地理信息系统目前与未来发展方向.pdf

?测绘科技情报总第?期地理信息系统目前与未来发展方 向?美?等提要虽然地理信息系统可促进各种不同的应用,但其缺陷仍妨碍 了其高效 率及有效的使用,尤其是复杂的空间问题。用户要求地理信息 系统易于使用、灵活、便利、快 速且价格低廉。地理信息系统作为决策支持系统在?一大领域的应用正日益增长,该趋势正在扩大和 延伸?在各 个应用领域的能力。为了提高地理信息系统 的能力,必须重新考虑通用?特征,且设计儿个新功能。本文综述了?的一般能力,研究了现有功能的扩张,推荐未来地理信息系统的新特征与功能。?导言?在广阔应用 领域分析、模型 化与决策支持方面的应 用正迅 速增长,诸如制图?例在工程测量?、监 测?例生态?、决策?例管理?与研究?例地 理科学?等应 用显著受益于?方 法、系统、工 具与程序设计。一个真正的?应该持久 地 包含各种数字地 理 空 间数据,给决策辅助提供专 门 的解析工具 与具体领域的 属性数据。?区别于其它信息、系统的 主要特 征是 具 有空间分析能力,能 够促进 环境各种数据类?地 理空间及其 它?混合用以分析、模拟与决策支持。现有地 理信息、系统 的调 查,利用某些?产 品所报告 的经历指 出,目前?适合用作建立称为 空间决策支持系统 空间 问题 解决环境 的 基础,未来的地理信息 系统 必须支持合作环境中的?。文 献 确定?为支 持 复 杂空 间 问题的 具体 决策 研 究 活 动而设 计 的 系 统?见?飞?二?飞?。进一步释其通用定义,一 个?是一个基于计算机的信息、系统,它能借助自动化决策帮助解决空 间相关问题。其数据库包 含 两类数据?空 间 和非空间。空 间 数据 组 成部分是 系统的中心,如它包括地球位置、高程与拓扑学。非空间数据组成常指 属 性或辅助 数据,补充空 间数据以处理 空 间查询且 解决空 间 问题。在一个?中,这两类数据能够提供和支持大范 围空 间问题的自动化决策。在 这方面,空间 问题意指其解法所需 的地理 空 间数据处理?所以,一个真正的?应该包 含 必 要 的工 具,存取各种数字 空间数 据以帮助不同环境 的决策。?的一个重要特征 就是 在处 理 查询与解决 问题 中融合不同数据类?地 理空间与其它?的能力。在解释了?是什么以及了解?目前 动 态之 后,可以看 出现存?目前并不支持?的所有 要求,但它们可作为建设高级?白勺工具。?只弘的一个逻辑增强就是联合空 间决策支持系统?的建立。?共享?黔的相同 目标,其能力可扩展到以一 种 联合方式解决空间问题。理想的?名?支持局部环境 中的用 户需求,当数据、程序或专业 知识在局部范 围并不充分时,系统也能够推荐和提供对必要数据与信息处理 的有价值的遥感系统的传输存取。与?相比,?污?的重 要特征 就是解决合作环境中多学科领域里空间问题的能力。随着?关键 功能的改善以及新能力的蕴含,?能够用作建立?的 工具。?与?已讨论 和分析了?豁作为组决策工具的使用。?年第?期地理信息系统目前与未来发展方向?表?提供了 目前?与未来?的 比较。目前?存在着明显 限制?与?的缺陷。未来的?应该设计和 开发具有特殊的处理新问题与新挑战的特征,而 且还可成为优秀的?与 污砍弱?。换言之,未来的?应该易于使用、灵活、模型化、开放 且价 格低廉,为了达到这些 目标,必须首先更好地了解目前的缺陷,以便于克服设计、开 发和实施中的 困难。随后讨论了建立?以粥?所必需的技术与环境。该表内容的严格探讨揭示了未来?乐所提出的特征将与其它人关于?的研 究成果相一致。世 界范 围所报告的诸多研究活 动中,由国家地理信息与分析中心?所进行的?作最 为著名,也为许多?研究人 员和科学家所认可。?连同其它研究机构通过 研 究引导 了空间模型化与分析领域的未来方 向。这些 研究及表格内容之 间的 比较揭示 了本著作中所介 绍 的?未来方向与由其它研究者和科学家所做的工作成果相吻合。在?!#?与?这种研究项 目中,考虑了未来?的几 个特征。?表?表?目前与未来?乐的比较数数据据问题题常规?未来?转转转换换大多耗时?不同的数据格式?