中国计算机报GIS:打造一个数字世界

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 GIS:打造一个数字世界
陈友梅
在我们使用的各类信息中，至少有75%的信息与位置属性和空间定位有关。于是，GIS也就在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，目前已成为在操作系统、数据库管理系统之上的主要应用集成平台，并逐渐占据主流软件的地位。但与其它IT产业不同的是，GIS更强调数据，没有数据，GIS就无从谈起。其实，GIS数据生产过程本身就是一个庞大的产业，如何采集、获取和处理GIS数据？GIS厂商如何用GIS技术来打造一个数字化的世界？这是GIS厂商们当前所面临的问题。
国际篇
g.net倡导数据共享
g．net是一个着眼于GIS社会化、全球化的全新GIS体系结构，同时也是一个带有一定理想主义色彩的全球化GIS之梦，它为我们勾勒出一幅信息化社会中GIS发展和应用的美丽画卷。不久的将来，g．net将帮助我们搭建一个集自然、社会、生态、环境及人文等多种信息于一体的松散耦合而又有机集成的基于地理空间的信息框架，为人类的生存与发展创造一个更加和谐的空间。
g.net由全球最大的GIS（Geography Information System, 地理信息系统）厂商——美国ESRI公司在全球用户大会上正式提出的，并由ESRI的中国总代理——富融科技有限公司将这一理念带到了中国。何谓g.net？据富融科技总经理何宁先生介绍，“g”，是指“Geography”，即“地理”，g.net最突出的特征就是它将分布于世界任何一个角落以ESRI的ArcIMS(互联网地图服务器)构建的网上地理空间数据以及服务，通过Internet协议和XML标准以一种松散耦合的方式，动态地整合在一起，让人们可以自由自在地在这个“大网”上享受各种综合的GIS信息和服务。g.net的最终目标是使地理信息和服务全球化。
g.net目标：共享GIS数据
工作在Internet上，遵从Internet协议，以XML标准表达和共享地理空间数据，是g.net最为本质的技术特征。但g.net上所有的地理空间数据都必须（以免费或收费的方式进行）充分地共享。访问g.net的用户，出于任何一种与地理空间有关的需要，利用g.net上丰富的共享信息资源和应用服务来解决自己的问题。g.net不是一个单向的信息发布源，它除了发布地理空间信息以外，还提供让用户直接与系统交互的能力，满足用户与系统数据及服务互操作的需求。
g.net的终极目标是逐步建立起一个覆盖全球的、可以充分共享和交互的GIS虚拟世界。当然，这样的一个体系结构模式，是可以灵活伸缩的，小到一个机构或组织，其内部可以建立起按g.net模式工作的“缩微”的g.net。其上还可以充分满足机构和组织内部的各个部门和单位之间的基于地理空间的信息共享和服务。推而广之，在一个城市、一个地区、一个省、一个国家的范畴内，都可以相对独立地建立起各自的g.net框架。从其结构模式、使用方式和实现技术来看，它们无论规模大小，都具有一种“全息”的结构特征。由小及大，按照g.net的构成模式，可以基于XML标准，在Internet环境下灵活而松散地耦合到一起。
g.net基础：ArcGIS系列产品
主流IT技术的发展，为我们理想中的g.net模式的实现提供了可能。g.net所要涉及的技术层面十分宽广，像硬件、软件及软件工程、网络及通信，特别是Internet及其相关技术，都是g.net实现的基础。同时，这些技术本身也在日新月异地进步，有的甚至面临着重大的技术突破，这将对g.net和其相关的GIS技术的发展和应用起到巨大的推动作用。

ArcGIS支持g.net结构
g.net必须遵循开放路线并全面采用工业标准，它的实现需要有相应的产品支撑体系。ESRI是业界最早坚持走开放路线的GIS软件厂商之一，该公司的ArcGIS 8.1 ArcGIS系列产品（如图所示）已经初步具备了支撑g.net的条件：首先，开放了桌面平台数据结构（SHAPEFILE）；其次，提供了其空间数据库引擎ArcSDE的API接口；同时，在其产品中全面采用工业标准，并广泛遵守各种标准协议，如COM、UML、XML、SQL、TCP/IP等；此外，ESRI还与很多权威的标准化组织（如OGC、ISO、FGDC等）广泛合作，积极配合和参与有关标准的制定工作。
