地理信息系統的基本技術與發(fā)展動態(tài)
摘 要 從結構功能上分析了地理信息系統的概念及主要研究內容，并且對當前地理信息系統研究中的幾個熱點研究領域，如面向對象技術、三維技術、圖象處理和人工智能技術等作了簡要介紹. 關鍵詞 地理信息系統，計算機系統，空間數據庫. 以計算機為核心的信息處理系統技術是二次世界大戰(zhàn)后科技革命的主要標志之一.在信息的諸多類型中與空間相關的信息是十分重要的一類.人類生存的地球這個三維空間中的萬物無不與空間位置相關，如何利用計算機處理空間相關信息是地理信息系統(geographic information system，簡稱GIS)產生和發(fā)展的原動力.GIS技術在國防、城市規(guī)劃、交通運輸、環(huán)境監(jiān)測和保護等與國民經濟乃至國家命脈相關的重要領域的成功應用，極大地推動了社會生產力的發(fā)展，同時，也極大地刺激了GIS技術的迅速發(fā)展，使之成為世界各國激烈競爭的高科技熱點之一［1］.國家科委將其列入九五重中之重科技攻關項目.MAPGIS，VIEWGIS，CITYSTAR，GEOSTAR等一批優(yōu)秀國產GIS軟件已經開始在許多領域得到廣泛應用，成為國內GIS市場一支不可忽視的力量. 本文將側重從GIS技術的角度討論GIS的定義、研究內容及研究動態(tài). 1.GIS的定義和研究內容 1.1 GIS的定義 GIS是計算機科學、地理學、測量學、地圖學等多門學科綜合的技術.要給出GIS的準確定義是困難的，因為GIS涉及的面太廣，站在不同的角度，給出的定義就不同.通�？梢詮�4種不同的途徑來定義GIS［2］.(1)面向功能的定義.GIS是采集、存儲、檢查、操作、分析和顯示地理數據的系統.(2)面向應用的定義.這種方式根據GIS應用領域的不同，將GIS分為各類應用系統，例如土地信息系統、城市信息系統、規(guī)劃信息系統、空間決策支持系統等.(3)工具箱定義方式.GIS是一組用來采集、存儲、查詢、變換和顯示空間數據的工具的集合.這種定義強調GIS提供的用于處理地理數據的工具.(4)基于數據庫的定義.GIS是這樣一類數據庫系統，它的數據有空間次序，并且提供一個對數據進行操作的操作集合，用來回答對數據庫中空間實體的查詢. 我們認為，雖然GIS是一門多學科綜合的邊緣學科，但其核心是計算機科學，基本技術是數據庫、地圖可視化及空間分析(見圖1)；因此，可以這樣定義：GIS是處理地理數據的輸入、輸出、管理、查詢、分析和輔助決策的計算機系統. 雖然GIS使用了地圖、可視化、數據庫等技術，但與CAD系統、計算機地圖系統、數據庫系統等均有很大的區(qū)別. CAD系統提供交互式的圖形處理功能，以輔助象建筑、VLSI等人造對象的設計，其主要特點是設計者與計算機模型的交互.目前許多CAD開始支持對象的非圖形性質，而GIS處理的數據大多來自現實世界，較之CAD的人造對象更為復雜，數據量更大.另外，CAD中的拓撲關系較為簡單.更重要的是，GIS強調對空間數據的分析，CAD這方面的功能要弱得多. 計算機地圖系統側重于數據查詢、分類及自動符號化，具有輔助設計地圖和產生高質量矢量形式的輸出機制.它強調數據顯示而不是數據分析，地理數據往往缺少拓撲關系；另外，它與數據庫的聯系通常是一些簡單的查詢. 數據庫系統是各種類型信息系統的核心.通用數據庫側重非圖形數據的優(yōu)化存儲與查詢，其圖形查詢與顯示功能極為有限，其數據分析功能也很有限.然而，數據庫的一些基本技術，如數據模型、數據存儲、數據檢索等，都在GIS中廣泛采用，成為GIS的核心技術. 由此可見，GIS已經形成了一個獨立的、具有鮮明特色的研究領域.GIS的研究內容很廣泛，下面我們從輸入、存儲、操作和分析、輸出4個方面來討論GIS的研究內容. 1.2 GIS的研究內容 (1)輸入.地理數據如何有效地輸入到GIS中是一項瑣碎、費時、代價昂貴的任務，大多數的地理數據是從低質地圖輸入GIS.