GIS---发展现状和趋势

1/16地理信息系统技术的发展现状和趋势地理信息系统(GeographicInformationSystem，GIS)是能够收集、管理、查询、分析、操作以及表现与地理相关的数据信息的计算机信息系统，能够为分析、决策提供重要的支持平台。它广泛地应用于地学、资源管理、土地规划、环境监测、防灾减灾、电力行业、交通管理、城市规划、科研、教育和国防等领域，在我国国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。当前，随着信息技术的发展以及应用领域的不断扩大，地理信息系统技术得到了飞速的发展。由于GIS是“关系到国家安全的战略性技术”，因此开发拥有自主知识产权的国产GIS系统平台，研究和掌握GIS中的前沿关键技术，对我国GIS的发展和应用有着非常重要的意义。本报告介绍和分析了当前国内外GIS相关技术的发展现状和趋势，讨论了我国发展地理信息系统技术应采取的对策以及本主题的相关工作部署。一、地理信息系统技术的发展现状和趋势地理信息系统技术是一门综合性的技术，它的发展是与地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、信息技术等有关学科的发展分不开的。GIS的发展可分为四个阶段：第一个阶段是初始发展阶段，20世纪60年代世界上第一个GIS系统由加拿大测量学家R.F.Tomlison提出并建立，主要用于自然资源的管理和规划；第二个阶段是发展巩固阶段，20世纪70年代由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了GIS朝实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷付诸研制，如美国、英国、德国、瑞典和等国对GIS的研究都投入了大量的人力、物力和财力；第三个阶段是推广应用阶段，20世纪80年代，GIS逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题，这个阶段涌现出一大批GIS软件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四个阶段是蓬勃发展阶段，20世纪90年代，随着地2/16理信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各业，成为人们生活、学习和工作不可缺少的工具和助手。地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。我国GIS的发展可分为三个阶段。第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要经历了提出倡议、组建队伍、培训人才、组织个别实验研究等阶段。机械制图和遥感应用，为GIS的研制和应用做了技术和理论上的准备。第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进、数据规范和标准的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节，对GIS进行了理论探索和区域性的实验研究。第三个阶段从1986年到现在，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室。GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。主要表现在四个方面：（1）制定了国家地理信息系统规范，解决信息共享和系统兼容问题，为全国地理信息系统的建立做准备。（2）应用型GIS发展迅速。（3）在引进的基础上扩充和研制了一批软件。（4）开始出版有关地理信息系统理论、技术和应用等方面的书籍，设立了地理信息系统专业，培养了大批人才，并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的讨论和实验。在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下，国产GIS基础软件开发工作取得了重要进展，出现了一批GIS高技术企业，开发出了较为成熟的国产GIS软件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的产业规模。这些国产GIS软件以较高的性价比，打破了国外GIS软件对我国市场的垄断，有力促进了我国地理信息系统技术的发展。近年来，GIS技术在我国得到了广泛应用，其应用面从传统的城市规划、土地利用、测绘、环境保护、电力、电信、减灾防灾等领域渗透到矿产资源调查、海洋资源调查与管理等各方面，取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。当前，国家有关部门正逐步将GIS嵌入到电子政务系统中。3/16随着计算机和信息技术的快速发展，近年来GIS技术得到了迅猛的发展。GIS系统正朝着专业或大型化、社会化方向不断发展着。“大型化”体现在系统和数据规模两个方面；“社会化”则要求GIS要面向整个社会，满足社会各界对有关地理信息的需求，简言之就是“开放数据”、“简化操作”，“面向服务”，通过网络实现从数据乃至系统之间的完全共享和互动。下面我们从地理信息系统技术角度来讨论和分析当前GIS的相关技术及其发展趋势。1.1空间信息的获取、处理与交换地理空间数据是GIS的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量巨大的工程，它包括：数据的获取、校验和规范化、结构化处理、数据维护等过程。GIS处理的数据对象是空间对象，有很强的时空特性，获取数据的手段及数据的形式也复杂多样。获取数据的基本方式有：野外全站仪平板测量、GPS测量、室内地图扫描数字化、数字摄影测量、从遥感影像进行目标测量和数据转换等。目前，这些获取技术已基本成熟。同时，空间数据也具有很强的时效性，不同的空间数据必须进行周期不等的数据更新维护，空间数据库中数据的准确、及时、完整是实现GIS应用系统价值的前提基础。空间数据维护往往涉及跨部门、跨行业的多种数据格式和多种数据类型的大量数据，提供有效的空间数据编辑更新手段是当前亟待解决的一个重要课题。