标准化化分分分析与处理理?,?,时间动画画格格格式式较多矢量式,较少栅格式式矢 址与栅格格模模模型型缺乏语义?相关?语 义?而向目标?容容容量量大?百万一十亿字节?巨大?十亿一万亿字节?设 计计非模件化化模件化化软软件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件应应应用 开发发困难?一般一与特殊一用途语 言?简单?可 视化编程 语言?与与与外部部不可能或困难难直截了当当系系系统接口口口口综综综合设 想想松散藕合合紧密藕合合用用用户界面面文字图形形虚 拟现 实?文字、图形、声音、视觉化等?联联联网存取取?此此?空空间间处理设 想想分层特征征面向目标与处理理分分析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析析与与模模模拟拟有限限普遍?虚拟现实?型型化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化化功功功能能制图、空间分析析制图、空 间分析与模型化、决策支持等等决决决策支持持算法法算法与推断?基于知识?的的的推理理理理不不不确定定?此此全面面性性性管理理理理计计算算结构构单机、一些 客户一伺服器器客户一伺服器、非均匀性分布计算算平平平 台台?二?与工作站站?二?工作站、超计算机?具有超计算机远程获获取取取取取的?贻与工作站站处处处理理一些分布式式非分布式 与分布式式计计计算算纯量量纯量、矢 量、并行?各个版?问问问题解解独立立合作作决决决环境?测绘科技情报总第?期?数据研究在?中,数据库的有效管理与使用于查询处 理 和 空间 问题解决至关紧要。然而,一般的?经常具有从早 生代?所继承 的数据库,在其数据模型、结构与外延性方面具有严重制约。而且由于常规数据模型是以记录为基 础,它们不能区分不同的 地理实体与相关。常规数据模型用以地理 空间应用域已引起 了成果的复制与数据依赖性,有悖于数据库系统的 目标。?语义地理 空间数据模型?在近 两个时代的演变从制图工具到空间分析 系统、到复杂 的决策支持 系统已经显示数据模型 的适宜性于一个成功 的?非常重要。现存的?基于常规数据模型,它们为通用的,没有高效率和有效地包含地理 空间特征与语 义,而借助语 义,通 过现实世界实体的高度提取 的更强 表 述力非常重要。语义地理空间数据模型的缺乏极大 地影响地理 空间数据的处理与计算。因为在模型化复杂问题 时,无可 避免地存在 着信息遗漏,一个恰当的 语义地 理空间数据模型?显 然是 必要 的。相 对高级 的一 种模型允许数据更为精确和直接地 反 映目标与概念,一个以?的目标就是能够确定所储存的 地理 空间数据的结构与行 为特征。结构 依照目标、属性、相关而确定,而行为则依据查询与事务操 作来确定。在?中,一个语义数据模型必须 处理 的问题如下?拓 扑结构,状态与行为 的模型化与处理?用以查询、空间处理、干 扰与研究非完整 和不确 定性信息、模糊状 况等功 能结构?各种应 用,尤其是 相关地球观 测系统?与环境变 化的多分辨能力?问题解决的多学科需 要?未来演变动态 的模型化与可伸展性。在开发?语义地理 空间数据模型的现 有方 法中,面向目标的范例具有 更严 密研究上述问题的潜力。?矢量 与栅格数据具有高分辨率、广泛 覆盖与可用性 的更为频繁的多光谱卫星影象目前可以获 得且用以复杂 的问题,比如 环境监测、自然资源、公共服务与紧急状 况管理。结果,?可望更高效率、更有效地 处理矢量与卫星影象?栅格?数据。?必须 允许卫星影象与其它相联结的常规地理空 间与辅助数据处理的并合。面向目标数据模型化已为一些 研究者建议?如?,?沁?用以处理?中矢 量与栅格数据。近来在实施处理诸如卫 星 影象这样大目标的面向目标方 法的研究具有指导意义。?三维?地理 空间数据目前?由地图制图方法演变而来,基于?与?数据结构,这种数据结构极大地 限制了可完成的 空 间分析与模型 化类别。未来?应该 基于?甚至 更高维而建立,因为时间分析与模拟正变得日益普遍,尤其在环境应用方面。在此 一个重 要特征 就是建立?二?,仅建立?