第26卷第3期2003年6月现　代　测　绘Modern Surveying and MappingVol.26,No.3J un.2003 GIS的应用及研究热点探讨Ξ刘　春1,2,刘大杰1(1同济大学测量与国土信息工程系,上海200092;2同济大学海洋科学博士后流动站,上海200092)摘　要　地理信息系统(GIS)随着信息技术的发展,更加趋于多元化和多学科的交叉发展,本文从GIS应用发展开始,列举与GIS融合的其它信息技术,分析了GIS基础理论和技术研究的热点问题,通过这些问题可以展望未来GIS的进展。

关键词　地理信息系统　计算机系统　信息融合中图分类号:P208 文献标识码:A 文章编号:1672-4097(2003)03-0007-041　GIS与相关信息技术的结合GIS是一门综合性技术,它已经与其他技术互相融合。

GIS应用需要利用和集成其他技术,同时,其它信息技术的应用也需要GIS。

GIS与其他技术的融合见表1。

表1　GIS与几种信息技术结合GIS2CAD CAD是一种计算机辅助制图和设计技术,主要用以设计空间位置,表达空间关系;而GIS是一门空间综合管理技术,既可以管理空间位置,又可以管理空间对应的属性信息,并具有很好的对应关系。

GIS2遥感遥感技术是GIS的重要组成部分,它的发展为GIS数据快速更新提供了一个有效的办法,当前In2 SAR的发展更是GIS数据采集的革命。

同时,GIS应用的发展也提高了遥感的数据提取和分析能力。

随着高精度遥感的发展和遥感动态网络的出现,GIS与遥感的结合会更加密切。

GIS2GPS GPS被认为是21世纪影响人类社会12大技术之一,然而GPS如与GIS结合,才能普及它的应用,而不只是停留在大地测量领域,如智能化交通(ITS)中基于电子地图的汽车车内自主导行系统等,同时与GPS结合也提高了GIS动态分析的能力。

GIS2Internet技术基于Internet技术的GIS,即Web GIS已成为GIS发展的重要方向,可以利用Internet在Web上发布和出版空间数据,为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能,从而使GIS的应用更加灵活。

GIS2多媒体技术GIS也是一种重要的多媒体。

GIS与多媒体结合已经成为现实,在多媒体系统中嵌入GIS功能,或在GIS系统增加多媒体功能,能极大地增强GIS交互能力并加大GIS提供的信息量。

GIS2虚拟现实技术GIS与虚拟现实技术结合,提高了GIS图形显示的真实感和对图形的可操作性。

使用户能身临其地理环境中实现观察、触摸、操作和检测等。

2　GIS应用类型根据GIS所应用的领域不同可将其划分为:地籍信息系统(CIS)、基于影象的信息系统(IB IS)、土地信息系统(L IS)、自然资源管理信息系统(NR2 M IS)、市场分析信息系统(MA IS)、规划信息系统(PIS)、空间信息系统(SIS)、空间决策信息系统(SDIS)、城市信息系统(U IS)和交通运输地理信息系统(GIS2T)等。

尽管现存的地理信息系统软件很多,但对于它的应用,归纳概括起来有二种情况。

一是利用GIS 系统来加工和管理用户的数据;二是在GIS的基础上,利用它的二次开发技术开发用户专用的地理信息系统。

以下是一些具体的应用方式:2.1　地理信息系统作为空间数据库管理系统GIS目前采用野外数字测图、手工和扫描数字化、遥感与摄影测量等方式采用集空间数据,并有效地对这些数据进行数据库管理、更新、维护、进行快速查询检索,以多种方式输出决策所需的地理空间信息。

Ξ作者简介:刘春,男,博士,江苏海门人,1973年生。

主要研究方向为GIS空间数据的质量研究、基础理论和GIS应用系统的开发。

已于国内外刊物发表论文30余篇。

2.2　GIS在综合分析评价与模拟预测中的应用GIS可以综合分析现实世界各个侧面的思维评价结果,得到综合分析评价结果;也可以摸拟自然过程、决策和倾向的发展,对比不同决策方案的效果以及可能产生的后果,以作出最优决策,避免和预防不良后果的发生。

2.3　GIS的空间查询和空间分析功能的应用这种应用以原始图为输入,而查询和分析结果则是以原始图经过空间操作后生成的新图件来表示,在空间定位上仍与原始图一致。

因此,也可将其称为空间变换。

这种空间变换包括叠置分析、缓冲区分析、拓扑空间查询、空间集合分析(逻辑交运算、逻辑并运算、逻辑差运算)。

2.4　GIS在专题地图制图中的应用地理信息系统的发展是从地图制图开始的,因而GIS的主要功能之一是用于地图制图,建立地图数据库。

与传统手工制图方式相比,利用GIS建立起地图数据库,可以达到一次投入、多次产生的效果。

它不仅可以为用户输出全要素地形图,而且可以根据用户需要分层输出各种专题。

2.5　建立专题信息系统和区域信息系统专题信息系统如水资源管理信息系统、矿产资源信息系统、草场资源信息系统、水土流失信息系统和目前上海正在建立煤气管网GIS系统等等。

区域信息系统主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标,可以有不同的规模,其特点是数据种类多,功能齐全,通常具有较强的开放性。

