地理信息系统研究的新进展

地理信息系统研究的新进展进入21世纪以后,地理信息系统主要的基础理论和技术研究热点有了新的变化,代表了地理信息系统研究的新进展,主要归纳如下:1.稳定、快速的GIS数据采集和数据更新体系GIS数据的来源可以包括:野外数字化采集系统、地图扫描矢量化采集系统、局域和广域差分GPS数据采集系统、遥感数据采集和更新系统、数字摄影测量数据采集系统等。对于每一种数据采集系统的研究都将设计许多具体内容,数据源采集和更新体系是GIS理论和技术研究的首要问题。2.GIS空间数据的质量与不确定性分析数据和软件是GIS走向产业化的前提,同时GIS空间数据的质量直接影响GIS的分析和应用,影响了GIS的生存和发展。当前GIS空间数据的精度分析与质量控制研究中,从手工数字化数据采集质量到扫描数字化数据质量、从矢量数据误差模型研究到影象数据分类和分析质量研究、从空间位置数据质量研究到空间属性数据质量研究、从数据误差传播分析到数据误差模型的可视化、从模拟数据不确定性分析到批量数字产品生产的质量控制和抽样检验等的变化可看出GIS数据质量不确定性研究的对象越来越广,内容越来越多。3.3D地理信息系统(3DGIS)的研究在传统的二维(2D)GIS中,通常是将垂直方向的信息抽象成一个属性值,如DTM中的高程,然后进行空间操作和分析。如果在垂直方向上的采样多于一个,如:资源勘探中在一个钻孔中的多个采样,2DGIS则难以处理。在这种场合下具有真三维(3D)处理和分析功能的GIS系统是必需的。而所谓的3DGIS就是在二维GIS的基础上对具有三维地理参考坐标的地理信息输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟操作的计算机系统。目前3DGIS的数据结构研究比较多。基于体素的(Voxel2based)三维系统比较成熟,广泛用于石油勘探中;基于矢量数据的系统模型处于研究中,例如四面体或边界表示的矢量方法、八叉树与TIN的混合结构、八叉树与TEN的混合结构、面向对象的矢量与栅格一体化结构等。目前3DGIS的数据模型研究有两个方向:第一是利用三维几何和CAD领域的可视化,构成3DGIS中交互式的模型和可视化功能;第二是开发3DGIS数据管理和空间分析功能,它从数据库方面进行考虑,这两个方面的结合以及迅速发展的虚拟现实技术将产生新的3DGIS数据模型。4.GIS时空系统(spatio-temporalsystem)研究在许多应用领域中,如环境监测、地震救援、天气预报等,空间对象是随时间变化的,而这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去GIS忽略时态主要是受器件的限制,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”。根据处理时间和有效时间的划分,可以把时空系统分为4类:静态时空系统(staticSTsystem)、历史时态系统(historicalSTsystem)、回溯时态系统(rollbackSTsystem)和双系统(bitemporalSTsys2tem)。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。目前比较流行的做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。5.GIS空间数据查询语言的研究GIS数据描述的是空间信息,一般包括位置、属性和时间三个方面。在GIS应用中,使用最广泛的是空间数据的查询,有时查询某一个图形,有时是查询空间图形之间的相互关系。目前许多GIS软件提供的是常用的关系数据库结构化查询语言(SQL),而关系数据库结构化查询语言有其固有的缺陷,例如:不支持空间概念特别是空间关系、空间对象的查询结果不能用空间图形的方式有效地显示给用户以及不支持元数据查询、知识查询、定性查询和基于图形对象的查询等。当前对空间查询语言的研究包括:(1)空间结构化查询语言(SpatialSQL)。它是在关系型SQL上发展起来的,不仅能完成空间数据的查询,而且能表达查询结果。其形式为:(空间数据库查询语言)SQL+(目标表示语言)GPL=SpatialSQL。(2)可视化查询语言。将查询语言的操作对象和过程及其空间关系等,用直观的图形或表格显示给用户,构成可视化查询语言。(3)自然查询语言。引入自然语言的概念,使查询语言的描述更接近自然语言,另外用模糊数学方法将模糊概念量化为确定的范围,实现具有能理解模糊概念的查询。6.GIS空间数据共享和数据标准研究现有GIS软件与应用都有自己的数据格式和数据标准,不同GIS软件之间还不能直接读取和操纵其他GIS软件的数据,而必需经过数据转换。所以在GIS的建设和发展中对空间数据共享和数据标准化问题迫切需要进行研究。一方面国家和行业部门指定自己的外部交换数据标准,要求采用公共的数据格式,以解决不同GIS软件之间空间数据的转换问题:另一方面指定空间数据相互操作协议(OGIS),指定一套大家能够接受的空间数据操作函数(API),软件开发商必须提供与这一API函数一致的驱动程序,这样不同的软件就可以操作对方的数据。目前已有几个重要空间数据转换标准:DIGEST———数字地理信息交换标准(DigitalGeographicInformationExchangeStandard)由北大西洋公约组织NATO的数字地理信息工程组DGI2WG制定,可以处理栅格、矩阵和矢量数据的转换(含拓扑结构)。STDS———空间数据转换标准(SpatialDataTransferStandard)由美国地质测量协会USCS制定,是一种不同计算机体系中空间数据的转换标准。