地理信息系统(GIS)的发展与前瞻

许士敏

摘 要 本文在深入研究地理信息系统(GIS)的基础上，系统阐述了GIS的历史和发展状况，并展望了GIS的未来。本文还介绍了我军MGIS的发展状况与前景。

关键词 GIS 四维GIS MGIS 战场数字化

1 引言

随着知识经济时代的来临，信息将成为人类社会财富的源泉。事物的时空特性为人们认识世界提供了更深的广度和宽度。信息科学技术的飞速发展与广泛应用带动了全社会对空间信息的需求，因此空间信息必将成为国家或全球信息流中的重要组成部分，并逐渐发展成为当今社会最基本的信息服务之一。

地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS) 是在计算机硬软件支持下，以空间数据库为基础，运用系统工程和信息科学的理论，对空间数据进行科学管理和综合分析，为规划、决定、管理和研究提供信息的技术系统，是介于地理科学、空间科学和管理之间的新兴边缘学科。它在最近30多年的发展历程中取得了惊人的发展，并广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全等领域，成为一个跨学科、多方向的研究领域。计算机技术的迅速发展，使得GIS的功能和特点也随之发生了巨大的变化，尤其是近些年来，计算机大容量存储介质、多媒体技术和可视化技术等相继被引进到GIS中，已使GIS发生了新的变化。

2 地理信息系统(GIS)的发展历史及现状

GIS是为解决资源与环境等全球性问题而发展起来的技术与产业。60年代中期，加拿大开始研究建立世界上第一个地理信息系统(CGIS)，随后又出现了美国哈佛大学的SYMAP和GRID等系统。自那时起，GIS就开始服务于经济建设和社会生活。在北美、西欧和日本等发达国家，现在已建立了国家级、洲际之间以及各种专题性的地理信息系统。我国GIS的研究与应用始于80年代，近二十年来发展也十分迅速，在计算机辅助绘制地图等方面开展了大量基础性的试验与研究工作，在理论、技术方法和实践经验等方面都

1

有了长足的进步。当今，GIS系统已成为年增长率为35%的新兴技术产业，出现了诸如ARC/INFO、MAPINFO和GENAMAP等著名软件，它们在城市建设、环境保护和社会发展等方面发挥了巨大的作用，随着科技的发展，GIS发展的势头越来越迅猛。

2.1 国外地理信息系统(GIS)的发展阶段

国外，尤其是西方地理信息系统的发展大致可以分为四个阶段。 （1） 模拟地理信息系统阶段

自19世纪以来就得到广泛应用的地图（包括地形图和专题图）——模拟的图形数据库和描述地理的文献著作——模拟的属性数据库相结合，构成了地理信息系统的基本概念模型。但是，这种模拟式的、基于纸张的信息系统和信息过程，使得空间相关数据的存贮、管理、量算与分析、应用极为不规范、不方便和效率低下。随着计算机科学的兴起，数字地理信息的管理与使用成为必然。

（2） 学术探索阶段 50年代，由于电子技术的发展及其在测量与制图学中的应用，人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后这一技术被各国广泛应用于土地测绘与地籍管理。1963年，加拿大测量学家自先提出地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于资源与环境的管理和规划。稍后，北美和西欧成立了许多与GIS有关的组织与机构，如美国城市与区域信息系统协会（URISA），国际地理联合会（IGU）地理数据收集和处理委员会（CGDPS），等等，极大地促进了地理信息系统知识与技术的传播和推广应用。

（3） 飞速发展和推广应用阶段

70年代以后，由于计算机技术的工业化、标准化与实用化，以及大型商用数据库系统的建立与使用，地理信息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。其结果是：a）一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统（LIS）和资源与环境信息系统（GIS），如1970年至1976年，美国地质调查局先后建50多个信息系统，其它国家也相继发展自己的GIS；b）关于GIS软件、硬件和项目开发的商业公司篷勃发展。到19年，国际市场上有报价的GIS软件达70多个，并出现一些有代表性的公司和产品，如美国环境系统研究所的ARC/INFO，Intergraph公司的MGE，及Genasys公司的Genamap等等。c）数字地理信息的生产标准化、工业化和商品化。如美国地质调查局（USGS）已经建立起数字地图生产技术体系，可定期向社会发布DLG、DEM等标准地理数据。d）各种通用和专用的地理空间分析模型得到深入研究和广泛使用，GIS的空间分析能力显著增强。e）有关GIS的具有技术权威和行政权威的行业机构和研究部门在GIS的应用发展中发挥引导和驱动作用。

