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1、地理信息系统发展趋势刘琳北京合众思壮科技有限责任公司摘要：摘要：本文介绍了地理信息系统的概念及与其他技术的结合应用，对其发展趋势进行了总结和分析，着重论述了三维 GIS、时态 GIS 和网络 GIS 三个发展方向，最后进行了总结。关关键词键词： ：三维 GIS，时态 GIS，网络 GIS。1地理信息系统简介1.1 定义地理信息系统（GISGeographic Information System） ，是从地理学、测绘学、制图学、遥感学、图形图像学等应用电子计算机技术后自然形成的一门新兴边缘科学，是在计算机软件和硬件主支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据
2、，以提供规划、管理、决策和研究所需信息的技术系统1。GIS 已经成为一个与时俱进的概念，几乎每天都会有新的行业加入到 GIS 应用大军中，且用户数每年以2.6 倍左右的速度增长。1.2 应用目前，GIS 的应用领域已发展到近 60 多个，主要包括以下几个方面：1）农业方面：GPS 接收机与便携式 GIS 软件相结合可以实时、准确的为农业生产提供某地化学物质的浓度。2）商业方面：某公司利用 GIS 来评估其办公地点迁址对员工的影响。3）智能防御方面：某国为改善军事计划，利用 GIS 来管理、维护以百万计的数据记录。4）生态环保方面：建立一个 GIS 数据库对预留出来作为国家公园的土地进行优先次序
3、排序。5）其他方面：电力电讯、煤气、紧急情况处理、公共安全、环境管理、政府系统、林业、卫生保健、采矿地理科学、海洋学、房地产、遥感、水资源分布等领域，此处不一一赘述。2GIS 发展趋势计算机技术的迅速发展，使得 GIS 的范畴也在日益扩大，特别是计算机大容量存储介质、多媒体技术、可视化技术和网络结束等相继被引进到 GIS 中，已使 GIS 发生了新的变化2。GIS 正朝着一个可运行的、分布式的、开放的、网络化的全球 GIS 发展，在未来几十年内，GIS 将向着数据标准化（Interoperable GIS）、数据多维化（3D&4D GIS）、系统集成化（Component GIS）、系统智能化
4、（Cybe GIS）、平台网络化（Web GIS）和应用社会化（数字地球）的方向发展。三维 GIS、时态 GIS 和 Web GIS 已经成为 GIS 发展的趋势和热点。2.1 三维 GIS随着 GIS 技术的发展，单纯的二维 GIS 已经无法满足用户的需求，用户需要更为直观、真实的三维 GIS 来作为交互式查询和分析的媒介，三维 GIS 技术是 GIS 的一个重要发展方向，也是 GIS 学科的热点之一，其研究范围涉及数据库、计算机图形学、虚拟现实等多门科学领域3。目前，国内外许多学者对三维 GIS 的三维结构、三维建模以及单一领域的应用提出了许多方法和技术手段。事实上，人们对三维 GIS 建
5、模与实现仍处于理论研究阶段4。现有的三维 GIS 系统中，系统功能在三维场景可视化、实时漫游等方面取得了较好的成果，但查询分析功能比较弱。然而查询分析功能在三维 GIS 的实现和应用中具有十分重要的地位，它使三维 GIS 具有辅助决策支持能力，然而三维查询分析的实现却非常困难，三维 GIS 在数据的采集、管理、分析、显示和系统设计等方面要比二维 GIS 复杂得多，并不是简单增加了 Z 坐标的问题。尽管有些 GIS 软件采用建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏，但涉及到地下和地上的三维的自然和人工景观就无能为力，只能将其投影到地表，再进行处理，这种方式实际上仍是以二维的形式来处理数据。试
6、图用二维系统来描述三维空间的方法，必然存在不能精确地反映、分析和显示三维信息的问题。三维 GIS 是许多应用领域对 GIS 的基本要求，随着计算机技术的发展，以前只能应用于大型的主机和图形工作站上的三维显示，也能在普通的 PC 机上实现，以前的 GIS 大多提供了一些较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。现在，三维 GIS 可以支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析问题。特别是三维 GIS 与虚拟现实、人工智能等技术的结合应用，将使三维 GIS 更加符合现实世界和用户的需求。三维 G1S 目前的研究重点集中在三维数据结构
7、（如数字表面模型、断面、柱状实体等）的设计、优化与实现，以及可视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。2.2 时态 GIS传统的 GIS 处理的是无时间概念的数据，只能是现实世界在某个时刻的“快照”5。它把时间当作一个辅助因素，当被描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时。可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响。然而，GIS 所描述的现实世界是随时间连续变化的，随着 GIS 应用领域的不断扩大，在如下应用中，时间维必须作为与空间等量的因素加入到 GIS 中来。1）对象随时间变化很快：噪声污染、水质检测、日照变化等，一秒中得到一个、甚至几个数据。2）历史回溯和衍变：地
