中国地理信息系统的发展与展望

2013年.第28卷.增刊从空间看地球：遥感发展五十年中国地理信息系统的发展与展望中国地理信息系统的发展与展望*周成虎1杨崇俊2景宁3刘耀林4（1中国科学院地理科学与资源研究所资源环境信息系统国家重点实验室北京1001012中国科学院遥感与数字地球研究所北京1001013国防科技大学长沙4100734武汉大学武汉430079）*收稿日期：2013年4月1日关键词地理信息系统，地理信息服务，云计算DOI：10.3969/j.issn.1000-3045.2013.Z01.010摘要经过30多年的发展，我国地理信息系统的理论与方法、技术与软件、应用与服务等，均取得了长足的进步。国产GIS软件趋于成熟，并开始走向世界；应用试验进一步拓展到经济社会、卫生健康、公共安全与减灾防灾等领域，互联网地图为社会公众提供了实时的地理信息服务。密切结合移动互联网、云计算、智慧地球等的发展，GIS迎来了新地理信息时代，创新地理知识、共享地理价值将成为时代特色。地理信息系统（GIS）是一门获取、处理和分析地理空间信息的科学技术领域[1]。在国际上，GIS启蒙于20世纪60年代，经历了20世纪70年代的巩固发展、80—90年代的应用发展、21世纪10年代地理信息普及化推广等不同的发展阶段[2]。当今，地理信息系统技术、地理信息科学和地理信息服务呈现一体化发展的综合趋势[3]，空间数据挖掘与知识发现、地理信息服务等成为前沿研究方向[4]，智慧城市、生态文明建设等成为新的应用增长点。1我国地理信息系统的起源与发展历程我国GIS的发展起步于20世纪80年代初期。1978年杭州遥感学术讨论会上，陈述彭院士主张将地理信息系统作为一个新学科和技术领域分支提出，并得到国内同行的响应。综述过去30多年的发展，我国GIS发展历程可归纳总结为以下5个阶段[5-8]：（1）准备阶段（1978—1980年）：此阶段主要是提出倡议,进行舆论准备,组建队伍,开展地理信息系统的相关研究。特别是在全国科技力量协作开展的腾冲联合航空遥感试验（1978—1980年）中，第一次建立了地理信息分析学科组，以统计、地图和航天遥感为信息源，探讨统计自动制图、数字地面模型和数字遥感图像处理分析等联合地理信息分析工作，成为我国GIS的启蒙性研究。（2）起步阶段（1980—1985年）：此阶段以1980周成虎研究员84中国科学院院刊从空间看地球：遥感发展五十年中国地理信息系统的发展与展望年1月19日成立的中科院遥感应用所GIS研究室为标志，揭开了我国GIS研究与应用的序幕；1983年，陈述彭先生发表了“地理信息系统的探索与试验”一文，确定了地理基础、标准化和数字化、多维结构为GIS的3大基本构成，并论述了GIS的基本特征。1984年颁布的《资源与环境国家信息系统规范报告》被认为是我国GIS及其标准化的纲领，1985年筹建的资源与环境信息系统国家重点实验室标志着我国GIS的发展全面起步。（3）应用推进阶段（1986—2000年）：此阶段的标志是从我国第七个“五年计划”开始，并连续3个“五年计划”，GIS作为国家级科研项目列入国家科技攻关计划，政府进行有计划、有步骤地推进我国GIS的技术研发与应用研究。特别是1996年开始的“九五”攻关计划，将国产GIS软件作为重点支持方向，有力促进了GIS软件的国产化发展。1987年召开的第一届北京国际GIS学术讨论会实现了我国GIS与国际的对接。大学本科GIS教育体系基本形成，全国120多所大学招收本学生和研究生。（4）产业化推进阶段（2001—2010年）：此阶段标志是国产GIS软件日趋成熟，形成与国际品牌GIS软件竞争的局面；国家基础GIS全面建成，并投入公众服务体系；导航地图产业发展迅速，网络地图服务成为各大互联网站的基本服务。地理信息产业被国家纳入战略性新兴产业发展体系。