《地理信息系统原理》笔记/期末复习资料（13. 地理信息系统的发展趋势）

目录

13.?地理信息系统的发展趋势

13.1.?互操作GIS

13.1.1.?传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题

13.1.2.?GIS互操作的概念

13.1.3.?开放式地理信息系统（OGIS）及其特点

13.1.4. OGIS的组成部分

13.1.5.?OGIS的实现技术

13.2.?GIS的集成化

13.2.1.?GPS、RS与GIS的集成

13.2.2.?GIS多源空间数据集成

13.2.3.?GIS与应用模型集成

13.2.4.?GIS与专家系统的集成

13.2.5.?GIS应用平台集成

13.2.6.?GIS与多媒体技术集成

13.3.?GIS的大众化和信息服务

13.4.?嵌入式GIS

13.5.?网格GIS

13.5.1. 网格GIS概念

13.5.2. 网格GIS体系结构

13.6.?网格GIS实现技术

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13.?地理信息系统的发展趋势

地理信息系统是多学科集成的空间信息系统，地理信息系统的目标是资源管理、资源开发、宏观决策和资源信息服务。地理信息系统本身的综合特性，决定了它具有广泛的用途，这就是地理信息系统自从产生以来就得到迅猛发展的原因。随着地理信息系统产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS将深入到各行各业以至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。

然而，地理信息系统仍然面临着多方面的挑战，急切地需要增强自身的适应能力，即是说GIS还存在着很多弱点需要尽快地解决。

13.1.?互操作GIS

目前的地理信息系统大多是基于具体的、相互独立和封闭的平台开发的，它们采用不同的空间数据格式，对地理数据的组织也有很大的差异。这使得在不同GIS软件上开发的系统间的数据交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分解决问题。另外，不同的应用部门对地理现象有不同的理解，对地理信息有不同的数据定义，这就阻碍了应用系统之间的数据共享，带来了领域间共同协作时信息共享和交流的障碍，限制了地理信息系统处理技术的发展潜力。

地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS的社会化和大众化等客观需求使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本，实现地理数据的共享和互操作成为共识。互操作地理信息系统（Interoperable GIS）的出现就是为了解决传统GIS开发方式带来的数据语义表达上不可调和的矛盾，这是一个新的GIS系统集成平台，它实现了在异构环境下多个地理信息系统或其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。这一过程对于实现语言、执行环境和建立模型是透明的。

1996年，美国成立了开放地理信息系统联合会（OGC，Open GIS Consortium），由来自GIS和计算机销售商、集成部门、通讯部门、数据库发展商、联邦机构以及多所大学等100多个机构的代表组成，旨在利用其提出的开放地理数据互操作规范（OGIS）给出一个分布式访问地理数据和获得地理数据处理能力的软件框架，各软件开发商可以通过实现和使用规范所描述的公共接口模板进行互操作。OGIS规范是互操作GIS研究中的重大进展，它在传统地理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构地学处理环境间架起了一座桥梁。目前，OGIS规范初具规模，很多GIS软件开发商也先后声明支持该规范。国内的一些具有战略眼光的GIS软件商也在密切关注着OGIS规范，并已着手开发遵循该规范的基础性GIS软件，这些都引导着 GIS 向着Interoperable GIS 的方向发展。

13.1.1.?传统GIS在数据标准化上的缺陷和面临的新课题

自加拿大国家地理信息系统（CGIS）正式运行四十多年来，GIS在技术和理论上都取得了巨大的进步，其应用领域涉及到资源、环境、人口、农业、林业、水利、地矿、交通、通讯、城市建设、教育、科研和国防等多个方面。然而，由于缺乏统一的标准，传统GIS存在的缺陷越来越明显，主要表现在以下三个方面：

（1）GIS基础平台层

目前，国内外的GIS基础软件多达几十种，如国内的MapGIS，GeoStar，CityStar，ViewGis，Grow等；国外的ARC/INFO，ArcView，MapInfo，TITAN，GENAMAP等。从事基础软件开发的不同软件厂商都采用自定义的空间数据格式和数据组织方式来存储与管理数据，采用自定义的数据操作流程来处理数据。因此，各个GIS基础平台之间相互封闭和独立，数据的共享只能通过冗余的数据格式转换来进行。

（2）GIS应用系统层

不同领域的GIS应用系统建立在不同的相互封闭的GIS基础平台上。它们面向具体的应用背景，实现时采用的数学建模方法也不同，因而也是相互独立的，在语义表达上往往存在着不可调和的矛盾，被称为“信息孤岛”。

（3）GIS最终用户层

GIS工程包括硬件、软件、应用开发和人员培训等多个方面的建设，是一项投资巨大的系统工程。由于目前各个GIS基础平台和应用系统之间的封闭和独立，最终用户也不得不“从一而终”，就更难以实现存储在异构地理数据库中的地学空间信息的集成。

在过去的几十年中，不兼容的数据格式和数据结构阻碍了地理信息系统之间的互操作，如今，在Internet环境中，不兼容性又限制了GIS技术在企业和生活中的使用。地理数据转换所需的时间、费用和特定的需求降低了地学信息处理资源的利用率。

飞速发展的计算机网络和不断拓展的GIS应用领域实际需求给GIS的进一步发展提出了新的要求：

（1）地理数据的继承和共享

传统的GIS在数据标准化上的不力造成的最大的弊端就是地理空间数据障碍，即现存的地理空间数据产品采用不同的坐标系统和数据存储格式，互不兼容。而采集数字化地理空间数据非常昂贵，由互操作性差带来的冗余数据转换操作的开支占了GIS数据转换和综合成本的60%到85%，这个高成本导致了地理空间信息的匮乏，降低了GIS的发展速度。倘若这个问题能得以有效解决，GIS产业就能创造出比现在多10倍到20倍的效益。同时，在几十年GIS应用系统的运作中也生成了大量特定格式的数据。如何充分利用这些宝贵的数据，如何能不经过复杂的数据转换或冗余的拷贝制作就直接使用这些异质、远程的地理数据是一个亟需解决的问题。

（2）地理操作的分布和共享

GIS处理的空间数据具有数据量大的特点，例如仅测绘部门的全国1：25万地形数据库的数据量就达到4.5GB（千兆），又如一仅包含七个波段的Landsat TM影像的数据量达到270兆，而统计覆盖全国的TM影像的数据量将达到135GB。单一的主机显然无法满足海量数据的操作和运算。如何使巨量的计算均衡地分布到网络中具有相应计算能力的计算平台上已成为对GIS分布计算的新要求。

（3）GIS社会化的要求

WWW和TCP/IP推动着Internet成为最广泛的分布式计算平台。GIS逐步成为信息社会和信息基础设施的重要组成部分。通过收集和整理各类与居民生活密切相关的信息，并在Internet上发布，为国民提供即时、周到的信息服务成为提高国民信息待遇的实现途径，这是GIS社会化研究的课题。

总的来说，尽可能地降低采集、处理地理数据的成本，促进地理数据的共享已经成为共识，这就引导着GIS向互操作GIS（Interoperable GIS）的方向发展。

13.1.2.?GIS互操作的概念

互操作是指在异构环境下的两个或多个实体，尽管它们实现的语言、执行的环境和基于的模型不同，但仍然可以相互通信和协作，以完成某一特定任务。这些实体包括应用程序、对象、系统运行环境等。从另一方面说，互操作在软件工业上意味着界面的完全开放，系统间的自由数据交换，和用户交换作用上的公共性。

GIS互操作是具有不同数据结构和数据格式的GIS系统的集成。以互操作标准开发的不同GIS应用系统之间能动态地进行相互间的功能调用，数据集之间可以透明地访问，从而允许用户通过网络实时获取不同系统中的地理信息，避免了冗余数据存储，这是实现地理空间数据共享的一次深刻的技术革命。