2.6　GIS与遥感图像处理系统相结合的应用遥感数据是地理信息系统重要信息源,目前大多数GIS系统已嵌入图像处理功能,并把它作为一个子模块。

2.7　应用GIS系统提供的二次开发函数库或构件开发出具有特定功能的应用系统3　GIS主要基础理论及技术研究的热点进入21世纪以后,地理信息系统主要的基础理论和技术研究热点有了新的变化,代表了地理信息系统研究的新进展,主要归纳如下:3.1　稳定、快速的GIS数据采集和数据更新体系GIS数据的来源可以包括:野外数字化采集系统、地图扫描矢量化采集系统、局域和广域差分GPS数据采集系统、遥感数据采集和更新系统、数字摄影测量数据采集系统等。

对于每一种数据采集系统的研究都将设计许多具体内容,数据源采集和更新体系是GIS理论和技术研究的首要问题。

3.2　GIS空间数据的质量与不确定性分析数据和软件是GIS走向产业化的前提,同时GIS空间数据的质量直接影响GIS的分析和应用,影响了GIS的生存和发展。

当前GIS空间数据的精度分析与质量控制研究中,从手工数字化数据采集质量到扫描数字化数据质量、从矢量数据误差模型研究到影象数据分类和分析质量研究、从空间位置数据质量研究到空间属性数据质量研究、从数据误差传播分析到数据误差模型的可视化、从模拟数据不确定性分析到批量数字产品生产的质量控制和抽样检验等的变化可看出GIS数据质量不确定性研究的对象越来越广,内容越来越多。

3.3　3D地理信息系统(3D GIS)的研究在传统的二维(2D)GIS中,通常是将垂直方向的信息抽象成一个属性值,如D TM中的高程,然后进行空间操作和分析。

如果在垂直方向上的采样多于一个,如:资源勘探中在一个钻孔中的多个采样, 2D GIS则难以处理。

在这种场合下具有真三维(3D)处理和分析功能的GIS系统是必需的。

而所谓的3D GIS就是在二维GIS的基础上对具有三维地理参考坐标的地理信息输入、存储、编辑、查询、空间分析和模拟操作的计算机系统。

目前3D GIS的数据结构研究比较多。

基于体素的(Voxel2based)三维系统比较成熟,广泛用于石油勘探中;基于矢量数据的系统模型处于研究中,例如四面体或边界表示的矢量方法、八叉树与TIN的混合结构、八叉树与TEN的混合结构、面向对象的矢量与栅格一体化结构等。

目前3D GIS的数据模型研究有两个方向:第一是利用三维几何和CAD领域的可视化,构成3D GIS中交互式的模型和可视化功能;第二是开发3D GIS数据管理和空间分析功能,它从数据库方面进行考虑,这两个方面的结合以及迅速发展的虚拟现实技术将产生新的3D GIS数据模型。

3.4　GIS时空系统(spatio-temporal system)研究在许多应用领域中,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,而这种动态变化的规律在求解过程中起着十分重要的作用。

过去GIS忽略时态主要是受器件的限制,也有技术方面的原因。

近年来,对GIS中时态特性的研究变得十分活跃,即所谓“时空系统”。

根据处理时间和有效时间的划分,可以把时空系统分为4类:静态时空系统(static ST system)、历史时态系统(historical ST system)、回溯时态系统(rollback ST system)和双系统(bitemporal ST sys2 tem)。

时空系统主要研究时空模型,时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。

目前比较流行的8现　代　测　绘 第26卷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。

3.5　GIS空间数据查询语言的研究GIS数据描述的是空间信息,一般包括位置、属性和时间三个方面。

在GIS应用中,使用最广泛的是空间数据的查询,有时查询某一个图形,有时是查询空间图形之间的相互关系。

目前许多GIS软件提供的是常用的关系数据库结构化查询语言(SQL),而关系数据库结构化查询语言有其固有的缺陷,例如:不支持空间概念特别是空间关系、空间对象的查询结果不能用空间图形的方式有效地显示给用户以及不支持元数据查询、知识查询、定性查询和基于图形对象的查询等。

当前对空间查询语言的研究包括:(1)空间结构化查询语言(Spatial SQL)。

它是在关系型SQL上发展起来的,不仅能完成空间数据的查询,而且能表达查询结果。

其形式为:(空间数据库查询语言) SQL+(目标表示语言)GPL=Spatial SQL。

(2)可视化查询语言。

将查询语言的操作对象和过程及其空间关系等,用直观的图形或表格显示给用户,构成可视化查询语言。

(3)自然查询语言。

引入自然语言的概念,使查询语言的描述更接近自然语言,另外用模糊数学方法将模糊概念量化为确定的范围,实现具有能理解模糊概念的查询。

3.6　GIS空间数据共享和数据标准研究现有GIS软件与应用都有自己的数据格式和数据标准,不同GIS软件之间还不能直接读取和操纵其他GIS软件的数据,而必需经过数据转换。

所以在GIS的建设和发展中对空间数据共享和数据标准化问题迫切需要进行研究。

一方面国家和行业部门指定自己的外部交换数据标准,要求采用公共的数据格式,以解决不同GIS 软件之间空间数据的转换问题:另一方面指定空间数据相互操作协议(O GIS),指定一套大家能够接受的空间数据操作函数(API),软件开发商必须提供与这一API函数一致的驱动程序,这样不同的软件就可以操作对方的数据。

目前已有几个重要空间数据转换标准:DIGEST———数字地理信息交换标准(Digital G eographic Information Exchange Standard)由北大西洋公约组织NA TO的数字地理信息工程组D GI2 W G制定,可以处理栅格、矩阵和矢量数据的转换(含拓扑结构)。