地理信息系统技术前沿

1、地理信息系统的发展热点及技术前沿与其他学科相比，地理信息系统是一门新兴学科。目前，随着计算机技术的迅速发展，GIS更加趋向于可运行性、分布性、开放性、网络化和全球性。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。因此分析GIS当下的发展热点及技术前沿将有助于GIS更加有规划的发展，并且易于对GIS的前景进行展望。1.GIS的发展热点：随着GIS技术的迅速发展，嵌入式GIS、三维GIS、ComponentGIS、WebGIS、CYberGIS、物联网以及数字地球等成为了其中的热点。（1）嵌入式GIS（移动GIS）：把GI

2、S与嵌入式技术融合在一起，形成一个嵌入式的地理空间集成平台，是当前GIS研究领域的重要趋势。与传统GIS相比较，嵌入式GIS具有跨平台、开发好、易集成、易渗透和融合好等特点，而且价格低，为地理信息技术融入其他信息技术提供了良好的技术基础。移动GIS是以移动互联网为支撑、以GPS智能手机为终端的GIS系统，是继桌面GIS、WEBGIS之后又一新的技术热点，移动定位、移动MIS、移动办公等越来越成为企业或个人的迫切需求，嵌入式GIS就是其中的集中代表，使得随时随地获取信息变得轻松自如。随着无线移动位置服务技术的迅猛发展，人们正日趋享受着越来越多嵌入式GIS的服务。移动GIS主要由移动终端设备、无线

3、通信网络、地理应用服务器及空间数据库组成。移动终端设备是一种便携式、低功能、适合地理应用，并且可以用来快速、精确定位和地理识别的设备。硬件主要包括掌上电脑（PDA）、便携式计算机、WAP手机、GPS定位仪器等。软件主要是嵌入式的GIS应用软件。无线通信网络是连接用户终端和应用服务器的纽带，它将用户的需求无线传输给地理信息应用服务器，再将服务器的分析结果传输给用户终端。地理应用服务器是整个系统的关键部分，也是系统的GIS引擎。它位于固定场所，为移动GIS用户提供大范围的地理服务以及潜在的空间分析和查询操作服务。空间数据库用于组织和存储与地理位置有关的空间数据及相应的属性描述信息，移动空间数据库是

4、移动GIS的数据存储中心，并且能对数据进行管理，为移动应用提供各种空间位置数据，是地理应用服务器实现地理信息服务的数据来源。移动GIS体系结构主要由客户端、服务器、数据服务器三部分组成，分别承载于表示层、逻辑层和数据层，如图1所示。表示层I逻辑层数据层图1移动GIS的体系结构移动GIS具有以下特点：1）移动性。运行于各种移动终端上，与服务端可通过无限通信进行叫胡实时获取空间数据，也可以脱离服务器与传输介质的约束独立运行，具有移动性。2）动态性。作为一种应用服务系统，应能及时的响应用户的请求，能处理用户环境中随时间变化的因素的实时影响，如交通流量对车辆运行时间的影响，能提供实时的交通流量影响下的

5、最优道路选择等。3）对位置信息的依赖性。在移动GIS中，系统所提供的服务与用户的当前位置是紧密相关的，所以需要集成各种定位技术，用于实时确定用户的当前位置和相关信息。4）移动终端的多样性。移动GIS的表达呈现与移动终端上，移动终端有手机、掌上电脑、车载终端等，这些设备的生产厂商不同，故而采用的技术也不同，这就必然造成移动终端的多样性。移动GIS的应用：移动GIS开发在测绘、智能交通、海事、国防、公安等领域都有无限广阔的应用前景，可广泛应用于军事、野外测绘、医疗、汽车导航等领域；个人汽车导航和PDA（或手机）定位服务（LBS）的出现与发展更是将嵌入式地理信息技术深入到每个人的日常生活。1）实时信

6、息的查询及快速及时救援、反馈首先根据GPS定位自身位置，通过搜索地图数据库查询用户所需地点，用户可在一定半径之内查询有关信息。比如救援队伍在赶往救灾现场是，可通过无线通讯GSM登入应急指挥中心服务器，即可获得灾害现场、实施交通等信息，同时也能去的应急指挥中心实时发布的事件信息、救援信息等，如图2所示。2）方便的数据采集及执法办公随着社会发展，各行业基础数据在不断变化，如电力杆塔信息、林业资源清查、土地基础数据等，利用移动GIS配合行业数据采集软件，可以方便的进行数据的采集、更新、建立各行业数据库和数据更新制度，推进社会化服务。此处以土地调查和执法办公为例，综合利用3S技术，可以更加有效、有力的

