第九讲GIS的发展趋势

1、地理信息系统原理GIS第九讲第九讲 GISGIS发展趋势发展趋势地理信息系统原理GIS前言前言nGIS是多学科集成的空间信息系统 nGIS有着广阔的应用前景n同时面临着多方面的挑战地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS概念的发展概念的发展u上世纪上世纪6060年代提出年代提出“地理信息系统地理信息系统” 现阶段现阶段“地理信息科学地理信息科学”、“空间信息科学空间信息科学”（SISSIS），），正经历着正经历着GISGIS概念从局部到一般，从单一研究向概念从局部到一般，从单一研究向综合研究的方向发展；综合研究的方向发展；uGISGIS从开始的一种技术（计算机应用系统）从开始的一种技术（计

2、算机应用系统）已经已经成为一门有自己独特研究领域、科学问题和研究成为一门有自己独特研究领域、科学问题和研究方法的科学。方法的科学。uGISGIS、GeoinformaticsGeoinformatics、GeomaticsGeomaticsu其发展趋势是：相邻学科的交叉、渗透与融合其发展趋势是：相邻学科的交叉、渗透与融合 地理信息系统原理GIS基础数据结构的发展基础数据结构的发展u经历了栅格数据结构、矢量数据结构这两个阶段，经历了栅格数据结构、矢量数据结构这两个阶段，目前发展到面向对象的数据模型和多库一体化（现目前发展到面向对象的数据模型和多库一体化（现阶段以影像库、矢量库和阶段以影像库、矢量

3、库和DEMDEM库为代表）的数据结库为代表）的数据结构；构；u传统的传统的GISGIS系统转向以系统转向以GISGIS应用为前台、以具有空间应用为前台、以具有空间数据存储功能的大型关系数据库（数据存储功能的大型关系数据库（Oracle8iOracle8i）为后）为后台数据管理的模式。台数据管理的模式。地理信息系统原理GIS表达技术的发展表达技术的发展传统的静态、二维数据表达向多比例尺、多尺度、动传统的静态、二维数据表达向多比例尺、多尺度、动态多维和实时三维可视化方向发展；态多维和实时三维可视化方向发展；真四维时空真四维时空GISGIS是目前是目前GISGIS理论的研究热点之一；理论的研究热点之

4、一；基于金字塔的多比例尺空间数据库，在不同尺度上实时基于金字塔的多比例尺空间数据库，在不同尺度上实时显示空间数据是目前的主要空间数据表达方法；显示空间数据是目前的主要空间数据表达方法；基于多库一体化的基于多库一体化的3D3D可视化技术发展迅速。可视化技术发展迅速。地理信息系统原理GIS处理技术的发展处理技术的发展空间分析技术是空间分析技术是GISGIS理论研究的核心问题之一，数据挖理论研究的核心问题之一，数据挖掘和知识发现、数据融合等新理论和新方法不断引入；掘和知识发现、数据融合等新理论和新方法不断引入；从从GISGIS数据库中挖掘知识以支持遥感图像解译，是遥感图像自动解数据库中挖掘知识以支持

5、遥感图像解译，是遥感图像自动解译的方向之一。但空间数据挖掘的一系列问题仍处于理论研究阶段；译的方向之一。但空间数据挖掘的一系列问题仍处于理论研究阶段；从各异质、异源从各异质、异源GISGIS数据库中获取数据以作决策分析，是空间数据数据库中获取数据以作决策分析，是空间数据融合主要研究内容之一，和数据挖掘一样，尚处于理论研究阶段。融合主要研究内容之一，和数据挖掘一样，尚处于理论研究阶段。地理信息系统原理GIS数据多维化数据多维化 系统集成化系统集成化平台网络化平台网络化应用社会化应用社会化数据标准化数据标准化 地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS1、3S集成集成nGPS：n即全球定位系统（

6、Global Positioning System）。简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。 地理信息系统原理GIS1、3S集成集成nRS：(Remote Sensing)n遥感的英文缩写，是以航空摄影技术为基础，在本世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。开始为航空遥感，自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，标志着航天遥感时代的开始。经过几十年

7、的发展，目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术。遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，识别地面上各类地物，具有遥远感知事物的意思。也就是利用地面上空的飞机、飞船、卫星等飞行物上的遥感器收集地面数据资料，并从中获取信息，经记录、传送、分析和判读来识别地物 地理信息系统原理GIS系统集成化系统集成化GPSGPS是空间是空间实体快速、精密定位实体快速、精密定位的现代化工具；的现代化工具；GISGIS是空间信息是空间信息集成、分析、处理集成、分析、处理的有力武器；的有力武器；RSRS是空间信息覆盖面

