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地理信息系统作业GIS的发展趋势摘要：地理信息系统(GIS)是随着计算机技术的发展而形成的一门新兴技术，并成为一种主要的信息产业，它极大地推动了计算机的普与应用。随着信息技术，尤其随着是计算机技术以前所未有的速度快速发展，以及GIS的应用深度的不断深入和广度的扩大，GIS正处于急剧变化与发展之中，渗入到我们生产生活的每一环节。本文结合当前计算机技术发展的特点，分析GIS的当前发展状态及威未来发展趋势，并着重介绍了志愿者地理信息(VGI)和众包技术、云计算下的GIS和移动GIS这三大趋势。关键词：GIS；发展趋势；志愿者地理信息；众包技术；云计算；移动GIS；1 GIS的概念地理信息系统(Geographic Information Systems， 以下简称GIS)起萌于20世纪60年代的加拿大和美国。GIS的定义也很多，其中被广泛接受的表述为：GIS是一个能用于进行有效地搜集、储存、更新、处理、分析和显示所有形式之地理信息的计算机硬件、软件、地理数据和有关人员（用户）的有机集合。12 当前GIS的发展动态GIS技术依托的主要工具和平台是计算机及其相关设备。近年来，随着计算机技术、信息技术和网络技术的快速发展多媒体技术、空间技术，虚拟实景、数字测绘技术、数据库技术、图像处理技术、光纤通信技术的突破性进展，为GIS技术的发展提供了先进的工具，也为GIS技术广泛、深入的应用奠定了基础。2.1三维可视化GIS近年来，GIS产业正开始步入3D模型的时代。在实际的应用中，二维GIS已不能满足我们工作的需要，如在矿山测量等应用中，需要用真三维GIS来进行分析矿藏的分布状态。3D GIS不仅能表达空间对象间的平面关系和垂向关系，而且也能对其进行三维空间分析和操作，向用户立体展现地理信息空间现象，给人以更真实的感受。从行业应用上来说，3D GIS在规划、电信、旅游、应急、军事和石油行业都有了不同程度的应用。随着PC性能和网络带宽的不断提高，3D GIS会有更大的发展空间。2.2网络化网络GIS随着互联网技术的迅速发展，各行各业的发展都已经离不开他了，他的使用已经蔓延到了每个角落，与此同时和生活中有着亲密关系的GIS也不例外。他们二者结合之后就产生了所谓的WebGIS，也可以说是Internet GIS。网络技术发展的同时也推动了分布式计算的前进，GIS和分布式技术的结合也就自然产生了“分布式GIS”。利用分布式计算技术来处理网络中异构多来源的地理信息，结合网络上每个平台空间服务构成物理上的分布与逻辑上统一的GIS，所指的就是分布式GIS。现在WebGIS建设需要面临4个方面的问题：网上数据发布；网上数据互操作；网上数据采掘；网上数据管理和安全性。2.3集成化3S技术的集成当今社会的发展主流就是“3S”。由GPS、RS和GIS简称为“3S”。将遥感、空间定位系统和地理信息系统这3种技术结合在一起，称为“3S”集成。这种技术的结合体现了我国科学发展从开始的细化正走向综合发展。GPS在日常生活中已经是不可或缺的一部分，遥感也渐渐地被人们热衷起来。二者的集成将是GIS发展中的趋势之一。有了他们的结合才能构成时时的、动态的GIS。当然他们也是互相利用关系，GPS也为GIS的定位和数据更新提供了新的途径。同时RS技术的多时相、多传感器和其多分辨率的特点，也为GIS不断增加能量，相反也可利用GIS支持从遥感影像数据中自动提取信息。在科技发达的未来，3S的结合必定会创造出更惊人的先进技术。2.4推演GIS近年来，政府制定了很多应对突发事件的应急预案。要真正提高政府部门应对突发事件的反应和处置能力，进行演练是十分必要的。实战模拟演练涉及部门多、组织难度大、经费需求高，不可能成为常态的演练方式。20世纪末以来，随着信息技术的进步，利用计算机系统建立推演GIS系统，直观显示突发事件地点的地形、地貌、环境、重点设施等空间信息，采用“桌面演练”的形式对预案和假定的应急行动进行推演，并根据参数的设置和回馈机制，为领导层提供直观的决策平台，通过推演者的不断推演，形成更为合理的决策已经成为GIS的主要发展方向。2.5虚拟现实化虚拟GISGIS与虚拟现实技术(Virtual Reality)的结合，就是虚拟GIS。