gis在線監測技術背景 gis在線監測技術背景分析

GIS技術在國內的研究現狀及其發展趨勢

0 引言

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隨著計算機技術的飛速發展、空間技術的日新月異及計算機圖形學理論的日漸完善，GIS（Geographic Information System）技術也日趨成熟，并且逐漸被人們所認識和接受。近年來，GIS被世界各國普遍重視，尤其是“數字地球”概念的提出，使其核心技術GIS更為各國政府所關注。目前，以管理空間數據見長的GIS已經在全球變化與監測、軍事、資源管理、城市規劃、土地管理、環境研究、農作物估產、災害預測、交通管理、礦產資源評價、文物保護、濕地制圖以及政府部門等許多領域發揮著越來越重要的作用。當前GIS正處于急劇發展和變化之中，研究和總結GIS技術發展，對進一步開展GIS研究工作具有重要的指導意義。因此，本文就目前GIS技術的研究現狀及未來發展趨勢進行總結和分析。

1 GIS研究現狀及其分析

1.1 GIS研究現狀

世紀90年代以來，由于計算機技術的不斷突破以及其它相關理論和技術的完善，GIS在全球得到了迅速的發展。在海量數據存儲、處理、表達、顯示及數據共享技術等方面都取得了顯著的成效，其概括起來有以下幾個方面[1]：①硬件系統采用服務器/客戶機結構，初步形成了網絡化、分布式、多媒體GIS；②在GIS的設計中，提出了采用“開放的CIS環境”的概念，最終以實現資源共享、數據共享為目標；③高度重視數據標準化與數據質量的問題，并已形成一些較為可行的數據標準；④面向對象的數據庫管理系統已經問世，正在發展稱之為“對象——關系DBMS（數據庫管理系統）”；⑤以CIS為核心的“3S”技術的逐漸成熟，為資源與環境工作提供了空間數據新的工具和方法；⑥新的數學理論和工具采用CIS，使其信息識別功能、空間分析功能得以增強等等。

在GIS技術不斷發展下，目前GIS的應用已從基礎信息管理與規劃轉向更復雜的區域開發、預測預報，與衛星遙感技術相結合用于全球監測，成為重要的輔助決策工具。據有關部門估計，目前世界上常用的GIS軟件己達400多種[2].國外較著名的GIS軟件產品有[3]：Auotodesk系列產品、Arc/Info、MapInfo及其構件產品、Intergraph、Microstation等，還有Web環境下矢量地圖發布的標準和規范，如XML、GML、SVG等等。我國GIS軟件研制起步較晚，比較成熟的測繪軟件主要有南方CASS，MapGIS，GeoStar，SuperMap等。盡管現存的GIS軟件很多，但對于它的研究應用，歸納概括起來有二種情況：一是利用GIS系統處理用戶的數據；二是在GIS的基礎上，利用它的開發函數庫二次開發用戶專用的GIS軟件。目前已成功應用包括資源管理、自動制圖、設施管理、城市和區域規劃、人口和商業管理、交通運輸、石油和天然氣、教育、軍事等九大類別的一百多個領域。在美國及發達國家，GIS的應用遍及環境保護、災害預測、城市規劃建設、政府管理等眾多領域。近年來，隨著我國經濟建設的迅速發展，加速了GIS應用的進程，在城市規劃管理、交通運輸、測繪、環保、農業等領域發揮r重要的作用，取得了良好的經濟效益和社會效益。

1.2 當前GIS發展存在的主要問題

基于以上GIS技術現狀研究，本文分析認為GIS技術在模型、數據結構等方面存在著不足，一定程度上制約了GIS技術的發展。

（1）數據結構方面存在的問題

目前通用的GIS主要有矢量、柵格或兩者相加的混合系統，即使是混合系統實際上也是將兩類數據分開存儲，當需要執行不同的任務時采用不同的數據形式。在矢量結構方面，其缺點是處理位置關系（包括相交、通過、包含等）相當費時，且缺乏與DEM和RS直接結合的能力。在柵格結構方面，存在著柵格數據分辨率低，精度差；難以建立地物間的拓撲關系；難以操作單個目標及柵格數據存貯量大等問題[4].