不同GIS系统之间的互操作可在不同层次上予以实现，如下图所示：

在资源发现层，可通过元数据的方法实现资源描述及其目录，解决需要互操作的对象的定位问题，并对这些对象进行描述和登记。

互操作在资源转换层解决不同来源的空间信息在数据结构和模式上的异构性。

应用服务层上的互操作提供不同部门和信息界之间交互地理空间信息的处理和分析功能，实现的方法可采用分布式计算技术和面向对象技术。

语义层上的互操作功能是在不同信息界之间提供语义交换，可以通过各个信息界的行业信息标准以及相互对应规则，以及基于对共同的基础地理信息及理论的认识来实现。

机构层上的互操作是地理信息系统中最高层次的互操作，也就是我们通常所说的信息共享，它涉及到政策、文化和价值等不同的层面，需要机构间的协调和一致，并对语义层的互操作产生影响。

图14-1中的GIS互操作的实现只能是由下至上，可以依靠元数据、空间数据交换站、空间数据交换标准、开放地理空间数据转换标准以及已有的较为成熟的计算机技术（如COBRA、ActiveX/COM等分布式计算平台）首先实现图中底层的互操作，再研究如何进行更高层次上的信息共享。目前，在技术上，美国开放地理信息系统协会已做了许多基础性工作，正在全球范围内努力推动互操作GIS的发展。

13.1.3.?开放式地理信息系统（OGIS）及其特点

OGIS是由美国开放地理信息联合会（OGC——OpenGIS ?Consortium）制定的开放地理数据互操作规范的简称。按照定义，OGIS为软件开发者提供了一个接口框架，用户可以在一个开放信息技术环境中通过一致的计算接口访问和处理不同来源的地理数据。为了实现不同应用程序间可互操作地理数据，OGIS为这些数据规定了各种数据标准类型和在这些标准类型上所实施的操作，以及如何将这些标准数据类型组织成应用程序之间交互的地理数据；它还规定了共享地理数据操作的规范，应用程序可以通过这些规范，得知提供地理操作的服务及如何请求这些服务；或者从服务提供者的角度来看，得知一个请求是数据请求还是服务请求。

OGIS的这些规范是建立在现有的和将要成为标准的分布计算平台的基础之上的，因此，它并不涉及如何将不同运行环境中的应用程序连接起来相互通讯的问题。为了利用以往的地理数据，保护原有投资，以及保证将来方便地引入新的管理、操纵地理数据的方法，OGIS规范也不定义如何存储地理数据和处理地理数据的方法。

应用程序之间真正意义上的地理数据共享或者互操作，不仅在于双方能理解相同的数据格式，更重要的是对这些地理数据中所包含的应用意义也有一个共同的理解，这种语义上的一致是由互操作地理数据的应用团体双方达成的。而 OGIS则为这种一致的达成提供了语义表达与转换机制。OGIS将使用或生产不同应用意义地理数据的团体或应用程序划分为不同的信息团体，地理数据中保存的描述应用语义的数据将由这些信息团体来处理和转换。

OpenGIS规范是开放互操作的重大进展，是地学数据互操作规范OGIS(Open Geodata Interoperability ?Specification)的最高层次。OpenGIS使得我们可以在网络环境下访问异构地理数据和地理处理资源，它通过OGC制定的开放式地理空间数据互操作规范来实现。

从下图可以看出，OGIS规范和协议是开放式应用软件和开放式应用软件开发平台的基础。

OGIS为应用程序和应用程序开发平台提供了一个一致的、开放的接口，使得遵循OGIS规范的应用程序可以实现无缝的地理数据共享和地理操作共享。

基于OGIS的应用程序或软件组件具有如下优势：

1.互操作性?OGIS提供地理数据和地理操作的标准接口，这些接口支持孤立系统和网络，以完成应用程序之间的地理数据访问和交换；分布式的客户/ 服务器结构的地理操作和分布式对等实体的地理操作。

2.支持信息团体性?具有不同的应用背景的用户可以方便地交换地理数据而不会造成语义的误解和损失。

3.普适性?通过OGIS定义的标准接口和协议，所有的应用程序，无论是属于哪个专业领域，都可以方便地处理地理数据。

4.兼容性?由于OGIS并不定义地理数据的存储格式和处理方法，因此基于OGIS的应用程序将能够与旧有的地理数据保持兼容。

5.可移植性?OGIS独立于软件、硬件及网络环境，因此，它不需修改便可在不同的计算机上运行。

6.可扩展性?硬件方面，可在不同软件、不同档次的计算机上运行，其性能和硬件平台的性能成正比；软件方面，可以随着新的地理数据类型和处理方法的发展而发展，它具有容纳新的地理数据处理技术和新的分布计算平台技术的能力。

7.可伸缩性?基于OGIS的应用程序通常由相对独立的软件组件构成，这些组件可以为各种计算环境重新配置，而不必考虑数据量的大小。

13.1.4. OGIS的组成部分

OGIS软件框架主要由3部分组成：统一的开放式地理数据模型；统一的地理操作服务模型和实现团体间的地理数据和操作资源共享的信息团体模型。

1.开放式地理数据模型

OGIS提供了一个与程序设计语言、硬件设备和网络环境无关的开放的地理数据模型（Open Geodata Model，OGM）。这个地理数据模型以易于理解的地理要素（Feature）为核心，以面向对象的分析方法规定了地理要素的定义、空间属性、语义属性和与其它地理要素的关系，以及地理要素模式等元数据的定义和表示。

在OGM中，现实世界的地理事件分为两类：

实体（Entities）—— 占据一定空间范围的可区分的对象，例如：建筑物、河流、田地、观测站等。

现象（Phenomena）—— 在空间中连续变化，但又不占据特定的空间，现象的值或描述只有相对于空间中的某一点才有意义，例如：温度、人口密度等。

和现实世界的抽象对应，在OGIS中的基本对象是要素（Feature）和覆盖层（coverage）。要素是对现实世界中实体的抽象或描述。它可以代表任何存在于时间和空间中的事物。要素通常分组来管理，称为要素集。覆盖层是时间/空间范围中的一个地点到一个值（可以是任何类型）的关联。覆盖层是时间/空间域到属性域的函数。覆盖层通常用来表示现象。现实世界、抽象模型和OGM之间具有如下图所示的对应关系。

要素可以递归包含，即要素中的某个属性的值可以是另一个要素或要素集或覆盖层。一般认为，与要素的空间几何属性无关的“属性数据”在要素属性中分为记录要素性质的数据（语义属性），如土壤PH值等；和描述要素中数据的数据（元数据），如数据采集时间等。

在具体的要素中，将与空间坐标相关的属性抽取出来，称为几何体。在OGM中，采用0、1、2和3维拓扑来表示几何体，具体见下表。

几何体实际上是一个坐标几何体和一个时间－空间参照系的联合，包括如下四项：

（1）同一参照系中的一个坐标点序列；

（2）同一参照系中的其它几何体的集合；

（3）一个几何体构造的算法，这个算法构造出的几何体间接地定义了几何体的空间范围（如一个多边形几何体构造“外接矩形”的算法）；

（4）一个将坐标几何体与它在现实世界中的“位置”相对应的时间－空间参照系，如由以下参照系类型实例化的参照系 ：墨卡托投影、经纬度等。

实体在OGM中的表示法

实 体	表示法	含? 义
点	0维	表示位置
曲线	1维	表示线弧等
表面	2维	表示面积
立体	3维	表示体 积

2.信息团体模型

所谓信息团体指的是这样一个人群，他们在特定的时间内使用相同的数字化地理信息系统术语和相同的空间要素定义，即是说他们在地理抽象、要素表示和元数据方面有着相同的看法和约定。

信息团体模型（Information Communities Model，ICM）主要任务是解决具有统一的OGM及语义描述机制的一个信息部门内部以及具有不同OGM及语义描述的信息部门之间的数据共享问题。它采用的主要方法是使用语义转换机制，目的是使具有不同特征类定义以及语义模式的信息用户群之间实现语义的互操作性。语义转换机制实际上是一个语义词汇对照表，表明了信息团体之间地理要素和相应数量之间的对应关系。

3.OGIS服务模型

OGIS服务模型（OGIS Services Model，OSM）是定义地学数据服务的对象模型，由一组相互可操作的软件构件集组成，为对要素的访问提供对象管理、获取、操作、交换等服务设施。具体地说，它有以下几方面的功能：