2

如美国国家科学基金会支持的国家地理信息和分析中心（NCGIA）每年都要制定GIS技术优先发展计划，以促进全国GIS事业发展。

（4） 地理信息产业的形成和社会化地理信息系统（Social GIS）的出现

90年代以来，随着互联网络的发展及国民经济信息化的推进，地理信息系统作为大的地理信息中心，进入日常办公室和千家万户之中，从面向专业领域的项目开发到综合性城市与区域的可持续发展研究，从行为、学术行为发展到公民行为和信息民主，成为信息社会的重要技术基础。 2.2 我国地理信息系统(GIS)应用发展状况

我国对GIS的研究起步较晚，但是近二十年来，在各级和有关人士的大力呼吁和促动下，我国的地理信息系统事业突飞猛进，成绩巨大。我国GIS的发展可以划分为四个阶段。

（1）起步阶段（1978——1980年）

主要行动在于概念引入和知识传播，以及关于遥感分析、制图和数字地面模型的试验研究。

（2）准备阶段（1980——1985年）

主要在理论体系的建立，软、硬件的引进，相应规范的研究，局部系统或试验系统的开发上取得进步，为GIS的全面发展奠定基础。

（3）加速发展阶段（1986——1995年）

GIS作为一个全国性的研究与应用领域，进行了有计划、有目标、有组织的科学试验与工程建设，取得一定的社会经济效益。主要表现在：a）GIS教育与知识传播的热浪此起彼伏，GIS成为空间相关领域的热门话题； b）GIS建设引起各级高度重视，其发展机制由学术推动演变为推动； c）部分城市和沿海地区GIS建设率先进入实施阶段，并取得阶段性成果； d）出现商品化的国产GIS软件、硬件品牌；出现专门的GIS的管理中心、研究机构与公司；出现专门的GIS协会，涌现一批GIS专门人才；出现专门的刊物与展示会；初步形成全国性的GIS市场。e）在应用模式、行业模式和管理方面作了有益的探索。

（4）地理信息产业化阶段（1995——） 目前，我国GIS的发展正处于向产业化阶段过渡的转折点。能否借助国际大气候的东风，倚重国内经济高速发展的大好形势，搭乘全球信息高速公路的快车，实现地理信息产业化和国民经济信息化，这是国内地理信息界人士面临的严重挑战和千载难逢的机遇。而在这一过程中，一方面需要探索建立一套宏观与市场机制相结合的地理信息产业模式，另一方面，则要充分总结和借鉴国内外地理信息系统项目建设的经验和教训，建立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模式，推动地理信息系统在社会主义各项事业中更加深入和广泛的应用。

3

3 地理信息系统(GIS)的展望

根据GIS的历史和发展现状，我们可以展望它的未来，我认为GIS存在很大的发展机遇。 3.1 GIS将往高维化发展

GIS在矿山与地质领域的应用受到很大的重要原因是其在处理三维问题上的不足。现有的GIS软件虽然可以用数字高程模型来处理空间实体的高程坐标，但是由于他们无法建立空间实体的三维拓扑关系，使得很多真三维操作难以实现，因而人们将现有的GIS称为二维GIS或2.5维GIS。矿山、地质以及气象、环境、地球物理、水文等众多的应用领域都需要三维GIS平台来支持他们大量的真三维操作。空间可视化技术是指在动态、时空变换、的可交互的地图条件下探索视觉效果和提高视觉效果的技术。虚拟现实(VR)技术，也称虚拟环境和人工现实，已在游戏中成功使用。运用空间可视化技术和虚拟现实技术进行地形环境仿真，真实再现地景，用于交互式观察和分析，提高对地形环境的认知效果，是今后三维GIS可视化发展的一个重点。

