最新当代地理信息系统的发展与展望.docx
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最新当代地理信息系统的发展与展望
当代地理信息系统的发展与展望
当代地理信息系统的发展与展望
引言
地理信息系统（GeographicInformationSystem,GIS）是以采集、储存、管理、显示和分析地球表面与空间、地理分布有关的数据的综合计算机信息系统,是一种分析和处理海量空间数据的技术。
GIS自20世纪60年代被首次提出之后,凭借其快速处理和运筹帷幄的优势,已成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具,在资源管理、规划设计、灾害监测、医疗卫生、国防以及军事上都有广泛的应用。
近来,地理信息系统的发展及应用引起了社会各界的广泛关注。
地理信息系统发展以来,地理信息系统的概念和理论基础已基本成熟,从主流技术上看,现有的GIS理论基础可以支撑地理信息系统技术的发展。
1、地理信息系统技术进展
1.1GIS基础软件技术进展
GIS基础软件的体系结构经历了单机单用户全封闭结构的时代、多级多用户引入商用数据库管理属性数据的时代和引入Internet技术、向以数据为中心过渡、完成组件化技术改造的时代,目前正在进入新一代发展的交替阶段。
（1）集中式地理信息系统软件
集中式地理信息系统软件运行在一个计算机系统中,计算以一台主机为主,连接着若干个终端设备,所有的地理信息数据存储和计算都在主机上进行,终端设备只负责为用户发出计算请求和显示计算结果。
在发展的早期阶段,由于受技术的限制,GIS软件只能满足于某些功能要求的一些模块,没有形成完整的系统,各个模块之间不具备协同能力。
而随着理论和技术的发展,各种GIS模块走向集成,逐步形成大型的GIS软件包,如ESRI早期的Arc/Info。
集成式GIS的优点在于能形成独立、完整的系统,缺点在于系统过于复杂、庞大,导致成本高,也难于与其他应用系统集成。
早期GIS的另一个发展方式是模块化GIS,其代表软件为Intergraph的MGE。
模块化GIS的基本思想是把GIS按照功能划分为一系列模块,运行于统一的基础环境之上（如MicroStation）。
这样,软件系统具有较大的工程针对性,便于开发和应用。
用户可以根据需求选择模块。
但无论是集成式还是模块化的GIS,都很难与管理信息系统（MIS）以及专业应用模型一起集成高效、无缝的GIS应用。
为解决集成式GIS和模块化GIS的缺点,业界提出了核心GIS（CoreGIS）的概念。
核心式GIS被设计为操作系统的基本扩展。
Windows操作系统上的核心式GIS提供了一系列动态链库（DLL）,开发GIS应用系统时可以通过应用程序口（API）访问内核所提供的GIS功能核心式GIS,为GIS与MS的集成提供了全新的解决思路。
但是,由于其提供的组件于底层,给应用开发带来一定的难度,一般用户难以掌握,故而没有形成成熟的商业软件。
（2）分布式与组件化地理信息系统软件
组件技术的出现和发展给GIS软件带来了全新的思路。
基于标准组件技术实现的GIS软件的可配置性、可扩展性和开放性更强,使用更灵活,二次开发更方便。
与组件式GIS几乎同时出现的WebGIS是Internet技术与GIS相结合的产物。
GIS通过WWW功能得以扩展,真正成为一种大众使用的工具。
从WWW的任意一个节点,Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图,以及进行空间检索和空间分析,从而使GIS进入千家万户。
组件式和分布式GIS的出现使GIS开始融入IT主流。
从当前国际GIS系统软件研究开发的进展来看,国外主流GIS平台已经完成了向组件化结构的转变,并结合Internet技术,实现了包括桌面服务器、WebGIS、空间信息WebServices和多空间数据库在内的多种分布式应用体系结构。
