。地理信息系统起源于地图，它们都是地理信息的载体，具有获取、存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。

地图是地理学的第二代语言，而GIS将成为地理学的第三代语言。GIS是在地图学的基础上发展起来的，可分为以下几个阶段：①开拓发展阶段。20世纪60年代，由于计算机硬件系统功能较弱，限制了软件技术的发展。这一时期的软件主要是针对当时的主机和外设开发的，算法粗糙,图形功能有限。②巩固阶段。20世纪70年代，计算机硬件和软件技术飞速发展，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量的图形显示功能，促使GIS朝着使用方向迅速发展。由于这一时期GIS的需求增加，地图数字化输入技术有了一定的进展，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工作效率，并出现了扫描输入技术系统，图形功能扩展不大，数据管理能力较小。这一时期软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。③突破阶段。随着计算机软件、硬件技术的发展和普及，GIS也逐渐走向成熟，这一时期是GIS发展的重要时期。GIS软件技术在栅格扫描输入的数据处理、数据存储和运算方面有了很大的突破。随着硬件技术的发展，GIS软件处理的数据量和复杂程度大大提高，许多软件技术固化到专用的处理器中，而且遥感影像的自动校正、实体识别、影像增强和专家系统分析软件也明显增加。在数据输出方面，与硬件技术相配合，G1S软件可支持多种形式的地图输出。在地理信息管理方面，除了DBMS技术已经发展到支持大型地图数据库的水平外，专门研制的适合GIS空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大发展。④社会化阶段。进入20世纪90年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS已经成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上受GIS影响改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。而且，社会对GIS的认识普遍提高,需求大幅度增加，从而导致GIS应用的扩大与深化。自20世纪90年代以来，我国GIS步入快速发展阶段。它为国民经济重大问题提供了分析和决策依据，同时GIS的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。

2. 2　应用现状

　　由于GIS是用来管理、分析空间数据的信息系统，所以几乎所有使用空间数据和空间信息的部门都可以应用GIS[2] 。目前，GIS系统已经被应用到环境模型建立、城市规划与管理、社会经济统计与分析、土地管理、地理测绘与管理、交通与管道管理等与空间信息密切相关的各个方面。GIS的主要应用领域有：①城市基础设施管理。城市基础设施主要是指城市地下管道(包括自来水管道、污水排放管道、煤气管道等) 、城市供电网、通信网络、邮政网点、道路与交通设施等。由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性,建立基于GIS系统的信息系统能够提高对这些设施的管理水平，同时还能极大地提高设计与施工、设备维护与故障排除、线路改造等方面的效率，从而产生巨大的经济效益和社会效益。②环境保护与管理。主要用GIS系统建立环境模型和环境信息系统，对环境的变化及发展趋势进行预报分析，同时通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。此外，GIS系统技术也被用来建立植物种类与栖息地及环境因素有关的信息系统。③社会调查与统计分析。GIS系统在国外已被广泛应用于人口学、选举、人文地理等方面，我国也开始开展这方面的研究和应用工作。④土地信息系统的建立。GIS系统最早是从土地信息系统LIS建立过程中发展起来的,而大量高质量GIS系统软件平台的出现又促进了土地信息系统的建立。目前基于GIS系统软件平台的土地信息系统，无论是图形处理、空间分析与统计、属性信息存储与查询、统计报表生成、决策支持等方面都比早期的土地信息系统有较大的改进。⑤在军事领域中的应用。GIS系统已被广泛地应用到军事领域，包括数字化军事地图和定位系统、集团军可视化指挥、模拟训练等。最典型的范例是美国工程兵地形研究室开发的三维地形模拟GIS系统，已被成功地运用于美军在世界范围的导弹制导体系中。

3　GIS系统的发展趋势

　　GIS系统是一门综合性的技术，也是一种对空间数据进行采集、存储、更新、分析、输出等处理的工具，而软件是GIS系统的核心。GIS软件体系主要指GIS软件的组织方式，它依赖于一定的软件技术基础，并决定了GIS系统软件的应用方式、集成效率等许多方面的特点。从发展历程看，GIS系统应用软件技术体系可以划分为GIS模块、集成式GIS、模块化GIS、核心式GIS、组件式GIS和万维网GIS系统6个阶段[3] 。随着计算机和互联网技术的发展以及应用领域的扩展，GIS的应用软件系统发展很快，从而构建了各种不同用途和功能的GIS系统。目前以GIS软件发展为特征的系统主要呈现以下几种趋势。

3. 1　组件式GIS(ComGIS) 系统
这种新的GIS系统开发思路是将GIS系统功能分散制作成ActiveX Cont rol和Automation，这些标准的ActiveX Cont rol和Automtion可以被任何支持它们的开发环境所调用，以便在原有的或新开发的信息系统中加入GIS系统功能。组件软件的可编程和可重用特点为系统开发商提供了方便的二次开发手段，将在很大程度上推动GIS软件的系统集成化和应用大众化。同时Com GIS也很好地适应了网络技术的发展，是一种WebGIS的解决方案。它所涉及的关键技术包括各种组件技术的集成、通用性和可移植性的研究，因此利用Chaponents技术更容易建立Internet GIS或Intranet GIS信息系统。

