地理信息系统.docx

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地理信息系统

信息关键技术在GIS中的应用研究

周超,郑宗生

（上海海洋大学信息学院，上海201306）

摘要地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS）是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

本文主要阐明一般的信息系统与地理信息系统技术的主要区别，以此说明哪些计算机关键技术可以应用到地理信息系统研究中，探讨了随着计算机通信网络技术的发展而引起的GIS体系结构和软件开发模式的变化，最后指出了GIS发展存在的问题，并对GIS的发展前景进行了展望。

关键词信息系统；地理信息系统；地理信息科学；GIS研究热点；GIS体系结构

中图法分类号****　　DOI号

TheapplicationofkeyinformationtechnologiesinGIS

ChaoZhou，ZongshengZheng

（CollegeofInformationTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306）

AbstractAgeographicinformationsystemorgeographicalinformationsystem（GIS）isasystemdesignedtocapture,store,manipulate,analyze,manage,andpresentalltypesofspatialorgeographicaldata.Accordingtotheproblemsoflackingofsystematic,regularresearchinthedevelopmentofGISandprofessorzheng'srequirements,thispaperanalyzedthetechnologybackgroundandsubjectbackgroundinwhichGISwasproducedanddevelopedandexploredchangesofGISarchitectur.FinallyitindicatedtheexistingproblemsinthedevelopmentofGIS,andthefutureresearchprospectsofGISwereadvanced.

Keywordsgeographicalinformationsystem;geographicinformationscience;GISresearchhotspot;GISarchitecture

引言

上世纪60年代，加拿大地理信息系统（CGIS）的建立，标志着地理信息系统作为一门科学而诞生[1]。

在GIS兴起和发展的50多年中，虽然出现过许多相近的名词，对其定义也众说纷纭，但“地理信息系统”这个名词在科技文献中是使用最多的[1]。

普遍认为地理信息系统是在计算机软硬件的支持下，运用系统工程科学的理论和方法，综合地、动态地获取、存储、传输、管理、分析和利用地理信息的空间信息系统，具有数据采集与输入、存储与管理、信息查询与空间分析、空间决策支持、地图制图与输出等功能[2]。

从技术和应用的角度，GIS是解决空间问题的工具、方法和技术，它可以对地球上存在的事物和发生的事件进行成图和分析[3]。

GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（如查询和统计分析等）集成在一起。

这种能力使GIS与其它信息系统相区别，从而使其在解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值[4]。

从学科的角度，GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门交叉性学科，具有独立的学科体系。

大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。

地理学是GIS的理论依托，GIS是地理学第二次革命的主要工具和手段，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地。

因此，GIS明显具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的发展。

从功能上，GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体，它具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能，GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力[5]，其独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的查询功能、强大的图形处理和表达、空间模拟和空间决策支持等，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测，这是GIS的重要贡献；从系统学的角度，GIS具有一定结构和功能，是一个完整的系统。

1.发展背景与基本原理

1.1.技术背景

GIS具有多学科、多种技术交叉融合的特点，其产生和发展与相关学科和技术的发展密切相关[6]，其中最主要的是电子计算机技术、通信网络技术和卫星对地观测技术、卫星导航定位技术。

电子计算机的最大优势就是对数据的存储和处理能力。

GIS本质上是一种信息处理系统，存储和处理的对象是空间数据，电子计算机的存储容量和计算速度对于GIS功能和作用的发挥至关重要，电子计算机技术的发展对其体系结构和开发模式的发展起了重要作用。

目前电子计算机的计算速度已达每秒百万亿次，数据存储已达Tb级，为GIS的进一步发展提供了强大的技术支持。

通信网络对GIS的发展影响十分深远，GIS由单机到基于因特网的企业级再到当前的基于Internet/Grid的网络/网格，它的发展历程就证明了这一点。

网络对GIS发展产生本质意义上的影响，正是网络/网格把分布不同地理位置上的异GIS联结了起来，实现信息共享和数据互操作以及信息资源共享和协作工作。

卫星对地观测和卫星导航定位技术对GIS的实用化具有重要作用。

信息源一直是困扰GIS实用性的一个突出问题。

自GIS诞生以来，很长时间内其空间信息源主要是数字地理数据，由于其现实性差，影响了空问分析的准确性和实用性。

以卫星、航天飞机、飞艇（平流层）、高空侦察机、无人机、超低空轻型飞机为平台进行的航天、航空及地基、海基遥感，可以实时化和全球化获取地球最新信息，成为GIS的主要信息源；卫星导航定位系统具有相当高的三维定位精度，具有全天候、全天时工作的特性，与GIS相结合，可以充分发挥和扩展其组合功能的作用，如对GIS数据进行更新，对移动平台进行实时监控等。