以SuperMap、GeoStar和MapGIS为代表的国产GIS基础平台也已完成了全组件化的体系结构转变,推出全系列适应各种GIS应用体系结构的产品,在应用开发和基础平台结构方面基本保持了跟踪国际主流基础、并积极融合IT技术的最新进展,呈现出良好的发展态势。
分布式地理信息系统的应用类型从简单到复杂可以分为7种类型:
原始数据下载、静态地图显示、元数据搜索、动态地图浏览器、基于Web的GIS查询和分析、能响应网络的GIS软件。
建立分步式GIS的主要目的是提供分布式事务处理,不同系统、数据之间的透明操作,能进行跨平台应用和异构网互联,具有良好的人机交互及数据采集与互操作,以达到地理信息最大限度的共享。
（3）“网格式”地理信息系统软件。
“网格式”地理信息系统是利用Grid技术将多台地理信息服务器建成一个网格环境,利用网格中间提供的基础设施,实现地理信息服务器的网格调度、负载平衡和快速地理信息服务。
“网格式”地理信息系统已成为地理信息系统发展的新方向。
但国际上目前尚未出现面向空间信息的网格计算支撑平台。
我国地理信息系统体系结构在技术研究方面符合网格分布式计算的趋势,基本能达到国际同步水平,而在大型地理信息系统平台开发与应用上尚处于示范阶段,还有相当的发展空间。
1.2应用技术进展
（1）GIS企业级应用技术进展
目前各国各级政府都在积极规划和实施各自的空间信息基础设施建设,并在此基础上向企业和公众提供空间信息服务。
我国“数字城市地理空间框架”被列为国家测绘局“十一五”重点建设项目,目标是通过在全国范围内若干具备条件的城市,构建城市地理空间信息公共平台,以促进地理信息资源的充分利用和城市信息化建设。
2008年,国家测绘局又提出了建设“全国地理信息公共服务平台”的宏大构想,并积极组织规划实施。
与此同时,国土、规划、市政、环保、城建等国家级和城市级行政主管部门以及大量的企业也都在自己的IT规划和工作中自觉地引入或整合GIS技术,结合业务特点,将空间信息的处理、分析和展示融入到行政和业务管理流程中的各个环节,并开始以服务的形式对内对外提供。
在此情况下,传统的以产品为导向的GIS越来越不适应数字中国、数字城市、数字区域以及数字领域的业务要求。
为有效地构建空间信息服务环境,ESRI及时地推出了以服务为导向的企业级GIS（EnterpriseGeographicalInformationSystem）的概念。
企业级GIS是指能够最大化减少和消除作为单一实体的政府机构组织或企业内部各种信息流转和共享的障碍,服务于整个机构组织或企业而非孤立于部门内部的综合地理信息系统。
企业级GIS的作用在于提供空间数据和软件框架及工具,作为机构组织或企业的IT系统,在各类信息共同的参考项。
地理空间位置的基础上,组织共享数据、信息来为其核心业务中各个环节提供服务,并在此基础上,将信息进行组织、抽取、加工和发布,向机构组织或企业外部的现有和潜在服务对象提供信息服务。
企业级GIS的目标是借助和综合其他IT技术提供的功能和数据,将空间信息及其相关联的业务信息和GIS的空间信息处理和分析功能贯穿、融合到整个组织机构或企业。
企业级GIS采用面向服务的架构（Service-OrientedArchitecture,SOA）将地理知识有效地与ERP、CRM、商业智能（BI）等集成，从而丰富企业的工作流程,提高企业的工作效率。
SOA是一个组件模型,它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过定义良好的接口和契约联系起来。
接口采用中立的方式定义,独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言，这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。
基于SOA的企业级GIS适应了由提供软件产品向提供软件服务的需求方向。
GIS软件厂商可以根据具体的软件形式,采取相应的服务模式,着眼于软件产品与行业特色的结合部,了解行业用户的实际需求,完成软件产品的定制开发、应用程序的结构设计和内部开发人员的深层培训,为客户保证业务的持续性发展,并获得更大的增值空间。