（1）提供了一种方法，通过它能从OGM的数据类型构成具体的数据模型，查询数据以及将可共享的数据编制成目录。

（2）提供了一种机制，通过它能定义和建立信息团体以及建立它们之间的联系。

（3）提供了一种手段，使得能对OGM定义的数据类型，用户定义数据类型以及其它的功能进行操作。

OGIS服务模型中主要的结构有目录（Catalog）和注册表（Registry）。目录是一种树状、可嵌套的索引结构，通常用来公布地理数据和地理数据模型。注册表则是一种类似数据库的索引，可以实现按照名字检索，同时具有服务提供的性质。通常用来告诉和执行信息团体所提供的地理操作，以及登记新的类型、产生类型的实例。

服务模型中还定义了专门负责信息团体之间信息交换的独立实体——信息代理（Trader）。信息代理就象一个中间商，它可以将信息团体提供的目录和注册表信息“转售”给另一个信息团体的用户，或者接受用户的委托，执行相应的地理操作并将结果返回给用户。

13.1.5.?OGIS的实现技术

1.面向对象技术和分布计算技术

面向对象技术的出发点是尽可能使软件系统是对现实世界的直接模拟，尽可能地将现实世界中的事物直接映射到软件系统中，其主要特点是将数据的定义及操作封装在一起，并且有继承、多态和封装等特性。在OGIS中，从开放式地理数据模型到开放式地理服务模型，面向对象技术都是无所不在的。例如，把数据类型及操作都封装在一起，将共同的接口提供给用户，用户不需知道其具体的实现过程；数据是隐藏在对数据进行操作的接口之中的，对具体功能实现的改变不影响到其接口；为了定义更具体的对象，可以继承基本对象的特性，再增加一些更具体的方法。

分布计算是指分布处理系统中的计算和数据处理工作，分布计算环境是提供分布处理的服务和工具。建立分布计算环境，必须遵循开放系统原则。OGIS是在分布处理环境之上考虑的，尽管它的目标是实现独立于分布处理平台的标准和接口，但实现OGIS必须以分布处理环境为依托。

2.开放式数据库互连（ODBC）

ODBC是一个用于访问数据库的统一界面标准。它实际上是一个数据库访问库，它最大的特点是应用程序不随数据库的改变而改变。ODBC的工作原理是通过使用驱动程序（driver）来提供数据库独立性。而driver是一个用以支持ODBC函数调用的模块，应用程序通过调用驱动程序所支持的函数来操纵数据库，不同类型数据库对应不同的驱动程序。

OGIS和ODBC的思想类似。OGIS是为了访问不同GIS软件而研制的统一标准接口，使不同GIS软件之间能进行相互操作，但它和API（应用程序接口）又有所不同。API与操作系统和程序设计语言有关，而OGIS中的接口更抽象、更独立。

3.分布式对象技术

分布式对象技术是建立在网络基础上的。它是建立在组件（Component）的概念之上。组件可以跨平台、网络、应用程序运行。

分布式对象技术追求的目标是无缝连接和即插即用，而实现这一理想的关键在于解决重用和互操作问题，这里“重用”是指一个构件具有通用的特性，所提供的功能能为多种应用软件系统使用；“互操作”是指来源不同的构件能相互协调、相互通信，共同完成更复杂的功能。因此，它的核心是用统一的标准协议通信来解决对象跨平台的连接和交互问题。

13.2.?GIS的集成化

地理信息系统集成是GIS向纵深和外延发展的必然结果，是由GIS技术特点和在信息化中的地位决定的，也是GIS发展的最高水平。地理信息系统的集成主要有两大方向：一是系统间的集成，属横向集成；二是系统内的集成，属纵向集成。前者扩大了GIS的外延作用，后者强调了GIS的内部优化和功能。

GIS作为地理空间数据存储、管理和分析的工具，不是独立存在的，与现代信息技术及其系统之间关系十分密切，有的甚至可以认为就是其必要的组成部分。如遥感技术、全球定位技术、计算机网络技术、现代通信技术、图像处理系统、专家系统、计算机制图系统、虚拟现实系统、多媒体系统等。与这些技术和系统的集成，极大地扩展了GIS数据采集、数据处理、数据分析、数据显示的能力，拓展了GIS的应用范围。如GIS与遥感技术的集成，极大地增强了数据的获取与更新能力；与GPS的结合，产生了GIS导航系统；与专家系统的集成，产生了智能GIS；与计算机网络技术、现代通信技术的集成，产生了网络G[S、移动GIS、无线GIS；与多媒体技术集成，产生了多媒体GIS；与虚拟现实技术集成，产生了虚拟现实GIS等。

同样，GIS内部及GIS的系统之间也存在着集成问题。由于GIS技术早期自由发展和商业化的原因，数据格式和系统功能定义存在普遍的异构，造成了严重的信息鸿沟和技术壁垒。集成是解决这些问题的惟一途径。在GIS内部，由于空间数据和属性数据在结构上的差异，数据的多源性、多尺度性(多空间维尺度、多时间尺度、多分辨率尺度、多比例尺)和数据质量（如精度不同）的差别、数据库的分布性、数据分析应用模型的各异性、软件系统开发技术的多样性等也需要进行集成（李建松，2006）。

13.2.1.?GPS、RS与GIS的集成

虽然GIS在其理论和应用技术上有了很大的发展，但单靠传统GIS的使用却不能满足目前社会对信息快速、准确更新的要求。而与GIS独立、平行发展的全球定位系统（GPS）和遥感（RS）为GIS适应社会发展的需求提供了可能性。

GPS是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。

RS在过去的20年中已在大面积资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用。在未来几年之中还将会在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率三个方面，全面出现新的突破。近几年，科学家们和应用部门逐渐地认识到，单独地运用上述三种技术（“3S”技术）中的一种技术往往不能满足一些应用工程的需要。事实上，许多应用工程或应用项目需要综合地利用这三大技术的特长，方可形成和提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的能力。“3S”技术的集成应用于工业、农业、环境监测、交通运输、导航、捕鱼、公安、消防、保险、旅游等不同行业，将产生愈来愈大的市场价值。

目前，国际上“3S”的研究和应用开始向集成化(或一体化)方向发展。在这种集成应用中：

• GPS主要被用于实时、快速地提供目标，包括各类传感器和运载平台(车、船、飞机、卫星等)的空间位置。

• RS用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时地对GIS进行数据更新。

• GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。

1.“3S”技术集成中需要解决的理论问题和关键技术

为了实现真正的“3S”技术集成，需要研究和解决“3S”集成系统设计，实现和应用过程中出现的一些共性的基本问题。

（1）“3S”集成系统的实时空间定位

研究“3S”集成系统的传感器实时空间定位以及系统行进过程中快速确定相关地面目标的方法和实现技术。

（2）“3S”集成系统的一体化数据管理

?研究“3S”数据的集成管理模式、数据模型，设计和发展相应的数据管理系统，以实现图形、图象、属性、GPS定位数据等的一体化管理，为“3S”的集成处理和综合应用提供基础平台。

（3）语义和非语义信息的自动提取理论与方法

研究从航空、航天遥感数据和CCD立体对象中自动、快速和实时地提取空间目标位置、形状、结构及相互关系和空间目标的语义信息的理论与方法。

（4）基于GIS航空航天遥感影象的全数字化智能系统及对GIS数据库快速更新的方法

研究如何依托已建立的GIS系统来实现航空、航天遥感影象的智能化全数字过程，并从中快速发现在哪些地区空间信息发生了变化，进而实现GIS数据库的自动/半自动快速更新。

（5）“3S”集成系统中的数据通讯与交换

数据通讯是“3S”技术集成中的一个关键问题。例如在环境监测、灾害应急、自动导航和自动加强系统中，需将GPS记录数据和遥感成象数据(CCD记录和雷达记录等)实时传送到信息处理中心或反之将所有数据传送到量测平台上去，为此，需要研究：数据单向实时传送的理论和方法、数据双向实时传送的理论和方法以及数据交换的理论和方法。