8、是空间信息覆盖面最大最迅速最大最迅速的的采集手段采集手段， 三者的结合三者的结合简称简称3S3S集成。集成。RSRSGPSGPSGISGIS几何配准、几何配准、辅助分类等辅助分类等提供或更新提供或更新区域信息区域信息提供或更新提供或更新空间定位空间定位定点查询定点查询专题信息专题信息几何校正、训练区选择及分类验证等几何校正、训练区选择及分类验证等提供定位遥感信息查询提供定位遥感信息查询地理信息系统原理GISGISGIS与遥感结合的途径与遥感结合的途径 (a) (a) 发展一个能综合处理矢量和栅格数据的矢栅一体的发展一个能综合处理矢量和栅格数据的矢栅一体的GISGIS(b) (b) 通过国际标准

9、的空间数据交换格式作中间媒介、相互转换通过国际标准的空间数据交换格式作中间媒介、相互转换(c) (c) 通过通过GISGIS与遥感系统间建立接口，实现格式转换与数据传送与遥感系统间建立接口，实现格式转换与数据传送 地理信息系统原理GISGISGIS与与GPSGPS集成的系统结构模型集成的系统结构模型 地理信息系统原理GISLBS (Location Based Service)地理信息系统原理GIS地图画面显示功能地图画面显示功能地理信息系统原理GIS最佳路线制定功能最佳路线制定功能地理信息系统原理GIS检索功能检索功能地理信息系统原理GIS语音提示功能语音提示功能地理信息系统原理GIS娱乐功

10、能娱乐功能地理信息系统原理GIS3S集成移动测量系统集成移动测量系统u采用采用DGPS/INSDGPS/INS组合导航系统组合导航系统 u两台车用电子计算机两台车用电子计算机u四台四台CCDCCD黑白相机黑白相机+ +一台彩色数码相机一台彩色数码相机u测量精度测量精度0.1-0.30.1-0.3米米u量测范围：道路及两侧各量测范围：道路及两侧各5050米以内米以内地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS车载测量系统应用领域车载测量系统应用领域u车辆导航车辆导航u公路及铁路等道路网的测绘公路及铁路等道路网的测绘u建筑物的测绘建筑物的测绘u交通事故现场勘查与测量交通事故现

11、场勘查与测量u流动交通监测车和移动作战流动交通监测车和移动作战u环境监测环境监测u智能化交通智能化交通地理信息系统原理GIS农业遥感图片农业遥感图片地理信息系统原理GIS珠江口伶仃洋珠江口伶仃洋地理信息系统原理GIS地理信息系统原理GIS1、3S集成集成n近几年，科学家们和应用部门逐渐地认识到，单独地运用上述三种技术（“3S”技术）中的一种技术往往不能满足一些应用工程的需要。事实上，许多应用工程或应用项目需要综合地利用这三大技术的特长，方可形成和提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的能力。“3S”技术的集成应用于工业、农业、环境监测、交通运输、导航、捕鱼、公安、消防、保险、旅游等不同行业，将

12、产生愈来愈大的市场价值。n目前，国际上“3S”的研究和应用开始向集成化(或一体化)方向发展。地理信息系统原理GIS1、3S集成集成n1、3S集成系统的实时空间定位n2、3S集成系统的一体化数据管理n3、语义和非语义信息的自动提取理论与方法n4、遥感影像的全数字化智能系统及对GIS数据库快速更新的方法n5、3S集成系统中的数据通信与交换n6、3S集成系统中的可视化技术理论与方法n7、3S集成系统的设计方法及CASE工具的研究n8、3S集成系统中基于客户机/服务器的分布式网络集成环境地理信息系统原理GIS平台网络化平台网络化u 飞速发展的飞速发展的Internet/Intranet已经成为已经成为

13、GIS新的系新的系统平台。利用统平台。利用Internet技术在技术在Web上发布空间数据上发布空间数据供用户浏览和使用是供用户浏览和使用是GIS发展的必然趋势。发展的必然趋势。u从从WWW的任一个节点，的任一个节点，Internet用户可以浏览用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图、进行各站点中的空间数据、制作专题图、进行各种空间检索和空间分析，这就是基于种空间检索和空间分析，这就是基于WWW的地理的地理信息系统（信息系统（WebGIS）。）。uWebGIS显然要求支持显然要求支持Internet/Intranet标准，具有标准，具有分布式应用体系结构，它可以看作是由多主机、多

