GIS技术的发展现状及未来趋势

地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术。它在最近30多年内取得了惊人的发展,并广泛地应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理和交通安全等领域,成为一个跨学科多方向的研究领域。在水利行业,GIS可以发挥非常重要的作用,已引起越来越多的重视。

(1)GIS发展现状。20世纪60年代,计算机技术开始应用于地图量算,分析和制作。60年代中后期,许多与GIS有关的组织和机构纷纷成立并展开工作,最初的系统主要是关于城市和土地利用的。国际上最早建立的较为完善的大型使用的GIS是加拿大的CGIS,由加拿大政府于1963年开始组织研制,1971年正式投入使用。70年代,是GIS的巩固发展时期,注重于空间地理信息的管理。社会的需要比十所大学更能推动技术进步。资源开发,利用以及环境问题成为政府首要解决的问题,这些都需要一种能有效分析,处理空间信息的技术,方法与系统。80年代为GIS的大发展时期,注重于空间决策支持分析,GIS的应用领域迅速扩大。政府性,学术性机构和GIS平台制造商纷纷涌现,并提供专业化的服务。90年代为GIS的用户时代。一方面,GIS成为许多机构必备的工作系统,GIS正在深刻影响着决策部门的运行方式和决策速度。另一方面,社会对GIS的认知程度的普遍提高,导致了需求大幅提高。GIS将成为现代社会的最基本的信息服务技术之一。

与国际环境相比,我国在这方面的工作起步较晚,始于20世纪80年代,以中科院遥感所成立的第一个GIS研究室为标志。1980～1985年是最初的起步阶段,先后组建了国土基础信息系统和国家资源与环境信息系统实验室,在理论探索、硬件配置、软件开发、制定规范、初步应用实验和技术队伍培养方面都取得了一定成果。1986～1993年为初步发展阶段,地理信息系统软件平台被列入国家“七五”攻关课题,取得了重要进展和实际效益。1994年以来为软件商品化阶段。伴随着国外成熟GIS软件的大量涌入,国产GIS平台的产业化的进程也渐渐开始步入正轨。国家遥感中心、中国地理信息系统协会和中国海外GIS协会对国产GIS平台实施年度测评工作,极大地推动了国产GIS的发展,加快了GIS的产业化进程。在我国,GIS发展的推动力,已经从科研探索和政府推动,转变成了目前社会单位团体广泛而急切的需求了。

(2)GIS关键技术发展与展望。

1)面向对象软件技术。在软件领域中,面向对象已成为20世纪90年代的主流技术。与传统的软件技术不同,它不再从解决问题的算法的计算机实现出发来建立软件系统结构,而是从客观存在的事物出发,以及根据事物之间的关系来建立软件系统结构。它的四类抽象语义机制,即分类、聚合、类属和集合以及消息传送机制,可以使软件的构造过程以更加接近客观现实的方式来进行,设计出的软件更加可靠、可读,结构更加清晰,维护更加方便,也使软件的重用问题得到了较好的解决。以面向对象技术为基础的商品化软件工具在90年代大量出现,为人们提供了方便的构造面向对象软件的手段。长期以来,传统的GIS软件很难将人们积累的对地理要素的研究成果直接在计算机中表达出来,而采用面向对象的数据模型则可以对地理空间进行多层次的分解,选择更加基本的操作单元,从而更全面、正确地描述现实世界。在软件结构方面,组件化的GIS基础软件开始出现,使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强,使用更灵活,二次开发更方便。

2)全关系GIS技术。GIS软件共管理两类数据,即空间数据和属性数据。其中,属性数据刻画了对象除空间位置外的性质,这类数据一般是可以结构化的,因此,可以用传统的关系型DBMS来管理它们,并实现快速、可靠的检索;而空间数据则刻画对象的空间位置以及对象之间的相互关系,很难严格地加以结构化,难以用DBMS来管理。因此,目前的GIS软件通常用商用数据库来管理属性数据,而用文件系统来管理空间数据。这种数据管理的不一致性,一方面增加了GIS软件开发的复杂性,另一方面也不易保证数据管理的可靠性,给使用带来不便。近年来,国外GIS与数据库开发商加紧了联合的步伐,共同开发全关系的GIS软件,使GIS软件能充分利用商用数据库中已经成熟的众多特性,如内存缓冲、快速索引、数据完整性和一致性保证、并发控制、安全和恢复机制及分布式处理机制,明显地提高了GIS软件管理空间数据的能力。新一代GIS软件的即将出现,无疑对我国GIS软件的开发形成了压力。由于我国还没有出现有实力的DBMS软件开发商,这势必增加我国相关企业的困难。

3)海量数据存储技术。GIS技术的瓶颈之一就是如何解决海量空间数据管理问题,因为对于一个城市级的GIS系统,其数据量极其巨大,一般可达到GB的数据量级。传统的基于文件的管理方式显然不能处理这些问题,而利用面向对象的大型数据库技术则能够有效地解决这一问题。

