地理信息系统（GIS）研究综述 前沿论文

1、地理信息系统（gis）研究综述郑汝育，吴侃（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008）5摘要：本文分别从 gis 的理论基础及在地理信息科学中的作用、gis（包括 webgis）应用 开发技术的发展过程、当前 gis（理论、技术、应用）研究热点三方面进行分析，全面概括 了 gis 的研究发展过程，得出其潜在的发展应用空间、该解决的热点研究问题，对今后的 研究有个概括性的认识及相应的指导意义。关键词：gis 理论基础；应用开发技术；发展趋势10中图分类号：p208the research summary of geographic information systemzheng ru

2、yu, wu kan(school of environmental science and spatial informatics, china university of mining and15technology, xuzhou jiangsu, 221008, china)abstract: this article analysis from three aspects to highly summarizes the giss research and development process: the theoretical basis of gis and the role o

3、f it in geographical informationscience, the development process of gis(include webgis) application developing technology, the hot subject in the theory ,technology and application of gis. obtained the potential development20and applied space of gis, and the hot research issue that to solve. it give

4、n recapitulative knowledge of the study of gis and possesses guiding significance for research in further.key words: theoretical basis of gis; application developing technology; development tendency0引言25gis 是英文 geographical information system 的缩写，中文翻译为地理信息系统。它是随 地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。特别是

5、随着计 算机技术的迅速发展，gis 技术也日趋成熟，形成与多学科领域交叉互动的学科，并应用到 国民生产乃至政治军事领域中。本文试图从 gis 理论基础、应用开发技术以及研究热点等 进行分析，综述其研究现状。301gis 的理论基础及在地理信息科学中的作用gis 的理论基础主要有 2 个支撑点，一是地球科学，二是信息科学。前者涉及地物空间 信息及其关系信息的获取、分类模型及语义表示中的理论问题和实践问题；后者则涉及信息 的组织、存储、处理、可视化表示及传输中的理论问题和实践问题。其中地理系统理论包括 地理系统形成之初的混沌理论，描述平衡状态的协同论、人地系统理论、整体性与分异理论35以及空间结构

6、中的区位理论；地理信息理论包括地理信息熵、地理信息流、地理空间场、地 理实体电磁波、地理信息关联等理论；还有对地理（地球）空间的认知理论1。这一理论基 础与王家耀院士从 gis 的实质或根本任务、认识论和方法论来考虑提出的 gis 的理论基础 相似，分为地理信息传输理论、空间认知理论和地理系统理论2。基金项目：国家环保公益性行业专项资助(200809128) 作者简介：郑汝育（1986），男，福建云霄人，硕士，从事“三下”开采与矿山开采损害及防护等方面 的研究。吴侃（1963- ），男，教授、博士生导师，从事测绘专业的教学和科研工作。矿山开采沉陷、计 算机地图制图和计算机应用系统开发. e-m

7、ail: guandadao其中地理信息传输理论为地理信息科学提供计算机技术保障；地理系统理论为地理信息40科学奠定了认识论基础；认知科学的引入，可以改善地理信息系统的设计并扩展其功能。特 别在空间认知理论的分析中，人的认知能力和认知理论扩展了 gis 中空间信息的表达力度 3；陈福明博士在 rt(基于角色的信任管理)和实体行为可信度评估的基础上提出一种增加了 空间认知的基于实体行为可信度的 rt 模型，称为 gtrt 模型4，进一步完善 gis 信任管 理；高俊等学者提出实现基于朴素地理学的智能化的 gis 的关键是将人类对空间的认知模45型和语义模型转化为数学或逻辑模型，将人类对于时空推理

8、的概念和方法融合在地理信息系 统中5。这些理论形成的新一代地理信息系统为全面、现实实现地球信息科学中的信息模拟 提供了技术基础，是地球信息科学研究的重大成果，有力地推动了地球信息科学应用和研究 的进步6。而在 gis 实践过程中，李德仁院士分析提出一些新的理论问题：空间数据在计算机中50的表现问题、数据采集问题、精度问题、空间数据表达与显示问题、数据更新问题以及共享 交换安全性问题等7，这些理论问题也是当前 gis 研究的热点。2gis（包括 webgis）应用开发技术发展过程gis 的发展很大程度上依赖于计算机技术的飞跃，20 世纪 80 年代，是计算机制图和空 间数据分析最终集成到一起的时