14、分布式应用体系结构，它可以看作是由多主机、多数据库与多台终端通过数据库与多台终端通过Internet/Intranet组成的网组成的网络，其任一节点由络，其任一节点由C/S结构组成，结构组成，Client端为端为GIS功功能层和数据管理层，用以给用户提供信息和各种应能层和数据管理层，用以给用户提供信息和各种应用；用；Server端为数据维护层，提供数据信息和系统端为数据维护层，提供数据信息和系统服务。服务。2、网络、网络GIS&Web GIS地理信息系统原理GIS平台网络化平台网络化 ARC/INFO ArcIMS MapInfo Map Xtream MAPGIS MAPGIS IM

15、S GeoStar GeoSurf22122332333233323332服务器端服务器端 CGI ASP CGI ASP 客户端客户端 Plug-in Java Applet Plug-in Java Applet ActiveX ActiveX 2、网络、网络GIS&Web GIS地理信息系统原理GIS 由于互联网由于互联网GISGIS通常与通常与GISGIS基础软件分开发展基础软件分开发展, ,它们之间的模型一致性和技术它们之间的模型一致性和技术同步性存在一些问题。另外同步性存在一些问题。另外, ,由于当前互联网由于当前互联网GISGIS大部分定位于空间数据的查大部分定位于空间数

16、据的查询浏览与发布询浏览与发布, ,缺少强大的空间分析功能缺少强大的空间分析功能, ,用户也不能操纵和修改数据用户也不能操纵和修改数据, ,制图功制图功能较弱能较弱, ,因而限定了互联网因而限定了互联网GISGIS的应用。的应用。地理信息系统原理GIS2、Web GISnWebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物。GIS通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。从WWW的任意一个节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使GIS进入千家万户。WebGIS具有以下特点： 地理信息系统原理GIS2、Web

17、 GISn(1)全球化的客户/服务器应用,全球范围内任意一个WWW节点的Internet用户都可以访问WebGIS服务器提供的各种GIS服务，甚至还可以进行全球范围内的GIS数据更新。n(2)真正大众化的GIS,由于Internet的爆炸性发展，Web服务正在进入千家万户，WebGIS给更多用户提供了使用GIS的机会。WebGIS可以使用通用浏览器进行浏览、查询，额外的插件(plug-in)、ActiveX控件和Java Applet通常都是免费的，降低了终端用户的经济和技术负担，很大程度上扩大了GIS的潜在用户范围。而以往的GIS由于成本高和技术难度大，往往成为少数专家拥有的专业工具，很难推

18、广。地理信息系统原理GIS2、Web GISn(3)良好的可扩展性,WebGIS很容易跟Web中的其他信息服务进行无缝集成，可以建立灵活多变的GIS应用。 n(4)跨平台特性,在WebGIS以前，尽管一些厂商为不同的操作系统(如：Windows、UNIX、Macintosh)分别提供了相应的GIS软件版本，但是没有一个GIS软件真正具有跨平台的特性。而基于Java的WebGIS可以做到一次编成，到处运行 (write once, run anywhere) ，把跨平台的特点发挥得淋漓尽致。地理信息系统原理GIS2、Web GISnWebGIS产品 :n美国ESRI公司的MapObjects I

19、nternet Map Server（IMS）和ArcView Internet Map Server；n美国MapInfo公司的MapInfo ProServer；n美国Autodesk公司的Autodesk MapGuide；n美国Intergraph公司的GeoMedia Web Map；n武汉大学的Internet GeoStar等地理信息系统原理GIS2、Web GISn 1. GIS体系结构的发展阶段：n（1） 以主机为中心的GIS系统技术体系结构（70年代初80年代初）n（2） 以桌面PC机为核心的GIS系统技术体系结构（1981年至今）n（3） 局域网GISn（4） 基于Int

20、ernet/Intranet的WebGIS系统体系结构（1995年至今）地理信息系统原理GIS基于基于WebGIS的地籍管理信息系统的地籍管理信息系统地理信息系统原理GIS2、Web GISn 2. WebGIS的结构组成：n （1）WebGIS浏览器（Browser）n （2）WebGIS信息代理（Information Agent）n （3）WebGIS服务器（Server）n （4）WebGIS编辑器（Editor）地理信息系统原理GIS2、Web GISn与传统GIS相比WebGIS具有的三个特点：n（1）它是一个基于网络的Client/Server系统，而不再是独立的单机系统；n（2

21、）它利用Internet/Intranet进行客户和服务器之间的信息交换，传统GIS即使能作为服务器，其服务器和用户端之间的信息交换通常也是限于单机或局域网上；n（3）它是一个分布式系统，客户和服务器可以位于不同地点和不同的计算机平台上。地理信息系统原理GIS2、Web GISnWebGIS实现时需要考虑的情况： n（1）支持Internet/Intranet技术标准，或与Internet/Intranet技术标准相兼容 n（2）分布式应用体系结构 n（3）系统的开放性 n目前WebGIS的解决方案主要有公共网关接口法（CGI）、服务器应用程序法（Server API）、插件/控件法（Plug