（5）创新跨越发展阶段（2011至今）：在今后的10多年里，随着Web3.0、移动互联网、数据库集群、多核处理器、云计算和传感器网络等技术的革新与新技术的发明、应用的深化与普及，在包括部门专业化应用和大众普及化应用及社会化应用的驱动下，在地理信息科学的理论方法支持下，GIS将迎来一个新的发展时代[9]，通过自主创新，促进我国GIS的跨越发展，进入国际发展的先进行列。2我国地理信息系统研究的最新进展最近10多年来，在国家高技术研究与发展计划、国家重大基础研究计划、国家自然科学基金、科技支撑、基础条件平台等国家科研与产业化计划的支持下，我国地理信息科学与技术取得了长足的发展，地理信息科学理论与方法不断深化，GIS基础软件与应用软件蓬勃发展，GIS应用不断拓展，地理信息服务蒸蒸日上。我国GIS整体发展已进入国际先进行列。2.1基础软件与核心前沿技术GIS软件是现代地理信息产业的重要组成和核心基础软件。早在20世纪80年代，国际上有20多款GIS的基础软件，但经过50多年的发展，Arc-GIS成为国际上处于垄断地位的基础软件。最近20年，我国的GIS技术得到巨大发展，研发出Su-perMap、MapGIS、BeyonDB、GeoBean、GeoGlobe、Titan等自主品牌的基础软件，国内市场占有率超过60%，SuperMap和MapGIS也开始进入国际市场，形成了与国际品牌软件竞争的新态势。新一代GIS软件的核心技术得到突破，网格GIS、三维GIS等核心技术取得突破。2.1.1国产品牌基础软件发展基础软件和应用软件是支撑GIS应用与产业化发展的重要基础之一，也是GIS发展的3大基石之一。自1987年第一套国际GIS软件ArcInfo被引入中国以来，我国GIS技术得到了快速发展，国产GIS软件的研发与产业发展走过了引进、消化、吸收和再创新的发展道路，以SuperMap、MapGIS、GeoBeans、GeoGlobe等为代表的国产GIS基础软件和应用软件已经形成品牌，在国土资源、测绘、环保、基础设施管理等行业与部门得到广泛地应用，并逐步进入国际市场。国产GIS平台软件的成功研发和广泛应用，提升了我国GIS软件研发和应用水平，使我国的GIS技术水平基本达到国际同等先进水平，提升了国家战略安全。SuperMapGIS以组件技术为核心，通过共相式GIS技术创新，形成了共相式、服务式和真空间GIS3大技术体系，从核心上解决了高性能和跨平台等关键技术问题，实现了GIS内核从32位向64位的跨越，为云GIS技术的发展奠定了基础。其主852013年.第28卷.增刊从空间看地球：遥感发展五十年中国地理信息系统的发展与展望要特色如下：（1）共相式GIS技术体系：为适应IT技术发展带来的硬件与操作系统等运行环境变化，借鉴哲学“共相”（Universal）思想，采用标准的C++自主研发了共相式GIS内核（UGC）。基于微内核技术，可一次编写代码，针对多平台编译，实现了GIS软件的跨平台，成功地实现了UGC从32位向64位的迁移，为SuperMapGIS的可持续发展奠定了坚实的基础。（2）服务式GIS技术体系：随着面向服务架构（SOA）技术发展和IT应用的服务化，以及OGC的WMS、WFS、WCS和WPS规范的提出，使GIS组件接口的Web服务化成为必然。基于SOA的相关标准，以UGC为内核，创新了服务器端服务聚合技术，支持XML与JSON格式以及SOAP和REST协议，集成了客户端mushup技术和RIA技术，形成了跨平台的服务式GIS（ServiceGIS）技术。（3）真空间GIS技术体系：针对三维GIS应用的发展，在UGC内核中集成了三维GIS数据模型，支持地心坐标系和海量三维空间数据管理，扩展了三维GIS数据处理、分析和可视化功能，形成了二、三维一体化的真空间GIS技术体系。MapGIS是我国自主开发最早的软件平台之一，最新发布的MapGISK9是应用新一代面向服务的悬浮式体系架构技术率先推出的可视化开发平台，完全支持面向专业领域的空中、地上、地表、地下一体化真三维模型分析和处理。其主要特色体现在以下4方面：（1）体系结构。