本期導讀要聞綜合電腦工作室渠道與市場(chǎng)產(chǎn)品與應用軟件與服務(wù)華東專(zhuān)刊華南專(zhuān)刊華中專(zhuān)刊西北專(zhuān)刊西南專(zhuān)刊InfoTimes GIS:打造一個(gè)數字世界
陳友梅
在我們使用的各類(lèi)信息中，至少有75%的信息與位置屬性和空間定位有關(guān)。于是，GIS也就在我們的生活中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，目前已成為在操作系統、數據庫管理系統之上的主要應用集成平臺，并逐漸占據主流軟件的地位。但與其它IT產(chǎn)業(yè)不同的是，GIS更強調數據，沒(méi)有數據，GIS就無(wú)從談起。其實(shí)，GIS數據生產(chǎn)過(guò)程本身就是一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)，如何采集、獲取和處理GIS數據？GIS廠(chǎng)商如何用GIS技術(shù)來(lái)打造一個(gè)數字化的世界？這是GIS廠(chǎng)商們當前所面臨的問(wèn)題。
國際篇
g.net倡導數據共享
g．net是一個(gè)著(zhù)眼于GIS社會(huì )化、全球化的全新GIS體系結構，同時(shí)也是一個(gè)帶有一定理想主義色彩的全球化GIS之夢(mèng)，它為我們勾勒出一幅信息化社會(huì )中GIS發(fā)展和應用的美麗畫(huà)卷。不久的將來(lái)，g．net將幫助我們搭建一個(gè)集自然、社會(huì )、生態(tài)、環(huán)境及人文等多種信息于一體的松散耦合而又有機集成的基于地理空間的信息框架，為人類(lèi)的生存與發(fā)展創(chuàng )造一個(gè)更加和諧的空間。
g.net由全球最大的GIS（Geography Information System, 地理信息系統）廠(chǎng)商——美國ESRI公司在全球用戶(hù)大會(huì )上正式提出的，并由ESRI的中國總代理——富融科技有限公司將這一理念帶到了中國。何謂g.net？據富融科技總經(jīng)理何寧先生介紹，“g”，是指“Geography”，即“地理”，g.net最突出的特征就是它將分布于世界任何一個(gè)角落以ESRI的ArcIMS(互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)器)構建的網(wǎng)上地理空間數據以及服務(wù)，通過(guò)Internet協(xié)議和XML標準以一種松散耦合的方式，動(dòng)態(tài)地整合在一起，讓人們可以自由自在地在這個(gè)“大網(wǎng)”上享受各種綜合的GIS信息和服務(wù)。g.net的最終目標是使地理信息和服務(wù)全球化。
g.net目標：共享GIS數據
工作在Internet上，遵從Internet協(xié)議，以XML標準表達和共享地理空間數據，是g.net最為本質(zhì)的技術(shù)特征。但g.net上所有的地理空間數據都必須（以免費或收費的方式進(jìn)行）充分地共享。訪(fǎng)問(wèn)g.net的用戶(hù)，出于任何一種與地理空間有關(guān)的需要，利用g.net上豐富的共享信息資源和應用服務(wù)來(lái)解決自己的問(wèn)題。g.net不是一個(gè)單向的信息發(fā)布源，它除了發(fā)布地理空間信息以外，還提供讓用戶(hù)直接與系統交互的能力，滿(mǎn)足用戶(hù)與系統數據及服務(wù)互操作的需求。
