地理信息系统的发展趋势

3.1.5　地理信息系统的发展趋势

地理信息系统本身的发展同两方面的发展密切相关:一是信息技术的发展，包括相关的计算机软硬件技术、数据库技术、网络技术等。地理信息系统技术的发展始终同计算机信息技术的发展密切相关，计算机技术领域中面向对象技术、软件集成技术、网络技术的发展给地理信息系统的发展带来了新的动力和挑战。二是应用的发展，也就是需求的发展。需求的发展包括地理信息系统应用领域的扩展和不断深入，以及新的应用领域的产生。

从GIS的系统发展趋势来看，在未来几十年内，GIS将向着系统集成化、平台网络化和应用社会化的方向发展。系统集成化是指GIS软件的对象化(customized)，即通过面向对象和构件技术，将GIS模块开发为控件，由每个控件完成不同的功能。然后通过软件集成，最终形成面向用户需求的GIS应用平台。平台网络化意味着GIS的工作平台将逐步从单机转入网络工作环境。GIS目前正从局域网内客户/服务器(client/server，C/S)结构的应用向Internet环境下浏览器/服务器(browser/server，B/S)结构的应用发展。随着GIS与互联网的结合，GIS不仅可以实现网上发布、浏览、下载，还可以形成实现基于Web的互动式GIS查询、分析，甚至数据操作。应用社会化意味着GIS的应用将不再局限于专业领域，它的范围将不断扩展，最终走入千家万户，深入到工作和生活的各个方面。

从GIS系统内部或系统本身的角度看，地理信息系统技术将逐步向数据标准化、数据多维化、数据采集自动化、空间数据和属性数据组织一体化，以及空间分析功能多样化发展。数据标准化包括GIS数据结构及数据交换格式的标准化、GIS基础数据接口的标准化，以及建立开放地理信息系统(Open GIS)的互操作标准等。数据多维化是指GIS要在传统的2～2.5维基础上扩展成为真正的三维或者四维GIS，全面、客观、及时地反映空间数据或者时空数据的特征。数据采集自动化不仅包括准确性不断提高的自动矢量化技术，而且还包括日益普及的GPS技术以及应用，更包含其他的激光或微波雷达技术(如机载LIDAR、车载移动LIDAR等)，以及目前价格不断降低的微型传感器技术等。空间数据和属性数据组织的一体化是指应用成熟、专业的数据库管理系统来协同存储和管理空间及属性数据，使之成为能够做到真正数据共享和保障数据安全的空间数据库。空间分析功能的多样化是指扩展空间分析的功能，使之更加专业化和个性化，满足用户多种多样的需求。

不论从研究和应用的角度，三维GIS、时态GIS和WEBGIS都是目前GIS发展的热点。下面我们将分别对此做简单的介绍。

1.三维GIS

三维GIS是许多应用领域对GIS的基本要求。例如很多情况下，我们都需要对物体进行三维的查询、分析或显示，如工程管线设计与管理、地下空间设计、三维景观设计等。以前很多的GIS软件也提供了一些较为简单的三维显示和操作功能。但它们常用的方法是将三维物体投影到地表，再基于此进行处理。这种方式实际上仍是以二维的形式来处理数据。而有些GIS软件采用了建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏，本质上这种方法也是用二维来表现三维。这与真正的三维表示和分析还有很大差距，尤其是在涉及地下和地上的三维的自然和人工景观的表达时，这种方法仍然无能为力。可以说随着科技的进步和社会的发展，传统的二维GIS已经无法满足用户的需求，用户需要更为直观、真实的三维GIS来作为交互式查询、分析、计算和显示的媒介。三维GIS因此成为GIS的一个重要发展方向。其研究范围涉及数据库、计算机图形学、虚拟现实等多门科学领域。目前，三维GIS的研究重点集中在三维数据结构(如数字表面模型、断面、柱状实体等)的设计、优化与实现，以及可视化技术的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。国内外许多学者对三维GIS的三维结构、三维建模以及应用提出了许多方法和技术手段。现在，三维GIS可以支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，初步解决了三维空间操作和分析问题。尤其是在三维场景可视化、实时漫游等方面已经取得了较好的成果。总体来说，目前三维GIS查询分析功能比较弱。究其原因，三维GIS在数据的采集、管理、分析、显示和系统设计等方面要比二维GIS复杂得多，并不是简单地增加Z坐标的问题。从发展趋势来看，三维GIS与虚拟现实、人工智能等技术的结合应用，将使三维GIS更加真实地表现现实世界，提高GIS的辅助决策支持能力。

2.时态GIS

时间是反映客观世界变化的一个重要因素。对于很多事物来说，我们不仅要研究其在空间的变化，也要考虑时间的变化，也就是常说的时空变化(spatial-temporal change)。然而传统的GIS并没有把时间作为一个单独的因素加以考虑，它所处理的数据通常只是现实世界在某个具体时刻的“快照”(snapshot)。当被描述的对象并不随时间连续变化或者其变化的过程无关紧要时，用更新快照的方式来反映时间变化的影响是可以接受的。然而，如果GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的，而且时间因素的影响不可忽略，时间必须作为与空间等量的因素加入到GIS中来。这里一个典型的例子就是地籍变更。我们知道，地籍并不是一成不变的，有的时候变更还很频繁。按照传统GIS存储数据的方法，我们有可能只能得到最新的土地所有者的信息及交易数据，而以前的历史信息则已不可能获取，因为它们已经被最新的信息所更新。为了解决这一问题，按照传统的GIS存储数据的思路，我们可能需要备份不同历史时期的数据。这将会产生大量的数据冗余，而且查询和分析的效率也将大大降低。因此，如何既考虑时间因素，又不产生数据冗余是目前GIS研究的一个重点。

