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GIS技术在国内的研究现状及其发展趋势

0 引言

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随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，GIS（Geographic Information System）技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。近年来，GIS被世界各国普遍重视，尤其是“数字地球”概念的提出，使其核心技术GIS更为各国政府所关注。目前，以管理空间数据见长的GIS已经在全球变化与监测、军事、资源管理、城市规划、土地管理、环境研究、农作物估产、灾害预测、交通管理、矿产资源评价、文物保护、湿地制图以及政府部门等许多领域发挥着越来越重要的作用。当前GIS正处于急剧发展和变化之中，研究和总结GIS技术发展，对进一步开展GIS研究工作具有重要的指导意义。因此，本文就目前GIS技术的研究现状及未来发展趋势进行总结和分析。

1 GIS研究现状及其分析

1.1 GIS研究现状

世纪90年代以来，由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善，GIS在全球得到了迅速的发展。在海量数据存储、处理、表达、显示及数据共享技术等方面都取得了显著的成效，其概括起来有以下几个方面[1]：①硬件系统采用服务器/客户机结构，初步形成了网络化、分布式、多媒体GIS；②在GIS的设计中，提出了采用“开放的CIS环境”的概念，最终以实现资源共享、数据共享为目标；③高度重视数据标准化与数据质量的问题，并已形成一些较为可行的数据标准；④面向对象的数据库管理系统已经问世，正在发展称之为“对象——关系DBMS（数据库管理系统）”；⑤以CIS为核心的“3S”技术的逐渐成熟，为资源与环境工作提供了空间数据新的工具和方法；⑥新的数学理论和工具采用CIS，使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。

在GIS技术不断发展下，目前GIS的应用已从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报，与卫星遥感技术相结合用于全球监测，成为重要的辅助决策工具。据有关部门估计，目前世界上常用的GIS软件己达400多种[2].国外较著名的GIS软件产品有[3]：Auotodesk系列产品、Arc/Info、MapInfo及其构件产品、Intergraph、Microstation等，还有Web环境下矢量地图发布的标准和规范，如XML、GML、SVG等等。我国GIS软件研制起步较晚，比较成熟的测绘软件主要有南方CASS，MapGIS，GeoStar，SuperMap等。尽管现存的GIS软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况：一是利用GIS系统处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发用户专用的GIS软件。目前已成功应用包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，GIS的应用遍及环境保护、灾害预测、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随着我国经济建设的迅速发展，加速了GIS应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业等领域发挥r重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。

1.2 当前GIS发展存在的主要问题

基于以上GIS技术现状研究，本文分析认为GIS技术在模型、数据结构等方面存在着不足，一定程度上制约了GIS技术的发展。

（1）数据结构方面存在的问题

目前通用的GIS主要有矢量、栅格或两者相加的混合系统，即使是混合系统实际上也是将两类数据分开存储，当需要执行不同的任务时采用不同的数据形式。在矢量结构方面，其缺点是处理位置关系（包括相交、通过、包含等）相当费时，且缺乏与DEM和RS直接结合的能力。在栅格结构方面，存在着栅格数据分辨率低，精度差；难以建立地物间的拓扑关系；难以操作单个目标及栅格数据存贮量大等问题[4].

（2）GIS模型存在的问题

传统GIS模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象，使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系，难以表达复杂的地理实体，更难满足客观世界的整体特征要求。在GIS软件开发中，如果语义分割不合理，将难以有效表达地理空间实体间的关系，这就导致较深层次的分析、处理操作难以实现。随着GIS应用需求领域的不断开拓及计算机技术的迅速发展，对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求，使得传统的地理空间数据模型力不从心，逐渐暴露其弊端。

目前，面向对象的数据模型一定程度上解决了传统GIS数据模型的某些不足，但是OODB（面向对象数据库）目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受，因为OODB作为一个DBS还不太成熟，如缺少完全非过程性的查询语言以及视图、授权、动态模式更新和参数化性能协调等；且OODB与RDB之间缺少应有的兼容性，因而使得大量的已建立起来的庞大的RDB客户不敢轻易地去选择OODB.

