GIS考博要点.docx
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GIS考博要点
一、GIS现状、问题和发展？
提示：
全面-〉专业化；概念变了！
答：
1、现状：
（1）创新的地图学与地理信息工程科学技术体系将进一步完善。
目前，数字化地图学与地理信息工程体系已取代了传统的地图制图学，并且正在向信息化地图学与地理信息工程体系发展。
由地理空间认知、地理信息语言、地理信息模型、地理信息视觉感受、地理信息传输构成的理论体系将进一步深化；由地图制图全数字化与自动化技术、地理信息系统技术、空间信息可视化技术、空间数据挖掘与知识发现技术、空间决策支持技术组成的技术体系将进一步完善；有空间数据服务、地图应用服务、地理信息系统服务和决策支持服务组成的服务体系将进一步强化。
（2）地图自动制图综合及其过程控制的智能化将获得突破性进展，并进入实用阶段。
数学科学和人工智能理论方法和制图综合的交叉融合正在向深层次发展，自动综合模型、算法和知识将覆盖自动制图综合的方方面面，
（3）地理空间信息数据库向图形（矢量数据）、影像（影像信息、影像情报信息）和数字高程模型（栅格数据）的多源数据一体化及完全面向对象发展。
（4）地理空间数据表达向多尺度和动态多维可视化发展。
空间数据自动综合和LOD建模理论、方法和技术已经有了实质性的进展，在大场景和空间数据2维和3维可视化方面收到了良好的效果；时态数据模型的研究已经取得部分成果，并在土地利用地理信息系统得到了初步的应用；3维地理信息符号和3维符号库建立及其在3维GIS中已得到应用。
（5）空间分析和决策支持向智能化发展。
现在应用数学的迅速发展为实用化空间分析和数据挖掘建模提供了当今最先进的理论和方法；空间数据库理论和方法的发展将使从众多分布式数据库中提取面向主题的、不可更新的、历史地、集成的数据集成为现实；在线综合分析、数据挖掘的研究将从数据库中发现知识成为可能。
这些都将推动空间分析和决策支持向智能化方向发展。
（6）GIS运行向网络时代跨平台、互操作、资源共享和协作解决问题发展。
在网格环境下，不论用户在任何“客户端”上，GIS将根据用户要求，利用开发工具和调度服务机制向用户提供优化聚合计算资源和及时的个性化服务；数据融合、信息过滤、知识提炼和系统安全机制的研究，将为用户提供从数据、信息、知识到决策的支持；用户只须了解GIS的使用操作和支持方式，而不必关心具体细节。
（7）GIS将向更广泛的应用领域渗透。
GIS并不是僵化的、一层不变的，这是现今能用于各个部门、各个领域的主要原因。
特别是嵌入式技术的发展，嵌入式GIS已经嵌入到各类辅助平台中，进一步扩大了GIS的应用领域。
2、问题：
长期以来，GIS面临这样一些问题：
地理空间信息利用率不高；各部门建立的GIS难以实现数据共享和互操作；空间数据大范围乃至全球范围内的无缝组织和应用无法实现；信息深加工能力不强等等。
造成这些问题的主要原因有两点：
一是数学基础和空间数据组织模式不同；二是软件体系结构和功能的差异。
20世纪90年代，网格的出现为解决这些问题提供了新视角、新理念和新技术。
Grid的核心思想是：
资源共享和协同合作。
（1）空间信息的利用率不高,各个部门建立的信息系统与地理信息系统难以相互利用,形成信息孤岛传统的空间信息系统没能很好地解决空间信息的共享和利用问题。
究其原因,主要在于GIS是面向空间数据,特别是地图数据的,而不是直接面向空间信息的，空间信息必须用某种算法由空间数据导出来。
（2）是目前的数字化地图还不能离开比例尺的概念，多比例尺的影像或DEM数据目前已实现了某种程度的互动,但目前还不能自动从影像数据中提取矢量数据,影像数据和矢量数据之间缺乏互动能力。
（3）是我国在空间信息共享方面的标准制定工作相对滞后，为了实现网络环境下空间数据共享,还需要研究和完善空间数据元数据标准,制定地理空间信息编码规则,修改完善地球空间数据转换格式标准,修改完善基础地理信息符号标准,制定地理空间信息互操作标准等等。