（2）GIS模型存在的問題

傳統GIS模型是按照計算機的方法對客觀世界地理空間不自然的分割和抽象，使得人們認知地理空間的認知模型與計算機中的數據模型不能形成良好的對應關系，難以表達復雜的地理實體，更難滿足客觀世界的整體特征要求。在GIS軟件開發中，如果語義分割不合理，將難以有效表達地理空間實體間的關系，這就導致較深層次的分析、處理操作難以實現。隨著GIS應用需求領域的不斷開拓及計算機技術的迅速發展，對空間數據模型和空間數據結構提出了更高的要求，使得傳統的地理空間數據模型力不從心，逐漸暴露其弊端。

目前，面向對象的數據模型一定程度上解決了傳統GIS數據模型的某些不足，但是OODB（面向對象數據庫）目前仍未在市場以及關鍵任務應用方面被廣泛接受，因為OODB作為一個DBS還不太成熟，如缺少完全非過程性的查詢語言以及視圖、授權、動態模式更新和參數化性能協調等；且OODB與RDB之間缺少應有的兼容性，因而使得大量的已建立起來的龐大的RDB客戶不敢輕易地去選擇OODB.

（3）其他方面亟待解決的問題

當前，GIS正處在一個大變革時期，GIS的進一步發展還面臨不少問題，主要表現在以下幾個方面[5]：①GIS設計與實現的方法學問題。在GIS設計與實現過程中缺乏面向對象的認知方法學和面向對象的程序設計方法學的指導，導致GIS軟件系統的可靠性和可維護性差；②GIS的功能問題。當前以數據采集、存儲、管理和查詢檢索功能為主的GIS，不能滿足社會和區域可持續發展在空間分析、預測預報、決策支持等方面的要求，直接影響到GIS的應用效益和生命力；③三維GIS模型及可視化問題。目前大多數GIS軟件的圖形顯示是基于二維平面的，即使是三維效果顯示也是采用DEM的方法來處理表達地形的起伏，涉及到地底下真三維的自然和人工現象顯得無能為力。

2 GIS未來發展趨勢

2.1數據管理方面

（1）多比例尺、多尺度和多維空間數據的表達[6]

對于多比例尺數據的顯示，將運用影像金字塔技術、細節分層技術和地圖綜合等技術；而為了實現GIS的動態、實時和三維可視化，出現存儲真三維坐標數據的3D GIS和真四維時空GIS，這其中涉及了空間數據的海量存儲、時空數據處理與分析以及快速廣域三維計算與顯示等多項理論與技術[7].

（2）三庫一體化的數據結構方向

空間數據庫向著真正面向對象的數據模型和圖形矢量庫、影像柵格庫和DEM格網庫三庫一體化數據結構的方向發展[8].這種三庫一體化的數據結構改變了以圖層為處理基礎的組織方式，實現了直接面向空間實體的數據組織，使多源空間數據的錄入與融合成為了可能，從而為GIS與遙感技術的集成創造了條件。

（3）基于空間數據倉庫（Spatial Data warehouse）的海量空間數據管理的研究

空間數據量非常大，而且數據大都分散在政府、私人機構、公司的各個部門，數據的管理與使用就變得非常復雜，但這些空間數據又具有極大的科學價值和經濟價值，因此大多數發達國家都比較重視空間數據倉庫的建立工作，許多研究機構和政府部門都參與到空間數據倉庫建立的研究工作。

（4）利用數據挖掘技術進行知識發現

空間數據挖掘是從空間數據庫中抽取隱含的知識、空間關系以及其他非顯式的包含在空間數據庫中但以別的模式存在的信息供用戶使用，這是GIS應用的較高層次。由于目前空間數據的組織與管理仍局限于二維、靜態、單時相，且仍以圖層為處理基礎，因此，當前的GIS軟件和空間數據庫還不能有效地支持數據挖掘。

