當前計算機技術與GIS發(fā)展趨勢

摘要 地理信息系統(tǒng)(GIS) 是隨著計算機技術的發(fā)展而形成的一門新興技術，并成為一種主要的信息產(chǎn)業(yè)，它極大地推動了計算機的普與應用。隨著信息技術，尤其隨著是計算機技術以前所未有的速度快速發(fā)展，以及GIS的應用深度的不斷深入和廣度的擴大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中。本文結合當前計算機技術發(fā)展的特點，分析當前GIS的發(fā)展趨勢及其主要功能。

1　引言

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)（97年的參考文獻）。它由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶有機結合而構成。它的主要功能是實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、管理、分析、統(tǒng)計、制圖的工具已逐步發(fā)展起來。

GIS始于60年代的加拿大與美國，爾后各國相繼投入了大量的研究工作，自80年代末以來,特別是隨著計算機技術的飛速發(fā)展,地理信息的處理、分析手段日趨先進，GIS技術日臻成熟，已廣泛地應用于環(huán)境、資源、石油、電力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市規(guī)劃、經(jīng)濟咨詢、災害損失預測、投資評價、政府管理和軍事等與地理坐標相關的幾乎所有領域。

但是，隨著信息技術，尤其是計算機技術的快速發(fā)展、數(shù)字地球（Digital Earth）的提出與實施，以及GIS的應用深度的不斷深入和廣度的擴大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中，并對GIS提出了許多新的要求。一方面，計算機的進步、信息網(wǎng)的發(fā)展和利用等技術上的突破，使得以數(shù)字形式表示信息更加容易，另一方面，地理信息仍滯后于其它更適合于以數(shù)字形式表示的信息，例如數(shù)字和文本。因此，地理信息的使用，又存在一定的困難和障礙，如果這些障礙能夠妥善解決，GIS的應用將會取得突飛猛進的發(fā)展。本文就目前地理信息系統(tǒng)的熱點問題進行介紹、分析和總結。

2計算機技術對GIS發(fā)展趨勢的影響

GIS技術依托的主要工具和平臺是計算機及其相關設備。進入90年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展, 計算機其微處理器的處理速度愈來愈快性能價格比更高; 其存儲器能實現(xiàn)將大型文件映射至內(nèi)存的能力,并且能存儲海量數(shù)據(jù)。此外, 隨著多媒體技術、空間技術、虛擬實景、數(shù)字測繪技術、數(shù)據(jù)倉庫技術、計算機圖形技術三維圖形芯片、大容量光盤技術及寬頻光纖通訊技術的突破性進展，特別是消除數(shù)據(jù)通訊瓶頸的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建立，以及能夠提供接近實時對地觀測圖象的高分辨、高光譜、短周期遙感衛(wèi)星的大量發(fā)射，這些為GIS技術的廣泛、深入應用展示了更加光明的前景。同時, 也使當前的GIS已不能滿足信息時代、數(shù)字時代的要求，目前GIS主要總體上呈現(xiàn)網(wǎng)絡化[1][3]、開放性[5]、虛擬現(xiàn)實[1]、集成化[2]、空間多維性[4][6]等發(fā)展趨勢。

2.1 網(wǎng)絡化——網(wǎng)絡GIS

計算機網(wǎng)絡技術的最新發(fā)展推動著當代GIS技術的快速更新和發(fā)展，使得在因特網(wǎng)上實現(xiàn)GIS應用日益引起人們的關注，建立萬維網(wǎng)GIS(WWWW GIS或Web GIS)是近年來GIS研究領域的一個熱門話題。Web GIS或互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Internet GIS）是當前GIS的一個重要發(fā)展方向。

目前，WWWGIS的建設面臨四個方面的挑戰(zhàn)：網(wǎng)上數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)上數(shù)據(jù)互操作、網(wǎng)上數(shù)據(jù)采掘和網(wǎng)上數(shù)據(jù)管理及安全性。與傳統(tǒng)的GIS相比，Web GIS具有以下特點：

(1)適應性強 Web GIS是基于互聯(lián)網(wǎng)的，因而是全球的，能夠在不同的平臺運行。

(2)應用面廣 網(wǎng)絡功能將使Web GIS應用到整個社會，真正實現(xiàn)GIS的無所不能，無處不在。

(3)現(xiàn)實性強 地理信息的實時更新在網(wǎng)上進行，人們能得到最新信息和最新動態(tài)。

(4)維護社會化 數(shù)據(jù)的采集、輸入、空間信息的分析與發(fā)布將是在社會協(xié)調(diào)下運作，對其維護將是社會化，減少重復的勞動。

(5)使用簡單 用戶可以直接從網(wǎng)上獲取所需要的各種地理信息，直接進行各種地理信息的分析，而不用關心空間數(shù)據(jù)庫的維護和管理。

網(wǎng)絡GIS可實現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布、瀏覽、下載，實現(xiàn)基于Web的GIS查詢和分析。盡管目前已有多家國內(nèi)外公司推出Web GIS,總地來說，Web GIS尚處在試驗研究階段，其最終目標是應能實現(xiàn)GIS與WWW技術的有機結合，GIS通過WWW成為大眾使用的技術和工具。

