基于以上GIS技術(shù)現(xiàn)狀研究,本文分析認(rèn)為GIS技術(shù)在模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面存在著不足,這在一定程度上制約了GIS技術(shù)的發(fā)展。
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首先是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面存在的問(wèn)題。目前通用的GIS主要有矢量、柵格或兩者相加的混合系統(tǒng),即使是混合系統(tǒng)實(shí)際上也是將兩類數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ),當(dāng)需要執(zhí)行不同的任務(wù)時(shí)采用不同的數(shù)據(jù)形式。在矢量結(jié)構(gòu)方面,其缺點(diǎn)是處理位置關(guān)系相當(dāng)費(fèi)時(shí),且缺乏與DEM和RS直接結(jié)合的能力。在柵格結(jié)構(gòu)方面,存在著柵格數(shù)據(jù)分辨率低,精度差,難以建立地物間的拓?fù)潢P(guān)系,難以操作單個(gè)目標(biāo)及柵格數(shù)據(jù)存貯量大等問(wèn)題[2]。
其次是GIS模型存在的問(wèn)題。傳統(tǒng)的GIS模型是按照計(jì)算機(jī)的方法對(duì)客觀世界地理空間不自然的分割和抽象,使得人們對(duì)地理空間的認(rèn)知模型與計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)模型不能形成良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,難以表達(dá)復(fù)雜的地理實(shí)體,更難滿足客觀世界的整體特征要求。目前,面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型在一定程度上解決了傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)模型的某些不足,但是還未在市場(chǎng)以及關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用方面被廣泛接受,因?yàn)樗鳛橐粋€(gè)DBS還不太成熟,缺少完全非過(guò)程性的查詢語(yǔ)言以及視圖、授權(quán)、動(dòng)態(tài)模式更新和參數(shù)化性能協(xié)調(diào)等。
還有一些其他方面的問(wèn)題。當(dāng)前,GIS正處在一個(gè)大變革時(shí)期,GIS的進(jìn)一步發(fā)展還面臨不少問(wèn)題,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的方法學(xué)問(wèn)題。在GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程中缺乏面向?qū)ο蟮恼J(rèn)知方法學(xué)和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法學(xué)的指導(dǎo),導(dǎo)致GIS軟件系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性差;②GIS的功能問(wèn)題。當(dāng)前以數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理和查詢檢索功能為主的GIS,不能滿足社會(huì)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展在空間分析、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、決策支持等方面的要求,直接影響到GIS的應(yīng)用效益和生命力;③三維GIS模型及可視化問(wèn)題。目前大多數(shù)GIS軟件的圖形顯示是基于二維平面的,即使是三維效果顯示也是采用DEM的方法來(lái)處理表達(dá)地形的起伏,涉及到地底下真三維的自然和人工現(xiàn)象則顯得無(wú)能為力。
gis是一種兼容存儲(chǔ)、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù),GIS是一種特殊的信息系統(tǒng),與其它一般的信息系統(tǒng)相比,GIS具有空間特性,在分析和處理問(wèn)題中都使用空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)將兩者聯(lián)系在一起共同管理、分析和應(yīng)用,從而提供一種基于地理對(duì)象的新思維方法,一個(gè)完整的地理信息系統(tǒng)主要由4個(gè)部分構(gòu)成,分別有計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)、描述地球表層實(shí)況的空間數(shù)據(jù)和管理操作人員。其核心構(gòu)成部分是計(jì)算機(jī)系統(tǒng),空間數(shù)據(jù)庫(kù)反映了GIS的地理內(nèi)容,而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表示方式。
