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GIS 技术的发展现状和趋势

GIS 技术的发展现状和趋势. 成都理工大学 苗放 2004 年. GIS 发展与学科的关系. 地理信息系统技术是一门综合性的技术，它的发展是与以下学科的发展分不开的： 地理学 地图学 摄影测量学 遥感技术 数学和统计科学 信息技术. GIS 发展的四个阶段. 初始发展阶段， 20 世纪 60 年代 世界上第一个 GIS 系统由加拿大测量学家 R. F. Tomlison 提出并建立，主要用于自然资源的管理和规划 发展巩固阶段， 20 世纪 70 年代

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GIS 技术的发展现状和趋势

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  1. GIS技术的发展现状和趋势 成都理工大学 苗放 2004年

  2. GIS发展与学科的关系 • 地理信息系统技术是一门综合性的技术，它的发展是与以下学科的发展分不开的： • 地理学 • 地图学 • 摄影测量学 • 遥感技术 • 数学和统计科学 • 信息技术 成都理工大学

  3. GIS发展的四个阶段 • 初始发展阶段，20世纪60年代 • 世界上第一个GIS系统由加拿大测量学家 R. F. Tomlison提出并建立，主要用于自然资源的管理和规划 • 发展巩固阶段，20世纪70年代 • 由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了GIS朝实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷付诸研制，如美国、英国、德国、瑞典和日本等国对GIS的研究都投入了大量的人力、物力和财力 成都理工大学

  4. GIS发展的四个阶段 • 推广应用阶段，20世纪80年代 • GIS逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题，这个阶段涌现出一大批GIS软件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，MicroStation等 • 蓬勃发展阶段，20世纪90年代 • 随着地理信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各业，成为人们生活、学习和工作不可缺少的工具和助手 成都理工大学

  5. 我国GIS发展的三个阶段 • 从1970年到1980年，为准备阶段 • 主要经历了提出倡议、组建队伍、培训人才、组织个别实验研究等阶段 • 机械制图和遥感应用，为GIS的研制和应用做了技术和理论上的准备 成都理工大学

  6. 我国GIS发展的三个阶段 • 从1981年到1985年，为起步阶段 • 完成了技术引进、数据规范和标准的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节，对GIS进行了理论探索和区域性的实验研究 成都理工大学

  7. 我国GIS发展的三个阶段 • 从1986年到现在，为初步发展阶段 • 我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室 • GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实际应用效益 成都理工大学

  8. 我国GIS发展所表现的四个方面 • 制定了国家地理信息系统规范，解决信息共享和系统兼容问题，为全国地理信息系统的建立做准备 • 应用型GIS发展迅速 • 应用面从传统的城市规划、土地利用、测绘、环境保护、电力、电信、减灾防灾等领域渗透到矿产资源调查、海洋资源调查与管理等各方面，取得了丰硕的成果和巨大的经济效益 • 当前，国家有关部门正逐步将GIS嵌入到电子政务系统中 成都理工大学

  9. 我国GIS发展所表现的四个方面 • 在引进的基础上扩充和研制了一批软件 • 在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下，国产GIS基础软件开发工作取得了重要进展，出现了一批GIS高技术企业，开发出了较为成熟的国产GIS软件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的产业规模 • 这些国产GIS软件以较高的性价比，打破了国外GIS软件对我国市场的垄断，有力促进了我国地理信息系统技术的发展 • 开始出版有关地理信息系统理论、技术和应用等方面的书籍，设立了地理信息系统专业，培养了大批人才，并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的讨论和实验 成都理工大学

  10. GIS发展方向 • GIS系统正朝着专业或大型化、社会化方向不断发展着 • 大型化——体现在系统和数据规模两个方面 • 社会化——要求GIS要面向整个社会，满足社会各界对有关地理信息的需求 • 简言之就是“开放数据”、“简化操作”，“面向服务” • 通过网络实现从数据乃至系统之间的完全共享和互动 成都理工大学