8、籍变更、环境变化、灾难预警等，需要根据已有数据回溯过去某一时刻的情况或预测将来某一时刻的情况。3）地球科学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价，他们是否能容易地获得在“A 时刻的值或从时间 B 到时间 C 这段时间内的值”。将时间的影响考虑到 GIS 应用中，就产生了时态 GIS（Temporal GIS）或四维 GIS。当前主要的 TGIS 模型包括，空间时间立方体模型（the space-time cube），序列快照模型（sequent snapshots），基图修正模型（base state with amendments），空间时间组合体模型（space-
9、time composite) 。TGIS 的研究重点主要在，时空数据库模型（如何设计并建立一个有效的数据库结构来存储时空数据），时空分析和推理（如何根据数据库中的大量的时间序列数据和空间数据进行包括时间推理和空间推理在内的数据分析），时空数据库管理系统（目前主要研究的是时空数据库查询语言，而真正数据库管理系统层次的研究很少），时空数据的可视化研究（探讨不同时间数据的显示、制图和符号化） 等 4 个方面。其中有关时空数据库模型的研究比较深入，而对时态的可视化问题，研究较少，过去一般借助轨迹线等方法描述地理数据的时态特征，现在的研究是向借助动画技术表述地理数据时间维的方向发展6。2.3 网络 G
10、IS如果 20 世纪 90 年代是计算机的天下，那么 21 世纪初甚至更长的时间无疑将是网络的世界，也可以说网络改变了我们的世界，网络已不仅仅是一种单纯的技术手段，它已演变成为一种经济方式网络经济。正是如此，有人预言，网络界的龙头 google 将迅速取代微软世界霸主的位置。伴随着 Internet 和 Intranet 的飞速发展，GIS 的平台已经逐步转向了网络，WebGIS的好处是不言而喻的，由于地理信息和大量的空间数据都是以文字、数字、图形和影像方式表示的，将它们数字化，送入电子计算机，便可方便、快速和及时地将地理信息传送到需要的地方去，以发挥地理信息在国民经济建设、国防建设和文化教育
11、等行业中的应用价值。而 GIS 工作者则需研制一个万维网上的 GIS 和 GIS 浏览器，使亿万网民随时根据需要来查询 GIS。和传统的基于 Client/Server 的 GIS 相比，WebGIS 有如下优点：1）更广泛的访问范围。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，而这一 Internet/Intranet 所特有的优势大大方便了 GIS 的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。2）平台独立性。无论服务器/客户机是何种机器，无论 WebGIS 服务器端使用何种GIS 软件，由于使用了通用的 Web 浏览器，用户就可以透明地访问 WebGIS 数据，在本
12、机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，实现远程异构数据的共享。3）降低系统成本。传统 GIS 在每个客户端都要配备昂贵的专业 GIS 软件，而用户使用的经常只是一些最基本的功能，这实际上造成了极大的浪费。WebGIS 在客户端通常只需使用 Web 浏览器（有时还要加一些插件），其软件成本与全套专业 GIS 相比明显要节省得多。另外，由于客户端的简单性而节省的维护费用也不容忽视。4）更简单的操作。要广泛推广 GIS，使 GIS 系统为广大的普通用户所接受，而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的要求。通用的 Web 浏览器无疑是降低操作复杂度的
13、最好选择。3总结GIS 技术的发展是与计算机技术的发展是息息相关的，伴随着计算机软硬件，特别是网络技术的飞速发展，GIS 正在经历一场变革。三维 GIS 使 GIS 技术更加现实化，更能真实的再现客观世界；时态 GIS 使 GIS 技术更加实用化，更能辅助决策支持；网络 GIS 使GIS 技术更加广泛化，更能快捷迅速的提供更多的服务。为了满足用户对 GIS 功能日益增长的需求，三维 GIS、时态 GIS 和网络 GIS 在未来数年内，都将是 GIS 技术的研究热点和发展趋势。参考文献1 Michael F,Goodchild, Robert P. GIS and spatial data an
14、alysis: Converging perspectivesJ. Regional Science,2004,83:363-385.2 李云芝,秦大国. 当前 GIS 发展趋势的几个关键问题J. 系统工程与电子技术,1999 (12):9697.3 李军, 景宁, 孙茂印. 三维地理信息系统研究进展J. 国防科技参考, 1999, 20(1): 62-66.4 孙怡, 杨宜进, 周平等. 地理信息系统中的三维可视化方法J. 吉林大学学报, 2003, 21: 80-83.5 袁峰, 周涛发, 岳书仓. 时态 GIS 初探J. 地质与勘探, 2003, 39(1): 54-57.6 Koussoulakou A, Kraak M J. Spatio-temporal maps and carto graphic communicationJ. The Cartographic Journal, 1992,2.