GIS在資源環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾,從技術(shù)、地理信息、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的需求等方面分析,在該領(lǐng)域有以下趨勢(shì)及建議:
應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)端口應(yīng)有專門化,專業(yè)化方向發(fā)展,在同類型同方向的GIS數(shù)據(jù)交流共享方向提供適當(dāng)?shù)姆奖悖越鉀QGIS數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證的問(wèn)題。
結(jié)合國(guó)家信息化推進(jìn)工作,以電子政務(wù)相關(guān)工程為基礎(chǔ),推動(dòng)GIS在資源環(huán)境管理中的推廣應(yīng)用。
信息化建設(shè)已成為我國(guó)各級(jí) *** 及企業(yè)的重要任務(wù),GIS在以資源、能源、生產(chǎn)、資金等空間綜合配置、優(yōu)化組合為目的的信息化建設(shè)中,可以發(fā)揮應(yīng)有的作用;結(jié)合相應(yīng)的應(yīng)用工程,推動(dòng)GIS的發(fā)展;
應(yīng)用往專業(yè)化方向發(fā)展,功能由通用管理功能轉(zhuǎn)向資源評(píng)估、監(jiān)督、跟蹤分析等專業(yè)功能方向發(fā)展。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,經(jīng)濟(jì)社會(huì)與資源環(huán)境之間的各方面的矛盾及問(wèn)題逐漸暴露出來(lái),這些問(wèn)題在時(shí)間和空間上具有諸多的關(guān)聯(lián)性,分析這些問(wèn)題、提出合理的解決方案建議,需要功能更專業(yè)化的GIS軟件系統(tǒng)支持;
支持多源、多尺度、多類型集成應(yīng)用的軟件平臺(tái)工具的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
信息獲取技術(shù)的快速發(fā)展和多源化趨勢(shì),要求資源環(huán)境方面的GIS應(yīng)能夠接收、處理及分析多種來(lái)源、多尺度的地理信息;
促進(jìn)3S技術(shù)集成應(yīng)用,推動(dòng)專業(yè)技術(shù)及軟件的發(fā)展,全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)與GIS的集成應(yīng)用已成為GIS軟件發(fā)展的趨勢(shì)之一,而這種應(yīng)用的發(fā)展是在應(yīng)用推動(dòng)的基礎(chǔ)上建立的,針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域的集成化的GIS將成為資源環(huán)境領(lǐng)域GIS的發(fā)展方向,也是系統(tǒng)與業(yè)務(wù)結(jié)合的需要;
開(kāi)展專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)建設(shè),結(jié)合資源環(huán)境各領(lǐng)域的需求,開(kāi)發(fā)多種專業(yè)化的GIS,如針對(duì)性生態(tài)保護(hù)區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、地下水、生物資源等領(lǐng)域的專業(yè)性GIS軟件與管理系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)GIS現(xiàn)狀和對(duì)策
地理信息系統(tǒng)技術(shù)是一門綜合性的技術(shù),它的發(fā)展是與地理學(xué)、地圖學(xué)、攝影測(cè)量學(xué)、遙感技術(shù)、數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)科學(xué)、信息技術(shù)等有關(guān)學(xué)科的發(fā)展分不開(kāi)的。
GIS的發(fā)展可分為四個(gè)階段:第一個(gè)階段是初始發(fā)展階段,20世紀(jì)60年代世界上第一個(gè)GIS系統(tǒng)由加拿大測(cè)量學(xué)家R.F.Tomlison提出并建立,主要用于自然資源的管理和規(guī)劃;第二個(gè)階段是發(fā)展鞏固階段,20世紀(jì)70年代由于計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是大容量存儲(chǔ)設(shè)備的使用,促進(jìn)了GIS朝實(shí)用的方向發(fā)展,不同專題、不同規(guī)模、不同類型的各具特色的地理信息系統(tǒng)在世界各地紛紛付諸研制,如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、瑞典和日本等國(guó)對(duì)GIS的研究都投入了大量的人力、物力和財(cái)力;第三個(gè)階段是推廣應(yīng)用階段,20世紀(jì)80年代,GIS逐步走向成熟,并在全世界范圍內(nèi)全面推廣,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,并與衛(wèi)星遙感技術(shù)結(jié)合,開(kāi)始應(yīng)用于全球性的問(wèn)題,這個(gè)階段涌現(xiàn)出一大批GIS軟件,如ARC/INFO,GENAMAP,SPANS,MAPINFO,ERDAS,Microstation等;第四個(gè)階段是蓬勃發(fā)展階段,20世紀(jì)90年代,隨著地理信息產(chǎn)品的建立和數(shù)字化信息產(chǎn)品在全世界的普及,GIS成為確定性的產(chǎn)業(yè),并逐漸滲透到各行各業(yè),成為人們生活、學(xué)習(xí)和工作不可缺少的工具和助手。
