GIS基本技術(shù)有哪些？

引言

公司主營業(yè)務(wù)：成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、做網(wǎng)站、移動(dòng)網(wǎng)站開發(fā)等業(yè)務(wù)。幫助企業(yè)客戶真正實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)宣傳，提高企業(yè)的競爭能力。創(chuàng)新互聯(lián)建站是一支青春激揚(yáng)、勤奮敬業(yè)、活力青春激揚(yáng)、勤奮敬業(yè)、活力澎湃、和諧高效的團(tuán)隊(duì)。公司秉承以“開放、自由、嚴(yán)謹(jǐn)、自律”為核心的企業(yè)文化，感謝他們對我們的高要求，感謝他們從不同領(lǐng)域給我們帶來的挑戰(zhàn)，讓我們激情的團(tuán)隊(duì)有機(jī)會(huì)用頭腦與智慧不斷的給客戶帶來驚喜。創(chuàng)新互聯(lián)建站推出宿豫免費(fèi)做網(wǎng)站回饋大家。

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)是計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測量學(xué)、地圖學(xué)等多門學(xué)科綜合的技術(shù)[1]。GIS的基本技術(shù)是空間數(shù)據(jù)庫、地圖可視化及空間分析，而空間數(shù)據(jù)庫是GIS的關(guān)鍵。空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)作為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫技術(shù)最活躍的分支與知識獲取手段，在GIS中的應(yīng)用推動(dòng)著GIS朝智能化和集成化的方向發(fā)展。

1 空間數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的特點(diǎn)

隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量也在急劇增大，在這些海量數(shù)據(jù)的背后隱藏了很多具有決策意義的信息。但是，現(xiàn)今數(shù)據(jù)庫的大多數(shù)應(yīng)用仍然停留在查詢、檢索階段，數(shù)據(jù)庫中隱藏的豐富的知識遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到充分的發(fā)掘和利用，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的急劇增長和人們對數(shù)據(jù)庫處理和理解的困難形成了強(qiáng)烈的反差，導(dǎo)致“人們被數(shù)據(jù)淹沒，但卻饑餓于知識”的現(xiàn)象。

空間數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)倉庫)中的空間數(shù)據(jù)除了其顯式信息外，還具有豐富的隱含信息，如數(shù)字高程模型〔DEM或TIN〕，除了載荷高程信息外，還隱含了地質(zhì)巖性與構(gòu)造方面的信息；植物的種類是顯式信息，但其中還隱含了氣候的水平地帶性和垂直地帶性的信息，等等。這些隱含的信息只有通過數(shù)據(jù)挖掘才能顯示出來?？臻g數(shù)據(jù)挖掘（Spatial Data Mining，簡稱SDM），或者稱為從空間數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識，是為了解決空間數(shù)據(jù)海量特性而擴(kuò)展的一個(gè)新的數(shù)據(jù)挖掘的研究分支，是指從空間數(shù)據(jù)庫中提取隱含的、用戶感興趣的空間或非空間的模式和普遍特征的過程[2]。由于SDM的對象主要是空間數(shù)據(jù)庫，而空間數(shù)據(jù)庫中不僅存儲(chǔ)了空間事物或?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，而且存儲(chǔ)了空間事物或?qū)ο笾g的圖形空間關(guān)系，因此其處理方法有別于一般的數(shù)據(jù)挖掘方法。SDM與傳統(tǒng)的地學(xué)數(shù)據(jù)分析方法的本質(zhì)區(qū)別在于SDM是在沒有明確假設(shè)的前提下去挖掘信息、發(fā)現(xiàn)知識，挖掘出的知識應(yīng)具有事先未知、有效和可實(shí)用3個(gè)特征。

空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)需要綜合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它可用于對空間數(shù)據(jù)的理解，對空間關(guān)系和空間與非空間關(guān)系的發(fā)現(xiàn)、空間知識庫的構(gòu)造以及空間數(shù)據(jù)庫的重組和查詢的優(yōu)化等。

2 空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的主要方法及特點(diǎn)

常用的空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)包括：序列分析、分類分析、預(yù)測、聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、時(shí)間序列分析、粗集方法及云理論等。本文從挖掘任務(wù)和挖掘方法的角度,著重介紹了分類分析、聚類分析和關(guān)聯(lián)規(guī)則分析三種常用的重要的方法。

2.1、分類分析

分類在數(shù)據(jù)挖掘中是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，目前在商業(yè)上應(yīng)用最多。分類的目的是學(xué)會(huì)一個(gè)分類函數(shù)或分類模型(也常常稱作分類器)，該模型能把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)項(xiàng)映射到給定類別中的某一個(gè)。分類和我們熟知的回歸方法都可用于預(yù)測，兩者的目的都是從歷史數(shù)據(jù)紀(jì)錄中自動(dòng)推導(dǎo)出對給定數(shù)據(jù)的推廣描述，從而能對未來數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。和回歸方法不同的是，分類的輸出是離散的類別值，而回歸的輸出則是連續(xù)的數(shù)值。二者常表現(xiàn)為一棵決策樹，根據(jù)數(shù)據(jù)值從樹根開始搜索，沿著數(shù)據(jù)滿足的分支往上走，走到樹葉就能確定類別?？臻g分類的規(guī)則實(shí)質(zhì)是對給定數(shù)據(jù)對象集的抽象和概括，可用宏元組表示。

要構(gòu)造分類器,需要有一個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)集作為輸入。訓(xùn)練集由一組數(shù)據(jù)庫記錄或元組構(gòu)成,每個(gè)元組是一個(gè)由特征(又稱屬性)值組成的特征向量,此外,訓(xùn)練樣本還有一個(gè)類別標(biāo)記。一個(gè)具體樣本的形式可為:( v1, v2, ..., vn; c )；其中vi表示字段值，c表示類別。

分類器的構(gòu)造方法有統(tǒng)計(jì)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等等。統(tǒng)計(jì)方法包括貝葉斯法和非參數(shù)法(近鄰學(xué)習(xí)或基于事例的學(xué)習(xí))，對應(yīng)的知識表示是判別函數(shù)和原型事例。機(jī)器學(xué)習(xí)方法包括決策樹法和規(guī)則歸納法，前者對應(yīng)的表示為決策樹或判別樹，后者則一般為產(chǎn)生式規(guī)則。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法主要是反向傳播（Back-Propagation,簡稱BP）算法，它的模型表示是前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(由代表神經(jīng)元的節(jié)點(diǎn)和代表聯(lián)接權(quán)值的邊組成的一種體系結(jié)構(gòu))，BP算法本質(zhì)上是一種非線性判別函數(shù)[3]。另外，最近又興起了一種新的方法:粗糙集(rough set)，其知識表示是產(chǎn)生式規(guī)則。

