第九讲GIS的发展趋势

第九讲GIS发展趋势前言GIS是多学科集成的空间信息系统GIS有着广阔的应用前景同时面临着多方面的挑战概念的发展上世纪60年代提出“地理信息系统”→现阶段“地理信息科学”、“空间信息科学”（SIS），正经历着GIS概念从局部到一般，从单一研究向综合研究的方向发展；GIS从开始的一种技术（计算机应用系统）→已经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。GIS、Geoinformatics、Geomatics其发展趋势是：相邻学科的交叉、渗透与融合基础数据结构的发展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（现阶段以影像库、矢量库和DEM库为代表）的数据结构；传统的GIS系统转向以GIS应用为前台、以具有空间数据存储功能的大型关系数据库（Oracle8i）为后台数据管理的模式。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、动态多维和实时三维可视化方向发展；√真四维时空GIS是目前GIS理论的研究热点之一；√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；√基于多库一体化的3D可视化技术发展迅速。处理技术的发展√空间分析技术是GIS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；●从GIS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GIS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。数据多维化系统集成化平台网络化应用社会化数据标准化1、3S集成GPS：即全球定位系统（GlobalPositioningSystem）。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。

1、3S集成RS：(RemoteSensing)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系统集成化GPS是空间实体快速、精密定位的现代化工具；GIS是空间信息集成、分析、处理的有力武器；RS是空间信息覆盖面最大最迅速的采集手段，三者的结合简称3S集成。RSGPSGIS几何配准、辅助分类等提供或更新区域信息提供或更新空间定位定点查询专题信息几何校正、训练区选择及分类验证等提供定位遥感信息查询GIS与遥感结合的途径

(a)发展一个能综合处理矢量和栅格数据的矢栅一体的GIS(b)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)通过GIS与遥感系统间建立接口，实现格式转换与数据传送

GIS与GPS集成的系统结构模型

LBS(LocationBasedService)地图画面显示功能最佳路线制定功能检索功能语音提示功能娱乐功能3S集成移动测量系统采用DGPS/INS组合导航系统两台车用电子计算机四台CCD黑白相机+一台彩色数码相机测量精度0.1-0.3米量测范围：道路及两侧各50米以内车载测量系统应用领域车辆导航公路及铁路等道路网的测绘建筑物的测绘交通事故现场勘查与测量流动交通监测车和移动作战环境监测智能化交通农业遥感图片珠江口伶仃洋1、3S集成近几年，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，将产生愈来愈大的市场价值。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。1、3S集成1、3S集成系统的实时空间定位2、3S集成系统的一体化数据管理3、语义和非语义信息的自动提取理论与方法4、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5、3S集成系统中的数据通信与交换6、3S集成系统中的可视化技术理论与方法7、3S集成系统的设计方法及CASE工具的研究8、3S集成系统中基于客户机/服务器的分布式网络集成环境平台网络化

飞速发展的Internet/Intranet已经成为GIS新的系统平台。利用Internet技术在Web上发布空间数据供用户浏览和使用是GIS发展的必然趋势。从WWW的任一个节点，Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图、进行各种空间检索和空间分析，这就是基于WWW的地理信息系统（WebGIS）。WebGIS显然要求支持Internet/Intranet标准，具有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Internet/Intranet组成的网络，其任一节点由C/S结构组成，Client端为GIS功能层和数据管理层，用以给用户提供信息和各种应用；Server端为数据维护层，提供数据信息和系统服务。2、网络GIS&WebGIS平台网络化ARC/INFOArcIMSMapInfoMapXtreamMAPGISMAPGISIMSGeoStarGeoSurf22122332333233323332服务器端CGIASP客户端Plug-inJavaAppletActiveX2、网络GIS&WebGIS

由于互联网GIS通常与GIS基础软件分开发展,它们之间的模型一致性和技术同步性存在一些问题。另外,由于当前互联网GIS大部分定位于空间数据的查询浏览与发布,缺少强大的空间分析功能,用户也不能操纵和修改数据,制图功能较弱,因而限定了互联网GIS的应用。2、WebGISWebGIS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：2、WebGIS(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。(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JavaApplet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，很难推广。2、WebGIS(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。(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(writeonce,runanywhere)"，把跨平台的特点发挥得淋漓尽致。2、WebGISWebGIS产品:美国ESRI公司的MapObjectsInternetMapServer（IMS）和ArcViewInternetMapServer；美国MapInfo公司的MapInfoProServer；美国Autodesk公司的AutodeskMapGuide；美国Intergraph公司的GeoMediaWebMap；武汉大学的InternetGeoStar等2、WebGIS

1.GIS体系结构的发展阶段：（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）（2）以桌面PC机为核心的GIS系统技术体系结构（1981年至今）（3）局域网GIS（4）基于Internet/Intranet的WebGIS系统体系结构（1995年至今）基于WebGIS的地籍管理信息系统2、WebGIS

2.WebGIS的结构组成：（1）WebGIS浏览器（Browser）（2）WebGIS信息代理（InformationAgent）（3）WebGIS服务器（Server）（4）WebGIS编辑器（Editor）2、WebGIS与传统GIS相比WebGIS具有的三个特点：（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；（2）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；（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。2、WebGISWebGIS实现时需要考虑的情况：（1）支持Internet/Intranet技术标准，或与Internet/Intranet技术标准相兼容（2）分布式应用体系结构（3）系统的开放性目前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（ServerAPI）、插件/控件法（Plug-in/ActiveXControl）和Java编程法等2、WebGIS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。3、组件化地理信息系统地理信息系统的组件化就是指采用组件（Component）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。3、组件化地理信息系统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。3、组件化地理信息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。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。如ARCOBJECT，MAPOBJECT，MAPX………3.1软件可复用技术通常情况下，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。

