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第4节GIS的发展一、国际GIS的发展状况60年代，探索时期：人们关注什么是GIS，GIS能干什么。70年代，发展时期：研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理。80年代，实破阶段：把GIS与RS结合来解决全球性问题。90年代，全面应用，产业化阶段：对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。40年代和50年代计算机科学、地图学和航空摄影测量技术的发展，产生利用计算机汇总各种数据，借助计算机处理和分析这些数据，最后通过计算机输出一系列结果，作为辅助决策的有用信息，产生了最早地理信息系统的基本框架。50年代末60年代初，计算机获得广泛应用以后，很快就被应用于空间数据的存储与管理。计算机分析地图内容并提供信息，是从自然资源的管理和土地规划任务开始的，在这个基础上诞生了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系(CGIS，诺基尔•汤姆林逊，1963)。受计算机发展水平的限制，当时的地理信息系统的特征是存储能力小，磁带存取速度慢。机助制图能力较强，地学分析功能较简单，实现了手扶跟踪数字化方法，可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅数据的自动拼接，开创了格网单元的操作方法，发展了许多基于格网的系统。所有这些处理空间数据的主要技术，奠定了地理信息系统发展的基础。另外，纷纷成立的许多有关GIS的组织和机构对传播和发展地理信息系统也起了重要的指导作用。在这期间，计算机发展到第三代，内存容量大增，运算速度加快，大容量直接存取设备——磁盘的使用，为地理数据的录入、储存、检索、输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着实用化方向发展。从1970年至1976年，美国地质调查所就建成了50多个信息系统，分别作为处理地理、地质和水资源等领域空间信息的工具。加拿大、联邦德国、瑞典等国，也先后发展了自己的地理信息系统。一些商业公司开始活跃，GIS软件在市场上受到欢迎，据IGU统计，在70年代约有300多个系统投入使用，其中较完整的系统软件就有80个之多。D.F.Marble等拟订了处理空间数据的计算机软件登录的标准格式，提出GIS发展研究的重点是空间数据处理的算法、数据结构和数据库管理这三方面。许多大学(如美国纽约州立大学等)开始注意培养GIS方面的人才，创建了GIS实验室。因此，地理信息系统这一技术受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为引人注目的领域。由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通讯传输设备的出现，为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输效率得到极大的提高。软件开发工具的广泛应用和数据库技术的推广，推动了GIS的数据处理能力，空间分析功能，人机交互对话，地图的输入、编辑和输出技术的进一步发展，并逐渐走向成熟。地理信息系统的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线等)转向更加复杂的区域开发问题。90年代以来，随着地理信息产业的建立和地球数字化产品的普及应用，GIS的发展进入用户时代。社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅度增加，GIS已成为许多机构(特别是政府决策部门)必备的工作系统。地理信息系统已被列入“信息高速公路”计划，也是美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略的重要组成部分。90年代，GIS开发和研究主要集中在下列一些方向：空间信息分析的新模式和新方法；空间信息应用模型；GIS的效益评价；三维、四维空间数据结构和数据模型；人工智能和专家系统的引入；网络GIS；虚拟现实技术与GIS的结合等。第4节GIS的发展二、国内GIS的发展状况起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：70年代，准备阶段80年代，试验起步阶段90年代，发展阶段96年以来，产业化阶段70年代初，我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用。1972年开始研制制图自动化系统1974年引进美国地球资源卫星图像，开展了卫星图像的处理和信息解译工作，还开展了全国范围的航空摄影测量与地形制图，为我国地理信息系统数据库的建立打下了坚实的物质基础，并于1977年诞生我国第一张全要素数字地图。这些都为我国地理信息系统的研制和开发做了物质和技术准备，为GIS的发展开辟了道路。80年代，计算机技术的发展和对“信息革命”的热烈响应，GIS技术在我国正式进入全面试验阶段我国在GIS理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养、典型试验和专题试验等方面都取得了实质性的进展。在典型试验中主要研究建立数据规范和标准、空间数据库建立、数据处理和分析算法以及系统分析软件和应用软件的开发等。在专题试验和应用方面，探索地理信息系统的设计与应用，建成的区域性系统有1∶100万国土基本信息系统和全国土地信息系统、洪水灾害预报与分析系统等。国际GIS学术会议多次在我国举行，有关高校开设了地理信息系统课程，这一切均为GIS的进一步发展和实际应用打下了基础。从1986年到1995年前后，我国GIS走上了全面发展道路。沿海、沿江经济开发区的发展，土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，推动了GIS的发展和应用。GIS研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关项目，开始有计划、有组织、有目标地进行理论研究和应用建设。全国许多行业部门和部分省市积极发展各自专业GIS和区域GIS，上海、北京、深圳、海口、三亚、常州等大中城市都在积极建设城市GIS。1996年以来，我国GIS技术在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速，并力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用推向实用化、集成化、工程化，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。