big big channel下载:gia原理四

§1.4 地理信息系统的发展

    本世纪中叶，计算机的发明与应用标志着第一次信息革命的开始，人类社会随之进入信息时代。信息的巨大物化力量使得它逐渐成为一种重要的社会资源和社会动力源，从而引起社会职能、模式、结构、价值及人们工作、生活方式的变革，人们工作的重点从单独的物质生产转移到对信息的采集、处理、分析和利用上来。另外，由于社会的进步，人们开始觉悟到对赖以生存的地球资源的利用，不能是简单地掠夺，而应将开发和保护结合起来进行科学管理和充分利用。于是兴起国土规划、各种资源清查、环境监测等大型工程。然而，面对这些大型工程所获取的海量资源环境信息，传统的调查报表、统计图表和手工制图的方式已远远不能满足时代需求，如何利用计算机有效地处理相关信息是地理信息系统产生和发展的原动力。

一、国际GIS发展状况:

    介绍地理信息系统在国际上发展的四个阶段：探索时期、发展时期、成熟阶段和全面应用阶段。

二、我国GIS发展状况:

    介绍我国地理信息系统主要经历了准备阶段、试验阶段、发展阶段和产业化阶段。

三、当代GIS发展动态:

    介绍当代地理信息系统技术上的几个热门研究领域：面向对象技术与GIS，真三维GIS和时空GIS，GIS应用模型，InternetGIS，GIS与专家系统和GIS与虚拟现实技术的结合。

一、国际GIS发展状况

    1963年，加拿大测量学家R.Tomlinson首先提出地理信息系统这一术语之后，随着技术的进步、社会的需求、有关组织机构的建立，GIS呈“星火燎原”之势在全世界迅速发展起来。概括起来，GIS的发展可分为以下几个阶段。

1、20世纪60年代为GIS思想和技术方法的探索时期

    由于40年代和50年代计算机科学、地图学和航空摄影测量技术的发展，逐渐产生利用计算机汇总各种来源的数据，借助计算机处理和分析这些数据，最后通过计算机输出一系列结果，作为辅助决策的有用信息，这就产生了最早地理信息系统的基本框架。

    在50年代末60年代>初，计算机获得广泛应用以后，很快就被应用于空间数据的存储与管理。计算机分析地图内容并提供信息，是从自然资源的管理和土地规划任务开始的，在这个基础上诞生了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系(CGIS)。受计算机发展水平的限制，当时的地理信息系统的特征是存储能力小，磁带存取速度慢。机助制图能力较强，地学分析功能较简单，实现了手扶跟踪数字化方法，可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅数据的自动拼接，开创了格网单元的操作方法，发展了许多基于格网的系统。所有这些处理空间数据的主要技术，奠定了地理信息系统发展的基础。另外，纷纷成立的许多有关GIS的组织和机构对传播和发展地理信息系统也起了重要的指导作用。

国际GIS 60年代大事记(据张超）

2、70年代是GIS的发展时期

    在这期间，计算机发展到第三代，内存容量大增，运算速度达到10－６秒级，特别是大容量直接存取设备——磁盘的使用，为地理数据的录入、储存、检索、输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着实用化方向发展。

    例如，从1970年至1976年，美国地质调查所就建成了50多个信息系统，分别作为处理地理、地质和水资源等领域空间信息的工具。其他一些发达国家，如加拿大、联邦德国、瑞典等国，也先后发展了自己的地理信息系统。同时，一些商业公司开始活跃，GIS软件在市场上受到欢迎，同时管理问题也开始受到重视。据IGU统计，在70年代约有300多个系统投入使用，其中较完整的系统软件就有80个之多。1980年，美国地质调查局出版了《空间数据处理计算机软件》的报告，基本总结了1979年以前世界各国GIS的发展概况。此外，D.F.Marble等拟订了处理空间数据的计算机软件登录的标准格式，对全部软件作了系统的分类，提出GIS发展研究的重点是空间数据处理的算法、数据结构和数据库管理这三方面。同时，许多大学(如美国纽约州立大学等)开始注意培养GIS方面的人才，创建了GIS实验室。因此，地理信息系统这一技术受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为引人注目的领域。

