當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)與GIS發(fā)展趨勢

摘要 地理信息系統(tǒng)(GIS) 是隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而形成的一門新興技術(shù)，并成為一種主要的信息產(chǎn)業(yè)，它極大地推動了計算機(jī)的普與應(yīng)用。隨著信息技術(shù)，尤其隨著是計算機(jī)技術(shù)以前所未有的速度快速發(fā)展，以及GIS的應(yīng)用深度的不斷深入和廣度的擴(kuò)大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中。本文結(jié)合當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，分析當(dāng)前GIS的發(fā)展趨勢及其主要功能。

1　引言

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應(yīng)用整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)（97年的參考文獻(xiàn)）。它由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、管理、分析、統(tǒng)計、制圖的工具已逐步發(fā)展起來。

GIS始于60年代的加拿大與美國，爾后各國相繼投入了大量的研究工作，自80年代末以來,特別是隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,地理信息的處理、分析手段日趨先進(jìn)，GIS技術(shù)日臻成熟，已廣泛地應(yīng)用于環(huán)境、資源、石油、電力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)咨詢、災(zāi)害損失預(yù)測、投資評價、政府管理和軍事等與地理坐標(biāo)相關(guān)的幾乎所有領(lǐng)域。

但是，隨著信息技術(shù)，尤其是計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展、數(shù)字地球（Digital Earth）的提出與實(shí)施，以及GIS的應(yīng)用深度的不斷深入和廣度的擴(kuò)大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中，并對GIS提出了許多新的要求。一方面，計算機(jī)的進(jìn)步、信息網(wǎng)的發(fā)展和利用等技術(shù)上的突破，使得以數(shù)字形式表示信息更加容易，另一方面，地理信息仍滯后于其它更適合于以數(shù)字形式表示的信息，例如數(shù)字和文本。因此，地理信息的使用，又存在一定的困難和障礙，如果這些障礙能夠妥善解決，GIS的應(yīng)用將會取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文就目前地理信息系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題進(jìn)行介紹、分析和總結(jié)。

2計算機(jī)技術(shù)對GIS發(fā)展趨勢的影響

GIS技術(shù)依托的主要工具和平臺是計算機(jī)及其相關(guān)設(shè)備。進(jìn)入90年代以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 計算機(jī)其微處理器的處理速度愈來愈快性能價格比更高; 其存儲器能實(shí)現(xiàn)將大型文件映射至內(nèi)存的能力,并且能存儲海量數(shù)據(jù)。此外, 隨著多媒體技術(shù)、空間技術(shù)、虛擬實(shí)景、數(shù)字測繪技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)三維圖形芯片、大容量光盤技術(shù)及寬頻光纖通訊技術(shù)的突破性進(jìn)展，特別是消除數(shù)據(jù)通訊瓶頸的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建立，以及能夠提供接近實(shí)時對地觀測圖象的高分辨、高光譜、短周期遙感衛(wèi)星的大量發(fā)射，這些為GIS技術(shù)的廣泛、深入應(yīng)用展示了更加光明的前景。同時, 也使當(dāng)前的GIS已不能滿足信息時代、數(shù)字時代的要求，目前GIS主要總體上呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化[1][3]、開放性[5]、虛擬現(xiàn)實(shí)[1]、集成化[2]、空間多維性[4][6]等發(fā)展趨勢。

2.1 網(wǎng)絡(luò)化——網(wǎng)絡(luò)GIS

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新發(fā)展推動著當(dāng)代GIS技術(shù)的快速更新和發(fā)展，使得在因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)GIS應(yīng)用日益引起人們的關(guān)注，建立萬維網(wǎng)GIS(WWWW GIS或Web GIS)是近年來GIS研究領(lǐng)域的一個熱門話題。Web GIS或互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Internet GIS）是當(dāng)前GIS的一個重要發(fā)展方向。

目前，WWWGIS的建設(shè)面臨四個方面的挑戰(zhàn)：網(wǎng)上數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)上數(shù)據(jù)互操作、網(wǎng)上數(shù)據(jù)采掘和網(wǎng)上數(shù)據(jù)管理及安全性。與傳統(tǒng)的GIS相比，Web GIS具有以下特點(diǎn)：