率先在GIS平台上实现了分布式多层多级体系结构，即“纵向多级、横向网格”的架构，采用“面向服务”的思想设计，可构建分布式多级服务器协同工作环境，为进一步提升到云GIS奠定基础。（2）二次开发模式。率先建立了新一代GIS的二次开发模式，进行基于插件式、配置式、搭建式的零编程二次开发。搭建平台是新一代面向分布式服务组件的二次开发平台，主要包括“业务逻辑分析处理器”、“工作流控制器”、“信息系统集成搭建平台”。采用基于网络控制的工作流模型，实现了业务的灵活调整和定制。支持多用户在线、多事务并发等应用模式，拥有可视化的工作流开发环境，只需拖拽相应事件元素即可设计出相应的业务流程，不需要编码或者小量编码即实现复杂应用，可将开发周期缩短50%—80%，实现“一次搭建、处处运行”。（3）集成模式。通过“数据中心+数据仓库”的架构实现多数源/多尺度的数据集成，通过“软件框架+软件插件”的形式实现多行业/多应用的系统集成。（4）先进算法。研制基于多重四叉树的编码索引技术、LOD-OR树三维空间矢量数据索引编码技术等。2.1.2核心技术与前沿技术针对地理信息服务的应用需求，密切结合IT的最新技术发展，重点开展了网格GIS、真三维GIS和高可信空间数据管理系统等方面的研究，突破了一批核心技术与关键技术：（1）提出和制定了我国新一代GIS发展的规范标准。系统地开展了空间数据转换与服务、空间数据库互操作、基于Web服务的异构GIS数据互操作等3方面研究，制定了基于网络服务的空间数据互操作、基于应用程序接口的开放式空间数据互联、地图符号表示共享、城市三维建模技术规范等国家和行业标准[10]。（2）突破了高性能网格GIS的核心技术。面向主流网格计算技术和国产品牌GIS基础平台的发展，突破了网格GIS微内核架构、分布式空间索引、空间查询语言全局解析、分布式空间信息安全机制、全局空间事务执行管理、网格环境下的空间资源一致性问题、网格GIS中的负载均衡与容错、异构GIS软件高效互联互访、平台无关的数据存储管理及可视化等20多项核心技术，研制了全自主产权、高性能的大型网格GIS软件原型系统——Map-GISGrid。86中国科学院院刊从空间看地球：遥感发展五十年中国地理信息系统的发展与展望（3）创新发展了高安全级空间数据库管理的核心技术。提出并实现了规模可伸缩空间数据库模型和“插线板式”DBMS系统架构，形成了精简高效内核；解决了数据库空间数据类型定义、空间数据存储、空间索引、空间算子与函数、空间长事务处理、空间查询优化6大核心技术问题，实现了高效空间数据管理内核；建立了国家三级标准高安全技术体系，创新研制了基于“空间作用域”的安全增强技术体系，真正实现了在DBMS内核层次对空间数据的访问控制；实现了具有全局概念模式的分布式数据库系统架构，建立了高可用数据库集群技术体系，突破了基于节点状态的动态负载均衡方法和基于互备日志的分布式事务提交协议两项分布式计算核心技术，开发出我国第一款空间数据库管理系统——BeyonDB。（4）突破了真三维地理信息系统技术。构建了地上与地下、室内与室外目标的统一表示，离散对象与连续场的统一表示，多尺度几何模型信息与多层次语义拓扑信息的统一表示的模型方法，突破了多层次三维空间索引、自适应多级缓存与多线程协同、场景几何与纹理数据的优化重组，以及大规模三维复杂场景实时可视化的服务器集群/客户端异步装载等关键技术，形成真三维GIS的技术体系，自主研发了三维GIS软件GeoScope。（5）研发了一系列高性能的空间分析中间件。自主研发了一套支持多核和机群混合计算模式的空间（统计）分析并行算法，构建了遵循OpenGIS规范研发并行空间（统计）分析中间件，为解决海量空间数据处理与分析提供新的技术基础。从国际发展现状与态势来看，三维GIS、云GIS均属前沿发展方向，而我国这方面研究的起步较早，处于国际研究的同等水平。2.2地理信息共享与互操作标准规范地理信息规范与标准是发展地理信息产业、推动地理信息共享的