OGIS———开放地理数据互操作规范(OpenGeodataInferoperdilitySpecification)是通过各软件开发商提供的与其定义的API函数一致的驱动来实现的,从而使得不同软件可操纵对象的数据。7.地理计算(GeoComputation)上个世纪未围绕GIS所做的研究和大量工作基本是围绕建立庞大的空间数据库,以及建立各种相关数据与空间的位置或二、三维的坐标建立的一种连接关系。而在次基础上推广和应用GeoCom2putaiton(GC)无疑将是对GIS的又一次革命。地理计算所要做的工作就是如何在已有的庞大的空间数据库基础上,进行大量更有意义的分析和计算,从而使数据的效益得以提升。然而GeoComputation(GC)不仅仅是一个计算机在地理信息领域中的应用,关键可以辅助进行地理研究,从而可以获得基于数据驱动的地理信息管理和地理信息分析。GeoComputation主要涉及四个边缘技术:(1)GIS,为之创建数据库;(2)人工智能技术(Artificalintelligence,AI)和智能计算技术(Computationalin2telligence,CI),为之提供计算原理和计算工具;(3)高性能计算服务系统(Highperformancecomputing,HPC),为之提供动力;(4)以及科学原理,为之提供运行的理论机理。GeoComputation吸收了很多最新的计算新技术用于结合空间数据进行分析,当然分析的有效性与空间数据的模型是有很大关系的,这些新技术包括元胞自动机技术(Cellularautomata),模糊建模(Fuzzymodeling),遗传算法(Geneticalgorithm),分形分析(Fractalanalysis)计算等等。8.构件式地理信息系统ComGIS研究提出GIS的构件化思想是符合软件资源重组,提高软件生产效率这一思路的。所谓的ComGIS就是把GIS的各个功能模块分解为若干构件或控件,每个构件具有不同的功能,不同的构件可以来自不同时间和不同的开发商。利用构件的OLE(对象连接与嵌入)和ActiveX(OCX)控件技术,用户可以在工业标准的可视化开发环境中,如VisualBasic,Vi2sualC++,Dephi,PowerBuilder等,只需在设计阶段将GIS组件嵌入到用户的应用程序中,就可以实现地图制图和GIS功能。9.万维网地理信息系统WebGIS研究WebGIS是Internet技术应用于GIS开发的产物。从的任意一个节点,Internet用户可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图,以及进行各种空间检索和空间分析,从而使GIS进入千家万户。WebGIS具有以下特点:(1)全球化的Client/Server应用。全球范转内任意一个Internet用户都可以通过浏览器访WebGIS站点提供的各种GIS服务,甚至还可以进行全球范围内的GIS数据更新。(2)ebGIS给更多用户提供了使用GIS的机会。WebGIS可以使用通用浏览器进行浏览、查询GIS空间信息,额外的插件(plug2in)、ActiveX控件和JavaApplet通常都是免费的,这样可以降低终端用户的经济和技术负担,很大程度上扩大了GIS的潜在用户范围。(3)具有很好的扩展性。WebGIS很容易跟Internet上的其他公用信息服务融合在一起,实现无缝集成,从而可以建立灵活多变的GIS应用。(4)跨平台特性。在WebGIS以前,尽管一些厂商为不同的操作系统(如:Windows、UNIX、Mac2intosh)分别提供了相应的GIS软件版本,但是没有一个GIS软件真正具有跨平台的特性。而基于Ja2va的WebGIS可以做到“一次编成,到处运行(writeonce,runanywhere)”,充分发挥了跨平台的特点。3.10空间数据可视化与虚拟现实研究可视化(Visualization)和虚拟现实(VR)是GIS发展中涉及的一个重要技术问题。GIS可视化就是采用计算机图形图像技术,将复杂的自然景观,甚至十分抽象的地理概念图形化,以便了解自然现象,发现规律和传播知识。可视化的概念最初是由Mc2cormick(1981)提出来的,他认为科学可视化是计算机计算的一种方法;Brown(1995)认为科学计算可视化已是一个较独立、相对集中的领域,是计算机图形学、三维可视化、立体涂刷、商用图形、图像处理、动画和虚拟现实(VR)的一个集体名词。GIS与可视化有很密切的关系,一方面GIS支持空空间数据的可视化,它可以描述精确的空间地理位置,GIS的数据库管理技术,可以克服可视化系统出现的数据冗余和不灵活性,同时GIS提供了大量的空间数据可视化过程中所需要的空间分析功能,缩短了视觉和模型之间的关系;另一方面,空间数据的可视化也增强了GIS的功能,数据质量的可视化,可以有效地把数据误差的效果直接传递给分析者,提高用户的数据质量意识,同时数据的不确定性的可视化,可以把用户的注意力吸引到潜在的问题中来,可视化可以大大改善数据分析过程的界面,使用户看到数据处理全过程。此外,VR技术特别是VRML(虚拟现实建模语言,一种描述Internet上交互3D多媒体的标准文件格式)的研究将促进GIS与Internet、Web的集成,使用户在三维护虚拟环境中,采用VR系统设备,在模拟的地理环境中实现观察、触摸、操作和检测。结束语GIS的发展应该从技术开发和理研究两个方面并重,不应过分的强调技术或过分的强调理论研究。当前主要的GIS基础理论研究主要集中在一些高校和科研院所,同时很多企业与之合作,积极从事应用的开始。另外政府部门借助GIS建立了一些辅助决策系统,通过这些系统,控制、管理和掌握涉及空间信息的政府基础数据,并取得了很好的效果。