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GIS基本技術有哪些？

引言

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地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，簡稱GIS)是計算機科學、地理學、測量學、地圖學等多門學科綜合的技術[1]。GIS的基本技術是空間數(shù)據(jù)庫、地圖可視化及空間分析，而空間數(shù)據(jù)庫是GIS的關鍵?？臻g數(shù)據(jù)挖掘技術作為當前數(shù)據(jù)庫技術最活躍的分支與知識獲取手段，在GIS中的應用推動著GIS朝智能化和集成化的方向發(fā)展。

1 空間數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)挖掘技術的特點

隨著數(shù)據(jù)庫技術的不斷發(fā)展和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的廣泛應用，數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)量也在急劇增大，在這些海量數(shù)據(jù)的背后隱藏了很多具有決策意義的信息。但是，現(xiàn)今數(shù)據(jù)庫的大多數(shù)應用仍然停留在查詢、檢索階段，數(shù)據(jù)庫中隱藏的豐富的知識遠遠沒有得到充分的發(fā)掘和利用，數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的急劇增長和人們對數(shù)據(jù)庫處理和理解的困難形成了強烈的反差，導致“人們被數(shù)據(jù)淹沒，但卻饑餓于知識”的現(xiàn)象。

空間數(shù)據(jù)庫(數(shù)據(jù)倉庫)中的空間數(shù)據(jù)除了其顯式信息外，還具有豐富的隱含信息，如數(shù)字高程模型〔DEM或TIN〕，除了載荷高程信息外，還隱含了地質(zhì)巖性與構(gòu)造方面的信息；植物的種類是顯式信息，但其中還隱含了氣候的水平地帶性和垂直地帶性的信息，等等。這些隱含的信息只有通過數(shù)據(jù)挖掘才能顯示出來?？臻g數(shù)據(jù)挖掘（Spatial Data Mining，簡稱SDM），或者稱為從空間數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)知識，是為了解決空間數(shù)據(jù)海量特性而擴展的一個新的數(shù)據(jù)挖掘的研究分支，是指從空間數(shù)據(jù)庫中提取隱含的、用戶感興趣的空間或非空間的模式和普遍特征的過程[2]。由于SDM的對象主要是空間數(shù)據(jù)庫，而空間數(shù)據(jù)庫中不僅存儲了空間事物或?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，而且存儲了空間事物或?qū)ο笾g的圖形空間關系，因此其處理方法有別于一般的數(shù)據(jù)挖掘方法。SDM與傳統(tǒng)的地學數(shù)據(jù)分析方法的本質(zhì)區(qū)別在于SDM是在沒有明確假設的前提下去挖掘信息、發(fā)現(xiàn)知識，挖掘出的知識應具有事先未知、有效和可實用3個特征。

空間數(shù)據(jù)挖掘技術需要綜合數(shù)據(jù)挖掘技術與空間數(shù)據(jù)庫技術，它可用于對空間數(shù)據(jù)的理解，對空間關系和空間與非空間關系的發(fā)現(xiàn)、空間知識庫的構(gòu)造以及空間數(shù)據(jù)庫的重組和查詢的優(yōu)化等。

2 空間數(shù)據(jù)挖掘技術的主要方法及特點

常用的空間數(shù)據(jù)挖掘技術包括：序列分析、分類分析、預測、聚類分析、關聯(lián)規(guī)則分析、時間序列分析、粗集方法及云理論等。本文從挖掘任務和挖掘方法的角度,著重介紹了分類分析、聚類分析和關聯(lián)規(guī)則分析三種常用的重要的方法。

2.1、分類分析

分類在數(shù)據(jù)挖掘中是一項非常重要的任務，目前在商業(yè)上應用最多。分類的目的是學會一個分類函數(shù)或分類模型(也常常稱作分類器)，該模型能把數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)項映射到給定類別中的某一個。分類和我們熟知的回歸方法都可用于預測，兩者的目的都是從歷史數(shù)據(jù)紀錄中自動推導出對給定數(shù)據(jù)的推廣描述，從而能對未來數(shù)據(jù)進行預測。和回歸方法不同的是，分類的輸出是離散的類別值，而回歸的輸出則是連續(xù)的數(shù)值。二者常表現(xiàn)為一棵決策樹，根據(jù)數(shù)據(jù)值從樹根開始搜索，沿著數(shù)據(jù)滿足的分支往上走，走到樹葉就能確定類別?？臻g分類的規(guī)則實質(zhì)是對給定數(shù)據(jù)對象集的抽象和概括，可用宏元組表示。

要構(gòu)造分類器,需要有一個訓練樣本數(shù)據(jù)集作為輸入。訓練集由一組數(shù)據(jù)庫記錄或元組構(gòu)成,每個元組是一個由特征(又稱屬性)值組成的特征向量,此外,訓練樣本還有一個類別標記。一個具體樣本的形式可為:( v1, v2, ..., vn; c )；其中vi表示字段值，c表示類別。

分類器的構(gòu)造方法有統(tǒng)計方法、機器學習方法、神經(jīng)網(wǎng)絡方法等等。統(tǒng)計方法包括貝葉斯法和非參數(shù)法(近鄰學習或基于事例的學習)，對應的知識表示是判別函數(shù)和原型事例。機器學習方法包括決策樹法和規(guī)則歸納法，前者對應的表示為決策樹或判別樹，后者則一般為產(chǎn)生式規(guī)則。神經(jīng)網(wǎng)絡方法主要是反向傳播（Back-Propagation,簡稱BP）算法，它的模型表示是前向反饋神經(jīng)網(wǎng)絡模型(由代表神經(jīng)元的節(jié)點和代表聯(lián)接權(quán)值的邊組成的一種體系結(jié)構(gòu))，BP算法本質(zhì)上是一種非線性判別函數(shù)[3]。另外，最近又興起了一種新的方法:粗糙集(rough set)，其知識表示是產(chǎn)生式規(guī)則。