2.2 開放性——開放式GIS

開放式地理信息系統(tǒng)（Open GIS）是指在計算機和通信環(huán)境下，根據(jù)行業(yè)標準和接口（Interface）所建立起來的地理信息系統(tǒng)。它不僅使數(shù)據(jù)能在應用系統(tǒng)內(nèi)流動，還能在系統(tǒng)間流動。Open GIS是為了使不同的地理信息系統(tǒng)軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構分布數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)信息共享的途徑。為此，Open GIS要具有下列特點：

(1)互操作性：不同地理信息系統(tǒng)軟件之間連接、信息交換沒有障礙。

(2)可擴展性：硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計算機上運行，其性能和硬件平臺的性能成正比；軟件方面增加新的地學空間數(shù)據(jù)和地學數(shù)據(jù)處理功能。

(3)技術公開性：開放的思想主要是對用戶公開，公開源代碼及規(guī)范說明是重要的途徑之一。

(4)可移植性：獨立于軟件、硬件及網(wǎng)絡環(huán)境，不需修改便可在不同的計算機上運行。

除此之外，還有諸如兼容性、可實現(xiàn)性、協(xié)同性等特點。

為了研究和開發(fā)Open GIS技術，1996年在美國成立的開放地理信息聯(lián)合會主要研究和建立了開放式地理數(shù)據(jù)交互操作規(guī)程（OGIS，Open Geodata Interoperable Specification）。OGIS是為了尋找一種方式，將地理信息系統(tǒng)技術、分布處理技術、面向?qū)ο蠓椒?、?shù)據(jù)庫設計及實時信息獲取方法更有效地結合起來。基于OGIS規(guī)范制訂的開放系統(tǒng)模型是一種軟件工程和系統(tǒng)設計方法，這種方法應用于GIS領域，側重于改變當前GIS模型中特定的應用系統(tǒng)及其功能與它內(nèi)部數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)格式緊密捆綁的現(xiàn)狀。當然，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規(guī)程，具體如何實現(xiàn)，還需采用分布式對象的技術，通過Acrobat、OLE、ActiveX、Java等語言實現(xiàn)。

Open GIS技術將使GIS始終處于一種組織、開放式的狀態(tài)，真正成為服務于整個社會的產(chǎn)業(yè)以及實現(xiàn)地理信息的全球范圍內(nèi)的共享與互操作，是未來網(wǎng)絡環(huán)境下GIS技術發(fā)展的必然趨勢。

2.3虛擬現(xiàn)實——虛擬GIS

虛擬GIS就是GIS與虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）的結合。VR技術是當代信息技術高速發(fā)展，并與其他技術集成的產(chǎn)物，是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。這種模擬具有三個最基本的特征，即Immersion(沉浸)-Interaction(交互)-Imagina-tion(構想)。

由于技術的限制，目前還未能開發(fā)出適用于遙感和GIS用戶需要的真3維可視化的數(shù)據(jù)分析軟件包。GIS與虛擬環(huán)境技術相結合，將虛擬環(huán)境帶入GIS將使GIS更加完美。GIS用戶在計算機上就能處理真3維的客觀世界的虛擬環(huán)境中將能更有效地管理，分析空間實體數(shù)據(jù)。目前虛擬GIS（VGIS）的研究主要集中在虛擬城市。

2.4 多媒體GIS

多媒體技術（Multia-Media）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀的方式表達和感知信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機界面操縱信息處理的技術。應用多媒體技術對GIS的系統(tǒng)結構、系統(tǒng)功能及應用模式的設計產(chǎn)生極大的影響，使得GIS的表現(xiàn)形式更豐富，更靈活，更友好。

多媒體地理信息系統(tǒng)（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動畫等技術融為一體，為GIS應用開拓了新的領域和廣闊的前景。它不僅能為社會經(jīng)濟、文化教育、旅游、商業(yè)、決策管理和規(guī)劃等提供生動、直觀、高效的信息服務，而且將使電腦技術真正走進人類社會生活。多媒體技術在GIS領域的深入應用，乃至出現(xiàn)具有良好集成能力的MGIS是技術發(fā)展的必然。

2.5 集成化——3S技術的結合

3S技術指的是全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）。3S技術的結合與集成充分體現(xiàn)了學科發(fā)展從細分走向綜合的規(guī)律。

GIS發(fā)展的重要趨勢是與全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構成實時的，動態(tài)的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點，為GIS不斷注入“燃料”，反過來又可利用GIS支持從遙感影像數(shù)據(jù)中自動提取語義和非語義信息。

3S技術整體結合所構成的系統(tǒng)是高度自動化、實時化的GIS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能，而且能夠分析和運用數(shù)據(jù)，為各種應用提供科學的決策咨詢，并回答用戶可能提出的各種復雜問題。