国际GIS 70年代大事记(据张超）

3、80年代是GIS在理论、方法和技术上取得突破与趋向成熟的阶段。

    由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通讯传输设备的出现，为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输效率得到极大的提高。另外，软件开发工具的广泛应用和数据库技术的推广，推动了GIS的数据处理能力，空间分析功能，人机交互对话，地图的输入、编辑和输出技术的进一步发展，并逐渐走向成熟。地理信息系统的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线等)转向更加复杂的区域开发问题。

    例如,土地的规划利用、城市发展战略研究、人口的规划和安置等，地理因素成为投资标准决策不可缺少的依据。这个时期，GIS已跨越国界，开始用于解决全球性问题，如全球的沙漠化、全球可居住区的评价、ALNINO现象及酸雨、核扩散等对世界环境潜在的影响等。因此，国际著名的GIS专家R.F.Tomlinson认为，如果70年代是GIS发展的巩固时期，那么，80年代是国际GIS发展具有突破性的时期。

国际GIS 80年代大事记(据张超）

4、90年代，全面应用

    90年代以来，随着地理信息产业的建立和地球数字化产品的普及应用，GIS的发展进入用户时代。这个期间，社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅度增加，GIS已成为许多机构(特别是政府决策部门)必备的工作系统。国家级乃至全球级的地理信息系统已成为公众关注的问题，地理信息系统已被列入“信息高速公路”计划，也是美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略的重要组成部分。

    90年代，GIS开发和研究主要集中在下列一些方向：空间信息分析的新模式和新方法；空间信息应用模型；GIS的效益评价；三维、四维空间数据结构和数据模型；人工智能和专家系统的引入；网络GIS；虚拟现实技术与GIS的结合等。

国际GIS 90年代大事记(据张超）

二、我国GIS发展状况

    我国地理信息系统的发展起步较晚，但发展较快，大体可分为下列几个阶段。

1、准备阶段

    70年代初，我国开始探讨计算机在测量、地图制图和遥感领域的应用。例如，1972年开始研制制图自动化系统，1974年引进美国地球资源卫星图像，开展了卫星图像的处理和信息解译工作，随后召开了各种区域性遥感技术规划会议，先后开展了多项环境卫星系列数据与图像的接收、处理和应用的试验，如京津唐地区红外遥感试验、新疆哈密地区航空遥感实验等。此外，还开展了全国范围的航空摄影测量与地形制图，为我国地理信息系统数据库的建立打下了坚实的物质基础，并于1977年诞生我国第一张全要素数字地图。所有这些都为我国地理信息系统的研制和开发做了物质和技术准备，为GIS的发展开辟了道路。

2、试验阶段

    80年代，随着计算机技术的发展和我国对“信息革命”的热烈响应，地理信息系统这一新技术在我国正式进入全面试验阶段。我国在GIS理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养、典型试验和专题试验等方面都取得了实质性的进展。在典型试验中主要研究建立数据规范和标准、空间数据库建立、数据处理和分析算法以及系统分析软件和应用软件的开发等。在专题试验和应用方面，探索地理信息系统的设计与应用，包括人口、资源、环境与经济等广泛专题的试验和应用。建成的区域性系统有1∶100万国土基本信息系统和全国土地信息系统、1∶400万全国资源和环境信息系统、1∶250万水土保持信息系统等，专题信息系统如黄土高原信息系统、洪水灾害预报与分析系统、矿产资源数据库等。一些用于辅助城市规划的各种小型信息系统在城市建设和规划部门获得了认可。此外，国际GIS学术会议多次在我国举行，有关高校开设了地理信息系统课程，这一切均为GIS的进一步发展和实际应用打下了基础。

3、发展阶段

    从1986年到1995年前后，我国GIS随着社会主义市场经济的发展走上了全面发展道路。由于沿海、沿江经济开发区的发展，土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，推动了GIS的发展和应用。GIS研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关项目，开始有计划、有组织、有目标地进行理论研究和应用建设。同时，全国许多行业部门和部分省市积极发展各自专业GIS和区域GIS，上海、北京、深圳、海口、三亚、常州等大中城市都在积极建设城市GIS。