不同的分類器有不同的特點。有三種分類器評價或比較尺度：1) 預測準確度；2) 計算復雜度；3) 模型描述的簡潔度。預測準確度是用得最多的一種比較尺度，特別是對于預測型分類任務，目前公認的方法是10番分層交叉驗證法。計算復雜度依賴于具體的實現(xiàn)細節(jié)和硬件環(huán)境，在數(shù)據(jù)挖掘中，由于操作對象是海量的數(shù)據(jù)庫，因此空間和時間的復雜度問題將是非常重要的一個環(huán)節(jié)。對于描述型的分類任務，模型描述越簡潔越受歡迎。例如，采用規(guī)則歸納法表示的分類器構(gòu)造法就很有用，而神經(jīng)網(wǎng)絡方法產(chǎn)生的結(jié)果就難以理解。

另外要注意的是，分類的效果一般和數(shù)據(jù)的特點有關。有的數(shù)據(jù)噪聲大，有的有缺值， 有的分布稀疏，有的字段或?qū)傩蚤g相關性強，有的屬性是離散的而有的是連續(xù)值或混合式的。目前普遍認為不存在某種方法能適合于各種特點的數(shù)據(jù)。

分類技術在實際應用非常重要，比如：可以根據(jù)房屋的地理位置決定房屋的檔次等。

2. 2 聚類分析

聚類是指根據(jù)“物以類聚”的原理，將本身沒有類別的樣本聚集成不同的組，并且對每一個這樣的組進行描述的過程。它的目的是使得屬于同一個組的樣本之間應該彼此相似，而不同組的樣本應足夠不相似。與分類分析不同，進行聚類前并不知道將要劃分成幾個組和什么樣的組，也不知道根據(jù)哪些空間區(qū)分規(guī)則來定義組。其目的旨在發(fā)現(xiàn)空間實體的屬性間的函數(shù)關系，挖掘的知識用以屬性名為變量的數(shù)學方程來表示。聚類方法包括統(tǒng)計方法、機器學習方法、神經(jīng)網(wǎng)絡方法和面向數(shù)據(jù)庫的方法?；诰垲惙治龇椒ǖ目臻g數(shù)據(jù)挖掘算法包括均值近似算法[4]、CLARANS、BIRCH、DBSCAN等算法。目前，對空間數(shù)據(jù)聚類分析方法的研究是一個熱點。

對于空間數(shù)據(jù)，利用聚類分析方法，可以根據(jù)地理位置以及障礙物的存在情況自動地進行區(qū)域劃分。例如，根據(jù)分布在不同地理位置的ATM機的情況將居民進行區(qū)域劃分，根據(jù)這一信息，可以有效地進行ATM機的設置規(guī)劃，避免浪費，同時也避免失掉每一個商機。

2.3 關聯(lián)規(guī)則分析

關聯(lián)規(guī)則分析主要用于發(fā)現(xiàn)不同事件之間的關聯(lián)性，即一事物發(fā)生時，另一事物也經(jīng)常發(fā)生。關聯(lián)分析的重點在于快速發(fā)現(xiàn)那些有實用價值的關聯(lián)發(fā)生的事件。其主要依據(jù)是：事件發(fā)生的概率和條件概率應該符合一定的統(tǒng)計意義?？臻g關聯(lián)規(guī)則的形式是X－＞Y[S%，C%]，其中X、Y是空間或非空間謂詞的集合，S%表示規(guī)則的支持度，C%表示規(guī)則的置信度。空間謂詞的形式有3種：表示拓撲結(jié)構(gòu)的謂詞、表示空間方向的謂詞和表示距離的謂詞[5]。各種各樣的空間謂詞可以構(gòu)成空間關聯(lián)規(guī)則。如，距離信息（如Close_to(臨近)、Far_away(遠離)）、拓撲關系（Intersect（交）、Overlap（重疊）、Disjoin(分離)）和空間方位（如Right_of(右邊)、West_of(西邊)）。實際上大多數(shù)算法都是利用空間數(shù)據(jù)的關聯(lián)特性改進其分類算法，使得它適合于挖掘空間數(shù)據(jù)中的相關性，從而可以根據(jù)一個空間實體而確定另一個空間實體的地理位置，有利于進行空間位置查詢和重建空間實體等。大致算法可描述如下：(1)根據(jù)查詢要求查找相關的空間數(shù)據(jù)；(2)利用臨近等原則描述空間屬性和特定屬性；(3)根據(jù)最小支持度原則過濾不重要的數(shù)據(jù)；(4)運用其它手段對數(shù)據(jù)進一步提純(如OVERLAY)；(5)生成關聯(lián)規(guī)則。

關聯(lián)規(guī)則通?？煞譃閮煞N：布爾型的關聯(lián)規(guī)則和多值關聯(lián)規(guī)則。多值關聯(lián)規(guī)則比較復雜，一種自然的想法是將它轉(zhuǎn)換為布爾型關聯(lián)規(guī)則，由于空間關聯(lián)規(guī)則的挖掘需要在大量的空間對象中計算多種空間關系，因此其代價是很高的?！N逐步求精的挖掘優(yōu)化方法可用于空間關聯(lián)的分析，該方法首先用一種快速的算法粗略地對一個較大的數(shù)據(jù)集進行一次挖掘，然后在裁減過的數(shù)據(jù)集上用代價較高的算法進一步改進挖掘的質(zhì)量。因為其代價非常高，所以空間的關聯(lián)方法需要進一步的優(yōu)化。

對于空間數(shù)據(jù)，利用關聯(lián)規(guī)則分析，可以發(fā)現(xiàn)地理位置的關聯(lián)性。例如，85%的靠近高速公路的大城鎮(zhèn)與水相鄰，或者發(fā)現(xiàn)通常與高爾夫球場相鄰的對象是停車場等。

3 空間數(shù)據(jù)挖掘技術的研究方向

3.1 處理不同類型的數(shù)據(jù)

絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫是關系型的，因此在關系數(shù)據(jù)庫上有效地執(zhí)行數(shù)據(jù)挖掘是至關重要的。但是在不同應用領域中存在各種數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫，而且經(jīng)常包含復雜的數(shù)據(jù)類型，例如結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、復雜對象、事務數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。由于數(shù)據(jù)類型的多樣性和不同的數(shù)據(jù)挖掘目標，一個數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)不可能處理各種數(shù)據(jù)。因此針對特定的數(shù)據(jù)類型，需要建立特定的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。