22、-in/ ActiveX Control）和Java编程法等地理信息系统原理GIS2、Web GISn地理信息系统和Internet的结合是必然的趋势，Client/Server计算模式的成熟和网络计算的迅速发展为WebGIS的实现提供了坚实的基础。遵循于标准的Internet/Intranet协议，构建于分布式计算平台的WebGIS，把空间信息在国民经济中的应用推向了一个更为广阔的天地，它的应用范围将从国家级的宏观决策支持延伸到人民大众的日常生产生活中。 地理信息系统原理GIS3、组件化地理信息系统、组件化地理信息系统n地理信息系统的组件化地理信息系统的组件化就是指采用组件（Componen

23、t）技术编制地理信息基础平台及其应用系统。组件技术实质上就是软件可复用技术，微软的COM/ActiveX就是软件组件实现规范的一种。 地理信息系统原理GIS3、组件化地理信息系统、组件化地理信息系统nComGIS的基本思想是把GIS的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其它非GIS控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，它们分别实现不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根据需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成地理信息系统基础平台和应用系统。 地理信息系统原理GIS3、组件化

24、地理信息系统、组件化地理信息系统n组件软件的可编程和可重用的特点在为系统开发商提供有效的系统维护方法的同时也为GIS最终用户提供了方便的二次开发手段，因此ComGIS将在很大的程度上推动了GIS软件的系统集成化和应用大众化，同时也很好地适应了网络技术的发展。n目前，几个著名的GIS软件厂商都推出了基于COM技术的GIS软件，ComGIS的出现给国产GIS基础软件的开发提供了一个良好的机遇，它打破了GIS基础软件由几个厂商垄断的格局，开辟了以提供专业组件来打入GIS市场的新途径。 n如ARCOBJECT，MAPOBJECT，MAPX地理信息系统原理GIS3.1 软件可复用技术软件可复用技术 n通

25、常情况下，应用软件（GIS基础平台和应用系统）的开发过程包含需求分析、设计、编码、测试和维护需求分析、设计、编码、测试和维护五个阶段。应用系统一般包含三类组件：通用基本组件、领域共性组件和应用专用组件。 n软件复用的意义软件复用的意义：通过软件复用，可以充分利用现有的开发成果，消除重复劳动，也可以避免重新开发可能引入的新错误，从而提高软件开发的效率和质量。 地理信息系统原理GIS3.1 软件可复用技术软件可复用技术 n 目前，制定组件实现规范的机构主要有Microsoft公司、SUN公司和OMG，它们同时也是分布式对象规范的制定者 它们有各自的特点它们有各自的特点.地理信息系统原理GIS3.2

26、 组件对象模型（组件对象模型（COM） n组件对象模型（COM）及其相关技术是一种基于组件对象平台、一组具有标准通信接口，允许跨语言应用的新一代编程方法。它有很强的可配置性、可扩展性和开放性，具有使用灵活和易于开发的特征。COM的中的中心思想就是定义软件中可以重用的部分心思想就是定义软件中可以重用的部分，每一部分的组件都有其特定的界面和所能提供的服务，这样就提供了一种创建可重用组件的有效机制，使这些组件能为软件设计师复用，就象硬件设计师用的芯片那样。 地理信息系统原理GIS3.2 组件对象模型（组件对象模型（COM） n1、COM的推出n以前的应用程序通常是由一个单一的二进制文件组成的，一旦编

27、译器编译完成这样的应用程序，应用程序就不会改变。nMicrosoft公司推出组件对象模型（COM）技术把单一的应用程序打碎成许多单独的碎片，每一个组件(碎片)就是一个微小的应用程序，多个组件在运行时相互链接形成一个完整的应用程序。n采用COM结构，应用程序的修改和升级将变得非常简单，只需要用相应的新版本组件代替现有的组件即可，其他组件不需要做任何改动。 地理信息系统原理GIS3.2 组件对象模型（组件对象模型（COM） n2. COM技术n（1）应用程序的定制n（2）组件库n（3）分布式组件地理信息系统原理GIS3.2 组件对象模型（组件对象模型（COM） n COM组件模型的这些优点决定了其