同时，对地观测数据还可以作为各种观测台（站）观测到的自然现象数据和统计得到的社会经济与人文方面统计数据进行空间定位（空间化）的载体和框架。

只有把空间数据和经过空间化的非空间数据结合在一起，经过分析、加工和数据挖掘从而得到综合性知识，GIS才能在解决人类面临的全球性问题方面发挥作用。

1.2.学科背景

从学科的角度讲，对GIS影响最深远的是地理学与地图学。

地理学经历了传统地理学、计量地理学和地理信息科学的发展过程。

地理信息科学是关于地理信息本质特征和运动规律的科学，其研究对象是地理信息。

地理信息是关于自然、人文现象的空间分布与组合信息，它表征地理现象的数量、质量、分布特征、内在联系和运动规律及其与社会可持续发展的关系[7]。

GIS是地理信息科学的技术系统，是地理学的第三代语言。

比较地理信息流在人脑中的处理过程和在电脑（电子计算机）中的处理过程，可以发现二者是一致的，都是信息加工系统，包括信息输入、处理和输出[8]。

R0kker称地理学为“GIS”之父[1]。

包括地理系统理论、地理信息理论、地理认知理论、地理模型理论等在内的地理学理论可以作为GIS学科认识论基础。

当然，GIS也为地理学定量化、动态化研究提供了技术保证，它以一种新的思想和技术手段来解决地理学问题，使地理学从传统的定性描述走向定量分析，从简单系统走向复杂系统。

所以，从事GIS设计、建立与应用的人们要以地理学或地理信息科学的基本理论作为科学的认识论。

地图学经历了传统地图学、数字地图学、信息化地图学的发展过程。

在电子计算机出现之前，人们认识自身赖以生存的地理环境，主要是利用被称为地理学第二代语言的地图、系列地图和地图集，来获取对自然和人文现象与要素的数量、质量、空间分布、相互联系及其随时间变化的特征的认识，存在许多局限性，如记载的地理信息有限，信息提取只能人工进行、量算分析十分不便等。

电子计算机的出现，使地图制图技术、产品形式和使用方式都发生了深刻的革命性变化，数字地图数据库、数字正射影像数据库、数字高程模型库和地理信息数据库纷纷出现，基于这些数据库的信息管理、查询检索、空间分析、可视化和制图输出等功能的研究和应用构成了现在的GIS。

其最大的优势是信息量大，信息查询检索、复杂的量算和空问分析（包括叠置分析）、多维动态可视化等不仅十分方便，而且速度快、精度高。

许多学者称GIS是地图学功能的拓展和延伸，GIS源于计算机地图制图和脱胎于地图数据库，而又超越计算机地图制图和地图数据库[8]。

地图学中的地图色彩设计与表示方法、地图制图综合、地图量算与分析、专题数据处理与表示方法等都是GIS中常用的方法。

所以，地图学被认为是GIS的方法论基础。

从事GIS设计、建立与应用研究的人们都应掌握地图学方法论。

1.3.GIS基本原理

一个完整的GIS由硬件、软件、数据、人员和方法五个主要物理元素构成。

随着社会与科技的不断进步，GIS系统的物理组成元素也相应不断发展。

当前一个GIS基本模块及其功能一般由五个基本技术模块组成，分别是空间数据输入与转换子系统、空间数据编辑子系统、空间数据管理子系统、空间查询和空间分析子系统、制图与输出子系统。

WEBGIS[9]除外，目前国际上主流的GIS软件是ESRI公司的软件，这是一个大的概念，它还包括桌面版的ArcGIS,其中包含若干个应用程序，比如ArcMap、ArcGloble、ArcCatalog、ArcReader、ArcTool；ESRI的开桌面版的开发包是ArcEngine；网络版的开发包是ArcGISServer。

当前最高版本是9.3。

ArcView是ESRI很早的一款地图软件，功能简单，开发包叫MO。

国内的重要的软件就是超图公司的SurperMap,其他软件有MapInfo（开发工具MapX）和我国地质大学的MapGIS软件（最近几年很少听到了），以及若干开源的软件。

