GIS理论发展的需求¶

GIS是一门技术引导的多技术交叉的信息空间科学，它是对地理信息数据（包括图形和非图形数据，几何数据与属性数据）进行采集、存储、加工和再现，并能回答一系列问题的计算机系统，所以它必然是技术导向的。GIS不断地用新的技术和方法来装备和发展自己，它在技术上所关注的是：数据采集；数据建模；数据的精度和系统回答问题的可信度；数据量；数据存取与保密；数据分析；用户接口；成本与效益；GIS系统的寿命；GIS系统工作的组织问题。这些技术问题，将会随着相关学科和软件、硬件手段的不断进步，而日趋完善。同时，GIS是一门以应用为目的的信息产业，即GIS也是应用导向的，即它除了具有基础性和公益性特点，服务于科学研究和造福人类外，它还具有实际应用并创造价值的广阔市场。GIS的应用可以深入到各个领域、各个机构，形成诸如资源GIS，灾害监测和防治GIS，农林牧副渔GIS等。GIS的不断发展，它既依赖于地理学、统计学和测量学这些基础学科，又取决于计算机软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进步与成就。它是位于地学与技术科学的边缘，但本质上已是信息科学的一个组成部分。

随着GIS理论的发展与完善，以及人们对空间信息需求量的增大，为了使得GIS系统得到可持续的发展，则必须使GIS向集成化和智能化方向发展，该方向包括以下几个方面：

1. 图形数据和属性数据的结合：最初，图形和属性数据是完全分开的；然后，通过内部连接，将二者联系起来；再次，进行了混合处理；最后，达到完全的结合。未来GIS要求的是将二者的完全的结合。

2. GIS与RS的结合：遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。相反，GIS则是遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。GIS与RS可能的结合方式包括：分开但是平行的结合（不同的用户界面、不同的工具库和不同的数据库）、表面无缝的结合（同一用户界面，不同的工具库和不同的数据库）和整体的结合（同一个用户界面、工具库和数据库）。未来要求的是整体的结合。

3. GIS与GPS和CCD技术的结合：GPS是全球定位系统，利用GPS接收机，可以直接测定地面上任一点的三维坐标。GPS与GIS相结合可以实现电子导航，用于交通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作GIS实时更新。如果再加上CCD摄象机实时摄象和配以影像处理，则可以形成实时GIS运行系统，用于公路、铁路线路状况的自动监测和管理，以及作战指挥系统等。

4. GIS与专家系统（Expert System）的结合：由于GIS是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。从这个意义GIS与ES相结合，形成智能化的高度集成GIS系统。

GIS理论研究中及待解决的问题¶

基于以上的分析，要想得到一个理想的GIS系统，需要GIS理论上解决以下的主要问题：

1）GIS设计与实现的方法学问题

由于缺乏严格的工程管理和好的分析设计方法支持，导致了GIS软件系统的可靠性和可维护性差。这是一个长期以来人们一直在尽力解决但还未解决的问题。

2）GIS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，还不能完全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）多媒体地理信息系统的管理和操作的问题

在一个多种数据类型并存的混合系统中，如何实现对各类数据的随意操作和有效管理，这是现今信息媒体多元化新时代的突出问题，它比单一地图数据库的操作和管理更复杂。

4）GIS地理信息的深加工问题

目前的GIS还远未发挥它提供结论性专题地图和数据集方面的作用，这是涉及对GIS地理信息进行深加工的问题。这种深加工的结果，可以是结论性专题地图，也可以是结论性专题数据集。这两种形式都是必须的，前者提供结论性图形信息，后者提供结论性数字信息，提供经过深加工的结论性成果对用户更直接和更有利。

5）空间信息可视化技术和虚拟现实技术（VR）

可视化技术已经远远超过了传统的符号化及视觉变量表示法的水平，进入了在动态、时空变换、多维的可交互的地图条件下探索视觉效果和提高视觉工具功能的阶段，它的重点是要将那些通常难于设想和接近的环境与事物，以动态直观的方式表现出来。GIS可视化方面的研究主要集中在以下几个方面：运用动画技术制作动态地图，可用于涉及时空变化的现象或概念的可视化分析；运用VR技术进行地形环境仿真，真实再现地景，用于交互式地观察和分析，提高对地形环境的认知效果；运用图形显示技术进行空间数据的不确定性和可靠性的检查，把抽象数据可视化，由此发现规律；运用图形界面和交互式手段进行地图设计和编辑，以直观的方式完成地图设计制作（如地图颜色的可视化设计）；可视化技术用于视觉感受及空间认知理论的研究。