不同的分類器有不同的特點(diǎn)。有三種分類器評價(jià)或比較尺度：1) 預(yù)測準(zhǔn)確度；2) 計(jì)算復(fù)雜度；3) 模型描述的簡潔度。預(yù)測準(zhǔn)確度是用得最多的一種比較尺度，特別是對于預(yù)測型分類任務(wù)，目前公認(rèn)的方法是10番分層交叉驗(yàn)證法。計(jì)算復(fù)雜度依賴于具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境，在數(shù)據(jù)挖掘中，由于操作對象是海量的數(shù)據(jù)庫，因此空間和時(shí)間的復(fù)雜度問題將是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對于描述型的分類任務(wù)，模型描述越簡潔越受歡迎。例如，采用規(guī)則歸納法表示的分類器構(gòu)造法就很有用，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法產(chǎn)生的結(jié)果就難以理解。

另外要注意的是，分類的效果一般和數(shù)據(jù)的特點(diǎn)有關(guān)。有的數(shù)據(jù)噪聲大，有的有缺值， 有的分布稀疏，有的字段或?qū)傩蚤g相關(guān)性強(qiáng)，有的屬性是離散的而有的是連續(xù)值或混合式的。目前普遍認(rèn)為不存在某種方法能適合于各種特點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

分類技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用非常重要，比如：可以根據(jù)房屋的地理位置決定房屋的檔次等。

2. 2 聚類分析

聚類是指根據(jù)“物以類聚”的原理，將本身沒有類別的樣本聚集成不同的組，并且對每一個(gè)這樣的組進(jìn)行描述的過程。它的目的是使得屬于同一個(gè)組的樣本之間應(yīng)該彼此相似，而不同組的樣本應(yīng)足夠不相似。與分類分析不同，進(jìn)行聚類前并不知道將要?jiǎng)澐殖蓭讉€(gè)組和什么樣的組，也不知道根據(jù)哪些空間區(qū)分規(guī)則來定義組。其目的旨在發(fā)現(xiàn)空間實(shí)體的屬性間的函數(shù)關(guān)系，挖掘的知識用以屬性名為變量的數(shù)學(xué)方程來表示。聚類方法包括統(tǒng)計(jì)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和面向數(shù)據(jù)庫的方法?；诰垲惙治龇椒ǖ目臻g數(shù)據(jù)挖掘算法包括均值近似算法[4]、CLARANS、BIRCH、DBSCAN等算法。目前，對空間數(shù)據(jù)聚類分析方法的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。

對于空間數(shù)據(jù)，利用聚類分析方法，可以根據(jù)地理位置以及障礙物的存在情況自動(dòng)地進(jìn)行區(qū)域劃分。例如，根據(jù)分布在不同地理位置的ATM機(jī)的情況將居民進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)這一信息，可以有效地進(jìn)行ATM機(jī)的設(shè)置規(guī)劃，避免浪費(fèi)，同時(shí)也避免失掉每一個(gè)商機(jī)。

2.3 關(guān)聯(lián)規(guī)則分析

關(guān)聯(lián)規(guī)則分析主要用于發(fā)現(xiàn)不同事件之間的關(guān)聯(lián)性，即一事物發(fā)生時(shí)，另一事物也經(jīng)常發(fā)生。關(guān)聯(lián)分析的重點(diǎn)在于快速發(fā)現(xiàn)那些有實(shí)用價(jià)值的關(guān)聯(lián)發(fā)生的事件。其主要依據(jù)是：事件發(fā)生的概率和條件概率應(yīng)該符合一定的統(tǒng)計(jì)意義?？臻g關(guān)聯(lián)規(guī)則的形式是X－＞Y[S%，C%]，其中X、Y是空間或非空間謂詞的集合，S%表示規(guī)則的支持度，C%表示規(guī)則的置信度?？臻g謂詞的形式有3種：表示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的謂詞、表示空間方向的謂詞和表示距離的謂詞[5]。各種各樣的空間謂詞可以構(gòu)成空間關(guān)聯(lián)規(guī)則。如，距離信息（如Close_to(臨近)、Far_away(遠(yuǎn)離)）、拓?fù)潢P(guān)系（Intersect（交）、Overlap（重疊）、Disjoin(分離)）和空間方位（如Right_of(右邊)、West_of(西邊)）。實(shí)際上大多數(shù)算法都是利用空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)特性改進(jìn)其分類算法，使得它適合于挖掘空間數(shù)據(jù)中的相關(guān)性，從而可以根據(jù)一個(gè)空間實(shí)體而確定另一個(gè)空間實(shí)體的地理位置，有利于進(jìn)行空間位置查詢和重建空間實(shí)體等。大致算法可描述如下：(1)根據(jù)查詢要求查找相關(guān)的空間數(shù)據(jù)；(2)利用臨近等原則描述空間屬性和特定屬性；(3)根據(jù)最小支持度原則過濾不重要的數(shù)據(jù)；(4)運(yùn)用其它手段對數(shù)據(jù)進(jìn)一步提純(如OVERLAY)；(5)生成關(guān)聯(lián)規(guī)則。

關(guān)聯(lián)規(guī)則通?？煞譃閮煞N：布爾型的關(guān)聯(lián)規(guī)則和多值關(guān)聯(lián)規(guī)則。多值關(guān)聯(lián)規(guī)則比較復(fù)雜，一種自然的想法是將它轉(zhuǎn)換為布爾型關(guān)聯(lián)規(guī)則，由于空間關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘需要在大量的空間對象中計(jì)算多種空間關(guān)系，因此其代價(jià)是很高的。—種逐步求精的挖掘優(yōu)化方法可用于空間關(guān)聯(lián)的分析，該方法首先用一種快速的算法粗略地對一個(gè)較大的數(shù)據(jù)集進(jìn)行一次挖掘，然后在裁減過的數(shù)據(jù)集上用代價(jià)較高的算法進(jìn)一步改進(jìn)挖掘的質(zhì)量。因?yàn)槠浯鷥r(jià)非常高，所以空間的關(guān)聯(lián)方法需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

對于空間數(shù)據(jù)，利用關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，可以發(fā)現(xiàn)地理位置的關(guān)聯(lián)性。例如，85%的靠近高速公路的大城鎮(zhèn)與水相鄰，或者發(fā)現(xiàn)通常與高爾夫球場相鄰的對象是停車場等。

3 空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究方向

3.1 處理不同類型的數(shù)據(jù)

絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫是關(guān)系型的，因此在關(guān)系數(shù)據(jù)庫上有效地執(zhí)行數(shù)據(jù)挖掘是至關(guān)重要的。但是在不同應(yīng)用領(lǐng)域中存在各種數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫，而且經(jīng)常包含復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，例如結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、復(fù)雜對象、事務(wù)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。由于數(shù)據(jù)類型的多樣性和不同的數(shù)據(jù)挖掘目標(biāo)，一個(gè)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)不可能處理各種數(shù)據(jù)。因此針對特定的數(shù)據(jù)類型，需要建立特定的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)挖掘算法的有效性和可測性

海量數(shù)據(jù)庫通常有上百個(gè)屬性和表及數(shù)百萬個(gè)元組。GB數(shù)量級數(shù)據(jù)庫已不鮮見，TB數(shù)量級數(shù)據(jù)庫已經(jīng)出現(xiàn)，高維大型數(shù)據(jù)庫不僅增大了搜索空間，也增加了發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤模式的可能性。因此必須利用領(lǐng)域知識降低維數(shù)，除去無關(guān)數(shù)據(jù)，從而提高算法效率。從一個(gè)大型空間數(shù)據(jù)庫中抽取知識的算法必須高效、可測量，即數(shù)據(jù)挖掘算法的運(yùn)行時(shí)間必須可預(yù)測，且可接受，指數(shù)和多項(xiàng)式復(fù)雜性的算法不具有實(shí)用價(jià)值。但當(dāng)算法用有限數(shù)據(jù)為特定模型尋找適當(dāng)參數(shù)時(shí)，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致物超所值，降低效率。

3.3 交互性用戶界面

數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果應(yīng)準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)挖掘的要求，并易于表達(dá)。從不同的角度考察發(fā)現(xiàn)的知識，并以不同形式表示，用高層次語言和圖形界面表示數(shù)據(jù)挖掘要求和結(jié)果。目前許多知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和工具缺乏與用戶的交互，難以有效利用領(lǐng)域知識。對此可以利用貝葉斯方法和演譯數(shù)據(jù)庫本身的演譯能力發(fā)現(xiàn)知識。

3.4 在多抽象層上交互式挖掘知識

很難預(yù)測從數(shù)據(jù)庫中會(huì)挖掘出什么樣的知識，因此一個(gè)高層次的數(shù)據(jù)挖掘查詢應(yīng)作為進(jìn)一步探詢的線索。交互式挖掘使用戶能交互地定義一個(gè)數(shù)據(jù)挖掘要求，深化數(shù)據(jù)挖掘過程，從不同角度靈活看待多抽象層上的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。

3.5 從不同數(shù)據(jù)源挖掘信息

局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)以及Internet網(wǎng)將多個(gè)數(shù)據(jù)源聯(lián)成一個(gè)大型分布、異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，從包含不同語義的格式化和非格式化數(shù)據(jù)中挖掘知識是對數(shù)據(jù)挖掘的一個(gè)挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)挖掘可揭示大型異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中存在的普通查詢不能發(fā)現(xiàn)的知識。數(shù)據(jù)庫的巨大規(guī)模、廣泛分布及數(shù)據(jù)挖掘方法的計(jì)算復(fù)雜性，要求建立并行分布的數(shù)據(jù)挖掘。

3.6 私有性和安全性

數(shù)據(jù)挖掘能從不同角度、不同抽象層上看待數(shù)據(jù)，這將影響到數(shù)據(jù)挖掘的私有性和安全性。通過研究數(shù)據(jù)挖掘?qū)е碌臄?shù)據(jù)非法侵入，可改進(jìn)數(shù)據(jù)庫安全方法，以避免信息泄漏。

3.7 和其它系統(tǒng)的集成

方法、功能單一的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的適用范圍必然受到一定的限制。要想在更廣泛的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)知識，空間數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)就應(yīng)該是數(shù)據(jù)庫、知識庫、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、可視化工具、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的集成。

4 有待研究的問題

我們雖然在空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的研究和應(yīng)用中取得了很大的成績，但在一些理論及應(yīng)用方面仍存在急需解決的問題。

4.1 數(shù)據(jù)訪問的效率和可伸縮性

空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)的大量性，TB數(shù)量級的數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，必然增大發(fā)現(xiàn)算法的搜索空間，增加了搜索的盲目性。如何有效的去除與任務(wù)無關(guān)的數(shù)據(jù)，降低問題的維數(shù)，設(shè)計(jì)出更加高效的挖掘算法對空間數(shù)據(jù)挖掘提出了巨大的挑戰(zhàn)。

4.2 對當(dāng)前一些GIS軟件缺乏時(shí)間屬性和靜態(tài)存儲(chǔ)的改進(jìn)

由于數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用在很大的程度上涉及到時(shí)序關(guān)系，因此靜態(tài)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)嚴(yán)重妨礙了數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用?；趫D層的計(jì)算模式、不同尺度空間數(shù)據(jù)之間的完全割裂也對空間數(shù)據(jù)挖掘設(shè)置了重重障礙?？臻g實(shí)體與屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系僅僅依賴于標(biāo)識碼，這種一維的連接方式無疑將丟失大量的連接信息，不能有效的表示多維和隱含的內(nèi)在連接關(guān)系，這些都增加了數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算的復(fù)雜度，極大地增加了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段的工作量和人工干預(yù)的程度。

4.3 發(fā)現(xiàn)模式的精煉

當(dāng)發(fā)現(xiàn)空間很大時(shí)會(huì)獲得大量的結(jié)果，盡管有些是無關(guān)或沒有意義的模式，這時(shí)可利用領(lǐng)域的知識進(jìn)一步精煉發(fā)現(xiàn)的模式，從而得到有意義的知識。

在空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)方面，重要的研究和應(yīng)用的方向還包括：網(wǎng)絡(luò)環(huán)境上的數(shù)據(jù)挖掘、柵格矢量一體化的挖掘、不確定性情況下的數(shù)據(jù)挖掘、分布式環(huán)境下的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)挖掘查詢語言和新的高效的挖掘算法等。

5 小結(jié)

隨著GIS與數(shù)據(jù)挖掘及相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究的不斷發(fā)展，空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在廣度和深度上的不斷深入，在不久的將來，一個(gè)集成了挖掘技術(shù)的GIS、GPS、RS集成系統(tǒng)必將朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化與大眾化的方向發(fā)展。

GIS的專業(yè)技術(shù)指的是哪些技術(shù)呢？

GIS即地理信息系統(tǒng)（Geographic

Information

System），廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃、郵電通訊、交通運(yùn)輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計(jì)、商業(yè)金融等幾乎所有領(lǐng)域。