4、产业化阶段

    1996年以来，我国GIS技术在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速，并力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用推向实用化、集成化、工程化，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。GIS在研究和应用过程中走向产业化道路，成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥重大作用。

我国GIS 大事记(据张超）

三、当代GIS发展动态

    自20世纪60年代世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统(CGIS)问世以来，经过近40年的发展，GIS系统软件和应用软件日趋成熟和完善。过去，GIS往往被认为是一项专门技术，其应用主要限于测绘、制图、资源和环境管理等领域。随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS的社会需求量增大，GIS应用日趋广泛，甚至进入千家万户。应用需求促进发展，GIS已从一门技术发展为一门独立的新兴学科。下面就GIS当前的几个热门研究领域作一介绍。

1、面向对象技术与GIS的结合

     GIS一般采用图形和属性分开管理的数据模型管理数据，即实体的图形数据用拓扑文件存储管理，属性数据用关系数据库管理，二者通过惟一标识符进行连接。这种数据模型具有的弱点使得人们开始寻求一种能统一管理图形数据和属性数据的数据模型。

    面向对象技术将现实世界的实体都抽象为对象，利用四种数据抽象技术(分类、概括、联合、聚集)可构建复杂的地理实体，利用继承和传播这两种数据抽象工具将所有实体对象构建成一个分层结构。面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条适合于人类思维模式的直观、结构清晰、组织有序的方法，面向对象数据模型成为较为理想的统一管理GIS空间数据的有效模型。因而，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。Smallworld GIS是目前面向对象GIS中最为典型的代表，一些传统的GIS也开始部分采用面向对象的技术，如ARC/INFO 7.0,Intergraph的TIGRIS,SYSTEM 9,FACET系统等。

    然而，面向对象的GIS仍存在一些有待进一步研究的问题。

2、真三维GIS和时空GIS

    GIS处理的是在地球三维空间上连续分布的空间数据。然而，目前绝大多数的GIS采用二维或2.5维来表示现实三维现象，通常将三维分量Z值当做一个属性值，如DEM数据，这对于许多地学分析是非常不便的，甚至难以进行。例如，地质构造研究中的断层处，在一固定位置会有不同的高程值，因而不能用二维或2.5维表示，而真三维数据结构能真正表示这种地质结构。近年来，计算机技术特别是计算机图形学的发展，使得显示和描述三维实体的几何特征和属性特征成为可能，因此真三维数据结构的研究，真三维GIS的应用成为GIS发展的一个热点。(真三维GIS主要研究方向)

    地理信息除具有空间特性外，还具有明显的时序特征，即动态变化特征。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，描述和研究空间对象的时序特征在问题求解过程中起着十分重要的作用。由于受器件的限制和一些技术原因，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。近几年提出的空间实时数据模型也仅能处理空间二维和时间一维，不能完全表示和分析不断变化的三维世界，因而需要开发时空四维GIS。实现时空复合操作，将空间分析问题进一步拓展为时空分析范畴，已成为新一代GIS的重要研究课题。(时空GIS主要研究内容)    

3、GIS应用模型的发展

    GIS强大的生命力在于与各种实际应用的结合。然而，通用GIS的数据管理、查询和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。根据某种应用目标或任务要求，从相应专业或学科出发，对客观世界进行深入分析研究，并借助GIS技术的支持，建立GIS应用模型，是GIS解决实际问题的能力、效率及产生社会经济效益的关键所在，因此日益受到重视。

   为用户提供建立专业应用模型的二次开发工具和环境是目前大多数GIS软件解决GIS建模问题的一般方法，如ARC/INFO提供的二次开发的宏语言AML。这种方法的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。最好的方式是GIS本身能支持建立专业应用模型，这种GIS又称为地理信息建模系统(Geographic Information Modelling System，简称GIMS)，它能支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，GIMS是目前GIS研究的热点问题之一，目前的GIS对用户定义自己的专用模型的支持程度都是不够的，离支持实现数据集定义、模型定义、模型生成和模型检验的全过程仍有相当大的距离。(通用GIS空间分析与各专业模型的主要途径)