g.net的終極目標是逐步建立起一個(gè)覆蓋全球的、可以充分共享和交互的GIS虛擬世界。當然，這樣的一個(gè)體系結構模式，是可以靈活伸縮的，小到一個(gè)機構或組織，其內部可以建立起按g.net模式工作的“縮微”的g.net。其上還可以充分滿(mǎn)足機構和組織內部的各個(gè)部門(mén)和單位之間的基于地理空間的信息共享和服務(wù)。推而廣之，在一個(gè)城市、一個(gè)地區、一個(gè)省、一個(gè)國家的范疇內，都可以相對獨立地建立起各自的g.net框架。從其結構模式、使用方式和實(shí)現技術(shù)來(lái)看，它們無(wú)論規模大小，都具有一種“全息”的結構特征。由小及大，按照g.net的構成模式，可以基于XML標準，在Internet環(huán)境下靈活而松散地耦合到一起。
g.net基礎：ArcGIS系列產(chǎn)品
主流IT技術(shù)的發(fā)展，為我們理想中的g.net模式的實(shí)現提供了可能。g.net所要涉及的技術(shù)層面十分寬廣，像硬件、軟件及軟件工程、網(wǎng)絡(luò )及通信，特別是Internet及其相關(guān)技術(shù)，都是g.net實(shí)現的基礎。同時(shí)，這些技術(shù)本身也在日新月異地進(jìn)步，有的甚至面臨著(zhù)重大的技術(shù)突破，這將對g.net和其相關(guān)的GIS技術(shù)的發(fā)展和應用起到巨大的推動(dòng)作用。
ArcGIS支持g.net結構
g.net必須遵循開(kāi)放路線(xiàn)并全面采用工業(yè)標準，它的實(shí)現需要有相應的產(chǎn)品支撐體系。ESRI是業(yè)界最早堅持走開(kāi)放路線(xiàn)的GIS軟件廠(chǎng)商之一，該公司的ArcGIS 8.1 ArcGIS系列產(chǎn)品（如圖所示）已經(jīng)初步具備了支撐g.net的條件：首先，開(kāi)放了桌面平臺數據結構（SHAPEFILE）；其次，提供了其空間數據庫引擎ArcSDE的API接口；同時(shí)，在其產(chǎn)品中全面采用工業(yè)標準，并廣泛遵守各種標準協(xié)議，如COM、UML、XML、SQL、TCP/IP等；此外，ESRI還與很多權威的標準化組織（如OGC、ISO、FGDC等）廣泛合作，積極配合和參與有關(guān)標準的制定工作。
在上圖中，ArcIMS是g.net的結點(diǎn)和訪(fǎng)問(wèn)門(mén)戶(hù)。通過(guò)ArcIMS，用戶(hù)可把數據中心和客戶(hù)端應用進(jìn)行有效的鏈接和管理，實(shí)現協(xié)同操作。ArcIMS提供用戶(hù)在服務(wù)器端可選的影像方式或矢量數據流方式進(jìn)行數據發(fā)布?？蛻?hù)端用戶(hù)通過(guò)工業(yè)標準的通用瀏覽器即可對ArcIMS服務(wù)站點(diǎn)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和交互操作，為g.net的實(shí)現打下了堅實(shí)的基礎。
然而，g.net的全面實(shí)現還需要進(jìn)一步強化空間數據的元數據管理和檢索能力，加強基于Internet環(huán)境下GIS應用服務(wù)請求的響應能力。為此，ESRI繼ArcGIS 8.1推出之后又加快了作為ArcIMS服務(wù)擴展的Metadata Server和ArcMap Server的開(kāi)發(fā)步伐，前者將提供g.net環(huán)境中元數據的管理、發(fā)布和檢索驅動(dòng)服務(wù)，后者則將ArcMap強大的空間數據顯示、編輯、分析和制圖功能提供給ArcIMS。這將極大地提升ArcIMS的應用服務(wù)能力和整個(gè)g.net環(huán)境中的互操作性。
GIS新應用：嵌入式GIS
我們很難給嵌入式GIS下一個(gè)確切的定義，因為它是GIS與新興嵌入式硬件相結合的一個(gè)產(chǎn)物，但卻不是傳統意義上的GIS，它是原有的GIS領(lǐng)域的分支與延伸、補充與發(fā)展。嵌入式GIS從一出現就與應用密切相關(guān)，從車(chē)載（個(gè)人）自導航到野外測繪都是嵌入式GIS面臨的市場(chǎng)需求。因此，確切地說(shuō)，嵌入式GIS是一個(gè)新興的應用領(lǐng)域，它需要以下三個(gè)方面的支持：