  11. GIS相关技术及其发展趋势 • 空间信息的获取、处理与交换 • 空间数据的管理 • GIS软件体系结构与应用系统开发 • 空间信息的共享和互操作 • 空间信息的网络发布与服务 • 其他 成都理工大学

  12. 空间信息的获取、处理与交换 • 地理空间数据是GIS的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量巨大的工程，它包括以下一些过程： • 数据的获取 • 校验和规范化 • 结构化处理 • 数据维护 • 空间数据具有很强的时效性，不同的空间数据必须进行周期不等的数据更新维护 • 空间数据库中数据的准确、及时、完整是实现GIS应用系统价值的前提基础 • 空间数据维护往往涉及跨部门、跨行业的多种数据格式和多种数据类型的大量数据，提供有效的空间数据编辑更新手段是当前亟待解决的一个重要课题 成都理工大学

  13. 获取数据 • 获取数据的基本方式有： • 野外全站仪平板测量 • GPS测量 • 室内地图扫描数字化 • 数字摄影测量 • 从遥感影像进行目标测量 • 数据转换等 成都理工大学

  14. 我国数据建设情况 • 在过去的二十年间，国家有关部委和行业部门已经积累了大量原始数字化数据和相应资料： • 建立了1100多个大、中型数据库 • 大量的各类数字化地理基础图、专题图、城市地籍图 • 完成了全国1:100万、 1:25万基础地理空间数据库 • 完成了全国七大江河数字地形模型的建设 • 启动了全国l:5万，部分省份1:1万基础地理空间数据库的建设 • 这些基础数据有力促进了GIS技术的广泛应用，进而产生了大量的GIS数据 成都理工大学

  15. 数据的规范化和标准化 • 由于地理信息系统软件大多采用不同的空间数据模型，以及它们在地理实体上的认识差异，使得所积累的数据难以转换和共享（即使能够数据转换，也会产生信息的丢失），从而形成一个个新的数据孤岛 • 制订数据交换的格式标准已成为大家的共识 • 目前一些国家和组织已经在进行这方面的工作，并定义了一些数据交换标准，如SDTS，OpenGIS联盟制订的GML，另外一些公认的数据格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐渐成为数据交换的事实标准 • 我国也在“九五”期间制定了地球空间数据转换标准 • 但由于目前人们对空间信息认识和研究成果的制约，还没有一个统一的地理数据模型，因此建立实用的数据交换格式和信息标准将是一个长期、复杂过程 成都理工大学

  16. GIS相关技术及其发展趋势 • 空间信息的获取、处理与交换 • 空间数据的管理 • GIS软件体系结构与应用系统开发 • 空间信息的共享和互操作 • 空间信息的网络发布与服务 • 其他 成都理工大学

  17. 空间数据的管理 • 牵涉到两个方面： • 空间数据模型 • 空间数据库 成都理工大学

  18. 空间数据模型 • 空间数据模型刻画了现实世界中空间实体及其相互间的联系，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供了基本的方法 • 空间数据模型的研究对设计空间数据库和发展新一代GIS系统起着举足轻重的作用 • 目前在GIS基础软件平台的研制和应用系统的设计开发中一直沿用的与空间信息有关的信息模型 • 基于对象(要素, Feature)的模型 • 场(Field)模型 • 网络(Network)模型 成都理工大学

  19. 空间数据模型 • 这三种空间数据模型在以下几方面具有局限性： • 仅能表达空间点、线、面目标间极为有限的简单拓扑关系，且这些拓扑关系的生成与维护耗时费力 • 难以有效地表达现实三维空间实体及其相互关系 • 适于记录和表达某一时刻空间实体性状及相互间关系静态分布，难以有效地描述和表达空间实体及其相互间关系的时空变化 • 没有考虑异地、异构、异质空间数据的互操作和分布式对象处理等问题 成都理工大学

  20. 新的GIS空间数据模型研究 • 时空数据模型 • 三维数据模型 • 分布式空间数据管理 • GIS设计的CASE工具等 成都理工大学

  21. GIS的空间数据管理方式 • 基于文件系统的方式 • 直接采用文件系统来存储和管理空间数据，系统结构简单，便于操作，但提供的功能非常有限 • 适合小型GIS系统，难以满足当前GIS对空间数据管理的需求 • 基于文件系统与数据库的混合组织管理方式 • 基于传统的关系数据库系统来存储地理空间对象的属性数据，而以文件方式来存储空间数据 • 目前大多数桌面GIS系统均采用此种方式 • 对于特定文件格式GIS数据的处理效率较高 • 但在数据的一致性维护、并发控制以及海量空间数据的存储管理等方面能力较弱 成都理工大学