在上图中，ArcIMS是g.net的结点和访问门户。通过ArcIMS，用户可把数据中心和客户端应用进行有效的链接和管理，实现协同操作。ArcIMS提供用户在服务器端可选的影像方式或矢量数据流方式进行数据发布。客户端用户通过工业标准的通用浏览器即可对ArcIMS服务站点进行访问和交互操作，为g.net的实现打下了坚实的基础。
然而，g.net的全面实现还需要进一步强化空间数据的元数据管理和检索能力，加强基于Internet环境下GIS应用服务请求的响应能力。为此，ESRI继ArcGIS 8.1推出之后又加快了作为ArcIMS服务扩展的Metadata Server和ArcMap Server的开发步伐，前者将提供g.net环境中元数据的管理、发布和检索驱动服务，后者则将ArcMap强大的空间数据显示、编辑、分析和制图功能提供给ArcIMS。这将极大地提升ArcIMS的应用服务能力和整个g.net环境中的互操作性。
GIS新应用：嵌入式GIS
我们很难给嵌入式GIS下一个确切的定义，因为它是GIS与新兴嵌入式硬件相结合的一个产物，但却不是传统意义上的GIS，它是原有的GIS领域的分支与延伸、补充与发展。嵌入式GIS从一出现就与应用密切相关，从车载（个人）自导航到野外测绘都是嵌入式GIS面临的市场需求。因此，确切地说，嵌入式GIS是一个新兴的应用领域，它需要以下三个方面的支持：
硬件平台、多操作系统支持 由于嵌入式的操作系统（如：Palm OS、Windows CE、EPOC等）以及硬件平台多种多样，嵌入式GIS应能在多硬件平台、多操作系统上运行、开发。
GPS应用支持 GPS的应用已经很成熟，市场需求也很明显，与GPS相结合是嵌入式GIS研究的一个重要方向。
移动互联支持 移动通信一直与嵌入式密切相关，对移动互联的支持也是嵌入式GIS研究的另一个重要的方向。
针对不同的嵌入式操作系统，嵌入式GIS的发展各不相同。目前主流的嵌入式GIS应用主要包括以下三个方面。
第一，Palm OS主要面向低端市场，目前市场占有率第一，其特点是突出功能的实用。通常采用Palm OS的嵌入式设备的硬件配置都较低。由于Palm OS自身的局限性，其在图形处理上较弱，这就使得其上GIS产品在可视化上有很大的局限性。如：Magellan公司的Map Companion软件，它把城市地图分成了更小的区域，最小的地图数据单位占用的空间通常只有几K 到十几K，总体上满足了大多数用户的需求。
第二，Windows CE主要面向中高端市场，沿袭了微软Windows产品的风格，功能十分强大，尤其在多媒体处理方面更是绝对领先于其他嵌入式操作系统，在其上的GIS软件产品能轻松地实现各种地理信息服务。这一方面的软件代表有：灵图软件公司的“天行者”和北京超图的eSuperMap。
第三，EPOC是面向无线通信中的高端市场，主要应用是智能电话，从功能上讲也就是移动电话与PDA的结合，EPOC的通信功能十分强大。这一方面代表的软件为“天行者”，它在EPOC操作系统上除实现了地图浏览、查询等功能外，还实现了最佳路径分析、用户标注、发送标注、并能与基站定位服务器相连实现移动电话定位等功能。
不难看出，随着移动信息终端的发展，嵌入式GIS将与定位信息服务（Location Based Services）融合在一起，将成为今后GIS主要的发展方向。（陈鹏）
我们很难给嵌入式GIS下一个确切的定义，因为它是GIS与新兴嵌入式硬件相结合的一个产物，但却不是传统意义上的GIS，它是原有的GIS领域的分支与延伸、补充与发展。嵌入式GIS从一出现就与应用密切相关，从车载（个人）自导航到野外测绘都是嵌入式GIS面临的市场需求。因此，确切地说，嵌入式GIS是一个新兴的应用领域，它需要以下三个方面的支持：
硬件平台、多操作系统支持 由于嵌入式的操作系统（如：Palm OS、Windows CE、EPOC等）以及硬件平台多种多样，嵌入式GIS应能在多硬件平台、多操作系统上运行、开发。
GPS应用支持 GPS的应用已经很成熟，市场需求也很明显，与GPS相结合是嵌入式GIS研究的一个重要方向。
移动互联支持 移动通信一直与嵌入式密切相关，对移动互联的支持也是嵌入式GIS研究的另一个重要的方向。
针对不同的嵌入式操作系统，嵌入式GIS的发展各不相同。目前主流的嵌入式GIS应用主要包括以下三个方面。