4、Internet与GIS的结合

    近年来，Internet技术的迅速发展与普及应用为GIS发展提供了新的机遇，它改变了地理信息的获取、传输、发布、共享、应用和可视化等过程和方式，Internet已成为GIS新的操作平台。Internet与GIS的结合即Internet GIS，利用Internet在Web上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询、制作专题图和分析的功能，已经成为GIS发展的必然趋势。

    Internet GIS的信息处理模式由传统的集中式转向客户服务器模式，客户机处理GIS应用软件，服务器负责存储和管理GIS空间数据库，并响应客户机对GIS应用功能的服务请求。由于Internet GIS分布式管理与互操作的要求，Internet GIS又有组件式GIS和Open GIS两个研究热点，但目前Internet GIS仍然存在着诸多不足。

5、GIS与专家系统、神经网络的结合

    专家系统研究的是利用计算机模拟人类专家的推理思维过程，系统根据知识库中的知识，对输入的原始事实进行复杂推理，并作出判断和决策，从而起到人类专家的作用。

    GIS经过近40年的发展已逐渐趋于成熟，但它的应用还主要停留在空间数据库的建立与管理、空间实体查询、空间叠置分析、缓冲区分析以及成果输出上，由于缺乏知识处理和进行启发式推理的能力，其决策支持功能仍很弱，还无法解决多层次、多因素、非线性变化的复杂地学问题。解决这类问题是一项具有一定创造性的过程，需要大量的人为经验和专家知识。因此，将GIS和专家系统相结合，发展智能GIS或专家GIS，是解决复杂地学问题的重要途径。目前，这方面的研究受到广泛的重视并取得一些令人鼓舞的成果。

6、GIS与虚拟现实技术的结合

    虚拟现实(Virtual Reality)是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图像、声音和触摸感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。

    将虚拟现实技术引入GIS将使GIS更具吸引力，采用虚拟现实中的可视化技术，在三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，GIS用户在客观世界的虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。因此，开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。

    随着虚拟技术的发展和虚拟现实硬件价格的降低，使得开发成本低廉的虚拟现实软件包成为可能，如用户可通过Virtual GIS软件在三维环境中观察和分析GIS数据。Koller D等开发的一个实时三维GIS可使用户在编辑、分析复杂的地形数据库时产生一种临境感。

    当前，GIS发展的动态除以上几点外，GIS与GPS、RS的进一步集成，GIS与CAD的集成，并行处理技术在GIS中的应用等都是GIS研究和发展的热点。GIS的这些发展并不是孤立的，而是相互影响，相互促进的，其目的都是为了让GIS能更好地为人类管理和保护赖以生存的地球服务。

【文中词汇解释】

纷纷成立的有关GIS的组织和机构

    1967，成立美国城市和区域信息系统协会（URISA）。

    1968，国际地理联合会（IGU）成立了地理数据采集与处理委员会（CGDSP）

    1969，成立美国信息系统全国协会（NASIS）。

     这些组织相继举行了一系列GIS的国际研讨会，对GIS技术的发展和传播起到了重要的指导作用。

图形和属性分开管理的数据模型的弱点

    1)不利于空间数据的整体管理，以保证数据的一致性；

    2)GIS的开放性和互操作性受限制；

    3)数据共享和并行处理无保证。

面向对象的GIS有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)对象的独立性与颗粒度问题；

    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。

真三维GIS主要研究方向

    主要包括：

    1)三维数据结构的研究，包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；

    2)三维数据的生成和管理；

    3)地理数据的三维显示，包括三维数据的空间操作和分析，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。

时空GIS主要研究内容

    时空GIS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。

    目前较常用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。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的研究。

    另外，人们也在研究一种存储和表示四维目标的四维数据模型，Cheng Tao等运用面向对象技术开发出一种面向对象空间实时模型用于处理四维GIS数据。

通用GIS空间分析与各专业模型的主要途径

    实现通用GIS空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有三种途径：

    1)松散耦合式，也称为外部空间模型法。这种方法基本上将GIS当做一个空间数据库看待，在GIS环境外部借助其他软件或计算机高级语言建立专用模型，其与GIS之间采用数据通讯的方式联系。