数据结构?是?与数据库是不够的,并且 目前?的功能方面必 须 同样延伸。?多分辫率地理空间数据几个世纪以来,地图制图者在其制图活动中一直使用 多重比例尺,因为他 们确 信在不同的?年第?期地理信息系统目前与未来发展方向?比例尺上 可包含 更多的信息。相似地?正演变为可允许用 户查询 与处理不同比例尺与分辨率地 理 空间信息的多分辨率系统。利用面 向 目标方法可便利开发金 字塔式数据结构?在卜个时代,有关各个领域最佳战略设想曾得到饶有兴 趣的研究。?数据处理随着穿越各大陆及全世界的实时通 讯的出现,数据与信息库能够 获得各种 应 用,从 沿海钻探定位的测 图到极地冰川监测以及热带海岸区洪水泛 滥监 测。为了最佳使用 这些数据卜?言息库,现时 及未来?中均需要 解析工具与程序方法。查询空间数据的?数据库是 一 种 可 由适当的?弓?所 处 理 的 应 用,然而,多 分 辨率需要 的 内含可显著地使情况复杂化。未来的?将必 然能够处 理各种分辨率的 查询。收 集?一个地区各种比例尺地图 的人力制图员能够处理那个 地区的各种 查询,未来?至 少应 具有竞争性。?软件研究未来?软件的设计必须能够提供一个模件开 发设想,必须提供一 个 不 同模件可协同?作的环境以取 得 交互运 行性。尤其,未来的?软件应该由以下 几部分组成?基卜多 媒体技术?如 虚拟 现 实?的高级用 户 界面?易于使用 且 允许模型与?功 能 密切藕合的 应?开发设施?允许与实时应用的外部系统和 设施比如?接口的模件。?交互可视环境在目前的?中开 发分析程序与管理数据极其繁琐,通常以一种复杂似是 宏 观 的 语 言实施,特殊的 用户尤其重 视 分析而非计算机工作。随 着计算机技术提供可视性控制以及 可视性输出的更好利用,能期望 在用 户生 产率方面出现巨大进 步。这 些 技术中的 一 种 就是 可 视性 编程语言?,它表达 一个?的命令,把数据从一个持续不变 的数据设施 转换到?二卜的 高级层次。在 此,本文研 究 了通 用?用户命令 的一些合适 的图 形 用 户 界面?。?,?把一个 图形或可视 表示 用以编程,它们具有使?易于使用、理 解和 维 护 的潜力,这可通过 提供待完成处理 的清晰表格、图形 配 置程序单元、利用颜色与图标开发、测 试、调 整以及维护 程序和过 程等来获得。?,?已经调 查了?一?且讨论了其优点,?一方 法已成为许多可获科学视觉化程序包的标准,诸如?,?数据开 发器与豁?开发 器。?综合设想与应用模型一 起利用?必 然存在着三种途 径?,?利用?与模型作为分隔的系统?在模型中利用GI S功能;3.在GI S中利 用模型。各方法均 有其优缺点。第一个方法 的 主要优点就是过程的简化,然 而其方法却非常耗时,具有许多手工过程,可能导致过度开销。方法2的 主要优点就是 所有GI S功能十分适 宜模型的精确需要,但其缺点则是GI S功能受限于模型的需 要,任何扩张均需较多的编程努力。方法3生成系统是一个通 用系统,但其模型 的数据与结构则由GI S的数据与结构来限定。给G IS s提供交互 可视环境将利用 上述任一个 方法促进GI S与模型 的综合。为了给G IS s提供交互可 视环境,GI S软件设计与开 发的一个面向目标方法具 有潜力。利用该方法,所有过程将模型化为目标,在一个分布不均匀环境中,系统 的 主要 工作将以一个综合的 方式综合测绘科技情报总第3 1期分布式目标管理管理所有这些 目标。在许多科学应用中,通常方法1适宜于综合模型与GI S,目的为数据同化和相 关分析,因为其要求可能完 全不同于普通GI S应用(参B la iS,肠hjn,&Zhe ng,199 5),后者通常要求第二 或第三种方法。需要考虑模拟不同过 程的面向目标的方法,尤其 当实体与 过程 的 一般程序库涉人时。4空间分析与模型化未来G ISS必须采用 空间分析与模型化的最新方法,尤其重 要 的是,它们必须利 用 面 向目标的范例以提供面向目标和 面 向过程 的处理、模拟的虚 现实技术以及提供尖端决策支持的人工智能技术与技术学。除此,它们还必须提供制图、空 间分析与模型 化,决策支持功能以及不确定性管理设想。