2.6 空間多維性——三維GIS與時態(tài)GIS

2.6.1三維GIS

在許多地學研究中，人們所要研究的對象是充滿整個3D空間的，如大氣污染、洋流、地質(zhì)模型等，必須用一個（X，Y，Z）的3D坐標來描述。在3D GIS中，研究對象是通過空間X、Y、Z軸進行定義，描述的是真3D的對象。隨著計算機技術和GIS在許多行業(yè)諸如地質(zhì)、礦山、海洋、城市地下管網(wǎng)，城市空間規(guī)劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋范圍分析等對三維GIS的需求日益迫切，3D GIS的理論和應用近年來受到許多學者的關注。到目前為止，雖然有3D GIS系統(tǒng)問世，但其功能遠遠不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是3D GIS理論不成熟，其拓撲關系模型一直沒有解決；另外三維基礎上的數(shù)據(jù)量十分大，很難建立一個有效的，易于編程實現(xiàn)的三維模型,計算機海量數(shù)據(jù)的處理為三維GIS提供了基礎。

2.6.2 時態(tài)GIS

人們都在一定的空間和時間環(huán)境中生存并從事各種社會活動。從信息系統(tǒng)，尤其是GIS的實用角度出發(fā)，時間可以看成是一條沒有端點，向過去和將來無限延伸的線軸，它是現(xiàn)實世界的第四維。時間和空間不可分割地聯(lián)系在一起，跟蹤和分析空間信息隨時間的變化，應當是GIS的一個合理目標。這樣的GIS就被稱為時態(tài)GIS（Temporal GIS）。

記錄歷史數(shù)據(jù)有時候是非常重要的。在GIS中也要經(jīng)常查詢歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經(jīng)過許多次的買賣或變化。在土地糾紛中，人們需要詳細的歷史記錄作為法律依據(jù)。GIS在環(huán)境應用中，也經(jīng)常需要用到多時態(tài)的信息對環(huán)境進行綜合評價。所以，研究GIS的時態(tài)問題則成為當今GIS領域的一個重要方向。

時態(tài)GIS的組織核心是時空數(shù)據(jù)庫，其概念基礎則是時空數(shù)據(jù)模型。時空數(shù)據(jù)結構的選擇應以不同類型的時空過程和應用目的作為出發(fā)點。雖然人們已分別在時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫研究方面取得很大進展，但是“時態(tài)”+“空間”≠ “時空”，兩者難以簡單地組合起來，這導致了時態(tài)GIS研究與應用的困難。作為一種系統(tǒng)方法，時態(tài)GIS的研究和應用還有很長的路要走。

2.7　部件組裝化——組件式GIS

GIS軟件是一種大型的軟件，開發(fā)一個功能完備的GIS軟件是一項極其復雜的工程。如何合理地組織GIS軟件的結構,一直是GIS軟件技術專家們研究的問題。它的發(fā)展體經(jīng)歷了如下歷程：GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS和核心式GIS。當前計算機軟件控件技術（ActiveX控件，其前身OLE控件）為GIS軟件提供了一種新的開發(fā)模式。

組件化GIS基于標準的組件式GIS平臺，各組件之間不僅可能自由、靈活地重組，而且具有可視化的界面和方便的標準的接口。其特征主要體現(xiàn)在：

(1)高效無縫的系統(tǒng)集成 允許將專業(yè)模型、GIS控件、其它控件緊密地結合在統(tǒng)一的界面下。

(2)無須專門的GIS開發(fā)語言 只要掌握基于Windows平面的通用環(huán)境(VB,VC++,Delphi,power Builder等)，以及組件式GIS各控件的屬性、方法和事件，就能完成應用系統(tǒng)的開發(fā)。

(3)大眾化的GIS 用戶可以象使用其它ActiveX控件一樣使用GIS的控件，使非專業(yè)的GIS用戶也能勝任GIS應用開發(fā)工作。

(4)開發(fā)成本低 非GIS功能可以利用非專業(yè)控件，降低了系統(tǒng)的成本。

3 結束語

當前計算機技術的發(fā)展使GIS的發(fā)展主要呈以上幾種趨勢外，GIS軟件與建筑及規(guī)劃設計CAD、辦公自動化、統(tǒng)計分析等軟件系統(tǒng)的集成等都是GIS研究與發(fā)展的熱點。

上述這些GIS的發(fā)展趨勢并不是孤立的，而是相互影響、相互促進，它涉及多學科的相互滲透、相互支撐。其目的就是促進地理信息產(chǎn)業(yè)的建設與發(fā)展，更好地為人類了解和保護人類賴以生存的環(huán)境服務。面對今天的計算機技術的快速發(fā)展，面對GIS充滿生機與活力的前景，我們應該進一步面向世界、抓住機遇、探索規(guī)律、促進GIS技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢灶A見，隨著計算機技術的發(fā)展，信息高速公路的建成，一個以地理信息系統(tǒng)為平臺，以信息高速公路為紐帶的“數(shù)字地球”，必將為人類信息交流與共享提供一種全新的方式。

參考文獻

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