當前計算機技術(shù)與GIS發(fā)展趨勢

摘要 地理信息系統(GIS) 是隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展而形成的一門(mén)新興技術(shù)，并成為一種主要的信息產(chǎn)業(yè)，它極大地推動(dòng)了計算機的普與應用。隨著(zhù)信息技術(shù)，尤其隨著(zhù)是計算機技術(shù)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(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，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（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層在內）與空間和地理分布有關(guān)的數據的計算機系統（97年的參考文獻）。它由硬件、軟件、數據和用戶(hù)有機結合而構成。它的主要功能是實(shí)現地理空間數據的采集、編輯、管理、分析、統計、制圖的工具已逐步發(fā)展起來(lái)。

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(lái),特別是隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,地理信息的處理、分析手段日趨先進(jìn)，GIS技術(shù)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、城市規劃、經(jīng)濟咨詢(xún)、災害損失預測、投資評價(jià)、政府管理和軍事等與地理坐標相關(guān)的幾乎所有領(lǐng)域。

但是，隨著(zhù)信息技術(shù)，尤其是計算機技術(shù)的快速發(fā)展、數字地球（Digital Earth）的提出與實(shí)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(jìn)步、信息網(wǎng)的發(fā)展和利用等技術(shù)上的突破，使得以數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字形式表示的信息，例如數字和文本。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(huì )取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文就目前地理信息系統的熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行介紹、分析和總結。

2計算機技術(shù)對GIS發(fā)展趨勢的影響

GIS技術(shù)依托的主要工具和平臺是計算機及其相關(guān)設備。進(jìn)入90年代以來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展, 計算機其微處理器的處理速度愈來(lái)愈快性能價(jià)格比更高; 其存儲器能實(shí)現將大型文件映射至內存的能力,并且能存儲海量數據。此外, 隨著(zhù)多媒體技術(shù)、空間技術(shù)、虛擬實(shí)景、數字測繪技術(shù)、數據倉庫技術(shù)、計算機圖形技術(shù)三維圖形芯片、大容量光盤(pán)技術(shù)及寬頻光纖通訊技術(shù)的突破性進(jìn)展，特別是消除數據通訊瓶頸的衛星互聯(lián)網(wǎng)的建立，以及能夠提供接近實(shí)時(shí)對地觀(guān)測圖象的高分辨、高光譜、短周期遙感衛星的大量發(fā)射，這些為GIS技術(shù)的廣泛、深入應用展示了更加光明的前景。同時(shí), 也使當前的GIS已不能滿(mǎn)足信息時(shí)代、數字時(shí)代的要求，目前GIS主要總體上呈現網(wǎng)絡(luò )化[1][3]、開(kāi)放性[5]、虛擬現實(shí)[1]、集成化[2]、空間多維性[4][6]等發(fā)展趨勢。

2.1 網(wǎng)絡(luò )化——網(wǎng)絡(luò )GIS

計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的最新發(fā)展推動(dòng)著(zhù)當代GIS技術(shù)的快速更新和發(fā)展，使得在因特網(wǎng)上實(shí)現GIS應用日益引起人們的關(guān)注，建立萬(wàn)維網(wǎng)GIS(WWWW GIS或Web GIS)是近年來(lái)GIS研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。Web GIS或互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統（Internet GIS）是當前GIS的一個(gè)重要發(fā)展方向。

目前，WWWGIS的建設面臨四個(gè)方面的挑戰：網(wǎng)上數據發(fā)布、網(wǎng)上數據互操作、網(wǎng)上數據采掘和網(wǎng)上數據管理及安全性。與傳統的GIS相比，Web GIS具有以下特點(diǎn)：

(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(luò )功能將使Web GIS應用到整個(gè)社會(huì )，真正實(shí)現GIS的無(wú)所不能，無(wú)處不在。

(3)現實(shí)性強 地理信息的實(shí)時(shí)更新在網(wǎng)上進(jìn)行，人們能得到最新信息和最新動(dòng)態(tài)。

(4)維護社會(huì )化 數據的采集、輸入、空間信息的分析與發(fā)布將是在社會(huì )協(xié)調下運作，對其維護將是社會(huì )化，減少重復的勞動(dòng)。

(5)使用簡(jiǎn)單 用戶(hù)可以直接從網(wǎng)上獲取所需要的各種地理信息，直接進(jìn)行各種地理信息的分析，而不用關(guān)心空間數據庫的維護和管理。

網(wǎng)絡(luò )GIS可實(shí)現網(wǎng)上發(fā)布、瀏覽、下載，實(shí)現基于Web的GIS查詢(xún)和分析。盡管目前已有多家國內外公司推出Web GIS,總地來(lái)說(shuō)，Web GIS尚處在試驗研究階段，其最終目標是應能實(shí)現GIS與WWW技術(shù)的有機結合，GIS通過(guò)WWW成為大眾使用的技術(shù)和工具。