为了能在 未来的G IS中提供这 些特征,更好地理 解G ISs中这类空 间 问题非常重要。通常,交互、实时与程序组是G l忘 必须处 理 的三类空 间问题处理。取决于基本应用的 各类任务具有各式反 应 时间,图1所示就是不 同类工作计算能力与反 应时间之间的关 系。程序组交互实时3007,200反应时间10吸叉0议)图1G E中不同类任务计算能力与反应时间之间的关系处理的数据容量与复杂性是 可用作分类空间 问题 的两 个原则。问题的三个基本规模可确定为大、中、小(图2)。小规模问题不需 要 大 量数据,处 理 也不广泛。中等规模问题 要求大 量数据,处理相当广泛,而大规模问题则要求巨大数量的数据,其处 理非常广 泛。目前的G IS s,预计初步处 理小 规模和中等规模的问题,其基于P C与工作站平 台。关于大规模的问题,诸如有关环境应用方面的问题,可 能使用超计算机。一般来说,关于这些 大 规模问题的 空间分析,或者把超计算机上的计算成果输进 一 个GI S中,或者把某些定型设计的 空间分析系统(最初视觉化)用在超计算机上。图3描绘了基于其计算力要求的空间问题和处理它们的计算平台。年第2期地理 信息系统目前与未来发展方向4 5高信息程度低信息程度数据低 计算强度高计算强度图2基于其数据和处理需要的空间,问题规模l l l一一l一一工作站计算平台超计算机图3空间问题类型及处理它们 的平台5计算研究为达 到C SD SSs的目标与目的,一定的技术与环境显然必 须 得到保证。虽然目前的G 15 5没 有提供全部必需 要素,但它们可作为构建CSD胶弘的基 础,因为它们提供了(污D S Ss所要求的许多功能与能力。下面就是CSD g弘开发的一些先诀条件:(l)在C Sll石S中必须使用高速 通 讯 网络,以传输大数组与影象且具有丰富的远 距 离 图形。I nteme t的 目前带宽尚无 足以提供很快的速度,但 当这 种带宽受到增强时,I nte rne t将成为未来CS欣弱s合适的构建基 础设 施。(2)CS以弱s必须具有广泛 的计算设施,从PC s到工作站和超计算机,用 户将继续在其选择的平台上 工作,同时还 必须具有其它平台,以备处理 的复杂性与经济性之需要。(3)C SI)555必须能够在分布非均匀计算环境中进行处理和计算,尤其是需要巨大 地 理 空测绘科技情报总第31期间数据库和/或需解决复杂问题时。(4)交互 可视 环境的使用将使开发,分析、模型化和 空间问题解决更为容易:目标必须是通过 易于使用 可视程编语言处理3D,高分辨率瞬时数据。(5)一个智能机构可 能就是CS议粥 的最 重要部分。该智能机构的初始目的 就是 主管和控制CSD SS中的所 有运行。智能机构将有四个组成部分:一个用户界面,一个知识库,一个推理机制,一个学习模块。用 户 界面就是 在用 户与(污D S S内部之间传输的部分。知识库就 是 有关(污I)5 5所有内容知识的 聚集。推理机制就是 利 用知识 库内容用以推理 和 相关操作的部分。学习模块负责知识库中自动引 出,捕获与包括新知识。智能机构可能实施 的任务如下:确认所需的地 理空间与辅助数据类型;确认 所 必需 的地理 空间与辅助数据的 贮存位置;决定所 需 空 间分析模块和处理的 全部类型;决定处 理环境(单机或分布式)决定处 理 机 的类型(PC、工作站、矢 量或并行 机);建议计算查询中的最 好设想;辅助协作活 动。从上述要求 中显而易 见,C SI 555必 须基于一个开放结构的GI S。5.1开放的结构现存G I乐 可在两 个 基本领域考虑 为专有系统:所包含数据的格式 与结构,新 功 能与能力可增补 到 这些 系统的方 式。由于在 大多情形下,所包含数据的格式与结构基于卖主定义G G G G G G G G G G G巧巧甲甲元数 据据据空空空 间数数数据据据 转 换换换(二I)13 3 3 3 3(奋 I)11 1 1 1 1(;I)l弓弓地理空间屋图4在G 6S中应用地理空间元数据与空间数据转换 标准 的概念和判断,各个GI S有其 自己数据独有 的格式与结构,这使得不同 的地 理信息系统与交 换 站 之间地 理数据转换十分麻烦。