(1)適應(yīng)性強(qiáng) Web GIS是基于互聯(lián)網(wǎng)的，因而是全球的，能夠在不同的平臺運(yùn)行。

(2)應(yīng)用面廣 網(wǎng)絡(luò)功能將使Web GIS應(yīng)用到整個社會，真正實(shí)現(xiàn)GIS的無所不能，無處不在。

(3)現(xiàn)實(shí)性強(qiáng) 地理信息的實(shí)時更新在網(wǎng)上進(jìn)行，人們能得到最新信息和最新動態(tài)。

(4)維護(hù)社會化 數(shù)據(jù)的采集、輸入、空間信息的分析與發(fā)布將是在社會協(xié)調(diào)下運(yùn)作，對其維護(hù)將是社會化，減少重復(fù)的勞動。

(5)使用簡單 用戶可以直接從網(wǎng)上獲取所需要的各種地理信息，直接進(jìn)行各種地理信息的分析，而不用關(guān)心空間數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和管理。

網(wǎng)絡(luò)GIS可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布、瀏覽、下載，實(shí)現(xiàn)基于Web的GIS查詢和分析。盡管目前已有多家國內(nèi)外公司推出Web GIS,總地來說，Web GIS尚處在試驗(yàn)研究階段，其最終目標(biāo)是應(yīng)能實(shí)現(xiàn)GIS與WWW技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，GIS通過WWW成為大眾使用的技術(shù)和工具。

2.2 開放性——開放式GIS

開放式地理信息系統(tǒng)（Open GIS）是指在計算機(jī)和通信環(huán)境下，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和接口（Interface）所建立起來的地理信息系統(tǒng)。它不僅使數(shù)據(jù)能在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)流動，還能在系統(tǒng)間流動。Open GIS是為了使不同的地理信息系統(tǒng)軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構(gòu)分布數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)信息共享的途徑。為此，Open GIS要具有下列特點(diǎn)：

(1)互操作性：不同地理信息系統(tǒng)軟件之間連接、信息交換沒有障礙。

(2)可擴(kuò)展性：硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計算機(jī)上運(yùn)行，其性能和硬件平臺的性能成正比；軟件方面增加新的地學(xué)空間數(shù)據(jù)和地學(xué)數(shù)據(jù)處理功能。

(3)技術(shù)公開性：開放的思想主要是對用戶公開，公開源代碼及規(guī)范說明是重要的途徑之一。

(4)可移植性：獨(dú)立于軟件、硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不需修改便可在不同的計算機(jī)上運(yùn)行。

除此之外，還有諸如兼容性、可實(shí)現(xiàn)性、協(xié)同性等特點(diǎn)。

為了研究和開發(fā)Open GIS技術(shù)，1996年在美國成立的開放地理信息聯(lián)合會主要研究和建立了開放式地理數(shù)據(jù)交互操作規(guī)程（OGIS，Open Geodata Interoperable Specification）。OGIS是為了尋找一種方式，將地理信息系統(tǒng)技術(shù)、分布處理技術(shù)、面向?qū)ο蠓椒?、?shù)據(jù)庫設(shè)計及實(shí)時信息獲取方法更有效地結(jié)合起來?；贠GIS規(guī)范制訂的開放系統(tǒng)模型是一種軟件工程和系統(tǒng)設(shè)計方法，這種方法應(yīng)用于GIS領(lǐng)域，側(cè)重于改變當(dāng)前GIS模型中特定的應(yīng)用系統(tǒng)及其功能與它內(nèi)部數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)格式緊密捆綁的現(xiàn)狀。當(dāng)然，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規(guī)程，具體如何實(shí)現(xiàn)，還需采用分布式對象的技術(shù)，通過Acrobat、OLE、ActiveX、Java等語言實(shí)現(xiàn)。

