浅谈GIS的现状与发展前景

学 生 实 践 报 告

课程名称：物流信息技术与应用专业

班级：21物流管理(3+2)班

学生学号： 2101295016

学生姓名： 李颖

所属院部： 商学院

指导教师： 胡林凤

2021——2022学年 第 2学期

金陵科技学院教务处制

浅谈GIS的现状与发展前景

摘 要

进入21世纪以来，人类社会已经全面进入信息时代，信息技术正在深刻改变着人类的生活与社会面貌。作为全球信息化浪潮重要的组成部分的地理信息系统的建设与应用，日益受到科技界、企业界和政府部门的广泛关注。地理信息系统、遥感技术和全球定位技术三者有机结合,构成科学地理日臻完善的技术体系，引起世界各国普遍的重视。其中，地理信息系统是管理和分析空间数据的科学技术，它及时而又准确的将地理信息反馈到地球科学工作中，这就是地理信息系统的主要职能。地理信息系统正在成为IT领域重要的发展动力之一。

关键词：GIS；现状；发展趋势

一、GIS系统概述

（一）GIS的概念

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。在计算机发展史上，计算机辅助设计技术(CAD)的出现使人们可以用计算机处理图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标(x, y)；线可以看成由无数点组成，线的位置可以表示为一系列坐标对(x1，y1)，(x2，y2),......(xn，yn)；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系，例如一个点在一条线 上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形等。在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形、几万条线、上万个点，还要计算和管理它们之间各种复杂的空间关系。

（二）GIS系统的构成1.从系统论和应用的角度出发

地理信息系统被分为四个子系统，即计算机硬件和系统软件，数据库系统，数据库管理系统，应用人员和组织机构。

(1)计算机硬件和系统软件：这是开发、应用地理信息系统的基础。其中，硬件主要包括计算机、打印机、绘图仪、数字化仪、扫描仪；系统软件主要指操作系统。

(2)数据库系统：系统的功能是完成对数据的存储，它又包括几何（图形）数据和属性数据库。几何和属性数据库也可以合二为一，即属性数据存在于几何数据中。

(3)数据库管理系统：这是地理信息系统的核心。通过数据库管理系统，可以完成对地理数据的输入、处理、管理、分析和输出。

(4)应用人员和组织机构：专业人员，特别是那些复合人才（既懂专业又熟悉地理信息系统）是地理信息系统成功应用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障。

2.从数据处理的角度出发

地理信息系统又被分为数据输入子系统，数据存储与检索子系统，数据分析和处理子系统，数据输出子系统（如图1）。

(1)数据输入子系统：负责数据的采集、预处理和数据的转换。

(2)数据存储与检索子系统：负责组织和管理数据库中的数据，以便于数据查询、更新与编辑处理；

(3)数据分析与处理子系统：负责对数据库中的数据进行计算和分析、处理。如面积计算，储量计算，体积计算，缓冲区分析，空间叠置分析等。

(4)数据输出子系统：以表格、图形、图象方式将数据库中的内容和计算、分析结果输出到显示器、绘图纸或透明胶片上。

图1 地理信息系统结构图

二、GIS的数据结构和数据模型

（一）矢量栅格一体化的数据结构

传统GIS的数据结构主要有两种类型: 基于矢量的数据结构和基于栅格的数据结构。矢量数据结构具有精度高、容易表达拓扑关系、数据存储量少等优点, 但它不能直接与遥感、数学摄影测量和扫描得到的栅格数据交互使用；而栅格数据结构简单, 空间叠置和空间分析易于进行,速度快, 但精度低, 数据量大, 难以建立网络拓扑结构，所以研究一种既有矢量特点又有栅格性质, 兼顾二者优点的数据结构成为必然趋势。这种数据结构把属性、矢量和栅格数据(包括DEM数据)存放在一个数据库中，利用统一的DBMS管理，可以有效地解决信息来源多种多样、数据类型各不相同(既有实际采集的数据和属性信息, 又有遥感图像信息, 还有积累多年的大量图纸和文字资料等)带来的一系列问题。它以线性四叉树编码为基础, 采用多级格网方法。这种数据结构为建立一个容属性、矢量、栅格、DEM 和遥感数据为一体的多功能GIS提供技术支持。