9、期，特别是 20 世纪 80 年代晚期，windows 3.1 替代了 dos55操作系统，桌面 gis 快速的发展起来，比如比较成熟的 mapinfo 软件，后面的结构化查询 语言(sql)的运用发展就相当的普遍。而 gis 所用的开发语言从根本上反映了编程开发技术 的发展过程，早期 gis 软件是用 fortran 或者更加结构化的语言如 pascal 来编写，后来 用 c 或者用 c 的变种语言来编写。近几年，smallworld 采用了面向对象（oo）技术，比较 新的一些桌面 gis 软件如 arcview 包含了面向对象的脚本语言，通过这些脚本语言，用户60可以对应用系统进行制定或在

10、应用系统中加入编写的新功能8。21 世纪，当网络计算技术、 三维计算技术、多媒体技术（尤其是虚拟现实技术）几者的发展相结合时，给 gis 技术的 发展提供了巨大的发展空间。当前 gis 应用系统的开发总的来说可分为独立开发、单纯二次开发和集成应用开发这 三种实现方式9。独立开发指单独编写一个带有 gis 功能的程序，比较适合使用像 visual c+65或 visual basic 这样的编程语言，主要是大公司编写的专业软件，比如 arcgis engine、 mapinfo 等。现在比较多的软件应用开发指基于现有专业软件的二次开发，大多数 gis 软件 允许使用标准编程语言（visual c

11、+或 visual basic）进行编程，编写的模块是通过标准对象 动态连接库（ddl）或者对象链接与嵌入技术（ole）实现的。比如 mapinfo 公司提供一种 叫做 mapbasic 的编程语言；caliper 公司也提供一种独立具有地理功能的语言gisdk（地70理信息系统开发包）。很多学者都利用二次开发技术有针对性的进行研究与应用：单楠学者 针对目前二维 gis 数据丰富、三维建模耗时长、三维分析功能不足等现状，提出一条利用 sketchup 批量处理二维 gis 数据，快速实现三维场景建模，利用 arcgis 平台进行二次开发， 实现三维场景驱动，从而完成三维 gis 开发的技术路线

12、10；丁黎学者、吴玮学者等利用基 于 arcgis engine 平台使用 vc+6.0 进行二次开发的方法，实际工作具有一定的借鉴意义7511-12；吕丽英学者基于 mapinfo gis 应用平台利用 mapbasic 语言进行二次开发13；陈敦根 学者探讨分析 arcpad 软件的二次开发方法，分析固定格式动态链接库形式的扩展，通过实 际应用，发现了其它形式的扩展方法14；肖庆学者以实例说明用 vb6.0 开发 gis 的主要技 术15。而最后一种开发方式集成应用开发，指利用专业的 gis 组件，如 mapxtreme、80859095100105110115mapobject 等，采用

13、组件开发的方式，以当前主流的开发环境，如 visual studio2005、java 等为开发平台的集成开发16。当前集成开发技术也是研究的热点，并应用到相应的实例系 统开发上：张鹏林学者利用 creator 软件建模和 vega 进行场景驱动，进行某校园场景的三 维 gis 开发，实现了对校园场景的虚拟漫游和相关信息查询功能17；谢义林，汪云甲教授 (2006)采用 vr 技术与 gis 组件(mapx)开发技术相结合的方式，实现了三维 gis 的应用18； 朱英浩学者在 visual c+及图形库 opengl 平台上，通过与 mapinfo 集成的方式，开发了城 市三维可视化 gis

