GIS技术的研究现状及未来发展趋势(精)

GIS 技术的研究现状及未来发展趋势
摘要:GIS 是随着计算机技术发展而形成的一门新兴技术,其应用程度和范围也随之渗透、延伸,得到了人们的广泛关注。

该文综述了地理信.息的发展现状,从多个角度分析当前 GIS 技术发展存在的不足,并在此基础上研究分析了 GIS 技术的未来发展趋势。

关键词:GIS 研究现状发展趋势
0 引言
随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善, GIS(Geographic Information System技术也日趋成熟,并且逐渐被人们所认识和接受。

近年来, GIS 被世界各国普遍重视,尤其是“数字地球”概念的提出,使其核心技术 GIS 更为各国政府所关注。

目前,以管理空间数据见长的 GIS 已经在全球变化与监测、军事、资源管理、城市规划、土地管理、环境研究、农作物估产、灾害预测、交通管理、矿产资源评价、文物保护、湿地制图以及政府部门等许多领域发挥着越来越重要的作用。

当前 GIS 正处于急剧发展和变化之中,研究和总结 GIS 技术发展,对进一步开展 GIS 研究工作具有重要的指导意义。

因此,本文就目前 GIS 技术的研究现状及未来发展趋势进行总结和分析。

1 GIS 研究现状及其分析
1.1 GIS研究现状
世纪 90年代以来,由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善, GIS 在全球得到了迅速的发展。

在海量数据存储、处理、表达、显示及数据共享技术等方面都取得了显著的成效,其概括起来有以下几个方面 [1]:①硬件系统采用服务器 /客户机结构,初步形成了网络化、分布式、多媒体 GIS ; ②在 GIS 的设计中, 提出了采用“开放的 CIS 环境” 的概念, 最终以实现资源共享、数据共享为目标;
③高度重视数据标准化与数据质量的问题, 并已形成一些较为可行的数据标准; ④
面向对象的数据库管理系统已经问世, 正在发展称之为“对象 --关系 DBMS (数据库
管理系统” ;⑤以 CIS 为核心的“ 3S ”技术的逐渐成熟,为资源与环境工作提供了空间数据新的工具和方法; ⑥新的数学理论和工具采用 CIS , 使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。

在 GIS 技术不断发展下,目前 GIS 的应用已从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报,与卫星遥感技术相结合用于全球监测, 成为重要的辅助决策工具。

据有关部门估计,目前世界上常用的 GIS 软件己达 400多种 [2].国外较著名的 GIS 软件产品有 [3]:AuoTODesk系列产品、 ARC/Info、 MapInfo 及其构件产品、 Intergraph 、 Microstation 等, 还有 Web 环境下矢量地图发布的标准和规范,如XML 、 GML 、 SVG 等等。

我国 GIS 软件研制起步较晚,比较成熟的测绘软件主要有南方 CASS,MapGIS,GeoStar,SuperMap 等。

尽管现存的 GIS 软件很多,但对于它的研究应用,归纳概括起来有二种情况:一是利用 GIS 系
统处理用户的数据;二是在 GIS 的基础上,利用它的开发函数库二次开发用户专用的 GIS 软件。

目前已成功应用包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。

在美国及发达国家, GIS 的应用遍及环境保护、灾害预测、城市规划建设、政府管理等众多领域。

近年来, 随着我国经济建设的迅速发展,加速了 GIS 应用的进程,在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业等领域发挥 r 重要的作用,取得了良好的经济效益和社会效益。

1.2 当前 GIS 发展存在的主要问题
基于以上 GIS 技术现状研究,本文分析认为 GIS 技术在模型、数据结构等方面存在着不足,一定程度上制约了 GIS 技术的发展。

(1数据结构方面存在的问题
目前通用的 GIS 主要有矢量、栅格或两者相加的混合系统,即使是混合系统实际上也是将两类数据分开存储,当需要执行不同的任务时采用不同的数据形式。

在矢量结构方面, 其缺点是处理位置关系(包括相交、通过、包含等相当费时,且缺乏
与 DEM 和 RS 直接结合的能力。

在栅格结构方面, 存在着栅格数据分辨率低,精度差;难以建立地物间的拓扑关系;难以操作单个目标及栅格数据存贮量大等问题[4]。

(2GIS模型存在的问题
传统 GIS 模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象,使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系, 难以表达复杂的地理实体,更难满足客观世界的整体特征要求。

在 GIS 软件开发中,如果语义分割不合理, 将难以有效表达地理空间实体间的关系, 这就导致较深层次的分析、处理操作难以实现。

随着 GIS 应用需求领域的不断开拓及计算机技术的迅速发展,对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求,使得传统的地理空间数据模型力不从心,逐渐暴露其弊端。