7、为办公提供依据，如图3所示。图3国土调查、办公应用图2火灾现场的扑救收集资料准备工作底图,f收集最新的RS资料(a)土地调杳作业流程图移动办公iCORStm土地调查执法(b)现场执法办公作业模式3）移动办公利用移动GIS通信以及扩展功能的丰富性，可以在室外办公时，将发生的事件随时向监控中心进行汇报，而中心快速作出响应，如数字城管。每个管理人员在自己负责的区域内进行巡查，遇到安全隐患即打电话、对现场拍照，将信息汇报给指挥中心，利用终端确定位置后，中心即可进行现场维护，将危害降低到最小，如图4所示。部件数据库事件城市管理指挥中心GIS外业采集;与实时張输:数据采集、管理图4城市管理中的应用目前，移

8、动GIS的发展主要受限于移动通信，伴随着3G的普及，移动通信的发展，将真正做到移动定位。（2）三维GIS随着GIS技术的发展，传统的二维GIS已经无法满足用户的需求，三维GIS是GIS的一个重要发展方向，也是GIS研究的热点之一，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。与二维GIS相比，三维GIS有其独特的优势。三维GIS因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维能提供更多信息，能表现更多的空间关系。无论单位用户还是个人用户，都对三维有迫切的需求。若技术完善和成本方面能得到突破，三维GIS必将走向成熟应用。可接受的数据获取成本是三维GIS大范围推广应用的重要前提条件之一。三

9、维数据采集的经济代价和时间代价一度很高，但近年来随着各种三维数据采集手段的快速发展，三维数据获取成本已经开始降低，周期也越来越短。目前，已经可以保证在较低成本下采集三维数据。在未来几年内，还要在保证一定的数据精细度前提下，继续降低三维数据获取成本。三维GIS对硬件的要求也明显高于二维GIS，以前的三维显示只能应用在大型的服务器和Unix图形工作站上，且只在极少数的部门如地震预测、石油勘探、航空视景模拟器中得到应用，成本动辄上百万美元。随着计算机技术的发展，硬件成本不断地降低，目前主流的基于x86图形工作站已经能够轻松地进行真三维显示和分析。另外，GIS软件技术是影响三维GIS能否大范围深度应用

10、的另一重要因素。当前的三维软件还不能充分满足GIS用户的需求。对GIS平台软件的需求可以分为从低到高的五个层次，即：数据获取/管理、可视化、查询、分析和建模，其中建模指的是分析模型。目前，二维GIS已经可以满足这五个层次的需求，但三维GIS则仅能满足前三个层次的需求，在后两个层次方面，整体上还不能满足。从这个意义上来讲，二维GIS虽然没有三维那样的视觉效果，但功能齐全，故而三维GIS在软件技术方面亟需提高。（3）ComponentGIS（ComGIS）构件式软件技术成为了当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式。ComGIS便是顺应这一潮流的新一代地理信息系

11、统，是面向对象技术和构件式软件技术在GIS软件开发中的应用。ComGIS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，可以方使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。控件如同一推各式各样的积木，割门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。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；陪在很大程度上推动GIS软件的系统集

12、成化和应用大众化，同时也很好地适应了网络技术的发展，是一种WebGIS的解决方案。目前，国内外一些著名的GIS软件厂商都推出了基于COM技术的GIS软件。ComGIS的出现给国内GIS基础软件的开发提供了一个良好的机遇，它打破了GIS勘出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。WebGIS(网络地理信息系统)：WebGIS指基于Internet平台，客户端应用软件采用网络协议，运用在Internet上的地理信息系统。WebGIS除了应用于传统的国土、资源、环境等政府管理领域外，也正在促进与老百姓生活息息相关的车载导航、移动位置服务、智能交通、抢险救灾、城市设施管

13、理、现代物流等产业的迅速发展。WebGIS一般由多主机，多数据库和多个客户端以分布式连接在Internet上而组成，包括以下四个部分：WEB-GIS浏览器(browser)，WEB-GIS服务器，WEB-GIS编辑器(Editor),WEB-GIS信息代理(informationagent)。WebGIS的存在极大方便了国土资源等的管理和人民的生活，其主要功能包括：地理信息的空间分布式获取；地理信息的空间查询、检索和联机处理；空间模型的分析服务；互联网上资源的共享。CYberGIS赛博空间(CyberSpace)目前在媒体中较多出现，它以计算机技术、现代通后、网络技术、虚拟现实技术的综合应用为