28、具有强大的生命力。在地理信息系统中，采用COM组件模型可以保证地理信息系统在各种应用环境中的一致性、语言独立性，我们可以对地理信息系统的各个功能模块进行合理的颗粒度划分和组织，以适应将来的分布式应用和Internet应用。 地理信息系统原理GIS3.3 组件化组件化GIS（Com GIS） n组件式GIS代表着当今GIS发展的潮流，其代表作当属全球最大GIS厂商ESRI（美国环境研究所）推出的ArcObjects和著名的桌面GIS厂商美国MapInfo公司推出的MapX等。另外还有Intergragh公司的GeoMedia、加拿大阿波罗科技集团的TITAN、中国科学院地理研究所的ActiveM

29、ap等。目前大多数GIS软件公司都把开发组件式软件作为一个重要的发展战略。 地理信息系统原理GIS3-3 组件化组件化GIS（Com GIS） n1、COMGIS的定义n简单的说，ComGIS就是采用了面向对象技术和组件式软件的GIS系统（包括基础平台和应用系统）。ComGIS的基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个组件，每个组件完成不同的功能。各个GIS组件之间，以及GIS组件与其它非GIS组件之间，都可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS基础平台以及应用系统。 绘制组件分析组件数据库操作组件编辑组件GIS系统平台地理信息系统原理GIS3.3 组件化组件化GIS（C

30、om GIS） n2、COMGIS的优点n（1）便捷的GIS 开发 n 严格的标准，开发工具的多样n（2）强大的GIS功能 n 功能丰富、性能出众地理信息系统原理GIS3.4 ComGIS的开发的开发 n确定合理的开发策略和选择合适的组件规范以及相应的开发工具是从传统GIS到ComGIS的关键。这又因开发ComGIS基础平台和ComGIS应用系统的不同而不尽相同。n（1）开发ComGIS基础平台的流程 n（2）开发ComGIS应用系统的流程 地理信息系统原理GIS3.5 Com GIS和和Web GIS 的关系的关系 n在新一代分布式对象WebGIS中，ComGIS将起更为重要的作用n基于Co

31、mGIS的WebGIS产品 nActiveX就是Microsoft为适应互联网而发展的标准，可以扩展Web浏览器的动态模块，任何ActiveX控件都可以设计成Internet控件，镶嵌在网页中，作为Web页面的一部分。随着分布式对象Web（Distributed Object Web）技术的逐渐成熟，未来的WebGIS将是基于组件对象模型开发的分布式对象WebGIS。从基础软件的角度来看，ComGIS和WebGIS之间的界限将会变得模糊不清，而只是应用方式上的区别。事实上，目前已经有基于ComGIS的WebGIS产品，如ESRI的Internet Map Server ；Intergraph的

32、GeoMedia Web Map等。 nCOM技术全面引入已有的GIS系统中 地理信息系统原理GIS4. 3D&4D GIS 地理信息系统原理GIS4. 3D&4D GIS 地理信息系统原理GIS数据多维化数据多维化u GIS处理的空间数据，从本质上说是三维连续分布的，但处理的空间数据，从本质上说是三维连续分布的，但目前，目前，GIS的主要应用还停留在处理地球表面的数据上，的主要应用还停留在处理地球表面的数据上，大多数大多数GIS平台都支持点、线、面三类空间物体，不能很平台都支持点、线、面三类空间物体，不能很好地支持曲面（体），因为三维好地支持曲面（体），因为三维GIS在数据的

33、采集、管理、在数据的采集、管理、分析、表示和系统设计等方面要比二维分析、表示和系统设计等方面要比二维 GIS 复杂得多。复杂得多。u尽管有些尽管有些GIS软件还采用建立数字高程模型的方法来处理软件还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真三维的自然和表达地形的起伏，但涉及到地下和地上的真三维的自然和人工景观就显得无能为力，只能把它们先投影到地表，和人工景观就显得无能为力，只能把它们先投影到地表，再进行处理，也就是说，实际上系统是以二维的形式来处再进行处理，也就是说，实际上系统是以二维的形式来处理任何数据。理任何数据。u这种试图用二维系统来描述三维空间的方法，必然

34、存在不这种试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。能精确地反映、分析和显示三维信息的问题。4. 3D&4D GIS 地理信息系统原理GISu由于地质矿体和矿山等三维实体不仅它的表面呈不规则状由于地质矿体和矿山等三维实体不仅它的表面呈不规则状, ,而且而且内部物质也不一样内部物质也不一样, ,此时此时Z Z值不能作为一个属性值不能作为一个属性, ,而应该作为一个而应该作为一个空间坐标空间坐标, ,矿体内任一点的值是三维坐标矿体内任一点的值是三维坐标x,y,zx,y,z的函数的函数, ,即即P=f(x,y,z)P=f(x,y,z)。而我们在目前

