地理信息系統（GIS）的前沿技術綜述

從系統角度看，在將來的幾十年內。地理信息將向着數據標準化（interoperable GIS）、數據多維化（3D&4D GIS）系統集成化（componentGIS）、系統智能化（CybeGIS）、平臺網絡化（WebGIS）和應用社會化（數字地球）的方向發展。
　　一、Interoperable GIS 　　目前的地理信息系統大可能是基於具體的、相互獨立和封閉的平臺開發的，它們採用不一樣的數據格式，對地理數據的組織也有很大的差別。這使得在不一樣軟件上開發的系統之間的數據交換存在困難，採用數據轉換標準也只能部分地解決問題。另外，不一樣的應用部門對地理現象有不一樣的理解。對地理信息有不一樣的數據定義，這就阻礙了應用系統之間的數據共享，帶來了領域間共同協做時信息共享和交流的障礙，限制了地理信息系統處理技術的發展。
　　地理數據的繼承與共享、地理操做的分佈與共享、GIS的社會化和大衆化等客觀需求，使得儘量下降採集、處理地理數據的成本以及實現地理數據的共享和互操做成爲共識。互操做地理信息系統的出現就是爲了解決傳統GIS開發方式帶來的數據語義表達上不可調和的矛盾，這是一個新的GIS系統集成平臺，它實現了在異構地學下多個地理信息系統之間的互相通訊和協做，以完成某一特定任務。
　　1996年，美國成立了開放地理信息系統聯合會（OGC,Open Gis Consortium)旨在利用其提出的開放地理數據互操做規範(OGIS)給出一個分佈式訪問地理數據和得到地理數據處理能力的軟件框架，各軟件開發商能夠經過實現和使用規範所描述的公共接口模板進行互操做。0GIS規範是互操做GIS研究中的重大進展，它在傳統地理信息系統軟件和將來的高帶寬網絡環境下的異構地學處理環境之間架起一座橋樑。目前，0GIS規範初具規模，不少GIS軟件開發商也前後聲明支持該規範。國內的一些具備戰略眼光的GIS軟件商也在密切關注着OGIS規範，並已着手開發遵循該規範的基礎性GIS軟件。
　　二、3D＆4DGIS
　　GIS處理的空間數據，從本質上說是三維連續分佈的。可是，目前GIS的主要應用還停留在處理地球表面的數據上，大多數 GIS平臺都支持點、線、面三類空間物體，不能很好地支持曲面(體)，這主要是由於三維GIS在數據的採集、管理、分析、顯示和系統設計等方面要比二維GIS複雜得多。儘管有些GIS軟件還採用創建數字高程模型的方法來處理和表達地形的起伏，但涉及到地下和地上的三維的天然和人工景觀就顯得無能爲力，只能把它們先投影到地表，再進行處理，這種方式實際上仍是以二維的形式來處理數據的。這種試圖用二維繫統來描述三維空間的方法，必然存在不能精確地反映、分析和顯示三維信息的問題。
　　三維G1S目前的研究重點集中在三維數據結構(如數字表面模型、斷面、柱狀實體等)的設計、優化與實現，以及可視化技術的運用、三維繫統的功能和模塊設計等方面。
　　另外一方面，地理信息系統所描述的地理對象每每具備時間屬性，即時態。隨着時間的推移，地理對象的特徵會發生變化，而這種變化多是很大的，但目前大多數地理信息系統都不能很好地支持地理對象和組合事件時間維的處理。許多GIS應用領域的要求都是基於時間特徵的，如區域人口的變化、平均年齡的變化、洪水最高水位的變化等。對這樣的應用背景，僅採起做爲屬性數據庫中的一個屬性不能很好地解決問題，所以，如何設計並運用四維GIS來描述、處理地理對象的時態特徵也是GIS的一個重要研究領域。
　　三、Component GIS(ComGIS)
　　構件式軟件技術成爲了當今軟件技術的潮流之一，它的出現改變了以往封閉、複雜、難以維護的軟件開發模式。 ComGIS即是順應這一潮流的新一代地理信息系統，是面向對象技術和構件式軟件技術在 GIS軟件開發中的應用。
　　ComGIS的基本思想是把GIS的功能模塊劃分爲多個控件，每一個控件完成不一樣的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其它非GIS控件之間，能夠方便地經過可視化的軟件開發工具集成起來，造成最終的GIS應用。控件如同一堆各式各樣的積木，能夠分別實現不一樣的功能(包括GIS和非GIS功能)，根據須要把實現各類功能的「積木」搭建起來，就構成地理信息系統基礎平臺和應用系統。
　　組件軟件的可編程和可重用的特色在爲系統開發商提供有效的系統維護方法的同時，也爲GIS最終用戶提供了方便的二次開發手段。所以，ComGIS會在很大程度上推進GIS軟件的系統集成化和應用大衆化，同時也很好地適應了網絡技術的發展，是一種 WebGIS的解決方案。
　　目前，國內外一些著名的GIS軟件廠商都推出了基於COM技術的GIS軟件。ComGIS的出現給國內GIS基礎軟件的開發提供了一個良好的機遇，它打破了GIS勘出軟件由幾個廠商壟斷的格局，開闢了以提供專業組件來打入GIS市場的新途徑。
　　四、WebGIS