3.2 數(shù)據(jù)挖掘算法的有效性和可測性

海量數(shù)據(jù)庫通常有上百個屬性和表及數(shù)百萬個元組。GB數(shù)量級數(shù)據(jù)庫已不鮮見，TB數(shù)量級數(shù)據(jù)庫已經(jīng)出現(xiàn)，高維大型數(shù)據(jù)庫不僅增大了搜索空間，也增加了發(fā)現(xiàn)錯誤模式的可能性。因此必須利用領域知識降低維數(shù)，除去無關數(shù)據(jù)，從而提高算法效率。從一個大型空間數(shù)據(jù)庫中抽取知識的算法必須高效、可測量，即數(shù)據(jù)挖掘算法的運行時間必須可預測，且可接受，指數(shù)和多項式復雜性的算法不具有實用價值。但當算法用有限數(shù)據(jù)為特定模型尋找適當參數(shù)時，有時也會導致物超所值，降低效率。

3.3 交互性用戶界面

數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果應準確地描述數(shù)據(jù)挖掘的要求，并易于表達。從不同的角度考察發(fā)現(xiàn)的知識，并以不同形式表示，用高層次語言和圖形界面表示數(shù)據(jù)挖掘要求和結(jié)果。目前許多知識發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和工具缺乏與用戶的交互，難以有效利用領域知識。對此可以利用貝葉斯方法和演譯數(shù)據(jù)庫本身的演譯能力發(fā)現(xiàn)知識。

3.4 在多抽象層上交互式挖掘知識

很難預測從數(shù)據(jù)庫中會挖掘出什么樣的知識，因此一個高層次的數(shù)據(jù)挖掘查詢應作為進一步探詢的線索。交互式挖掘使用戶能交互地定義一個數(shù)據(jù)挖掘要求，深化數(shù)據(jù)挖掘過程，從不同角度靈活看待多抽象層上的數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果。

3.5 從不同數(shù)據(jù)源挖掘信息

局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)以及Internet網(wǎng)將多個數(shù)據(jù)源聯(lián)成一個大型分布、異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，從包含不同語義的格式化和非格式化數(shù)據(jù)中挖掘知識是對數(shù)據(jù)挖掘的一個挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)挖掘可揭示大型異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中存在的普通查詢不能發(fā)現(xiàn)的知識。數(shù)據(jù)庫的巨大規(guī)模、廣泛分布及數(shù)據(jù)挖掘方法的計算復雜性，要求建立并行分布的數(shù)據(jù)挖掘。

3.6 私有性和安全性

數(shù)據(jù)挖掘能從不同角度、不同抽象層上看待數(shù)據(jù)，這將影響到數(shù)據(jù)挖掘的私有性和安全性。通過研究數(shù)據(jù)挖掘?qū)е碌臄?shù)據(jù)非法侵入，可改進數(shù)據(jù)庫安全方法，以避免信息泄漏。

3.7 和其它系統(tǒng)的集成

方法、功能單一的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的適用范圍必然受到一定的限制。要想在更廣泛的領域發(fā)現(xiàn)知識，空間數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)就應該是數(shù)據(jù)庫、知識庫、專家系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、可視化工具、網(wǎng)絡等技術的集成。

4 有待研究的問題

我們雖然在空間數(shù)據(jù)挖掘技術的研究和應用中取得了很大的成績，但在一些理論及應用方面仍存在急需解決的問題。

4.1 數(shù)據(jù)訪問的效率和可伸縮性

空間數(shù)據(jù)的復雜性和數(shù)據(jù)的大量性，TB數(shù)量級的數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，必然增大發(fā)現(xiàn)算法的搜索空間，增加了搜索的盲目性。如何有效的去除與任務無關的數(shù)據(jù)，降低問題的維數(shù)，設計出更加高效的挖掘算法對空間數(shù)據(jù)挖掘提出了巨大的挑戰(zhàn)。

4.2 對當前一些GIS軟件缺乏時間屬性和靜態(tài)存儲的改進

由于數(shù)據(jù)挖掘的應用在很大的程度上涉及到時序關系，因此靜態(tài)的數(shù)據(jù)存儲嚴重妨礙了數(shù)據(jù)挖掘的應用?；趫D層的計算模式、不同尺度空間數(shù)據(jù)之間的完全割裂也對空間數(shù)據(jù)挖掘設置了重重障礙?？臻g實體與屬性數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系僅僅依賴于標識碼，這種一維的連接方式無疑將丟失大量的連接信息，不能有效的表示多維和隱含的內(nèi)在連接關系，這些都增加了數(shù)據(jù)挖掘計算的復雜度，極大地增加了數(shù)據(jù)準備階段的工作量和人工干預的程度。

4.3 發(fā)現(xiàn)模式的精煉

當發(fā)現(xiàn)空間很大時會獲得大量的結(jié)果，盡管有些是無關或沒有意義的模式，這時可利用領域的知識進一步精煉發(fā)現(xiàn)的模式，從而得到有意義的知識。

在空間數(shù)據(jù)挖掘技術方面，重要的研究和應用的方向還包括：網(wǎng)絡環(huán)境上的數(shù)據(jù)挖掘、柵格矢量一體化的挖掘、不確定性情況下的數(shù)據(jù)挖掘、分布式環(huán)境下的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)挖掘查詢語言和新的高效的挖掘算法等。

5 小結(jié)

隨著GIS與數(shù)據(jù)挖掘及相關領域科學研究的不斷發(fā)展，空間數(shù)據(jù)挖掘技術在廣度和深度上的不斷深入，在不久的將來，一個集成了挖掘技術的GIS、GPS、RS集成系統(tǒng)必將朝著智能化、網(wǎng)絡化、全球化與大眾化的方向發(fā)展。

GIS的專業(yè)技術指的是哪些技術呢？

GIS即地理信息系統(tǒng)（Geographic

Information

System），廣泛應用于資源調(diào)查、環(huán)境評估、災害預測、國土管理、城市規(guī)劃、郵電通訊、交通運輸、軍事公安、水利電力、公共設施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計、商業(yè)金融等幾乎所有領域。

GIS與其他幾種信息系統(tǒng)密切相關，但由于其處理和分析地理數(shù)據(jù)的能力使其與它們相區(qū)別。盡管沒有什么硬性的和快速的規(guī)則來給這些信息系統(tǒng)分類，但下面的討論可以幫助區(qū)分GIS和桌面制圖、計算機輔助設計CAD、遙感、DBMS、以及GPS技術。