14、软件，实现对 mapinfo 格式二维数据的 gis 分析功能和基于 virtuozo 得 到的数字航空测量数据得到的三维模型的三维查询漫游功能19；杨必胜等基于 opengl 平 台开发了一个应用系统(3d tool)对三维城市模型中的地形和建筑物进行整体三维动态显示 和操作20；还有刘迎春等学者对实现 mis 与 gis 的集成和一体化技术的相关分析21-22。近几年，随着网络技术的飞速发展，gis 研究和应用也开始转向 internet 网络，称之为 webgis。webgis 利用 internet 技术在 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，具有应用范

15、围广泛、平台无关性、操作简便等特点。朱江学者（2004）利用基于 web service 和 .net 技术，提出了新一代的网络地理信息 系统技术框架面向服务的 web gis 软件平台框架23；吴涛、王景中等（2006）探讨分 析了 ria 技术在 webgis 工程开发中的应用24-25；方利等学者（2008）采用 supermap sdx+ 空间数据库引擎技术，通过 sql server 一体化管理北京市中国银行网点、公交网络和基础 地理信息等空间和属性数据26；孔云峰学者（2010）分析基于 web 服务的地理超媒体系统 设计开发技术27。3当前 gis（理论、技术、应用）研究热点李德

16、仁院士指出 21 世纪 gis 研究的一大发展趋势就是建立地理信息科学的理论体系 28。杜培军教授也提出应构建科学合理的地理信息科学与技术学科理论体系，加强地理空 间认知与概念建模的研究，推进地理信息科学与技术的相关发展29。总结分析，gis 的应用 理论有: 空间查询分析、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、空间统计分析、数字地形模型 (dtm)与地形分析等，其主要基础理论及技术研究的热点是：空间数据库的准确性研究、空 间关系语言研究、3d 地理信息系统(3dgis)的研究、gis 时空系统(spatio-temporal system) 研究、gis 空间数据共享和数据标准研究、集成化-3s

17、技术的结合、构件式地理信息系统 comgis 研究、专家级应用、地理计算（geocomputation）、组件化和互操作研究、空间数 据可视化与虚拟现实研究、高维实用化 gis 和 gis 数据挖掘、万维网地理信息系统 webgis 研究、随时随地 gis 等等30-35。其中随时随地 gis 应该是 webgis、嵌入式 gis 和移动 gis 的完美结合。在未来几十年内，gis 将向着数据标准化、数据多维化、系统集成化、系统智能化、平 台网络化和应用社会化（数字地球）的方向发展，特别是三维 gis、时态 gis 和网络 gis 的研究。其中何卫学者采用 windows dna 的网络体系结

18、构，通过合理的分层设计，实现了 网络负载的平衡和无缝连接，指出地理信息的编码方式和网络协议是 webgis 系统发展的关 键因素36；陈永华博士提出了 webgis 系统创作的功能模块结构和系统工作原理及开发 webgis 三维可视化专用浏览器插件的必要性、设计过程和功能分析等37；唐桂芬博士提出 渐进式空间连接（psj）查询处理算法以及适应性过滤提炼两步骤的空间查询处理策略以 及研究 psj 算法的内存溢出问题，提出一种基于驻留度的动态同步替换策略38；吴信才教 授为解决数据、功能共享及合作开发，提出了数据中心集成开发模型框架，并基于该框架提120125130出了新一代 gis 架构技术和开

19、发模式，其核心技术是数据仓库技术、功能仓库技术、搭建 与配置技术等39。当前 gis 的应用相当广泛，从早期资源、环境、土地、城市等领域，逐步扩展到交通、 电力、基础设施、景观保护、旅游、防灾减灾、政治军事等领域，今年来在商业、金融、考 古、应急管理、个人服务等领域的应用也迅速发展1,35,40-42。随着地理信息学科技术的发展， 其 gis 的应用将更多的渗透到相关的学科研究领域中，极大地促进社会的发展。4结论与展望本文从 gis 的理论基础着手，分析 gis 软件开发技术的发展过程，特别是当前开发技 术的研究与应用，以及未来 gis 研究的发展趋势，得出其潜在的发展应用空间、该解决的 热点

20、研究问题，对今后的研究有个概括性的认识。由于今后 gis 数据的海量存储，其发展 趋势定要求数据的标准化、实时更新；技术的集成化、智能化，特别是三维 gis、网络 gis 等的发展；运用领域的普及化，将在国民生产生活中起到积极的促进作用。135140145150155160165170参考文献 (references)1 李建松 编著.地理信息系统原理m.武汉:武汉大学出版社,2006,8.2 王家耀.关于地理信息系统学科的理论基础与体系框架j.解放军测绘学院学报,1997,14(2):121-127.3 张明 鑫 , 魏海平 , 王峰 等 . 空间认知 理论在地理信息系统 中的应用研究 j.