GIS软件中发展的热点¶

1）GIS中面向对象技术研究

面向对象方法为人们通过计算机直接描述现实世界提供了一条适合于人类思维模式的方法，面向对象的技术在GIS中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS的发展方向。这是因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、繁琐，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、组织有序的方法，因而倍受重视。

面向对象的GIS较之传统的GIS有下列优点：

1. 所有的地物以对象形式封装，而不是以复杂的关系形式存储，使系统组织结构良好、清晰；

2. 以对象为基础，消除了分层的概念；

3. 面向对象的一般——特殊结构和整体——部分结构使GIS可以直接定义和处理复杂的地物类型；

4. 根据面向对象后期绑定（Late-binding,后期绑定是面向对象编译器中的重要概念，采用该技术，一个对象所属的类可以在运行时刻指定，而不是在编译成目标码时确定。)的思想，用户可以在现有抽象数据类型和空间操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方法，增强系统的开发性和可扩充性；

5. 基于图标的面向对象的用户界面，便于用户操作和使用。面向对象的GIS也存在一些尚待进一步研究的问题：

   1. 大对象的操作仍受硬件条件的限制；

   2. 对象的独立性与粒度问题；

   3. 矢量和栅格数据统一的、支持动态拓扑结构和复合对象表示的面向对象的数据结构问题。

2）时空系统

传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应用领域中，如环境检测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时间变化的，而这种动态变化规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去GIS忽略时态主要是受软硬件条件的限制，也有技术方面的原因。近年来，对GIS中时态特性的研究变得十分活跃，即所谓“时空系统”。通常把GIS的时间维分成处理时间维和有效时间维，处理时间又称数据库时间或系统时间，它指在GIS中处理发生的时间；有效时间亦称事件时间或实际时间，它指在实际应用领域事件出现的时间。时空系统主要研究时空模型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。目前比较流行的作法是在现有数据模型基础上扩充，如在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。在这种扩充的基础上如何解决从表示到分析的一系列问题仍有待进一步研究。

3）地理信息建模系统（GIMS-Geographic Information Modeling System）

通用GIS的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型，目前通用的GIS大多数通过提供二次开发的工具和环境来解决这一问题，但二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。而GIS成功应用到专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。GIMS的研究动向为：面向对象在GIS中的应用。面向对象技术用对象（实体属性和操作的封装）、对象类结构（分类和组装结构）、对象间的通讯来描述客观世界，为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径；基于图标（Icon）的用户建模界面。建模过程中的对象和空间分析操作均以图标形式展示给用户，用户亦可以自定义图标。用户对图标的定义、选择和操作中完成模型的定义和检验。这种方法较之AML这类宏语言要方便和直观得多；GIS与其他的模型和知识库的结合，这是许多应用领域面临的一个非常实际的问题，即存在GIS之外的模型和知识库如何与GIS耦合成一个有机整体。

4）三维地理信息系统的研究

三维GIS是许多应用领域对GIS的基本要求。目前的GIS大多数提供了一些较为简单的三维显示和操作功能，但这与真三维表示和分析还有很大差距。真正的三维GIS必须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，解决了三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括：三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；三维数据的生成和管理；地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。

实用地理信息系统发展趋势与展望¶

随着计算机和信息技术的发展，GIS迅速地变化着。在未来10年内的GIS发展用下面几个方面来概括。

1）GIS网络化

对于GIS的发展，计算机网络技术是起到质变作用的重要技术。它的发展使得以往很多难以完成的事情得以实现，如网络技术使得数据库在地理位置上以分布的方式存在，这样做，各个数据库可以局部地进行生产、更新、维护和管理，而网络又使这些分布在局部的数据库相互之间可以连接起来实现共享使用。高速度的数据传输使得数据库之间的数据传输能够快速地实现。万维网的发展给GIS数据在更大范围内的发布、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。网络浏览器的使用从视觉上给提供和使用地理数据的人们带来了方便。地理数据不仅可以按照地理位置、专题内容、生产机构、使用价格等进行搜索，甚至可以直接在网上进行数据的各类空间操作，使用网络提供的各类模型进行模拟，直接产生新的数据结果，真正地实现“网络就是计算机”这一新的概念模式。网络技术虽然发展速度惊人，但是在GIS应用方面还有一定局限，主要表现为地理数据的传输：目前，对于GIS数据的网络传输仍然有一些局限，由于GIS的数据通常容量较大，现在网络宽带的能力在中远距离的大量数据传输过程中，速度不够令人满意，这将会是网络技术在GIS发展过程中的一个瓶颈问题；GIS网络软件的开发：网络技术给GIS技术的发展带来了更多潜力，但是到目前为止，GIS软件工业界还没有充分地将这些潜力发挥出来，许多技术在GIS领域仍然处于研究和试验阶段，达到商业化、实用化还有一定的距离；网络技术在GIS中的有效使用：技术的发展只有在给人们带来利益时才有真正的价值。网络技术有巨大潜力，但是如何在GIS领域得到有效的使用，充分、恰当地发挥出它的潜能仍然是需要人们探索的问题。