目前企业级GIS有2种应用模式:
一是以业务为核心,融入GIS;二是以GIS为核心,融入业务。
通过企业级GIS的实施,达到GIS和核心业务的融合。
打破机构和企业内部各部门独立存在的各系统之间的信息流动壁垒,形成内部高效、对外一致的信息服务格局。
目前国际上许多GIS用户已成功部署了企业级GIS。
国内也有GIS厂商提出了服务式GIS的概念。
服务式GIS采用SOA架构,具有跨网络集成与应用和业务敏捷的特点
（2）GIS大众化应用技术进展
位置服务（Location-BasedServices,LBS）是GIS大众化应用技术发展的一个方向。
LBS是集定位、GIS、通信、网络技术为一体,提供多种形式的以位置信息为核心的服务框架,能满足不同用户在任何时间、地点、内容的信息服务需求。
LBS定义了未来空间信息服务和移动定位服务的蓝图,即当用户与现实世界的一个模型交互时,在不同时间、地点这个模型会动态地向不同用户提供不同的信息服务。
使用位置服务,用户可方便获知自己目前所处位置,并用终端查询或搜取附近各处场所信息;同时,它还可对特定用户或组织定位,根据用户位置实时监测、跟踪,结合共享的电子地图,实现监控和调度,以满足用户的要求。
另外,将位置服务引入目前流行的社交网络,将形成一类新的GIS。
大众化应用:
基于位置的社会网络。
随着以3G为代表的移动通信技术以及以IPv6为代表的网络技术的不断发展,利用其高速数据传输能力,提供数据增值服务将成为3G移动电话发展的主流。
发展基于位置的增值业务,除了为移动运营商,还能为LBS价值链上的其他厂商（空间数据生产商、终端设备制造商、中间件供应商）提供发展契机,进而推动整条产业链的发展。
位置服务在用户跟踪、汽车导航、智能交通、车队管理等方面的应用在国外发展较快。
美国、日本和韩国的许多运营商（如SPRINT、KDDI、SKT、KT等）在2001年已经开始启动该业务。
导航服务将成为我国地理空间信息产业的一个高速增长点。
目前,车辆导航技术正逐渐由静态自主导航向基于实时交通信息的动态网络导航演进。
GIS民用化、大众化发展,以及与网络技术的结合,诞生了一个新的应用领域:
网络地图服务（WebMapServices）。
网络地图服务是指地图服务方根据用户提出的地理信息需求,通过自动搜索、人工查询、在线交流等等方式为用户提供方便、快捷、准确的所需地图及出行交通指引资讯的在线信息服务。
其特点是将用户所需的本地信息、搜索结果直接在地图上呈现,同时提供地图浏览、公交路线、行车路线以及对目标地点的简介等常用功能。
网络地图服务的发展速度远远超过了车辆导航和移动电话定位服务业务。
在网络地图服务的发展中,有两个重要的基础需要认真考虑:
内容和应用。
内容是网络地图服务的重要基础之一，主要考虑的是所提供的内容种类、表现形式、范围、新鲜度、丰富程度等。
除了固定的内容本身外，公众对内容的关注度与评价也在内容的提供范围内。
如对某个POI
（PointofInterest）的评价，对某些信息的浏览与搜索关注度等。
本地搜索、地图浏览、公交换乘、驾车导航等是目前网络地图服务的主要应用。
根据用户需求扩充应用，是互联网地图服务能否发展壮大的另一个重要基础。
（3）GIS标准规范的进展
地理信息标准和规范对于地理空间数据的生产、管理、分发与应用服务极为重要是推动地理信息产业化应用的关键。
相关的标准与规范可分为4个层次:
一是数据集标准,包括空间数据的元数据标准、空间数据内容标准、空间数据语义标准、空间数据编码标准、空间数据转换标准、空间数据可视化符号标准;二是地理数据分发服务标准,它是关于数据集（即针对文件级的空间数据）共享与分发服务的标准;三是空间数据互操作规范它是关于异构空间数据库中空间对象的实时共享与互操作的规范;四是地理空间信息服务（元服务）的标准,它是空间信息在描述、发现、链接、绑定和执行服务方面的互操作基础，允许空间信息服务系统对用户提供透明的在线访问、个性化的数据、信息和知识服务，是当前OGC（开放地理信息系统联盟）和ISO/TC211（ISO下设的地理信息地球信息标准化委员会/）的重要发展方向。