常用的方法是數字化和掃描.數字化的主要問題是低效率和高代價；掃描輸入則面臨另一個問題，掃描得到的柵格數據如何變換成GIS數據庫通常要求的點、線、面、拓撲關系屬性等形式.就這一領域目前的研究進展而言，全自動的智能地圖識別短期內沒有實現的可能；因而，交互式的地圖識別是矢量化方法的一種較為現實的途徑.市場上已有多種交互式矢量化軟件出售. 目前GIS的輸入正在越來越多地借助非地圖形式，遙感就是其中的一種形式.遙感數據已經成為GIS的重要數據來源.與地圖數據不同的是，遙感數據輸入到GIS較為容易，但如果通過對遙感圖象的解釋來采集和編譯地理信息則是一件較為困難的事情；因此，GIS中開始大量融入圖象處理技術，許多成熟的GIS產品，如MAPGIS中都具有功能齊全的圖象處理子系統. 地理數據采集的另一項主要進展是GPS技術.GPS可以準確、快速地定位在地球表面的任何地點，因而，除了作為原始地理信息的來源外，GPS在飛行器跟蹤、緊急事件處理、環(huán)境和資源監(jiān)測、管理等方面有著很大的潛力. (2)存儲.GIS中的數據分為柵格數據和矢量數據兩大類，如何在計算機中有效存儲和管理這兩類數據是GIS的基本問題.在計算機高速發(fā)展的今天，盡管微機的硬盤容量已達到GB級，但計算機的存儲器對靈活、高效地處理地圖這類對象仍是不夠的.GIS的數據存儲卻有其獨特之處.大多數的GIS系統中采用了分層技術，即根據地圖的某些特征，把它分成若干層，整張地圖是所有層疊加的結果.在與用戶的交換過程中只處理涉及到的層，而不是整幅地圖，因而能夠對用戶的要求作出快速反應. 地理數據存儲是GIS中最低層和最基本的技術，它直接影響到其他高層功能的實現效率，從而影響整個GIS的性能.基于微機平臺的MAPGIS能夠快速、高效地處理多達上萬幅的海量地圖庫，這不僅在國產GIS軟件中處于領先地位，即使與國外同類產品相比仍是其中佼佼者，這與MAPGIS較好地解決了地理數據的存儲問題密切相關. (3)地理數據的操作和分析.GIS中對數據的操作提供了對地理數據有效管理的手段.對圖形數據(點、線、面)和屬性數據的增加、刪除、修改等基本操作大多可借鑒CAD和通用數據庫中的成熟技術；有所不同的是GIS中圖形數據與屬性數據緊密結合在一起，形成對地物的描述，對其中一類數據的操作勢必影響到與之相關的另一類數據，因而操作帶來的數據一致性和操作效率問題是GIS數據操作的主要問題. 地理數據的分析功能，即空間分析，是GIS得以廣泛應用的重要原因之一.通過GIS提供的空間分析功能，用戶可以從已知的地理數據中得出隱含的重要結論，這對于許多應用領域是至關重要的. GIS的空間分析分為兩大類：矢量數據空間分析和柵格數據空間分析.矢量數據空間分析通常包括：空間數據查詢和屬性分析，多邊形的重新分類、邊界消除與合并，點線、點與多邊形、線與多邊形、多邊形與多邊形的疊加，緩沖區(qū)分析，網絡分析，面運算，目標集統計分析.柵格數據空間分析功能通常包括：記錄分析、疊加分析、濾波分析、擴展領域操作、區(qū)域操作、統計分析. (4)輸出.將用戶查詢的結果或是數據分析的結果以合適的形式輸出是GIS問題求解過程的最后一道工序.輸出形式通常有兩種：在計算機屏幕上顯示或通過繪圖儀輸出.對于一些對輸出精度要求較高的應用領域，高質量的輸出功能對GIS是必不可少的.這方面的技術主要包括：數據校正、編輯、圖形整飾、誤差消除、坐標變換、出版印刷等. 2 地理信息系統的發(fā)展動態(tài) 近年來地理信息系統技術發(fā)展迅速，其主要的原動力來自日益廣泛的應用領域對地理信息系統不斷提高的要求.另一方面，計算機科學的飛速發(fā)展為地理信息系統提供了先進的工具和手段，許多計算機領域的新技術，如面向對象技術、三維技術、圖象處理和人工智能技術都可直接應用到地理信息系統中［3］.