（4）大地坐标系即全球时空基准与框架总是随着技术进步而不断精化,它的变化给大地坐标系的发展的影响，为主要方式的空间信息系统已不能适应这种变化,需要从地理空间数据在计算机中的表示方法来寻求非地图表示的新方法。
（5）是空间信息一般采用网格索引,由于GIS应用的逐步推广和关系数据库技术的发展,基于关系数据库或者对象关系数据库的空间数据管理正在逐步成为GIS发展的潮流，因此,研究基于关系数据库技术下的空间数据组织成为当前GIS研究的趋势。
（6）是从空间仓库技术来看,GIS在取得巨大发展的同时,多维信息的空间分析能力不足以及空间分析的结果不实用越来越明显，在实际应用中,使用者不仅要从GIS中得到详细的多维信息,也要得到概括的多维信息,这些信息往往对提高空间辅助决策分析的能力非常有用，为此有必要引入数据仓库技术，数据仓库在空间数据库上表现为空间数据仓库。
综上所述,从目前地理信息系统与相关技术的发展，相互集成中存在的问
题和从数字地球到数字城市及其它应用所提出的要求两大方面来看,需要人们突破几千年来传统的以地图方式表示地理空间数据和信息的框框,去探求地理空间数据与信息在网络计算机系统中的新的表示方法,去创造与全球开展的网络计算相适应的空间数据表示的新方法。
3、演变与发展：
（1）概念上的演变和发展
我们现在所说的地理信息系统是一个广义的概念，指的是一切与空间定位有关的信息的采集、存储、管理、分析和利用的计算机信息系统，是所有与空间定位有关的计算机信息系统的泛化，而各种与空间定位有关的计算机信息系统则是地理信息系统的特例，例如美国的地形分析系统（TAS）、地形分析工作站（TAWS）、地理资源分析支持系统（GRASS）、美国战斗地形信息系统（CTIS，有8种配置）、快速地形可视化系统（RTv）、地形可视化工作站PowerSceneTM、通用联合地图工具包（JMTK）、全球指挥与控制系统（GCCS）、全球指挥与支持系统（GCSS）、美国影像与地理空间信息系统（USIGS）、地理影像情报综管理系统（TPED）等。
这反映在MGIS软件开发上，就是MGIS基础软件（通用）、应用软件（领域）、应用系统（最终用户），它们之间也是特化与泛化的关系。
当然，早期的地理信息系统多是具体应用系统，而发展到后来才认识到要研究基础软件和开发应用软件，构成系列化产品。
（2）功能上的演变和发展
地理信息系统脱胎于地图、计算机地图制图和地图数据库，这早已成为共识。
地理信息系统按其功能分为管理型、分析型和决策支持型，这也是一种演进和发展。
发展初期：
地理信息系统在其发展初期主要表现为数据管理功能，实际上是一种数据库系统，基本功能是地图数据采集、编辑、输入、存储、维护和电子地图显示，这是与当时的应用水平相适应的；
发展中期：
随着数据库技术的进步和扩展，特别是随着应用的深入，人们自然会想到要把原本是在纸质地图上进行量算和分析的功能（如地形分析、路径分析、缓冲区分析和叠量分析）赋予地理信息系统，即将纸质地图上的手工量算分析转变为数字地图上的自动量算和分析，这是通过各种模型算法和计算机软件实现的这时的地理信息系统除了数据管理功能外，突出了数据分析功能，这就是分析型地理信息系统；
高级阶段：
各种具体应用型地理信息系统原则上都能帮助指挥员做出决策，或起决策支持作用，就是传统模拟的纸质地图也具有这种作用，“地图是指挥员的眼睛”之说的意义就在于此。
我们所说的决策支持型地理信息系统，除地理数据库、查询分析与可视化显示功能外，更强调由模型库、知识库和标准库组成的支持工具，这是地理信息系统发展的高级阶段。
应该说，目前的地理信息系统多数还是分析型的，具有辅助决策的作用，但真正意义上的决策支持型GIS还正在研究和实现过程中。
（3）技术上的演进和发展
地理信息系统在技术上的进步是明显的，这主要是由于应用的需求以及计算机软件技术、通讯网络技术和空间数据的分布式处理技术发展的推动。
