探讨地理信息系统的发展及在应用时存在的问题

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　　摘要：地理信息系统(GIS, Geographic Information System)是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间地理分布有关的数据信息的计算机系统。它由硬件、软件、数据和用户有机结合而成。它的主要功能是实现地理空间数据的采集、编辑、管理、分析、统计与制图等。
　　关键词：地理信息系统；发展；问题
　　Abstract: Geographic Information Systems (GIS, Geographic Information System) is based on acquisition, storage, management, analysis, description and application of all or part of the Earth's surface (including the atmosphere including) the geographical distribution and spatial data and information relating to computer systems. It consists of hardware, software, data, and user organic combination. Its main function is to achieve geospatial data collection, editing, management, analysis, statistics and cartography.Key words: Geographic Information Systems; development; issuesP208
　　一、地理信息系统的发展
　　GIS技术依托的主要平台是计算机及其相关设备。进入90年代以来,计算机核心部件CPU的处理速度愈来愈快、性能价格比更高;其存储器可实现将大型文件映射至内存的能力,且能存储海量数据。随着多媒体技术、空间技术、虚拟实景、数字测绘技术、数据仓库技术、计算机图形技术以及三维图形芯片、大容量光盘技术与宽频光纤通讯技术的突破性进展,特别是消除数据通讯瓶颈的卫星互联网的建立,以及能够提供接近实时对地观测图像的高分辨、高光谱、短周期遥感卫星的大量发射,所有这些为GIS技术的广泛、深入应用展示了更加光明的前景。同时,也使得当前的GIS已不能满足信息时代、数字时代的要求,目前GIS总体上呈现出网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势。
　　1网络GIS(WebGIS)
　　计算机网络技术的最新发展使得在网络上实现GIS应用日益引起人们的关注,建立万维网GIS(WWWGIS或WebGIS)是近年来GIS研究领域的一个前沿课题。IntranetGIS是指在Intranet的信息发布、数据共享、交流协作基础之上实现GIS的在线查询和业务处理等功能。Web分布式交互操作是工作重点。由于速率、安全性及面向业务处理等关键要素IntranetGIS正在Intranet上获得广泛应用,利用Java、CGI、Plug/ins等开发技术,使企业用户直接通过Browser对GIS数据进行访问,实现编辑修改、检索查询、信息分析、制图输出等GIS基本功能。网络GIS是当前GIS的一个重要发展方向。目前,WWWGIS的建设面临四个方面的挑战:网上数据发布、网上数据互操作、网上数据采掘和网上数据管理及安全性。
　　与传统的GIS相比, WebGIS具有以下特点:
　　(1)适应性强。WebGIS是基于互联网的,因而是全球或区域性的,能够在不同的平台运行。
　　(2)应用面广。网络功能将使WebGIS应用到整个社会,真正实现GIS的无所不能、无处不在。
　　(3)现势性强。地理信息的实时更新在网上进行人们能得到最新信息和最新动态。
　　(4)维护社会化。数据的采集、输入、空间信息的分析与发布将是在社会协调下运作,可采用社会化方式对其维护以减少重复劳动。
　　(5)使用简单。用户可以直接从网上获取所需要的各种地理信息,方便地进行信息分析,而不用关心空间数据库的维护和管理。网络GIS可实现网上发布、浏览、下载,实现基于Web的GIS查询和分析。尽管目前已有多家国内外公司推出WebGIS,总体说来,WebGIS尚处在试验研究阶段,其最终目标是实现GIS与网络技术的有机结合,从而成为大众使用的技术和工具。
　　IntranetGIS发展甚为迅速,主要基于以下优势:
　　(1)大规模降低成本,全面取代桌面GIS系统。
　　(2)将企业成员的交流合作与GIS专业操作有机地结合,构成企业群体生产力。
　　(3)用页面取代窗口,使系统简单易用,降低了专业操作的难度。
　　(4)充分利用网络资源,对于复杂的处理,诸如大规模查询,则交由服务器执行,而数据量较小的简单操作则由客户端完成。