桌面制圖

桌面制圖系統(tǒng)用地圖來組織數(shù)據(jù)和用戶交互。這種系統(tǒng)的主要目的是產(chǎn)生地圖：地圖就是數(shù)據(jù)庫。大多數(shù)桌面制圖系統(tǒng)只有及其有限的數(shù)據(jù)管理、空間分析以及個性化能力。桌面制圖系統(tǒng)在桌面計算機上進行操作，例如PC機，Macintosh以及小型UNIX工作站。

計算機輔助設計CAD

計算機輔助設計(CAD)系統(tǒng)促進了產(chǎn)生建筑物和基本建設的設計和規(guī)劃。這種設計需要裝配固有特征的組件來產(chǎn)生整個結(jié)構(gòu)。這些系統(tǒng)需要一些規(guī)則來指明如何裝配這些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系統(tǒng)已經(jīng)擴展可以支持地圖設計，但管理和分析大型的地理數(shù)據(jù)庫的工具很有限。

遙感和GPS

遙感是一門使用傳感器對地球進行測量的科學和技術，例如，飛機上的照相機，全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器，或其他設備。這些傳感器以圖象的格式收集數(shù)據(jù)，并為利用、分析和可視化這些圖象提供專門的功能。由于它缺乏強大的地理數(shù)據(jù)管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)專門研究如何存儲和管理所有類型的數(shù)據(jù)，其中包括地理數(shù)據(jù)。DBMS使存儲和查找數(shù)據(jù)最優(yōu)化，許多GIS為此而依靠它。相對于GIS而言，它們沒有分析和可視化的工具。

　資源與環(huán)境研究中的GIS

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）是20世紀60年代以來隨著電子計算機技術的發(fā)展及其廣泛應用，在地理學中發(fā)展起來的一種新的工作手段和方法。該學科是介于信息科學、空間科學和地球科學之間的交叉學科，它是計算機科學、遙感技術、信息工程和現(xiàn)代化地理學理論與方法的有機結(jié)合，是它們應用的進一步延伸和發(fā)展，是地理學的又一新進展。

一、地理信息與地理信息系統(tǒng)

地理信息是指表征地理系統(tǒng)諸要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征、相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像和圖形等的總稱。從地理數(shù)據(jù)到地理信息的發(fā)展，是人類認識地理事物的一次飛躍。地球表面的巖石圈、水圈、大氣圈和人類活動等是最大的地理信息源。地理科學的一個重要任務就是迅速地采集到地理空間的幾何信息、物理信息和人為信息，并適時地識別、轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸、再生成、顯示、控制和應用這些信息。

地理信息屬于空間信息，其位置的識別是與數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起的，這是地理信息區(qū)別于其他類型信息的最顯著的標志。地理信息的這種定位特征，是通過經(jīng)緯網(wǎng)或公路網(wǎng)建立的地理坐標來實現(xiàn)空間位置的識別；地理信息還具有多維結(jié)構(gòu)的特征，即在二維空間的基礎上實現(xiàn)多專題的第三維結(jié)構(gòu)，而各個專題型實體型之間的聯(lián)系是通過屬性碼進行的，這就為地理系統(tǒng)各圈層之間的綜合研究提供了可能，也為地理系統(tǒng)多層次的分析和信息的傳輸與篩選提供了方便。地理信息的時序特征十分明顯，因此可以按照時間尺度將地理信息劃分為超短期的（如臺風、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低溫）、中期的（如土地利用、作物估產(chǎn)）、長期的（如城市化、水土流失）、超長期的（如地殼變動、氣候變化）等。地理信息的這種動態(tài)變化的特征，一方面要求地理信息的獲取要及時，并定期更新；另一方面要從其自然的變化過程中研究其變化規(guī)律，從而作出地理事物的預測與預報，為科學決策提供依據(jù)。認識地理信息的這種區(qū)域性、多層次性和動態(tài)性變化的特征對建立地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)人口、資源、環(huán)境等的綜合具有重要意義。

地理信息系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，在計算機軟硬件的支持下，對空間相關數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示，并采用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務而建立起來的計算機技術系統(tǒng)。因此，地理信息系統(tǒng)具有以下三個方面的特征：

（1）具有采集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力。

（2）以地理研究和地理決策為目的，以地理模型方法為手段，具有空間分析、多要素綜合分析和動態(tài)預測的能力，并能產(chǎn)生高層次的地理信息。

（3）由計算機系統(tǒng)支持進行空間地理數(shù)據(jù)管理，并由計算機程序模擬常規(guī)的或?qū)ｉT的地理分析方法，作用于空間數(shù)據(jù)，產(chǎn)生有用信息，完成人類難以完成的任務；計算機系統(tǒng)的支持是GlS的重要特征，它能使GIS得到快速、精確、綜合地對復雜的地理系統(tǒng)進行空間定位和動態(tài)分析。

二、GIS的組成部分

地理信息系統(tǒng)是一種計算機技術系統(tǒng)，它由信息輸入、存儲、數(shù)據(jù)的分析處理和信息的輸出等基本部分組成，并在計算機軟、硬件支持下運行工作。各種組成在GIS中所起的作用不同，可以分為五個組成部分：

（1）計算機硬件：指GIS所需要的基本設備。這些設備用來存儲、處理和顯示。對象主要是數(shù)字地圖或數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

（2）計算機軟件：包括機器運行所需的各種程序及有關資料，如操作系統(tǒng)、編譯程序、匯編程序、專用程序、GIS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、各種分析程序及使用分冊、說明等。主要作用是完成各種GIS應有的操作。

（3）數(shù)據(jù)：GIS研究所需要的各種地理空間數(shù)據(jù)，包括數(shù)字化了的地圖數(shù)據(jù)、經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)、分析用的統(tǒng)計數(shù)據(jù)等等。

（4）過程：GIS工作時，為了得到問題的解答而執(zhí)行的一步一步的動作。不少系統(tǒng)在執(zhí)行時，為了方便用戶使用目錄選擇方式，又稱作點“菜單”方式，作哪個動作就點哪項；也有的系統(tǒng)使用命令方式，根據(jù)用戶需要打入命令，由系統(tǒng)完成，可以一個命令做一個動作，也可以一個命令完成一系列動作，也就是命令過程。