在这个过程中，最具有影响的是超媒体网络GIS（WebGIS）、组件式GIS（ComGIS）、开放式GIS
（OpenGIS）等。
WebGIS是随着万维网（WorldWideWeb）出现的，它是通过Internet连接无数个分布在不同地点、不同部门、独立的GIS系统，具有Client／Server结构，Client具有获得信息和各种应用的功能，Server具有提供信息或系统服务的功能，是实现系统资源和处理能力共享以及用户之间协同工作的有效途径，现在正向3层或多层结构发展。
ComGIS是面向对象技术和组件式软件技术在GIS软件开发中的应用，目的在于提高GIS软件的生产率和可重用性，以满足GIS软件急骤增长的需求，是计算机技术和全球网络技术的飞跃发展给GIS软件开发模式带来了革命性变化，其基本思想是将GIS软件的各个功能模块分解为若干组件，每个组件完成不同的功能，这些组件可以是来自不同厂家和不同时期的产品，可以用任何语言开发，开发环境也无特别限制，各个组件之间可以根据用户需求，通过可视化界面和使用方便的接口可靠而有效地组合成最终的应用系统，进一步发展软件组件库技术，用户就可以从组件库中检索所需组件并集成自己所需要的系统。
OpenGIS是为解决不同GIS软件之间具有良好的互操作性和异构分布式数据库之间的信息共享而提出的，指在计算机网络环境下，根据行业标准和接口（Interface）所建立的OpenGIS，不同厂商的GIS软件及异构分布数据库之间可以通过接口互相交换数据，从而实现不同空间数据之间，数据处理功能之间的相互操作及不同系统或部门之间的信息共享。
2．4信息来源及表达上的演变与发展
地理信息系统的核心是地理数据库。
地理数据库的内容初期主要源于地图数据及二维电子地图可视化，扩展到除地图数据以外增加了能按地图定位的其他地理信息及多媒体电子地图可视化；随着遥感图象处理技术的发展，出现了影像信息系统，即以影象数据为基础或辅以基本要素矢量数据的地理信息系统；信息的多源化，信息化战争的出现，要求提供影象信息、影象情报信息和地理空间信息的一体化服务，这就出现了影象与地理空间信息系统（如美国影象与地理空间信息系统USIGS），它是一个分布式的、庞大而有序的可视化系统，能起到综合影象信息、影象情报信息和地理空间信息的作用，为指挥决策者提供一种通用作战地图即共同的战场感知图象，这就是战场可视化（包括地形可视化、双方态势可视化）。
信息来源及表达上的演变与发展具有重要意义。
依据传统地图，只能将作战空间概念形成为一种“心象”。
在这种情况下，作战空间是由每位指挥员用“心象”构建的，而每个人构建的“心象空间”可能都不同，这就有可能产生误解，相互之间难以协同行动。
基于影象、影象情报与地理空间信息的可视化，解决了作战空间的不同理解问题。
2．5应用上的演变与发展
地理信息系统自7O年代中期主要用于地形分析以来，应用领域（广度）和应用层次（深度）都有了很大变化。
例如：
从陆地（用于地形分析）扩展到海上（如基于电子海图的导航定位）并进一步扩展到空中（海湾搜寻救援直升机配备了Stylist1200掌上电脑）；从作为单一军（兵）种作战指挥自动化的地理环境信息平台发展到诸军（兵）种联合作战指挥自动化系统的核心支撑平台；从单兵作战使用到数字化部队应用；从以平台为中心的作战使用（采用传统的无线电联络方式）到以网络为中心的作战方式的使用（如伊拉克战争中体现网络中心战的美军机械化步兵师）；从战术应用（如地形分析系统）到战略应用（如美军的全球指挥与控制系统GCCS、全球指挥与支持系统GCSS）等等。
这一切都说明，地理信息系统在应用范围（广度）和应用层次（深度）方面，都有了很大的变化和很快的发展。
4、趋势
（1）面向对象的数据模型和图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库三库一体化的数据结构。
（2）空间数据库以面向应用的GIS软件为前台,以大型关系数据库为后台数据库管理,成为当前GIS发展的主流趋势。