Open GIS技術(shù)將使GIS始終處于一種組織、開放式的狀態(tài)，真正成為服務(wù)于整個社會的產(chǎn)業(yè)以及實(shí)現(xiàn)地理信息的全球范圍內(nèi)的共享與互操作，是未來網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下GIS技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)——虛擬GIS

虛擬GIS就是GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）的結(jié)合。VR技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)高速發(fā)展，并與其他技術(shù)集成的產(chǎn)物，是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。這種模擬具有三個最基本的特征，即Immersion(沉浸)-Interaction(交互)-Imagina-tion(構(gòu)想)。

由于技術(shù)的限制，目前還未能開發(fā)出適用于遙感和GIS用戶需要的真3維可視化的數(shù)據(jù)分析軟件包。GIS與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，將虛擬環(huán)境帶入GIS將使GIS更加完美。GIS用戶在計算機(jī)上就能處理真3維的客觀世界的虛擬環(huán)境中將能更有效地管理，分析空間實(shí)體數(shù)據(jù)。目前虛擬GIS（VGIS）的研究主要集中在虛擬城市。

2.4 多媒體GIS

多媒體技術(shù)（Multia-Media）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀的方式表達(dá)和感知信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機(jī)界面操縱信息處理的技術(shù)。應(yīng)用多媒體技術(shù)對GIS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能及應(yīng)用模式的設(shè)計產(chǎn)生極大的影響，使得GIS的表現(xiàn)形式更豐富，更靈活，更友好。

多媒體地理信息系統(tǒng)（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動畫等技術(shù)融為一體，為GIS應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域和廣闊的前景。它不僅能為社會經(jīng)濟(jì)、文化教育、旅游、商業(yè)、決策管理和規(guī)劃等提供生動、直觀、高效的信息服務(wù)，而且將使電腦技術(shù)真正走進(jìn)人類社會生活。多媒體技術(shù)在GIS領(lǐng)域的深入應(yīng)用，乃至出現(xiàn)具有良好集成能力的MGIS是技術(shù)發(fā)展的必然。

2.5 集成化——3S技術(shù)的結(jié)合

3S技術(shù)指的是全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）。3S技術(shù)的結(jié)合與集成充分體現(xiàn)了學(xué)科發(fā)展從細(xì)分走向綜合的規(guī)律。

GIS發(fā)展的重要趨勢是與全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構(gòu)成實(shí)時的，動態(tài)的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術(shù)的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點(diǎn)，為GIS不斷注入“燃料”，反過來又可利用GIS支持從遙感影像數(shù)據(jù)中自動提取語義和非語義信息。

3S技術(shù)整體結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)是高度自動化、實(shí)時化的GIS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅具有自動、實(shí)時地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能，而且能夠分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)，為各種應(yīng)用提供科學(xué)的決策咨詢，并回答用戶可能提出的各種復(fù)雜問題。

2.6 空間多維性——三維GIS與時態(tài)GIS

2.6.1三維GIS

在許多地學(xué)研究中，人們所要研究的對象是充滿整個3D空間的，如大氣污染、洋流、地質(zhì)模型等，必須用一個（X，Y，Z）的3D坐標(biāo)來描述。在3D GIS中，研究對象是通過空間X、Y、Z軸進(jìn)行定義，描述的是真3D的對象。隨著計算機(jī)技術(shù)和GIS在許多行業(yè)諸如地質(zhì)、礦山、海洋、城市地下管網(wǎng)，城市空間規(guī)劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋范圍分析等對三維GIS的需求日益迫切，3D GIS的理論和應(yīng)用近年來受到許多學(xué)者的關(guān)注。到目前為止，雖然有3D GIS系統(tǒng)問世，但其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是3D GIS理論不成熟，其拓?fù)潢P(guān)系模型一直沒有解決；另外三維基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)量十分大，很難建立一個有效的，易于編程實(shí)現(xiàn)的三維模型,計算機(jī)海量數(shù)據(jù)的處理為三維GIS提供了基礎(chǔ)。