笔者以102实验室PCARCANF0为例，其基本模块有：

STARTERKIT,总体管理模块,具有数字化生成图件、生成属性表、主通迅以及绘图等系统功能。

ARCEDIT,交互式的高级图形编辑器,是一套用以输入和修改编辑图层的空间信息与属性信息的编辑工具。

DATACONVERSION,提供与DIME、DLG、TIGER等数据格式间的相互转换。

DATACONVERSION,提供与ATLAS*GRAPHICS、TIGER等数据格式间的相互转换。

ARCPLOT,为PCARC/INFO提供了全部的制图输出能力。

从简单的屏幕显示到高质量的制图。

2信息系统等其他系统软件与地理信息系统技术的比较

2.1信息系统

信息系统（Informationsystem）是由计算机硬件、网络和通讯设备、计算机软件、信息资源、信息用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。

它能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现．并能回答用户一系列问题。

从计算机科学角度看，信息系统是由计算机硬件、软件、信息和用户四大要素组成的问答系统（见图1）。

在信息系统中，

●硬件主要包括各类计算机、处理机及有关终端设备；

●软件是支撑信息的采集、存贮、加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统；

●信息（或数）包括统计信息、文档信息、具有定位属性的图形和图像信息；

●用户是信息系统的主人，是信息系统的服务对象。

在实际使用中，信息系统具有五个基本功能，分别是：

输入、存储、处理、输出和控制。

其中：

●输入功能：

信息系统的输入功能决定于系统所要达到的目的及系统的能力和信息环境的许可。

●存储功能：

存储功能指的是系统存储各种信息资料和数据的能力。

●处理功能：

基于数据仓库技术的联机分析处理（OLAP）和数据挖掘（DM）技术。

●输出功能：

信息系统的各种功能都是为了保证最终实现最佳的输出功能。

●控制功能：

对构成系统的各种信息处理设备进行控制和管理，对整个信息加工、处理、传输、输出等环节通过各种程序进行控制。

2.2信息系统与地理信息系统技术之间的关系

2.3信息系统与地理信息系统技术的主要区别

2.3.1处理内容的丰富和广泛性[10]

地理信息系统是传统科学与现代技术相结合而产生的边缘科学，它具有多学科交叉的特征，地理信息系统又是计算机化的信息系统，需要得到计算机硬件和软件系统的支持。

地理信息系统处理的对象为地理空间信息，地理信息系统用于处理自然界特定空间内各种地理现象的信息，地理信息系统的核心组成是地理数据库和空间数据库，包括图形数据库和遥感影像数据库等，地理信息系统能够在同一的平台内综合处理这些信息，这是地理信息系统不同于其他信息系统的重要一点，包含的内容是丰富的和广泛的。

2.3.2地理性[11]

这里所说的地理性是指学科所具有的或所表现出的地理学特性，地理学是GIS的理论依托，从GIS的操作对象、数据管理、模型分析，到GIS所具有的功能和应用领域，都体现了地理学的区域性、综合性等特征，渗透着地理区域分析方法、地理思维方式的影响。

地理性是GIS学科属性的本质体现，而计算机等相关技术是GIS功能得以实现的一种技术支撑，地理学特性、地理区域分析方法、地理思维方式渗透在GIS的整个工作流程中，成为GIS区别于其他信息系统的本质特征。

2.3.3与其他信息系统相比，GIS的其他特性

●进行各种空间分析，以模拟区域内的空间规律和发展趋势是GIS区别于其他信息系统的一个重要标志。

即，地理信息系统具有趋势分析功能。

而其他信息系统则不具备这一功能。

●GIS具有空间分布性[10]。

它具有先定位后定性以及在区域上的分布特点，属性的表现形式是多层次的。

●GIS数据量大[10]。

因为它具有空间特征和属性特征还随时间的变化而变化，所以数据量很大。

●地理信息系统具有载体的多样性[10]，除物体的物质和能量本身外，还通过文字、数字、影像、符号、磁带、光盘等来描述地理实体。

●GIS离不开数据库技术。

数据库中的一些基本技术，如数据模型、数据储存、检索等都是GIS广泛使用的核心技术。

●GIS对空间数据和属性数据共同管理、分析和应用，而一般的MIS侧重于非图形数据（属性数据）的优化存储与查询，即使存储了图形，也是一文件的形式存储，不能对空间数据进行查询、检索、分析，没有拓扑关系，其图形显示功能也很有限。