硬件平臺、多操作系統支持 由于嵌入式的操作系統（如：Palm OS、Windows CE、EPOC等）以及硬件平臺多種多樣，嵌入式GIS應能在多硬件平臺、多操作系統上運行、開(kāi)發(fā)。
GPS應用支持 GPS的應用已經(jīng)很成熟，市場(chǎng)需求也很明顯，與GPS相結合是嵌入式GIS研究的一個(gè)重要方向。
移動(dòng)互聯(lián)支持 移動(dòng)通信一直與嵌入式密切相關(guān)，對移動(dòng)互聯(lián)的支持也是嵌入式GIS研究的另一個(gè)重要的方向。
針對不同的嵌入式操作系統，嵌入式GIS的發(fā)展各不相同。目前主流的嵌入式GIS應用主要包括以下三個(gè)方面。
第一，Palm OS主要面向低端市場(chǎng)，目前市場(chǎng)占有率第一，其特點(diǎn)是突出功能的實(shí)用。通常采用Palm OS的嵌入式設備的硬件配置都較低。由于Palm OS自身的局限性，其在圖形處理上較弱，這就使得其上GIS產(chǎn)品在可視化上有很大的局限性。如：Magellan公司的Map Companion軟件，它把城市地圖分成了更小的區域，最小的地圖數據單位占用的空間通常只有幾K 到十幾K，總體上滿(mǎn)足了大多數用戶(hù)的需求。
第二，Windows CE主要面向中高端市場(chǎng)，沿襲了微軟Windows產(chǎn)品的風(fēng)格，功能十分強大，尤其在多媒體處理方面更是絕對領(lǐng)先于其他嵌入式操作系統，在其上的GIS軟件產(chǎn)品能輕松地實(shí)現各種地理信息服務(wù)。這一方面的軟件代表有：靈圖軟件公司的“天行者”和北京超圖的eSuperMap。
第三，EPOC是面向無(wú)線(xiàn)通信中的高端市場(chǎng)，主要應用是智能電話(huà)，從功能上講也就是移動(dòng)電話(huà)與PDA的結合，EPOC的通信功能十分強大。這一方面代表的軟件為“天行者”，它在EPOC操作系統上除實(shí)現了地圖瀏覽、查詢(xún)等功能外，還實(shí)現了最佳路徑分析、用戶(hù)標注、發(fā)送標注、并能與基站定位服務(wù)器相連實(shí)現移動(dòng)電話(huà)定位等功能。
不難看出，隨著(zhù)移動(dòng)信息終端的發(fā)展，嵌入式GIS將與定位信息服務(wù)（Location Based Services）融合在一起，將成為今后GIS主要的發(fā)展方向。（陳鵬）
我們很難給嵌入式GIS下一個(gè)確切的定義，因為它是GIS與新興嵌入式硬件相結合的一個(gè)產(chǎn)物，但卻不是傳統意義上的GIS，它是原有的GIS領(lǐng)域的分支與延伸、補充與發(fā)展。嵌入式GIS從一出現就與應用密切相關(guān)，從車(chē)載（個(gè)人）自導航到野外測繪都是嵌入式GIS面臨的市場(chǎng)需求。因此，確切地說(shuō)，嵌入式GIS是一個(gè)新興的應用領(lǐng)域，它需要以下三個(gè)方面的支持：
硬件平臺、多操作系統支持 由于嵌入式的操作系統（如：Palm OS、Windows CE、EPOC等）以及硬件平臺多種多樣，嵌入式GIS應能在多硬件平臺、多操作系統上運行、開(kāi)發(fā)。
GPS應用支持 GPS的應用已經(jīng)很成熟，市場(chǎng)需求也很明顯，與GPS相結合是嵌入式GIS研究的一個(gè)重要方向。
移動(dòng)互聯(lián)支持 移動(dòng)通信一直與嵌入式密切相關(guān)，對移動(dòng)互聯(lián)的支持也是嵌入式GIS研究的另一個(gè)重要的方向。
針對不同的嵌入式操作系統，嵌入式GIS的發(fā)展各不相同。目前主流的嵌入式GIS應用主要包括以下三個(gè)方面。