2.6.2 時態(tài)GIS

人們都在一定的空間和時間環(huán)境中生存并從事各種社會活動。從信息系統(tǒng)，尤其是GIS的實(shí)用角度出發(fā)，時間可以看成是一條沒有端點(diǎn)，向過去和將來無限延伸的線軸，它是現(xiàn)實(shí)世界的第四維。時間和空間不可分割地聯(lián)系在一起，跟蹤和分析空間信息隨時間的變化，應(yīng)當(dāng)是GIS的一個合理目標(biāo)。這樣的GIS就被稱為時態(tài)GIS（Temporal GIS）。

記錄歷史數(shù)據(jù)有時候是非常重要的。在GIS中也要經(jīng)常查詢歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經(jīng)過許多次的買賣或變化。在土地糾紛中，人們需要詳細(xì)的歷史記錄作為法律依據(jù)。GIS在環(huán)境應(yīng)用中，也經(jīng)常需要用到多時態(tài)的信息對環(huán)境進(jìn)行綜合評價。所以，研究GIS的時態(tài)問題則成為當(dāng)今GIS領(lǐng)域的一個重要方向。

時態(tài)GIS的組織核心是時空數(shù)據(jù)庫，其概念基礎(chǔ)則是時空數(shù)據(jù)模型。時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)以不同類型的時空過程和應(yīng)用目的作為出發(fā)點(diǎn)。雖然人們已分別在時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫研究方面取得很大進(jìn)展，但是“時態(tài)”+“空間”≠ “時空”，兩者難以簡單地組合起來，這導(dǎo)致了時態(tài)GIS研究與應(yīng)用的困難。作為一種系統(tǒng)方法，時態(tài)GIS的研究和應(yīng)用還有很長的路要走。

2.7　部件組裝化——組件式GIS

GIS軟件是一種大型的軟件，開發(fā)一個功能完備的GIS軟件是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程。如何合理地組織GIS軟件的結(jié)構(gòu),一直是GIS軟件技術(shù)專家們研究的問題。它的發(fā)展體經(jīng)歷了如下歷程：GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS和核心式GIS。當(dāng)前計算機(jī)軟件控件技術(shù)（ActiveX控件，其前身OLE控件）為GIS軟件提供了一種新的開發(fā)模式。

組件化GIS基于標(biāo)準(zhǔn)的組件式GIS平臺，各組件之間不僅可能自由、靈活地重組，而且具有可視化的界面和方便的標(biāo)準(zhǔn)的接口。其特征主要體現(xiàn)在：

(1)高效無縫的系統(tǒng)集成 允許將專業(yè)模型、GIS控件、其它控件緊密地結(jié)合在統(tǒng)一的界面下。

(2)無須專門的GIS開發(fā)語言 只要掌握基于Windows平面的通用環(huán)境(VB,VC++,Delphi,power Builder等)，以及組件式GIS各控件的屬性、方法和事件，就能完成應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

(3)大眾化的GIS 用戶可以象使用其它ActiveX控件一樣使用GIS的控件，使非專業(yè)的GIS用戶也能勝任GIS應(yīng)用開發(fā)工作。

(4)開發(fā)成本低 非GIS功能可以利用非專業(yè)控件，降低了系統(tǒng)的成本。

3 結(jié)束語

當(dāng)前計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使GIS的發(fā)展主要呈以上幾種趨勢外，GIS軟件與建筑及規(guī)劃設(shè)計CAD、辦公自動化、統(tǒng)計分析等軟件系統(tǒng)的集成等都是GIS研究與發(fā)展的熱點(diǎn)。

上述這些GIS的發(fā)展趨勢并不是孤立的，而是相互影響、相互促進(jìn)，它涉及多學(xué)科的相互滲透、相互支撐。其目的就是促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，更好地為人類了解和保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境服務(wù)。面對今天的計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，面對GIS充滿生機(jī)與活力的前景，我們應(yīng)該進(jìn)一步面向世界、抓住機(jī)遇、探索規(guī)律、促進(jìn)GIS技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路的建成，一個以地理信息系統(tǒng)為平臺，以信息高速公路為紐帶的“數(shù)字地球”，必將為人類信息交流與共享提供一種全新的方式。

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