GIS的现状与发展.docx

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GIS的现状与发展

湖北文理学院

毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

21世纪GIS发展趋势及误区分析　

学院　继续教育学院

专业　　计算机应用技术

层次　　专科

学生　　陈岸

指导教师　　

2016年　5　月　20　日

21世纪GIS发展趋势及误区分析

专业：

计算机应用技术学号：

201421451姓名：

陈岸指导教师：

摘要：

21世纪是一个信息时代，它带给GIS的是机遇和挑战，带给GIS工作者的是对GIS未来的思考。

在对GIS的发展进行总结的基础上，首先分析了21世纪GIS发展的若干趋势：

WebGIS、无线WebGIS、3S集成的进一步研究、3D/4DGIS的完善和发展、GIS数据真正意义上的共享、CyberGIS的出现和发展，以及GIS组件库的社会化生产。

同时分别指出了发展的关键问题所在；然后针对GIS发展过程中存在的一些问题，讨论了在GIS发展中应该避免的误区。

关键词：

GIS；WebGIS；3DGIS；GIS组件；CyberGIS；虚拟现实

TheAnalysisofGISDevelopmentTrendsandProblems

inthe21stCentury

Abstract:

The21stcenturyisaninformationage.ItnotonlybringsGIStechnologyopportunitiesandchallenges,butalsobringsusGISpursuerstheconsiderationofGISfuture.OnthebasisofGISpastdevelopmentsumming-up,firstly,theauthorsanalyzetheGISdevelopmenttrendsinthenewcentury,namelyWebGIS,wirelessWebGIS,thefurtherstudyof3Sintegration,3D/4DGISperfection,GISdatatrueshare,theappearanceanddevelopmentofCyberGIS,andsocializationproductionofGIScomponentswarehouse.Theyalsogivetheirdevelopmentalkeyrespectively.Secondly,Theydiscusssomeproblems,whichshouldbeavoidedintheGISdevelopingprocess.

Keywords:

GIS;WebGIS;3DGIS;GIScomponents;CyberGIS;VirtualReality

一、引言

自60年代以来，随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。

近年来，GIS被世界各国普遍重视，尤其是1998年初，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心所作的题为“数字地球--认识21世纪我们这个星球”的讲话中提出的新概念在全球掀起了“数字地球”热，使其中的核心技术GIS更为各国政府所广泛关注。

有人曾做过统计，在经济建设和日常生活活动所涉及的信息中，有75%~80%的数据是空间数据[1]。

目前，以管理空间数据见长的GIS已经在全球变化与监测、军事、资源管理、城市规划、土地管理、环境研究、农作物估产、灾害预测、交通管理、矿产资源评价、文物保护、湿地制图以及政府部门等许多领域发挥着越来越重要的作用[2,3]。

21世纪是科学与技术一体化的信息时代，GIS技术将进一步与遥感（RS）技术、全球定位系统（GPS）和国际互联网（Internet）等现代信息技术进行高度融合，并且逐渐形成以GIS技术为核心的集成化的技术体系[4]。

面对新世纪带来的机遇和挑战，未来的GIS将走向何方？

如何正确地引导GIS的发展？

这些问题值得GIS工作者深思。

针对这些问题，文章首先分析了GIS未来的发展趋势，然后对GIS发展中的一些误区进行了讨论。

二、GIS的发展趋势

目前，人类的步伐已经迈入21世纪这样一个信息时代。

面对呈指数形式增长的各类信息，人们将会对信息的获取、存储、传输、处理和表现等手段提出新的需求，因而也会对作为信息处理重要手段之一的GIS提出新的期望和要求。

GIS的发展趋势主要表现在以下几个方面。

（一）Web/InternetGIS的进一步发展

Internet这一信息发布系统，从根本上改变了人们获取信息的方式，并极大地推动了人类从工业社会向信息社会演化的进程。

Internet被世界上许多著名杂志誉为21世纪信息传媒的一场革命。

目前，Internet正在以惊人的速度向前发展，网上的Web服务器从1993年的130台增加到1995年的18957台，到2001年初超过了一个惊人的数目25675581台[5]。

