当代GIS进展

摘要: 对GIS的定义、内涵及其外延进行了系统的分析与讨论;从空间信息的获取、处理、管理等角度探讨了GIS技术的进展及趋势,突出了GIS技术及其应用所具有的蓬勃生命力和广阔应用前景。

Abstract: This paper analyses and discusses the definition of GIS and its connotation and denotation,the trend of GIS technology progress from space information acquisition,processing and management,highlighting the vigorous vitality and broad application prospect of the GIS technology.

关键词: GIS;空间数据库;元数据;移动GIS;LBS;网格GIS

Key words: GIS;spatial database;metadata;mobile GIS;LBS;grid GIS

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)13-0162-02

0引言

人们日常生产、生活所使用的各类信息中有80%左右与空间位置相关,有效地利用这些信息将大幅提高我们的生活质量、工作效率,并有利于促进国民经济和社会的可持续发展。GIS作为空间信息处理、存取、管理的有效工具已得到广泛应用,并在与计算机技术、网络技术、数据库技术、通信技术等多种高新技术的交叉融合过程中凸显出其特有的生命力和创造力。

1GIS内涵的扩展

GIS(Geographic Information System,地理信息系统)是在计算机软硬件支持下,采集、存储、管理、处理、检索、分析和显示空间信息的一种技术系统。在应用的驱动下,GIS以一种软件系统而逐渐融合多种高新技术,呈现出多元化的特点,产生了不同的应用分支。同时,其技术特色不断迁移、功能日渐强大、内涵不断扩展,形成了以“系统、科学、服务”三位一体论认识GIS的观点。首先,GIS在蓬勃发展的过程中,吸纳了地理学、制图学、遥感、计算机科学等领域的相关理论和方法,其成功应用已不局限于单一产品所能提供的解决方案,这对于消除航空摄影测量、遥感、大地测量学、地图学、测量和地理学之间的传统隔阂具有独特的贡献。这时的GIS已由一种技术逐渐丰富,成为与计算机技术、地理学、测绘学密切相关的一门新兴学科,形成了自成体系的基本理论、技术系统以及应用方法[1]。因此,有学者提出了GI-Science(地理信息科学)的GIS内涵外延的观点。其次, Web服务等的出现将人类引入了一个更为广阔的数字空间。Web服务通过开放、标准、成熟的技术和方法将已有的软件资源进行包装,形成统一的服务形式,屏蔽其间的差异。“软件就是服务”,理念的创新不仅影响了软件开发的模式,也引发了人们对GIS的重新认识。一种以GI-Service认识GIS的观点悄然而生,GIS的内涵也再次得以丰富和扩展[3]。

2GIS技术进展

数据被喻为GIS的“血液”。人们通过GIS来采集、传输、处理、存储、显示、分析数据,从无序、海量的空间数据中获取有用的、直观的、全面的各类信息,进而抽取出知识,达到提高认识、辅助决策等目的。GIS与数据进行以上交互的过程,就是与多种技术、学科融合,相互促进的过程。图1描述了GIS以数据流动为主线时涉及的主要学科与技术。

2.1 空间数据的获取与处理技术空间信息的获取方式有GPS、数字摄影测量、RS、野外人工测量、地图扫描数字化等。这些技术和方法可为GIS提供高精度定位数据、航片、DEM、数字正射影像、扫描栅格影像等多源多尺度数据。航空航天遥感传感器技术的快速发展使得数据获取呈现出三多(多平台、多传感器、多角度)和三高(高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率)等特点[4];利用载波相位差分技术,GPS定位精度可达厘米级;而3S技术集成方法的逐渐成熟与应用,减少了GPS与RS获取数据的中转而直接进入GIS,达到实时获取空间数据的目的;利用遥感制作数字正射影像在生产部门也广为应用,具有很强的实效性。与此同时,基于统计信息和图像内容的目标识别与分类的数据融合技术的逐渐成熟,以及压缩倍率高、速度快的影像数据压缩方法的成功推出,为GIS数据处理技术的发展开辟了广阔的前景[4];并行计算、网格计算等理论与方法的成熟则为实现高效的GIS数据处理提供了软硬件环境基础;GIS空间数据不确定性与质量控制等理论研究的深入,与信息论、模糊数学等学科的交叉,以及不确定性模型、误差传播模型和空间数据质量模型的建立,实现了空间数据质量指标的检验和评价[5],为GIS空间数据的处理和应用提供了科学依据和保证。

2.2 空间数据管理技术空间数据涉及空间位置和地物实体间的空间关系。空间数据的时空特性使得其有别于常规事务型数据,具有关系复杂、非结构化、数据量大、多比例尺、随时间变化等特点。这增添了空间数据管理的难度,成为影响GIS性能的瓶颈,也是主导GIS发展方向的关键支撑技术之一。

2.2.1 空间数据库技术空间数据的几何图形数据和属性数据的管理先后经历了以下几种管理方式[6]:①文件系统统-管理;②文件与关系数据库混合管理;③全关系型空间数据库统一管理;④对象关系型数据库管理;⑤面向对象空间数据库管理,它采用面向对象数据模型对空间数据进行表达和描述,它支持变长记录、对象嵌套、信息继承与聚集,克服了对象关系型数据库面向对象操作时存在的诸多不足。当前比较成熟的面向对象数据库管理系统有Objectivity/DB、Versant等。以上几种方式在丰富空间数据管理手段的同时,也促使空间信息管理与数据库理论和方法的融合,形成了空间信息科学崭新的研究领域――空间数据库。

2.2.2 元数据技术数字地球六大关键技术之一的元数据是空间数据管理的另一重要工具[7]。元数据是关于数据的内容、质量、状况和其他特性的描述性数据[8],针对空间数据进行描述、解释而形成空间元数据。在空间信息应用领域,空间元数据已逐步形成以元数据标准、元数据库、元数据服务模型为应用框架的元数据服务体系。元数据标准的编制为元数据的共享和规范化应用奠定了基础,ISO/TC211和FGDC等均推出了空间元数据标准[9]。我国也已先后推出国标《地理信息元数据》以及行业标准《水利地理空间数据元数据标准》。当前较为成功的元数据服务模型有FGDC的Clearinghouse。空间元数据应用体系的形成,促进了信息共享和资源的可持续利用,也为海量空间数据的管理、使用提供了有效、直接的手段,推动了空间数据管理技术的进步。

3GIS新型分支

随着GIS应用迈入成熟期,关于GIS的划分可谓层出不穷:从功能范围和应用领域划分有城市GIS、农业GIS等;从软件系统模式划分有WebGIS、组件GIS等;从服务特色划分有三维GIS、虚拟现实GIS等。近年来随着无线应用和网格技术的进步,又出现了融合这些高新科技的移动GIS和网格GIS。众多GIS分支的出现,不是GIS陷入无序发展和体系分割紊乱的写照,而体现了GIS广为吸纳各种新技术、新方法,消除技术限制,开辟崭新应用空间的发展特点。