2.2技術集成方面

（1）“3S”集成

“3S”是GPS（全球定位系統）、RS（遙感）和GIS的簡稱，“3S”集成是指將遙感、空間定位系統和地理信息系統這三種對地觀測技術有機地集成在一起。地理信息是一種信息流，RS、GPS和GIS中任何一個系統都只側重于信息流特征中的一個方面，而不能滿足準確、全面地描述地理信息流的要求。因此，無論從物質運動形式、地學信息的本質特征還是“3S”各自的技術特征來說，“3S”集成都是科技發展的必然結果。

目前，“3S”集成還僅限于兩兩結合方式，這是“3S”集成的初級和基礎起步階段，其核心是GIS與RS的結合。這種兩兩結合雖然優于單一系統，但是仍然存在以下缺陷。將“3S”進行集成從而形成一體化的信息技術體系是非常迫切的。這種集成包括空基“3S”集成和地基“3S”集成，即在硬件方面建立具有同步獲取涉譜數據和空間數據的高重復觀測能力的平臺，而在軟件方面使GIS支持數據封裝，同時解決圖形和圖像數據的統一處理問題。

（2）GIS與虛擬現實技術的結合

虛擬現實（Virtual Reality）是一種最有效地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術，是當代信息技術高速發展和集成的產物。從本質上說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，通過計算機建立一種仿真數字環境，將數據轉換成圖形、聲音和接觸感受，利用多種傳感設備使用戶“投入”到該環境中，用戶可以如同在真實世界那樣“處理”計算機系統所產生的虛擬物體。將虛擬和重建逼真的、可操作的地理三維實體，GIS用戶在客觀世界的虛擬環境中能更有效的管理、分析空間實體數據。因此，開發虛擬GIS已成為GIS發展的一大趨勢。

（3）分布式技術、萬維網與GIS的結合[9]

目前，隨著Internet技術的迅猛發展，其應用已經深人到各行各業，作為與我們日常生活息息相關的GIS也不例外，它們的結合產生了web GIS.當前Web GIS系統已經得到迅速的發展，到1999年1月，僅在美國出現的這類系統就有23種之多。又由于客戶端可能會采用新的應用協議，因此也被認為是Internet GIS.

計算機網絡技術的飛速發展，分布式計算的優勢日益凸顯，GIS與分布式技術結合也就成為必然，它們的結合即構成了分布式CIS.它就是指利用最先進的分布式計算技術來處理分布在網絡上的異構多源的地理信息，集成網絡上不同平臺上的空間服務，構建一個物理上分布，邏輯上統一的GIS.它與傳統GIS最大的區別在于它不是按照系統的應用類別、運行環境劃分的，而是按照系統中的數據分布特征和針對其中數據處理的計算特征而分類的。

（4）移動通信技術與CIS的結合發展[10]

WAP/WML技術作為無線互聯網領域的一個熱點，已經顯示了其巨大的應用前景和市場價值。WAP柳ML技術與GIS技術的結合產生了移動GIS（Mobile GIS）應用和無線定位服務LBS（Location一basedServices）。通過WAR/WML技術，移動用戶幾乎可以在任何地方、時間獲得網絡提供的各種服務。無線定位服務將提供一個機會使GIS突破其傳統行業的角色而進人到主流的IT技術領域里。大多數的分析家都認為，到2010年，無線網絡將成為全球數據傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機動性所決定。

當前用于地理信息交互的語言還不足以完成真正的“設備無關接口”的互操作。各種移動設備對于從地理信息服務器所獲得的信息，其表現方式是各不相同的，用戶輸人方式也不相同。因此，對于不同的移動設備需要一種統一的標記語言。無線定位服務將提供一個機會使GIS突破其傳統行業的角色而進人到主流的IT技術領域里：大多數的分析家都認為，到2010年，無線網絡將成為全球數據傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機動性所決定。