（5）專家：了解GIS，知道怎樣使用系統(tǒng)，這是最重要的。有些系統(tǒng)不能被人完全了解，因而不能發(fā)揮出全部作用，更不能進一步發(fā)展系統(tǒng)。創(chuàng)造GIS的工作量很大，常以“人年”作為計量工作的單位。

三、GIS的類型

（1）專題地理信息系統(tǒng)：是具有有限目標和專業(yè)特點的地理信息系統(tǒng)。為特定的專門的目的服務，如水資源管理信息系統(tǒng)、礦產(chǎn)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)、環(huán)境管理信息系統(tǒng)等。

（2）區(qū)域地理信息系統(tǒng)：主要以區(qū)域綜合研究和全面信息服務為目標。可以有不同規(guī)模，如國家級的、地區(qū)或省級的、市級或縣級等為各不同級別行政區(qū)服務的區(qū)域信息系統(tǒng)，也可以按自然分區(qū)或流域為單位建立區(qū)域信息系統(tǒng)。區(qū)域信息系統(tǒng)如加拿大國家信息系統(tǒng)、美國橡樹嶺地區(qū)信息系統(tǒng)、圣地亞哥縣信息系統(tǒng)、中國黃河流域信息系統(tǒng)等。

（3）地理信息系統(tǒng)工具：它是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等地理信息系統(tǒng)基本功能的軟件包。它們或者是專門研究的，或者是在完成實用地理信息系統(tǒng)后抽去具體的區(qū)域或?qū)ｎ}的地理空間數(shù)據(jù)后得到的。這些軟件適于用來作為地理信息系統(tǒng)支撐軟件，以建立專題或區(qū)域性的實用性地理信息系統(tǒng)，也可以作教學軟件。由于地理信息系統(tǒng)設計技術較高，而且重復編輯比較復雜的基礎軟件也造成人力的極大浪費，因此采用地理信息系統(tǒng)工具，無疑是建立實用地理信息系統(tǒng)的一條捷徑。

四、資源與環(huán)境研究中的GIS

進入21世紀，中國的GIS事業(yè)發(fā)展迅速，GIS的作用日益被大眾所認識，并蓬勃應用到各種領域中。人類正在進入以信息技術和空間技術應用為特征的新型信息時代。作為新興技術科學的地理信息系統(tǒng)，從20世紀80年代末期以來已成為最活躍的信息產(chǎn)業(yè)之一。它涉及到GIS軟件、硬件、數(shù)據(jù)、遙感與航空攝影、制圖、野外數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)集成和咨詢等內(nèi)容。其中，軟件是GIS的技術核心，而從事軟件開發(fā)和系統(tǒng)集成的公司或機構(gòu)則往往成為GIS產(chǎn)業(yè)的主體。

早期GIS主要應用于自動制圖、設施管理和土地信息系統(tǒng)（LIS），后來逐步擴展到資源與環(huán)境管理、森林清查、城市規(guī)劃、市政管理、災害監(jiān)測與預測、科學研究和軍事戰(zhàn)略等眾多領域。隨著GIS技術的成熟，數(shù)據(jù)積累和應用環(huán)境的改善，它的應用范圍不斷擴展，應用程度不斷深化。GIS在資源與環(huán)境研究中的應用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.資源清查與管理

資源的清查、管理和分析是GIS應用中趨于成熟而重要的領域，包括土地資源、森林資源和礦產(chǎn)資源的清查、管理，土地利用規(guī)劃，野生動植物的保護等。資源清查是地理信息系統(tǒng)最基本的職能，這時系統(tǒng)的主要任務是將各種來源的數(shù)據(jù)匯集在一起，并通過系統(tǒng)的統(tǒng)計和覆蓋分析功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計和資源狀況分析，為資源的合理開發(fā)、利用和科學管理提供依據(jù)。

以土地利用類型為例，可以輸出不同土地類型的分布和面積，按不同高程帶劃分的土地利用類型、不同坡度區(qū)內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀、不同巖性引起的土地利用差異以及不同時期的土地利用變化等，為資源的合理利用、開發(fā)和科學管理提供依據(jù)。又如中國西南地區(qū)國土資源信息系統(tǒng)，設置了三個功能子系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)。資源數(shù)據(jù)存儲了1500多項300多萬個。該系統(tǒng)提供了一系列資源分析與評價模型、資源預測預報及西南地區(qū)資源合理開發(fā)配置的資料?？衫L制草場資源分布圖、礦產(chǎn)資源分布圖、各地縣產(chǎn)值統(tǒng)計圖、農(nóng)作物產(chǎn)量統(tǒng)計圖、交通規(guī)劃圖、重大項目規(guī)劃圖等不同內(nèi)容的專業(yè)圖件。

2.區(qū)域與城鎮(zhèn)規(guī)劃

城市與區(qū)域規(guī)劃中要處理許多不同性質(zhì)和不同特點的問題，它涉及資源、環(huán)境、人口、交通、經(jīng)濟、教育、文化和金融等多個地理變量和大量數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理有利于將這些數(shù)據(jù)信息歸并到統(tǒng)一系統(tǒng)中，最后進行城市與區(qū)域多目標的開發(fā)和規(guī)劃，包括城鎮(zhèn)總體規(guī)劃、城市建設用地適宜性評價、環(huán)境質(zhì)量評價、道路交通規(guī)劃、公共設施配置以及城市環(huán)境動態(tài)監(jiān)測等。這些規(guī)劃功能的實現(xiàn)，是以地理信息系統(tǒng)的空間搜索方法、多元信息的疊加處理、空間分析方法和網(wǎng)絡分析功能等作為保證的。中國大、中型城市很多，根據(jù)加快中心城市的規(guī)劃建設，加強城市建設決策科學化、現(xiàn)代化的要求，利用地理信息系統(tǒng)作為城市規(guī)劃、管理和分析的工具，具有十分重要的意義。