（二）真三维、时空四维数据结构

通常GIS主要研究地球表面的若干个要素的空间分布，属于2维或2.5维G IS。其中3维数据的处理通常是将高程值当作一个属性常数, 如DEM数据。这种 2维或2.5维数据结构难以真正表达 3 维空间数据及随时间变化的空间数据, 如一些地质断层处, 在一固定位置会有不同的高程值,而且随着时间的变化, 地壳运动也会改变其高程, 这种地质构造只能由真3维数据结构确切表示。真3维数据结构基于矢量(空间点、线、面、体)和栅格(体元)的数据结构, 它能显示和描述物体的3维几何特征和属性值。在一些应用场合，不仅需要现状地理分布和数量构成信息，而且还要求提供所研究对象在不同时期的演变过程与变化特征, 用于进行动态分析和预测研究，如在热带森林退化、温室效应、土地利用、土壤沙漠化等全球变化和全球监测实时GIS系统中，必须解决数据的快速更新、多时相数据的对比分析等一系列与时间坐标有关的4维GIS的问题,研究与之相应的时空4维数据结构。另外，探索和研究适合于多重比例尺或无比例尺(即数据库只存储一种比例尺，供多种比例尺GIS分析和输出，以满足一库多用)的GIS 的数据结构也正成为热点。

（三）关系模型、面向对象模型和对象—关系模型

GIS中数据管理方式一般采用图形和属性数据分开管理，即图形数据以专门的文件方式存储，并由专门的图形软件处理，属性数据则由关系数据库(RDB)管理。这种分离式管理方式不利于空间数据的整体管理，容易破坏数据的一致性，查询速度慢，限制了GIS的开发性和互操作性，不能保证数据的共享和并行处理，不支持客户/服务器结构。而随着面向对象技术与数据库技术的发展，产生了面向对象数据库(OODB)及面向对象数据模型。利用面向对象方法提供的四种数据抽象技术(分类、概括、联合、聚集)和两种数据抽象工具(继承与传播)建立的数据模型比传统的数据模型丰富有力, 更适于定义复杂的地理实体和对复杂对象的直接操作。但OODB 技术还不够成熟，市场应用不广，与现在占主导地位的RDB间缺少应有的兼容性，所以结合关系型和面向对象型，开发对象—关系模型管理 GIS的数据是研究GIS数据管理方式的必然趋势。

三、GIS的信息处理模式

传统的GIS信息处理模式主要采用集中式，主机承担系统的所有空间和属性数据的查询、存储、处理与应用管理。这种集中式GIS信息处理模式对主机的性能要求较高,一般要求由中、小型机、工作站担任,系统一次性投资较大,也缺乏灵活性,不易扩展。随着计算机网络技术和客户/服务器技术的发展,GIS信息处理模式向客户/服务器模式发展,客户机处理GIS应用软件，服务器负责存储GIS的数据，执行空间与属性数据库管理软件，响应客户机对GIS应用功能的服务请求。在计算机网络技术、客户/服务器技术、ODBC(开放数据库互联)技术、现代通信技术的基础上，发展面向用户、资源共享的开放式GIS(Open GIS)，允许用户在国家和世界范围内的分布式环境下通过网络实时获取不同系统中的地理信息, 避免冗余数据存储，实现空间数据和地理信息处理资源的共享，降低对系统硬件的要求，减少硬件资源，保障系统数据的安全性和易扩充性。

四、GIS的集成化的智能化

GIS处于地学与技术科学的边缘，本质是信息科学的一个组成部分。它的发展依赖于地理学、测绘学、统计学、计算 机硬件软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统等技术的进步与发展，GIS 与其他相关技术的相互结合将 推动 GIS向集成化、自动化和智能化方向发展。