35、进行三维可视化的时候。而我们在目前进行三维可视化的时候,z,z是是xyxy的函的函数数, ,如何将如何将P=f(x,y,z)P=f(x,y,z)进行可视化进行可视化, ,表现矿体的表面形状表现矿体的表面形状, ,并反映并反映内部结构是一个难题。所以当前真三维内部结构是一个难题。所以当前真三维GISGIS还是一个还是一个 “瓶颈瓶颈”问题问题, ,推出了一些实用系统推出了一些实用系统, ,但一般都作了一些简化。但一般都作了一些简化。u 诸如诸如2.52.5维的维的GIS,GIS,目前技术比较成熟目前技术比较成熟, ,市场上有不少这样的系统市场上有不少这样的系统; ;u但是当前许多这样的三维但是当

36、前许多这样的三维GISGIS与与GISGIS基础软件脱节基础软件脱节, ,没有与没有与主模块融合在一起主模块融合在一起, ,空间分析功能受到限制空间分析功能受到限制; ;u另一方面另一方面, ,一般采用文件系统管理数据一般采用文件系统管理数据, ,不能对大区域范不能对大区域范围进行建模和可视化围进行建模和可视化, ,似乎有点像儿童游戏软件。似乎有点像儿童游戏软件。u只有采用了空间数据库的主流技术只有采用了空间数据库的主流技术, ,包括应用服务器中间包括应用服务器中间件技术件技术, ,能够建立大区域能够建立大区域, ,如一个特大城市的三维空间数如一个特大城市的三维空间数据库据库, ,包括分布式数

37、据库包括分布式数据库, ,并与传统二维并与传统二维GISGIS紧密结合紧密结合, ,才才可以起到真正的作用。可以起到真正的作用。4. 3D&4D GIS 地理信息系统原理GIS数据多维化数据多维化u 另一方面，地理信息系统所描述的地理对象往往具有另一方面，地理信息系统所描述的地理对象往往具有时间属性，即时态。时间属性，即时态。u随着时间的推移，地理对象的特征会发生变化，这种随着时间的推移，地理对象的特征会发生变化，这种变化可能是很大的，但变化可能是很大的，但目前大多数地理信息系统都不目前大多数地理信息系统都不能很好地支持地理对象和组合事件时间维的处理能很好地支持地理对象和组合事件时间维

38、的处理。u许多许多GIS应用领域的要求都是基于时间特征的，如区应用领域的要求都是基于时间特征的，如区域人口的变化，平均年龄的变化，洪水的最高水位的域人口的变化，平均年龄的变化，洪水的最高水位的变化等。变化等。u对这样的应用背景，仅采取作为对这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题属性不能很好地解决问题u因此，如何设计并运用因此，如何设计并运用4D GIS来描述、处理地理对象来描述、处理地理对象的时态特征也是个重要的研究领域。的时态特征也是个重要的研究领域。地理信息系统原理GIS4. 3D&4D GIS n GIS处理的空间数据，本质上是三维连

39、续分布的，但目前，GIS的主要应用还停留在处理地球表面的数据上。尽管有些GIS软件还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真三维的自然和人工景观就显得无能为力，只能把它们先投影到地表，再进行处理，实际上系统是以二维的形式来处理数据。这种试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。 地理信息系统原理GIS4. 3D&4D GIS n三维三维 GIS 目前的研究重点目前的研究重点 n三维三维 GIS GIS 目前的研究重点集中在三维数据结构（如数字表目前的研究重点集中在三维数据结构（如数字表面模型、断面、柱状实体等）

40、的设计、优化与实现，体视面模型、断面、柱状实体等）的设计、优化与实现，体视化技术的运用，三维系统的功能和模块设计等方面。化技术的运用，三维系统的功能和模块设计等方面。 n加入时态特征的四维加入时态特征的四维 GIS n许多许多GISGIS应用领域的要求都是基于时间特征的，如区域人口应用领域的要求都是基于时间特征的，如区域人口的变化、平均年龄的变化、洪水的最高水位的变化等。对的变化、平均年龄的变化、洪水的最高水位的变化等。对这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性不这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题，因此，如何设计并运用能很好地解决问题，因此，如何设计并运

41、用4D GIS4D GIS来描述、来描述、处理地理对象的时态特征也是个重要的研究领域。处理地理对象的时态特征也是个重要的研究领域。 地理信息系统原理GIS4.1 二维半的二维半的GIS n目前的GIS软件大多都不能表达、分析和处理真实的三维世界。它们只能支持数字化的二维平面图，或是通过不同遥感平台得到的二维像素阵列，借助于建立高程模型，它们也仅仅达到二维半的水平。 n在GIS的某些应用领域中，如地质、气象、水文等领域，这种用二维方法表征三维地理现象的解决方案显然有很大的缺陷，人们无法获得三维地理实体之间的空间关系，但这些三维信息在这些应用领域中却至关重要。n三维GIS与二维GIS相比，在数据采