14、基础，构造出一种人们进行社会交往和交流的新型空间，是一个人工世界。科学家预言未来的人们将在赛博空间里的信息海洋中生活，从一个节点到另一个节点，从一个信息源到另一个信息源进行信息交流和信息创造。世界各地的人民在全新的赛博空间中漫游实现相互之间的通信、贸易和科教活动。计算机软件技术发展经历了从软件的模块化到软件的对象化转变的过程，目前，正在进一步向软件的智能化发展。软件智能体(Agent)是软件设计进一步抽象的结果，是为适应广泛的分布式网络计算环境而发展起来的软件技术方向。麻省理工学院媒体实验室主任贝蒂梅斯(PatieMaes)认为：软件智能体是“驻留在复杂动态环境中的计算机系统，它们自治地感知环

15、境并作用于环境，从而实现设定的目标集或任务。”作为软件智能体的一种，空间智能体处于分布式网络计算环境中，感知并作用于这一环境，以各种不同的形式出现，实现空间数据的智能获取、处理、存储、搜索、表现以及决策支持。这种空间智能体拥有两种非常重要的能力：一是利用空间知识进行推理，二是可进化。在赛博空间中以这种空间智能体做为构成模块的GIS系统就是CyberGIS,它自动地接受用户以高级语言描述的指令，利用它能够感知并作用于所处的赛博空间的“本领”通过与其他空间智能体的交互,为用户找到赛博空间中所需要的信息。（6）物联网（IOT）GIS目前发展中的热点之一即为物联网。物联网是新一代信息技术的重要组成部分

16、，其英文名称是“TheInternetofthings”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。目前，M2M（MachinetoMachine）是物联网最主要的表现形式。GIS与物联网绝非牵强附会，物联网中接入的大量的基础物理

17、设备都具有空间点位信息，这是GIS最擅长的领域，显然，物联网系统整合GIS技术。而现在在已有的GIS应用中，已经可以看到物联网的端倪，只是名称不同，比如一些物流和管网设施管理系统中，管网中有实时监控设备，都接在系统中，通过GIS平台显示和管理，这就是比较原始的物联网，更多的是监控，如果在这些系统中加入一些主动的复杂的设备动作，那就是一个标准意义的物联网了。物联网指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等和“外在使能”（Enabled）的，如贴上RFI

18、D的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线/有线的长距离/短距离通讯网络实现互联互通（M2M）、应用大集成（GrandIntegration）、以及基于云计算的SaaS营运等模式，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的CockpitDashboard）等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。随着各种技术的不断发展，物联网时代即将来临，而GIS将是其实现的关键。

19、（7）数字地球数字地球也是一个GIS发展中的热点问题。数字地球，是美国副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为“数字地球新世纪人类星球之认识”演说时，提出的一个与GIS、网络、虚拟现实等高新技术密切相关的概念。在戈尔的文章内，他将数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。在接下来对数字地球的直观实例解释中可以发现，戈尔的数字地球学是关于整个地球、全方位的GIS与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。显然，面对如此一个浩大的工程，任何一个政府组织、企业或学术机构，都是无法独立完成的，它需要成千上万的个人、公司、研究机构和政府组织的共同努力。数字

20、地球要解决的技术问题，包括计算机科学、海量数据存贮、卫星遥感技术、宽带网络、互操作性、元数据等。可以预见，随着地球空间信息学的发展，而建立起的数字地球，必将促进测绘事业的现代化，为测绘事业与整个国民经济建立更加紧密的联系，作出更大的贡献，在未来和知识经济社会中产生巨大的经济效益和社会效益。2.GIS的技术的前沿移动GIS是GIS发展中极为重要的一个方面，故而是GIS的前沿问题，涉及移动GIS的关键技术主要有：嵌入式技术。移动GIS的无线终端是一种嵌入式系统，具有代表性的嵌入式无线终端设备包括：掌上电脑、PDA和手机等。嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式系统由嵌入式硬件系统、嵌入式操作系统和嵌入式GIS软件组成，是以应用为中心的专用计算机系统，其软硬件可以根据应用需要