21、 地域研究 与开 发,2007,26(1):122-124.4 陈福明.分布式 gis 环境下一种面向空间认知的基于可信度的信任管理模型d. 中国地质大学（北 京）,2009,5.5 高俊,龚建华,鲁学军 等.地理信息科学的空间认知研究（专栏引言）j.遥感学报,2008,12(2). 6 景贵飞.新一代地理信息系统对地球信息科学研究的意义浅析j.地理信息世界,2003,1(2):1-6.7 李德仁.关于地理信息理论的若干思考j.武汉测绘科技大学学报,1997,22(2):93-95.8 paul a.longley, michael f.goodchild, david j.maguire e

22、ct. geographical information systems,volume1,principles and technical issues,second editionm.beijing: publishing house of electronics industry,2004,9. 9 李连营,李清泉,李汉武 等.基于 mapx 的 gis 应用开发（第一版）m.武汉:武汉大学出版社,2003.10 单楠, 况明生, 李营 刚. 基于 sketchup 和 arcgis 的三维 gis 开 发 技术研 究 j. 铁路 计算机 应 用,2009,18(4):14-17.11 丁

23、黎,王翠平,马静. 基于 arcgis engine 的 gis 开发技术初探j.山西建筑,2007,33(17):365-366.12 吴玮,李小帅,张斌.基于 arcgis engine 的 gis 开发技术探讨j.科学技术与工程,2006,6(2):176-178. 13 吕丽英,耿云峰.mapinfo gis 应用系统二次开发技术j.北京测绘,2008,2:16-19.14 陈敦根,蒋浩宇,范跃祖.嵌入式 gis 软件 arcpad 的二次开发技术j.微计算机信息,2006,22(4-2):37-39.15 肖庆.组件 gis 二次开发技术研究j.软件导刊,2008,7(11):148

24、-150.16 贾裙. gis 综合集成应用开发技术研究d.国防科学技术大学,2007,11.17 张鹏林,胡文敏. 基于 vega 的三维 gis 开发技术研究j.测绘信息与工程,2006,31(4):36-37. 18 谢义林,汪云甲.利用虚拟场景实现 3dgis 的研究与应用j.测绘工程,2006,15(6):34-37.19 朱英浩.城市三维可视化 gis 的研究r.武汉：武汉测绘科学大学博士后研究工作报告,1998. 20 刘迎春,严寒冰.基于 mapinfo 的 gis 应用系统开发技术j.实用案例,2001,1:46-48.21 杨必胜,李清泉,梅宝燕.3 维城市模型的可视化研究

25、j.测绘学报,2000,29(2):149-153.22 李华新. mis 与 gis 集成开发技术初探j.云南民族大学学报（自然科学版）,2006,15(1):81-83.23 朱江,宋关福,钟耳顺 等.基于 web services 和 .net 技术新一代 web gis 研究与开发j.地理信息世 界,2004,2(2):17-20.24 吴涛,戚铭尧,黎勇 等.webgis 开发中的 ria 技术应用研究j.测绘通报,2006,6:17-20.25 王景中 , 王博 , 李会 丹 . 基于 mapxtreme 的 webgis 开发技术 j. 北京工业 大学学 报,2009,35(11):1460-1465.26 方利,钟耳顺,姚敏. 基于 webgis 的银行客户服务系统的实现j.地球信息科学,2008,10(3):396-399. 27 李德仁.论 21 世纪遥感与 gis 的发展j.武汉大学学报(信息科学版),2003,28 (2) :127-131.28 孔云峰.基于 web 服务的地理超媒体系统设计开发与应用j.地球信息