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。3.1软件可复用技术

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……….3.2组件对象模型（COM）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。3.2组件对象模型（COM）1、COM的推出

以前的应用程序通常是由一个单一的二进制文件组成的，一旦编译器编译完成这样的应用程序，应用程序就不会改变。

Microsoft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。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。3.2组件对象模型（COM）2.COM技术（1）应用程序的定制（2）组件库（3）分布式组件3.2组件对象模型（COM）

COM组件模型的这些优点决定了其具有强大的生命力。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。3.3组件化GIS（ComGIS）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ActiveMap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。

3-3组件化GIS（ComGIS）1、COMGIS的定义简单的说，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3.3组件化GIS（ComGIS）2、COMGIS的优点（1）便捷的GIS开发严格的标准，开发工具的多样（2）强大的GIS功能功能丰富、性能出众3.4ComGIS的开发

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。（1）开发ComGIS基础平台的流程（2）开发ComGIS应用系统的流程3.5ComGIS和WebGIS的关系在新一代分布式对象WebGIS中，ComGIS将起更为重要的作用基于ComGIS的WebGIS产品ActiveX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（DistributedObjectWeb）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InternetMapServer；Intergraph的GeoMediaWebMap等。COM技术全面引入已有的GIS系统中4.3D&4DGIS4.3D&4DGIS数据多维化GIS处理的空间数据，从本质上说是三维连续分布的，但目前，GIS的主要应用还停留在处理地球表面的数据上，大多数GIS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GIS在数据的采集、管理、分析、表示和系统设计等方面要比二维GIS复杂得多。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，也就是说，实际上系统是以二维的形式来处理任何数据。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。4.3D&4DGIS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,而且内部物质也不一样,此时Z值不能作为一个属性,而应该作为一个空间坐标,矿体内任一点的值是三维坐标x,y,z的函数,即P=f(x,y,z)。而我们在目前进行三维可视化的时候,z是xy的函数,如何将P=f(x,y,z)进行可视化,表现矿体的表面形状,并反映内部结构是一个难题。所以当前真三维GIS还是一个“瓶颈”问题,推出了一些实用系统,但一般都作了一些简化。

诸如2.5维的GIS,目前技术比较成熟,市场上有不少这样的系统;但是当前许多这样的三维GIS与GIS基础软件脱节,没有与主模块融合在一起,空间分析功能受到限制;另一方面,一般采用文件系统管理数据,不能对大区域范围进行建模和可视化,似乎有点像儿童游戏软件。只有采用了空间数据库的主流技术,包括应用服务器中间件技术,能够建立大区域,如一个特大城市的三维空间数据库,包括分布式数据库,并与传统二维GIS紧密结合,才可以起到真正的作用。4.3D&4DGIS数据多维化

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。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。许多GIS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4DGIS来描述、处理地理对象的时态特征也是个重要的研究领域。4.3D&4DGIS

GIS处理的空间数据，本质上是三维连续分布的，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。4.3D&4DGIS三维GIS目前的研究重点

三维GIS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）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。加入时态特征的四维GIS

许多GIS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4DGIS来描述、处理地理对象的时态特征也是个重要的研究领域。

4.1二维半的GIS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。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。

三维GIS与二维GIS相比，在数据采集、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。642023/2/54.2三维GIS的技术难点与实现途径三维GIS的研究绝不只是对二维GIS的简单扩展，而是从整个GIS数据处理流程到系统体系结构的改变。以数据为中心，GIS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GIS存在的技术难题：

（1）数据采集：昂贵，难度大（2）数据存储：数据模型不完善（3）数据管理：拓扑运算不成熟（4）数据分析：空间关系运算不成熟（5）数据显示4.3四维GIS的研究四维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。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。4.3四维GIS的研究1.时空对象分类（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。（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。（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。（4）根据变化形成可分为连续的和离散的。（5）根据对象生命期的不同可分为长期的、中期的和短期的。（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。（7）其它有特殊要求的时空对象。4.3四维GIS的研究2.时态GIS的主要功能

从功能上讲，时态GIS除了应具备静态GIS的所有功能外，还应该提供：（1）档案功能。记载相关区域随时间的演变。（2）分析功能。以变化为参照，考察历史数据，预测未来。（3）更新功能。保持GIS数据的现时性，延长服务期。（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。（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。

4.3四维GIS的研究3.时态GIS数据模型（1）时间作为新的一维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。

（2）基态修正法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（3）时空复合法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。

5.互操作地理信息系统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，它们采用不同的空间数据格式，对地理数据的组织有很大的差异。这使得在不同GIS软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解决问题。另外，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，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，限制了地理信息系统处理技术的发展潜力。5.1传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题（1）GIS基础平台层目前，国内外的GIS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处理数据。因此，各个GIS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。（2）GIS应用系统层不同领域的GIS应用系统建立在不同的相互封闭的GIS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“信息孤岛”。

5-1传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题（3）GIS最终用户层

GIS工程包括硬件、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。由于目前各个GIS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“从一而终”，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。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GIS的进一步发展提出了新的要求：5.1传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题（1）地理数据的继承和共享统一坐标系统和数据格式（2）地理操作的分布和共享（3）GIS社会化的要求为国民提供即时、周到的信息服务成为提高国民信息待遇的实现途径，这是GIS社会化研究的课题总的来说，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，这就引导着GIS向互操作GIS（InteroperableGIS）的方向发展。