当前，Internet已不仅仅是一种单纯的技术手段，它已演变成为一种经济方式——网络经济，人们的生活也已离不开Internet。

大量的应用正由传统的Ciient/Server（客户机/服务器）方式向Brower/Server（浏览器/服务器）方式转移，GIS技术也是如此。

大多数GIS生产商和空间数据提供商已经意识到：

Internet可以提供强大的地理信息发布的媒体，因此已经成为一种特殊的赢利市场，从而将逐渐取代传统的PC或桌面GIS范例，成为下一代GIS的平台[6]。

GIS技术和Internet技术的融合，正逐渐形成一种新的技术，称之为WebGIS或InternetGIS。

和传统的基于Ciient/Server的GIS相比，WebGIS有更广泛的访问范围、平台独立性、降低系统成本、更简单的操作和平衡高效的计算负载等优点[7,8]。

目前，虽然有一些公司推出了WebGIS产品，比如：

Map-Info公司的MapInfoProServer和Mapxtreme、Intergraph公司的GeoMediaWebMap、ESRI的InternetMapServer（IMS）forArcview&Mapobjects、Autodesk的MapGuide以及Bentiy的ModeiServer/Discovery等等。

但是，WebGIS还处于不成熟的初级阶段，它只是专业人员手中的工具，而且用户还不能通过网络终端来实现真正意义上的较为复杂的GIS空间分析功能[9,10]。

原因之一是第一代Internet的通讯带宽成为GIS复杂应用的瓶颈，正在研究中的第二代Internet有望能够解决这一问题；另一个原因是WebGIS自身还不够完善，这些问题主要集中在如何合理构建Internet和GIS的集成结构，以及如何实现高效的数据互操作、网上数据采掘和WebGIS数据组织管理等问题上。

WebGIS的成熟无异于GIS的一场革命，因为它将真正实现GIS的大众化，让世界上任何一个同Internet连接的用户都能方便地利用GIS的强大功能，来解决生活和工作中的各类问题。

由此所产生的社会和经济效益将是十分巨大的。

（二）无线WebGIS

无线应用协议（WAP）是一个正在兴起的无线网络协议标准，而且成为目前移动通信业中的一大热点，各大通信公司都在不遗余力地推广它。

WAP技术如此受青睐的一个主要原因在于它将无线通信技术和Internet结合起来，通过提供通用的

平台，把目前Internet网上HTML语言的信息转换成用WML（WireiessMarkupLanguage）描述的信息，显示在移动电话的显示屏上[11]。

WAP的出现使无线通信技术与GIS技术以及Internet技术的结合—无线WebGIS成为可能。

无线WebGIS将使GIS无处不在。

人们可以随时随地通过掌上电脑、手机来获取自己当前的位置、周围环境和最佳交通路线等等属性信息和空间分析功能。

这无疑将极大地改变人类的生活方式。

无线WebGIS具有十分广阔的应用前景。

（三）3S集成的进一步研究

这里的3S是指GIS、全球定位系统（GPS）和遥感（RS）这三大技术，它们都有各自的理论和发展成就。

随着3S的理论和应用研究的不断深入，人们逐渐认识到单独地运用其中的一种技术，往往不能满足许多工程应用的需要。

因此，国际上3S的研究和应用开始向集成化方向发展：

GPS主要被用于实时、快速地提供目标，包括各类传感器和运载平台的空间位置；RS用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时地对GIS进行数据更新，是GIS重要的数据源；GIS则以其空间分析的特长，作为集成系统的基础平台，将多种来源的时空数据进行集成管理、动态存取和空间分析，为智能化数据采集提供地学知识。

3S集成的提法虽然已经较为流行，但是，不论从理论上还是在实践中，3S集成都面临着很大的困难，真正意义上的集成在发达国家还处在起步阶段，而在国内还处在理论探讨阶段[12]。

在21世纪这样一个信息时代，人们对信息的实时性、准确性和便捷性的要求会越来越高。

借助于3S技术的集成，可以实时地、在线地获取、管理、分析现实世界的数据，并从中提取出各类信息，不断地满足人们日益增长的信息需求。

由此可见，3S集成是新世纪中的必然发展趋势。

可以预见一下，在不久的将来，人们利用GPS对车载或星载的对地观测仪器进行空间定位和自动导航，利用对地观测仪器实时地获取人类所居住的这个地球表面、大气圈、生物圈或者是近地表的所有数据，然后将这些数据实时地输入GIS，并进行自动分类，随时更新GIS数据库，再通过GIS的分析功能，从GIS数据库中发掘出各种各样目标的现状或变化信息，随时满足不同层次人员的需要。

以上的所有工作都是在同一个时间脉冲下实时地、高速而且自动地完成。

为了达到这一目标，3S工作者未来的工作将主要集中在实时空间定位、空间数据可视化、数据的实时通讯、数据的自动更新、空间信息融合、数据的一体化管理、空间信息的自动提取，以及3S系统集成等方面的理论、方法和工具的研究上。