42、集、表达和管理、系统维护以及功能界面设计等方面都要复杂得多。642022-4-30地理信息系统原理GIS4.2 三维三维GIS的技术难点与实现途径的技术难点与实现途径 n三维三维GISGIS的研究绝不只是对二维的研究绝不只是对二维GISGIS的简单扩展，而是从整的简单扩展，而是从整个个GISGIS数据处理流程到系统体系结构的改变。以数据为中心，数据处理流程到系统体系结构的改变。以数据为中心，GISGIS可以认为是一种采集、存储、管理、分析、显示和应用可以认为是一种采集、存储、管理、分析、显示和应用地理信息数据的计算机系统。在这些环节上三维地理信息数据的计算机系统。在这些环节上三维GISGIS存

43、在的存在的技术难题：技术难题： n （1）数据采集：昂贵，难度大n （2）数据存储：数据模型不完善n （3）数据管理：拓扑运算不成熟n （4）数据分析：空间关系运算不成熟n （5）数据显示地理信息系统原理GIS4.3 四维四维GIS的研究的研究 n四维GIS系统的主要研究领域是时空数据的描述、存储、操作、查询、分析和显示的方法以及整体系统结构设计。 n许多GIS应用领域，如地籍管理、房地产交易、地震预报与救援、环境监测、天气预报等具有很强的时间敏感性，空间实体的属性随着时间变化而变化的特点对于特定问题的求解是非常重要的。地理信息系统原理GIS4.3 四维四维GIS的研究的研究 n1.时空对象分

44、类 n（1）根据事件发生频率可分为发生频率较高的和发生频率较低的。 n（2）根据系统确定位置的方法可分为使用绝对地理位置的和使用相对地理位置的。 n（3）根据空间和属性变化的主导性可分为以空间变化为主的和以属性变化为主的。 n（4）根据变化形成可分为连续的和离散的。 n（5）根据对象生命期的不同可分为长期的、中期的和短期的。 n（6）根据目标空间结构可分为连续分布结构、多边形结构、网络结构及多边形和网络混合结构。 n（7）其它有特殊要求的时空对象。 地理信息系统原理GIS4.3 四维四维GIS的研究的研究 n2. 时态GIS的主要功能 n从功能上讲，时态GIS除了应具备静态GIS的所有功能外，

45、还应该提供：n（1）档案功能。记载相关区域随时间的演变。n（2）分析功能。以变化为参照，考察历史数据，预测未来。n（3）更新功能。保持GIS数据的现时性，延长服务期。n（4）显示功能。以真实的动态方式，回答用户关于“哪里”、“何时”、“怎样”的询问。n（5）其它功能。包括检查新旧数据的逻辑一致性，预定义某些时空临界状态，并识别、预报它们。地理信息系统原理GIS4.3 四维四维GIS的研究的研究 n3. 时态GIS数据模型n（1）时间作为新的一维n时空数据沿时间轴的冗余度极大，因为目标的空间位置和属性的变化总是局部的。 n（2）基态修正法 n不存储研究区域中每个状态的全部信息，只存贮某个时间的数

46、据状态(称为基态)，以及相对于基态的变化量，则数据量可大大减小 n（3）时空复合法 n将空间分隔为具有相同的时空过程的最大单元，称为时空单元，每个时空单元在存贮方法上被看成静态的空间单元，而该时空单元中的时空过程则作为属性来存储。 地理信息系统原理GIS5. 互操作地理信息系统互操作地理信息系统 n目前的地理信息系统大多是基于具体的、相互目前的地理信息系统大多是基于具体的、相互独立和封闭的平台开发的，它们独立和封闭的平台开发的，它们采用不同的空采用不同的空间数据格式间数据格式，对地理数据的组织有很大的差异。，对地理数据的组织有很大的差异。这使得在不同这使得在不同GIS软件上开发的系统间的数据软

47、件上开发的系统间的数据交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分解决问题。另外，解决问题。另外，不同的应用部门对地理现象不同的应用部门对地理现象有不同的理解，对地理信息有不同的数据定义有不同的理解，对地理信息有不同的数据定义，这就阻碍了应用系统之间的数据共享，带来了这就阻碍了应用系统之间的数据共享，带来了领域间共同协作时信息共享和交流的障碍，限领域间共同协作时信息共享和交流的障碍，限制了地理信息系统处理技术的发展潜力。制了地理信息系统处理技术的发展潜力。 地理信息系统原理GIS5.1 传统传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题在数据标准化上的缺陷和面