（5）GIS與決策支持系統（DSS）的集成[11]

決策支持系統（Decision Support System，簡稱DSS）是以管理學、運籌學、控制論、行為科學和人下智能為基礎，運用信息仿真和計算手段為基礎，綜合利用現有的各種數據庫、信息和模型來輔助決策者或決策分析人員解決結構化和半結構化問題，甚至非結構化問題的人機交互系統。

目前，絕大多數的GIS還僅限于圖形的分析處理，缺乏對復雜空間問題的決策支持，而目前絕大多數的DSS則無法向決策者提供一個友好的可視化的決策環境。因此，將GIS與DSS相集成，最終形成空間決策支持系統（SDSS），借助GIS強大的空間數據處理分析功能，并在DSS中嵌入空間分析模塊，從而輔助決策者求解復雜的空間問題，這是GIS應用向較高層次的發展。其中SDSS中知識的表達、獲取和知識推理以及模型庫、知識庫、數據庫三庫接口的設計是啞待解決的關鍵問題。

2.3 發展歷程方面

自20世紀60年代世界上第一個GIS——加拿大地理信息系統（CGIS）問世以來，經過40年的發展，GIS經歷了三個階段的發展。目前，隨著第三代互聯網的提出與實施，以及計算機技術、數據庫技術的飛速發展，GIS即將步入第四代GIS發展階段。

第四代GIS軟件將在數據組織、存儲、檢索和運算等方面發生革命性的變革。數據組織應該是面向空間實體的，空間位置只是實體眾多屬性中的一類，它應和其它屬性有機地組織在一起并統一存放：“關系”概念和“關系運算”應該加以擴充，應該包括空間關系及其運算；傳統的結構化查詢語言應該擴充，把空間關系及其查詢包括在里面；以倒排表為基礎的數據庫索引機制應該擴展，建立至少包括拓撲關系在內的新的索引機制；數據存儲機制應該適應空間數據提取和計算的要求等。只有實現數據真正的一體化存儲和處理，才能自由地、方便地、快速地實現人們所期望的處理功能。在功能上，第四代GIS軟件應該具備支持數字地球（區域、城市）的能力，成為OS、DBMS之上的主要應用集成平臺，它具有統一的海量存儲、查詢和分析處理能力、一定的三維和時序處理能力、強大的應用集成能力和靈活的操縱能力，且具有一定的虛擬現實表達。

3 結束語

通過以上對GIS現狀及發展趨勢的分析，可以看出，GIS作為信息產業的重要組成部分，正以前所未有的速度向前發展。把握當前GIS的技術發展現狀及不足，有利于人們預見GIS的發展趨勢，站在更高更遠的角度去揚長避短，較好地促進GIS技術的快速發展。隨著地理信息系統產業的建立和數字化住處產品在全世界的普及，GIS將深人到各行各業以至千家萬戶，成為人們生產、工作、學習和生活中不可缺少的工具和助手。

GIS的發展歷程（1500字左右能百度）

GIS的國際發展歷史

GIS起源于人口普查，土地調查和自動制圖，1960年，加拿大測量學家R.F.Tomlinson 提出了把地圖變成數字形式的地圖，1963年，又提出GIS這一本術語，并建立了第一個GIS－加拿大GIS，隨后GIS以燎原之勢在全世界迅速發展起來。

