科技文獻(xiàn)檢索結(jié)課論文

地理信息系統(tǒng)綜述ReviewofGeographicInformationSystem地101-12宋楠摘要：近年來地理信息系統(tǒng)（GIS）在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，在理論、應(yīng)用、軟件開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面都得到了快速發(fā)展。首先對GIS與地理信息科學(xué)的區(qū)別進(jìn)行了討論，然后對GIS應(yīng)用開發(fā)技術(shù)發(fā)展歷程以及目前GIS領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題進(jìn)行討論，最后指出GIS發(fā)展存在的問題，并對GIS發(fā)展前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)地理信息科學(xué)GIS應(yīng)用開發(fā)技術(shù)GIS研究熱點(diǎn)上世紀(jì)60年代，加拿大地理信息系統(tǒng)的建立，標(biāo)志著地理信息系統(tǒng)作為一門科學(xué)而誕生。地理信息系統(tǒng)是這樣一種空間信息系統(tǒng)，即在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)支持下，具有對地球表面（包括大氣層）空間中的地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述等功能[1]。近年來GIS在計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、測繪科學(xué)、地理學(xué)等諸多學(xué)科快速發(fā)展的拉動下得到了迅猛的發(fā)展。本文就GIS與地理信息科學(xué)的區(qū)別，GIS應(yīng)用可發(fā)技術(shù)的發(fā)展歷程以及目前GIS領(lǐng)域研究的幾個熱點(diǎn)問題進(jìn)行討論。GIS與地理信息科學(xué)區(qū)別1992年Goodchild撰文提出地理信息科學(xué)這一新興學(xué)科，認(rèn)為地理信息科學(xué)主要研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對信息進(jìn)行采集、存儲和分析等過程中所提出的如數(shù)據(jù)的獲取、集成、空間分析和地理數(shù)據(jù)的不確定性及其對地理信息系統(tǒng)操作的影響、地理信息系統(tǒng)的社會實(shí)踐等一系列基本理論和技術(shù)問題[2]。作為一門新興學(xué)科，地理信息科學(xué)與地理信息系統(tǒng)相比，側(cè)重于將地理信息系統(tǒng)作為一門科學(xué)，圍繞地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，阻礙其功能實(shí)施，或在其潛在能力的理解中出現(xiàn)的一般性問題進(jìn)行研究，是地理信息系統(tǒng)背后的科學(xué)，它解決的是蘊(yùn)含在地理信息系統(tǒng)之中的一整套科學(xué)問題[3，4]。因此，地理信息科學(xué)與地理信息系統(tǒng)完全是兩個概念，地理信息技術(shù)是地理信息系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的動力，其學(xué)科體系涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)、感知科學(xué)、地圖學(xué)、大地測量學(xué)、數(shù)學(xué)、地理學(xué)。GIS應(yīng)用開發(fā)技術(shù)發(fā)展歷程2.1集成GIS在GIS發(fā)展的早期階段，由于受到技術(shù)的限制，GIS提供一些能夠滿足某些功能的模塊，并且各個模塊之間彼此不能進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此早期的GIS軟件沒有形成一個完整的系統(tǒng)。隨著GIS技術(shù)和理論的發(fā)展，早期的各個GIS模塊逐漸朝著集成化發(fā)展，形成了大型的GIS軟件包（GISPackage），因此GIS發(fā)展進(jìn)入了集成GIS階段。該階段GIS的代表軟件有：Arc/info、GenaMap等。GIS發(fā)展到這一階段集成了各個GIS模塊的各項(xiàng)功能，形成了獨(dú)立完整的系統(tǒng)，具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)輸入功能、空間分析功能、圖形平臺以及可靠性能。由于僅僅是對原先分散的GIS模塊進(jìn)行簡單集成，除了系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行集成也是很難做到的，這是該階段GIS發(fā)展所面臨的問題[5]。