（6）“3S”集成系统中的可视化技术理论与方法

“3S”集成系统中将有不同分辨率、不同时相的大量图形和影象数据，需要研究它们的多级分辨率和多尺度表示在各种介质和终端上的可视化问题。

（7）“3S”集成系统的设计方法及CASE工具的研究

主要研究基于计算机辅助软件工程(CASE)技术的“3S”集成系统的设计方法和软件开发、维护的自动化技术，设计和发展专用于“3S”集成系统设计的CASE工具。

（8）“3S”集成系统中基于客户机/服务器的分布式网络集成环境

“3S”集成系统研究是一项涉及到多专业、多用户、多数据的综合研究课题，它需要一个强大而又有效的硬环境支持。 这其中包括：多种软件系统（GIS软件ArcGIS、QGIS等，全数字化摄影测量系统VirtuZuo，遥感图象处理系统ERDAS、ENVI，GPS数据处理软件等）的综合使用； 多类型数据的快速传输；多用户的工作方式。 该项研究应根据“3S”集成系统研究的特点与特殊要求，为“3S”集成研究设计提供一个多种空间信息数据获取方式与地理信息管理系统融为一体的基础研究环境。这种集成化环境的研究完成，可以将多种数据集中在一起实现共享，特别是网络化的数据传送方式可以快速有效地将数据传送到各用户，为“3S”集成的演化研究提供条件。

2.“3S”集成模式

（1）“3S”系统的部分系统的集成

GPS+GIS，即利用GIS中的电子地图和GPS接收机的实时差分定位技术，可以组成各种电子导航系统，可用于车船自行驾驶，航空遥感导航等。 RS+GIS，对于各种GIS，RS是其重要的外部信息源，是其数据更新的重要手段。 反之，GIS则可为RS的图像处理提供所需要的一切辅助数据，以增大遥感图像的信息量和分辨率，提高解释精度。 RS+GPS，GPS是一种高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和实时系统。 由于GPS定位的高度灵活性和定位精确性，由最初的大地测量，发展到控制测量、工程测量、变形监测和航空摄影测量。 GPS作为一种定位手段，可应用它的静态和动态定位方法，直接获取各类大地模型信息，解决RS传感器位置和姿态的快速定位问题，也解决了RS信息的定位问题。 现在GPS与航摄仪(如RC30)连接，在航空摄影瞬间，测定摄影中心的空间位置和航摄仪姿态， 使摄影测量外业控制工作大大简化，从而使卫星遥感信息和摄影测量信息(采用DPS技术)直接进入GIS数据库成为可能。 RS+GPS+GIS，集RS、GPS、GIS技术的功能为一体，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统，为各种应用提供科学的决策咨询，以解决用户可能提出的各种复杂问题。

由“3S”各自的技术特点和发展趋势可见，它们相互依赖、相互需要、相互支持的趋势愈来愈明显，各技术的联合应用日趋增多，集成理论的探索也日益深化。到20世纪90年代初期，各技术系统逐步走向综合或集成，充分显示了学科发展从细分走向综合的规律。

（2）按照集成系统的核心来划分的集成方式

其一是以GIS为中心的集成系统，RS和GPS作为系统的重要信息源和更新手段，充实系统的信息和加强系统信息提取功能，以不断保持系统的现势性。反之，GIS则为遥感的信息提取提供辅助信息和专家思维，提高遥感识别精度和可靠性，并为GPS定位点上所采集的各种数据提供管理、分析、制图等手段。其二是以遥感图像处理系统为中心的集成，该集成系统的特征是数据处理和信息提取。GIS和GPS是为遥感影像处理服务的，如GPS和RS结合，可提高遥感对地观测精度，实现对地动态监测等。

（3）按照系统集成的技术水平级别来划分的集成方式

① 松散的集成模式

三个系统虽彼此独立，但各技术系统拥有自己的用户界面、数据库和工具而在其内部通过数据通讯实现相互结合。

② 三者合一、各取一部的结合模式

这里的合一，并非真正意义上的系统融合，而是三者具有统一的用户界面，但各自仍拥有自己的数据库和工具库。做到的只是表面上无缝的结合，数据传输则在内部通过特征码相结合，这只是某种思想和方法的合一，并非将系统完全融合，系统各取一部，是取各自的技术系统特点，构成专题性实用型的集成系统。

③ 三者完全合一，整体结合的模式

这种结合要求集成系统具有统一的用户界面、统一的数据模型和统一的数据库管理系统及工具库，可同时实现对图形和图像数据的处理，GPS直接与系统相接，为实时动态监测提供定位和导航。要实现该种系统的集成，需要研究的是集成系统的数据模型、数据结构、数据管理、模型分析等问题，使之能有效地处理各种不同来源，不同精度的空间数据。

13.2.2.?GIS多源空间数据集成

1.多源数据的特点

多源空间数据由于获取手段、获取方法、数据记录格式等不同，之间存在明显的差异，表现在如下几个方面：

（1）多语义性

地理系统的研究对象的多种类特点决定了地理信息的多语义性。同一个地理信息单元， 在现实世界中其几何特征是一致的，但却对应着多种语义。它们因解决问题的侧重点不同，产生了不同的解释，造成了语义分异问题。

（2）多时间尺度

时间尺度指数据表示的时间周期及数据形成周期的长短。时间尺度是表达地理特征变化和过程内在规律所必需的条件。多源数据存在这种多时间尺度问题。根据时间周期的长短，地学数据的时间尺度可分为季节尺度数据、年尺度数据、时段尺度数据、人类历史尺度数据和地质历史尺度数据。不同尺度的地学数据在处理上应区别对待，如地质历史尺度、大区域的数据在处理上可以作为常量使用。因为地理过程的连续性，在数据中可以用细小时刻的瞬时状况表示时段的平均状况（闾国年，2003）。

（3）多分辨率

地理空间数据由于多数据源特性，会产生多空间分辨率、多光谱分辨率等问题。

（4）多比例尺

多比例尺是由地图测绘的特点决定的。人们为了反映相同地理区域地形特征的细节程度，采用了不同的测图比例尺。在计算机还没能对数据进行有效的自动综合处理之前，多比例尺数据库的建设是必要的。

（5）多数据格式

多数据格式是由GIS软件和数据生产软件不同的记录或交换格式决定的。是当前无缝集成的主要障碍。

（6）多空间维数

GIS当前主要表达的是二维几何信息，但随着GIS的发展，2.5维数据、3维数据也将成为GIS管理分析的数据内容。

（7）多精度水平

由于数据获取手段、方法、目的的不同，数据的精度会存在差别。

（8）多参考系统

由于数据生产来源不同，不同的部门和应用领域可能提供不同的投影方法和坐标参考系统。GIS的数据分析需要在同一的投影和坐标系统中进行。

（9）多表达形式

在GIS中，矢量数据、栅格数据是常见的形式，随着GIS的发展，DEM数据、正射影像数据、电子扫描数据、多媒体数据等也会成为GIS的重要数据内容。

2.多源数据的集成模式

多源空间数据的集成主要是针对多种底层数据和考虑与越来越多的GIS的数据的集成。主要有三种模式：

（1）数据格式转换模式

这是一种传统的GIS数据集成方式。主要问题是各GIS数据文件之间缺乏同一的语义和结构描述，转换不能完全表达源数据的信息，存在信息丢失问题。数据转换的过程复杂，多数只能通过导入／导出模式进行，往往转换后还要进行编辑，不利于在线数据的处理和分析。另外，这种将数据统一起来的做法，也违背了数据分布和独立性原则。

（2）数据互操作模式

互操作是数据集成的新型模式。它也存在一些局限性。为了真正实现各种数据格式的互操作，需要每种格式的宿主软件都按照同一的规范实现数据访问接口，这在短期内很难实现。而且软件之间的互操作是通过服务器实现的，这两个数据服务器实际就是被访问数据格式的宿主软件，它们需要同时运行才能实现互操作过程。