第一，Palm OS主要面向低端市場(chǎng)，目前市場(chǎng)占有率第一，其特點(diǎn)是突出功能的實(shí)用。通常采用Palm OS的嵌入式設備的硬件配置都較低。由于Palm OS自身的局限性，其在圖形處理上較弱，這就使得其上GIS產(chǎn)品在可視化上有很大的局限性。如：Magellan公司的Map Companion軟件，它把城市地圖分成了更小的區域，最小的地圖數據單位占用的空間通常只有幾K 到十幾K，總體上滿(mǎn)足了大多數用戶(hù)的需求。
第二，Windows CE主要面向中高端市場(chǎng)，沿襲了微軟Windows產(chǎn)品的風(fēng)格，功能十分強大，尤其在多媒體處理方面更是絕對領(lǐng)先于其他嵌入式操作系統，在其上的GIS軟件產(chǎn)品能輕松地實(shí)現各種地理信息服務(wù)。這一方面的軟件代表有：靈圖軟件公司的“天行者”和北京超圖的eSuperMap。
第三，EPOC是面向無(wú)線(xiàn)通信中的高端市場(chǎng)，主要應用是智能電話(huà)，從功能上講也就是移動(dòng)電話(huà)與PDA的結合，EPOC的通信功能十分強大。這一方面代表的軟件為“天行者”，它在EPOC操作系統上除實(shí)現了地圖瀏覽、查詢(xún)等功能外，還實(shí)現了最佳路徑分析、用戶(hù)標注、發(fā)送標注、并能與基站定位服務(wù)器相連實(shí)現移動(dòng)電話(huà)定位等功能。
不難看出，隨著(zhù)移動(dòng)信息終端的發(fā)展，嵌入式GIS將與定位信息服務(wù)（Location Based Services）融合在一起，將成為今后GIS主要的發(fā)展方向。（陳鵬）
國內篇
第四代GIS以數據為中心
在我國，國產(chǎn)GIS軟件已占領(lǐng)三成以上的GIS市場(chǎng)，這足以說(shuō)明我國的GIS產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成。GIS軟件從無(wú)到有，以至今天的普及應用，它已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)階段，單從技術(shù)角度來(lái)看，目前仍然存在著(zhù)不少問(wèn)題。第四代GIS軟件理論和技術(shù)必須有一個(gè)大的變革，即應該具備支持數字地球（區域、城市）的能力，并實(shí)現由以系統為中心向以數據為中心的重大轉變。
對于ESRI倡導的g.net結構，國內GIS用戶(hù)是如何看待的呢？他們將持哪種態(tài)度？記者采訪(fǎng)了國家遙感中心專(zhuān)家委員會(huì )副主任方裕教授。方教授認為，g.net只是ESRI為全球GIS用戶(hù)所描繪的未來(lái)GIS社會(huì )的美好藍圖，這是GIS發(fā)展的趨勢所在。從GIS產(chǎn)業(yè)的角度來(lái)看，盡管我國的GIS廠(chǎng)商大多屬于中、小企業(yè)，缺乏像ESRI、EDS、Autodesk等這樣有實(shí)力的公司。為此，國家將投入大量資金來(lái)扶植這些企業(yè)，使他們快速發(fā)展起來(lái)。但從技術(shù)角度對比來(lái)看，我國GIS技術(shù)的研究與國際水平相當，基本處于第三代水平，市場(chǎng)上已經(jīng)涌現出了很多高水平的GIS軟件，如：MapGIS、GeoStar、SuperMap和MapEngine等，目前正在朝著(zhù)第四代GIS方向發(fā)展。
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。它要實(shí)現四種轉變：由二維處理向多維處理的轉變；由面向地圖處理向面向客觀(guān)空間實(shí)體及其時(shí)空關(guān)系處理的轉變；由以系統為中心向以數據為中心，實(shí)現空間數據共享與服務(wù)的轉變；由管理型向分析決策型的轉變。
技術(shù)特點(diǎn)