（四）3D/4DGIS有待完善和发展

在过去的10年里，3DGIS有了一定程度上的发展。

最初，3DGIS的主要需求来自于地学界的地质、矿山、地下水文等行业，但是随着社会的进步和发展，越来越多的人们逐渐感觉到：

那种将二维数据抽象成大脑中的三维形体的做法，已经跟不上实际应用发展的步伐，因此，越来越多的行业迫切需要用3DGIS来提高直观解决三维世界中实际问题的效率。

在21世纪，现有行业的涉及面会不断加大，同时，许多新兴的行业会不断涌现出来，人们的这种需求将会更加迫切。

因此，3DGIS在未来将会有很大的用武之地。

但是，目前的3DGIS无论是在自身的发展，还是在实际的应用中，都存在着很大的缺陷。

主要问题表现在：

（1）三维GIS数据模型研究目前还处在理论探讨和实验阶段，所提出的各种三维数据模型无论在实体描述能力上，还是在应用广度上，都存在一定的局限性；

（2）高效的三维空间和属性数据的一体化管理；（3）3DGIS的灵魂———三维数据的空间分析功能还处在一个十分初级的阶段。

这里的4DGIS是指3DGIS中再加入时间维。

从近几个世纪的历史来看，人类活动对生态环境的影响主要是负面的。

世界人口的急剧增加，以及人类不合理的发展方式，造成了资源的大量浪费和生态环境的不断恶化。

随着社会和经济的发展，人类活动所引起的全球变化和社会可持续发展日益成为人们关注的焦点。

在人们进行全球变化、可持续发展的研究过程中，时间是十分重要的一个因素。

因为，生态环境恶化的影响因素以及生态环境演化规律的寻找，离不开对地理信息在时间序列下变化状况的分析。

对时间序列的需求将意味着在本来还不成熟的3DGIS数据模型中加入一个时间维，要最终实现对三维实体本身、三维实体间的关系，以及三维实体随时间维变化情况的准确、有效的描述和表达，GIS工作者还要在这方面做很多的工作。

（五）GIS数据共享———不变的目标

在很长一段时间内，各种GIS软件的发展处在一种相互独立的状态中，因而也就形成了众多GIS软件都各自为政的局面：

每种GIS软件将空间数据存放在自己特有的空间数据库（数据文件）中，而且它们的数据结构都各不相同，进而造成了

GIS数据很难共享的这样一个局面。

目前，数据重复生产现象严重，数据资源的浪费极大。

这不但成为GIS发展的瓶颈，而且无法满足信息时代的需要。

为解决这一问题，GIS工作者做了许多工作。

目前，人们试图通过以下办法来解决问题：

最常用的一种方案是利用通用的中间数据格式进行转换，常见的中间格式有AutoDesk的DXF和DWG格式；Arc/Info的Coverage、ShapeFiies和E00格式；MapInfo的MIF格式等等。

这种办法虽然可以从某种程度上解决一些问题，但是容易造成转换过程中的信息丢失，而且违背了数据的分布和独立性原则；1996年，美国的OpenGIS联盟（OpenGISConsortium，OGC）讨论研究和建立了一种开放性的地理数据相互操作规程（OGIS-OpenGeodataInteroperabiiitySpecification）。

OGIS的实质是一套独立于具体平台、操作系统和开发语言的公共空间数据操作函数，各公司的GIS软件只要提供一个与这一函数集一致的驱动程序，就可以直接操纵其他类别的GIS数据。

但这种方式的本质还是各家GIS仍然用各自的格式。

另外，由于OGIS函数集必须顾及各种GIS，所以，空间数据互操作函数提供的信息和规模是最小的，仍然存在着信息丢失的问题；数据直接访问方式，即一个GIS软件提供直接访问其他格式GIS数据的功能，与前面的方式相比，它是同一本质上的另外一种表现形式，并没有从根本上解决问题；美国国家空间数据协会（NDSI）制定了空间数据转化标准（SpatiaiDataTransformationStandard，SDTS），它包括投影、拓扑关系、几何坐标、属性数据、数据字典，以及矢量和栅格数据的转换标准。

目前ERSI和Intergraph公司在其GIS中加入了SDTS的转换模块。

笔者认为，SDTS的目标不应该仅仅停留在数据转换的角度之上，应该把精力集中到如何制定一个全球统一的数据格式上来。

不能够奢望立即将这个统一数据格式运用到所有的GIS平台上，但可以首先将这一格式作为转换标准，使之成为GIS数据交换的主流，逐渐地，越来越多的GIS公司就会将这一格式直接作为其核心数据格式。

