地理信息系統(tǒng)(GIS)的技術(shù)分析

孫劍橋

（黑龍江工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

1 數(shù)據(jù)標準化(interoperableGIS)

目前的地理信息系統(tǒng)大多是基于具體的、相互獨立和封閉的平臺開發(fā)的，它們采用不同的數(shù)據(jù)格式，對地理數(shù)據(jù)的組織也有很大的差異。這使得在不同軟件上開發(fā)的系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換存在困難采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準也只能部分地解決問題。另外，不同的應(yīng)用部門對地理現(xiàn)象有不同的理解。對地理信息有不同的數(shù)據(jù)定義，這就阻礙了應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，帶來了領(lǐng)域間共同協(xié)作時信息共享和交流的障礙，限制了地理信息系統(tǒng)處理技術(shù)的發(fā)展。

地理數(shù)據(jù)的繼承與共享、地理操作的分布與共享、GIS的社會化和大眾化等客觀需求，使得盡可能降低采集、處理地理數(shù)據(jù)的成本以及實現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的共享和互操作成為共識。互操作地理信息系統(tǒng)的出現(xiàn)就是為了解決傳統(tǒng)GIS開發(fā)方式帶來的數(shù)據(jù)語義表達上不可調(diào)和的矛盾，這是一個新的GIS系統(tǒng)集成平臺，它實現(xiàn)了在異構(gòu)地學(xué)下多個地理信息系統(tǒng)之間的互相通信和協(xié)作，以完成某一特定任務(wù)。

2 數(shù)據(jù)多維化(3D&4DGIS)

GIS處理的空間數(shù)據(jù)，從本質(zhì)上說是三維連續(xù)分布的。但是，目前GIS的主要應(yīng)用還停留在處理地球表面的數(shù)據(jù)上，大多數(shù)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)，這主要是因為三維GIS在數(shù)據(jù)的采集、管理、分析、顯示和系統(tǒng)設(shè)計等方面要比二維GIS復(fù)雜得多。盡管有些GIS軟件還采用建立數(shù)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自然和人工景觀就顯得無能為力，只能把它們先投影到地表，再進行處理，這種方式實際上還是以二維的形式來處理數(shù)據(jù)的。這種試圖用二維系統(tǒng)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GIS目前的研究重點集中在三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如數(shù)字表面模型、斷面、柱狀實體等)的設(shè)計、優(yōu)化與實現(xiàn)，以及可視化技術(shù)的運用、三維系統(tǒng)的功能和模塊設(shè)計等方面。

另一方面，地理信息系統(tǒng)所描述的地理對象往往具有時間屬性，即時態(tài)。隨著時間的推移，地理對象的特征會發(fā)生變化，而這種變化可能是很大的，但目前大多數(shù)地理信息系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域的要求都是基于時間特征的，如區(qū)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(yīng)用背景，僅采取作為屬性數(shù)據(jù)庫中的一個屬性不能很好地解決問題，因此，如何設(shè)計并運用四維GIS來描述、處理地理對象的時態(tài)特征也是GIS的一個重要研究領(lǐng)域。

3 系統(tǒng)集成化(componentGIS)

構(gòu)件式軟件技術(shù)成為了當今軟件技術(shù)的潮流之一，它的出現(xiàn)改變了以往封閉、復(fù)雜、難以維護的軟件開發(fā)模式。ComGIS便是順應(yīng)這一潮流的新一代地理信息系統(tǒng)，是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和構(gòu)件式軟件技術(shù)在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用。

ComGIS的基本思想是把GIS的功能模塊劃分為多個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其它非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應(yīng)用?？丶缤欢迅魇礁鳂拥姆e木，可以分別實現(xiàn)不同的功能(包括GIS和非GIS功能)，根據(jù)需要把實現(xiàn)各種功能的“積木”搭建起來，就構(gòu)成地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)。

組件軟件的可編程和可重用的特點在為系統(tǒng)開發(fā)商提供有效的系統(tǒng)維護方法的同時，也為GJS最終用戶提供了方便的二次開發(fā)手段。因此，ComGIS會在很大程度上推動GIS軟件的系統(tǒng)集成化和應(yīng)用大眾化，同時也很好地適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，是一種WebGIS的解決方案。

4 平臺網(wǎng)絡(luò)化(WebGIS)

飛速發(fā)展的Internet/Intranet己經(jīng)成為GIS新的系統(tǒng)平臺，利用Internet技術(shù)在web上發(fā)布空間數(shù)據(jù)供用戶瀏覽和使用是GIS發(fā)展的必然趨勢。從www的任一節(jié)點，Internet用戶可以瀏覽WebGIS站點中的空間數(shù)據(jù)、制作專題圖，進行各種空間檢索和空間分析，這就是基于www的地理信息系統(tǒng)(WebGIS)。WebGIS顯然要求支持Internet/Intranet標準，具有分布式應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，它可以看作是由多主機、多數(shù)據(jù)庫與多臺終端通過Internet/Intranet組成的網(wǎng)絡(luò)。其網(wǎng)絡(luò)Client端為GIS功能層和數(shù)據(jù)管理層，用以獲得信息和各種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)Serve:端為數(shù)據(jù)維護層，提供數(shù)據(jù)信息和系統(tǒng)服務(wù)。