第一，Palm OS主要面向低端市场，目前市场占有率第一，其特点是突出功能的实用。通常采用Palm OS的嵌入式设备的硬件配置都较低。由于Palm OS自身的局限性，其在图形处理上较弱，这就使得其上GIS产品在可视化上有很大的局限性。如：Magellan公司的Map Companion软件，它把城市地图分成了更小的区域，最小的地图数据单位占用的空间通常只有几K 到十几K，总体上满足了大多数用户的需求。
第二，Windows CE主要面向中高端市场，沿袭了微软Windows产品的风格，功能十分强大，尤其在多媒体处理方面更是绝对领先于其他嵌入式操作系统，在其上的GIS软件产品能轻松地实现各种地理信息服务。这一方面的软件代表有：灵图软件公司的“天行者”和北京超图的eSuperMap。
第三，EPOC是面向无线通信中的高端市场，主要应用是智能电话，从功能上讲也就是移动电话与PDA的结合，EPOC的通信功能十分强大。这一方面代表的软件为“天行者”，它在EPOC操作系统上除实现了地图浏览、查询等功能外，还实现了最佳路径分析、用户标注、发送标注、并能与基站定位服务器相连实现移动电话定位等功能。
不难看出，随着移动信息终端的发展，嵌入式GIS将与定位信息服务（Location Based Services）融合在一起，将成为今后GIS主要的发展方向。（陈鹏）
国内篇
第四代GIS以数据为中心
在我国，国产GIS软件已占领三成以上的GIS市场，这足以说明我国的GIS产业已经初步形成。GIS软件从无到有，以至今天的普及应用，它已经经历了三个阶段，单从技术角度来看，目前仍然存在着不少问题。第四代GIS软件理论和技术必须有一个大的变革，即应该具备支持数字地球（区域、城市）的能力，并实现由以系统为中心向以数据为中心的重大转变。
对于ESRI倡导的g.net结构，国内GIS用户是如何看待的呢？他们将持哪种态度？记者采访了国家遥感中心专家委员会副主任方裕教授。方教授认为，g.net只是ESRI为全球GIS用户所描绘的未来GIS社会的美好蓝图，这是GIS发展的趋势所在。从GIS产业的角度来看，尽管我国的GIS厂商大多属于中、小企业，缺乏像ESRI、EDS、Autodesk等这样有实力的公司。为此，国家将投入大量资金来扶植这些企业，使他们快速发展起来。但从技术角度对比来看，我国GIS技术的研究与国际水平相当，基本处于第三代水平，市场上已经涌现出了很多高水平的GIS软件，如：MapGIS、GeoStar、SuperMap和MapEngine等，目前正在朝着第四代GIS方向发展。
第四代GIS软件应该具备支持数字地球（区域、城市）的能力，成为OS、DBMS之上的主要应用集成平台。它要实现四种转变：由二维处理向多维处理的转变；由面向地图处理向面向客观空间实体及其时空关系处理的转变；由以系统为中心向以数据为中心，实现空间数据共享与服务的转变；由管理型向分析决策型的转变。
技术特点
面向空间实体的数据组织与融合 第四代GIS改变以图层为基础的组织方式，实现直接面向空间实体的数据组织；实现不同尺度空间数据的互动和矢量、影像数据的互动；实现多维属性与嵌套表组织；实现多源空间数据的装载与融合，支持数据仓库机制；强大的索引机制。
统一的海量存储、查询和分析处理 第四代GIS支持TB级以上的空间数据存储；有效的空间、属性一体化管理、查询机制；面向问题的分析、处理手段和工具；以空间数据为基础的数据挖掘；联机事务处理(OLTP)与联机分析处理(OLAP)；扩充的、支持空间的“关系”概念与“关系运算”。
有效的分布式空间数据管理和计算 第四代GIS具有多用户同步空间数据操作与处理机制；数据、服务代理和多级B/S体系结构；异种GIS系统互连与互操作；空间数据分布式存储与数据安全；空间数据高效压缩与解压缩。
一定的三维和时序处理能力 空间数据的增量存储与快速还原能力；时空数据处理与分析机制；混合式三维空间数据模型；快速广域三维计算和显示； 数据空间化。
强大的应用集成能力 有效的遥感、地理信息系统、全球定位系统集成；强大的应用模型支持能力；GIS与MIS、特别是ERP的有机集成；GIS与OA的有机集成；GIS与CAD的有机集成；GIS与DCS的有机集成；有一定实时能力、微型化、嵌入式GIS与各类设备的集成。
灵活的操纵和虚拟现实能力 多通道用户界面；数据空间化与可视化支持；一定的虚拟现实表达；模型定义语言及其支持机制。
体系结构
第四代GIS软件的核心部分是空间、属性数据的组织、管理、操纵、分析、表达以及与其它应用软件的集成接口（包括应用模型定义接口）。为了适应分布式处理和互操作的要求，还需要有大量的空间数据处理中间件，制定一系列的数据、服务传输协议。而空间数据的采集、加工与分析结果的制图输出等功能可以作为外围部件，与核心部分配套。