四维GIS（4DGIS）一般是指在原有的三维GIS基础上加入时间变量而构成的GIS。许多人认为地质特征是不变的，但实际上大部分地质特征是动态的、变化的，不是所有地质情况都是变化缓慢的，水灾、地震、暴风雨以及滑坡都会使局部地质条件发生快速而巨大的变化。地质学家对4D(立体3D加上时间第4D)的空间——时间模型尤感兴趣。但是，增加一维将带来很大的问题。比如数据量的几何级数增长，致使数据的采集、存取、处理都带来一系列的问题。不过，这些问题可以在计算机技术、数据库技术以及相关电子技术的发展而得到解决。因此，如何设计4DGIS并运用它来描述和处理地理对象的时态特征是一个重要的发展领域。

我认为，四维GIS还可以是指在原有的三维GIS基础上加入地形或地貌而构成的GIS，这种GIS特别适用于。因为军事决策不仅需要地理信息的支持，在很大程度上还依赖于作战区域的地形地貌。 3.2 GIS将更加网络化、智能化和集成化

随着Internet/Intrannet的迅速发展，利用Internet技术在Web上发布空间数据或用户通过Internet浏览空间数据是GIS发展的必须趋势。事实上，万维网(WWW)已经成为GIS的新的操作平台。不过由于万维网技术还很年轻，有着很大的发展空间，这也会WebGIS带来很好的发展机遇。

虽然GIS经过多年的发展已逐渐成熟，但其应用还主要停留在数据库、空间叠加分析上，缺乏知识处理能力和推理能力。可以预见，智能GIS将得到很好的发展，从而更好地服务于社会和人类。智能GIS是指与专家系统(ExpertSystem简称ES)、神经网络、遗传算法等相结合的GIS，它实际上是

4

基于知识的专家系统在GIS中的应用，它将在解决如城市规划与管理、交通运输管理、生态环境管理等问题时起到非常重要的作用。

地理信息系统作为一门应用性很强的综合性学科，它是由地理信息科学、地理学、地球系统学、管理学、市场学、遥感技术、全球定位技术、电子计算机技术和通讯技术等科学技术相互渗透而发展起来的一门新兴边缘学科。GIS是在同这些技术集成中体现它的价值，随着这些相关学科和技术的发展，GIS必将得到发展。 我相信，随着现代科学技术的不断发展，会促进GIS更好更快地发展。可以想象，在不久的将来，我们可以花很少的钱，就可以买到一个GIS应用系统设备，它的大小如同一块手表，但功能却很强大。探险者可以用它只身一人走出沙漠，士兵可以借助它实现单兵作战。

3.3 MGIS将在我军现代化建设过程中走上发展的快车道

应该看到，我军战场数字化建设水平与国外先进水平相比，还有很大的差距。单兵数字化系统实质上就是一个对战场信息进行实时采集、存储、管理、施效的综合电子信息系统。外军已经在这方面做了大量的工作并取得了初步的成果，而我军还远落在后面。虽然我军的现代化建设目前还处于劣势，但只要我们抓住发展机遇，充分利用好现代科学技术的成果，我军现代化建设进程就能走上发展的快车道，这也就为MGIS的发展提供了良机。 4 结束语

随着计算机技术的不断发展，虚拟现实、3D、4D、专家系统等一些新的思想和技术正源源不断地充实到GIS中去。在人类进入了信息时代后，GIS也必将借助因特网这一最新传输介质以实现地图交换和数据分布。同时，空间信息可视化作为地理信息系统的新的研究领域，已经促进了GIS理论和技术的进步，拓宽了学科领域。MGIS也将会借我军战场数字化建设的东风，得到快速发展，在未来的信息化战场上发挥重要的作用。

参考文献

[1] 程东来等：数字地球、GIS和地球信息科学的发展及其相互关系，咸宁

师专学报 2000.12

[2] 王树德：数字地球理论出现的必然性及其应用，青岛大学师范学院学报

2000.9

[3] 沈琳琳 陈洪亮：地理信息系统发展前沿展望，微型电脑应用 1999.6

5

[4] 王家耀：军事地理信息系统（MGIS）在现代化战争中的作用及其发展，

信息工程大学学报 2000.12

[5] 程承旗：GIS工程概论, 北京大学遥感与地理信息系统研究所 2001

6

7