地理信息系統(tǒng)的研制與應(yīng)用在我國(guó)起步較晚,雖然歷史較短,但發(fā)展勢(shì)頭迅猛。
我國(guó)GIS的發(fā)展可分為三個(gè)階段。
第一階段從1970年到1980年,為準(zhǔn)備階段,主要經(jīng)歷了提出倡議、組建隊(duì)伍、培訓(xùn)人才、組織個(gè)別實(shí)驗(yàn)研究等階段。
機(jī)械制圖和遙感應(yīng)用,為GIS的研制和應(yīng)用做了技術(shù)和理論上的準(zhǔn)備。
第二階段從1981年到1985年,為起步階段,完成了技術(shù)引進(jìn)、數(shù)據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究、空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、數(shù)據(jù)處理和分析算法及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)等環(huán)節(jié),對(duì)GIS進(jìn)行了理論探索和區(qū)域性的實(shí)驗(yàn)研究。
第三個(gè)階段從1986年到2013年,為初步發(fā)展階段,我國(guó)GIS的研究和應(yīng)用進(jìn)入有組織、有計(jì)劃、有目標(biāo)的階段,逐步建立了不同層次、不同規(guī)模的組織機(jī)構(gòu)、研究中心和實(shí)驗(yàn)室。
GIS研究逐步與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)生活需求相結(jié)合,并取得了重要進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用效益。
主要表現(xiàn)在四個(gè)方面:(1)制定了國(guó)家地理信息系統(tǒng)規(guī)范,解決信息共享和系統(tǒng)兼容問(wèn)題,為全國(guó)地理信息系統(tǒng)的建立做準(zhǔn)備。
(2)應(yīng)用型GIS發(fā)展迅速。
(3)在引進(jìn)的基礎(chǔ)上擴(kuò)充和研制了一批軟件。
(4)開(kāi)始出版有關(guān)地理信息系統(tǒng)理論、技術(shù)和應(yīng)用等方面的書(shū)籍,設(shè)立了地理信息系統(tǒng)專業(yè),培養(yǎng)了大批人才,并積極開(kāi)展國(guó)際合作,參與全球性地理信息系統(tǒng)的討論和實(shí)驗(yàn)。
在科技部等國(guó)家有關(guān)部門的大力組織和支持下,國(guó)產(chǎn)GIS基礎(chǔ)軟件開(kāi)發(fā)工作取得了重要進(jìn)展,出現(xiàn)了一批GIS高技術(shù)企業(yè),開(kāi)發(fā)出了較為成熟的國(guó)產(chǎn)GIS軟件,如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等,并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
這些國(guó)產(chǎn)GIS軟件以較高的性價(jià)比,打破了國(guó)外GIS軟件對(duì)我國(guó)市場(chǎng)的壟斷,有力促進(jìn)了我國(guó)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。
這些年,GIS技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用,其應(yīng)用面從傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、土地利用、測(cè)繪、環(huán)境保護(hù)、電力、電信、減災(zāi)防災(zāi)等領(lǐng)域滲透到礦產(chǎn)資源調(diào)查、海洋資源調(diào)查與管理等各方面,取得了豐碩的成果和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
當(dāng)前,國(guó)家有關(guān)部門正逐步將GIS嵌入到電子政務(wù)系統(tǒng)中。
隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的快速發(fā)展,GIS技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。
GIS系統(tǒng)正朝著專業(yè)或大型化、社會(huì)化方向不斷發(fā)展著。
“大型化”體現(xiàn)在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)規(guī)模兩個(gè)方面;“社會(huì)化”則要求GIS要面向整個(gè)社會(huì),滿足社會(huì)各界對(duì)有關(guān)地理信息的需求,簡(jiǎn)言之就是“開(kāi)放數(shù)據(jù)”、“簡(jiǎn)化操作”,“面向服務(wù)”,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)乃至系統(tǒng)之間的完全共享和互動(dòng)。