48、临的新课题n（1）GIS基础平台层基础平台层 n目前，国内外的目前，国内外的GISGIS基础软件多达几十种，从事基础软件开基础软件多达几十种，从事基础软件开发的不同软件厂商都发的不同软件厂商都采用自定义的空间数据格式和数据组采用自定义的空间数据格式和数据组织方式来存储与管理数据，采用自定义的数据操作流程来织方式来存储与管理数据，采用自定义的数据操作流程来处理数据处理数据。因此，各个。因此，各个GISGIS基础平台之间相互封闭和独立，基础平台之间相互封闭和独立，数据的共享只能通过冗余的数据格式转换来进行。数据的共享只能通过冗余的数据格式转换来进行。n（2）GIS应用系统层应用系统层 n不同领域的

49、不同领域的GISGIS应用系统建立在不同的相互封闭的应用系统建立在不同的相互封闭的GISGIS基础基础平台上。它们面向具体的应用背景，实现时采用的数学建平台上。它们面向具体的应用背景，实现时采用的数学建模方法也不同，因而也是相互独立的，在语义表达上往往模方法也不同，因而也是相互独立的，在语义表达上往往存在着不可调和的矛盾，被称为存在着不可调和的矛盾，被称为“信息孤岛信息孤岛”。 地理信息系统原理GIS5-1 传统传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题在数据标准化上的缺陷和面临的新课题n（3）GIS最终用户层最终用户层 n GISGIS工程包括硬件、软件、应用开发和人员培训等多工程包括硬件

50、、软件、应用开发和人员培训等多个方面的建设，是一项投资巨大的系统工程。由于目个方面的建设，是一项投资巨大的系统工程。由于目前各个前各个GISGIS基础平台和应用系统之间的封闭和独立，最基础平台和应用系统之间的封闭和独立，最终用户也不得不终用户也不得不“从一而终从一而终”，就更难以实现存储在，就更难以实现存储在异构地理数据库中的地学空间信息的集成。异构地理数据库中的地学空间信息的集成。 n飞速发展的计算机网络和不断拓展的飞速发展的计算机网络和不断拓展的GIS应用领域实际需求给应用领域实际需求给GIS的进一步发展提的进一步发展提出了新的要求：出了新的要求： 地理信息系统原理GIS5.1 传统传统G

51、IS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题在数据标准化上的缺陷和面临的新课题n（1）地理数据的继承和共享）地理数据的继承和共享 统一坐标系统和数据格式统一坐标系统和数据格式n（2）地理操作的分布和共享）地理操作的分布和共享 n（3）GIS社会化的要求社会化的要求 n为国民提供即时、周到的信息服务成为提高国民信息待遇为国民提供即时、周到的信息服务成为提高国民信息待遇的实现途径，这是的实现途径，这是GISGIS社会化研究的课题社会化研究的课题 n总的来说，尽可能地降低采集、处理地理数据总的来说，尽可能地降低采集、处理地理数据的成本，促进地理数据的共享已经成为共识，的成本，促进地理数据的共享已经成为共识

52、，这就引导着这就引导着GIS向互操作向互操作GIS（Interoperable GIS）的方向发展。）的方向发展。 地理信息系统原理GIS数据标准化数据标准化u 1996年，美国成立了开放地理信息系统联合会年，美国成立了开放地理信息系统联合会（OGC,Open GIS Consortium），旨在利用其提出的开），旨在利用其提出的开放地理数据互操作规范（放地理数据互操作规范（OGIS）给出一个分布式访问）给出一个分布式访问地理数据和获得地理数据处理能力的软件框架，各软件地理数据和获得地理数据处理能力的软件框架，各软件开发商可以通过实现和使用规范所描述的公共接口模板开发商可以通过实现和使用规范所

53、描述的公共接口模板进行互操作。进行互操作。uOGIS规范是互操作规范是互操作GIS研究中的重大进展，它在传统地研究中的重大进展，它在传统地理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构地学理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构地学处理环境架起一座桥梁。处理环境架起一座桥梁。u目前，目前，OGIS规范初具规模，很多规范初具规模，很多GIS软件开发商也先后软件开发商也先后声明支持该规范。国内的一些具有战略眼光的声明支持该规范。国内的一些具有战略眼光的GIS软件软件商也在密切关注着商也在密切关注着OGIS规范，并已着手开发遵循该规规范，并已着手开发遵循该规范 的 基 础 性范 的 基 础 性 G I S 软 件软 件 , 这 些 都 引 导 着这 些 都 引 导 着 G I S 向 着向 着Interoperable GIS 的方向发展。的方向发展。地理信息