2.2模塊GIS模塊GIS與集成GIS相似之處在于，也是將GIS按照功能劃分成一些模塊，并且這些模塊在同一基礎(chǔ)環(huán)境上運(yùn)行，但模塊GIS能夠針對具體工程應(yīng)用將GIS軟件模塊有針對性的進(jìn)行細(xì)劃分，在降低開發(fā)難度的同時能夠滿足用戶需求，這是與集成GIS的顯著區(qū)別。但二者面臨著同一難題是無法與管理信息系統(tǒng)等專業(yè)應(yīng)用模型進(jìn)行高效綜合應(yīng)用[5,6]。2.3核心式GIS核心式GIS完美的提供了解決集成GIS和模塊GIS不能與MIS綜合應(yīng)用問題的思路，即對數(shù)據(jù)庫管理要求較高的用戶可以選擇MIS開發(fā)工具來構(gòu)造GIS應(yīng)用[18]。在Windows系列操作系統(tǒng)中，開發(fā)GIS應(yīng)用系統(tǒng)可以采用高級編程語言，通過應(yīng)用程序接口(API)訪問系統(tǒng)內(nèi)部所提供的GIS功能。除了核心式GIS提供的一些動態(tài)鏈接庫（DLL）之外，實(shí)現(xiàn)各種功能的DLL可以進(jìn)行拆卸和重組，這能夠給用戶提供較大的靈活性。但由于核心式GIS所提供的組件位于底層，這也增加了系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的難度。2.4組件式GIS以Arc/Info和GeneMap為代表的集成GIS和以MGE為代表的模塊GIS具有開發(fā)負(fù)擔(dān)重、集成困難、二次開發(fā)語言復(fù)雜、普及困難等缺陷，嚴(yán)重制約了GIS進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，難以滿足日益增多的GIS應(yīng)用需求[7]。組件式GIS將GIS的各個功能分解為若干個組件，每個組件具有不同的功能，通過將可視界面和接口有效地組合在一起，形成了最終的應(yīng)用系統(tǒng)[8,9]。組件式GIS是一種新型的GIS軟件體系，它是面向?qū)ο蠹夹g(shù)和組件式軟件在GIS軟件開發(fā)中的應(yīng)用，與傳統(tǒng)GIS技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢：①可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用分析模型與GIS之間進(jìn)行高效無縫的系統(tǒng)集成；②無需專門的開發(fā)語言，只需實(shí)現(xiàn)GIS的基本功能函數(shù)，按照Microsoft的ActiveX空間標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)接口，二次開發(fā)簡捷；③可靈活定制、可封裝；④采用基礎(chǔ)組件-高級通用組件-專業(yè)性組件的構(gòu)建方式，便于用戶選擇，降低軟件開發(fā)成本；⑤GIS功能強(qiáng)大，便于擴(kuò)充[10-12]。組件式GIS在設(shè)計(jì)和開發(fā)中應(yīng)注意：①功能和接口設(shè)計(jì)既要符合GIS軟件開發(fā)的要求，也要體現(xiàn)出組件式軟件的優(yōu)勢；②要對基礎(chǔ)組件、高級通用組件、行業(yè)性組件的功能進(jìn)行清楚地區(qū)分，從而便于用戶根據(jù)其需求發(fā)布相應(yīng)的單元；③要有意識地采用高效的算法和對代碼進(jìn)行優(yōu)化，從而可以有效改善軟件的整體運(yùn)行效率；④確定組件力度大小和設(shè)計(jì)接口時，要在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)、組件功能靈活性和滿足用戶需求之間取得平衡[13]。2.5萬維網(wǎng)GIS萬維網(wǎng)GIS是GIS與WWW（WorldWideWeb）的有機(jī)結(jié)合，在Internet或Intranet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)存儲、處理、分析、顯示、應(yīng)用等功能。它可以在互聯(lián)網(wǎng)上提供地理信息，用戶通過瀏覽器可以獲得GIS中的數(shù)據(jù)和相關(guān)服務(wù)，代表性的軟件有MapObjectsInternetMapServer、ArcViewInternetServer、MapGuide和GeoMediaWebMap等[8,14]。萬維網(wǎng)GIS在結(jié)構(gòu)上屬于分布式地理信息系統(tǒng)模型，一般有4部分組成。傳統(tǒng)GIS具有成本高、桌面系統(tǒng)操作復(fù)雜、系統(tǒng)性能低下等缺陷，WebGIS在全球信息網(wǎng)上運(yùn)行，是全球信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)GIS的改進(jìn)和發(fā)展，相對于傳統(tǒng)GIS，具有明顯優(yōu)勢：①搜索范圍廣，用戶可以實(shí)時查詢多個位于不同地域服務(wù)器上的最新數(shù)據(jù)；②平臺獨(dú)立性；③系統(tǒng)成本得到大規(guī)模降低，提高工作效率；④操作簡易，容易推廣[15]。