3. 2　WebGIS 系统
众所周知，信息高速公路的建立极大地方便了世界各地用户之间的信息交换与信息查询。由于GIS系统具有丰富的空间查询、空间分析及属性管理功能，因此GIS系统正在成为Internet 或Int ranet 的一个主要内容。随着Internet 技术的不断发展和人们对GIS系统的需求，把GIS系统与网络技术相融合，利用Internt在Web上发布空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，形成一个网络化的地理空间集成平台，已经成为GIS 系统发展的必然趋势。WebGIS系统的概念是Internt技术应用于GIS领域的产物。GIS系统通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。通过WWW的任意一个节点， Internet用户就可以测览WebGIS系统站点的空间数据、制作专题图,以及进行各种空间检索和空间分析，从而使GIS系统进入千家万户。

3. 3　GIS系统、多媒体数据与GPS和RS的集成
通过GIS系统与多媒体数据、GPS 系统、RS系统的集成，将使基于空间数据的信息管理系统变得更加灵活多样，并极大地拓宽信息来源渠道，方便用户对各种信息的存储与管理，同时也能够建立起更加科学的决策系统。目前在GIS系统中可以使用多种形式的多媒体数据，如Excel电子报表、Word文档资料、像片、影像、影视片及GPS动态数据。

3. 4　OpenGIS系统
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研究和开发利用。开放型GIS系统的研究和应用使各政府部门及企业之间不同格式的数据能够方便地互访，有利于建立网络GIS系统及分布式GIS系统空间数据库，大大拓宽GIS系统的应用领域及其功能。

3. 5　3D and 4D GIS系统
由于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系统技术或H维半(平面x ,y坐标加高程) GIS系统对于完整描述地球上的对象就有一定限制。需要用三维空间来描述的应用领域有如下几方面:气象学、地质学、采矿学、石油勘探与开发、CAD/ CAM、医学影像和机器人学等。一个三维GIS系统空间信息系统应该能够模拟、表示、管理、分析与三维实体相关的信息，并提供决策支持。因此，如何设计并运用4DGIS来描述、处理地理对象的时态特征也是一个重要研究领域。它所涉及的关键技术是：3Dand 4D的建模技术，数据模型的研究，海量数据的存贮、管理、访问，显示空间索引技术，三维显示技术与科学计算可视化技术的集成，面向对象的空间数据库的研究，面向对象的空间数据库与三维实时显示技术的集成。

3. 6　新型的GIS系统空间数据库管理系统
这是建立大型GIS系统空间数据库的新方法。GIS系统一般由两个部分组成：一是应用程序，它包括专门的GIS系统应用软件以及用标准或非标准程序语言开发的用户界面及系统工具；一是数据。在GIS系统中，空间数据库的建立是一项非常复杂的工作，目前大多数GIS系统在处理空间数据和属性数据时都是将两者分开存放和管理，比如在Maplnfo系统中用.map文件来存放几何和空间数据，而用.dat文件来存放空间实体的属性数据；又如在ArcView系统中用.shp文件来存放几何和空间数据，而用DBF数据库文件来存放属性数据。上述数据管理和存放方式对于小型的GIS系统有一定的优越性，但对建立以面向对象为基础的大型GIS系统来说存在很多缺陷。因此，现在已出现一些新型的GIS空间数据库管理系统，这些新的系统将空间数据与属性数据存放在同一个数据库管理系统中。如Oracle开发的SDO和ESRI开发的SDE(Spatial Data Engine) 都属于这种类型的空间数据库系统。

3. 7　空间数据仓库(Spatial Data Warehouse)
空间数据量非常大，而且数据大都分散在政府、私人机构、公司的各个部门，数据的管理与使用就变得非常复杂，但这些空间数据又具有极大的科学价值和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据仓库的建立工作，许多研究机构和政府部门参与到空间数据仓库建立的研究工作中。目前，在北美、欧洲、澳大利亚等国提出了(国家) 空间数据基础设施(SDI) 或NSDI的概念。国际上对地理空间数据基础设施建设十分重视，我国国家测绘局也积极地推进SDI 的建设工作，并提出了规划模式，部分内容已经在实施当中。

3. 8　虚拟现实
虚拟现实(VR) 是目前GIS系统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。美国MultiGen公司生产的MultiGen软件已可以利用地理信息中心的数字地形海拔数据(DTED) 、数字文化特征数据(DFAD) 和与之配套的航空或卫星照片，快速、高效地构造任何地区的地形地貌和文化特征。

4　结论
由于空间数据模型是GIS系统技术的核心，对其认识和研究在很大程度上决定了GIS系统及其应用的成败，因此近年来许多学者对GIS系统空间数据模型进行了研究。为了有效描述和表达空间实体及其相互之间关系的时空变化，学术界开始研究和发展时态GIS系统，如为解决侧向空间相邻关系表达和空间数据动态存取，学者C. M. Gold提出了Voronoi 图方法，等等。

参考文献：
[1]吴信才，等.地理信息系统原理与方法[M].北京：电子工业出版社，2002，1～4.
[2]孙才新，刘理峰，雷绍兰.地理信息系统在电力中的应用[M].北京：科学出版社， 2003，102～105
[3]陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论[M].北京：科学出版社，2000，220～238.

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