（3）为了建立国家级和省级跨多个投影带的大型空间影像数据（TB级）无缝跨带连接的问题也已经解决。
（4）空间数据表达趋向多比例尺、多尺度、动态多维和实时三维可视化
1）目前空间数据的表达趋势是基于金字塔和LOD技术的多比例尺空间数据库,用不同尺度表示时可自动显示相应比例尺或相应分辨率的数据,多比例尺数据集的跨度要比传统地图比例尺大,在显示不同比例尺数据时采用LOD或地图综合技术。
2）真三维GIS的空间数据要存贮三维坐标。
3）动态GIS在土地变更调查、土地覆盖变化检测中已有较好的应用,真四维的时空GIS将有望从理论研究转入实用阶段
4）基于三库一体化的实时3D可视化技术发展势头很猛
5）基于虚拟现实技术的真三维GIS将使人们在现实空间外,可以同时拥有一个Cyber空间。
（5）空间分析和辅助决策智能化需要利用数据挖掘方法从空间数据库和属性数据库中发现更多的有用知识
（6）尽管数据挖掘和知识发现这一命题仍处于理论研究阶段,但随着数据库体的飞速增大和数据挖掘工具的深入研究,其应用前景是不可估量的。
（7）通过WEB服务器和WAP服务器的互联网和移动GIS将推进联邦数据库和互操作的研究与地学信息服务事业。
（8）地球空间信息学的7个理论问题即:
1）、地球空间信息的基准,包括几何基准、物理基准和时间基准;
2）、地球空间信息标准,包括空间数据采集、存贮与交换标准,空间数据精度与质量标准,空间信息的分类与代码标准,空间信息的安全、保密、技术服务标准以及源数据标准等;
3）、地球空间信息的时空变化理论,包括对时空变化发现的方法!
时空变化特征和时空变化规律的研究;
4）地球空间信息的认知,主要通过各目标要素的位置、结构形态和相互关联的信息从静态上的形态分析、成因分析、动态过程分析、演化上的力学分析以及时态上的演化分析达到对地球空间的客观认知;
5）地球空间信息的不确定性,包括:
类型的不确定性、空间位置的不确定性、空间关系的不确定性、逻辑的不一致性和信息的不完备性;
6）地球空间信息的解译与反演,包括定性解译和定量反演,贯穿在信息获取、信息处理和认知过程之中;
7）地球空间信息的表达与可视化涉及空间数据库多分辨率表示、数字地图自动综合、图形可视化、动态仿真和虚拟现实等。
二、网络GIS（WebGIS）如何实现？
实现的主要方法？
存在问题？
答：
WebGIS几乎与ComGIS同时出现，是Interent与GIS相结合的产物，也是目前研究的热点。
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用户可以浏览万维网GIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析等。
WebGIS的发展与网络技术的发展密不可分，目前WebGIS中常用的体系结构是三层模型或N层模型。
由于WebGIS刚刚起步，仍然有许多关键的技术问题需要解决。
GISWebServices使得应用程序开发者将GIS功能集成进它们的Web应用程序而不需要构建本地的功能。
它允许不同的GIS系统或其它系统调用及二次开发，任何人在任何地方都可以发现、集成、查询以及显示GISWebServices提供的空间数据，而本地的系统管理员只要用自己熟悉的工具维护特定格式的空间数据就行了。
GISWebServices不仅允许空间数据共享，还允许不同的GIS平台之间以及GIS系统和其它系统之间的互操作，这意味着跨越GIS技术、跨越系统平台的空间数据和系统方法的共享和集成。
WebGIS几乎与ComGIS同时出现，是Interent与GIS相结合的产物，也是目前研究的热点。
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用户可以浏览万维网GIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析等。
WebGIS的发展与网络技术的发展密不可分，目前WebGIS中常用的体系结构是三层模型或N层模型。