下面我們從地理信息系統(tǒng)技術(shù)角度來(lái)討論和分析當(dāng)前GIS的相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)。
1.1 空間信息的獲取、處理與交換地理空間數(shù)據(jù)是GIS的血液,構(gòu)建和維護(hù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)復(fù)雜、工作量巨大的工程,它包括:數(shù)據(jù)的獲取、校驗(yàn)和規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化處理、數(shù)據(jù)維護(hù)等過(guò)程。
GIS處理的數(shù)據(jù)對(duì)象是空間對(duì)象,有很強(qiáng)的時(shí)空特性,獲取數(shù)據(jù)的手段及數(shù)據(jù)的形式也復(fù)雜多樣。
獲取數(shù)據(jù)的基本方式有:野外全站儀平板測(cè)量、GPS測(cè)量、室內(nèi)地圖掃描數(shù)字化、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、從遙感影像進(jìn)行目標(biāo)測(cè)量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。
這些獲取技術(shù)已基本成熟。
同時(shí),空間數(shù)據(jù)也具有很強(qiáng)的時(shí)效性,不同的空間數(shù)據(jù)必須進(jìn)行周期不等的數(shù)據(jù)更新維護(hù),空間數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、及時(shí)、完整是實(shí)現(xiàn)GIS應(yīng)用系統(tǒng)價(jià)值的前提基礎(chǔ)。
空間數(shù)據(jù)維護(hù)往往涉及跨部門、跨行業(yè)的多種數(shù)據(jù)格式和多種數(shù)據(jù)類型的大量數(shù)據(jù),提供有效的空間數(shù)據(jù)編輯更新手段是當(dāng)前亟待解決的一個(gè)重要課題。
基于上述信息獲取技術(shù),在過(guò)去的二十年間,國(guó)家有關(guān)部委和行業(yè)部門已經(jīng)積累了大量原始數(shù)字化數(shù)據(jù)和相應(yīng)資料,建立了1100多個(gè)大、中型數(shù)據(jù)庫(kù)以及大量的各類數(shù)字化地理基礎(chǔ)圖、專題圖、城市地籍圖等。
國(guó)家測(cè)繪局已經(jīng)完成了全國(guó)l:100萬(wàn)、 1:25萬(wàn)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)以及全國(guó)七大江河數(shù)字地形模型的建設(shè),并啟動(dòng)了全國(guó)l:5萬(wàn),部分省份1:1萬(wàn)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)。
這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有力促進(jìn)了GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用,進(jìn)而產(chǎn)生了大量的GIS數(shù)據(jù)。
但由于地理信息系統(tǒng)軟件大多采用不同的空間數(shù)據(jù)模型,以及它們?cè)诘乩韺?shí)體上的認(rèn)識(shí)差異,使得所積累的數(shù)據(jù)難以轉(zhuǎn)換和共享(即使能夠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,也會(huì)產(chǎn)生信息的丟失),從而形成一個(gè)個(gè)新的數(shù)據(jù)孤島。
制訂數(shù)據(jù)交換的格式標(biāo)準(zhǔn)已成為大家的共識(shí)。
一些國(guó)家和組織已經(jīng)在進(jìn)行這方面的工作,并定義了一些數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn),如SDTS,OpenGIS聯(lián)盟制訂的GML,另外一些公認(rèn)的數(shù)據(jù)格式如DXF,Shapefile和MIF文件格式等正逐漸成為數(shù)據(jù)交換的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。
我國(guó)也在“九五”期間制定了地球空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。
但是由于人們對(duì)空間信息認(rèn)識(shí)和研究成果的制約,還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的地理數(shù)據(jù)模型,因此建立實(shí)用的數(shù)據(jù)交換格式和信息標(biāo)準(zhǔn)將是一個(gè)長(zhǎng)期、復(fù)雜過(guò)程。
1.2 空間數(shù)據(jù)的管理空間數(shù)據(jù)的管理涉及到二個(gè)方面的內(nèi)容:空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)庫(kù)。
空間數(shù)據(jù)模型刻畫(huà)了現(xiàn)實(shí)世界中空間實(shí)體及其相互間的聯(lián)系,它為空間數(shù)據(jù)的組織和空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)提供了基本的方法。