3GIS体系结构的发展和演进

在计算机通信网络技术出现之前，GIS是单机独立运行的，互不联系。

20世纪80年代末90年代

初，计算机通信网络技术的兴起给单机独立运行的GIS带来了很大冲击[3]。

在网络环境下，GIS的体系结构发生了许多变化，于是基于主机的GIS、桌面GIS、WebGIS、移动GIS等先后出现，并有相应的GIS软件，它们有各自的特点。

基于主机的GIS是以大型主机作为GIS服务器，运行数据库管理系统，所有数据和服务都集中在

主机上，所有终端通过与主机相连的网络来访问数据。

其优点是数据和服务集中，安全性较好，具有海量数据存储能力；缺点是软件开发难度大，只能以重复备份或脱机拷贝的方式交换数据，效率低。

系统初期投入大，当系统能力达到极限时还需要更换更强大的主机，维护费用高J。

桌面GIS是将用户界面与交互操作、数据处理和数据管理等功能都集中在个人计算机上，多台个

人计算机可通过网络获得数据文件共享。

优点是个人计算机价格低廉，整体开发费用低；缺点是多用户同时访问一个共享数据文件时，不仅导致网络开销增加，而且并发控制困难、效率低，很难实现向广域网扩展。

WebGIS采用Client／Server体系结构，具体实现分为服务器策略和客户端策略[9]。

WebGIS的服务器策略，即通常说的“胖服务器”，其运行过程是客户机通过Web浏览器向服务器发出服务请求，Web服务器通过CGI，ServerAPI等接口把这些请求传递给后端的GIS服务器，GIS服务器按照要求进行处理，并将处理结果形成GIF或JPEG格式的图像文件反馈给远端的用户浏览器。

其优点是客户端可在配置很低的环境下进行复杂的GIS操作，客户端与平台无关；缺点是网络传输和服务器负担重，客户端可操作性差。

WebGIS的客户端策略，即通常说的“胖客户端”，其运行过程是服务器不处理用户的所有请求，而是通过服务器向客户端发送运行在本地的客户端软件（Plug-in，ActiveX及JavaApplet）来处理用户的一些简单请求[3]。

当客户发出一些较复杂、高级的操作要求而客户端软件不能处理时，才请求WebGIS服务器处理，处理结果以矢量数据格式发还客户端。

其优点是GIS操作速度快，服务器和网络传输负担轻，基于JavaApplet的WebGIS可在任何平台上使用；缺点是客户端软件功能有限，客户端访问不同数据源需要不同的访问接口，增加了系统开发难度，基于ActiveX的WebGIS只能在Microsoft的Window下的IE中运行，基于Plug．in的WebGIS需要先在客户端安装Plug.in。

移动GIS的研究开始于上世纪90年代初期，将Internet上的海量信息与GIS强大的数据分析和处理功能有机结合提供基于位置的服务（LBS），即用户能够获得基于位置信息的信息获取、信息交换、信息共享和信息发布等服务。

移动GIS是一个集GIS、GPS和移动通信（GSM、GPRS、CDM）于一体的系统，相对于传统的GIS具有以下特点：

●无线通信能够与移动GIS各种移动终端进行交互，可以随时随地进行移动；

●能够及时响应用户提出的请求，使用环境的变化，实时处理信息；

●对位置信息依赖性较强；

●移动终端具有多样性。

移动GIS主要有客户端、服务器、数据服务器3部分组成。

移动GIS分为表示层、逻辑层和数据层。

随着通信技术与网络技术的相互融合，移动计算将会成为主流计算环境，这将促使移动GIS在野外数据采集、地形测图、资源勘探等领域得到广泛的应用；移动GIS在新的通信标准以及移动通信技术的支持下，将向着多元化、多途径的方向发展；多种通信技术（蓝牙、无限局域网、红外线）的相互融合，将使得移动GIS的应用领域得到进一步地拓宽。

4当前计算机关键技术与地理信息系统的融合发展

4.1分布式+GIS

分布式GIS（DGIS）指跨越任意数量的组织、在任意数目的平台上分布、能够被任意数量的用户访问的GIS能力。

如图3所示，在DGIS中，所有的计算资源、GIS服务器、数据库服务器和地理信息广泛分布在Internet上，用户不必关心数据在物理上存储于何处，也并不知道提供服务的GIS位于何处，只要遵循一定的开放原则，任何用户可以向任意服务器请求地理信息和服务[1]。