GIS與其他幾種信息系統(tǒng)密切相關(guān)，但由于其處理和分析地理數(shù)據(jù)的能力使其與它們相區(qū)別。盡管沒有什么硬性的和快速的規(guī)則來給這些信息系統(tǒng)分類，但下面的討論可以幫助區(qū)分GIS和桌面制圖、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、遙感、DBMS、以及GPS技術(shù)。

桌面制圖

桌面制圖系統(tǒng)用地圖來組織數(shù)據(jù)和用戶交互。這種系統(tǒng)的主要目的是產(chǎn)生地圖：地圖就是數(shù)據(jù)庫。大多數(shù)桌面制圖系統(tǒng)只有及其有限的數(shù)據(jù)管理、空間分析以及個(gè)性化能力。桌面制圖系統(tǒng)在桌面計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，例如PC機(jī)，Macintosh以及小型UNIX工作站。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)促進(jìn)了產(chǎn)生建筑物和基本建設(shè)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。這種設(shè)計(jì)需要裝配固有特征的組件來產(chǎn)生整個(gè)結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)需要一些規(guī)則來指明如何裝配這些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系統(tǒng)已經(jīng)擴(kuò)展可以支持地圖設(shè)計(jì)，但管理和分析大型的地理數(shù)據(jù)庫的工具很有限。

遙感和GPS

遙感是一門使用傳感器對地球進(jìn)行測量的科學(xué)和技術(shù)，例如，飛機(jī)上的照相機(jī)，全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器，或其他設(shè)備。這些傳感器以圖象的格式收集數(shù)據(jù)，并為利用、分析和可視化這些圖象提供專門的功能。由于它缺乏強(qiáng)大的地理數(shù)據(jù)管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)專門研究如何存儲(chǔ)和管理所有類型的數(shù)據(jù)，其中包括地理數(shù)據(jù)。DBMS使存儲(chǔ)和查找數(shù)據(jù)最優(yōu)化，許多GIS為此而依靠它。相對于GIS而言，它們沒有分析和可視化的工具。

　資源與環(huán)境研究中的GIS

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是20世紀(jì)60年代以來隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，在地理學(xué)中發(fā)展起來的一種新的工作手段和方法。該學(xué)科是介于信息科學(xué)、空間科學(xué)和地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、遙感技術(shù)、信息工程和現(xiàn)代化地理學(xué)理論與方法的有機(jī)結(jié)合，是它們應(yīng)用的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，是地理學(xué)的又一新進(jìn)展。

一、地理信息與地理信息系統(tǒng)

地理信息是指表征地理系統(tǒng)諸要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像和圖形等的總稱。從地理數(shù)據(jù)到地理信息的發(fā)展，是人類認(rèn)識地理事物的一次飛躍。地球表面的巖石圈、水圈、大氣圈和人類活動(dòng)等是最大的地理信息源。地理科學(xué)的一個(gè)重要任務(wù)就是迅速地采集到地理空間的幾何信息、物理信息和人為信息，并適時(shí)地識別、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、傳輸、再生成、顯示、控制和應(yīng)用這些信息。

地理信息屬于空間信息，其位置的識別是與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的，這是地理信息區(qū)別于其他類型信息的最顯著的標(biāo)志。地理信息的這種定位特征，是通過經(jīng)緯網(wǎng)或公路網(wǎng)建立的地理坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)空間位置的識別；地理信息還具有多維結(jié)構(gòu)的特征，即在二維空間的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多專題的第三維結(jié)構(gòu)，而各個(gè)專題型實(shí)體型之間的聯(lián)系是通過屬性碼進(jìn)行的，這就為地理系統(tǒng)各圈層之間的綜合研究提供了可能，也為地理系統(tǒng)多層次的分析和信息的傳輸與篩選提供了方便。地理信息的時(shí)序特征十分明顯，因此可以按照時(shí)間尺度將地理信息劃分為超短期的（如臺(tái)風(fēng)、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低溫）、中期的（如土地利用、作物估產(chǎn)）、長期的（如城市化、水土流失）、超長期的（如地殼變動(dòng)、氣候變化）等。地理信息的這種動(dòng)態(tài)變化的特征，一方面要求地理信息的獲取要及時(shí)，并定期更新；另一方面要從其自然的變化過程中研究其變化規(guī)律，從而作出地理事物的預(yù)測與預(yù)報(bào)，為科學(xué)決策提供依據(jù)。認(rèn)識地理信息的這種區(qū)域性、多層次性和動(dòng)態(tài)性變化的特征對建立地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人口、資源、環(huán)境等的綜合具有重要意義。

地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對空間相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)而建立起來的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。因此，地理信息系統(tǒng)具有以下三個(gè)方面的特征：

（1）具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力。

（2）以地理研究和地理決策為目的，以地理模型方法為手段，具有空間分析、多要素綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測的能力，并能產(chǎn)生高層次的地理信息。

（3）由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持進(jìn)行空間地理數(shù)據(jù)管理，并由計(jì)算機(jī)程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地理分析方法，作用于空間數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有用信息，完成人類難以完成的任務(wù)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持是GlS的重要特征，它能使GIS得到快速、精確、綜合地對復(fù)雜的地理系統(tǒng)進(jìn)行空間定位和動(dòng)態(tài)分析。

二、GIS的組成部分

地理信息系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，它由信息輸入、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的分析處理和信息的輸出等基本部分組成，并在計(jì)算機(jī)軟、硬件支持下運(yùn)行工作。各種組成在GIS中所起的作用不同，可以分為五個(gè)組成部分：

（1）計(jì)算機(jī)硬件：指GIS所需要的基本設(shè)備。這些設(shè)備用來存儲(chǔ)、處理和顯示。對象主要是數(shù)字地圖或數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

（2）計(jì)算機(jī)軟件：包括機(jī)器運(yùn)行所需的各種程序及有關(guān)資料，如操作系統(tǒng)、編譯程序、匯編程序、專用程序、GIS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、各種分析程序及使用分冊、說明等。主要作用是完成各種GIS應(yīng)有的操作。

（3）數(shù)據(jù)：GIS研究所需要的各種地理空間數(shù)據(jù)，包括數(shù)字化了的地圖數(shù)據(jù)、經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)、分析用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等等。

（4）過程：GIS工作時(shí)，為了得到問題的解答而執(zhí)行的一步一步的動(dòng)作。不少系統(tǒng)在執(zhí)行時(shí)，為了方便用戶使用目錄選擇方式，又稱作點(diǎn)“菜單”方式，作哪個(gè)動(dòng)作就點(diǎn)哪項(xiàng)；也有的系統(tǒng)使用命令方式，根據(jù)用戶需要打入命令，由系統(tǒng)完成，可以一個(gè)命令做一個(gè)動(dòng)作，也可以一個(gè)命令完成一系列動(dòng)作，也就是命令過程。