2.2 開(kāi)放性——開(kāi)放式GIS

開(kāi)放式地理信息系統（Open GIS）是指在計算機和通信環(huán)境下，根據行業(yè)標準和接口（Interface）所建立起來(lái)的地理信息系統。它不僅使數據能在應用系統內流動(dòng)，還能在系統間流動(dòng)。Open GIS是為了使不同的地理信息系統軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構分布數據庫中實(shí)現信息共享的途徑。為此，Open GIS要具有下列特點(diǎn)：

(1)互操作性：不同地理信息系統軟件之間連接、信息交換沒(méi)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(xué)空間數據和地學(xué)數據處理功能。

(3)技術(shù)公開(kāi)性：開(kāi)放的思想主要是對用戶(hù)公開(kāi)，公開(kāi)源代碼及規范說(shuō)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(luò )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(shí)現性、協(xié)同性等特點(diǎn)。

為了研究和開(kāi)發(fā)Open GIS技術(shù)，1996年在美國成立的開(kāi)放地理信息聯(lián)合會(huì )主要研究和建立了開(kāi)放式地理數據交互操作規程（OGIS，Open Geodata Interoperable Specification）。OGIS是為了尋找一種方式，將地理信息系統技術(shù)、分布處理技術(shù)、面向對象方法、數據庫設計及實(shí)時(shí)信息獲取方法更有效地結合起來(lái)?；贠GIS規范制訂的開(kāi)放系統模型是一種軟件工程和系統設計方法，這種方法應用于GIS領(lǐng)域，側重于改變當前GIS模型中特定的應用系統及其功能與它內部數據模型及數據格式緊密捆綁的現狀。當然，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規程，具體如何實(shí)現，還需采用分布式對象的技術(shù)，通過(guò)Acrobat、OLE、ActiveX、Java等語(yǔ)言實(shí)現。

Open GIS技術(shù)將使GIS始終處于一種組織、開(kāi)放式的狀態(tài)，真正成為服務(wù)于整個(gè)社會(huì )的產(chǎn)業(yè)以及實(shí)現地理信息的全球范圍內的共享與互操作，是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下GIS技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

2.3虛擬現實(shí)——虛擬GIS

虛擬GIS就是GIS與虛擬現實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）的結合。VR技術(shù)是當代信息技術(shù)高速發(fā)展，并與其他技術(shù)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(tīng)、動(dòng)等行為的高級人機交互技術(shù)。這種模擬具有三個(gè)最基本的特征，即Immersion(沉浸)-Interaction(交互)-Imagina-tion(構想)。

由于技術(shù)的限制，目前還未能開(kāi)發(fā)出適用于遙感和GIS用戶(hù)需要的真3維可視化的數據分析軟件包。GIS與虛擬環(huán)境技術(shù)相結合，將虛擬環(huán)境帶入GIS將使GIS更加完美。GIS用戶(hù)在計算機上就能處理真3維的客觀(guān)世界的虛擬環(huán)境中將能更有效地管理，分析空間實(shí)體數據。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(shù)（Multia-Media）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀(guān)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(huà)的人機界面操縱信息處理的技術(shù)。應用多媒體技術(shù)對GIS的系統結構、系統功能及應用模式的設計產(chǎn)生極大的影響，使得GIS的表現形式更豐富，更靈活，更友好。

多媒體地理信息系統（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動(dòng)畫(huà)等技術(shù)融為一體，為GIS應用開(kāi)拓了新的領(lǐng)域和廣闊的前景。它不僅能為社會(huì )經(jīng)濟、文化教育、旅游、商業(yè)、決策管理和規劃等提供生動(dòng)、直觀(guān)、高效的信息服務(wù)，而且將使電腦技術(shù)真正走進(jìn)人類(lèi)社會(huì )生活。多媒體技術(shù)在GIS領(lǐng)域的深入應用，乃至出現具有良好集成能力的MGIS是技術(shù)發(fā)展的必然。

2.5 集成化——3S技術(shù)的結合

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

GIS發(fā)展的重要趨勢是與全球定位系統（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構成實(shí)時(shí)的，動(dòng)態(tài)的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術(shù)的多譜段、多時(shí)相、多傳感器和多分辨率的特點(diǎn)，為GIS不斷注入“燃料”，反過(guò)來(lái)又可利用GIS支持從遙感影像數據中自動(dòng)提取語(yǔ)義和非語(yǔ)義信息。