由于WebGIS刚刚起步，仍然有许多关键的技术问题需要解决。
纯HTML方案只是利用了HTML的功能，使用的元素只是链接和图像，所有的功能都是通过链接结构实现。
这种方法只能传输静态的栅格图像，只能实现静态地图服务。
这种方案的优点是客户端只是标准的浏览器，服务器端只是Web服务器。
从理论上讲，更难的任务也能通过这种技术解决。
因为每一个可能的请求都可以通过静态的HTML文档和图像回应。
除了需要简单的判断并传输适当的地图、定义链接区域等，并不需要特别的运行时（run-time）GIS。
这种方案仅适合于简单的结构化任务，可用于扫描地图，比如古地图、地形图等的网络传输。
早期的WebGIS应用大都采用CGI技术来实现网关，例如Etak的MapServer、明尼苏达大学的ForNetMapServer、Genasys的SpatialWebBroker、MapInfo以前的Proserver等等。
但由于CGI的局限性，很快就被其它技术所取代。
例如WebServerAPI或JavaServlet，它们在运行时只占用系统的一个线程（Thread）。
与进程相比，线程对系统资源的消耗要小得多，在很大程度上保证了系统在有大量的用户访问时仍能保持良好的性能。
为了使创建动态网页更加容易，出现了一些新的脚本语言，这包括Microsoft的ASP（ActiveServerPage）、JSP（JavaServerPage）以及在UNIX和Linux上很流行的PHP（PersonalHomePage）。
PHP不适合于构建大型的分布式应用。
ASP是Microsoft的Web服务器IIS（InternetInformationServer）为具有ＨＴＭＬ和脚本编程经验的开发人员提供的一种技术，它使开发人员不需要使用C／C++这样的编译语言，就可以方便快捷地创建动态的交互式Web页。
虽然使用ASP就意味着只能使用IIS和WindowsNTServer，但在客户端，ASP支持任何标准的Web浏览器环境。
因为脚本代码是在Web服务器上运行，传回给客户端仅仅是简单标准的纯HTML页面。
利用ASP开发Web应用程序的另外一个优点在于：
HTML内容的创建与服务器端的ASP脚本代码的开发可同时进行，开发人员可以将精力集中在Web页的外观设计上，只需在适当的时候将ASP脚本加到Web页中即可。
在现有的各种基于web应用系统的开发方案中，Java语言先天就是Internet互联网发展的产物，具有其它开发平台所无法比拟的优势，已经成为跨平台应用的一种规范。
完整的Java技术包括客户端的JavaApplet、服务器端的Servlet、JSP、JavaBeans以及数据库访问接口JDBC。
1、目前WebGIS的主要实现技术
公共网关接口（CGI）、服务器应用程序接口（ServerAPI）、插件（Plug-in）、ActiveXControl和GISJavaApplet等。
目前的WebGIS按其应用方法分为两类：
基于服务器的应用系统和基于客户机的应用系统。
基于服务器的应用系统：
优点：
充分利用服务器的功能优势，所有操作和分析都有服务器完成，客户端很小；
缺点：
增加了服务器和网络的负担，效率低。
基于客户机的应用系统：
优点：
大部分数据和分析处理搬到客户机，减轻了服务器和网络负担；
缺点：
使用已有的GIS操作和分析处理的能力弱，难以进行复杂的空间数据分析处理；而且以Plug-in和ActiveXControl为实现手段的应用系统还存在平台兼容性的问题。
2、目前WebGIS存在的主要问题
主要表现在系统软件和数据两个方面。
存在这些问题的原因包括：
WebGIS的体系结构、技术实现、空间数据生产与组织方式、资源整合、标准规范和接口协议等。
1）软件方面存在的问题：
数据和功能相对邦定：
无法灵活利用WebGIS系统提供的功能来处理用户本地数据，系统的功能和数据之间缺乏灵活的应用模式。
处理功能相对简单：