（3）其他方面亟待解决的问题

当前，GIS正处在一个大变革时期，GIS的进一步发展还面临不少问题，主要表现在以下几个方面[5]：①GIS设计与实现的方法学问题。在GIS设计与实现过程中缺乏面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学的指导，导致GIS软件系统的可靠性和可维护性差；②GIS的功能问题。当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS，不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力；③三维GIS模型及可视化问题。目前大多数GIS软件的图形显示是基于二维平面的，即使是三维效果显示也是采用DEM的方法来处理表达地形的起伏，涉及到地底下真三维的自然和人工现象显得无能为力。

2 GIS未来发展趋势

2.1数据管理方面

（1）多比例尺、多尺度和多维空间数据的表达[6]

对于多比例尺数据的显示，将运用影像金字塔技术、细节分层技术和地图综合等技术；而为了实现GIS的动态、实时和三维可视化，出现存储真三维坐标数据的3D GIS和真四维时空GIS，这其中涉及了空间数据的海量存储、时空数据处理与分析以及快速广域三维计算与显示等多项理论与技术[7].

（2）三库一体化的数据结构方向

空间数据库向着真正面向对象的数据模型和图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库三库一体化数据结构的方向发展[8].这种三库一体化的数据结构改变了以图层为处理基础的组织方式，实现了直接面向空间实体的数据组织，使多源空间数据的录入与融合成为了可能，从而为GIS与遥感技术的集成创造了条件。

（3）基于空间数据仓库（Spatial Data warehouse）的海量空间数据管理的研究

空间数据量非常大，而且数据大都分散在政府、私人机构、公司的各个部门，数据的管理与使用就变得非常复杂，但这些空间数据又具有极大的科学价值和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据仓库的建立工作，许多研究机构和政府部门都参与到空间数据仓库建立的研究工作。

（4）利用数据挖掘技术进行知识发现

空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系以及其他非显式的包含在空间数据库中但以别的模式存在的信息供用户使用，这是GIS应用的较高层次。由于目前空间数据的组织与管理仍局限于二维、静态、单时相，且仍以图层为处理基础，因此，当前的GIS软件和空间数据库还不能有效地支持数据挖掘。

2.2技术集成方面

（1）“3S”集成

“3S”是GPS（全球定位系统）、RS（遥感）和GIS的简称，“3S”集成是指将遥感、空间定位系统和地理信息系统这三种对地观测技术有机地集成在一起。地理信息是一种信息流，RS、GPS和GIS中任何一个系统都只侧重于信息流特征中的一个方面，而不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求。因此，无论从物质运动形式、地学信息的本质特征还是“3S”各自的技术特征来说，“3S”集成都是科技发展的必然结果。

目前，“3S”集成还仅限于两两结合方式，这是“3S”集成的初级和基础起步阶段，其核心是GIS与RS的结合。这种两两结合虽然优于单一系统，但是仍然存在以下缺陷。将“3S”进行集成从而形成一体化的信息技术体系是非常迫切的。这种集成包括空基“3S”集成和地基“3S”集成，即在硬件方面建立具有同步获取涉谱数据和空间数据的高重复观测能力的平台，而在软件方面使GIS支持数据封装，同时解决图形和图像数据的统一处理问题。

（2）GIS与虚拟现实技术的结合

虚拟现实（Virtual Reality）是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图形、声音和接触感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。将虚拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，GIS用户在客观世界的虚拟环境中能更有效的管理、分析空间实体数据。因此，开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。

（3）分布式技术、万维网与GIS的结合[9]

目前，随着Internet技术的迅猛发展，其应用已经深人到各行各业，作为与我们日常生活息息相关的GIS也不例外，它们的结合产生了web GIS.当前Web GIS系统已经得到迅速的发展，到1999年1月，仅在美国出现的这类系统就有23种之多。又由于客户端可能会采用新的应用协议，因此也被认为是Internet GIS.