（5）專家：了解GIS，知道怎樣使用系統(tǒng)，這是最重要的。有些系統(tǒng)不能被人完全了解，因而不能發(fā)揮出全部作用，更不能進(jìn)一步發(fā)展系統(tǒng)。創(chuàng)造GIS的工作量很大，常以“人年”作為計(jì)量工作的單位。

三、GIS的類型

（1）專題地理信息系統(tǒng)：是具有有限目標(biāo)和專業(yè)特點(diǎn)的地理信息系統(tǒng)。為特定的專門的目的服務(wù)，如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)、環(huán)境管理信息系統(tǒng)等。

（2）區(qū)域地理信息系統(tǒng)：主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務(wù)為目標(biāo)?？梢杂胁煌?guī)模，如國家級的、地區(qū)或省級的、市級或縣級等為各不同級別行政區(qū)服務(wù)的區(qū)域信息系統(tǒng)，也可以按自然分區(qū)或流域?yàn)閱挝唤^(qū)域信息系統(tǒng)。區(qū)域信息系統(tǒng)如加拿大國家信息系統(tǒng)、美國橡樹嶺地區(qū)信息系統(tǒng)、圣地亞哥縣信息系統(tǒng)、中國黃河流域信息系統(tǒng)等。

（3）地理信息系統(tǒng)工具：它是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲(chǔ)管理、查詢檢索、分析運(yùn)算和多種輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。它們或者是專門研究的，或者是在完成實(shí)用地理信息系統(tǒng)后抽去具體的區(qū)域或?qū)ｎ}的地理空間數(shù)據(jù)后得到的。這些軟件適于用來作為地理信息系統(tǒng)支撐軟件，以建立專題或區(qū)域性的實(shí)用性地理信息系統(tǒng)，也可以作教學(xué)軟件。由于地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)較高，而且重復(fù)編輯比較復(fù)雜的基礎(chǔ)軟件也造成人力的極大浪費(fèi)，因此采用地理信息系統(tǒng)工具，無疑是建立實(shí)用地理信息系統(tǒng)的一條捷徑。

四、資源與環(huán)境研究中的GIS

進(jìn)入21世紀(jì)，中國的GIS事業(yè)發(fā)展迅速，GIS的作用日益被大眾所認(rèn)識，并蓬勃應(yīng)用到各種領(lǐng)域中。人類正在進(jìn)入以信息技術(shù)和空間技術(shù)應(yīng)用為特征的新型信息時(shí)代。作為新興技術(shù)科學(xué)的地理信息系統(tǒng)，從20世紀(jì)80年代末期以來已成為最活躍的信息產(chǎn)業(yè)之一。它涉及到GIS軟件、硬件、數(shù)據(jù)、遙感與航空攝影、制圖、野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)集成和咨詢等內(nèi)容。其中，軟件是GIS的技術(shù)核心，而從事軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成的公司或機(jī)構(gòu)則往往成為GIS產(chǎn)業(yè)的主體。

早期GIS主要應(yīng)用于自動(dòng)制圖、設(shè)施管理和土地信息系統(tǒng)（LIS），后來逐步擴(kuò)展到資源與環(huán)境管理、森林清查、城市規(guī)劃、市政管理、災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)測、科學(xué)研究和軍事戰(zhàn)略等眾多領(lǐng)域。隨著GIS技術(shù)的成熟，數(shù)據(jù)積累和應(yīng)用環(huán)境的改善，它的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，應(yīng)用程度不斷深化。GIS在資源與環(huán)境研究中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.資源清查與管理

資源的清查、管理和分析是GIS應(yīng)用中趨于成熟而重要的領(lǐng)域，包括土地資源、森林資源和礦產(chǎn)資源的清查、管理，土地利用規(guī)劃，野生動(dòng)植物的保護(hù)等。資源清查是地理信息系統(tǒng)最基本的職能，這時(shí)系統(tǒng)的主要任務(wù)是將各種來源的數(shù)據(jù)匯集在一起，并通過系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)和覆蓋分析功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計(jì)和資源狀況分析，為資源的合理開發(fā)、利用和科學(xué)管理提供依據(jù)。

以土地利用類型為例，可以輸出不同土地類型的分布和面積，按不同高程帶劃分的土地利用類型、不同坡度區(qū)內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀、不同巖性引起的土地利用差異以及不同時(shí)期的土地利用變化等，為資源的合理利用、開發(fā)和科學(xué)管理提供依據(jù)。又如中國西南地區(qū)國土資源信息系統(tǒng)，設(shè)置了三個(gè)功能子系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)。資源數(shù)據(jù)存儲(chǔ)了1500多項(xiàng)300多萬個(gè)。該系統(tǒng)提供了一系列資源分析與評價(jià)模型、資源預(yù)測預(yù)報(bào)及西南地區(qū)資源合理開發(fā)配置的資料?？衫L制草場資源分布圖、礦產(chǎn)資源分布圖、各地縣產(chǎn)值統(tǒng)計(jì)圖、農(nóng)作物產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)圖、交通規(guī)劃圖、重大項(xiàng)目規(guī)劃圖等不同內(nèi)容的專業(yè)圖件。

2.區(qū)域與城鎮(zhèn)規(guī)劃

城市與區(qū)域規(guī)劃中要處理許多不同性質(zhì)和不同特點(diǎn)的問題，它涉及資源、環(huán)境、人口、交通、經(jīng)濟(jì)、教育、文化和金融等多個(gè)地理變量和大量數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理有利于將這些數(shù)據(jù)信息歸并到統(tǒng)一系統(tǒng)中，最后進(jìn)行城市與區(qū)域多目標(biāo)的開發(fā)和規(guī)劃，包括城鎮(zhèn)總體規(guī)劃、城市建設(shè)用地適宜性評價(jià)、環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、道路交通規(guī)劃、公共設(shè)施配置以及城市環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測等。這些規(guī)劃功能的實(shí)現(xiàn)，是以地理信息系統(tǒng)的空間搜索方法、多元信息的疊加處理、空間分析方法和網(wǎng)絡(luò)分析功能等作為保證的。中國大、中型城市很多，根據(jù)加快中心城市的規(guī)劃建設(shè)，加強(qiáng)城市建設(shè)決策科學(xué)化、現(xiàn)代化的要求，利用地理信息系統(tǒng)作為城市規(guī)劃、管理和分析的工具，具有十分重要的意義。