因此,空間數(shù)據(jù)模型的研究對(duì)設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)和發(fā)展新一代GIS系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。
在GIS中與空間信息有關(guān)的信息模型有三個(gè),即基于對(duì)象(要素)(Feature)的模型、場(chǎng)(Field)模型以及網(wǎng)絡(luò)(Network)模型。
GIS基礎(chǔ)軟件平臺(tái)的研制和應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一直沿用這三種空間數(shù)據(jù)模型,但這些模型在空間實(shí)體間的相互關(guān)系及其時(shí)空變化的描述與表達(dá)、數(shù)據(jù)組織、空間分析等方面均有較大的局限性,難以滿足新一代GIS基礎(chǔ)軟件平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展的要求。
主要表現(xiàn)為:(1) 僅能表達(dá)空間點(diǎn)、線、面目標(biāo)間極為有限的簡(jiǎn)單拓?fù)潢P(guān)系,且這些拓?fù)潢P(guān)系的生成與維護(hù)耗時(shí)費(fèi)力;(2) 難以有效地表達(dá)現(xiàn)實(shí)三維空間實(shí)體及其相互關(guān)系;(3) 適于記錄和表達(dá)某一時(shí)刻空間實(shí)體性狀及相互間關(guān)系靜態(tài)分布,難以有效地描述和表達(dá)空間實(shí)體及其相互間關(guān)系的時(shí)空變化;(4) 沒(méi)有考慮異地、異構(gòu)、異質(zhì)空間數(shù)據(jù)的互操作和分布式“對(duì)象”處理等問(wèn)題。
針對(duì)上述不足,時(shí)空數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)模型、分布式空間數(shù)據(jù)管理、GIS設(shè)計(jì)的CASE工具等研究已成為當(dāng)前國(guó)際上GIS空間數(shù)據(jù)模型研究的學(xué)術(shù)前沿。
特點(diǎn):1、GIS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)。一方面,GIS技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)主要階段:專業(yè)式GIS、桌面GIS到網(wǎng)絡(luò)GIS。另一方面,GIS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化還表現(xiàn)為GIS的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)模式的網(wǎng)絡(luò)化。ESRI公司的Geodatabase數(shù)據(jù)模型是個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)化GIS數(shù)據(jù)模型,Oracle的SDO數(shù)據(jù)模型,ArcSDE的連續(xù)數(shù)據(jù)模型。
2、GIS應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)。首先,數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn),尤其是網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)庫(kù)。其次,GIS應(yīng)用協(xié)同網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)也非常突出。
3、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和訪問(wèn)范圍。
4、真正的信息共享。屏蔽了軟硬件差異,用戶對(duì)GIS數(shù)據(jù)或功能的訪問(wèn)通過(guò)普通的Web瀏覽器或?qū)S玫目蛻舳顺绦蜻M(jìn)行,用戶不需要關(guān)心服務(wù)器的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。還可以在本機(jī)或某個(gè)服務(wù)器上進(jìn)行分布式組件的動(dòng)態(tài)組合和空間數(shù)據(jù)的協(xié)同處理與分析,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享。
5、系統(tǒng)成本降低。普通GIS在每個(gè)客戶端都要配備昂貴的專業(yè)GIS軟件,而用戶使用的經(jīng)常只是一些最基本的功能,造成極大浪費(fèi)。網(wǎng)絡(luò)GIS是利用個(gè)性化的終端進(jìn)行信息發(fā)布,其軟件成本與全套專業(yè)GIS相比明顯要節(jié)省的多,同時(shí)維護(hù)費(fèi)用也大大降低。
尚需解決的問(wèn)題:1、網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制(WebGIS最大的問(wèn)題就是數(shù)據(jù)傳輸量) 2、復(fù)雜地理信息的查詢、分析和處理 3、圖形信息的表達(dá)困難