1.3. 地球信息科学与地理信息系统

1.3.1. 地球信息科学的概念

地球信息科学(Geo—Informatics,或Geo InfoMation Science,简称GISci)是研究地球表层信息流的科学,或研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流的科学。就地球信息科学的技术持征而言,它是记录、测量、处理、分析和表达地球参考数据或地球空间数据学科领域的科学(李建松,2006)。它属于边缘学科、交叉学科或综合学科,是以信息流作为研究的主题,即研究地球表层的资源、环境和社会经济等一切现象的信息流过程,或以信息作为纽带的物质流、能量流等。

“信息流”这一概念是陈述彭院士在1992年针对地图学在信息时代面临的挑战而提出的。他认为,地图学的第一难关是解决地球信息源的问题。在16世纪以前,人类获取地图信息源主要是通过艰苦的探险、组织庞大的队伍和采用当时认为是最先进的技术装备来解决这个问题;到了16—19世纪,地图信息源主要来自大地测量及建立在三角测量基础上的地形测图;20世纪前半叶,地图信息源主要来自航空摄影和多学科综合考察;20世纪后半叶,地图信息源主要来自卫星遥感、航空遥感和全球定位系统(GPS)。可以预见,21世纪,地图信息源将主要来自由卫星群、高空航空遥感、低空航空遥感、地面遥感平台,并由多光谱、高光谱、微波以及激光扫描系统、定位定向系统(POS)、数字成像成图系统等共同组成的星、机、地一体化、立体的对地观测系统。它可基于多平台、多谱段、全天候、多分辨率、多时相对全球进行观测和监测,极大地提高信息获取的手段和能力。但是,无论是什么信息源,其信息流程都表现为:

  1. 信息的获取;
  2. 存储检索;
  3. 分析加工;
  4. 最终输出产品。

地理信息系统(GIS)与遥感(RS)、全球定位系统(GPS)等高新技术是进行研究地球信息科学的主要技术手段。即,地球信息科学的研究手段是由GIS、RS和GPS所构成的“3S”技术对地面进行立体观测系统。

该系统运作特点是:

  • 在空间上是整体的,而不是局部的;
  • 在时间上是长期的,而不是短暂的;
  • 在时序上是连续的,而不是间断的;
  • 在时相上是同步的、协调的,而不是异相的;
  • 在技术上不是孤立的,而是由GIS、RS和GPS三种技术集成的。

1.3.2. 地理信息系统常用软件

目前国外研发出的比较流行的GIS软件有:美国ERSI公司的ArcGIS,Intergraph公司的MGE,MapInfo公司的Mapinfo,加拿大阿波罗科技集团的Titan GIS等。国内开发出的比较流行的GIS软件有:中国地质大学的MAPGIS、北京超图公司的SuperMap,北京大学的Citystar、武汉大学的Geostar、北京灵图公司的VRMap、中国林业科学研究院的VIEWGIS等,这些国产GIS软件的出现打破了国外GIS软件对我国市场的垄断,开创了用计算机编制地学图件的新时代,必将为搞活我国的国民经济、提高综合国力起到积极的推动作用。这些国产的GIS也相继推出了自己的组件化产品。

GIS软件工业不可避免地受到计算机应用软件发展趋势的影响,由于微型机的普及,Windows系列的操作系统成为主流操作系统,许多传统的基于UNIX操作系统的应用软件逐步移植到Windows操作平台上来,GIS软件也不例外;面向对象的理论和方法的逐渐成熟并被广泛地应用到软件的设计和生产中来,基于CORBA和DCOM的系统软件已经或陆续进入操作系统,组件化的软件设计方法已经成为新的趋势,传统的GIS软件被分解为可按应用需要组装成“定制系统”的GIS“元件”将是不可避免的。

1.3.2.1. GIS软件平台的转移

原来的GIS软件大都是基于UNIX操作系统,但近年来由于微软公司的Windows系列操作系统的发展非常迅速,现在绝大多数的微机大部使用Windows系列操作系统,图形工作站也都支持Windows NT,所以以UNIX为主流平台的GIS大型软件,近几年都更换或扩展到了Windows NT平台,另外由于微机的飞速发展,各G1S软件厂商则开发了基于Windows操作系统的桌面GIS软件。

1.3.2.2. 组件化GIS与搭建式GIS

前些年,对于偏重于设施管理、地图显示,而对空间分析要求不高的应用要求,软件厂商顺应计算机技术的发展,开发了OCX或ActiveX 控件化GIS软件,用户可以综合利用GIS控件以及其它的控件(比如数据库管理方面的控件),开发出中、小规模的GIS应用系统。用户可以使用流行的VC、.Net或Delphi等开发工具开发自己的应用系统(胡鹏等,2002)。一些大的GIS软件商都在向用户提供控件,如ERSI公司的MapObject,MapInfo公司的MapX等。

近年来,搭建式GIS软件则是一种新的趋势,采用搭建式、向导式和插件式等三种开发方式,在尽可能零编程、少编程的情况下通过拖放式开发就可实现特定功能的GIS。搭建式开发方式大大缩短了开发时间,节约80%以上的开发成本,提高60%以上的工作效率,对开发人员的要求大大降低。凡有一定的计算机应用基础的技术人员,在通过相当短的时间里,就能掌握搭建系统的使用方法,让用户从关心技术、实现细节功能,转向关心业务。这是GIS开发模式的重大变革,是一场革命。