虚拟现实(Virtual Reality)技术在当今信息技术发展很迅速，其也是最有效地模拟人类在自然环境中听、看、动等行径的高层次人机交互技术，也是如今信息技术发展和集成下来的产物，目前我国技术水平还不是很成熟，还没有开发出用于遥感和用户需要的GIS真三维可视化的数据软件包。不过未来的GIS的发展肯定与虚拟环境技术相结合在一起，他一定会将虚拟环境融入GIS中使其更加完美。到时候GIS用户可以在计算机上方便快捷地处理真三维客观世界的虚拟环境中的分析空间实体数据，以及使用管理。3 未来GIS的发展趋势近年来，计算机技术、通信网络、智能移动通信终端、数据库技术、Web技术、虚拟技术、网格计算、云计算等技术的快速发展，使GIS的发展出现了新的特点。3.1 志愿者地理信息(VGI)和众包技术志愿者地理信息(VGI)和众包技术是收集用户生成内容的最佳方式。随着Web2.0技术的发展，互联网的信息发布渐渐从静态信息向内容聚合转变，互动模式也从用户被动应用变成了群体主动参与。目前越来越多的空间数据资源以信息服务的形式在互联网上发布，支持用户无偿或有偿使用。同时，随着谷歌地球和谷歌地图（Google Map）应用的出现，为地理空间信息行业带来了一种新的信息应用模式，即由专业机构（例如谷歌）提供基础地图信息平台（谷歌服务器）与交互环境（谷歌地球客户端），基于互联网的用户自愿在线提供交通、旅游、餐饮娱乐、房地产、购物等信息内容，形成人人为我、我为人人的互助信息服务局面。业界称之为志愿者地理空间信息（Volunteered Geographic Information，VGI），或称为众包（Crowdsourcing）。这种模式使得公众使用地理空间信息的成本大为降低，也使得带有地理空间特征的信息发布变得更加容易，扩大了地理空间信息应用的范围和涉及面，激发了公众使用地理空间信息的热情，从而吸引了业界在此领域投入越来越多的资金和技术。各方的参与和投资推动了该领域的飞速发展。志愿者地理空间信息和众包是一种新的地理空间信息获取理念，可以有效地补充已有的地理空间信息获取手段。目前国内外已出现很多基于Web2.0的服务器用于获取、收集和发布志愿者地理空间信息，并从中获得了巨大的商业价值。志愿者地理空间信息和众包的出现将Web2.0带入了Work2.0的时代。OpenStreetMap是志愿者地理空间信息和众包的一个典型实例。OpenStreetMap是一个可供公众自由编辑和上传下载的世界地图数据库。基于广大互联网用户热情的积累，OpenStreetMap可以迅速完成海量导航路网数据库的构建，并随时进行数据更新2。3.2 云计算地理计算是地理信息科学的核心内容之一，地理计算的发展动因在于探索空间复杂性的需要，发展源流则在于计算科学。21世纪地理科学面临数据密集型、计算密集型和海量时空数据并发访问的挑战。云计算正在成为一种通用型计算技术，它将深刻改变应用GIS的传统方法和模式，解决地理科学面临的挑战。对广大用户来说，云GIS意味着数据、软件、开发方面的壁垒已被打破，GIS资源变得唾手可得。用户可在云中随时获取所需的各种GIS资源，并且这种资源是可以计量和灵活扩展的，GIS系统建设和运营模式都将面临新的机遇和挑战。在当前环境下，对GIS科学工作者来说，利用云计算解决GIS领域中的问题，已成为一项颇具挑战性、前沿性和创新性的工作3。3.2.1 云GIS的内涵网格计算是将地理上分布的、系统上异构的多种资源通过高速网络连接起来，协同解决大型应用问题，进行广域信息资源的分布共享。网格计算对数据的划分首先以提高大规模任务的效率为出发点，考虑任务划分或者数据划分的合理性。不同于传统的空间网格，地理科学视角的空间信息呈现一定的“云”特征：抽象特征。只要空间位置确定，该位置上的资源、类型、所有者等信息均可认为是依附于空间位置的抽象属性，该特征为数据虚拟化提供了理论依据。透明特征。信息复杂多样，最终用户、管理人员或者研究人员只关心对他们来说“有价值”和“能操作”的信息和结果，其他“无价值”的信息、数据存储组织方式以及处理过程等均可对用户透明。宜合宜分特征。与传统空间信息的“横向成网，纵向多级”特征相对应，云GIS呈现出“合而分之，分而合之”的特征。