1、60年代，探索時期(GIS思想和技術方法的探索)人們關注什么是GIS，GIS能干什么。

2、70年代，鞏固時期，這時由于計算機技術及其在自然資源和環境數據處理的應用，促進 GIS迅速發展。

這期間，發展研究的重點是空間數據處理的算法，數據結構和數據庫管理這三個方面。

3、80年代，實用階段，也是GIS普遍發展和推廣應用階段，人們把GIS與RS解決全球性問題，如全球沙漠化，全球可居住地評價，核擴散問題等。

4、90年代，全面應用，產業化階段，對GIS進一步研究，研究的內容集中在：空間信息分析的新模式和新方法，空間關系和數據模型，人工智能引入等。

●國際GIS的發展狀況

GIS的國內發展歷史

●我國GIS起步較晚，但發展較快，分為以下幾個階段：

1、70年代，準備階段：

一些知名人士GIS先驅看到GIS的廣闊前景和GIS的重要性，進行極積呼吁，為GIS在我國的發展奠定了與論準備基礎并做了一些可行性實驗。

2、 80年代，試驗起步階段：

這期間，我國在GIS理論探索，規范探討，軟件開發，系統建立等方面取得了突破和進展，進行了一些典型，試驗專題試驗軟件開發工作。

3、90年代，我國GIS發展階段：

我國改革開放以來，沿海，治江經濟開發區的發展土地的有償使用和外資的引進，急需GIS為之服務，這也推動GIS在我國的全面發展。

4、96年以來，是我國GIS產業化階段。

如何在環境監測中應用GIS技術?

GIS技術，即地理信息系統，在環境監測系統中發揮著不容忽視的作用，不僅能整合、分析過去的研究結果，還能為未來的研究方向和保護工作提供建議及對策。具體來說，GIS在監測農家生態旅游環境中的主要應用領域如下：

（1）建立稀有動物數據庫。利用野外調查數據，確定野生動物的分布地點和族群量，再將這些數據及動植物基本數據輸入GIS。這些數據可與其他空間性數據如植被分布圖、土地利用圖、土地發展趨勢圖等相結合。這些數據也可與同級程序結合，進行仿真模擬，以預測環境改變對這些動植物的影響，同時還可用來進行資源保護和經營管理等。

（2）生物資源調查的規劃。地理信息系統可通過數據處理，將環境劃分為均質（Homogeneous）的小區域，以方便研究者在每一個區域內選定觀測點進行調查，并進行各區域內生物族群組成的比較研究。

（3）建立動植物分布數據庫。使用GIS能建立生物分布的數據庫，若能配合遙測技術所得的數據，就可得到生物所在地的狀況，再借由圖形數據來展現動物的分布，以提高數據可讀性，并可進行深入的分析。生物資源數據庫的建立，可幫助了解周圍的環境狀況，在資源規劃、利用、生態保護、景觀生態學研究、環境教育和國際交流上，都有其應用范圍。

地理信息系統的應用背景

地理信息系統 ( Geographic Information System，GIS) 是一項以計算機為基礎的新興技術，是管理和研究空間數據的技術。圍繞這項技術的研究、開發和應用形成了一門交叉性、邊緣性的學科 ( ESRI Corporation，2010) 。在計算機軟硬件的支持下，它可以對空間數據按地理坐標或空間位置進行有效管理、研究各種空間實體及其相互關系。通過對多因素的綜合分析，迅速地獲取滿足應用需要的信息，并以地圖、圖形或數據的形式表示處理的結果。

目前世界上常用的 GIS 軟件已達 400 多種。它們大小不一，風格各異。國外較著名的有 Arc View，ArcInfo，MapInfo，GenaMap 等; 國內較著名的有 MapGIS，GeoStar 等 ( ESRI Corporation，2010) 。雖然 GIS 起步晚，但它發展快，目前已成功地應用到 100 多個領域。

地理信息系統軟件的研究應用，歸納概括有兩種情況。第一種是利用 GIS 系統來處理用戶的數據; 第二種是在 GIS 的基礎上，利用它的開發函數庫二次開發出專用的地理信息系統軟件。目前 GIS 已成功地應用到了包括資源管理、自動制圖、設施管理、城市和區域規劃、人口和商業管理、交通運輸、能源、教育、軍事等領域。