进而逐渐实现GIS数据格式的全球统一。

是否能够达到这一目标，主要还取决于SDTS是否能够尽量概括空间对象的描述方法，是否能为不同领域和不同应用层次提供有效的、方便的统一标准。

除此之外，还应注意另外两点：

统一空间数据的编码标准的制定。

它是实现GIS数据格式统一的重要前提。

应该制定和完善地理信息产业政策和法规，以改变各部门之间数据共享代价过高的问题。

对于GIS数据真正意义上的共享，GIS工作者和相关组织任重而道远。

（六）CyberGIS———魅力无穷的下一代GIS

CyberGIS是笔者的一种提法，这里的Cyber代表Cyberspace。

Cyberspace一词的创造者是一位美国科幻小说家WiiiiamGibson，他在1984年出版的科幻小说《Neuromancer》中描写了一种存在于计算机数据、计算机网络和人之间的一个虚幻的空间。

美国科幻电影《Matrix》（网络黑客）的一些想法也出自WiiiiamGibson，电影中描写的是一个虚中带实、实中又含虚的世界—Cyberspace。

Cyberspace是一个不同于人类生存空间的另外一种计算机数据空间，它是一个跨越全世界的各类信息数据的巨大聚合体（aggiomeration）。

在这里，时间和空间不再遵循现实世界中的规律，人们只要通过一台与Internet相连接的计算机，就可以在此空间中自由地行走、翱翔，甚至在时间和空间中穿梭；可以同世界另一端的人们进行面对面的接触和交谈；人们可以根据自己的想象来构建一些在现实世界中不可思议的物品或事件。

在这里将Cyberspace称为“虚拟空间”。

CyberGIS是Cyberspace与GIS相结合的产物。

结合方式是指将Cyberspace的概念引入到GIS技术中，Cyberspace成为GIS中的多维空间和属性数据的统一存在空间。

应从以下几个方面来理解：

CyberGIS中的Cyberspace与Cyberspace本来含义有所不同：

在CyberGIS的虚拟空间中，物质的运动规律与CyberGIS中数据所代表的真实世界中的物质运动规律是一致的。

否则，CyberGIS将无任何实用价值；人是CyberGIS的一个重要组成部分，没有人参与的虚拟空间是没有意义的。

在CyberGIS中，人的运动方式仍然不受时间和空间限制。

CyberGI中的数据存放在世界各地的服务器当中；CyberGIS的基本平台是Internet；来自世界各地的多个用户可以在CyberGIS中面对面地交换意见；用户可以在数据所代表的物体中行走、飞翔或穿越；用户可以进行虚拟空间中对数据的各类分析；具有一定权限的用户可以将虚拟空间中的物体进行一定程度的修改，以直接观察改造的效果。

用户可以通过数据手套感知CyberGI中物体的质地、温度等属性特征；CyberGIS的目的：

使人类通过各种各样的、虚实相结合的手段来观察、认知、分析、修改和模拟虚拟世界，进而指导人类在真实世界中的各类工作。

虚拟现实技术（VirtuaiReaiity，VR）是Cyberspace实现的重要手段之一。

VR是人们用来对计算机及其复杂数据进行操纵的一种可视化交互技术，主要特点是多媒体感知性、沉浸性、交互性和自主性。

VR技术除了输入处理、声音处理、触觉反馈处理、物体可视化和仿真处理等软件之外，还包含高性能计算机、人体定位跟踪、立体视觉、立体声响和三维空间域定位，以及触觉和力觉反馈等硬件装置。

有人曾提出过VRGIS的概念，它是指在传统的GIS中用VR作为GIS界面和交互手段。

通过VRGIS和CyberGIS的对比可以看出，VRGIS是CyberGIS发展的第一步。

目前，网络上已经出现了一些基于Internet的三维虚拟城市。

这些网站通常是用VRML（VirtuaiReaiityModeiiingLanguage）设计的。

大部分城市模型是由一个3D的立方体贴上纹理而构成的，物体缺乏地理位置的准确性。

另外还有一些基于准确地理坐标之上的真实3D城市模型。

不管是哪种虚拟城市，人们都可以在虚拟的城市中行走和飞行，并且可以进行简单的查询。

虽然如此，这些虚拟城市的模型数据大多数都不是基于GIS空间数据库之上的，因此距离GIS应用还有差距。

近几年来，越来越多的人将注意力集中到VR技术同GIS结合的工作上，并且取得了一些可喜的进步。

总之，CyberGIS是WebGIS，3D/4DGIS，VRGIS，以及计算机等技术充分发展之后的上层综合产物，它将是人类观察、了解和研究客观世界的一次方式上的变革。