3.環(huán)境災害監(jiān)測

利用GIS方法和多時相遙感數(shù)據(jù)，可以有效地用于森林火災的預測預報、洪水災情監(jiān)測和災情損失的估算，為救災搶險和防洪決策提供及時準確的信息，例如據(jù)中國大興安嶺地區(qū)的研究，通過普查分析森林火災實況，統(tǒng)計分析十幾萬個氣象數(shù)據(jù)，從中篩選出氣溫、風速、降水、溫度等氣象要素、春秋兩季植被生長情況和積雪覆蓋程度等14個因子，用模糊數(shù)學方法建立數(shù)學模型，建立微機信息系統(tǒng)的多因子的綜合指標森林火險預報方法，對預報火險等級的準確率可達73%以上。又如黃河三角洲地區(qū)防洪減災信息系統(tǒng)，在ARC/INFO地理信息系統(tǒng)軟件支持下，借助于大比例尺數(shù)字高程模型，加上各種專題地圖，如土地利用、水系、居民點、油井、工廠排放工程設施及社會經(jīng)濟統(tǒng)計信息等，通過各種圖形疊加、操作、分析等功能，可以計算出若干個泄洪區(qū)域及其面積，比較不同泄洪區(qū)域內(nèi)的土地利用、房屋、財產(chǎn)損失等，最后得出最佳的泄洪區(qū)域，并制定整個泄洪區(qū)域內(nèi)的人員撤退、財產(chǎn)轉(zhuǎn)移和救災物資供應等的最佳運輸線路。

4.環(huán)境保護及管理

GIS技術也是進行環(huán)境評價、環(huán)境規(guī)劃管理的有力工具。其內(nèi)容包括：環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，建立基礎數(shù)據(jù)庫和環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)庫，建立環(huán)境污染的有關模型，提供環(huán)境管理的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和報表輸出，環(huán)境作用分析和環(huán)境質(zhì)量評價，環(huán)境信息傳輸和制圖等。

環(huán)境管理涉及人類社會活動和經(jīng)濟活動的一切領域，一個大中型城市每年收集和監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)可能多達100萬個，對如此大量的數(shù)據(jù)，應使其有效地為環(huán)境管理決策及其他用途服務。一個地方環(huán)境管理信息系統(tǒng)的功能有：為環(huán)境管理部門提供數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)存儲方法——基礎數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；提供環(huán)境管理的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表和圖形編輯方法；建立環(huán)境污染的若干模型，為環(huán)境管理決策提供支持；提供環(huán)保部門辦公軟件；提供信息傳輸?shù)姆椒ê褪侄巍?/p>

例如，上海市環(huán)境管理雅息系統(tǒng)具有如下主要特征：①建立了動態(tài)數(shù)據(jù)庫，可存儲環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)（如包括污染源和環(huán)境質(zhì)量）和其他有關數(shù)據(jù)（如環(huán)境標準、水文、氣象等），對大多數(shù)環(huán)境管理功能來說，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享；②面向環(huán)境質(zhì)量管理，可以對環(huán)境質(zhì)量狀況的統(tǒng)計、評價、預測、規(guī)劃以及其他管理提供支持；③為實現(xiàn)面向污染源的污染控制管理提供支持，可以實現(xiàn)排污收費、排污許可證制度的管理；④為便于用戶使用，系統(tǒng)設計一個界面友好的窗口菜單系統(tǒng)，使用方便，可以提供不同形式的輸出，包括屏幕顯示、表格打印、圖形繪制、磁盤輸出等，還預留了遠程通訊接口。

5.宏觀決策

GIS利用有效的數(shù)據(jù)庫，通過一系列決策模型的構(gòu)建和比較分析，可為國家或區(qū)域的宏觀決策提供科學依據(jù)。例如GIS支持下的土地承載力的研究，可以解決土地資源與人口容量的規(guī)劃。中國在三峽地區(qū)研究中，通過利用地理信息系統(tǒng)和機助制圖的方法等多種功能建立了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為三峽宏觀決策提供了建庫前后環(huán)境變化的數(shù)量、速度和演變趨勢等可靠依據(jù)。又如，通過水土流失監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的水土流失強度、地質(zhì)巖性、坡度及其他資源與環(huán)境的相關數(shù)據(jù)進行分析研究，利用圖形疊置等功能和變化的規(guī)律模型，可以進行水土流失的預測，為水土保持方案的編制及實施生態(tài)環(huán)境治理等提供堅實的數(shù)據(jù)基礎，為宏觀決策提供依據(jù)。

試闡述GIS環(huán)境下對地理空間數(shù)據(jù)進行自動制圖綜合取舍的原理、方法、發(fā)展趨勢與技術難點。

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是以采集、存儲、管理、分析、描述和應用整個或部分地球表面（包括大氣層在內(nèi)）與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)（97年的參考文獻）。它由硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶有機結(jié)合而構(gòu)成。它的主要功能是實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的采集、編輯、管理、分析、統(tǒng)計、制圖的工具已逐步發(fā)展起來。

GIS始于60年代的加拿大與美國，爾后各國相繼投入了大量的研究工作，自80年代末以來,特別是隨著計算機技術的飛速發(fā)展,地理信息的處理、分析手段日趨先進，GIS技術日臻成熟，已廣泛地應用于環(huán)境、資源、石油、電力、土地、交通、公安、急救、航空、市政管理、城市規(guī)劃、經(jīng)濟咨詢、災害損失預測、投資評價、政府管理和軍事等與地理坐標相關的幾乎所有領域。

但是，隨著信息技術，尤其是計算機技術的快速發(fā)展、數(shù)字地球（Digital Earth）的提出與實施，以及GIS的應用深度的不斷深入和廣度的擴大，GIS正處于急劇變化與發(fā)展之中，并對GIS提出了許多新的要求。一方面，計算機的進步、信息網(wǎng)的發(fā)展和利用等技術上的突破，使得以數(shù)字形式表示信息更加容易，另一方面，地理信息仍滯后于其它更適合于以數(shù)字形式表示的信息，例如數(shù)字和文本。因此，地理信息的使用，又存在一定的困難和障礙，如果這些障礙能夠妥善解決，GIS的應用將會取得突飛猛進的發(fā)展。本文就目前地理信息系統(tǒng)的熱點問題進行介紹、分析和總結(jié)。