  22. GIS的空间数据管理方式 • 扩展关系数据库的组织管理方式 • 将空间数据和属性数据都存储于关系型数据库中，通过在关系型数据库之上建立一层空间数据库功能扩展模块（通常被称为空间数据引擎）来实现对空间数据的组织管理 • 目前主流的GIS软件如国外的ArcGIS、GeoMedia，国内的MapGIS、GeoStar、SuperMap等，都采用这种方式同时管理图形和属性数据 • 可以利用成熟的关系型数据库技术来方便地实现GIS数据的一致性维护、并发控制、属性数据的索引等 • 数据库本身并不直接支持对空间对象的操作和管理，而是通过空间数据引擎来实现 成都理工大学

  23. GIS的空间数据管理方式 • 基于空间数据库的组织管理方式 • 基于空间数据模型，直接构建用来存储和管理空间数据和属性数据的空间数据库系统来管理数据 • 它包含结合几何和属性信息的框架，提供并支持空间数据的类型、查询语言和接口、高效的空间索引和空间联合等 • 空间数据库直接支持空间对象的存储和管理，为空间数据提供了高效的查询和检索机制，是目前GIS数据管理技术研究的热点 成都理工大学

  24. GIS的空间数据管理方式 • 基于空间数据库的组织管理方式 • 目前空间数据库的实现主要有两种方式： • 面向对象数据库方式 • 将对象的空间数据和非空间数据以及操作封装在一起，由对象数据库统一管理，并支持对象的嵌套、信息的继承和聚集 • 这是一种非常适合空间数据管理的方式 • 但目前该技术尚不成熟，特别是查询优化较为困难 • 对象关系型数据库方式 • 是目前空间数据库的主要技术，它综合了关系数据库和面向对象数据库的优点，能够直接支持复杂对象的存储和管理 • GIS软件直接在对象关系数据库中定义空间数据类型、空间操作、空间索引等，可方便地完成空间数据管理的多用户并发、安全、一致性/完整性、事务管理、数据库恢复、空间数据无缝管理等操作 • 采用对象关系型数据库实现对GIS数据的管理是实现空间数据库的一种较为理想的方式 成都理工大学

  25. GIS的空间数据管理方式 • 基于空间数据库的组织管理方式 • 当前，一些数据库厂商都推出了空间数据管理的专用模块，尽管其功能有待进一步完善，但已给GIS软件开发带来了极大的方便，如： • IBM Informix 的 Spatial DataBlade Module • IBM DB2 的 Spatial Extender • Oracle 的 Oracle Spatial等 成都理工大学

  26. 空间数据库 • 在传统的空间数据管理模式中，由于文件系统管理海量数据的能力较弱，因此在空间数据的组织上，在水平方向上采用图幅的方式，在垂直方向上采用图层的方式 • 这种组织方式主要存在以下不足： • 需要进行图幅的拼接，效率较低 • 一个空间对象可能存储在多个图层上，造成数据的冗余和难于维护数据的一致性 成都理工大学

  27. 空间数据库 • 采用空间数据库的方式可以在数据库中直接存储整个地图，能方便地实现空间对象的查询和抽取 • 当前一些GIS系统中已经开始使用要素类来实现对空间对象的组织，如ArcGIS的GeoDatabase等，这种方式按照实体类来组织空间对象，符合空间对象管理的本质 • 一个空间对象可以被多个图层或视图引用，机制较为灵活，解决了传统方式中的空间对象的一致性问题 成都理工大学

  28. 空间数据库 • 空间数据库的另二个重要部分是空间索引和空间查询语言 • 空间索引 • 由于空间对象是二维或更高维的数据对象，因此当前数据库所使用的一维B树、B+树并不适合空间对象的索引 • 空间索引有多种方式，其数据管理的效率和检索速度各不相同 • 在空间数据库中一般使用两步查询机制，首先使用索引查询出候选对象集，然后再采用精确的几何计算，在候选对象集中求出精确解 • 当前一些数据库的空间扩展模块中就使用这种模式，并分别提供了四叉树或R树索引 成都理工大学