在面向对象的空间数据库中,海量地图数据的使用变得更加简单:只需建立单一图层,不必再进行分幅处理。如果用户原来的数据源是分幅的,可将其全部存储到一个图层中,数据库将自动对其进行拼接和索引处理,即可形成一个完整的图层。在应用时,客户端只需极少量的编程,就可实现对数据库里数据的动态显示。数据库会根据当前地图客户端的显示视野,自动将此范围内的图形检索出来,并送到客户端显示。因此,即使服务器端的数据是GB级的,在客户端的数据量却仅是几十到上百kB,大大减轻了客户端系统的配置需求,并减轻了网络流量。所以,利用面向对象的数据库技术,可建立一种真正的Client/Server结构的空间信息系统,这不仅可以解决海量数据的存储与管理等问题,也解决了多用户编辑、数据完整性、数据安全机制等许多问题,将给GIS的应用带来更广阔的前景。(www.xing528.com)

海量地理数据和行业服务相关数据的网络传输,以及基于异构的、分布式网络GIS开发中的数据策略的研究,已成为国家空间信息基础设施建设中一个重要组成部分。

4)组件GIS。随着计算机软件技术的发展,GIS 组件化发展到了一个全新的阶段,出现了组件式GIS(Components GIS,以下简称ComGIS)。所谓ComGIS,是指基于组件对象平台,以一组具有某种标准通信接口的、允许跨语言应用的组件提供的GIS。这种组件称为GIS组件,GIS组件之间以及GIS组件与其他组件之间可以通过标准的通信接口实现交互,这种交互甚至可以跨计算机实现。

组件式平台主要有Microsoft的COM(Component Object Model,组件对象模型)/DCOM(Distributed Component Object Model,分布式组件对象模型)和OMG 的CORBA(Common Object Request Broker Architecture,公共对象请求代理体系结构),目前Microsoft的COM/DCOM 占据市场领导地位。基于COM/DCOM,Microsoft推出了ActiveX 技术。作为ActiveX 技术的重要内容,ActiveX 控件是当今可视化程序设计中应用最为广泛的标准组件。新一代的组件式GIS 也大都是ActiveX 控件或者其前身OLE 控件。ComGIS 不是一种小技术在GIS 软件开发中的应用,而是一种全新的GIS 软件技术体系。不仅仅是GIS,组件式软件技术给整个软件产业带来了一场技术革命。ComGIS 基于组件对象平台,具有标准的接口,允许跨语言应用,因而使GIS“软件的可配置性、可扩展性和开放性更强,使用更灵活,二次开发更方便”。Com GIS 不仅可以成功地解决传统GIS 在软件开发、应用系统集成和用户学习使用等方面面临的困难,而且有利于降低成本,具有无限扩展性等特点。因此,国际上大多数GIS 软件公司开始把开发ComGIS 软件作为重要的发展战略,ComGIS是当今GIS 发展的重要趋势。

5)三维GIS。传统的2D GIS提供给用户的仅为二维平面图形,缺少把基础地理数据及其分析成果直接转换为用户可理解信息的有效手段,不能满足人们的视觉要求。3D GIS由于能够产生三维效果而受到人们的广泛关注,现已成为地学领域的研究热点。地形作为地理信息的承载体,它的三维可视化是3D GIS发挥功能的关键,可视化效果直接影响着3D GIS系统功能的实现。计算机仿真技术和虚拟现实(VR)技术的迅速发展,使得建立具有真实自然视觉效果的虚拟环境(VE)的地面模型成为可能。目前的计算机图形技术在模拟地表人工建筑、植物和海浪等的对象的建模和可视化方面已进行了许多卓有成效的工作,地形、水体运动的三维可视化技术也取得了很多研究成果。大场景地形以及复杂地质体的数据量极其庞大,甚至可以说是无限的,但又要达到一个较好的可视化效果,就需对建模和实时显示提出较高要求。

6)网络GIS。Internet改变了我们的世界。当前,Internet已不仅仅是一种单纯的技术手段了,它已演变成为一种经济方式——网络经济。人们的生活也已离不开Internet。大量的应用正由传统的Client/Server(客户机/服务器)方式向Brower/Server(浏览器/服务器)方式转移,GIS技术也是如此。GIS技术和Internet技术的融合,正逐渐形成一种新的技术,我们称之为WebGIS。和传统的基于Client/Server的GIS相比,WebGIS有如下优点:更广泛的访问范围;平台独立性;降低系统成本;更简单的操作等。

目前,Web GIS在Internet/Intranet上的应用为典型的三层结构,三层结构包括客户机、应用服务器与Web服务器、数据库服务器。这种方式又称瘦客户机系统。瘦客户机系统是指在客户机端没有或者有很少的应用代码。在以往的终端和主机的体系结构中,所有系统都是瘦客户机系统。现在随着Internet技术以及Java ActiveX 技术的出现,瘦客户机系统又重新出现。客户机负责数据结果的显示和用户请求的提交;地图应用服务器和Web服务器负责响应和处理用户的请求;而数据库服务器负责数据的管理工作。所有的地图数据和应用程序都放在服务器端,客户端只是提出请求,所有的响应都在服务器端完成,只需在服务器端进行系统维护即可,因此大大降低了系统的工作量。