    2)嵌入式，也称为内部空间模型法。即在GIS中借助GIS的通用功能来实现应用领域的专用分析模型。

    3)混合型空间模型法，是前两种方法的结合，即尽可能利用GIS提供的功能，最大限度地减少用户自行开发的工作量和难度，又保持外部空间模型法的灵活性。

Internet GIS的两个研究热点

    1)组件式GIS，即将已有的巨型GIS分解为若干可互操作的自我管理、相互独立的组件，包括数据管理组件、空间查询组件、数据获取组件、专题制图组件和显示组件等。它们建立在分布式的对象结构基础之上，应用了最新的分布式技术如OMG的CORBA,Microsoft的OLE/COM以及SUN的Java技术。这些组件具有与平台和操作系统无关性，GIS应用的开发者可以利用这些组件快速地组装GIS应用软件。

    组件式GIS有效地减少了网络传输的负担，实现了获取和管理多数据源数据，提供了分析地图特征和查询、空间分析、专题制图等功能，并方便用户二次开发。

    2)Open GIS，即开放式地理信息系统，是为了使不同的GIS软件之间具有良好的互操作性，以及在异构数据库中实现信息共享的途径。

    由于Internet GIS用于发布分布式地理信息和处理与分析工具，使得Internet GIS必须使用已有的多种数据源和各种地理信息分析处理功能，即Internet GIS面临地理信息的互操作性问题，因此，从数据的观点看，Open GIS是未来Internet GIS技术发展的必然趋势。

    由用户和开发商组成的联盟——开放地理信息联合会(Open GIS Consortium,OGC)已经成立，并研究制定了开放地理数据交互操作规程(Open Geodata Interoperability Specification,OGIS)。OGIS规范为开放系统地学处理奠定了基础，使得GIS、遥感以及其他地学处理学科从专有的不兼容的数据格式和特定处理功能走向统一的网络数据空间和软件组件。然而，OGIS只是对Open GIS定义了抽象的互操作规程，具体如何实现将是21世纪GIS发展的任务。

目前Internet GIS存在的不足

    目前Internet GIS仍然存在着诸多不足，主要表现在：

    1)支持单一数据源而非多数据源的获取，因而不能满足日益增长的信息交互与Open GIS规范的需求；

    2)数据集中而非分布式存放与管理，不利于信息的共享与更新；

    3)缺乏统一的管理机制以实现大量分布式空间信息相互间的有机联系；

    4)缺乏丰富的空间信息表现手法以及与网络资源特别是借助浏览器表达的能力；

    5)空间信息获取控制以及客户与服务器端安全体系的建立不够完善。

    商品化的WebGIS还处于初级阶段，提供的查询和分析功能还不能满足专业应用的需要，但它的出现已开始改变GIS传统的数据输出和地图发布的方式，为地理信息的高度社会化共享提供了可能。

智能GIS的一些成果

    1)Gennert M.A.开发的原型网络专家GIS用于土地资源管理，该系统由GIS完成位置分析工作，由基于规则知识库的专家系统来评价，GIS与专家系统相结合，互为补充，组成专家GIS。

    2)Sarasus、Wayne A.等讨论了智能GIS用于铁路与高速公路交叉口的安全管理与分析问题。

    3)Lam David等建立了用于环境管理决策的GIS决策支持系统。此外还有专家GIS在地下水管理、地质勘探、地学分析和军事指挥等领域的应用研究。

智能GIS的一些成果

    1)Gennert M.A.开发的原型网络专家GIS用于土地资源管理，该系统由GIS完成位置分析工作，由基于规则知识库的专家系统来评价，GIS与专家系统相结合，互为补充，组成专家GIS。

    2)Sarasus、Wayne A.等讨论了智能GIS用于铁路与高速公路交叉口的安全管理与分析问题。

    3)Lam David等建立了用于环境管理决策的GIS决策支持系统。此外还有专家GIS在地下水管理、地质勘探、地学分析和军事指挥等领域的应用研究。