浅谈GIS的发展历程与趋势

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　　摘要:从GIS的定义与特点等方面描述了GIS的基本概念，通过回顾GIS的国内外发展历程，对GIS技术的今后发展进行了展望，同时也提出了GIS应用发展所面临的问题。
　　关键词GIS网络Web GIS历程趋势
　　1 GIS的概念
　　(1)GIS的定义
　　GIS即地理信息系统，是在计算机硬、软件系统支持下，对现实世界(资源与环境)各类空间数据及描述这些空间数据特性的属性进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，它作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科而迅速地兴起和发展起来。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。
　　(2)GIS的特点
　　为了满足GIS对地球表面、空中和地下若干要素空间分布和相互关系的研究，GIS必须具备以下基本特点。
　　①公共的地理定位基础
　　所有的地理要素，要按经纬度或者特有的坐标系统进行严格的空间定位,才能使具有时序性、多维性、区域性特征的空间要素进行复合和分解，将隐含其中的信息变为显示表达，形成空间和时间上连续分布的综合信息基础,支持空间问题的处理与决策。
　　②标准化和数字化
　　将多信息源的空间数据和统计数据进行分级、分类、规格化和标准化，使其适应于计算机输入和输出的要求，便于进行社会经济和自然资源、环境要素之间的对比和相关分析。
　　③多维结构
　　在二维空间编码基础上，实现多专题的第三维信息结构的组合，并按时间序列延续，从而使它具有信息存贮、更新和转换能力，为决策部门提供实时显示和多层次分析的方便。这显然是常规二维或二维半的地形图所不具备的。
　　④具有丰富的信息
　　GIS数据库中不仅包含丰富的地理信息，还包含与地理信息有关的其它信息，如人口分布、环境污染、区域经济情况、交通情况等。纽约市曾经对其数据库进行了调查，发现有80%以上的信息为地理信息或与地理信息有关。
　　(3)GIS与其它系统的区别
　　GIS有别于DBMS(数据库管理系统)。GIS具有以某种选定的方式对空间数据进行解释和判断的能力，而不是简单的数据管理，这种能力使用户能得到关于数据的知识，GIS是能对空间数据进行分析的DBMS,GIS必须包含DBMS。
　　GIS有别于MIS(管理信息系统)。GIS要对图形数据和属性数据库共同管理、分析和应用。MIS则只有属性数据库的管理，即使存贮了图形，也是以文件形式管理，图形要素不能分解、查询，没有拓扑关系。管理地图和地理信息的MIS不一定就是GIS,MIS在概念上更接近DBMS。
　　GIS有别于地图数据库。地图数据库仅仅是将数字地图有组织地存放起来，不注重分析和查询，不可能去综合图形数据和属性数据进行深层次的空间分析和提供辅助决策的信息，它只是GIS的一个数据源。
　　GIS有别于CAD系统。二者虽然都有参考系统，都能描述图形，但CAD系统只处理规则的几何图形，属性库功能弱，更缺乏分析和判断能力。
　　(4)GIS的应用
　　GIS是一门以应用为目的的信息产业，其应用可以深入到各行各业、千家万户，形成诸如资源与环境GIS,灾害监测与防治GIS,农林牧副渔GIS,工商经营管理GIS,国民经济运营、交通管理和规划GIS,城市管理、运行和规划GIS,工矿生产管理GIS及各部门办公GIS等。据调查统计，美国有84%的联邦政府机构在办公室中正在使用和将要使用GIS技术，有7万个以上的地方和州政府部门使用GIS技术。是否具备和使用先进的城市地理信息系统,已成为衡量一个城市管理水平和投资环境的重要标志。在我国，沙市、常州、海口、深圳、北京、上海、天津、厦门等城市已建立具有一定规模的城市信息系统，一些GIS技术开发公司在一些城市的大街上设置了旅游线路查询信息系统，并己成为市政建设的一个内容。
　　进入90年代，随着GIS产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及,GIS将逐渐成为信息产业的主流。
　　2 GIS发展历程
　　(1)GIS的产生
　　国外不少人认为，19世纪以来普遍应用的地图和专题图就是一种模拟式的地理信息系统。照此定义，我国地理信息系统的产生可追溯到宋代的地理图碑，它刻绘了山脉、长江、黄河、长城以及全国各级行政机构，是宋代的中国地图。