  29. 空间数据库 • 空间数据库的另二个重要部分是空间索引和空间查询语言 • 空间查询语言 • 提供空间查询语言是空间数据库的一个重要特征，当前的空间数据库中一般使用关系数据中的“select-from-where”模式来构建查询，通过扩充SQL语言，使其支持空间对象类型、空间关系和空间操作 • 特别是SQL3 多媒体规范(SQL3/MM)中的Spatial 部分和OpenGIS for SQL实现规范都定义了一系列的空间数据类型、空间关系和空间操作，为空间查询语言的设计和开发提供了一个框架 成都理工大学

  30. GIS相关技术及其发展趋势 • 空间信息的获取、处理与交换 • 空间数据的管理 • GIS软件体系结构与应用系统开发 • 空间信息的共享和互操作 • 空间信息的网络发布与服务 • 其他 成都理工大学

  31. GIS软件体系结构与应用系统开发 • GIS软件的体系结构与新技术 • 组件技术 • 中间件技术 • 分布对象技术 成都理工大学

  32. 组件技术 • 组件是建立在面向对象开发之上的： • 为用户提供多个接口，接口封装了组件提供的服务，隐藏了实现细节的可见性 • 组件表示一个或多个较细粒度类的逻辑集合，封装了一系列的服务，因此组件提供了更高级别的重用性，从而极大提高了应用系统的开发效率 成都理工大学

  33. 组件技术 • 组件式GIS是面向对象技术和组件式软件在GIS软件开发中的应用，为新一代GIS应用提供了全新的开发工具 • GIS组件封装了一系列空间信息处理相关的操作，并向用户提供了标准的接口 • 用户可以使用通用的程序开发语言，通过接口调用GIS组件中相应的空间操作功能，实现GIS应用系统的开发 成都理工大学

  34. 组件技术 • 组件GIS特点： • 易于实现与其他信息系统的无缝集成 • 跨语言使用 • 易于推广、成本低、扩展性强 • 开发效率高 成都理工大学

  35. 组件技术 • 目前存在着多种组件技术标准 • OMG的CORBA • Microsoft的COM/DCOM • JAVA的Beans 成都理工大学

  36. 组件技术 • 商用的组件式GIS产品主要基于Microsoft的COM/DCOM • Intergraph的GeoMedia • ESRI的MapObjects • MapInfo的MapX • MapEngine • SuperMap 成都理工大学

  37. 中间件技术 • 中间件是位于操作系统和应用软件之间的通用服务，它的主要作用是用来屏蔽网络硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异构性，支持应用软件开发和运行的系统软件，使应用软件相对独立于计算机硬件和操作系统平台，为大型分布式应用搭起了一个标准的平台，以实现大型应用软件系统的集成 • 中间件具有标准的程序接口和协议，可以实现不同硬件和操作系统平台上的数据共享和应用互操作 成都理工大学

  38. 中间件技术 • 中间件是一个用API定义的分布式软件管理框架，具有强大的通信能力和良好的可扩展性 • 例如：ESRI的空间数据库引擎SDE可以看作是地理信息的一个中间件，它屏蔽了底层不同空间数据库以及不同空间数据格式的差异，为用户提供了统一的操作和管理空间信息的接口 • 采用中间件技术，为异构环境下的GIS应用的开发提供了一个解决方案，对当前GIS重大行业应用系统的开发具有重要的意义 成都理工大学

  39. 分布式对象技术 • 是当今分布计算技术的主流方向，它能在分布式环境下跨平台、跨语言地实现分布式计算，并使得用户在使用对象时可以访问网络上任意有用的对象而不必知道该对象所处的位置 • 采用分布式对象技术开发GIS应用符合地理信息分布的特点，客户可以透明地访问远程的GIS组件服务 成都理工大学

  40. 分布式对象技术 • 这种方式适合于空间信息服务的实现，可用于解决在分布式环境下的地理信息的互操作(包括数据和功能两方面 • 基于对象的分布式计算的代表性技术是OMG的CORBA、Microsoft的DCOM和Java的J2EE • 为满足分布协同工作的应用需求，人工智能领域中的Agent技术被引入到分布式计算环境中，对基于Client/Server结构的传统分布式系统产生了极大的冲击，分布式系统正朝着分散对等的协同计算的理想模式发展 成都理工大学