3S技術(shù)整體結合所構成的系統是高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的GIS系統。這種系統不僅具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)地采集、處理和更新數據的功能，而且能夠分析和運用數據，為各種應用提供科學(xué)的決策咨詢(xún)，并回答用戶(hù)可能提出的各種復雜問(wèn)題。

2.6 空間多維性——三維GIS與時(shí)態(tài)GIS

2.6.1三維GIS

在許多地學(xué)研究中，人們所要研究的對象是充滿(mǎn)整個(gè)3D空間的，如大氣污染、洋流、地質(zhì)模型等，必須用一個(gè)（X，Y，Z）的3D坐標來(lái)描述。在3D GIS中，研究對象是通過(guò)空間X、Y、Z軸進(jìn)行定義，描述的是真3D的對象。隨著(zhù)計算機技術(shù)和GIS在許多行業(yè)諸如地質(zhì)、礦山、海洋、城市地下管網(wǎng)，城市空間規劃、城市景觀(guān)分析、無(wú)線(xiàn)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(lái)受到許多學(xué)者的關(guān)注。到目前為止，雖然有3D GIS系統問(wèn)世，但其功能遠遠不能滿(mǎn)足人們分析問(wèn)題的需要，原因主要是3D GIS理論不成熟，其拓撲關(guān)系模型一直沒(méi)有解決；另外三維基礎上的數據量十分大，很難建立一個(gè)有效的，易于編程實(shí)現的三維模型,計算機海量數據的處理為三維GIS提供了基礎。

2.6.2 時(shí)態(tài)GIS

人們都在一定的空間和時(shí)間環(huán)境中生存并從事各種社會(huì )活動(dòng)。從信息系統，尤其是GIS的實(shí)用角度出發(fā)，時(shí)間可以看成是一條沒(méi)有端點(diǎn)，向過(guò)去和將來(lái)無(wú)限延伸的線(xiàn)軸，它是現實(shí)世界的第四維。時(shí)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(shí)間的變化，應當是GIS的一個(gè)合理目標。這樣的GIS就被稱(chēng)為時(shí)態(tài)GIS（Temporal GIS）。

記錄歷史數據有時(shí)候是非常重要的。在GIS中也要經(jīng)常查詢(xún)歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經(jīng)過(guò)許多次的買(mǎi)賣(mài)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。GIS在環(huán)境應用中，也經(jīng)常需要用到多時(shí)態(tài)的信息對環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。所以，研究GIS的時(shí)態(tài)問(wèn)題則成為當今GIS領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。

時(shí)態(tài)GIS的組織核心是時(shí)空數據庫，其概念基礎則是時(shí)空數據模型。時(shí)空數據結構的選擇應以不同類(lèi)型的時(shí)空過(guò)程和應用目的作為出發(fā)點(diǎn)。雖然人們已分別在時(shí)態(tài)數據庫和空間數據庫研究方面取得很大進(jìn)展，但是“時(shí)態(tài)”+“空間”≠ “時(shí)空”，兩者難以簡(jiǎn)單地組合起來(lái)，這導致了時(shí)態(tài)GIS研究與應用的困難。作為一種系統方法，時(shí)態(tài)GIS的研究和應用還有很長(cháng)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(kāi)發(fā)一個(gè)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(shù)專(zhuān)家們研究的問(wèn)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(shù)（ActiveX控件，其前身OLE控件）為GIS軟件提供了一種新的開(kāi)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。其特征主要體現在：

(1)高效無(wú)縫的系統集成 允許將專(zhuān)業(yè)模型、GIS控件、其它控件緊密地結合在統一的界面下。

(2)無(wú)須專(zhuān)門(mén)的GIS開(kāi)發(fā)語(yǔ)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，就能完成應用系統的開(kāi)發(fā)。

(3)大眾化的GIS 用戶(hù)可以象使用其它ActiveX控件一樣使用GIS的控件，使非專(zhuān)業(yè)的GIS用戶(hù)也能勝任GIS應用開(kāi)發(fā)工作。

(4)開(kāi)發(fā)成本低 非GIS功能可以利用非專(zhuān)業(yè)控件，降低了系統的成本。

3 結束語(yǔ)

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

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(jìn)，它涉及多學(xué)科的相互滲透、相互支撐。其目的就是促進(jìn)地理信息產(chǎn)業(yè)的建設與發(fā)展，更好地為人類(lèi)了解和保護人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境服務(wù)。面對今天的計算機技術(shù)的快速發(fā)展，面對GIS充滿(mǎn)生機與活力的前景，我們應該進(jìn)一步面向世界、抓住機遇、探索規律、促進(jìn)GIS技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路的建成，一個(gè)以地理信息系統為平臺，以信息高速公路為紐帶的“數字地球”，必將為人類(lèi)信息交流與共享提供一種全新的方式。

參考文獻

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