2 計算機技術對GIS發(fā)展趨勢的影響

GIS技術依托的主要工具和平臺是計算機及其相關設備。進入90年代以來，隨著計算機技術的發(fā)展, 計算機其微處理器的處理速度愈來愈快性能價格比更高; 其存儲器能實現(xiàn)將大型文件映射至內(nèi)存的能力,并且能存儲海量數(shù)據(jù)。此外, 隨著多媒體技術、空間技術、虛擬實景、數(shù)字測繪技術、數(shù)據(jù)倉庫技術、計算機圖形技術三維圖形芯片、大容量光盤技術及寬頻光纖通訊技術的突破性進展，特別是消除數(shù)據(jù)通訊瓶頸的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建立，以及能夠提供接近實時對地觀測圖象的高分辨、高光譜、短周期遙感衛(wèi)星的大量發(fā)射，這些為GIS技術的廣泛、深入應用展示了更加光明的前景。同時, 也使當前的GIS已不能滿足信息時代、數(shù)字時代的要求，目前GIS主要總體上呈現(xiàn)網(wǎng)絡化[1][3]、開放性[5]、虛擬現(xiàn)實[1]、集成化[2]、空間多維性[4][6]等發(fā)展趨勢。

2.1 網(wǎng)絡化——網(wǎng)絡GIS

計算機網(wǎng)絡技術的最新發(fā)展推動著當代GIS技術的快速更新和發(fā)展，使得在因特網(wǎng)上實現(xiàn)GIS應用日益引起人們的關注，建立萬維網(wǎng)GIS(WWWW GIS或Web GIS)是近年來GIS研究領域的一個熱門話題。Web GIS或互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（Internet GIS）是當前GIS的一個重要發(fā)展方向。

目前，WWWGIS的建設面臨四個方面的挑戰(zhàn)：網(wǎng)上數(shù)據(jù)發(fā)布、網(wǎng)上數(shù)據(jù)互操作、網(wǎng)上數(shù)據(jù)采掘和網(wǎng)上數(shù)據(jù)管理及安全性。與傳統(tǒng)的GIS相比，Web GIS具有以下特點：

(1)適應性強 Web GIS是基于互聯(lián)網(wǎng)的，因而是全球的，能夠在不同的平臺運行。

(2)應用面廣 網(wǎng)絡功能將使Web GIS應用到整個社會，真正實現(xiàn)GIS的無所不能，無處不在。

(3)現(xiàn)實性強 地理信息的實時更新在網(wǎng)上進行，人們能得到最新信息和最新動態(tài)。

(4)維護社會化 數(shù)據(jù)的采集、輸入、空間信息的分析與發(fā)布將是在社會協(xié)調(diào)下運作，對其維護將是社會化，減少重復的勞動。

(5)使用簡單 用戶可以直接從網(wǎng)上獲取所需要的各種地理信息，直接進行各種地理信息的分析，而不用關心空間數(shù)據(jù)庫的維護和管理。

網(wǎng)絡GIS可實現(xiàn)網(wǎng)上發(fā)布、瀏覽、下載，實現(xiàn)基于Web的GIS查詢和分析。盡管目前已有多家國內(nèi)外公司推出Web GIS,總地來說，Web GIS尚處在試驗研究階段，其最終目標是應能實現(xiàn)GIS與WWW技術的有機結(jié)合，GIS通過WWW成為大眾使用的技術和工具。

2.2 開放性——開放式GIS

開放式地理信息系統(tǒng)（Open GIS）是指在計算機和通信環(huán)境下，根據(jù)行業(yè)標準和接口（Interface）所建立起來的地理信息系統(tǒng)。它不僅使數(shù)據(jù)能在應用系統(tǒng)內(nèi)流動，還能在系統(tǒng)間流動。Open GIS是為了使不同的地理信息系統(tǒng)軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構(gòu)分布數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)信息共享的途徑。為此，Open GIS要具有下列特點：

(1)互操作性：不同地理信息系統(tǒng)軟件之間連接、信息交換沒有障礙。

(2)可擴展性：硬件方面，可在不同軟件、不同檔次的計算機上運行，其性能和硬件平臺的性能成正比；軟件方面增加新的地學空間數(shù)據(jù)和地學數(shù)據(jù)處理功能。

(3)技術公開性：開放的思想主要是對用戶公開，公開源代碼及規(guī)范說明是重要的途徑之一。

(4)可移植性：獨立于軟件、硬件及網(wǎng)絡環(huán)境，不需修改便可在不同的計算機上運行。

除此之外，還有諸如兼容性、可實現(xiàn)性、協(xié)同性等特點。

為了研究和開發(fā)Open GIS技術，1996年在美國成立的開放地理信息聯(lián)合會主要研究和建立了開放式地理數(shù)據(jù)交互操作規(guī)程（OGIS，Open Geodata Interoperable Specification）。OGIS是為了尋找一種方式，將地理信息系統(tǒng)技術、分布處理技術、面向?qū)ο蠓椒?、?shù)據(jù)庫設計及實時信息獲取方法更有效地結(jié)合起來?；贠GIS規(guī)范制訂的開放系統(tǒng)模型是一種軟件工程和系統(tǒng)設計方法，這種方法應用于GIS領域，側(cè)重于改變當前GIS模型中特定的應用系統(tǒng)及其功能與它內(nèi)部數(shù)據(jù)模型及數(shù)據(jù)格式緊密捆綁的現(xiàn)狀。當然，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規(guī)程，具體如何實現(xiàn)，還需采用分布式對象的技術，通過Acrobat、OLE、ActiveX、Java等語言實現(xiàn)。

Open GIS技術將使GIS始終處于一種組織、開放式的狀態(tài)，真正成為服務于整個社會的產(chǎn)業(yè)以及實現(xiàn)地理信息的全球范圍內(nèi)的共享與互操作，是未來網(wǎng)絡環(huán)境下GIS技術發(fā)展的必然趨勢。

2.3虛擬現(xiàn)實——虛擬GIS

虛擬GIS就是GIS與虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality）的結(jié)合。VR技術是當代信息技術高速發(fā)展，并與其他技術集成的產(chǎn)物，是一種最有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術。這種模擬具有三個最基本的特征，即Immersion(沉浸)-Interaction(交互)-Imagina-tion(構(gòu)想)。

由于技術的限制，目前還未能開發(fā)出適用于遙感和GIS用戶需要的真3維可視化的數(shù)據(jù)分析軟件包。GIS與虛擬環(huán)境技術相結(jié)合，將虛擬環(huán)境帶入GIS將使GIS更加完美。GIS用戶在計算機上就能處理真3維的客觀世界的虛擬環(huán)境中將能更有效地管理，分析空間實體數(shù)據(jù)。目前虛擬GIS（VGIS）的研究主要集中在虛擬城市。