　　到本世纪50年代，随着电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量学与地图制图学中的应用以及政府部门对土地利用规划与资源管理的要求，使人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮、处理各种与空间和地理分布有关的图形和有属性的数据，并通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务，这才导致了现代意义上的地理信息系统的问世。
　　1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统(LIS)用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息这一术语，并于1971年建立了世界上第一个GIS――加拿大地理信息系统(CGIS),用于自然资源的管理和规划。稍后，美国哈佛大学研究出SYMAP系统软件。由于当时计算机水平的限制，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极为简单。与此同时，国外许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立。例如，美国1966年成立了城市和区域信息系统协会(URISA),1969年又建立起州信息系统全国协会(NASIS):国际地理联合会(IGU)于1968年设立了地理数据收集和处理委员会(CGDSP)。这些组织和机构的建立为传播GIS知识、发展GIS技术起了重要的推动作用。
　　(2)GIS的发展
　　进入本世纪70年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，促使GIS朝着实用方向迅速发展，一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和地理信息系统。例如，从1970年至1976年，美国地质调查局就建成50多个GIS,加拿大、联邦德国、瑞典和日本等国也相继发展了自己的GIS。与此同时，一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎，许多大学和研究机构开始重视GIS软件设计及应用的研究。
　　80年代，由于计算机行业推出了图形工作站和PC机等性能价格比大为提高的新一代计算机，为GIS普及和推广应用提供了硬件基础。GIS软件的研制和开发也取得了很大成绩，涌现出一些有代表性的GIS软件，如Arc/Info、Genamap、MGE、Cicad、System9等。GIS的普及和推广应用又使得其理论研究不断完善，使GIS理论、方法和技术趋于成熟，开始有效地解决全球性的难题，例如全球沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象、酸雨、核扩散及核废料等问题。
　　我国GIS的起步较晚，到70年代末才提出开展GIS研究的倡议。进入80年代后迅速发展，在理论探索、规范探讨、实验技术、软件开发、系统建立、人才培养和区域性试验等方面都取得了突破和进展。一些有远见的地方政府也开始投资建立本地的G1S,在GIS应用日益活跃的今天，诸如沙市这样名不见经传的中小城市，由于GIS起步早而誉冠全国。80年代末，武汉测绘科技大学在摄影测量与遥感专业的基础上建立了信息工程专业，使我国GIS基本人才的培养纳入了正轨。1994年4月，我国专门成立了“中国GIS协会”,此后又成立了“中国GIS技术应用协会”,加强了国内各种GIS学术交流，研制推出了Geostar、Citystar、MapGIS等具有自主版权的GIS软件。

　　3 GIS的发展趋势
　　GIS正朝着一个可运行的、分布式的、开放的、网络化的全球GIS发展。