3.環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測

利用GIS方法和多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，可以有效地用于森林火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)、洪水災(zāi)情監(jiān)測和災(zāi)情損失的估算，為救災(zāi)搶險(xiǎn)和防洪決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息，例如據(jù)中國大興安嶺地區(qū)的研究，通過普查分析森林火災(zāi)實(shí)況，統(tǒng)計(jì)分析十幾萬個(gè)氣象數(shù)據(jù)，從中篩選出氣溫、風(fēng)速、降水、溫度等氣象要素、春秋兩季植被生長情況和積雪覆蓋程度等14個(gè)因子，用模糊數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型，建立微機(jī)信息系統(tǒng)的多因子的綜合指標(biāo)森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法，對預(yù)報(bào)火險(xiǎn)等級的準(zhǔn)確率可達(dá)73%以上。又如黃河三角洲地區(qū)防洪減災(zāi)信息系統(tǒng)，在ARC/INFO地理信息系統(tǒng)軟件支持下，借助于大比例尺數(shù)字高程模型，加上各種專題地圖，如土地利用、水系、居民點(diǎn)、油井、工廠排放工程設(shè)施及社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)信息等，通過各種圖形疊加、操作、分析等功能，可以計(jì)算出若干個(gè)泄洪區(qū)域及其面積，比較不同泄洪區(qū)域內(nèi)的土地利用、房屋、財(cái)產(chǎn)損失等，最后得出最佳的泄洪區(qū)域，并制定整個(gè)泄洪區(qū)域內(nèi)的人員撤退、財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移和救災(zāi)物資供應(yīng)等的最佳運(yùn)輸線路。

4.環(huán)境保護(hù)及管理

GIS技術(shù)也是進(jìn)行環(huán)境評價(jià)、環(huán)境規(guī)劃管理的有力工具。其內(nèi)容包括：環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和環(huán)境動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，建立環(huán)境污染的有關(guān)模型，提供環(huán)境管理的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和報(bào)表輸出，環(huán)境作用分析和環(huán)境質(zhì)量評價(jià)，環(huán)境信息傳輸和制圖等。

環(huán)境管理涉及人類社會(huì)活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的一切領(lǐng)域，一個(gè)大中型城市每年收集和監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)可能多達(dá)100萬個(gè)，對如此大量的數(shù)據(jù)，應(yīng)使其有效地為環(huán)境管理決策及其他用途服務(wù)。一個(gè)地方環(huán)境管理信息系統(tǒng)的功能有：為環(huán)境管理部門提供數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)存儲(chǔ)方法——基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；提供環(huán)境管理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表和圖形編輯方法；建立環(huán)境污染的若干模型，為環(huán)境管理決策提供支持；提供環(huán)保部門辦公軟件；提供信息傳輸?shù)姆椒ê褪侄巍?/p>

例如，上海市環(huán)境管理雅息系統(tǒng)具有如下主要特征：①建立了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，可存儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)（如包括污染源和環(huán)境質(zhì)量）和其他有關(guān)數(shù)據(jù)（如環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、水文、氣象等），對大多數(shù)環(huán)境管理功能來說，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享；②面向環(huán)境質(zhì)量管理，可以對環(huán)境質(zhì)量狀況的統(tǒng)計(jì)、評價(jià)、預(yù)測、規(guī)劃以及其他管理提供支持；③為實(shí)現(xiàn)面向污染源的污染控制管理提供支持，可以實(shí)現(xiàn)排污收費(fèi)、排污許可證制度的管理；④為便于用戶使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)界面友好的窗口菜單系統(tǒng)，使用方便，可以提供不同形式的輸出，包括屏幕顯示、表格打印、圖形繪制、磁盤輸出等，還預(yù)留了遠(yuǎn)程通訊接口。

5.宏觀決策

GIS利用有效的數(shù)據(jù)庫，通過一系列決策模型的構(gòu)建和比較分析，可為國家或區(qū)域的宏觀決策提供科學(xué)依據(jù)。例如GIS支持下的土地承載力的研究，可以解決土地資源與人口容量的規(guī)劃。中國在三峽地區(qū)研究中，通過利用地理信息系統(tǒng)和機(jī)助制圖的方法等多種功能建立了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為三峽宏觀決策提供了建庫前后環(huán)境變化的數(shù)量、速度和演變趨勢等可靠依據(jù)。又如，通過水土流失監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的水土流失強(qiáng)度、地質(zhì)巖性、坡度及其他資源與環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，利用圖形疊置等功能和變化的規(guī)律模型，可以進(jìn)行水土流失的預(yù)測，為水土保持方案的編制及實(shí)施生態(tài)環(huán)境治理等提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為宏觀決策提供依據(jù)。

試闡述GIS環(huán)境下對地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)制圖綜合取舍的原理、方法、發(fā)展趨勢與技術(shù)難點(diǎn)。

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲(chǔ)、管理、分析、描述和應(yīng)用整個(gè)或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（97年的參考文獻(xiàn)）。它由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、管理、分析、統(tǒng)計(jì)、制圖的工具已逐步發(fā)展起來。

GIS始于60年代的加拿大與美國，爾后各國相繼投入了大量的研究工作，自80年代末以來,特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,地理信息的處理、分析手段日趨先進(jìn)，GIS技術(shù)日臻成熟，已廣泛地應(yīng)用于環(huán)境、資源、石油、電力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)咨詢、災(zāi)害損失預(yù)測、投資評價(jià)、政府管理和軍事等與地理坐標(biāo)相關(guān)的幾乎所有領(lǐng)域。

但是，隨著信息技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展、數(shù)字地球（Digital Earth）的提出與實(shí)施，以及GIS的應(yīng)用深度的不斷深入和廣度的擴(kuò)大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中，并對GIS提出了許多新的要求。一方面，計(jì)算機(jī)的進(jìn)步、信息網(wǎng)的發(fā)展和利用等技術(shù)上的突破，使得以數(shù)字形式表示信息更加容易，另一方面，地理信息仍滯后于其它更適合于以數(shù)字形式表示的信息，例如數(shù)字和文本。因此，地理信息的使用，又存在一定的困難和障礙，如果這些障礙能夠妥善解決，GIS的應(yīng)用將會(huì)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文就目前地理信息系統(tǒng)的熱點(diǎn)問題進(jìn)行介紹、分析和總結(jié)。