其中，空间数据模型与组织是第四代GIS软件的关键，体现了新一代GIS的设计策略和实现方法学；空间数据元数据与服务规范、空间数据计算与传输中间件是系统的两大支柱，保证了GIS软件的开放性和标准化。它们集中体现了第四代GIS技术上的创新与跨越。
实现策略
方裕强调，第四代GIS软件的研究与开发是我国在这一领域攀登世界高峰的重要举措，具有重要的科学意义和巨大的应用前景。这项工作必须取得国家的支持和鼓励，在国家科技计划的统一安排和指导下，动员全国的力量，坚持科技创新和跨越式发展，加强学科交叉，走产业化的道路，有计划、有步骤地进行。
方裕最后指出，完整的第四代GIS软件的实现既涉及理论、方法的研究与创新，需要构建一个新的理论体系，又需要有许多关键实现技术的突破，还需要工程化的软件实现，从而形成新的技术体系和新的产品，具有很高的难度，决不是可以一蹴而就的事情。因此，要抓住空间数据模型与组织这个关键，实施重点突破的方针，逐步完善各项机制，用渐进的方式实现第四代GIS软件的最终目标。
前三代GIS：只适用于地图处理
GIS是一类获取、处理、分析、表示并在不同系统、不同地点和不同用户之间传输数字化空间数据的计算机应用系统。自从1960年加拿大测量学家Roger F Tomlinson提出“要把地图变成数字形式的地图，便于计算机处理与分析”的观点以来，GIS技术通过近40年的发展，尽管已经实现了三次跳跃（详见表），就目前GIS软件的应用现状来看，仍然存在着不少问题，如：以图层为处理的基础，处理能力、尤其大范围、跨图幅区域灵活处理能力较弱；二维的空间数据组织与管理，限制了应用范围；静态、单时相空间数据组织与管理，限制了分析决策事务的实现；基本上以系统为中心，不同系统之间壁垒比较分明，数据共享与服务共享困难等等。究其原因，主要因为目前GIS软件仍然是Tomlinson型，基本上只适用于地图处理，由于许多关键技术尚未突破，目前IT领域中许多行之有效的处理机制与实现技术还没有在GIS软件中得到充分体现。
尽管地图一直是我们认识空间世界的一种主要且有效的工具，但确实存在着许多固有的缺陷。GIS为我们提供了全新的管理、使用空间信息的手段。随着人类获取数字化空间数据的手段和能力的不断提高，地图作为空间数据进入GIS系统的主渠道作用将会越来越弱，最终将回归到作为GIS处理、分析结果的表现形式之一。因此，我们需要的不仅仅是将地图存入计算机，而是要将地球（哪怕是一部分）存入计算机，以空间位置为框架集成各类信息。新一代GIS软件理论和技术必须有一个大的变革，才能适应需要。
前三代gis技术对比
第一代
第二代
第三代
时间
20世纪60年代中期到80年代的中后期
20世纪80年代末到90年代中期
20世纪90年代中期开始至今
主要特征
是gis软件从无到有、从原型到产品的阶段。由于条件的限制，这一阶段的gis软件存在许多不足。
由于网络技术已经成熟并广泛应用，gis软件成熟和应用快速发展的时期，但仍然没有发生根本的变化。
gis应用已逐渐渗透到人类生活的各个方面，开始具备作为应用集成平台的能力。
处理方式
以图层作为处理的基础，各类查询与计算只能在同一图层中进行。
以图层作为处理基础，可进行数据查询，但仍限制在同一图层之内。
以图层为处理的基础，商用dbms相继实现了对空间数据的管理，但仍不够完善。
系统集成
以系统为中心，不同的gis系统基本上没有联系。与其它的软件工具不存在集成关系。
以系统为中心，属性数据利用商用dbms来管理，与其它系统的集成能力略有增强，但仍然比较弱。
以系统为中心，属性数据利用商用dbms来管理，与其它系统的集成能力略有增强，但仍然比较弱。
操作模式
单机、单用户，无法实现分时操作模式。
多机、多用户，gis软件也转向c/s结构，但仍是“胖client”类型。
多机、多用户。
二次开发
全封闭结构，支持二次开发能力非常弱。
支持二次开发的能力有所增强，但灵活性仍受限。胖client”类型。
支持二次开发的能力较强。
实现技术
在主要实现技术上，以文件系统来管理空间数据与属性数据。
以商用dbms管理属性数据，但空间数据仍用文件系统管理。
开始向以数据为中心的方向过渡，实现一体化存储和初步的一体化查询。
应用领域
基本上集中在资源与环境领域的管理类应用。?
开始有较大范围的扩展，但基本上是管理类应用。
应用领域迅速扩大，应用深度不断提高，开始具有初步的分析决策能力。