2、GIS以及地理信息产业的发展趋势
2.1GIS软件的发展趋势
GIS软件的发展要实现从二维或三维处理向多维处理的转变;实现从以系统为中心向以数据为中心的转变;实现从面向地图的处理向面向空间实体及其时空关系处理的转变;实现从单纯的管理型向分析决策型转变。
在技术体系上,GIS软件的发展应向以下方向努力：
（1）数据组织与融合方面
目前计算机运算速度能满足海量空间数据的运算,因此要改变以图层为基础的组织方式,实现直接面向空间实体的数据组织;实现不同尺度空间数据之间的互动;实现矢量数据、影像数据的互动;实现多维属性与嵌套表组织;实现多源空间数据的装载与融合,支持数据仓库机制;具有强大的索引机制。
（2）数据存储、查询和分析处理方面
实现从面向过程的分析、处理手段向面向问题的分析、处理手段发展;实现以空间数据为基础的数据挖掘;实现联机分析处理（OLAP）与联机事务处理（OLTP）;实现扩充的、支持空间的关系概念与关系运算。
（3）空间数据管理和计算方面
实现多用户同步空间数据操作与处理机制;实现数据、服务代理和多级B/S体系结构;实现不同GIS系统之间的互连与互操作;实现空间数据分布式存储与数据安全;实现空间数据高效压缩与解压缩。
（4）三维和时序处理能力方面
实现空间数据的增量存储和快速还原能力;实现快速广域三维空间的计算和显示;实现混合式三维空间数据模型;实现时空数据处理与分析机制。
（5）应用集成能力方面
实现有效的地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）的集成;实现应用模型的支持能力;实现GIS与OA的有机集成;实现GIS与MIS、特别是ERP的有机集成;实现GIS与DCS的有机集成;实现有实时能力的嵌入式GIS与各类设备的集成。
（6）操纵能力方面
建立模型定义语言及其支持机制;实现数据空间化与可视化支持;实现多通道用户界面;实现一定的虚拟现实表达。
（7）智能化的GIS
目前GIS的大部分应用都处于输出信息为客户提供辅助决策支持的阶段，缺乏知识处理、主动学习和推理的能力，而客户需要的却不仅仅是信息，还有针对某种问题的知识或智能解决方案。
客户希望在与GIS的交互过程中，GIS能通过知识学习和积累逐步了解客户的习惯、需求等，不断实现优化以便提供个性化的服务。
因此，基于知识的GIS智能化研究是今后一个很重要的方向。
2.2地理信息产业的发展趋势
（1）地理信息产业的发展历程
中国地理信息产业发展历程主要经历了四个时代：
模拟解析时代、2D时代、3D时代和4D时代。
近几年来，在“数字中国”和“数字城市”、“智慧城市”的推波助澜下，我国各个领域几乎都不同程度地在进行地理信息相关的应用系统集成与建设。
卫星导航应用与服务也是地理信息集成应用的另一个亮点，一直呈现强劲的增长势头。
此外，基于位置的服务（LBS）、与网络相关的集成服务也呈现出明显的增长势头。
我国地理信息产业产值快速提升，前瞻产业研究院公开发布的信息显示，2009年以来我国地理信息产业产值每年保持将近25%以上增速。
截至2014年底，我国地理信息产业年产值由2009年的931.9亿元提升到3000亿元，企业数达2万多家，从业人员超过40万人。
（2）地理信息产业发展
地理信息产业是综合性高技术产业，是采用地理信息技术对地理信息资源进行生产、开发、应用、服务、经营的全部活动，以及涉及这些活动的各种设备、技术、服务、产品的企业合体。
地理信息产业是国民经济的重要组成部分，地理信息在国土资源开发利用、环境监测和评估、经济建设规划和管理、人口统计和调查、防灾和抗灾及各级政府决策等方面都有着广泛的应用。
近年来，随着卫星导航应用、空间数据处理等核心地理信息技术迅速发展，以及地理信息产业与通信、互联网、物联网、云计算等产业的融合和创新，中国地理信息产业保持了较高的增长速度，已形成了测绘服务业、卫星导航定位、航空航天遥感、地理信息系统、地图出版等核心产业。