受网络带宽的限制，用户只能以简单方式浏览查询，很难进行复杂的空间分析。
系统缺乏良好的互操作性：
现有的WebGIS之间通常处于孤立的状态，无法实现互操作。
系统相对独立，集成困难：
内部耦合度较强，（虽然采用组件方式开发），但其扩展性和灵活性不是很好。
2）数据方面存在的问题：
数据源时间不一致——〉空间数据库数据的不一致。
空间参考系不同——〉空间数据的不一致性。
专题数据获取时间不同——〉空间数据的不一致性
空间数据库生产的技术方法——〉不能实现不同比例尺空间数据库的一体化更新。
不同比例尺空间数据库是各自独立建成的，大比例尺数据库和小比例尺数据库之间不是派生与被派生的关系。
3、网格技术
在网格环境下，分布式的WebGIS系统可能由各种各样的自主WebGIS组成，它们的实现技术、软硬件平台、数据库模式和数据格式等都可能不同，网格地理信息系统（GridGIS）所要解决问题的环境具有分布、异构、动态等特点。
因此，研
究GridGIS的体系结构及实现技术是问题的关键和核心。
与传统GIS相比，GridGIS应突出高性能计算和空间信息处理能力、资源广泛共享能力、协同合作能力等几个方面的研究。
技术特征：
（1）以服务为中心。
GridGIS服务试图屏蔽数据结构上的差异和数据处理上的细节，为用户使用统一的使用和编程接口。
（2）分布式、松散耦合。
GridGIS以结点为基本组织形式，各结点提供、管理和维护各种空间数据和应用服务；结点之间不必像传统GIS一样连接在一起，而是采用一种松散耦合方式，动态整合在一起。
（3）全局化、一体化、标准化。
基于统一参考系，GridGIS系统结点间的通信以及数据级、系统级的互操作都采用统一的网格基础设施标准、规范和协议。
（4）节点自治。
在GridGIS中，数据和服务的提供者同时也是该数据和服务的维护者。
GridGIS允许加入的结点有自主权，可以指定其资源的使用策略。
GridGIS还需包含注册、认证和管理等工具，以确保数据和服务的查询和发现。
关于网格环境下的地理空间信息服务，目前的研究还是处在理论或概念的层面上，如包括基础资源层、控制与分发层、管理层、环境与功能层、面向对象层和应用层等的地理空间信息网格结构，包括网格节点、宽带网络、资源管理工具、任务调度工具、监测工具、安全管理工具和应用层可视化工具等的开放式网格服务体系结构（蔡少华，等，2004年）。
这里提出一个网格地理信息系统即基于MultiAgents的WebG1S解决方案，其技术思路是：
SVG／XMLJava+
MultiAgents。
在这里，MutilAgents是核心，利用它可以克服传统的基于客户／服务器（C／S）和浏览器／服务器（B／S）结构的webGIS在Internet环境下的缺陷；将XML与Java结合起来，可以较好地解决webGIS技术中空间信息传输与表达上的问题；SVG是描述XML中2维图形的语言，是世界网格联盟（W3C）制定的一种通用图形格式，将成为未来的网格图形标准。
三、数据互操作性的方法、常规数据集成，共享？
提示：
不同系统之间数据如何集成共享，方法？
基本思路？
直接访问？
数据格式转换？
前景？
可能比较好的途径？
答：
GIS的迅速发展和广泛应用导致了多源空间数据的产生。
如何实现不同的GIS软件共享并操作不同来源的地理数据，即GIS多源空间数据的集成，成为GIS发展的关键。
1、空间数据集成、共享的方式
目前GIS多源空间数据的集成主要朝着三个方向发展，
（1）数据标准化模式
一是通过建立统一的数据交换标准来约束并规范已有的各类地理信息系统，采用数据交换标准来进行空间数据共享；
它主要是由大的商业软件开发商或数据标准化组织负责提出明码交换格式，用户自己编写相应的数据转换程序把其他格式的数据经过转换，变成本系统的数据格式，这是当前GIS软件共享数据的主要方法。
统一的空间数据交换
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