　　(1)GIS与其它学科结合更加紧密，应用更加广泛3S(地理信息系统GIS、遥感RS、全球定位系统GPS)或5S(前面3S加上数字摄影测量系统DPS、专家系统ES)的集成，使得测绘、遥感、制图、地理、管理和决策科学相互融合，成为快速而实时的空间信息分析和决策支持工具，使GIS广泛用于交通、环保规划、公安侦破、车船自动驾驶、大田农作物因地施肥、科学耕种和海上捕鱼等。不管是在3S还是5S的集成概念中，“3”和“5”己不是一个确切的数字概念，它们是泛指多个系统。3S和5S强调的是“l+l>2”,有了这个观念，我们就可以将GIS与其它可以结合的任何学科进行集成研究，输出方式更直观，以满足人们生产、生活的各种需求，使人们可以合理利用资源、保护环境，实现人类可持续性发展。事实上，GIS己涉及到社会科学、自然科学的许多领域，因此，我们还可以得出这样的结论，GIS必将发展成为集社会科学、自然科学于一体的全球性、综合性巨型软科学。
　　(2)基于因特网的WebGIS是下阶段GIS发展的一个主流
　　从GIS发展的历程来看，GIS每一次大的发展都与计算机发展水平有关,今后仍将是这样。如今计算机网络的兴起和迅速发展，信息高速公路的建设，为GIS的新发展铺设了通行无阻的金光大道。由于地理信息和大量的空间数据都是以文字、数字、图形和影像方式表示的，将它们数字化，送入电子计算机，便可方便、快速和及时地将地理信息传送到需要的地方去，以发挥地理信息在国民经济建设、国防建设和文化教育等行业中的应用价值。而GIS工作者则需研制一个万维网上的GIS和GIS浏览器(即视窗GIS),使亿万网民随时根据需要来查询GIS。
　　(3)空间数据基础设施建设
　　“数字地球”一词已在世界广为提及，但很多人并不理 解它的真正含义,仅仅把它理解成全球各零散的数字信息在因特网上的流通。按照美国副总统戈尔在阐述“数字地球”概念时所举的例子不难理解，它实际上就是一个GIS。要实现地球数字化必须有数据基础，数字地球的基础是空间数据基础设施。空间数据基础设施建设包括空间数据服务体系、空间数据交换网站、数字地球空间数据框架和空间数据标准体系的建立。要在今后做到“秀才不出门，便知天下事”,做到网上“逛商场”,空间数据基础设施建设必须要搞好。
　　(4)组件式GIS的研究
　　建立一个小型的GIS己不是一两个人所能完成的，数字地球的建立更是一个极为庞大的工程，需要全世界各地的人们参与。因此，把庞大的GIS软件系统分解成可按应用需要组装成“定做系统”的GIS “元件”,怎样将这些GIS“元件”通过标准的系统环境(如OLE和OpenDOC)与其它非GIS的“元件”嵌接，有效地实现系统合成，自然就成了GIS的研究方向。一旦实现了这一步，全世界的人都可以参与GIS的建设，完善数据库，建立丰富的元件库，用户可根据需要拼装调用。这种组件式的GIS的各元件或数据应该是分布式的存贮，通过分布式对象管理系统进行管理。
　　(5)与多媒体技术的结合
　　多媒体技术正在进入GIS中，以改善GIS的数据采集、数据处理以及成果表达与输出的效能，发挥声、像等多媒体的应用。目前，图形图像的立体显示己成功地融入数字摄影测量系统(DPS)中，DPS与GIS的集成和多媒体技术的应用将把我们感兴趣的东西变成一个虚拟实体，我们可以通过GIS的输出系统用视觉、听觉、触觉、嗅觉等来感知它。
　　4 GIS面临的问题
　　(1)认识问题
　　国家和地方政府对GIS建设的基础投资太少，没有从战略上提出一个GIS发展构想，没有把GIS建设提到一个应有的高度。而在美国，信息高速公路、数字地球却是总统、副总统提出，并以政府文件形式下达。科索沃战争给我们一个警示，必须高度重视GIS的作用。
　　（2)人才问题
　　GIS产业对人才不仅有一个量的要求，还要有一个质的要求，这种人才不仅要有过硬的专业知识，还要有广博的知识面，不仅要懂得自然科学知识,还要懂得相当的社会科学、软科学知识。政府部门要拥有高素质的GIS人才,才能有效地利用GIS进行管理和决策。
　　(3)数据质量问题
　　影响GIS数据质量的因素千头万绪，名目繁多，存在许多不确定性，导致数据质量不好控制，给建库带来很多不便。进入数据库的数据质量过高,则是浪费;反之，质量偏低，则达不到要求，可能造成严重的后果，把握适度质量有一定难度。
　　(4)安全问题
　　特别是基于因特网的GIS,要非常注意数据的保密性。而GIS中庞大的数据要逐一核实其对外发布是否符合国家安全是一件很困难的事，一旦出了问题，可能造成严重后果。
　　(5)网络通讯建设不同步
　　低带宽的网络通讯是制约GIS普及应用的一个瓶颈。另外，网络产品的质量和价格将影响 GIS的网上应用，更重要的是由于电信垄断使得网络服务质量跟不上，上网费用过高，严重影响了网络通信的发展。
　　

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