基于上述信息获取技术，在过去的二十年间，国家有关部委和行业部门已经积累了大量原始数字化数据和相应资料，建立了1100多个大、中型数据库以及大量的各类数字化地理基础图、专题图、城市地籍图等。国家测绘局已经完成了全国l：100万、1：25万基础地理空间数据库以及全国七大江河数字地形模型的建设，并启动了全国l：5万，部分省份1：1万基础地理空间数据库的建设。这些基础数据有力促进了GIS技术的广泛应用，进而产生了大量的GIS数据。但由于地理信息系统软件大多采用不同的空间数据模型，以及它们在地理实体上的认识差异，使得所积累的数据难以转换和共享（即使能够数据转换，也会产生信息的丢失），从而形成一个个新的数据孤岛。制订数据交换的格式标准已成为大家的共识。4/16目前一些国家和组织已经在进行这方面的工作，并定义了一些数据交换标准，如SDTS，OpenGIS联盟制订的GML，另外一些公认的数据格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐渐成为数据交换的事实标准。我国也在“九五”期间制定了地球空间数据转换标准。但是由于目前人们对空间信息认识和研究成果的制约，还没有一个统一的地理数据模型，因此建立实用的数据交换格式和信息标准将是一个长期、复杂过程。1.2空间数据的管理空间数据的管理涉及到二个方面的内容：空间数据模型和空间数据库。空间数据模型刻画了现实世界中空间实体及其相互间的联系，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供了基本的方法。因此，空间数据模型的研究对设计空间数据库和发展新一代GIS系统起着举足轻重的作用。在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象(要素)(Feature)的模型、场(Field)模型以及网络(Network)模型。目前GIS基础软件平台的研制和应用系统的设计开发一直沿用这三种空间数据模型，但这些模型在空间实体间的相互关系及其时空变化的描述与表达、数据组织、空间分析等方面均有较大的局限性，难以满足新一代GIS基础软件平台和应用系统发展的要求。主要表现为：（1）仅能表达空间点、线、面目标间极为有限的简单拓扑关系，且这些拓扑关系的生成与维护耗时费力；（2）难以有效地表达现实三维空间实体及其相互关系；（3）适于记录和表达某一时刻空间实体性状及相互间关系静态分布，难以有效地描述和表达空间实体及其相互间关系的时空变化；（4）没有考虑异地、异构、异质空间数据的互操作和分布式“对象”处理等问题。针对上述不足，时空数据模型、三维数据模型、分布式空间数据管理、GIS设计的CASE工具等研究已成为当前国际上GIS空间数据模型研究的学术前沿。5/16鉴于现实世界对象众多，空间关系复杂，需要大量的数据来描述它们的关系，因此，我们必须对这些复杂的数据进行有效的管理。地理信息系统的空间数据管理方式大体上可以分为以下几类：(1)基于文件系统的方式：这种方式直接采用文件系统来存储和管理空间数据，系统结构简单，便于操作，但提供的功能非常有限。它适合小型GIS系统，难以满足当前GIS对空间数据管理的需求。(2)基于文件系统与数据库的混合组织管理方式：这种方式基于传统的关系数据库系统来存储地理空间对象的属性数据，而以文件方式来存储空间数据。目前的大多数桌面GIS系统均采用此种方式。这种方法对于特定文件格式GIS数据的处理效率较高，但它在数据的一致性维护、并发控制以及海量空间数据的存储管理等方面能力较弱。(3)扩展关系数据库的组织管理方式：这种方式将空间数据和属性数据都存储于关系型数据库中，通过在关系型数据库之上建立一层空间数据库功能扩展模块（通常被称为空间数据引擎）来实现对空间数据的组织管理。目前主流的GIS软件都采用这种方式同时管理图形和属性数据。如国外的ARC/INFO、GEOMEDIA，国内的MAPGIS、GEOSTAR、SUPERMAP等。这种方法可以利用成熟的关系型数据库技术来方便地实现GIS数据的一致性维护、并发控制、属性数据的索引等。当然，数据库本身并不直接支持对空间对象的操作和管理，而是通过空间数据引擎来实现。(4)基于空间数据库的组织管理方式：基于空间数据模型，直接构建用来存储和管理空间数据和属性数据的空间数据库系统来管理数据。它包含结合几何和属性信息的框架，提供并支持空间数据的类型、查询语言和接口、高效的空间索引和空间联合等。空间数据库直接支持空间对象的存储和管理，为空间数据提供了高效的查询和检索机制，是目前GIS数据管理技术研究的热点。目前空间数据库的实现主要有两种方式：6/16面向对象数据库方式和对象关系型数据库方式。前者将对象的空间数据和非空间数据以及操作封装在一起，由对象数据库统一管理，并支持对象的嵌套、信息的继承和聚集，这是一种非常适合空间数据管理的方式。但目前该技术尚不成熟，特别是查询优化较为困难。对象关系型数据库是目前空间数据库的主要技术，它综合了关系数据库和面向对象数据库的优点，能够直接支持复杂对象的存储和管理。GIS软件直接在对象关系数据库中定义空间数据类型、空间操作、空间索引等，可方便地完成空间数据管理的多用户并发、安全、一致性/完整性、事务管理、数据库恢复、空间数据无缝管理等操作。因此，采用对象关系型数据库实现对GIS数据的管理是实现空间数据库的一种较为理想的方式。当前，一些数据库厂商都推出了空间数据管理的专用模块，如IBMInformix的SpatialDataBladeModule，IBMDB2的SpatialExtender和Oracle的OracleSpatial等，尽管其功能有待进一步完善，但已给GIS软件开发带来了极大的方便。在传统的空间数据管理模式中，由于文件系统管理海量数据的能力较弱，因此在空间数据的组织上，在水平方向上采用图幅的方式，在垂直方向上采用图层的方式。这种组织方式主要存在以下不足：需要进行图幅的拼接，效率较低；一个空间对象可能存储在多个图层上，造成数据的冗余和难于维护数据的一致性。采用空间数据库的方式可以在数据库中直接存储整个地图，能方便地实现空间对象的查询和抽取。当前一些GIS系统中已经开始使用要素类来实现对空间对象的组织，如ArcGIS的GeoDatabase等，这种方式按照实体类来组织空间对象，符合空间对象管理的本质，一个空间对象可以被多个图层或视图引用，机制较为灵活，解决了传统方式中的空间对象的一致性问题。空间数据库的另二个重要部分是空间索引和空间查询语言。