显然，分布式GIS是一种理想的方案。

可是这里所说的“开放原则”及如何实现“任何用户可以向任意

服务器请求地理信息服务”，都是需要进步研究的问题。

4.2开放式+GIS

开放式GIS（OpenGIS）指在计算机网络环境下，根据行业标准和接口所建立起来的GIS[12]。

在OpenGIS中，不同厂商的GIS软件及分布式数据库之间可以通过接口互相交换数据，并将它们结合在一个集成式操作环境中。

在OpenGIS环境中，可实现不同空间数据之间、数据处理功能之问的互操作及不同系统或部门之间的信息共享。

应该说这是一种新的理念，为当前热门的Webservice和网格服务Gridservice指明了方向。

4.3云+GIS

云GIS是以网络为基础的地理信息服务系统，它以云为动力，目标是完全取代桌面地理信息系统，同时保留所有的桌面功能和现代地理信息系统丰富的网络技术，以便易于地理信息的创建、编辑、上传、分享、发布、处理以及对空间属性的数据分析。

如果从地理空间技术的角度来看，云计算可能会在传输和存储数据方面起到革命性的改变。

随着Internet的迅猛发展以及云计算的不断成熟，云计算下GIS将成GIS应用开发领域未来的发展方向。

目前，ESRI公司已从ArcGIS9．2开始提供ArcGISOnline以及Google地图等“云”下GIS服务。

云技术给GIS发展带来的有利条件体现在云计算多台服务器集群的超大规模为海量的地理信息提供了巨大的存储空间，同时保证了较快的计算速度；动态开放的地理信息要求“云”的规模可以动态伸缩，来满足应用和用户规模增长的需要；云的通用性允许我们将不同类型的地理信息数据、GIS应用软件统统放在云中；云服务低廉的价格正好弥补昂贵的数据给GIS的开发与发展带来的局限。

基于云计算技术的GIS，改变了传统GIS的运行模式，使用户可以利用储存在云中的GIS平台、软件以及海量的空间信息在远程实时便捷地操作GIS，这一点对于GIS产业来说具有重大的意义。

因而，基于云的地理信息系统也必将是GIS发展的未来趋势。

4.4Grid+GIS

GridGIS基于网格计算，形成新的PervAsive／Grid体系结构，GridGIS中间件把一个极度异构的环境变成一个虚拟的同构环境，使各用户浏览器不被网格的硬件和软件基础结构的细节所打扰[13]。

GridGIS需要存储和管理更大数量的空间信息，并有能力在大量用户同时通过网格对其进行访问时迅速响应。

GridGIS具有更强的地理空间信息共享、地理信息发布、空间分析、模型分析的功能。

特别是对涉及到大量空间分析计算的问题，GridGIS具有并行计算的能力，通过对空间信息网格化和超媒体技术的集成，网格GIS提供给用户的信息不仅仅是矢量化的空间信息，还有动态视频、遥感影像、文字说明等多种信息；GridG1S的应用将GIS的应用扩展至整个社会的方方面面甚至人们日常生活的点点滴滴，使GIS的应用大众化了。

同时，GfidG1S容易和网上其它信息服务融为一体，通过各种信息导航工具，就可在丰富的网络资源查到所需的地理信息，并使用各种GIS功能，如制图、空间查询、空间分析等进行信息的二次加工。

可以认为网格GIS是GIS与网格技术的有机结合，是GIS在网格环境下的一种应用。

GIS通过网格技术使功能得到了延伸和拓展，真正成为一种大众使用的信息工具。

4.5多维动态GIS

近年来，随着空间对地观测技术的发展和集成，三维地理空间信息获取与更新的能力有了飞速的进步。

同时，空间数据库更新的技术方法和生产流程不断发展，传统GIS按照平面图或铺盖数据模型，将具有鲜明的多维、动态特征的现实空间世界抽象为二维、静态目标，生产、提供和使用二维（或2.5维）的地理基础框架数据来表达或反映三维实体及其时空变化方面表现出很大的局限性，往往不能满足实际应用的需求。

GIS部门开始更新原有空间数据库的二维（x,y）数据和扩充第三维（z）数据，并逐步积累成能反映地理空间要素时空分布的多维（x,y,z,t）数据源