2012年我国地理信息产业产值达到2000亿元，较上年增长33.3%。
在地理信息产业快速发展的过程中，产业各领域逐渐受到资本市场的青睐，成为投资的热点领域。
目前，中国地理信息产业正在由政府应用为主，向企业级和大众级市场渗透，导航与位置服务、互联网地图服务等一批新兴的应用领域不断出现。
随着国家对地理信息产业的重视及一系列相关政策的出台，使得国家和各地政府开始纷纷筹建地理信息产业园。
从2011年国家测绘地理信息局在北京建设国家地理信息科技产业园开始，至2013年已有黑龙江、西安、武汉、山东等地建设了产业基地，浙江、江苏、湖北、湖南、四川、江西、广西、云南、山西、陕西等地先后启动了产业园区建设。
目前，我国地理信息产业正面临着前所未有的战略发展机遇。
2012年以来，国家和地方陆续出台了多个有关促进测绘与信息服务业、导航与位置服务业、智慧城市建设等与地理信息产业相关的科技规划、产业规划等，明确将地理信息产业纳入国家战略性新兴产业。
国家测绘地理信息局预计，未来10年，地理信息产业总产值将保持25%以上的年均增长率，到2020年形成万亿元的年产值。
2.3地理信息产业市场前景分析
按照国务院关于促进测绘地理信息产业发展的要求，国家发展改革委和国家测绘地理信息局联合印发了《国家地理信息产业发展规划（2014-2020年）》。
这是在国家层面上首个地理信息产业规划。
这标志着，地理信息产业将进入活跃期。
规划中指出，地理信息产业是以地理信息资源开发利用为核心的高技术产业、现代服务业和战略性新兴产业。
强调要重点围绕测绘遥感数据服务、测绘地理信息装备制造、地理信息软件、地理信息与导航定位融合服务、地理信息应用服务和地图出版与服务六大重点领域。
加强能力建设，积极扶持龙头企业，扩大产品的市场占有率，提升产业的整体竞争力。
力争到2020年初步形成结构优化、布局合理、特色鲜明、竞争有序的产业发展格局。
规划还从优化政策环境、夯实基础条件、促进自主创新、加强人才培养、强化服务管理、拓展对外合作、开展统计分析等方面，提出了保障产业有序健康发展的政策措施。
地理信息产业国家级规划发布对于推进我国地理信息蓬勃发展具有重要指导意义。
预测到“十二五”末，我国地理信息产业预计总产值可达5000亿元，2020年有望突破万亿元大关。
随着扶持政策出台，我国地理信息产业将进入飞跃期。
预计未来10年，地理信息产业总产值将保持25%以上的年均增长率，到2020年形成一万亿的年产值，地理信息产业巨大的市场前景为相关上市公司发展注入了活力。
3地理信息系统的发展趋势
3.1大地图
（1）大数据的发展必将促进地图行业的创新型发展，大地图的产生更能提升大数据的价值。
（2）大地图是融入了大数据的空间数据的深层挖掘与应用，大数据与大地图是互为补充，大数据的发展更离不开大地图的支撑。
（3）大地图是提升大数据宏观定性，微观定量分析的基础，大地图新模式促使大数据平面向立体模式改变，更能发挥地理信息行业的应用价值。
（4）大地图的发展使空间信息技术的发展进入新的智慧阶段，更需与大数据融合，为必将推动地理信息行业的科学发展。
3.2物联网
物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。
知道一件东西当前在哪，曾经在哪，将会产生非常令人关注的发展潜力。
所以物体都需要一个二维码来进行标识，当这个图形被智能手机用某个应用扫描之后，连同这个对象当前的地理位置和其他有用的信息都将进入这个对象的在线数据库中，其结果是可以获得该对象的空间地理位置的历史信息。
虽然二维码技术已经得到了广泛的应用，但智能手机会使更多新奇有趣的应用成为可能。
3.3云计算
云计算是继个人电脑、互联网之后，信息技术的重大革新。
当前，云计算已经不再只是一个设想，信息产业强国纷纷将云计算纳入战略性产业，一些重点国家已开始部署国家级云计算基础设施。
云计算在政务领域的应用主要是云计算电子政务平台。
而云计算电子政务平台的应用形式大多为政务信息资源的共享平台，即对信息资源的一种共享和信息资源的集中处理。