（3）直接数据访问模式

指一个GIS软件实现对其他软件支持的数据格式的直接访问、存取和空间分析，用户可以使用一个GIS软件存取多种数据格式，其原理是利用空间数据引擎的方法实现数据的无缝集成。它是数据格式转换的理想方式，但构建成本高。

为了解决数据格式转换带来的种种问题，理想的方案是在一个软件中实现对多种数据的直接访问。多源空间数据的无缝集成(Seamless Intergration of Multi-Source Spatial-Data，SIMS) 就是这样一种技术（闾国年，2003；李建松，2006）。

??? ①格式无关数据集成。GIS用户在使用数据时，可以不必关心数据存储于何种格式，真正实现格式无关数据集成。

??? ②位置无关数据集成。如果使用大型关系数据库（如Oracle和SQL Server）存储空间数据，这些数据可以存放在网络服务器甚至Web服务器中，如果使用文件存储空间数据，这些数据一般是本地的。通过SIMS技术访问数据，不仅不必关心数据的存储格式，也不必关心数据的存放位置。用户可以像操作本地数据一样去操作网络数据。

??? ③多源数据复合分析。SIMS技术还允许使用来自不同格式的数据直接进行复合空间

分析。SIMS技术的核心不是分析、破解和转换其它GIS软件的二进制文件格式，SIMS提出了一种内置于GIS软件中的特殊数据访问体系结构。它需要实现不同格式数据的管理、调度、缓存(Cache)，并提供不同格式数据之间的互操作能力。

SIMS的访问机制是：提供了访问多种格式数据的能力，对每一种数据格式的访问最终通过空间数据引擎（Spatial-data Engine）实现。数据提供者由一组空间数据引擎组成，每个引擎负责访问一种数据格式。比如，SQL Server引擎访问存储在SQL Server中的空间数据，oracle引擎访问Oracle Spatial数据库，SDE引擎访问ESRI SDE支持的各种数据库，Arc／Info引擎存取Arc／Info Coverage，等等。为方便引擎的管理和调度，每个引擎具有统一的接口，封装成一个动态连接库-DLL（Dynamic Linking Library）。类似于一些软件的插件（Plug-in或Add-in）机制，引擎DLL存放在特定目录下，程序启动时自动搜索该目录，动态调入并注册。

3.多源数据的融合

一个GIS平台系统要与多种信息管理系统建立数据连接，对各种信息源而言，其数据采集手段、数据模型、物体分类分级标准、属性信息编码及几何位置精度等各不相同，所以当GIS平台系统在引用这些数据时必须经历一个识别、筛选、整合、存储等加工过程——即多源数据融合过程。多源数据融合要解决的主要问题是对数据，特别是空间数据在各种数据库中存在的模型差异、精度差异、几何位置差异和属性定义差异等进行加工处理，在最大限度上实现多种数据源的完全转换或信息共享。

多源数据融合需要做的主要工作是目标编码体系的统一，几何位置、形状的统一，数据模型或结构的统一。融合的算法包括检测层融合、时空层融合、属性层融合和符号层融合等。

4.空间数据的概括(地图综合)

如果要建立现实世界模型，不管是否满意，不进行空间数据的概括是不可能的。在传统的地图绘制方法中，概括用于地图比例尺缩小过程中减少地图表示内容的复杂度，强调精华，摒弃糟粕，维护地图对象间的逻辑关系与唯一关系，以保留地图的审美质量。概括会造成地图目标之间的空间竞争。数字系统（如GIS和数字制图系统）中的空间数据概括可理解为一个在减少特定应用的细节时又最大化了特定应用的信息方面，实现了代表现实世界不同部分模型间的转换处理。

大多数具有制图功能的数据库都对应于一定的比例尺，称之为主导比例尺，其它比例尺（从属比例尺）都小于主导比例尺。理论上，从属比例尺的数据可以从主导比例尺数据经过抽取、整合、重组等产生。这个过程称为地图概括(或地图综合)。如果这个过程在数据分析、显示时，由程序自动完成，则称自动概括（综合）。地图自动综合的目的就是建立从多尺度表示到不依(无)比例尺的无缝的空间数据库。

地图的自动概括虽然不是新的研究课题，但存在着许多难度。人们提出了多种算法，如：面向信息的综合方法，面向滤波的综合方法，启发式的综合方法，专家系统的综合方法，神经元网络的综合方法，分形的综合方法，数学形态学的综合方法，小波分析的综合方法等。但它们并没有完全解决地图综合的所有问题。

13.2.3.?GIS与应用模型集成

GIS与应用模型的集成，既可以发挥GIS空间操作方面的优势，又可以提高GIS应用系统的分析功能，弥补GIS在专业应用领域的分析功能的不足。

1.集成需要解决的问题

要实现GIS与应用分析模型的集成，首先需要解决的问题是GIS与数据模型之间的数据交换的通道问题。因为GIS数据模型主要是矢量模型和栅格模型，它们与多数应用分析模型在对空间离散化的方式存在区别。其次，模型开发人员往往缺乏对GIS功能的认识，未能充分利用GIS的空间分析能力对模型进行重新构造的现象也是可能存在的。三是应用分析模型结构固化，难以调整并融人新的技术方法。四是模型参数的自动获取程度低，缺乏空间数据对模拟结果的可能影响程度的分析。应用分析模型在参数调节上缺乏直观的调节途径，有时需要领域专家的手工调节。五是模型的基本假定与求解方法并未作为整个模型的一个有效成分，不利于用户对模型的选择和使用。

在GIS领域，GIS的数据模型也缺乏应用分析模型所需的时空数据结构，不具有同时处理空间数据和时间数据的结构化可变性问题的能力，也不具备建立和检验模型的直接途径。表现为：

（1）GIS缺乏时序分析能力。

（2）不同GIS之间通常采用导入／导出方式来实现数据交换系统集成，这不适宜连接外部的分析模型。

（3）GIS的时间、空间插值与采样功能比较弱，缺乏有效和通用的空间分析方法。

（4）在三维分析模拟和可视化方面，技术还不成熟（闾国年，2003；李建松，2006）。

2.集成的关键技术

应用分析模型提供了对专业应用领域特定问题的求解能力，而应用分析模型需要的数据、计算结果的表达等需要GIS开发者解决。所以GIS与应用分析模型的集成就是以数据为通道，以GIS为核心的系统开发过程。应用分析模型与GIS通过数据交换联系在一起，并以空间上的联系为基础。GIS功能的实现和模型的数值求解都涉及对地理空间的离散。应用分析模型的空间离散的基本技术是网格的剖分，即构造相互连接的网络，如矩形网格、三角形网格、正交曲线网格等（闾国年，2003）。

在GIS技术的支持下，根据应用分析模型的要求，将地理空间（研究区域）进行网格剖分，并自动获得网格节点或中心点的数据，用来表示各种模型参数的空间分布，直接形成应用分析模型所需的数据文件。而模型的空间离散所形成的网格数据，在增加空间地理坐标的情况下，则可形成GIS所需的空间数据文件，并被GIS直接调用，利用GIS的空间表达功能对模型数据进行可视化表示。

3.集成方式

现有的几种集成方法如下：

（1）源代码集成方式

是利用GIS的二次开发语言或其它支持的语言将分析应用模型进行改写，使其与GIS完全兼容，成为GIS一部分的集成模式。其优点是，应用分析模型在数据结构和数据处理形式上与GIS完全一致，比较灵活和有效。缺点是需要GIS和领域知识的结合。

（2）函数库集成模式

将开发好的应用分析模型以函数的形式保存在函数库中，集成者通过调用函数将其集成在GIS中。函数可以使用静态和动态两种连接方式。其优点是可以实现高度的无缝集成。缺点是分析模型的状态信息很难在函数库中进行有效表达。

（3）可执行程序集成方式

GIS与应用分析模型均能够以可执行文件的方式存在，二者的内部、外部结构均不变化，相互之间独立存在。二者的交互可以约定的数据格式通过文件、命名通道、匿名通道或者数据库进行，可以独立方式或内嵌方式集成。优点是集成方便、简单、代价低。缺点是由于数据的，交换通过操作系统，所以运行效率不高。