面向空間實(shí)體的數據組織與融合 第四代GIS改變以圖層為基礎的組織方式，實(shí)現直接面向空間實(shí)體的數據組織；實(shí)現不同尺度空間數據的互動(dòng)和矢量、影像數據的互動(dòng)；實(shí)現多維屬性與嵌套表組織；實(shí)現多源空間數據的裝載與融合，支持數據倉庫機制；強大的索引機制。
統一的海量存儲、查詢(xún)和分析處理 第四代GIS支持TB級以上的空間數據存儲；有效的空間、屬性一體化管理、查詢(xún)機制；面向問(wèn)題的分析、處理手段和工具；以空間數據為基礎的數據挖掘；聯(lián)機事務(wù)處理(OLTP)與聯(lián)機分析處理(OLAP)；擴充的、支持空間的“關(guān)系”概念與“關(guān)系運算”。
有效的分布式空間數據管理和計算 第四代GIS具有多用戶(hù)同步空間數據操作與處理機制；數據、服務(wù)代理和多級B/S體系結構；異種GIS系統互連與互操作；空間數據分布式存儲與數據安全；空間數據高效壓縮與解壓縮。
一定的三維和時(shí)序處理能力 空間數據的增量存儲與快速還原能力；時(shí)空數據處理與分析機制；混合式三維空間數據模型；快速廣域三維計算和顯示； 數據空間化。
強大的應用集成能力 有效的遙感、地理信息系統、全球定位系統集成；強大的應用模型支持能力；GIS與MIS、特別是ERP的有機集成；GIS與OA的有機集成；GIS與CAD的有機集成；GIS與DCS的有機集成；有一定實(shí)時(shí)能力、微型化、嵌入式GIS與各類(lèi)設備的集成。
靈活的操縱和虛擬現實(shí)能力 多通道用戶(hù)界面；數據空間化與可視化支持；一定的虛擬現實(shí)表達；模型定義語(yǔ)言及其支持機制。
體系結構
第四代GIS軟件的核心部分是空間、屬性數據的組織、管理、操縱、分析、表達以及與其它應用軟件的集成接口（包括應用模型定義接口）。為了適應分布式處理和互操作的要求，還需要有大量的空間數據處理中間件，制定一系列的數據、服務(wù)傳輸協(xié)議。而空間數據的采集、加工與分析結果的制圖輸出等功能可以作為外圍部件，與核心部分配套。
其中，空間數據模型與組織是第四代GIS軟件的關(guān)鍵，體現了新一代GIS的設計策略和實(shí)現方法學(xué)；空間數據元數據與服務(wù)規范、空間數據計算與傳輸中間件是系統的兩大支柱，保證了GIS軟件的開(kāi)放性和標準化。它們集中體現了第四代GIS技術(shù)上的創(chuàng )新與跨越。
實(shí)現策略
方裕強調，第四代GIS軟件的研究與開(kāi)發(fā)是我國在這一領(lǐng)域攀登世界高峰的重要舉措，具有重要的科學(xué)意義和巨大的應用前景。這項工作必須取得國家的支持和鼓勵，在國家科技計劃的統一安排和指導下，動(dòng)員全國的力量，堅持科技創(chuàng )新和跨越式發(fā)展，加強學(xué)科交叉，走產(chǎn)業(yè)化的道路，有計劃、有步驟地進(jìn)行。
方裕最后指出，完整的第四代GIS軟件的實(shí)現既涉及理論、方法的研究與創(chuàng )新，需要構建一個(gè)新的理論體系，又需要有許多關(guān)鍵實(shí)現技術(shù)的突破，還需要工程化的軟件實(shí)現，從而形成新的技術(shù)體系和新的產(chǎn)品，具有很高的難度，決不是可以一蹴而就的事情。因此，要抓住空間數據模型與組織這個(gè)關(guān)鍵，實(shí)施重點(diǎn)突破的方針，逐步完善各項機制，用漸進(jìn)的方式實(shí)現第四代GIS軟件的最終目標。
前三代GIS：只適用于地圖處理