下面我們對當前地理信息系統研究中的幾個熱點研究領域作一介紹. 2.1 GIS中面向對象(object oriented)技術研究 面向對象方法為人們在計算機上直接描述物理世界提供了一條適合于人類思維模式的方法，面向對象的技術在GIS中的應用，即面向對象的GIS，已成為GIS的發(fā)展方向.這是因為空間信息較之傳統數據庫處理的一維信息更為復雜、瑣碎，面向對象的方法為描述復雜的空間信息提供了一條直觀、結構清晰、組織有序的方法，因而倍受重視［4］.圖2展示了面向對象的GIS的一般結構. 面向對象的GIS較之傳統GIS有下列優(yōu)點：(1)所有的地物以對象形式封裝，而不是以復雜的關系形式存儲，使系統組織結構良好、清晰；(2)以對象為基礎，消除了分層的概念；(3)面向對象的分類結構和組裝結構使GIS可以直接定義和處理復雜的 地物類型；(4)根據面向對象late_binding(后編譯）的思想，用戶可以在現有抽象數據類型和空間操作箱上定義自己所需的數據類型和空間操作方法，增強系統的開發(fā)性和可擴充性；(5)基于icon的面向對象的用戶界面，便于用戶操作和使用. Smallworld GIS是目前面向對象GIS中最為典型的代表.一些傳統的.GIS也開始部分采用面向對象的技術，如ARC/INFO 7.0,Intergraph的TIGRIS,SYSTEM 9,FACET系統等. 面向對象的GIS也存在一些尚待進一步研究的問題：(1)大對象的操作仍受硬件條件的限制；(2)對象的獨立性與顆粒度問題；(3)矢量和柵格數據統一的、支持動態(tài)拓撲結構和復合對象表示的面向對象的數據結構問題. 2.2 時空系統(spatio_temporal system) 傳統的地理信息系統只考慮地物的空間特性，忽略了其時間特性.在許多應用領域中，如環(huán)境監(jiān)測、地震救援、天氣預報等，空間對象是隨時間變化的，而這種動態(tài)變化的規(guī)律在求解過程中起著十分重要的作用.過去GIS忽略時態(tài)主要是受器件的限制，也有技術方面的原因.近年來，對GIS中時態(tài)特性的研究變得十分活躍，即所謂“時空系統”［5］. 地物除了具有三維空間中的空間性質外，如何刻畫時間維的變化也十分重要.通常把GIS的時間維分成處理時間維(transaction time dimension)和有效時間維(valid time dimension).處理時間又稱數據庫時間或系統時間，它指在GIS中處理發(fā)生的時間.有效時間亦稱事件時間或實際時間，它指在實際應用領域事件出現的時間. 根據處理時間和有效時間的劃分，可以把時空系統分為4類：靜態(tài)時空系統(static ST system)、歷史時態(tài)系統(historical ST system)、回溯時態(tài)系統(rollback ST system)和雙時態(tài)系統(bitemporal ST system). (1)靜態(tài)時空系統.它既不支持處理時間，也不支持有效時間，系統只保留應用領域的一種狀態(tài)，比如當前狀態(tài).(2)歷史時態(tài)系統.它只支持有效時間，這種系統適用于事件實際發(fā)生的歷史對問題求解十分重要的應用領域.(3)回溯時態(tài)系統.它只支持處理時間，這種系統適用于信息系統的歷史對問題求解十分重要的應用領域.(4)雙時態(tài)系統.它同時支持處理時間和有效時間.處理時間記錄了信息系統的歷史，有效時間記錄了事件發(fā)生的歷史. 時空系統主要研究時空模型，時空數據的表示、存儲、操作、查詢和時空分析.目前比較流行的作法是在現有數據模型基礎上擴充，如在關系模型的元組中加入時間，在對象模型中引入時間屬性.在這種擴充的基礎上如何解決從表示到分析的一系列問題仍有待進一步研究. 