（4）DDE和OLE集成

DDE是动态数据交换，OLE是对象连接和嵌入。这种集成方式通过服务器和客户两个主题存在相互提供服务。在这里，GIS和应用分析模型分别为客户和服务器，属于一种松散的集成模式。优点是集成方便，灵活、代价低。缺点是稳定性不高，效率低。

（5）基于组件的集成方式

组件技术是当前最流行的软件系统集成方法，组件技术有COM、DCOM、CORBA、JavaBeans等，多数GIS软件商也提供GIS工具软件的组件产品，如ArcObject、MapX等。它们可以在高级语言水平上实现组件式集成。

13.2.4.?GIS与专家系统的集成

GIS与专家系统的结合是建立智能化空间决策支持系统（Spatial Decision Support?Systems，SDSS）的重要途径。 它为决策者提供分析问题、建立模型、模拟决策过程和方案的环境，调用各种信息资源和分析工具，帮助决策者提高决策水平和质量。

当前GIS可以认为是用于空间决策的空间信息系统，还不能满足解决复杂空间决策问题的需要，特别是非结构化问题。它还缺少模型库、知识库以及推理机制等必不可少的知识处理功能。GIS与SDSS在结构上存在着区别。

与MIS对应的，GIS可以看做是用于空间决策的空间信息系统。 目前GIS的分析功能还不很强，灵活性还不够，它的逻辑结构和智能层次不能满足解决复杂空间决策问题的需要，特别是那些非结构化的问题。 为更好地辅助空间决策，GIS需要增加对描述性知识和程式式知识的处理功能。 目前GIS还不适合用于对各种知识形式的处理，作为空间决策支持统（SDSS）的神经中枢还存在不少缺陷，但可以作为它的一个重要组成部分，即GIS可以嵌入到一个SDSS中，用于空间信息处理（闾国年，2003）。

13.2.5.?GIS应用平台集成

企业GIS需要和办公自动化系统、材料管理系统、工程档案管理系统等进行紧密集成。 企业应用GIS和其他系统进行集成，从而形成以GIS为核心的Intranet企业级地理信息系统集成平台。 通过GIS系统，也使管理部门一些相对封闭的数据真正走向开放，从而节约了企业的投资，推动了行业的信息化建设进程（闾国年，2003）。

软件系统的总体设计主要以用户自己定义为基础，通过工作流技术来串起整个系统的实现逻辑。系统利用组件（COM）、图文一体化、工作流等关键技术， 完成了显示和控制、查询统计、报表设计、数据分类、权限控制、表单设计和控制等主要应用，所有应用都是基于用户自己定义的思路， 以由用户自己设计组合，从而形成不同的应用，用以满足不断改进的管理方法、不断变化的业务规则和业务种类、不断提高的数据处理要求等。

13.2.6.?GIS与多媒体技术集成

多媒体技术（Multia-Media）是一种集声、像、图、文、通讯等为一体，并以最直接的方式表达和感知信息，以形象化的、可触摸（触屏）的甚至声控对话的人机界面操纵信息处理的技术。 应用多媒体技术对GIS的系统结构、系统功能及应用模式的设计产生极大的影响，使得GIS的表现形式更丰富，更灵活，更友好。 多媒体地理信息系统（MGIS）将文字、图形（图像）、声音、色彩、动画等技术融为一体，为GIS应用开拓了新的领域和广阔前景。 它不仅能为社会经济、文化教育、旅游、商业、决策管理和规划等提供生动、直观、高效的信息服务，而且将使电脑技术真正走进人类社会生活。 多媒体技术在GIS领域的深入应用，乃至出现具有良好集成能力的MGIS是技术发展的必然。

13.3.?GIS的大众化和信息服务

人类所接触的信息中有80%以上都与空间相关，随着人类对空间信息需求的快速增加已经让越来越多的人认识并了解GIS，GIS正在成为普通公众解决空间位置问题的有力工具，GIS走向大众已成为GIS发展的必然趋势。当前，GIS正逐步融入IT主流，已成为IT产业重要的组成部分。GIS正随着计算机和网络的普及为越来越多人的使用，如Google Earth的普及和位置信息服务都是GIS大众化的例证。

Google Earth是一款由Google公司开发的虚拟地球软件，是Google公司提供的地图服务，包括局部详细的卫星照片。Google Earth使用了公共领域的图片、受许可的航空照相图片、KeyHole间谍卫星的图片和很多其他卫星所拍摄的城镇照片，甚至连Google Maps没有提供的图片都有。任一上网用户都可以通过Google Earth从互联网下载遥感影像地图，并对自己感兴趣的区域进行放大、缩小、平移、标注等GIS基本应用，使用户能够对该区域产生直观认识。

随着人类活动范围的增大和活动频率的增加，人们需要知道的位置信息在不断增加，信息服务也随之兴起。这里的信息服务特指空间信息服务，广义地讲，就是可以实时地为客户提供有关空间位置信息的一种服务，有时也称作基于位置的服务（LBS，Location-Based Service），例如汽车导航，位置查询，公交线路查询等。LBS系统是结合了无线定位技术、无线通讯网络、地理信息系统、移动互联技术等先进技术的综合性系统，目标是提供以位置为主的相关服务。

具体的说位置服务是指用户通过移动通讯网络获取其基础位置信息如经纬度，利用地理信息系统计算终端的位置，并提供位置相关信息的新型业务。其服务特点包括两方面：其一，能智能地提供与信息需求者及其周围有关事物的信息与服务；其二，无论是普通用户还是专业人员，无论是在移动终端，便携式计算机，还是在台式计算机上都能在任何时刻、任何地点获得有关的空间信息和服务。

位置服务系统的巨大价值在于通过移动和固定网络发送基于位置的信息与服务，使这种服务应用到任何人、任何位置、任何时间和任何设备。目前，无论是公众还是行业用户对于获得位置及其相关服务都有着广泛的需求。对于公众来说，主要是要求系统提供位置服务网关，发布与位置相关的信息如最近的商店、车站等公众查询服务。对于行业应用，在交通运输方面，可以开发物流配送管理调度系统（包括运输车队和船队）、公交车辆指挥调度系统、车辆跟踪防盗系统、车辆智能导航系统（包括车辆定位系统、最佳路径规划系统和行车引导系统）、铁路列车指挥调度系统；在农业、环保、医疗、消防、警务、国防等方面分别可以开发智能农业生产系统、环境监测管理系统、紧急救援指挥调度系统、智能接警处警系统、支持作战单元的移动式空间信息交换系统等；面向政府的空间信息移动技术主要有移动办公系统，与位置相关的网络会议，水灾、地震、林火等自然灾害的防灾、抗灾和灾后重建管理系统。

总的来说，信息服务业务目前正处在市场培育阶段。全球各大移动运营商都已经开始在 3G网络中提供这项极具潜力的增值业务。如日本的NTT DOCOM和英国的和记 3G公司，他们提供的定位业务都可以为用户提供详细、实时更新的数字地图来告知用户的具体位置，并且可以通过电子地图来引导用户寻找酒店、餐厅、商店和其它一些用户感兴趣的商业设施。

移动定位服务是一项具有广阔前景的业务，据业内人士估计，未来5~10年在各种移动通信业务用户数排名中，定位业务用户数将仅次于语音业务位居第二，高于电子邮件、移动电子商务、移动银行等增值业务。

随着定位手段的多样化、通信手段的广泛性和用户终端的多样化位置服务系统将得到越来越广泛的应用。

13.4.?嵌入式GIS

近年来，宽带互联网技术、分布式计算技术、无线通讯与移动互联技术、移动计算技术、嵌入式技术得到了快速的发展。与此同时，计算机技术发展掀起了第三次浪潮，其核心即为把普通的计算技术嵌入到各种日常的信息工具之中，并使它具有多种功能和高度智能化。

嵌入式系统（Embedded System）的含义在于结合微处理器和微控制器的系统电路与其专属的软件，来达到系统操作效率的最高比。嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物，是软件和硬件的综合体，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