相信在VR技术、Internet技术、计算机技术，以及GIS技术自身快速发展的依托之下，CyberGIS离我们将不会太遥远。

（七）GIS组件库的社会化生产

自20世纪90年代以来的软件组件化发展趋势，给软件工业带来了新的机遇。

在组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来，以便于其他对象了解和调用。

组件间的接口通过一种与平台无关的语言IDL（InterfaceDefineLanguage）来定义，而且是二进制兼容的，使用者可以直接调用执行模块来获得对象提供的服务。

早期的类库，提供的是原代码级的重用，只适用于比较小规模的开发形式；而组件则封装得更加彻底，更易于使用，并且可以跨开发平台使用。

在软件组件化这一发展趋势推动下，GIS在经历了GIS模块、集成式GIS、模块化GIS和核心式GIS的发展之后，正朝着性能可靠、易开发、成本低，以及可扩展性强的组件式GIS方向发展。

利用GIS组件，非专业人员也能够开发和集成GIS应用系统。

目前，虽然有一些商用GIS软件可以提供二次开发的GIS组件，但是，从整体上说，这些GIS组件无论在数目上，还是在功能完备性上，都需要做更进一步的工作。

政府职能部门应该发挥适当的宏观调控作用，在各GIS生产者间进行协调，根据各GIS生产厂家的特点，扬长避短，分工细化，在社会范围内建立一个通用的GIS组件库。

本质上，这是软件生产社会化的一种表现，是生产方式发展的必然结果。

它有以下几个优点：

它将取代小作坊式的GIS生产方式，减少重复生产所造成的浪费；便于进行整体协调，统一数据结构、数据质量检查、数据存储和交换格式、数据处理，以及系统验收等各类标准。

一旦有统一的标准可以遵循，各类GIS数据的共享问题将被解决，由此所节省的人力、财力，以及所提高的信息处理效率是不言而喻的；由于GIS软件生产的细化，各类GIS组件的功能完备性将被极大地提高；同样是由于分工细化，GIS组件的生产和维护成本将会明显降低。

只有这样，才能真正把GIS从少数人群手中的工具，变为普通用户也可承受的实用工具，从而极大地推动GIS大众化进程。

GIS组件社会化生产是一个相当巨大的工程，甚至让人觉得不可思议。

确实，此项工程将涉及到社会、经济、文化、产业结构，以及GIS技术本身等许许多多已知或未知问题，而且不可能在短时期内实现。

但是，人类社会进化的速度和人类的智慧发展程度也是惊人的，应该相信，经过几代人的不懈努力，这一目标定能实现。

三、GIS发展中的误区讨论

在GIS发展的历程中，不可避免地存在着这样或那样的问题。

俗话说：

前事不忘，后事之师。

21世纪带给GIS的不仅仅是诸多机遇和广阔的发展，还有信息熔炉对GIS的严峻考验。

在世纪交替的这一时刻，很有必要将目前GIS发展中的一些问题进行总结，以便引导GIS朝着正确的方向快速发展。

（一）应注重GIS应用模型的开发

GIS的核心功能是GIS应用模型的空间分析功能，这也是GIS与其它技术的重要区别所在，因此，无论怎样强调应用模型在GIS中的重要性，都是不过分的。

不同的领域都有其特殊的数据处理要求，将GIS应用到这些领域时，也应该有相对应的专业化应用模型。

可是，观察现在大多数的GIS二次开发工作，可以发现：

一些特殊的、针对应用领域的应用模型很少，或者根本就没有。

无论具体要求怎么变化，不变的就是查询、拓扑、图层叠加、缓冲区分析、网格分析，以及网络分析等等这些GIS最基本的分析方法。

如果必须要进行专业化分析，大多数都是根据从GIS基本分析方法得到的数据，进行人工或半人工分析，最后给出分析结果。

难怪许多人会产生这样的疑问：

与其它种类的系统相比，GIS的特点是什么？

GIS到底能为人们做什么？

由此看来，要在社会大范围内推广和发展GIS，注重GIS应用模型的开发和积累工作也是不容忽视的。

（二）建库不是最终目的

在GIS应用中，存在这样一种想法或看法：

在某一个GIS平台上建立起空间和属性数据库，就相当于建立了一个GIS应用系统。

这种看法显然是不对的，除了上面提到的应用模型的建立问题之外，还有一个从GIS数据库中进行信息重组和信息提取的问题，如果没有这一过程，那么建成的GIS数据库仅仅是一堆没有被充分利用的符号而已。

GIS数据库包含着大量的信息，它是对土地、资源、环境、地形、地质、农业、军事、城市等方面的客观反映，其中显然有许多先前不知道