它是指政府机构运用云计算技术，将政府管理和服务职能通过精简、优化、整合、重组后在互连网实现，以打破时间、空间制约，从而加强对政府业务运作的有效监督，提高政府的工作效率，并为社会公众提供高效、优质、廉洁的一体化管理和服务。
美国农业部和Esri公司最新创建了地理空间地图服务门户网站，这是私有云GIS提供的一种企业级应用。
它将由Esri管理的美国农业部原型门户网站企业空间地图服务（EnterpriseSpatialMappingService,ESMS）托管在美国农业部安全环境内的亚马逊云上。
该网站用于搜索、查找、托管及发布农业部自己的数据，具备展示和分析数据的功能。
部门内的用户可以直接使用中央数据库的权威数据，其他外部政府机构可通过该门户网站访问有价值的农业数据集和地图，并进行空间分析。
对于政务管理和空间信息共享与服务来说，云计算已是大势所趋。
云计算正在成为下一代计算平台，它能够推动管理体系变革，控制资源消耗，降低事业成本，因此各国政府都大力推动其发展。
为顺应“云计算”、“物联网”、“智慧地球”等新兴技术潮流，满足政府部门、企业单位、社会公众对GIS应用在专业化方向深入、社会化方向拓展的需要，云GIS的发展呈现以下趋势：
（1）地理数据管理方面
遥感数据获取能力不断提高，来自传感器网络的位置数据不断增加，下一代互联网和物联网中地理相关数据不断丰富，使得传统GIS中“点-线-面”数据模型及其管理体系已经无法满足对全球尺度、动态变化地理世界的描述。
时空大数据、三维地理对象、时态对象与时态场、时空关联数据等对传统GIS数据管理技术和模式提出了不可回避的巨大挑战。
云GIS系统必须将数据管理范畴扩展到包含时空大数据等新型数据类型的广域多重空间上去，探索新的数据管理方法，研发新的数据管理软件来支撑系统和应用发展。
（2）地理计算方面
空间数据处理、空间分析和复杂系统模拟等问题规模不断增大，传统的地理计算范式已经不能满足问题求解的性能要求，同时还需要探索提出面向时空大数据分析处理的新型地理计算范式。
因此，需要结合高性能计算、分布式计算、内存计算和云计算的技术进展，发展新一代高性能地学计算范式，研发以服务为导向的、运算高效的地理计算支撑软件。
（3）地理信息制图与终端服务方面
面向下一代互联网的云服务模式给传统地理信息制图与交互技术带了巨大冲击。
原有的主要基于客户端能力的制图与交互方式在云服务模式下将变得难以施行，同时，大众化应用环境中的高并发问题也是一个新的挑战。
因此，需要重点研究面向地理信息服务的时空大数据动态制图与高性能可视化技术，研发大规模复杂地理数据可视化引擎，更好地建立“现实世界—地理世界—虚拟世界”之间的联系，为用户提供一体化、操作透明、高度真实和个性化的地理信息终端服务新模式。
（4）GIS专题应用系统构建方面
国内外均充分吸纳最新的计算机技术和信息技术，加强GIS的集成创新，在新型计算硬件架构的支撑下，改造或研发新型GIS软件平台，在底层构建高性能地理计算和存储环境，在上层打造广域而多重的地理信息服务体系，为应用提供“数据—计算—服务”于一体的整体性解决方案。
（5）GIS网络应用与服务模式方面
在云计算技术的支持下，用户可以实现按需使用GIS。
用户不需要知道数据、软件来自何处，可随时、随地获得计算能力（资源、信息、服务、知识），用户可以把各种资源如地理数据、应用软件、硬件设备都放在云计算平台的统一管理中，进一步强化地理分析、处理能力。
同时，云计算服务可靠、安全，每个地理信息应用部署都与物理平台无关，通过虚拟平台进行管理，以及对地理信息应用进行扩展、迁移和备份等各种操作。
3.4、大数据与智慧城市
智慧城市建设是一个系统工程，需要根据每个城市自身的特点"在做好顶层设计后统一规划，分步实施。
智慧城市的实现需要建设更加完善的信息基础设施和包括智慧城市运营为主的技术支撑，才能保证各种智慧城市的应用能够用得好、用得起。
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