1.3.3. 地理信息系统类型

1.3.3.1. WebGIS

随着计算机技术、网络技术、数据库技术等的发展以及应用的不断深化,GIS技术的发展呈现出新的特点和趋势,基于互联网的WebGIS就是其中之一。WebGIS除了应用于传统的国土、资源、环境等政府管理领域外,也正在促进与老百姓生活息息相关的车载导航、移动位置服务、智能交通、抢险救灾、城市设施管理、现代物流等产业的迅速发展。 GIS经历了单机环境应用向网络环境应用发展的过程,网络环境GIS应用从局域网内客户/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Web GIS应用发展。随着Internet的发展,WebGIS开始逐步成为GIS应用的主流,WebGIS相对于C/S结构而言,具有部署方便、使用简单、对网络带宽要求低的特点,为地理信息服务的发展奠定了基础。

早期的WebGIS功能较弱,主要用于电子地图的发布和简单的空间分析与数据编辑,难以实现较为复杂的图形交互应用(如GIS数据的修改和编辑、制图)和复杂的空间分析,还无法取代传统的C/S结构的GIS应用,因此出现了B/S结构与C/S结构并存的局面,而C/S结构涉及客户端与服务器端之间大量数据转输,无法在互联网平台实现复杂的、大规模的地理信息服务。

目前,国内外许多GIS软件厂商相继推出了WebGIS软件产品,如:美国ESRI公司的ArcGIS IMS和MapObjects IMS,美国MapInfo公司的MapXtreme,美国INTERGRAPH公司的GeoMedia Web Map和GeoMedia Web Enterprise,国内的中地公司的MAPGIS IMS,超图公司的SuperMap IS等。并且,随着电子政务和企业信息化(电子f商务)的发展,构建由多个地理信息系统构成的信息系统体系,跨越传统的单个地理信息系统边界,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,构建空间信息网格(Spatial Information Grid),成为GIS应用发展需要解决的关键技术问题。这要求将GIS的数据分析与处理的功能移到服务器端,通过多种类型的客户端(如PC、移动终端)上Web Browser或桌面软件调用服务器端的功能,来实现传统C/S结构GIS所具有的功能,最终使B/S结构取代C/S结构的应用,通过GIS应用服务器之间的互操作和协同计算,构建空间信息网格。

1.3.3.2. 三维GIS

随着GIS研究与应用的不断深入,人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS。因此,许多学者开始了对三维GIS的研究,并针对地质、矿山等特殊应用领域,建立栅格化的数据模型和进行一些特殊的空间分析,功能较为单一。随着计算机技术的发展,人们己不满足于一些简单的三维显示、查询等功能。于是,许多模拟系统开始集成传统的GIS技术和三维可视化技术(包括虚拟现实技术),以数据库为基础,研究海量数据的存取和可视化。近几年,随着网络技术的飞速发展,GIS研究和应用也开始转向Iniemet网络,称之为Web-GIS。同样,三维GIS也有转向Web的趋势。荷兰的ITC对三维Web-GIS进行了比较深入的研究和实现,在Web上实现数字城市应用,并建立了一些具有初步功能的实验系统(Zlatanovas S.,1999)。

一些商用GIS系统也加入了三维GIS模块,如ArcView 3D Analyst、Titan 3D、ERDAS IMAGINE等。这些三维GIS模块通过处理遥感图像数据和三维地形数据,能在实时三维环境下,提供地形分析和实时三维飞行浏览。但这些三维GIS系统主要集中于二维表面地形的分析,仅将数据在三维环境中进行显示,在空间查询等方面功能比较简单,还不是真正的三维GIS系统(通常称之为2.5维)。武汉适普公司开发的IMAGIS结合三维可视化技术和虚拟现实技术,能够对三维对象进行建模、移动、漫游等操作,但缺乏空间数据库的有效管理,空间查询和分析功能较弱。国防科学技术大学开发了x-2000三维军事电子地图系统,以X-2000空间数据库为核心,实现了地形分析、空间查询、真三维再现等多项功能。原武汉测绘科技大学也在其研制的GeoStar系统中加入了三维GIS模块,可以应用于城市规划等领域中。武汉中地数码公司开发的MAPGIS-TDE中的构建平台是一个开放的、可扩展的三维开发平台,提供系列面向三维应用的专业建模、分析及可视平台,提供系列面向三维应用的专业建模、分析及可视化工具;用户可借助构建平台提供的面向专业应用的建模、分析与可视化接口构建自己的三维应用。

目前,国内外诸多学者对三维GIS的三维数据结构、三维建模以及单一领域的应用提出了许多方法和技术手段。三维GIS的研究经过十多年的发展,在取得许多成就的同时,仍然存在着诸多问题。目前三维GIS还没有通用的基础开发平台。虽然已经开发了许多三维GIS原型系统,但也只是集中于一些特殊的应用领域,特别是地质、数字城市等领域,离普遍应用还有较大的差距。

1.3.3.3. 时态GIS

传统的GIS处理的是无时间概念的数据,只能是现实世界在某个时刻的“快照”。然而,GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的,随着GIS应用领域的不断扩大,时间维必须作为与空间等量的因素加入到GIS中来。将时间的影响考虑到GIS应用中,就产生了时态GIS或四维GIS。

时态GIS主要应用在以下几种情况:一是对象随时间变化很快,噪声污染、水质检测、日照变化等,一秒钟得到一个甚至几个数据;二是历史回溯和衍变,地籍变更、环境变化、灾难预警等需要根据已有数据回溯过去某一时刻的情况或预测将来某一时刻的情况;三是地球科学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价,他们是否能容易地获得在“A 时刻的值或从时间B到时间C这段时间内的值”。