由于该地理空间数据的独 有性,绝大部分的GI S实施努力花费在数据转换上。为了解决该问题,必须建立G IS s与国家地理 空 间源数据之 间 的界面以及数据转换标准,诸如美国国家空 间数据基础 设 施(N SD I),加拿大 的空间文件库与交 换 格式(SAI F)。尤其重要 的是,地理 空间元数据标准 显然 较之 现有 的G l乐 具有较高的优越性。图4描述 r 在G IS s中利用地理 空 间元数据与空间数据转换标准的情况。现存GI SS可以考虑为特有 系统的其它领域是 新功 能 和 能力可增补于这些系统 的方式。通常把新功能引进 现有G IS s十分困难。即使可能进行,但在新功能与现有功能之间的交流 也不完善。开放系统结构的一个主要特征就是交互 可运行性,意指不同的处理 在GI S中协调作业。换言之,开放的G IS s必 须基 于模件开发设想,系统的扩张非常简单。5.2开放的计算环境不同的空间计算任务通常最 适合于不同的计算机 平台,现存G ISS基于PCS与工作站。随着PCs与笔记本计算机日益 增 长 的力量 和日渐降低的成本,在P公与笔记本计算机上建立G IS s的趋势 逐渐 增长。对于未来的G IS s,预计可利用PCS或笔记本作为空 间分析 问题解决的年第2期地理信息系统目前与未来发展方向4 7主要计算环境。这些平台也将提供高性能计算系统(比如超计算机),以及需 要时的高性能远距离传输。(见Ka rimi,1996)。已知一个查询,在用户与这些PC或笔记本环境之间的智能界 面应该确定在 提供答案与解法时所涉及 的复杂性与细节。例如,如 果一个 问题 的复杂性引起系统确定一台超计算机是最佳计算环境,那么系统应该提供获取超计算机 和其它资源 的 选择方法。现有 的 空 间 分析算法是序贯算法。但随着开放的计算环境的发展,空间分析算法与程序编码(序列、矢 量与并 行的)必须能在C SI 555中获得。5.3计算速度每秒数以万计的指令(MI P s)与每秒数以万计的浮点(MF L(PS)用以量 测 计算机速 度,为了准确量 测一个所给定任务所需 的处理力,必须确定不同硬件平 台上任务的指令数,如需要 处理 所给任务 的一 千个地理点,必须了解基本编码 及其向机器指令的转换,以便于估测 所需 的处理时间。为了解决该难题,需要G IS s处理力的高级量测。由于 空间分析与 处理 基于0一晶格(点),1一晶格(线),与2晶格(多边形),最终每一个 空间操作基于点、线、多边形或这些 的 任意组合。所以建议使用每秒百万 晶格单元 为量测各个 空 间任务 所 需要的计算力。由于每秒可处理许多点、线或 多边 形,了解操作可让做出更为现实的估测。未来的GI S应 该能 够提供任意所给查询中需 要处理的点、线和多边 形。介绍它们作为用 户的 优于查询处理 的一种选择 方 法。6结 论随着 对空间信息、处理与展开的交 流技术的扩大需求,GI S。能 在空问分 析与决策 支持应 用方面发挥作用,然 而,GI S,也必 须根 据 方 法学与设计而研制,以满足用户和 研 究者的期望,尤其是G ISS必 须满足来 自自然科学、社 会科学工程、教育等用 户 的需要。对于(;l S而言,高效率及 有效地处理 广泛 的空 间 问题,从 简单的到复杂 的,必须延伸某此现有的 能力 及包 含 新 的功能。前述章节 所讨论 的未来GI S特 征 的 全面研 究鲜明地显示现有GI S的简单更 改将不保证 所期望成果。例如,某些卖主借助研究为他人所用的 独特数据 格式,结构和模型 以延伸其产品为一个开放系统,所用的方法显 然并不充 分,因此 建议(;I S彻J氏检修。有 必要 重新构建、重新 设计、更换GI S以便于它们均 能 包 含 先前所 研究的特 征,允 许 末来可出现 和重新设计的 新特征的 包 含。该GI S重新考虑 的 最终目标就是提供易于使用、灵活、有效和便宜的GI S,能够作为(污DS S而使用,便利于所有目前和未来的用户。张德梅译 自(计算机、环境与城市系统1996.2