计算机网络技术的飞速发展，分布式计算的优势日益凸显，GIS与分布式技术结合也就成为必然，它们的结合即构成了分布式CIS.它就是指利用最先进的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，集成网络上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。

（4）移动通信技术与CIS的结合发展[10]

WAP/WML技术作为无线互联网领域的一个热点，已经显示了其巨大的应用前景和市场价值。WAP柳ML技术与GIS技术的结合产生了移动GIS（Mobile GIS）应用和无线定位服务LBS（Location一basedServices）。通过WAR/WML技术，移动用户几乎可以在任何地方、时间获得网络提供的各种服务。无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里。大多数的分析家都认为，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性所决定。

当前用于地理信息交互的语言还不足以完成真正的“设备无关接口”的互操作。各种移动设备对于从地理信息服务器所获得的信息，其表现方式是各不相同的，用户输人方式也不相同。因此，对于不同的移动设备需要一种统一的标记语言。无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里：大多数的分析家都认为，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性所决定。

（5）GIS与决策支持系统（DSS）的集成[11]

决策支持系统（Decision Support System，简称DSS）是以管理学、运筹学、控制论、行为科学和人下智能为基础，运用信息仿真和计算手段为基础，综合利用现有的各种数据库、信息和模型来辅助决策者或决策分析人员解决结构化和半结构化问题，甚至非结构化问题的人机交互系统。

目前，绝大多数的GIS还仅限于图形的分析处理，缺乏对复杂空间问题的决策支持，而目前绝大多数的DSS则无法向决策者提供一个友好的可视化的决策环境。因此，将GIS与DSS相集成，最终形成空间决策支持系统（SDSS），借助GIS强大的空间数据处理分析功能，并在DSS中嵌入空间分析模块，从而辅助决策者求解复杂的空间问题，这是GIS应用向较高层次的发展。其中SDSS中知识的表达、获取和知识推理以及模型库、知识库、数据库三库接口的设计是哑待解决的关键问题。

2.3 发展历程方面

自20世纪60年代世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统（CGIS）问世以来，经过40年的发展，GIS经历了三个阶段的发展。目前，随着第三代互联网的提出与实施，以及计算机技术、数据库技术的飞速发展，GIS即将步入第四代GIS发展阶段。

第四代GIS软件将在数据组织、存储、检索和运算等方面发生革命性的变革。数据组织应该是面向空间实体的，空间位置只是实体众多属性中的一类，它应和其它属性有机地组织在一起并统一存放：“关系”概念和“关系运算”应该加以扩充，应该包括空间关系及其运算；传统的结构化查询语言应该扩充，把空间关系及其查询包括在里面；以倒排表为基础的数据库索引机制应该扩展，建立至少包括拓扑关系在内的新的索引机制；数据存储机制应该适应空间数据提取和计算的要求等。只有实现数据真正的一体化存储和处理，才能自由地、方便地、快速地实现人们所期望的处理功能。在功能上，第四代GIS软件应该具备支持数字地球（区域、城市）的能力，成为OS、DBMS之上的主要应用集成平台，它具有统一的海量存储、查询和分析处理能力、一定的三维和时序处理能力、强大的应用集成能力和灵活的操纵能力，且具有一定的虚拟现实表达。

3 结束语

通过以上对GIS现状及发展趋势的分析，可以看出，GIS作为信息产业的重要组成部分，正以前所未有的速度向前发展。把握当前GIS的技术发展现状及不足，有利于人们预见GIS的发展趋势，站在更高更远的角度去扬长避短，较好地促进GIS技术的快速发展。随着地理信息系统产业的建立和数字化住处产品在全世界的普及，GIS将深人到各行各业以至千家万户，成为人们生产、工作、学习和生活中不可缺少的工具和助手。