有经济学家预测，嵌入式计算机产业将是21世纪信息产业新的经济增长点，而占所有信息量的80％以上的空间信息将会成为信息应用的热点。嵌入式地理信息系统（Embedded GIS）是集成GIS功能的嵌入式系统产品，是系统设计和开发层次上的应用，是一种软硬件混合的系统。简单的讲，嵌入式GIS即为在诸如手机、PDA、掌上电脑等嵌入式设备上实现通用GIS功能的GIS系统。

嵌入式设备的优点是小巧灵活、便携性好。但受到其硬件的限制，传统的运行于PC机上的GIS软件的某些功能在嵌入式环境下难以实现，如可视化，嵌入式设备的显示屏通常较小，传统GIS软件中图形和注记等的可视化方式可能就不适合于嵌入式设备。嵌入式设备的操作系统和PC机的操作系统也不一样，如通常嵌入式设备支持的操作系统为微软公司的Windows CE、3COM公司的PalmOS、Symbian公司的EPOC和嵌入式Linux操作系统等。这也使得一些在PC机上的操作不能直接移植到嵌入式设备上来。另外，为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中，这就要求软件体积要小，运行效率高需要大量运算的复杂空间分析功能，这也决定了它的运算速度和存储能力远远不及桌面型计算机。下表为嵌入式GIS软件与桌面GIS软件的比较。

嵌入式GIS软件与桌面GIS软件比较

	桌面GIS	嵌入式GIS
程序和数据的存储方式	PC机的硬盘中	嵌入式设备的晶片中
程序的容错程度	高	不允许有错
程序的改变和升级	容易实现	不容易实现
程序的安全性	低	高
程序的通用性	高	低
程序的可靠性	低	高
目标代码的大小限制	基本无限制	要求代码精炼
程序的数据容量	大	小

嵌入式GIS是新一代地理信息技术发展的代表方向之一，作为一个新兴边缘领域，嵌入式GIS的研究和发展主要依赖以下技术的发展和更新。

（1）嵌入式技术。嵌入式GIS要求硬件平台支持较大存储能力和较强计算能力，满足空间数据存储和复杂计算的需求。由于嵌入式的操作系统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。

（2）GIS技术。GIS是采集、存储、管理、分析和描述空间信息的计算机系统。其主要涉及对现实世界的地理建模技术、空间数据的采集技术、空间数据的管理技术、空间数据的分析和显示技术。当前，随着GPS、全站仪、遥感技术的发展，空间数据的采集已获得飞速发展。GIS数据模型的研究以及数据库技术的发展也使得空间数据的管理变得方便快捷。计算机图形学的发展更加强了GIS中图形的显示和处理能力。

（3）GPS技术。嵌入式GIS如果没有GPS支持移动环境下的GIS就没有多少使用价值。由GPS接收机获取的空间坐标如果没有数字地图或电子地图的配合，用户也无从知道自己的相关位置或决定自己的去向。所以嵌入式GIS往往把定位位置、数字地图和相关的地理信息有机结合起来才能向用户提供完美的移动地理信息服务。

（4）移动互联技术。移动终端的计算和存储能力是有限的，移动环境所需要的空间信息的范围是大区域的。利用移动通讯技术解决有限的移动终端的计算资源和移动环境对大区域地理空间的需求之间的矛盾，在移动终端和地理数据服务器之间架一个桥梁，根据终端移动位置服务器实时传输地理信息。

目前国内外市场上也有一些嵌入式GIS的产品，如Autodesk公司的Autodesk Onsite的“移动访问”模块，ESRI的ArcPad，Intergraph公司的IntelliWhere。北京慧图信息科技开发有限公司的TopMap CEGenious、北京灵图软件技术有限公司的SmartInHand和北京超图地理信息技术有限公司的eSuperMap，还有台湾英瑞得信息公司的WalkMap，台湾通路股份有限公司的PalmPilot和Map Explore。这些产品都具有基本的图形显示、数据查询、空间分析等功能。

嵌入式GIS可应用于国防、测绘、导航等领域。

（1）军事国防领域；武器控制，从火炮控制高炮指挥仪到导弹控制（弹上计算机），从坦克、轰炸机、舰艇、雷达、电子对抗等军事电子装备到军事通信及军事指挥系统。

（2）野外数据采集；野外地质调查与地理调查，可运行于掌上电脑、进行移动制图。作为一种低成本的数据采集方案，微型嵌入式GIS软件平台将赋予便携式计算机矢量和栅格数据一体化显示和数据库管理的能力，通过可选的GPS接收机还可以进行实时定位。

（3）智能汽车领域；随着无线通信与全球定位技术的日益成熟和广泛应用，集通信、信息、导航、娱乐和各类汽车安全电子系统于一体的车载盒会成为下一代和未来汽车的发展方向。

（4）智能交通领域；特定应用的嵌入式操作系统和微型嵌入式GIS软件平台将是发展智能综合路口控制机、路车交互系统、新型停车系统、交通信息管理系统、车辆导航系统、流量控制系统、信息监测与汽车服务系统、高速公路的信息监控与收费综合管理系统等的关键技术，其应用将确保智能交通系统的低成本与高性能，大大提高系统的可靠性和智能化程度。

（5）环境工程与自然；水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测等。

（6）个人用户；在手机上的应用和在个人PDA的应用，可以大大提高人们的生活质量，，实时提供地图信息，并给出出行提示等。

13.5.?网格GIS

13.5.1. 网格GIS概念

网格地理信息系统(GridGIS)是指实现广域网络环境中空间信息共享和协同服务的分布式GIS软件平台和技术体系（方金云，2003）。将地理上分布、系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等，通过高速互连网络连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境就是网格GIS。

GridGIS与传统的GIS系统相比，它有很多突出的特点：形式上，它不是一个环境和功能集中的系统，而更像是由网络连接的分布式的系统大群落；功能上，它超越了传统的管理与分析范畴，更着重于知识的挖掘与智能决策支持，实现传统GIS不能或不容易实现的功能；应用上，它的范围和深度都远远超过了传统的GIS系统，面向全球范围、全体用户、全方位服务。

GridGIS与传统WebGIS相比，传统WebGIS技术的主要目的是为了能够在网络上发布空间数据以及和这些空间数据相关的一些操作，主要通过浏览器直接服务于最终用户；而GridGIS的目标是将地理上分布，系统异构的各种计算机，空间数据服务器，大型检索存储系统，地理信息系统，虚拟现实系统等“通过高速互连网络连接并集成起来”形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境。Grid GIS实现互联网上的互操作，真正的与平台无关，对各种网络资源的“即插即用”，即只要你能够接触到网格，就可以根据自己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务所在的具体位置。

综上所述，所谓GridGIS就是建立在 3G广域网之上，基于Internet、Grid、GIS和Middleware等技术融合的，充分利用各种网络资源对广泛分布的空间数据与属性数据进行整合、集成、管理、处理和共享，并进行深层开发和利用的，面向全球变化、社会经济各部门及可持续发展各领域应用与服务的智能化的GIS工程。

13.5.2. 网格GIS体系结构

网格环境下的GIS涉及到的技术包括万维网服务、资源整合、计算网格、数据网格、GIS等。目前，由于网格本身就是一个新生事物，加之网格GIS都是建立在商业化网格计算及GIS系统之上，网格GIS很少会去从底层开发，因此当前并不存在基于网格协议的GIS软件，故网格环境下的GIS系统的实现通常是采用网格计算理念、基于当前现存的计算操作系统平台，通过部署网格服务来构建面向应用层的网格GIS软件来实现信息的共享和互操作。

1.三层网格GIS结构

南京师范大学任建武提出数据资源层、网格服务层和应用层三个层次的网格GIS逻辑架构。他认为GridGIS是空间信息获取、处理、共享的基本技术框架。建立异构分布式、智能化的空间信息网格计算环境，就是实现异构网络环境下的跨平台计算，支持分布式用户的并发请求并实现最优资源调度，实现网络环境下的多级分布式协同工作机制。三层网格GIS逻辑架构如下图所示，分为三个基本层次：数据资源层、网格服务层和应用层。