将时间的影响考虑到GIS应用中，就产生了时态GIS或四维GIS。当前主要的时态GIS模型包括空间-时间立方体模型、序列快照模型、基图修正模型、空间-时间组合体模型等。时态GIS的研究重点主要在时空数据库模型(如何设计并建立一个有效的数据库结构来存储时空数据)、时空分析和推理(如何根据数据库中大量的时间序列数据和空间数据进行包括时间推理和空间推理在内的数据分析)、时空数据库管理系统(目前主要研究的是时空数据库查询语言，而真正的数据库管理系统层次的研究很少)、时空数据的可视化研究(探讨不同时间数据的显示、制图和符号化)4个方面。其中有关时空数据库模型的研究比较深入，而对时态的可视化问题研究较少，过去一般借助轨迹线等方法描述地理数据的时态特征，现在的研究是向借助动画技术表述地理数据时间维的方向发展。

3.WebGIS

Internet的日益普及，给GIS带来了新的发展机遇和挑战，由此也产生了WebGIS。可以简单地说，WebGIS就是GIS与Internet的结合。WebGIS不但具有大部分乃至全部传统GIS软件具有的功能，而且还具有利用Internet优势的特有功能。首先，GIS的应用范围大大扩展。这是因为通过连接全球的网络Internet，WebGIS服务于位于世界任何位置的客户。目前，WebGIS的工作机制是客户/服务器构架，即通过把GIS的分析任务分为服务器端和客户端两部分，客户可以从服务器请求数据、分析工具和模块，服务器或者执行客户的请求并把结果通过网络送回给客户，或者把数据和分析工具发送给客户供客户端使用。理论上说，无论位于世界的任何一个角落，只要有相关的权限，任何客户都可以同时访问多个位于不同地方的服务器上的最新数据，实现远程数据共享。客户/服务器构架使客户端与服务端的数据传输减少到最少的程度，为在Internet上实现复杂、大规模的地理信息服务提供了可能。其次，GIS系统的成本大大降低。传统GIS在每个计算机上都需要安装GIS套件，而完整的GIS套件通常价格昂贵。而一般的用户经常使用的只是一些最基本的功能，很多专业的功能是闲置的。在客户/服务器架构下，WebGIS只需在客户端的浏览器安装简单的插件，而完整的GIS分析软件包只需要安装在功能强大的服务器中就行了。这与传统的每台计算机都安装全套专业GIS相比明显要节省得多。再次，WebGIS是GIS最终实现应用社会化和大众化的必然途径。一方面，WebGIS的应用平台是独立的。无论服务器/客户机是何种机器，无论网络GIS服务器端使用何种GIS软件，只要使用了通用的Web浏览器，用户就可以透明地访问网络GIS数据，而不必了解GIS内部的协同处理与分析工作机制。另一方面，WebGIS操作简单。要推广GIS，使GIS为广大普通用户所接受，而不仅仅局限于少数受过专业培训的专业用户，就要降低对系统操作的要求。通用的Web浏览器无疑是降低操作复杂度的最好选择，它改变了GIS数据及应用的访问和传输方式，使GIS真正变成了大众使用的工具。

目前，WebGIS的一个发展趋势是与分布式GIS相结合。Internet的一个特点就是它可以访问分布式数据库和执行分布式处理，即信息和应用可以部署在跨越整个Internet的不同计算机上。分布式GIS利用分布式计算技术来处理分布在网络上的异构多源的地理信息，集成网络中不同平台上的空间服务，构建一个物理上分布，逻辑上统一的GIS。它与传统GIS最大的区别在于它不是按照系统的应用类别、运行环境划分的，而是按照系统中的数据分布特征和针对其中数据处理的计算特征而分类的。

WebGIS的最终发展趋势可能是构建空间信息网格(spatial information grid)。随着GIS应用领域的不断拓展，不同部门和不同用户都建立了自己的GIS。此外，GIS系统同其他的计算机信息系统之间的联系也在不断加强。如何在各个计算机系统内部做到真正的资源共享、应用共享并不是一个简单的问题。因为各个系统可能采用不同的标准和构建方式。空间信息网格是由多个地理信息系统构成的信息系统体系，它跨越了传统的单个地理信息系统边界，可以实现多个地理信息系统之间的资源(包括数据、软件、硬件和网络)共享、互操作和协同计算。在空间信息网格中，GIS的数据分析与处理通过GIS应用服务器之间的互操作和协同计算来完成，GIS的应用则通过多种类型的客户端(如PC、移动终端)上Web Browser或桌面软件来调用服务器的功能来实现。未来几年，特别是随着电子政务和电子商务的发展，空间信息网格构建必将有新的进展。

总之，随着计算机软硬件，特别是网络技术的飞速发展，GIS正在经历一场变革。三维GIS使GIS技术更加现实化，更能真实地再现客观世界;时态GIS使GIS技术更加实用化，更能辅助决策支持;网络GIS使GIS技术更加广泛化，更能快捷迅速地提供更多的服务。