2.3 地理信息建模系統(geographic information modelling system，簡稱GIMS) 通用GIS的空間分析功能對于大多數的應用問題是遠遠不夠的，因為這些領域都有自己獨特的專用模型，目前通用的GIS大多通過提供進行二次開發(fā)的工具和環(huán)境來解決這一問題.如ARC/INFO提供的進行二次開發(fā)的宏語言AML.二次開發(fā)工具的一個主要問題是它對于普通用戶而言過于困難.而GIS成功應用于專門領域的關鍵在于支持建立該領域特有的空間分析模型.GIS應當支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗的環(huán)境，支持與用戶交互式的基于GIS的分析、建模和決策.這種GIS系統又稱為地理信息建模系統.GIMS是目前GIS研究的熱點問題之一. 目前實現通用GIS空間分析功能與各種領域專用模型的結合主要有兩種途徑.(1)松散耦合式.即除GIS外，借助其他軟件環(huán)境實現專用模型，其與GIS之間采用數據通訊的方式聯系.(2)嵌入式.即在GIS中借助GIS的通用功能來實現應用領域的專用分析模型.上述兩種方式總體上對用戶定義自己的專用模型的支持程度都是不夠的.目前的GIS離支持實現數據集定義、模型定義、模型生成和模型檢驗的全過程仍有相當大的距離. GIMS的研究有幾個值得注意的動向.(1)面向對象在GIS中的應用.面向對象技術用對象(實體屬性和操作的封裝)、對象類結構(分類和組裝結構)、對象間的通訊來描述客觀世界，為描述復雜的三維空間提供了一條結構化的途徑.這種技術本身就為模型的定義和表示提供了有效的手段，因而在面向對象GIS基礎上研究面向對象的模型定義、生成和檢驗，應當比在傳統GIS上用傳統方法要容易得多.(2)基于icon的用戶建模界面.建模過程中的對象和空間分析操作均以icon形式展示給用戶，用戶亦可自定義icon.用戶在對icon的定義、選擇和操作中完成模型的定義和檢驗.這種方法較之AML這類宏語言要方便和直觀得多.(3)GIS與其他的模型和知識庫的結合.這是許多應用領域面臨的一個非常實際的問題，即存在GIS之外的模型和知識庫如何與GIS耦合成一個有機整體. 2.4 三維GIS的研究 三維GIS是許多應用領域對GIS的基本要求.目前的GIS大多提供了一些較為簡單的三維顯示和操作功能，但這與真三維表示和分析還有很大差距.真正的三維GIS必須支持真三維的矢量和柵格數據模型及以此為基礎的三維空間數據庫，解決了三維空間操作和分析問題.主要研究的方向包括：(1)三維數據結構的研究，主要包括數據的有效存儲、數據狀態(tài)的表示和數據的可視化；(2)三維數據的生成和管理；(3)地理數據的三維顯示，主要包括三維數據的操作，表面處理，柵格圖象、全息圖象顯示，層次處理等. 3 結語 地理信息系統近年發(fā)展迅速，其內涵和外延正在不斷變化.最初的地理信息系統都是一些具體的應用系統，充其量只能稱之為一門技術.現在已發(fā)展成一個獨立的、充滿活力的新興學科，這已經為大家所公認. 地球信息科學從理論上講是解決地球信息問題，它的范圍包括從衛(wèi)星航空遙感或全球定位系統(GPS)接受信息，變換和校正后進入空間數據庫：數據庫中的地理信息可以方便地檢索、查詢，在此數據庫和相關知識庫的基礎上能夠定義和生成各種領域專用模型，如城市規(guī)劃模型、災害評價模型等；運用這些模型對地理數據進行有效分析，并把分析結果或是決策咨詢建議以直觀、清晰的形式輸出.這一范圍包括了計算機科學、地圖學、航測、遙感等多種學科的交叉. 總之，由于地理信息在人類生活和國民經濟中的重要作用，地理信息系統在未來的幾十年中將保持高速發(fā)展的勢頭，成為高科技領域的核心技術. 參考文獻 1 Coppock J T, Rhind D W. 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