　　飛速發展的Internet／Intranet已經成爲GIS新的系統平臺，利用Internst技術在 web上發佈空間數據供用戶瀏覽和使用是GIS發展的必然趨勢。從www的任一節點，Internet用戶能夠瀏覽WebGIS站點中的空間數據、製做專題圖，進行各類空間檢索和空間分析，這就是基於www的地理信息系統 (WebGIS)。 WebGIS顯然要求支持Internet ／Intranet標準，具備分佈式應用體系結構，它能夠看做是由多主機、多數據庫與多臺終端經過Internet／Intranet組成的網絡。其網絡Client端爲GIS功能層和數據管理層，用以得到信息和各類應用網絡Server端爲數據維護層，提供數據信息和系統服務。
　　WebGIS系統能夠分爲四個部分：webGIS瀏覽器，用以顯示空間數據信息並支持Client端的在線處理，如查詢和分析等；WebGIS信息代理，用以均衡網絡負載，實現空間信息網絡化；WebGIS服務器，用以知足瀏覽器的數據請求，完成後臺空間數據庫的管理；WebGIS編輯器，提供導入空間數據庫數據的功能，造成完整的GIS對象、GIS模型和GIS數據結構的編輯和表現環境。
　　目前， WebGIS的實現方法有Java編程法、Active法、公共網絡接口法(CGl)、服務器應用程序接口法(ServerAPl)和插件法 (PlUgins)等。國外ESRI、 Maplnfo、 Intergraph、 AutoDesk等公司已經提供了他們各自的WebGIS解決方案，國內的武漢測繪科技大學實現了Internet GeoStar；北京大學李瘍教授、許卓羣教授和中科院遙感應用研究所楊崇俊研究員各自領導的課題組都在從事WebGIS開發，許多其餘的GIS公司也在WebGIS方面作了不少工做。
　　WebGIS是GIS走向杜會化和大衆化的有效途徑，也是GIS發展的必由之路。
　　五、CyberGIS
　　賽博空間(CyberSpace)目前在媒體中較多出現，它以計算機技術、現代通信、網絡技術、虛擬現實技術的綜合應用爲基礎，構造出一種人們進行社會交往和交流的新型空間，是一我的工世界。科學家預言將來的人們將在賽博空間裏的信息海洋中生活，從一個節點到另外一個節點，從一個信息源到另外一個信息源進行信息交流和信息創造。世界各地的人們在全新的賽博空間中漫遊，實現相互之間的通訊、貿易和科教活動。
　　計算機軟件技術發展經歷了從軟件的模塊化到軟件的對象化轉變的過程，目前，正在進一步向軟件的智能化發展。軟件智能體 (Agent)是軟件設計進一步抽象的結果，是爲適應普遍的分佈式網絡計算環境而發展起來的軟件技術方向。麻省理工學院媒體實驗室主任貝蒂·梅斯(PatieMaes)認爲：軟件智能體是「駐留在複雜動態環境中的計算機系統，它們自覺地感知環境並做用於環境，從而實現設定的目標或任務。」
　　做爲軟件智能體的一種，空間智能體處於分佈式網絡計算環境中，感知並做用於這一環境，以各類不一樣的形式出現，實現空間數據的智能獲取、處理、存儲、搜索、表現以及決策支持。這種空間智能體擁有兩種很是重要的能力：一是利用空間知識進行推理，二是可進化。
　　在賽博空間中以這種空間智能體做爲構成模塊的GIS系統就是CyberGIS，它自動地接受用戶以高級語言描述的指令，利用它可以感知並做用於所處的賽博空間的「本領」。經過與其餘空間智能體的交互，爲用戶找到賽博空間中所須要的信息。
　　六、數字地球
　　數字地球一詞近來風靡全球，從哲學上說，數字地球是對真實地球及其相關現象統一性的數字化的重現與認識。從技術上說，數字地球是一人在全球範圍內創建的一個以空間位置爲主線，將信息組織起來的複雜系統，也就是全球範圍的、以地理位置及其相互關係爲基礎而組成的信息框架，並在該框架內嵌入咱們所能得到的信息的總稱。
　　數字地球在當前以工農業經濟爲主體的經濟建設中的重大做用已初見端倪，它在農業、林業、水利、地礦、交通、通信、教育、環境、人口、城市建設等幾十個領域都能產生巨大的經濟效益和杜會效益，好比農做物監測和估產、土地覆蓋物的識別和評價、地籍的管理和規劃、災害的模擬和預報以及監測和評佑等。
　　做爲新的凝聚全人類夢想的目標，數字地球提供了一種史無前例的認識地球的方式，它將對人類與天然的協調和平衡帶來不可估量的推動做用。
　　GIS將來的發展主要表現爲傳統GIS在內容(3D＆4DGIS、 CyberGIS)和結構 (Interoperable GIS、 CompGIS、 WGbGIS) 兩方面的完善，這兩個方面都將統一於數字地球框架下。從另外一個角度來看， GIS的發展首先面臨着GIS應用領域的具體需求，而後在相關支撐技術的發展和完善下得以實現，而數字地球做爲「集大成者」，無疑是GIS最終的發展目標。
　　GIS從學術研究走向產業化(總結）
　　GIS從學術研究走向產業化。地理信息系統的英文縮寫爲GIS，它是20世60年代開始迅速發展起來的地理學研究技術，是多種學科交叉的產物。雖然不一樣領域的學者對GIS的定義並不一致，但廣義而言，凡是對空間資料進行各類處理、應用、分析的系統都可稱之爲地理信息系統，它具有地理信息的獲取、存儲、檢索、處理、分析和顯示等功能。
　　用戶的須要、技術的進步和應用方法理論的提升等因素，深深地影響着GIS的發展，而網絡技術突飛猛進的飛速發展更是大大加速了GIS普及應用的進程，最終將幫助人類實現創建「數字化地球」的夢想。