在对海量数据进行存储或者对大规模任务进行划分时，需要对资源数据进行划分，而这种划分过程必然保存了原有的空间信息和非空间的属性信息。该特征与分布式存储和MapReduce的思想一致。以上3个特征相互联系，彼此依赖，构成地理科学视角下的云GIS内涵。3.2.2云GIS的关键技术云计算的关键技术编程模式、数据存储技术和管理技术、虚拟化技术。云计算是一种新型的超级计算方式，以数据为中心，是一种数据密集型的超级计算。在数据存储和管理、编程模式和虚拟化等方面具有自身独特的技术。海量空间数据的分布式存储、处理任务划分、查询检索、互操作和虚拟化等是云GIS平台需要解决的关键性科学问题，在分析云计算的关键技术上提出了空间数据的分布式存储策略、虚拟计算节点任务分配模型、基于瓦片的动态地图发布策略以及并行数据库与MapReduce相结合的高效处理模型。云GIS的关键技术是：海量空间数据搜索、访问、分析和利用；计算密集型平台的构建；海量时空数据并发访问和利用研究成果，需要解决弹性调用空间的云计算需求，实现多地多服务器调用来解决海量用户并发访问的问题；具有时间和空间特性的应用程序的开发。互联网今后将实现无论何时何地，获得最正确最需要的信息，这一理念将使基于位置的地理信息服务成为一种流行。因此开发具有这一特性的服务将具有巨大市场需求。关键是研究空间数据的时空特点，实现对应用和计算资源的优化分配。通过云计算，实现地理信息系统的核心功能，如动态投影和空间分析，实现多维数据、多坐标系统数据自动收集，进而集成到云计算系统。今后云GIS还需重点研究的技术是：GIS空间数据及空间任务的迁移。空间数据具有数据量大、相关性强等诸多不同于一般数据的特点，这将决定云GIS的并行任务迁移也具备与普通并行任务迁移的特点。数据加密算法。针对空间数据的特点，在今后的研究工作中应该设计特有的加密算法或者设计保证其完整性、可靠性的算法。客户端计算与云端计算的结合。这是由数据服务的保密性和大众性双重属性所决定的。3.2.3云计算与GIS平台结合的优势软件即服务SaaS(Software as a Service)是GIS领域未来的发展方向。SaaS最适于那些需要重复执行，又比较简单、定义也明确的工作流。作为应用软件的一种全新的销售方式，SaaS已经得到很快发展。但是，随着SaaS软件客户的增长，网络存储和带宽等基础资源逐步成为发展的瓶颈，对众多企业来说，自身计算机设备的性能也许永远无法满足需求。而采购更多、更先进的设备将会带来设备成本急剧增长，利润随之降低。“云计算”的出现为这个问题的解决提供了经济有效的途径。以往SaaS供应商大多基于面向服务架构下的开发应用，并出租给最终客户，他们更专注于软件的开发，因而网络资源管理能力相对较弱，这往往会浪费大量资金购买服务器和带宽等基础设施，而且提供的用户负载依然有限。目前，云GIS软件开发商可以基于云计算平台进行开发，使用云计算架构并出租给最终用户。通常，云计算处于SaaS的更底层，SaaS位于云计算和最终客户之间。如果SaaS在最初开发的时候是基于云计算架构的，那么就很容易利用该架构获取海量资源，并提供给最终用户。云计算提供了一种管理网络资源的简单、高效的机制，在分配计算任务、工作负载重新平衡、动态分配资源等问题上，可以帮助云GIS厂商提供不可想象的巨大资源给海量用户，云GIS供应商无需在服务器和带宽等基础设施上浪费自己的资源从而专注于具体的软件开发和应用，进而达到最终用户、云GIS开发商和云计算三方共赢。3.3移动GIS随着智能终端操作系统技术、无线技术、3G技术及网络通信技术的不断发展与成熟，智能移动终端不再仅仅停留在语音通信应用领域，而是逐渐和互联网应用融为一体，成为互联网应用最为广泛的终端之一。特别是随着Google于2007年11月5日推出专为移动设备设计的开源操作系统Android以来，各种不同的应用终端软件如雨后春笋般出现，大大推动了移动终端应用的普及。传统的移动GIS受制于硬件移动设备和操作系统，往往只停留在地图浏览方面，极大地制约了移动GIS应用的不断深入。随着硬件移动设备，特别是移动存储设备、移动CPU设备、内存设备等方面的变革，以及开源Android操作系统的成熟，移动GIS技术也得到了质的飞跃4。3.3.1 移动GIS架构移动GIS主要由空间数据集、地理信息服务、无线网络和移动智能软件终端4部分组成。