2 計(jì)算機(jī)技術(shù)對GIS發(fā)展趨勢的影響

GIS技術(shù)依托的主要工具和平臺(tái)是計(jì)算機(jī)及其相關(guān)設(shè)備。進(jìn)入90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 計(jì)算機(jī)其微處理器的處理速度愈來愈快性能價(jià)格比更高; 其存儲(chǔ)器能實(shí)現(xiàn)將大型文件映射至內(nèi)存的能力,并且能存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)。此外, 隨著多媒體技術(shù)、空間技術(shù)、虛擬實(shí)景、數(shù)字測繪技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)三維圖形芯片、大容量光盤技術(shù)及寬頻光纖通訊技術(shù)的突破性進(jìn)展，特別是消除數(shù)據(jù)通訊瓶頸的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建立，以及能夠提供接近實(shí)時(shí)對地觀測圖象的高分辨、高光譜、短周期遙感衛(wèi)星的大量發(fā)射，這些為GIS技術(shù)的廣泛、深入應(yīng)用展示了更加光明的前景。同時(shí), 也使當(dāng)前的GIS已不能滿足信息時(shí)代、數(shù)字時(shí)代的要求，目前GIS主要總體上呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化[1][3]、開放性[5]、虛擬現(xiàn)實(shí)[1]、集成化[2]、空間多維性[4][6]等發(fā)展趨勢。

2.1 網(wǎng)絡(luò)化——網(wǎng)絡(luò)GIS

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新發(fā)展推動(dòng)著當(dāng)代GIS技術(shù)的快速更新和發(fā)展，使得在因特網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)GIS應(yīng)用日益引起人們的關(guān)注，建立萬維網(wǎng)GIS(WWWW GIS或Web GIS)是近年來GIS研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門話題。Web GIS或互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Internet GIS）是當(dāng)前GIS的一個(gè)重要發(fā)展方向。

目前，WWWGIS的建設(shè)面臨四個(gè)方面的挑戰(zhàn)：網(wǎng)上數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)上數(shù)據(jù)互操作、網(wǎng)上數(shù)據(jù)采掘和網(wǎng)上數(shù)據(jù)管理及安全性。與傳統(tǒng)的GIS相比，Web GIS具有以下特點(diǎn)：

(1)適應(yīng)性強(qiáng) Web GIS是基于互聯(lián)網(wǎng)的，因而是全球的，能夠在不同的平臺(tái)運(yùn)行。

(2)應(yīng)用面廣 網(wǎng)絡(luò)功能將使Web GIS應(yīng)用到整個(gè)社會(huì)，真正實(shí)現(xiàn)GIS的無所不能，無處不在。

(3)現(xiàn)實(shí)性強(qiáng) 地理信息的實(shí)時(shí)更新在網(wǎng)上進(jìn)行，人們能得到最新信息和最新動(dòng)態(tài)。

(4)維護(hù)社會(huì)化 數(shù)據(jù)的采集、輸入、空間信息的分析與發(fā)布將是在社會(huì)協(xié)調(diào)下運(yùn)作，對其維護(hù)將是社會(huì)化，減少重復(fù)的勞動(dòng)。

(5)使用簡單 用戶可以直接從網(wǎng)上獲取所需要的各種地理信息，直接進(jìn)行各種地理信息的分析，而不用關(guān)心空間數(shù)據(jù)庫的維護(hù)和管理。

網(wǎng)絡(luò)GIS可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布、瀏覽、下載，實(shí)現(xiàn)基于Web的GIS查詢和分析。盡管目前已有多家國內(nèi)外公司推出Web GIS,總地來說，Web GIS尚處在試驗(yàn)研究階段，其最終目標(biāo)是應(yīng)能實(shí)現(xiàn)GIS與WWW技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，GIS通過WWW成為大眾使用的技術(shù)和工具。

2.2 開放性——開放式GIS

開放式地理信息系統(tǒng)（Open GIS）是指在計(jì)算機(jī)和通信環(huán)境下，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和接口（Interface）所建立起來的地理信息系統(tǒng)。它不僅使數(shù)據(jù)能在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)，還能在系統(tǒng)間流動(dòng)。Open GIS是為了使不同的地理信息系統(tǒng)軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構(gòu)分布數(shù)據(jù)庫中實(shí)現(xiàn)信息共享的途徑。為此，Open GIS要具有下列特點(diǎn)：

(1)互操作性：不同地理信息系統(tǒng)軟件之間連接、信息交換沒有障礙。

(2)可擴(kuò)展性：硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，其性能和硬件平臺(tái)的性能成正比；軟件方面增加新的地學(xué)空間數(shù)據(jù)和地學(xué)數(shù)據(jù)處理功能。

(3)技術(shù)公開性：開放的思想主要是對用戶公開，公開源代碼及規(guī)范說明是重要的途徑之一。

(4)可移植性：獨(dú)立于軟件、硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不需修改便可在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

除此之外，還有諸如兼容性、可實(shí)現(xiàn)性、協(xié)同性等特點(diǎn)。

為了研究和開發(fā)Open GIS技術(shù)，1996年在美國成立的開放地理信息聯(lián)合會(huì)主要研究和建立了開放式地理數(shù)據(jù)交互操作規(guī)程（OGIS，Open Geodata Interoperable Specification）。OGIS是為了尋找一種方式，將地理信息系統(tǒng)技術(shù)、分布處理技術(shù)、面向?qū)ο蠓椒?、?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)信息獲取方法更有效地結(jié)合起來?；贠GIS規(guī)范制訂的開放系統(tǒng)模型是一種軟件工程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這種方法應(yīng)用于GIS領(lǐng)域，側(cè)重于改變當(dāng)前GIS模型中特定的應(yīng)用系統(tǒng)及其功能與它內(nèi)部數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)格式緊密捆綁的現(xiàn)狀。當(dāng)然，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規(guī)程，具體如何實(shí)現(xiàn)，還需采用分布式對象的技術(shù)，通過Acrobat、OLE、ActiveX、Java等語言實(shí)現(xiàn)。

Open GIS技術(shù)將使GIS始終處于一種組織、開放式的狀態(tài)，真正成為服務(wù)于整個(gè)社會(huì)的產(chǎn)業(yè)以及實(shí)現(xiàn)地理信息的全球范圍內(nèi)的共享與互操作，是未來網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下GIS技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

2.3虛擬現(xiàn)實(shí)——虛擬GIS

虛擬GIS就是GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）的結(jié)合。VR技術(shù)是當(dāng)代信息技術(shù)高速發(fā)展，并與其他技術(shù)集成的產(chǎn)物，是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。這種模擬具有三個(gè)最基本的特征，即Immersion(沉浸)-Interaction(交互)-Imagina-tion(構(gòu)想)。