GIS的发展历程（1500字左右能百度）

GIS的国际发展历史

GIS起源于人口普查，土地调查和自动制图，1960年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson 提出了把地图变成数字形式的地图，1963年，又提出GIS这一本术语，并建立了第一个GIS－加拿大GIS，随后GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来。

1、60年代，探索时期(GIS思想和技术方法的探索)人们关注什么是GIS，GIS能干什么。

2、70年代，巩固时期，这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理的应用，促进 GIS迅速发展。

这期间，发展研究的重点是空间数据处理的算法，数据结构和数据库管理这三个方面。

3、80年代，实用阶段，也是GIS普遍发展和推广应用阶段，人们把GIS与RS解决全球性问题，如全球沙漠化，全球可居住地评价，核扩散问题等。

4、90年代，全面应用，产业化阶段，对GIS进一步研究，研究的内容集中在：空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等。

●国际GIS的发展状况

GIS的国内发展历史

●我国GIS起步较晚，但发展较快，分为以下几个阶段：

1、70年代，准备阶段：

一些知名人士GIS先驱看到GIS的广阔前景和GIS的重要性，进行极积呼吁，为GIS在我国的发展奠定了与论准备基础并做了一些可行性实验。

2、 80年代，试验起步阶段：

这期间，我国在GIS理论探索，规范探讨，软件开发，系统建立等方面取得了突破和进展，进行了一些典型，试验专题试验软件开发工作。

3、90年代，我国GIS发展阶段：

我国改革开放以来，沿海，治江经济开发区的发展土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动GIS在我国的全面发展。

4、96年以来，是我国GIS产业化阶段。

如何在环境监测中应用GIS技术?

GIS技术，即地理信息系统，在环境监测系统中发挥着不容忽视的作用，不仅能整合、分析过去的研究结果，还能为未来的研究方向和保护工作提供建议及对策。具体来说，GIS在监测农家生态旅游环境中的主要应用领域如下：

（1）建立稀有动物数据库。利用野外调查数据，确定野生动物的分布地点和族群量，再将这些数据及动植物基本数据输入GIS。这些数据可与其他空间性数据如植被分布图、土地利用图、土地发展趋势图等相结合。这些数据也可与同级程序结合，进行仿真模拟，以预测环境改变对这些动植物的影响，同时还可用来进行资源保护和经营管理等。

（2）生物资源调查的规划。地理信息系统可通过数据处理，将环境划分为均质（Homogeneous）的小区域，以方便研究者在每一个区域内选定观测点进行调查，并进行各区域内生物族群组成的比较研究。

（3）建立动植物分布数据库。使用GIS能建立生物分布的数据库，若能配合遥测技术所得的数据，就可得到生物所在地的状况，再借由图形数据来展现动物的分布，以提高数据可读性，并可进行深入的分析。生物资源数据库的建立，可帮助了解周围的环境状况，在资源规划、利用、生态保护、景观生态学研究、环境教育和国际交流上，都有其应用范围。

地理信息系统的应用背景

地理信息系统 ( Geographic Information System，GIS) 是一项以计算机为基础的新兴技术，是管理和研究空间数据的技术。围绕这项技术的研究、开发和应用形成了一门交叉性、边缘性的学科 ( ESRI Corporation，2010) 。在计算机软硬件的支持下，它可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行有效管理、研究各种空间实体及其相互关系。通过对多因素的综合分析，迅速地获取满足应用需要的信息，并以地图、图形或数据的形式表示处理的结果。

目前世界上常用的 GIS 软件已达 400 多种。它们大小不一，风格各异。国外较著名的有 Arc View，ArcInfo，MapInfo，GenaMap 等; 国内较著名的有 MapGIS，GeoStar 等 ( ESRI Corporation，2010) 。虽然 GIS 起步晚，但它发展快，目前已成功地应用到 100 多个领域。

地理信息系统软件的研究应用，归纳概括有两种情况。第一种是利用 GIS 系统来处理用户的数据; 第二种是在 GIS 的基础上，利用它的开发函数库二次开发出专用的地理信息系统软件。目前 GIS 已成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、能源、教育、军事等领域。