其中，空间数据集是移动GIS应用的数据基础，它不仅指存储在数据库中的空间数据，而且包括以文件形式存储在服务器上的地图或专题数据。无线网络是连接移动智能终端与地理信息服务的桥梁，其目前主要有两类：一类是GSM、CDMA、3G等移动通信无线网络；另一类是WiFi等无线广域网络。地理信息服务是GIS核心应用的后台，借助无线网络、移动端GIS软件访问架设在服务器上的地理信息服务，从而快速、高效地完成相应的GIS功能。移动智能软件终端则是一种易于携带、待机时间长、适合野外环境使用、可以用来快速精确定位地理位置的设备。3.3.2系统功能移动GIS系统的开发主要是结合当今网络通信技术的特点，特别是在WiFi和3G网络逐渐普及应用的环境下，利用GIS技术、GPS技术、网络传输技术，面向移动用户提供更贴近现实工作和生活、具有强大的空间查询和分析能力、具备良好用户体验的地图应用软件系统。本系统的核心数据是空间数据和街景全景数据。要实现移动端地图显示，需要解决在线或离线地图源的读取、传输、存储与绘制问题；要丰富智能移动端用户的体验和增强数据的多样性，需要将地图信息、空间位置、360街景实景进行融合，并结合智能设备所具有的罗盘功能、重力功能、多点触摸功能及手指触摸操作方式等，从地图展示效果、操作方式来设计并实现移动GIS功能。3.3.3关键性技术及应用(1) 多点触控技术(Multi-touch)该技术使用户不仅可以通过双手进行单点触摸，也可以以单击、双击、平移、按压、滚动及旋转等不同手势触摸屏幕，实现随心所欲地操控，从而更好更全面地了解对象的相关特征。多点触控设计可分为两个步骤：采集和判断。(2) GPS定位机制在Android系统平台中，无论是基站定位还是GPS定位，主要用到了3个方面的接口或类，其中，LocationManager提供完成定位服务的功能，以及获得最佳定位提供者的功能；LocationListener接口类提供定位信息发生改变时的回调功能，程序设计中必须在管理器中实现注册监听对象；Geocoder用于完成地理编码和反向地理编码。(3) 多线程异步回调技术多核CPU和Android系统在智能移动端的集成有力地保证了网络技术、GIS技术在移动端的展示。在移动GIS搭建中，为了保持系统性能，笔者采用多线程异步回调技术，用分线程去处理那些CPU占用率较高的任务。其中，用主线程完成UI界面刷新和即时功能操作的响应，如UI界面的切换、按钮的即时响应；用分线程去处理网络通信，如地图瓦片的读取、GPS数据读取等，从而提高了移动端用户的体验效果。未来的GIS将会是普适化的GIS，任何人都可以用，在任何的地方，拿着任何的终端都可以访问GIS服务，而且是不在局限在专业的终端上，让普通用户都可以通过多媒介进行访问。这也得益于云计算技术、移动终端等方面的快速发展，让用户的更多需求都能够非常轻松的实现。在普适化的环境之下，平台提供商需要为大众创造一个GIS的环境，需要把GIS的知识和经验用地图的方式来表达，让用户非常方便的获得地图数据。移动GIS是GIS发展的一大技术热点，移动GIS的应用范围日趋广泛，它也一定程度上体现出GIS普适化发展趋势。移动GIS是指在手持移动终端上开发GIS系统，可以与PC系统对接，通过系统接口进行数据的共享交换，并提供定位、导航、地物识别、信息查询等非常多的应用服务，再结合拍照、录音、录像、短信、彩信等技术后，可以通过手持移动终端完成众多的行业应用和个人应用5。3.4 其它方面的发展除上述GIS新技术新趋势外，未来GIS还在以下方面发展：开源GIS：将继续发展，并开始在桌面、移动和在线地图软件之间进行商业选择。三维和四维：三维甚至是四维(包括时间轴)地理空间信息都将持续发展。企业级GIS：它将随着“软件即服务”交付模式的发展而继续发展。地理空间技术将会逐渐集成到主流应用中去，如企业资源计划(ERP)系统、商业智能、设计和电子政务等。HTML5：过去几年中，Web浏览器出现了令人难以置信的创新和进步，它已成为许多现代应用程序的一个重要组成部分。现代浏览器中的一系列新功能正在因HTML5的出现而丰富，它也是在线地图的首选技术。卫星遥感技术：这些技术的应用已得到验证，目前已被广泛作为监测、评估和认定自然资