但WebGIS也存在著諸多缺陷：①異構(gòu)空間數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)互操作；②WebGIS跨平臺操作隨著數(shù)據(jù)資源的急劇增長而受到很大的制約；③無法解決海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)瓶頸問題；④無法綜合利用其他資源；⑤WebGIS軟件在開發(fā)、調(diào)試和維護(hù)方面隨著用戶需求的不斷增加而愈發(fā)困難[16]。3GIS研究的熱點(diǎn)問題3.1網(wǎng)格地理信息系統(tǒng)對網(wǎng)格計(jì)算的研究始于上世紀(jì)90年代，它能夠?qū)V域網(wǎng)上的所有數(shù)據(jù)和計(jì)算資源與其他一些設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)組成一個可以實(shí)現(xiàn)資源大范圍共享的高性能計(jì)算網(wǎng)[17,18]。建立在網(wǎng)格計(jì)算以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上的Grid-GIS可以對空間信息資源進(jìn)行匯集和共享并進(jìn)行一體化的組織和處理，能夠形成對用戶透明的虛擬空間信息資源的超級處理環(huán)境，是一種具有按需服務(wù)能力的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)格環(huán)境下的GIS相對于傳統(tǒng)GIS優(yōu)勢明顯[16,19]：①空間數(shù)據(jù)資源的海量特性和動態(tài)性；②空間數(shù)據(jù)的多元性與標(biāo)準(zhǔn)性的統(tǒng)一；③空間數(shù)據(jù)分布性與共享性的統(tǒng)一；④系統(tǒng)的異夠性與統(tǒng)一性；⑤高度的開放性。GridGIS是由若干種標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)和服務(wù)協(xié)議組成，整個系統(tǒng)可以劃分成5個層次[16,17]。分別為用戶層(將用戶層請求提交GridGIS應(yīng)用服務(wù)與實(shí)現(xiàn)層并將處理結(jié)果顯示給用戶)、應(yīng)用服務(wù)與實(shí)現(xiàn)層(完成與用戶的接口和實(shí)現(xiàn)GridGIS相關(guān)的功能服務(wù))、核心服務(wù)層(協(xié)調(diào)使用各種資源，是整個系統(tǒng)有效運(yùn)轉(zhuǎn)的中樞)、資源服務(wù)層(實(shí)現(xiàn)底層資源共享)、基礎(chǔ)設(shè)施層(負(fù)責(zé)各計(jì)算機(jī)資源之間和計(jì)算機(jī)資源與用戶應(yīng)用之間的通信)。近年來，對GridGIS的研究主要集中在空間信息服務(wù)語言[20]、信息服務(wù)系統(tǒng)[21]、結(jié)構(gòu)體系[33]、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制與策略等[23,24]。3.2三維地理信息系統(tǒng)3DGIS是建立在2DGIS基礎(chǔ)之上，將高度信息與2DGIS中的同等對待，不僅可以表示三維地物而且能夠進(jìn)行三維空間分析，具有更接近現(xiàn)實(shí)世界視覺效果的地理信息系統(tǒng)。三維可視化分析則是3DGIS與2DGIS最顯著的區(qū)別，其表現(xiàn)形式有：①三維景觀方式，可以從不同角度、方位和距離觀看三維模型表面；②掀蓋層三維景觀方式，在三維景觀方式基礎(chǔ)上，可以先開上覆層看到下伏的界面；③透視三維景觀方式，可以透視地看到人們所感興趣的界面；④切面方式，能夠切開三維模型，從水平、垂直切面上觀看三維體地內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)[25]。3DGIS關(guān)鍵技術(shù)有：三維GIS數(shù)據(jù)獲取、三維GIS數(shù)據(jù)管理、完整三維空間數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、三維GIS數(shù)據(jù)可視化與分析、三維GIS空間建模等[26]。近年來針對3DGIS展開的研究主要有三維GIS數(shù)據(jù)獲取[27]和三維GIS空間建模[28]2個方面。3.3移動GIS移動GIS的研究開始于上世紀(jì)90年代初期，將Internet上的海量信息與GIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能有機(jī)結(jié)合提供基于位置的服務(wù)（LBS），即用戶能夠獲得基于位置信息的信息獲取、信息交換、信息共享和信息發(fā)布等服務(wù)。