　　IntranetGIS与外部数据的动态链接采用了两种方式,即对网络中的GIS空间数据的访问采用GIS空间数据协议;对Web数据库的访问采用JDBC或JavSQL的访问方式。IntranetGIS与Web数据库的动态链接主要价表现在与关系型数据库的链接方面,这是由于政府、企业等组织的最有值的信息一般都存储在Sybase、Oracle、DB2等商业数据库中,这种先期的信息管理方式将促使政府、企业继承原平台。另外,关系型数据库了适应处理多媒体数据的DataBlade技术,各种关系型数据库均推出了比较完善的Intranet解决方案。
　　2.开放式GIS开放式地理信息系统(OpenGIS)
　　开放式GIS开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下,根据行业标准和接口所建立起来的地理信息系统。它不仅使数据能在应用系统内流动,还能在系统间流动。OpenGIS是为了使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性,以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。OpenGIS规范是由开放地理信息系统协会(OpenGISConsortium,简称OGC)制定的一系列开放标准和接口。OGC由商业部门、政府机构、用户以及数据提供商等多个领域的成员组成,以获取地理信息处理市场最大的互操作。OGC的目的是通过信息基础设施,把地理空间数据资源集成到主流的计算技术中,促进可互操作的商业地理信息处理软件的广泛应用。OpenGIS规范提供了地理信息及处理标准,按照该规范开发的各个系统之间可以自由地交换地理信息和处理功能。
　　为此,OpenGIS要具有下列特点:
　　(1)互操作性:不同地理信息系统软件之间连接、信息交换没有障碍。
　　(2)可扩展性:硬件方面可在不同软件、不同档次的计算机上运行,软件方面增加新的地学空间数据和地学数据处理功能。
　　(3)技术公开性:开放思想主要是对用户公开,公开源代码及规范说明是重要的途径之一。
　　(4)可移植性:独立于软件、硬件及网络环境,不需修改便可在不同的计算机上运行。
　　除此之外,还有诸如兼容性、可实现性、协同性等特点。OGC促进了GIS的互操作。它通过规范,改变了地理数据及其服务的处理方式,通过互操作的开放式系统将它们集成,从而在Intranet/Internet环境下,通过分布式平台从异构信息中直接获取信息。OGC促进了地理数据提供者、厂商和服务商之间的联合,推动了全球范围内的标准化进程,拓宽了地理数据服务市场。OpenGIS技术将使GIS始终处于一种有组织、开放式的状态,真正成为服务于整个社会的产业以及实现地理信息的全球范围内的共享与互操作,是未来网络环境下GIS技术发展的必然趋势。
　　3.虚拟GIS(VGIS)
　　虚拟GIS就是GIS与虚拟现实技术(VirtualReality)的结合。VR技术是当代信息技术高速发展,并与其他技术集成的产物,是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。虚拟技术的一个特点是将过去认为只擅长于处理数字的单维信息的计算机发展成也擅长于处理适合人的特性的多维信息的计算机。G.Burdea(1993)提出虚拟技术是由沉浸-交互-构想(immersion-interaction-imagination),即“I3”组成,它强调人的主导作用。虚拟技术的基础是:高级的三维图形技术、问题求解工具、多媒体技术、网络通信技术、数据库、信息系统、专家系统、面向对象技术和智能决策支持系统等技术的集成。由于技术的限制,目前还未能开发出适用于遥感和GIS用户需要的真3维可视化的数据分析软件包。GIS与虚拟环境技术相结合将使GIS更加完美。GIS用户在计算机上就能观察到真3维的客观世界,在虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。目前虚拟GIS的研究主要集中在虚拟城市。
　　4.多媒体GIS多媒体技术（MGIS）
　　 (Multia-Media)是一种集声、像、图、文、通讯等为一体,并以最直观的方式表达和感知信息,以形象化的、可触摸(触屏)的甚至声控对话的人机界面操纵信息处理的技术。应用多媒体技术对GIS的系统结构、系统功能及应用模式的设计产生极大的影响,使得GIS的表现形式更丰富、更灵活、更友好。多媒体地理信息系统(MGIS)将文字、图形(图像)、声音、色彩、动画等技术融为一体,为GIS应用开拓了新的领域和广阔的前景。它不仅能为社会经济、文化教育、旅游、商业、决策管理和规划等提供生动、直观、高效的信息服务,而且将使电脑技术真正走进人类社会生活。多媒体技术在GIS领域的深入应用,乃至出现具有良好集成能力的MGIS是技术发展的必然。
　　5.三维GIS（3DGIS）