  41. 分布式对象技术 • 注意到Agent的自主性、交互性、反应性和主动性等特征极大简化了分布协同问题的复杂性，因此将Agent技术引入GIS领域，将极大降低分布式地理信息系统的复杂性和建设难度，并有效地解决网络地理空间信息服务功能以及GIS应用领域中的协作问题，同时也可以改善分布式地理信息系统的服务能力和服务效率 • 研究Agent技术与GIS的集成，是GIS技术发展的又一个重要研究方向 成都理工大学

  42. GIS相关技术及其发展趋势 • 空间信息的获取、处理与交换 • 空间数据的管理 • GIS软件体系结构与应用系统开发 • 空间信息的共享和互操作 • 空间信息的网络发布与服务 • 其他 成都理工大学

  43. 空间信息的共享和互操作 • 信息共享已经成为现代信息社会发展的一个重要标志，而地理信息系统互操作的产生则是信息共享的必然产物，地理信息系统的互操作将成为21世纪地理信息系统研究领域的一个重要组成部分 • 互操作性强调将具有不同数据结构和数据格式的软件系统集成在一起共同工作 成都理工大学

  44. 空间信息的共享和互操作 • 地理信息系统互操作在不同的情况下具有不同的侧重点： • 强调软件功能块之间相互调用的时候就称为软件的互操作 • 强调数据集之间相互透明地访问的时候则称为数据的互操作 • 强调信息的共享，在一定语义约束下的互操作则称为语义的互操作等 • 一般地，地理信息系统互操作是指不同应用(包括软件硬件)之间能够动态实时地相互调用，并在不同数据集之间有一个稳定的接口 成都理工大学

  45. 空间信息的共享和互操作 • 在国际上，空间信息系统互操作研究经历了从数据互操作到中间件、分布式对象和服务，再到应用系统乃至高层的信息群互操作的发展历程 • 主要的互操作方式有以下几种： • 直接转换方式 • 采用公共交换格式方式 • 公共访问接口方式 • 这些方式都需要对数据的具体格式有详细了解 • 随着数据格式越来越复杂，运用面向对象的方法来解决互操作问题逐渐成为新的研究方向 成都理工大学

  46. 空间信息的共享和互操作 • 访问接口是指系统对外界环境和其他系统所提供的访问其内部数据的操作接口 • 该接口可以通过请求/应答方式来接受或者提供数据，因此互操作的程度可通过接口功能的大小来体现，而与数据的内部结构无关 • 数据提供者通常会随着数据提供相应的API，数据使用者可以通过这些API来访问系统内部的数据 成都理工大学

  47. 空间信息的共享和互操作 • API能够将数据结构的复杂性或者操作的复杂性掩藏起来，并且能够通过编程将这些API与数据服务器结合在一起，形成一个功能更加强大的数据服务器来响应外界的数据服务请求 • 为了减少API对具体应用环境的依赖，用户、数据提供者和系统开发者迫切需要建立一个在业界广泛而通用的接口，这个需求和思路导致了OGC的产生 成都理工大学

  48. 空间信息的共享和互操作 • OGC通过制定OpenGIS规范的方式来建立广泛的接口 • OpenGIS规范是一个关于对地理数据和地理处理资源进行分布式访问的软件框架规范，它为所有的软件开发者提供了一个详细的公共准则，以便开发的软件能够达到对地理数据和地理处理资源进行互操作的目的 成都理工大学

  49. 空间信息的共享和互操作 • OpenGIS规范的任务是指导开发者开发与OpenGIS规范一致的中间件、组件和具有处理各种类型地理数据的应用件，使系统用户能共享巨大网络数据空间上的数据 • OpenGIS规范直接涉及访问和使用不同类型的地理数据，它包括三个基本方面： • 获得在各种平台之间的连接 • 获得对地理数据和对地理数据处理的服务 • 获得对地理数据的正确理解 成都理工大学

  50. GIS相关技术及其发展趋势 • 空间信息的获取、处理与交换 • 空间数据的管理 • GIS软件体系结构与应用系统开发 • 空间信息的共享和互操作 • 空间信息的网络发布与服务 • 其他 成都理工大学

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