2）GIS标准化

今后5-10年是GIS界的主要标准化制定时期。GIS发展到今天这样，能够在各种领域得到使用的盛况，人们不断意识到软件、硬件、数据等要素进行必要的标准化才能实现更有效、广泛地对GIS的使用。GIS的标准化将在国际、国家、省、市、县和机构范围内多层次地进行，其内容可能包括到GIS的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软件硬件系统等。标准化的真正实现将使人们能在一个共同理解基础上共享信息和资源。

3）数据商业化

在西方社会，计算机硬件设备的生命周期通常为3-5年，计算机软件的生命周期一般为7-15年，而地理数据的生命周期则为几十年。地理数据的开发、更新和维护既费时又费力，在GIS界曾经有人统计过，GIS硬件、软件和数据的造价比是1：10：100，所以如何更有效地生产和维护地理数据将会是GIS未来面临的主要挑战之一。GIS产生的主要目的之一是对于空间信息进行更好的管理和处理，GIS空间分析功能实际上是使用现有的数据来产生新的数据，所以数据是整个GIS的操作对象。没有数据，则谈不上信息系统。如果数据问题能够解决，信息系统才有意义和价值，才能够真正运行。

4）系统专门化

目前，GIS软件和系统还是被作为一个整体独立存在。许多软件提供全面的GIS功能可以在任何一种需要GIS的部门使用，没有具体专业领域的限制；而从使用GIS机构的角度上看，很多机构只是需要GIS软件中的部分功能，而目前GIS软件设置使得用户在购买GIS系统时往往要求整个软件一起购买。首先，从GIS用户方面考虑，GIS可能不将作为一个独立的系统存在于机构内，而是作为机构整个管理和运作系统的一个部分，GIS的各种功能将融合在与专业领域更直接的系统之中。其次，从GIS的工业发展角度上考虑，目前的GIS软件所提供的各种功能也将与各类专业软件系统融合起来，共同发展。软件的部件化是这个趋势的前兆，也为GIS软件的专业化做了必要的准备。将来的各类应用系统中，GIS可能将作为一个必须的部分存在。

5）GIS企业化

GIS网络化的发展使得GIS在机构内部各部门之间更有效地进行通讯、交流和进行各种资源的共享。企业和机构可以从更高的层次上对GIS在企业中的使用进行统筹安排和计划，这种方式被称为“企业化GIS”。企业化GIS对技术和管理人员有更高的要求，需要企业不断地对人员进行技术和管理培训。

6）GIS全球化

网络技术的发展使得世界空间缩小，使人们之间的关系更加紧密；世界经济的发展也在要求人们建立一个更稳定、和谐的环境。在这个环境中GIS越来越成为一种有效的工具来帮助人们了解他们所生存和依赖的自然条件状况和社会变化状况。目前世界各国都在积极地发展和使用GIS、制定有关地理信息的政策、开展国家的GIS项目，例如世界银行和其它的国际信贷组织都要求在它们资助的项目中使用GIS来辅助决策。GIS的标准化对于它在国际范围内的推广和使用将起到促进作用，国际标准组织已经专门就地理空间技术从各个方面进行标准化制定和实施。

7）GIS大众化

GIS不仅在国际舞台上已经越来越受到人们重视，甚至在人们日常生活中也潜移默化地改变着人们的生活。以往人们需要使用地图来定向、定位和导航，而现在地图已经存储在数据库中；从一个地点到另一个地点的最佳路线轻而易举地就可以使用GIS系统得到；到一个新地方，不需要再费力寻找餐馆、旅店、娱乐中心、购物中心、银行、旅游景点等，GIS就是最好的向导。