GIS在研究和应用过程中走向产业化道路，成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥重大作用。第4节GIS的发展三、当代GIS的发展动态自20世纪60年代世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统(CGIS)问世以来，经过近40多年年的发展，GIS系统软件和应用软件日趋成熟和完善。随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS的社会需求量增大，GIS应用日趋广泛。应用需求促进发展，GIS已从一门技术发展为一门独立的新兴学科。下面就GIS当前的几个热门研究领域作一介绍。面向对象技术与GIS真三维GIS和时空GISGIS应用模型InternetGISGIS与专家系统GIS与虚拟现实技术的结合。第4节GIS的发展面向对象技术与GIS1.图形和属性分开管理的数据模型的弱点不利于空间数据的整体管理，以保证数据的一致性；GIS的开放性和互操作性受限制；数据共享和并行处理无保证。2.面向对象技术面向对象技术将现实世界的实体都抽象为对象，利用四种数据抽象技术(分类、概括、联合、聚集)可构建复杂的地理实体，利用继承和传播这两种数据抽象工具将所有实体对象构建成一个分层结构。面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条适合于人类思维模式的直观、结构清晰、组织有序的方法，面向对象数据模型成为较为理想的统一管理GIS空间数据的有效模型。因而，面向对象的技术在GIS中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS的发展方向。SmallworldGIS是目前面向对象GIS中最为典型的代表，3.面向对象的GIS有待进一步研究的问题大对象的操作仍受硬件条件的限制；对象的独立性与颗粒度问题；矢量和栅格数据统一的、支持动态拓扑结构和复合对象表示的面向对象的数据结构问题。第4节GIS的发展真3维GIS与时空GIS1.真3维GIS目前绝大多数的GIS采用二维或2.5维来表示现实三维现象，通常将三维分量Z值当做一个属性值，如DEM数据，这对于许多地学分析是非常不便的，甚至难以进行。随着计算机技术特别是计算机图形学的发展，使得显示和描述三维实体的几何特征和属性特征成为可能，因此真三维数据结构的研究，真三维GIS的应用成为GIS发展的一个热点：三维数据结构的研究，包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；三维数据的生成和管理；地理数据的三维显示，包括三维数据的空间操作和分析，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。2.时空GIS由于受器件的限制和一些技术原因，传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。因而需要开发时空四维GIS。实现时空复合操作，将空间分析问题进一步拓展为时空分析范畴，已成为新一代GIS的重要研究课题，其主要研究内容是：时空模型时空数据的表示、存储、操作、查询时空分析目前较常用的做法是在数据模型基础上扩充，如在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。在这种扩充的基础上如何解决从表示到分析的一系列问题仍有待进一步的研究。第4节GIS的发展GIS应用模型的发展GIS强大的生命力在于与各种实际应用的结合。而通用GIS的数据管理、查询和空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型。目前的GIS对用户定义通用GIS空间分析与各专业模型的主要途径松散耦合式，也称为外部空间模型法。这种方法基本上将GIS当做一个空间数据库看待，在GIS环境外部借助其他软件或计算机高级语言建立专用模型，其与GIS之间采用数据通讯的方式联系。嵌入式，也称内部空间模型法。即在GIS中借助GIS的通用功能来实现应用领域的专用分析模混合型空间模型法，是前两种方法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的工作量和难度，又保持外部空间模型法的灵活性。这些方法的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。最好的方式是GIS本身能支持建立专业应用模型，能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，GIMS是目前GIS研究的热点问题之一。第4节GIS的发展InternetGISInternetGIS的信息处理模式由传统的集中式转向客户服务器模式，客户机处理GIS应用软件，服务器负责存储和管理GIS空间数据库，并响应客户机对GIS应用功能的服务请求。由于InternetGIS分布式管理与互操作的要求，InternetGIS又有组件式GIS和OpenGIS两个研究热点，但目前InternetGIS仍然存在着诸多不足目前InternetGIS存在的不足支持单一数据源而非多数据源的获取，不能满足日益增长的信息交互与OpenGIS规范的需求；数据集中而非分布式存放与管理，不利于信息的共享与更新；缺乏统一的管理机制以实现大量分布式空间信息相互间的有机联系；缺乏丰富的空间信息表现手法以及与网络资源特别是借助浏览器表达的能力；空间信息获取控制以及客户与服务器端安全体系的建立不够完善。目前，商品化的WebGIS还处于初级阶段，提供的查询和分析功能还不能满足专业应用的需要，它的出现已开始改变GIS传统的数据输出和地图发布的方式，为地理信息的高度社会化共享提供了可能。组件式GIS即将已有的巨型GIS分解为若干可互操作的自我管理、相互独立的组件，包括数据管理组件、空间查询组件、数据获取组件、专题制图组件和显示组件等。这些组件建立在分布式的对象结构基础之上，应用了最新的分布式技术如OLE/COM等技术。这些组件具有与平台和操作系统无关性，GIS应用的开发者可以利用这些组件快速地组装GIS应用软件组件式GIS有效地减少了网络传输的负担，实现了获取和管理多数据源数据，提供了分析地图特征和查询、空间分析、专题制图等功能，并方便用户二次开发。OpenGISOpenGIS，即开放式地理信息系统，是为了使不同的GIS软件之间具有良好的互操作性，以及在异构数据库中实现信息共享的途径。由于InternetGIS用于发布分布式地理信息和处理与分析工具，使得InternetGIS必须使用已有的多种数据源和各种地理信息分析处理功能，即InternetGIS面临地理信息的互操作性问题，因此，从数据的观点看，OpenGIS是未来InternetGIS技术发展的必然趋势