移動GIS是一個集GIS、GPS和移動通信（GSM、GPRS、CDM）于一體的系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的GIS具有以下特點(diǎn)：①無線通信能夠與移動GIS各種移動終端進(jìn)行交互，可以隨時隨地進(jìn)行移動；②能夠及時響應(yīng)用戶提出的請求，使用環(huán)境的變化，實(shí)時處理信息；③對位置信息依賴性較強(qiáng)；④移動終端具有多樣性[10,29,30]。移動GIS主要有客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器3部分組成。移動GIS分為表示層（為移動GIS的離線服務(wù)模式提供數(shù)據(jù)更新支持）、邏輯層（利用該層的多層架構(gòu)，結(jié)合服務(wù)器機(jī)群和各服務(wù)器提供的線程機(jī)制，處理負(fù)載平衡問題）和數(shù)據(jù)層（管理空間數(shù)據(jù)和屬性）。隨著通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合，移動計(jì)算將會成為主流計(jì)算環(huán)境，這將促使移動GIS在野外數(shù)據(jù)采集、地形測圖、資源勘探等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用；移動GIS在新的通信標(biāo)準(zhǔn)以及移動通信技術(shù)的支持下，將向著多元化、多途徑的方向發(fā)展；多種通信技術(shù)（藍(lán)牙、無限局域網(wǎng)、紅外線）的相互融合，將使得移動GIS的應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步地拓寬[16]。3.4嵌入式地理信息系統(tǒng)EmbeddedGIS是在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上構(gòu)建的、集成了地理信息功能的一種高度濃縮、高度精簡的GIS軟件系統(tǒng)[31,32]。EmbeddedGIS一般由硬件系統(tǒng)、地理信息軟件以及操作系統(tǒng)構(gòu)成。“可裁剪性”則是EmbeddedGIS最大的特點(diǎn)，即可以通過對數(shù)據(jù)類別、數(shù)據(jù)格式以及功能進(jìn)行裁剪，從而既可以節(jié)省系統(tǒng)容量又能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。因此，節(jié)省存儲量則是EmbeddedGIS設(shè)計(jì)與開發(fā)的必須遵循的基本原則。一個完整的EmbeddedGIS應(yīng)該具備3方面基本功能：①對地圖進(jìn)行顯示、縮放、漫游等基本的地圖操作功能；②根據(jù)需求進(jìn)行圖層的打開、關(guān)閉、隱藏等操作；③結(jié)合具體應(yīng)用的查詢、檢索、分析以及導(dǎo)航等功能[32]。3.5時態(tài)地理信息系統(tǒng)TemporalGIS簡言之就是在傳統(tǒng)的GIS發(fā)展基礎(chǔ)上，增加時間以及時間管理機(jī)制從而能夠跟蹤和分析隨時間變化的空間、非空間信息的地理信息系統(tǒng)，也被稱作4DGIS，時空分析功能是其核心功能。理論上GIS中的時間可以分為處理時間和有效時間2類，處理時間是指在GIS中信息處理發(fā)生的時間又稱系統(tǒng)時間；有效時間又稱實(shí)際時間是指實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際發(fā)生的時間，按照時間不同，TGIS可以被進(jìn)行如下劃分[33]：靜態(tài)時間表（不支持處理時間和有效時間，系統(tǒng)只保留應(yīng)用領(lǐng)域的一種狀態(tài)）、歷史時態(tài)系統(tǒng)（支持有效時間，事件實(shí)際發(fā)生的歷史問題）、回溯時態(tài)系統(tǒng)（支持處理時間，信息系統(tǒng)的歷史對問題求解）、雙時態(tài)系統(tǒng)（支持處理時間、有效時間，可記錄下信息系統(tǒng)的歷史和時間發(fā)生的歷史）。TGIS操作對象主要是時空信息，其特點(diǎn)是在系統(tǒng)中增加對時間維的分析表達(dá)能力，能夠進(jìn)行對歷史和趨勢的分析，那么一個完整的TGIS應(yīng)具備的功能有：①存儲、編輯和管理多時態(tài)數(shù)據(jù)；②時空信息的查詢和檢索；③時空信息分析；④時空數(shù)據(jù)庫的管理以及時空信息的顯示和輸出[10]。目前關(guān)于TGIS的研究主要集中于時空數(shù)據(jù)的組織[34]、時空數(shù)據(jù)庫的實(shí)際與實(shí)現(xiàn)[35]、時空數(shù)據(jù)模型[36-38]等。4.結(jié)語GIS從誕生之日起經(jīng)過近50年的發(fā)展，在理論、技術(shù)、應(yīng)用、市場化等方面均取得了較大進(jìn)展，但也存在著一些有待深入研究的問題：①基礎(chǔ)理論，GIS從本質(zhì)上來說是測繪科學(xué)、地理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉集成的產(chǎn)物，如何充分利用多學(xué)科發(fā)展的最新成果來促進(jìn)GIS的發(fā)展在理論方面仍需加以突破；②空間分析與信息處理，空間分析與信息處理是GIS的核心功能，為了滿足空間信息在快速實(shí)時化獲取處理的要求，海量化數(shù)據(jù)獲取、管理、共享以及空間分析智能化方面需要進(jìn)一步研究；③地理信息產(chǎn)業(yè)化，地理信息產(chǎn)業(yè)近年來已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的一部分，但在市場規(guī)?