由于技術(shù)的限制，目前還未能開發(fā)出適用于遙感和GIS用戶需要的真3維可視化的數(shù)據(jù)分析軟件包。GIS與虛擬環(huán)境技術(shù)相結(jié)合，將虛擬環(huán)境帶入GIS將使GIS更加完美。GIS用戶在計(jì)算機(jī)上就能處理真3維的客觀世界的虛擬環(huán)境中將能更有效地管理，分析空間實(shí)體數(shù)據(jù)。目前虛擬GIS（VGIS）的研究主要集中在虛擬城市。

2.4 多媒體GIS

多媒體技術(shù)（Multia-Media）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀的方式表達(dá)和感知信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機(jī)界面操縱信息處理的技術(shù)。應(yīng)用多媒體技術(shù)對GIS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能及應(yīng)用模式的設(shè)計(jì)產(chǎn)生極大的影響，使得GIS的表現(xiàn)形式更豐富，更靈活，更友好。

多媒體地理信息系統(tǒng)（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動(dòng)畫等技術(shù)融為一體，為GIS應(yīng)用開拓了新的領(lǐng)域和廣闊的前景。它不僅能為社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化教育、旅游、商業(yè)、決策管理和規(guī)劃等提供生動(dòng)、直觀、高效的信息服務(wù)，而且將使電腦技術(shù)真正走進(jìn)人類社會(huì)生活。多媒體技術(shù)在GIS領(lǐng)域的深入應(yīng)用，乃至出現(xiàn)具有良好集成能力的MGIS是技術(shù)發(fā)展的必然。

2.5 集成化——3S技術(shù)的結(jié)合

3S技術(shù)指的是全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）。3S技術(shù)的結(jié)合與集成充分體現(xiàn)了學(xué)科發(fā)展從細(xì)分走向綜合的規(guī)律。

GIS發(fā)展的重要趨勢是與全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構(gòu)成實(shí)時(shí)的，動(dòng)態(tài)的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術(shù)的多譜段、多時(shí)相、多傳感器和多分辨率的特點(diǎn)，為GIS不斷注入“燃料”，反過來又可利用GIS支持從遙感影像數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取語義和非語義信息。

3S技術(shù)整體結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)是高度自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化的GIS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能，而且能夠分析和運(yùn)用數(shù)據(jù)，為各種應(yīng)用提供科學(xué)的決策咨詢，并回答用戶可能提出的各種復(fù)雜問題。

2.6 空間多維性——三維GIS與時(shí)態(tài)GIS

在許多地學(xué)研究中，人們所要研究的對象是充滿整個(gè)3D空間的，如大氣污染、洋流、地質(zhì)模型等，必須用一個(gè)（X，Y，Z）的3D坐標(biāo)來描述。在3D GIS中，研究對象是通過空間X、Y、Z軸進(jìn)行定義，描述的是真3D的對象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS在許多行業(yè)諸如地質(zhì)、礦山、海洋、城市地下管網(wǎng)，城市空間規(guī)劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋范圍分析等對三維GIS的需求日益迫切，3D GIS的理論和應(yīng)用近年來受到許多學(xué)者的關(guān)注。到目前為止，雖然有3D GIS系統(tǒng)問世，但其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是3D GIS理論不成熟，其拓?fù)潢P(guān)系模型一直沒有解決；另外三維基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)量十分大，很難建立一個(gè)有效的，易于編程實(shí)現(xiàn)的三維模型,計(jì)算機(jī)海量數(shù)據(jù)的處理為三維GIS提供了基礎(chǔ)。

2.6.2 時(shí)態(tài)GIS

人們都在一定的空間和時(shí)間環(huán)境中生存并從事各種社會(huì)活動(dòng)。從信息系統(tǒng)，尤其是GIS的實(shí)用角度出發(fā)，時(shí)間可以看成是一條沒有端點(diǎn)，向過去和將來無限延伸的線軸，它是現(xiàn)實(shí)世界的第四維。時(shí)間和空間不可分割地聯(lián)系在一起，跟蹤和分析空間信息隨時(shí)間的變化，應(yīng)當(dāng)是GIS的一個(gè)合理目標(biāo)。這樣的GIS就被稱為時(shí)態(tài)GIS（Temporal GIS）。

記錄歷史數(shù)據(jù)有時(shí)候是非常重要的。在GIS中也要經(jīng)常查詢歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經(jīng)過許多次的買賣或變化。在土地糾紛中，人們需要詳細(xì)的歷史記錄作為法律依據(jù)。GIS在環(huán)境應(yīng)用中，也經(jīng)常需要用到多時(shí)態(tài)的信息對環(huán)境進(jìn)行綜合評價(jià)。所以，研究GIS的時(shí)態(tài)問題則成為當(dāng)今GIS領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。

時(shí)態(tài)GIS的組織核心是時(shí)空數(shù)據(jù)庫，其概念基礎(chǔ)則是時(shí)空數(shù)據(jù)模型。時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)以不同類型的時(shí)空過程和應(yīng)用目的作為出發(fā)點(diǎn)。雖然人們已分別在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫研究方面取得很大進(jìn)展，但是“時(shí)態(tài)”+“空間”≠ “時(shí)空”，兩者難以簡單地組合起來，這導(dǎo)致了時(shí)態(tài)GIS研究與應(yīng)用的困難。作為一種系統(tǒng)方法，時(shí)態(tài)GIS的研究和應(yīng)用還有很長的路要走。

2.7 部件組裝化——組件式GIS

GIS軟件是一種大型的軟件，開發(fā)一個(gè)功能完備的GIS軟件是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工程。如何合理地組織GIS軟件的結(jié)構(gòu),一直是GIS軟件技術(shù)專家們研究的問題。它的發(fā)展體經(jīng)歷了如下歷程：GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS和核心式GIS。當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟件控件技術(shù)（ActiveX控件，其前身OLE控件）為GIS軟件提供了一種新的開發(fā)模式。

組件化GIS基于標(biāo)準(zhǔn)的組件式GIS平臺(tái)，各組件之間不僅可能自由、靈活地重組，而且具有可視化的界面和方便的標(biāo)準(zhǔn)的接口。其特征主要體現(xiàn)在：

(1)高效無縫的系統(tǒng)集成 允許將專業(yè)模型、GIS控件、其它控件緊密地結(jié)合在統(tǒng)一的界面下。

(2)無須專門的GIS開發(fā)語言 只要掌握基于Windows平面的通用環(huán)境(VB,VC++,Delphi,power Builder等)，以及組件式GIS各控件的屬性、方法和事件，就能完成應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

(3)大眾化的GIS 用戶可以象使用其它ActiveX控件一樣使用GIS的控件，使非專業(yè)的GIS用戶也能勝任GIS應(yīng)用開發(fā)工作。

(4)開發(fā)成本低 非GIS功能可以利用非專業(yè)控件，降低了系統(tǒng)的成本。