目前,面向对象的数据模型一定程度上解决了传统 GIS 数据模型的某些不足,但是 OODB (面向对象数据库目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受, 因为 OODB 作为一个 DBS 还不太成熟,如缺少完全非过程性的查询语言以及视图、授权、动态模式更新和参数化性能协调等; 且 OODB 与 RDB 之间缺少应有的兼容性, 因而使得大量的已建立起来的庞大的 RDB 客户不敢轻易地去选择 OODB 。

(3其他方面亟待解决的问题
当前, GIS 正处在一个大变革时期, GIS 的进一步发展还面临不少问题,主要表现在以下几个方面 [5]:① GIS 设计与实现的方法学问题。

在 GIS 设计与实现过程中缺乏面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学的指导,导致 GIS 软件系统的可靠性和可维护性差;② GIS 的功能问题。

当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的 GIS, 不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求,直接影响到 GIS 的应用效益和生命力;③三维 GIS 模型及可视化问题。

目前大多数 GIS 软件的图形显示是基于二维平面的,即使是三维效果显示也是采用 DEM 的方法来处理表达地形的起伏,涉及
到地底下真三维的自然和人工现象显得无能为力。

2 GIS 未来发展趋势
2.1数据管理方面
(1多比例尺、多尺度和多维空间数据的表达 [6]
对于多比例尺数据的显示,将运用影像金字塔技术、细节分层技术和地图综合等技术; 而为了实现 GIS 的动态、实时和三维可视化,出现存储真三维坐标数据的
3D GIS和真四维时空 GIS, 这其中涉及了空间数据的海量存储、时空数据处理与分析以及快速广域三维计算与显示等多项理论与技术 [7]。

(2三库一体化的数据结构方向
空间数据库向着真正面向对象的数据模型和图形矢量库、影像栅格库和 DEM 格网库三库一体化数据结构的方向发展 [8]。

这种三库一体化的数据结构改变了以图层为处理基础的组织方式, 实现了直接面向空间实体的数据组织, 使多源空间数据的录入与融合成为了可能, 从而为 GIS 与遥感技术的集成创造了条件。

(3基于空间数据仓库(Spatial Data warehouse的海量空间数据管理的研究
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都参与到空间数据仓库建立的研究工作。

(4利用数据挖掘技术进行知识发现
空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系以及其他非显式的包含在空间数据库中但以别的模式存在的信息供用户使用,这是 GIS 应用的较高层次。

由于目前空间数据的组织与管理仍局限于二维、静态、单时相,且仍以图层为处理基础,因此,当前的 GIS 软件和空间数据库还不能有效地支持数据挖掘。

2.2技术集成方面
(1“ 3S ”集成
“ 3S ”是 GPS (全球定位系统、 RS (遥感和 GIS 的简称, “ 3S ”集成是指将遥感、空间定位系统和地理信息系统这三种对地观测技术有机地集成在一起。

地理信息是一种信息流, RS 、 GPS 和 GIS 中任何一个系统都只侧重于信息流特征中的一个方面,而不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求。

因此,无论从物质运动形式、地学信息的本质特征还是“ 3S ”各自的技术特征来说, “ 3S ”集成都是科技发展的必然结果。

目前, “ 3S ”集成还仅限于两两结合方式,这是“ 3S ”集成的初级和基础起步阶段,其核心是 GIS 与 RS 的结合。

这种两两结合虽然优于单一系统, 但是仍然存在以下缺陷。

将“ 3S ” 进行集成从而形成一体化的信息技术体系是非常迫切的。

这种集成包括空基“ 3S ”集成和地基“ 3S ”集成,即在硬件方面建立具有同步获取涉谱数据和空间数据的高重复观测能力的平台,而在软件方面使 GIS 支持数据封装,同时解决图形和图像数据的统一处理问题。

(2GIS与虚拟现实技术的结合
虚拟现实(Virtual Reality是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术, 是当代信息技术高速发展和集成的产物。

从本质上说, 虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口, 通过计算机建立一种仿真数字环境, 将数据转换成图形、声音和接触感受,利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中,用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。

将虚拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体, GIS 用户在客观世界的虚拟环境中能更有效的管理、分析空间实体数据。

因此,开发虚拟 GIS 已成为 GIS 发展的一大趋势。

(3分布式技术、万维网与 GIS 的结合 [9]
目前,随着 Internet 技术的迅猛发展,其应用已经深人到各行各业,作为与我们日常生活息息相关的 GIS 也不例外,它们的结合产生了 web GIS 。