数据资源层是一个本地控制接口，提供资源相关的几种功能，提供资源调用接口，便于高层网格服务的实现。它们是构成网格系统的硬件基础，它包括各种计算资源，这些计算资源通过网络设备连接起来。

网格服务层实现与数据资源无关和应用无关的功能。网格服务层包括一系列协议和分布式计算软件，其屏蔽网格资源层中计算机的分布、异构特性，向数据网格应用层提供用户编程接口和相应的环境，提供更为专业化的服务和组件用于不同类型的网格数据应用，以支持网格应用的开发。

应用层是体现用户需求的软件系统。在网格服务层提供的中间件平台的基础上，用户利用提供的接口和服务完成网格应用的开发。应用程序集成层对低层资源的调用不再需要关心访问的实现机制。

2.五层网格GIS结构

网格GIS 体系结构实际上是借用了网格的思想，在底层借助于OGSA-DAI将各种软硬件资源（包括GIS 资源） 进行整合，借助于Globus Toolkit（GT），在其应用层开发应用组件以调用网格OGSA服务。如下图所示（蔡正林，2006）：

（1）最底层为硬件及资源层，此处有本机(集群) 的硬件资源和软件资源(包括GIS 资源) ，依托操作系统实现本地的GIS 资源管理，并向GT4 环境注册信息。

（2）第二层实际上是目前GT4 提供的功能，这也是本系统实现的一个基础环境。该层完成GIS 资源注册及服务，用户可以提交跨部门GIS 资源的作业与作业所需的各种资源脚本文件，一切操作对用户是全透明的，究竟取用了哪些资源，在什么机器上取的，由哪些机器同时参加了该作业的运算等相关细节都对程序员透明。这层主要涉及到Web Services 等传统的网络协议标准，特别需要指出Web Services 在提供底层连接时进行了扩展，实现了Web Services 服务从无状态到有状态的服务，同时网络上一直使用的协议如http ，ftp ，smtp ，telnet 等都保留，只是根据需要进行了扩展。

（3）第三层主要架设OGSA-DAI 和DB2II 完成各种数据库资源的整合，将多个集群或本地机器的GIS 空间数据库加以集成，实现作业的提交、监视及删除等工作。

（4）第四层是Globus Tookit 中的应用层部分，程序员需在此写软件服务接口、服务的实现和部署描述器，从而实现了网格环境中的GIS 应用，对于下层资源及GIS 服务的API 调用，用户根据需要驱动软件调用相应的API函数，实现所需的服务。

（5）第五层为客户的浏览器，用户需根据需要下载相应的插件，当用户有GIS 服务请求时只需以HTTP 形式发送，经由XML ，SOAP ，WSDL 层层包裹，去驱动GT 为其服务，从而实现了GRID GIS 的应用。

13.6.?网格GIS实现技术

网格GIS的实现需要包括中间件技术、GML互操作语言、Web Services技术以及分布式计算技术等关键技术的支持。其中，分布式计算技术在第二节分布式地理信息系统部分进行了介绍。

1.中间件技术

在不断发展的网络环境中，无论是硬件平台还是软件平台，都不可能统一。大型应用软件通常要求在软硬件各不相同的分布式网络上运行。为了更好地开发和应用能够在异构平台上运行的应用软件，迫切需要一种基于标准的、独立于计算机硬件以及操作系统的开发和运行环境。中间件技术就起这样的作用，它是处于操作系统和应用程序之间的软件。人们在使用中间件时，往往是把一组中间件集成在一起，构成一个平台（包括开发平台和运行平台），但在这组中间件中必须要有一个通信中间件，因此可以比较形象地把中间件可以定义为：平台+通信。这个定义也限定了只有在分布式系统中，才能称为中间件。

在基于分布式的网格环境中，中间件可以分为以下三种类型：基于RPC的中间件、面向消息的中间件和基于对象请求/代理的中间件：

（1）基于RPC（Remote Procedure Call）的中间件。RPC是一种对传统程序设计语言过程调用的扩展，被调用的对象可以存在于分布式系统的任何物理平台上。

（2）面向消息的中间件。是指支持基于消息传递的进程间的通讯方式，这类中间件既适合于客户/服务器模型，也适合于对等网络模型，一般比基于RPC形式的中间件会具有更高的运行效率。

（3）基于对象请求/代理的中间件。此类中间件是面向对象应用程序的首选，消息通过对象请求代理进行路由选择，其同时处理集成和安全方面的问题。网格GIS要求实现跨平台的GIS的互操作，跨平台的GIS要求GIS功能能够跨平台，即在异构网络环境下实现GIS的分布式操作，这就要求中间件平台的支持，只有这样才有可能实现分布式GIS，在统一网格GIS接口下，不同分布式GIS可以实现跨平台的GIS的互操作。同样，无论是GIS系统中模块之间的互通、互操作，还是应用构件的搭建与跨环境的部署和管理，都需要中间件的支撑。从技术上看，中间件更有效的保证GIS系统的可靠性、可扩展性、可管理性、数据一致性和应用安全性等。其中两种比较重要的网格中间件—Globus网格中间件和ProActive网格中间件。

2.GML互操作语言

在构建网格GIS的体系结构中，将存在大量的中间件（Middleware）及智能主体(Agent)。那么，在异构系统之间，系统内中间件与中间件之间，中间件与智能体之间，智能体与智能体之间以及网格服务与应用程序之间将如何进行空间信息描述、共享、交互、存储、传输等，是GML（Geography Markup Language，地理标识语言）作用与应用所在。

GML（Geography Markup Language）是XML语言在空间地理信息领域的扩展，它是由OpenGIS联盟于2000年5月最先发布的，其目的在于描述、说明地理信息，可以很容易地表现空间信息的结构和内容，并能实现开放式的空间信息交换和管理。目前，GML已经成为业界公认的空间信息格式标准。由刚开始使用的DTD到后续版本使用的XML Schema语法和机制，GML提供了一个开放的、用于定义空间地理数据的框架。同时允许用户自己开发出基于遵循GML规范的子集，在这个基础上，又由于其开放式、跨平台的特性使得各个厂商用户能够遵循同一个规范，使相互之间进行空间地理数据的交换成为可能，用户也可以有自己的数据定义格式，但是在进行数据交换时用GML作为一个媒介来实现数据的传输和交换。

和HTML相比，GML天生就非常适合用于存储和传输空间地理特征的属性信息和几何信息。它在网络空间地理信息系统应用领域的地位就如一个深层驱动机，它能将地理信息系统的数据核心——地理特征，采用XML的文本方式进行描述，并能对网络地理信息系统的各功能部件之间的空间信息的传输、通信提供强有力的技术支撑。可以把它看作用于在互联网间资源的共享和交换的地理信息编码；新的地理信息词汇表达方式；新的应用于地理信息服务的通信组件。

3.Web Services技术

Web Services是网格关键技术，在网格GIS系统的实现过程中也有着重要的意义。Web Services是一种新出现的分布式计算技术，它致力于提供简单的，基于Internet的标准，比如XML，以解决异构的分布式计算问题。在这一点上，它与CORBA等是不一样的。Web Services定义了描述访问软件构件的技术，访问这些构件的方法，以及确定相关服务提供商的发现方法。

Web Services的体系结构是基于Web服务提供者、Web服务请求者、Web服务中介者三个角色和发布、发现、绑定三个动作构建的。简单来说，Web服务提供者就是Web服务的拥有者，等待为其它服务和用户提供自己的功能；Web服务请求者就是Web服务功能的使用者，使用SOAP（Simple Object Access Protocol）消息向Web服务提供者发送调用信息得到其服务。Web服务中介者就是将一个Web服务请求者和合适的提供者联系在一起的管理者，一般是UDDI（Universal Description， Discovery and Integration）。三个角色是根据逻辑关系划分的，一个实际的Web服务既可以扮演Web服务提供者的角色，也可以扮演Web服务请求者的角色，还可以两种角色都扮演。Web Services体系结构图中包含三种基本操作，三种角色之间的关系可简单地表示如下图所示（潘显映，2007）。