WebGIS系統(tǒng)可以分為四個部分:WebGIS瀏覽器，用以顯示空間數(shù)據(jù)信息并支持Client端的在線處理，如查詢和分析等;WebGIS信息代理，用以均衡網(wǎng)絡(luò)負載，實現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)化;WebGIS服務(wù)器，用以滿足瀏覽器的數(shù)據(jù)請求，完成后臺空間數(shù)據(jù)庫的管理;WebGIS編輯器，提供導(dǎo)入空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的功能，形成完整的GIS對象、GIS模型和GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的編輯和表現(xiàn)環(huán)境。

5 系統(tǒng)智能化(CyberGIS)

賽博空間(CyberSpace)目前在媒體中較多出現(xiàn)，它以計算機技術(shù)、現(xiàn)代通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的綜合應(yīng)用為基礎(chǔ)，構(gòu)造出一種人們進行社會交往和交流的新型空間，是一個人工世界?？茖W(xué)家預(yù)言未來的人們將在賽博空間里的信息海洋中生活，從一個節(jié)點到另一個節(jié)點，從一個信息源到另一個信息源進行信息交流和信息創(chuàng)造。世界各地的人們在全新的賽博空間中漫游，實現(xiàn)相互之間的通信、貿(mào)易和科教活動。

作為軟件智能體的一種，空間智能體處于分布式網(wǎng)絡(luò)計算環(huán)境中，感知并作用于這一環(huán)境，以各種不同的形式出現(xiàn)，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的智能獲取、處理、存儲、搜索、表現(xiàn)以及決策支持。這種空間智能體擁有兩種非常重要的能力: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作為構(gòu)成模塊的GIS系統(tǒng)就是CyberGIS，它自動地接受用戶以高級語言描述的指令利用它能夠感知并作用于所處的賽博空間的“本領(lǐng)”。通過與其他空間智能體的交互，為用戶找到賽博空間中所需要的信息。

6 應(yīng)用社會化(數(shù)字地球)

數(shù)字地球一詞近來風靡全球，從哲學(xué)上說，數(shù)字地球是對真實地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一性的數(shù)字化的重現(xiàn)與認識。從技術(shù)上說，數(shù)字地球是一人在全球范圍內(nèi)建立的一個以空間位置為主線，將信息組織起來的復(fù)雜系統(tǒng)，也就是全球范圍的、以地理位置及其相互關(guān)系為基礎(chǔ)而組成的信息框架，并在該框架內(nèi)嵌入我們所能獲得的信息的總稱。

數(shù)字地球在當前以工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟為主體的經(jīng)濟建設(shè)中的重大作用已初見端倪，它在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、地礦、交通、通訊、教育、環(huán)境、人口、城市建設(shè)等幾十個領(lǐng)域都能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和杜會效益，比如農(nóng)作物監(jiān)測和估產(chǎn)、土地覆蓋物的識別和評價、地籍的管理和規(guī)劃、災(zāi)害的模擬和預(yù)報以及監(jiān)測和評估等。

作為新的凝聚全人類夢想的目標，數(shù)字地球提供了一種前所未有的認識地球的方式，它將對人類與自然的協(xié)調(diào)和平衡帶來不可估量的推進作用。

GIS未來的發(fā)展主要表現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS在內(nèi)容(3D&4DGIS、CyberGIS)和結(jié)構(gòu)(Interoperable GIS、ComGIS、WebGIS)兩方面的完善，這兩個方面都將統(tǒng)一于數(shù)字地球框架下。從另一個角度來看，GIS的發(fā)展首先面臨著GIS應(yīng)用領(lǐng)域的具體需求，然后在相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展和完善下得以實現(xiàn)，而數(shù)字地球作為“集大成者”，無疑是GIS最終的發(fā)展目標。

7 總結(jié)

GIS是20世紀60年代開始迅速發(fā)展起來的地理學(xué)研究技術(shù)，是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物。雖然不同領(lǐng)域的學(xué)者對GIS的定義并不一致，但廣義而言，凡是對空間資料進行各種處理、應(yīng)用、分析的系統(tǒng)均可稱之為地理信息系統(tǒng)，它具備地理信息的獲取、存儲、檢索、處理、分析和顯示等功能。

用戶的需要、技術(shù)的進步和應(yīng)用方法理論的提高等因素，深深地影響著GIS的發(fā)展，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的飛速發(fā)展更是大大加速了GIS普及應(yīng)用的進程，最終將幫助人類實現(xiàn)建立“數(shù)字化地球”的夢想。

[1]田麗.地理信息系統(tǒng)的技術(shù)分析中國地名2003-07-30.