；⑹袌鰳?biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)業(yè)人員整體素質(zhì)方面需要加以規(guī)范和提高；④GIS應(yīng)用，解決實(shí)際問題則是GIS研究開發(fā)的終極目的，盡管GIS在交通、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)等多領(lǐng)域得到成功地應(yīng)用，但從應(yīng)用深度與廣度來說并不是十分理想。隨著GIS在理論、行業(yè)應(yīng)用以及產(chǎn)業(yè)化方面的深入研究，必將促進(jìn)GIS發(fā)展進(jìn)入一個更高的階段。參考文獻(xiàn)：[1]湯國安,趙牡丹,楊昕等.地理信息系統(tǒng)（第二版）[M].北京:科學(xué)出版社,2010[2]GOODCHILDMF.GeographicInformationScience[J].GeographicInformationScience,1992,6(3):31-35[3]GOODCHILDMF,EGENHOFERMJ,KEMPKK,etal.IntroductiontotheVareniusProject[J].GeographicInformationScience,1999,13(8):731-745[4]劉妙龍,周琳.地理信息科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域界定再思考[J].地理與地理信息科學(xué),2004,20(3):1-5[5]曹雁.開發(fā)GIS的基本技術(shù)及其發(fā)展動態(tài)[J].石河子大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,6(2):170-172[6]曾錢幫,何小萍.地理信息系統(tǒng)的開發(fā)工具及其在地址災(zāi)害研究中的應(yīng)用進(jìn)展[J].工程地質(zhì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005(4):23-25[7]劉南,劉仁義.地理信息系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2002[8]龔健雅,杜道生,李清泉，等.當(dāng)代地理信息技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2004[9]劉伯紅.組件式GIS應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2006,34(11):12-15[10]張海榮.地理信息系統(tǒng)原理與應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007[11]張軍海,李仁杰,傅學(xué)慶，等.地理信息系統(tǒng)原理與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2009[12]汪林林,覃小琪.組件式GIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),31(4):195-196[13]李永紅,鄧紅艷,趙敬東，等.組件式GIS開發(fā)的實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2005,26(4):1090-1092[14]李愛民,何正國.萬維網(wǎng)GIS的若干關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報,2004(11):38-39[15]劉明德,林杰斌.地理信息系統(tǒng)GIS理論與實(shí)務(wù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006[16]孟令奎,史文中,張鵬林，等.網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)(第二版)[M].北京:科學(xué)出版社,2010[17]王喜,王大中,王萌.地理信息技術(shù)發(fā)展的新方向-網(wǎng)格GIS初探[J].測繪與空間地理信息,2006,29(4):43-46[18]李孝玲,周彬,石常敏.網(wǎng)格GIS安全體系的研究[J].測繪與空間地理信息,2010,33(3):132-134[19]孫慶輝,駱劍承,李宏偉，等.網(wǎng)格GIS及其關(guā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