GIS是一類(lèi)獲取、處理、分析、表示并在不同系統、不同地點(diǎn)和不同用戶(hù)之間傳輸數字化空間數據的計算機應用系統。自從1960年加拿大測量學(xué)家Roger F Tomlinson提出“要把地圖變成數字形式的地圖，便于計算機處理與分析”的觀(guān)點(diǎn)以來(lái)，GIS技術(shù)通過(guò)近40年的發(fā)展，盡管已經(jīng)實(shí)現了三次跳躍（詳見(jiàn)表），就目前GIS軟件的應用現狀來(lái)看，仍然存在著(zhù)不少問(wèn)題，如：以圖層為處理的基礎，處理能力、尤其大范圍、跨圖幅區域靈活處理能力較弱；二維的空間數據組織與管理，限制了應用范圍；靜態(tài)、單時(shí)相空間數據組織與管理，限制了分析決策事務(wù)的實(shí)現；基本上以系統為中心，不同系統之間壁壘比較分明，數據共享與服務(wù)共享困難等等。究其原因，主要因為目前GIS軟件仍然是Tomlinson型，基本上只適用于地圖處理，由于許多關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，目前IT領(lǐng)域中許多行之有效的處理機制與實(shí)現技術(shù)還沒(méi)有在GIS軟件中得到充分體現。
盡管地圖一直是我們認識空間世界的一種主要且有效的工具，但確實(shí)存在著(zhù)許多固有的缺陷。GIS為我們提供了全新的管理、使用空間信息的手段。隨著(zhù)人類(lèi)獲取數字化空間數據的手段和能力的不斷提高，地圖作為空間數據進(jìn)入GIS系統的主渠道作用將會(huì )越來(lái)越弱，最終將回歸到作為GIS處理、分析結果的表現形式之一。因此，我們需要的不僅僅是將地圖存入計算機，而是要將地球（哪怕是一部分）存入計算機，以空間位置為框架集成各類(lèi)信息。新一代GIS軟件理論和技術(shù)必須有一個(gè)大的變革，才能適應需要。
前三代gis技術(shù)對比
第一代
第二代
第三代
時(shí)間
20世紀60年代中期到80年代的中后期
20世紀80年代末到90年代中期
20世紀90年代中期開(kāi)始至今
主要特征
是gis軟件從無(wú)到有、從原型到產(chǎn)品的階段。由于條件的限制，這一階段的gis軟件存在許多不足。
由于網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)成熟并廣泛應用，gis軟件成熟和應用快速發(fā)展的時(shí)期，但仍然沒(méi)有發(fā)生根本的變化。
gis應用已逐漸滲透到人類(lèi)生活的各個(gè)方面，開(kāi)始具備作為應用集成平臺的能力。
處理方式
以圖層作為處理的基礎，各類(lèi)查詢(xún)與計算只能在同一圖層中進(jìn)行。
以圖層作為處理基礎，可進(jìn)行數據查詢(xún)，但仍限制在同一圖層之內。
以圖層為處理的基礎，商用dbms相繼實(shí)現了對空間數據的管理，但仍不夠完善。
系統集成
以系統為中心，不同的gis系統基本上沒(méi)有聯(lián)系。與其它的軟件工具不存在集成關(guān)系。
以系統為中心，屬性數據利用商用dbms來(lái)管理，與其它系統的集成能力略有增強，但仍然比較弱。
以系統為中心，屬性數據利用商用dbms來(lái)管理，與其它系統的集成能力略有增強，但仍然比較弱。
操作模式
單機、單用戶(hù)，無(wú)法實(shí)現分時(shí)操作模式。
多機、多用戶(hù)，gis軟件也轉向c/s結構，但仍是“胖client”類(lèi)型。
多機、多用戶(hù)。
二次開(kāi)發(fā)
全封閉結構，支持二次開(kāi)發(fā)能力非常弱。
支持二次開(kāi)發(fā)的能力有所增強，但靈活性仍受限。胖client”類(lèi)型。
支持二次開(kāi)發(fā)的能力較強。
實(shí)現技術(shù)
在主要實(shí)現技術(shù)上，以文件系統來(lái)管理空間數據與屬性數據。
以商用dbms管理屬性數據，但空間數據仍用文件系統管理。
開(kāi)始向以數據為中心的方向過(guò)渡，實(shí)現一體化存儲和初步的一體化查詢(xún)。
應用領(lǐng)域
基本上集中在資源與環(huán)境領(lǐng)域的管理類(lèi)應用。 ?
開(kāi)始有較大范圍的擴展，但基本上是管理類(lèi)應用。
應用領(lǐng)域迅速擴大，應用深度不斷提高，開(kāi)始具有初步的分析決策能力。