2.4 多媒體GIS

多媒體技術（Multia-Media）是一種集聲、像、圖、文、通訊等為一體，并以最直觀的方式表達和感知信息，以形象化的、可觸摸（觸屏）的甚至聲控對話的人機界面操縱信息處理的技術。應用多媒體技術對GIS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能及應用模式的設計產(chǎn)生極大的影響，使得GIS的表現(xiàn)形式更豐富，更靈活，更友好。

多媒體地理信息系統(tǒng)（MGIS）將文字、圖形（圖像）、聲音、色彩、動畫等技術融為一體，為GIS應用開拓了新的領域和廣闊的前景。它不僅能為社會經(jīng)濟、文化教育、旅游、商業(yè)、決策管理和規(guī)劃等提供生動、直觀、高效的信息服務，而且將使電腦技術真正走進人類社會生活。多媒體技術在GIS領域的深入應用，乃至出現(xiàn)具有良好集成能力的MGIS是技術發(fā)展的必然。

2.5 集成化——3S技術的結(jié)合

3S技術指的是全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）。3S技術的結(jié)合與集成充分體現(xiàn)了學科發(fā)展從細分走向綜合的規(guī)律。

GIS發(fā)展的重要趨勢是與全球定位系統(tǒng)（GPS）和遙感（RS）的集成，從而構(gòu)成實時的，動態(tài)的GIS。GPS為GIS的快速定位和更新提供手段，遙感技術的多譜段、多時相、多傳感器和多分辨率的特點，為GIS不斷注入“燃料”，反過來又可利用GIS支持從遙感影像數(shù)據(jù)中自動提取語義和非語義信息。

3S技術整體結(jié)合所構(gòu)成的系統(tǒng)是高度自動化、實時化的GIS系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不僅具有自動、實時地采集、處理和更新數(shù)據(jù)的功能，而且能夠分析和運用數(shù)據(jù)，為各種應用提供科學的決策咨詢，并回答用戶可能提出的各種復雜問題。

2.6 空間多維性——三維GIS與時態(tài)GIS

在許多地學研究中，人們所要研究的對象是充滿整個3D空間的，如大氣污染、洋流、地質(zhì)模型等，必須用一個（X，Y，Z）的3D坐標來描述。在3D GIS中，研究對象是通過空間X、Y、Z軸進行定義，描述的是真3D的對象。隨著計算機技術和GIS在許多行業(yè)諸如地質(zhì)、礦山、海洋、城市地下管網(wǎng)，城市空間規(guī)劃、城市景觀分析、無線通信覆蓋范圍分析等對三維GIS的需求日益迫切，3D GIS的理論和應用近年來受到許多學者的關注。到目前為止，雖然有3D GIS系統(tǒng)問世，但其功能遠遠不能滿足人們分析問題的需要，原因主要是3D GIS理論不成熟，其拓撲關系模型一直沒有解決；另外三維基礎上的數(shù)據(jù)量十分大，很難建立一個有效的，易于編程實現(xiàn)的三維模型,計算機海量數(shù)據(jù)的處理為三維GIS提供了基礎。

2.6.2 時態(tài)GIS

人們都在一定的空間和時間環(huán)境中生存并從事各種社會活動。從信息系統(tǒng)，尤其是GIS的實用角度出發(fā)，時間可以看成是一條沒有端點，向過去和將來無限延伸的線軸，它是現(xiàn)實世界的第四維。時間和空間不可分割地聯(lián)系在一起，跟蹤和分析空間信息隨時間的變化，應當是GIS的一個合理目標。這樣的GIS就被稱為時態(tài)GIS（Temporal GIS）。

記錄歷史數(shù)據(jù)有時候是非常重要的。在GIS中也要經(jīng)常查詢歷史，最明顯的例子就是宗地，一塊宗地可能經(jīng)過許多次的買賣或變化。在土地糾紛中，人們需要詳細的歷史記錄作為法律依據(jù)。GIS在環(huán)境應用中，也經(jīng)常需要用到多時態(tài)的信息對環(huán)境進行綜合評價。所以，研究GIS的時態(tài)問題則成為當今GIS領域的一個重要方向。

時態(tài)GIS的組織核心是時空數(shù)據(jù)庫，其概念基礎則是時空數(shù)據(jù)模型。時空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇應以不同類型的時空過程和應用目的作為出發(fā)點。雖然人們已分別在時態(tài)數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫研究方面取得很大進展，但是“時態(tài)”+“空間”≠ “時空”，兩者難以簡單地組合起來，這導致了時態(tài)GIS研究與應用的困難。作為一種系統(tǒng)方法，時態(tài)GIS的研究和應用還有很長的路要走。

2.7 部件組裝化——組件式GIS

GIS軟件是一種大型的軟件，開發(fā)一個功能完備的GIS軟件是一項極其復雜的工程。如何合理地組織GIS軟件的結(jié)構(gòu),一直是GIS軟件技術專家們研究的問題。它的發(fā)展體經(jīng)歷了如下歷程：GIS模塊、集成式GIS、模塊化GIS和核心式GIS。當前計算機軟件控件技術（ActiveX控件，其前身OLE控件）為GIS軟件提供了一種新的開發(fā)模式。

組件化GIS基于標準的組件式GIS平臺，各組件之間不僅可能自由、靈活地重組，而且具有可視化的界面和方便的標準的接口。其特征主要體現(xiàn)在：

(1)高效無縫的系統(tǒng)集成 允許將專業(yè)模型、GIS控件、其它控件緊密地結(jié)合在統(tǒng)一的界面下。

(2)無須專門的GIS開發(fā)語言 只要掌握基于Windows平面的通用環(huán)境(VB,VC++,Delphi,power Builder等)，以及組件式GIS各控件的屬性、方法和事件，就能完成應用系統(tǒng)的開發(fā)。

(3)大眾化的GIS 用戶可以象使用其它ActiveX控件一樣使用GIS的控件，使非專業(yè)的GIS用戶也能勝任GIS應用開發(fā)工作。

(4)開發(fā)成本低 非GIS功能可以利用非專業(yè)控件，降低了系統(tǒng)的成本。

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