在美國、日本等發達國家，地理信息系統的應用遍及安全、環境保護、資源保護、災害預測、投資評價、城市規劃建設、政府管理等眾多領域。

近年來，隨著我國經濟建設的迅速發展，地理信息系統的應用在城市規劃管理、交通運輸、環保、農業、制圖等領域發揮了重要的作用，先后開發出了眾多基于 GIS 的防震減災、地質災害預測、煤礦通風安全信息、城市安全防范等信息管理系統，取得了良好的經濟效益和社會效益。

由于 GIS 在煤礦中能夠對煤礦生產進行實時動態監控、預測預報事故、進行生產管理以及快速有效地調度管理，對減少事故發生起著非常重要的作用。目前，地理信息系統在礦山領域中的應用主要包括以下幾個方面。

( 1) 基于 GIS 的礦圖管理與更新

對地理底圖數據的管理與更新，包括地理底圖數據的錄入、編輯、修改、保存、輸出以及地理底圖庫的生成，可使用 GIS 的圖形編輯系統、空間分析系統、輸出系統、地圖庫管理系統、校正系統等進行處理。

對于其他諸如采掘工程平面圖、開拓巷道布置系統圖、通風系統圖、避災路線圖等礦圖，運用 GIS 可以實現圖形處理與非圖形屬性信息處理相結合，用戶不必在兩個系統之間來回切換，提高了系統性能。另外，圖紙的無級縮放功能可以對任何圖形或圖層任意縮小和放大。漫游功能可漫游到圖上任意點，仔細查看每一條巷道及布置，可測算并動態顯示任意兩點間的距離。

( 2) 礦井監測及調度管理

以圖形方式實時監測煤礦傳感器的工作情況以及井下設備的工作狀態。在圖上能夠看到每個傳感器當時的物理參量和設備的開停狀態。如瓦斯超限時有鈴聲報警，通訊中斷時有相應的顯示。通風系統提供實時的風速、風量、風向、變化趨勢等相關數據的處理及分析功能，能實時顯示和查詢監控所采集的數據，并能自動進行超限報警。

( 3) 塌陷區的動態監測系統

塌陷區動態監測系統包括動態監測解譯系統和統計系統兩部分。第一部分主要實現對圖像的顯示、分析和校準等; 第二部分主要實現功能查詢、面積統計和統計圖的繪制等。GIS 主要用于該系統的統計分析。

( 4) 煤礦生產勘探管理中的應用

應用 GIS 進行圖件管理，主要是應用其對柵格圖像的管理功能。這種管理貫穿于煤礦生產勘探設計到勘探資料提交的全部過程。其關鍵技術是柵格圖像的獲取和處理。

( 5) 礦井災害事故預測預報

應用 GIS 復雜而深層次的可視化查詢、分析功能，建立礦井災害事故預測預報系統。例如，在煤礦突水預測預報中，可以選用斷層密度、巖溶發育程度、水壓及隔水層有效厚度、開采方法、頂板管理方法等因素構成模型。通過與實際結果的多次擬合，得出突水指數，最后以圖形的方式輸出危險突水區。同樣，對于礦井中瓦斯及煤塵爆炸、頂板冒落、煤層自然發火、沖擊地壓等災害事故也可以用同樣的方式進行預測預報。

GIS 也可用于突發事故的救災指揮系統，通過 GIS 功能強大的 SQL 查詢，在顯示器上可以看到由 GIS 分析得出的該事故可能波及的范圍、疏散人員的最佳路徑以及該事故可能造成的損失等，管理人員將 GIS 所提供的資料與現場實際情況相結合，進行調度指揮，把事故的損失盡可能降到最低 ( 孫長篙等，2004) 。

( 6) 基于 GIS 數字煤礦的發展

所謂數字煤礦是指在煤礦范圍內建立一個以三維坐標為主線，將煤礦信息構建成一個煤礦信息模型，描述煤礦中每一點的全部信息，按三維坐標組織、存儲起來，并提供有效、方便和直觀的檢索手段和顯示手段，使有關人員可以快速、準確、充分和完整地了解及利用煤礦各方面的信息。

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