在美国、日本等发达国家，地理信息系统的应用遍及安全、环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。

近年来，随着我国经济建设的迅速发展，地理信息系统的应用在城市规划管理、交通运输、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，先后开发出了众多基于 GIS 的防震减灾、地质灾害预测、煤矿通风安全信息、城市安全防范等信息管理系统，取得了良好的经济效益和社会效益。

由于 GIS 在煤矿中能够对煤矿生产进行实时动态监控、预测预报事故、进行生产管理以及快速有效地调度管理，对减少事故发生起着非常重要的作用。目前，地理信息系统在矿山领域中的应用主要包括以下几个方面。

( 1) 基于 GIS 的矿图管理与更新

对地理底图数据的管理与更新，包括地理底图数据的录入、编辑、修改、保存、输出以及地理底图库的生成，可使用 GIS 的图形编辑系统、空间分析系统、输出系统、地图库管理系统、校正系统等进行处理。

对于其他诸如采掘工程平面图、开拓巷道布置系统图、通风系统图、避灾路线图等矿图，运用 GIS 可以实现图形处理与非图形属性信息处理相结合，用户不必在两个系统之间来回切换，提高了系统性能。另外，图纸的无级缩放功能可以对任何图形或图层任意缩小和放大。漫游功能可漫游到图上任意点，仔细查看每一条巷道及布置，可测算并动态显示任意两点间的距离。

( 2) 矿井监测及调度管理

以图形方式实时监测煤矿传感器的工作情况以及井下设备的工作状态。在图上能够看到每个传感器当时的物理参量和设备的开停状态。如瓦斯超限时有铃声报警，通讯中断时有相应的显示。通风系统提供实时的风速、风量、风向、变化趋势等相关数据的处理及分析功能，能实时显示和查询监控所采集的数据，并能自动进行超限报警。

( 3) 塌陷区的动态监测系统

塌陷区动态监测系统包括动态监测解译系统和统计系统两部分。第一部分主要实现对图像的显示、分析和校准等; 第二部分主要实现功能查询、面积统计和统计图的绘制等。GIS 主要用于该系统的统计分析。

( 4) 煤矿生产勘探管理中的应用

应用 GIS 进行图件管理，主要是应用其对栅格图像的管理功能。这种管理贯穿于煤矿生产勘探设计到勘探资料提交的全部过程。其关键技术是栅格图像的获取和处理。

( 5) 矿井灾害事故预测预报

应用 GIS 复杂而深层次的可视化查询、分析功能，建立矿井灾害事故预测预报系统。例如，在煤矿突水预测预报中，可以选用断层密度、岩溶发育程度、水压及隔水层有效厚度、开采方法、顶板管理方法等因素构成模型。通过与实际结果的多次拟合，得出突水指数，最后以图形的方式输出危险突水区。同样，对于矿井中瓦斯及煤尘爆炸、顶板冒落、煤层自然发火、冲击地压等灾害事故也可以用同样的方式进行预测预报。

GIS 也可用于突发事故的救灾指挥系统，通过 GIS 功能强大的 SQL 查询，在显示器上可以看到由 GIS 分析得出的该事故可能波及的范围、疏散人员的最佳路径以及该事故可能造成的损失等，管理人员将 GIS 所提供的资料与现场实际情况相结合，进行调度指挥，把事故的损失尽可能降到最低 ( 孙长篙等，2004) 。

( 6) 基于 GIS 数字煤矿的发展

所谓数字煤矿是指在煤矿范围内建立一个以三维坐标为主线，将煤矿信息构建成一个煤矿信息模型，描述煤矿中每一点的全部信息，按三维坐标组织、存储起来，并提供有效、方便和直观的检索手段和显示手段，使有关人员可以快速、准确、充分和完整地了解及利用煤矿各方面的信息。

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