　　在许多地学研究中,人们所要研究的对象是充满整个3D空间的,如大气污染、洋流、地质模型等,必须用一个(X,Y,Z)的3D坐标来描述。在3DGIS中,研究对象是通过空间X、Y、Z轴进行定义,描述的是真3D的对象。随着计算机技术和GIS在许多行业诸如城市地下管网、空间规划、景观分析、地质、矿山、海洋、无线通信覆盖范围分析等对三维GIS的需求日益迫切,3DGIS的理论和应用近年来受到许多学者的关注。到目前为止,虽然有3DGIS系统问世,但其功能远远不能满足人们分析问题的需要,主要原因是3DGIS理论不成熟,其拓扑关系模型一直没有完全解决;另外三维基础上的数据量十分大,很难建立一个有效的、易于编程实现的三维模型;计算机海量数据的处理为三维GIS提供了基础。
　　6.时态GIS（TGIS）
　　时态GIS人们都在一定的空间和时间环境中生存并从事各种社会活动。从信息系统尤其是GIS的实用角度出发,时间可以看成是一条没有端点、向过去和将来无限延伸的线轴,它是现实世界的第四维。时间和空间不可分割地联系在一起,跟踪和分析空间信息随时间的变化,应当是GIS的一个合理目标。这样的GIS就被称为时态GIS(TemporalGIS)。记录历史数据有时候是非常重要的。笔者有过为解决法律纠纷查阅历史性地形图判断某处在某个时候是否存在深坑的经历。在GIS中也要经常查询历史,最明显的例子就是宗地,一块宗地可能经过许多次的买卖或变化。在土地纠纷中,人们需要详细的历史记录作为法律依据。GIS在环境应用中,也经常需要用到多时态的信息对环境进行综合评价。所以,研究GIS的时态问题则成为当今GIS领域的一个重要方向。TGIS不仅应包括回顾过去的历史数据,还应包括展望未来的规划数据。时态GIS的组织核心是时空数据库,其概念基础则是时空数据模型。时空数据结构的选择应以不同类型的时空过程和应用目的作为出发点。虽然人们已分别在时态数据库和空间数据库研究方面取得很大进展,但是"时态"+"空间"≠"时空",两者难以简单地组合起来,这导致了时态GIS研究与应用的困难。作为一种系统方法,时态GIS的研究和应用还有很长的路要走。
　　7.组件式GIS
　　GIS软件属大型软件,开发一套功能完备的GIS软件是一项极其复杂的工程。如何合理地组织GIS软件的结构,一直是GIS软件技术专家们研究的问题。它的发展大体经历了如下历程:GIS模块、集成式GIS、模块化GIS和核心式GIS。当前计算机软件控件技术(ActiveX控件,其前身OLE控件)为GIS软件提供了一种新的开发模式。组件化GIS基于标准的组件式GIS平台,各组件之间不仅可以自由、灵活地重组,而且具有可视化的界面和方便的标准接口。其特征主要体现在:
　　(1)高效无缝的系统集成,允许将专业模型、GIS控件、其它控件紧密地结合在统一的界面下。
　　(2)无须专门的GIS开发语言,只要掌握基于Windows开发的通用环境,以及组件式GIS各控件的属性、方法和事件,就能完成应用系统的开发。
　　(3)大众化的GIS用户可以象使用其它ActiveX控件一样使用GIS的控件,使非专业的GIS用户也能胜任GIS应用开发工作。
　　(4)开发成本低,非GIS功能可以利用非专业控件,降低了系统的成本。
　　二、地理信息系统（GIS）应用中存在的问题
　　 1.专业GIS 软件的缺乏
　　目前尚未出现能够灵活描述环境保护相关问题的时间和空间特征的专业GIS软件。单独依靠通用 GIS平台难以对问题域进行有效评价。
　　2.数据来源与精度的限制
　　数据来源及精度问题一直是GIS技术真正解决环境问题的一个“瓶颈”。尽管近几年遥感技术的介入使得环境数据的采集大为改善, 但由于环境问题的广泛性和复杂性等原因, 导致大量环境数据仍难以获取。同时现有数据也往往由于数据来源不一、数据格式各异、年代不同等原因造成环境数据精度难以保证,特别是数据格式不一,使各地区的数据难以共享,严重影响了GIS的应用。
　　3.专业模型的建立及其通用性问题
　　从世界范围和历史发展来看, 许多发达国家的环境保护研究已从第一阶段的侧重调查、制图,进入第二阶段的侧重模拟、监测和管理。在这个阶段, 问题的解决依赖于模型的建立。然而现有的模型多是面向某一地区特定条件下建立的,大多不具有空间和时间上的可移植性。同时其与 GIS 结合的深度也远远不够,仅停留在将 GIS 作为模型的数据输入与输出结果的工具这种第一阶段水平。制约两者结合的关键在于 GI S 相对有限的分析空间数据的功能, 以及模型分析方法与 GIS 内嵌功能的通用性之间存在矛盾。
　　4.系统集成性差
　　随着GIS在环境保护中应用的深入,建立了一大批相关地理信息系统。这些专业地理信息系统数据库模型、专业模型以及两者之间的接口和GIS之间的连接方式均不一样,界面不统一不友好。GIS的数据模型仍然缺乏环境模拟所需的时空结构,GIS软件系统也不能够同时处理时空数据结构可变性以及建立和检验过程的算法可变性。
　　三、结语
　　总之，GIS所提供的崭新的操作空间数据的环境,可以很好地实现数据与底图相连接的地图编辑、建立拓扑关系、数据管理、空间分析和输出显示,并具有方便的数据传输、共享以及强大的模块扩展功能。随着 GIS 技术的不断发展,相信它在环境领域的运用会进一步得到扩展和完善,而环境管理也会因它而更加方便、有效。预期GIS将会成为环境领域最重要、最有效的手段之一，但同时也需要广大环保工作者和科研人员不断探索和拓展。

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