当前 Web GIS 系统
已经得到迅速的发展, 到 1999年 1月, 仅在美国出现的这类系统就有 23种之多。

又由于客户端可能会采用新的应用协议,因此也被认为是 Internet GIS。

计算机网络技术的飞速发展, 分布式计算的优势日益凸显, GIS 与分布式技术结合也就成为必然, 它们的结合即构成了分布式 CIS 。

它就是指利用最先进的分布
式计算技术来处理分布在网络上的异构多源的地理信息, 集成网络上不同平台上的空间服务, 构建一个物理上分布, 逻辑上统一的 GIS 。

它与传统 GIS 最大的区别在于它不是按照系统的应用类别、运行环境划分的,而是按照系统中的数据分布特征和针对其中数据处理的计算特征而分类的。

(4移动通信技术与 CIS 的结合发展 [10]
W AP/WML技术作为无线互联网领域的一个热点,已经显示了其巨大的应用前景和市场价值。

W AP 柳 ML 技术与 GIS 技术的结合产生了移动 GIS(Mobile GIS 应用和无线定位服务 LBS(Location一 basedServices 。

通过 W AR/WML技术,移动用户几乎可以在任何地方、时间获得网络提供的各种服务。

无线定位服务将提供
一个机会使 GIS 突破其传统行业的角色而进人到主流的 IT 技术领域里。

大多数
的分析家都认为, 到 2010年, 无线网络将成为全球数据传送的主要途径。

GIS 的未来将会由其机动性所决定。

当前用于地理信息交互的语言还不足以完成真正的“设备无关接口” 的互操作。

各种移动设备对于从地理信息服务器所获得的信息, 其表现方式是各不相同的, 用户输人方式也不相同。

因此, 对于不同的移动设备需要一种统一的标记语言。

无线定位服务将提供一个机会使 GIS 突破其传统行业的角色而进人到主流的 IT 技术领域里:大多数的分析家都认为,到 2010年,无线网络将成为全球数据传送的主要
途径。

GIS 的未来将会由其机动性所决定。

(5GIS与决策支持系统(DSS 的集成 [11]
决策支持系统(Decision Support System ,简称 DSS 是以管理学、运筹学、控制论、行为科学和人下智能为基础, 运用信息仿真和计算手段为基础, 综合利用现有
的各种数据库、信息和模型来辅助决策者或决策分析人员解决结构化和半结构化问题, 甚至非结构化问题的人机交互系统。

目前,绝大多数的 GIS 还仅限于图形的分析处理,缺乏对复杂空间问题的决策支持, 而目前绝大多数的 DSS 则无法向决策者提供一个友好的可视化的决策环境。

因此,将 GIS 与 DSS 相集成,最终形成空间决策支持系统(SDSS ,借助 GIS 强大的空间数据处理分析功能,并在 DSS 中嵌入空间分析模块,从而辅助决策者求解复杂的空间问题,这是 GIS 应用向较高层次的发展。

其中 SDSS 中知识的表达、获取和知识推理以及模型库、知识库、数据库三库接口的设计是哑待解决的关键问题。

2.3 发展历程方面
自 20世纪 60年代世界上第一个 GIS---加拿大地理信息系统(CGIS 问世以来,经过 40年的发展, GIS 经历了三个阶段的发展。

目前,随着第三代互联网的提出与实施,以及计算机技术、数据库技术的飞速发展, GIS 即将步入第四代 GIS 发展阶段。

第四代 GIS 软件将在数据组织、存储、检索和运算等方面发生革命性的变革。

数据组织应该是面向空间实体的, 空间位置只是实体众多属性中的一类, 它应和其它属性有机地组织在一起并统一存放; “关系”概念和“关系运算”应该加以扩充,应该包括空间关系及其运算; 传统的结构化查询语言应该扩充, 把空间关系及其查询包括在里面; 以倒排表为基础的数据库索引机制应该扩展, 建立至少包括拓扑关系在内的新的索引机制; 数据存储机制应该适应空间数据提取和计算的要求等。

只有实现数据真正的一体化存储和处理, 才能自由地、方便地、快速地实现人们所期望的处理功能。

在功能上,第四代 GIS 软件应该具备支持数字地球(区域、城市的能力,成为 OS 、 DBMS 之上的主要应用集成平台,它具有统一的海量存储、查询和分析处理能力、一定的三维和时序处理能力、强大的应用集成能力和灵活的操纵能力,且具有一定的虚拟现实表达。

3 结束语
通过以上对 GIS 现状及发展趋势的分析, 可以看出, GIS 作为信息产业的重要组成部分, 正以前所未有的速度向前发展。

把握当前 GIS 的技术发展现状及不足, 有利于人们预见 GIS 的发展趋势,站在更高更远的角度去扬长避短,较好地促进 GIS 技术的快速发展。

随着地理信息系统产业的建立和数字化住处产品在全世界的普
及 ,GIS 将深人到各行各业以至千家万户,成为人们生产、工作、学习和生活中不可缺少的工具和助手。