GIS与RS(遥感)的结合表现为RS是GIS重要的数据源和数据更新的手段，而GIS则是RS中数据处理的辅助信息，用于语义信息和非语义信息的自动提取。GIS与GPS(全球定位系统)结合, GPS可以用来更新GIS的空间数据库，也可以利用GIS中电子地图和GPS 接受机的实时差分定位技术，建立各种实时的车辆导航和自动驾驶信息系统，可用于交通运输、侦破指挥、火警指挥、医疗急救等方面，利用 CCD(电荷耦合器件技术)立体摄影系统和DPS(数字摄影测 量系统)形成实时监测的动态GIS系统，可用于公路、铁路、线路状态的自动检测和管理以及战场的实时侦察和指挥。

GIS应用神经网络、ES(专家系统)技术，可以基于地理数据，智能式地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。GIS与传统制图软件CAD的结合在于CAD丰富了GIS的数据输入和数据更新的手段，GIS扩大和加强了CAD的绘图功能(存储、管理和分析空间 数据)。GIS中引入多媒体技术和虚拟现实技术，使GIS更加形象、直观、完美, 增强了GIS的可视化程度、可操作性和交互性。

GIS与上述技术的整体结合构成的系统是高度自动化、实时化、集成化和智能化的GIS系统，它不但能自动、实时地 采集、处理和更新数据,，而且能智能式地运用和分析数据，为各种应用提供科学的决策咨询，并能以多媒体技术和虚拟现实技术形象直观地再现数据和处理结果。

五、GIS软硬件技术

计算机技术的发展, CPU处理速度的大幅度提高，以及计算机并行处理技术和网络技术的成熟使GIS可以完成更复杂、更大量的计算任务，进行更加复杂的空间分析和图形图像处理；大容量低成本的计算机内存的出现、上千兆字节(GB)的大容量存储装置和光磁盘的采用使GIS存储海量数据的费用下降, 更大量的数据能够在线而快速地存取；高性能低价格的工作站和带有真彩色立体显示的高分辨率显示屏为图形图像的显示和进行空间分析提供了良好的工作环境和用户界面。

另外，对GIS技术发展起决定作用的因素是努力改善开发平台能力，加强其二次开发功能，增强软件的可移植性和开发扩大其应用领域，应用相关技术提高GIS 系统的集成度和用户友好性。目前市场上反映较好的GIS开发平台主要有美国的ARC/NFO、MAPINFO，澳大利亚的 GENAMAP，加拿大的TITAN/GIS、PCI，国内的主要有中国地质大学的MAP/GIS、北大遥感所的CITYSTAR(城市之星)软件。它们大都具有较强的二次开发功能, 但在开发应用领域侧重点不一, 在数据结构、数据模型、信息处理模式、集成化和智能化方面各有特点, 比如ARC/NFO支持矢量栅格一体化查询，其扩展模块ARCSTORM支持客户/服务器模式，但价格昂贵；MA P/NFO的三维功能较弱；MAP/GIS是原国家科委向全国推荐的唯一国产GIS平台软件，它的功能较全面，但不能脱离硬件平台运行，从而限制了其开发应用领域的推广；PCI软件则侧重与RS的结合，处理航片、卫片等图像的功能强大，而T ITAN软件的突出特点是具有全面开放的二次开发能力，以及用户对专业应用系统拥有全面的自主版权。应用系统可脱离开发平台运行，降低开发成本，有利推广。

另外，随着地理信息产业的兴起，GIS逐步走向商品化生产，这使得GIS用户对其产品质量的优劣及可靠性提出了新的要求，所以应对GIS提供的数据精度和可靠性、GIS综合分析、推理所得结论的精确度和可信度建立科学的数学模型、以进行GIS的误差与不确定性研究。

六、GIS在物流领域的应用

GIS能在运输路线的优化和车辆调度方面解决大量信息的查询、分析和处理问题，并在运输管理决策层面提供分析问题、建立模型、模拟决策过程的环境。因此，加大GIS在物流运输管理信息系统中的应用对物流企业实现智能管理、降低服务成本、提高作业效率至关重要。

（一）实时监控

车载GPS发射器的信号经过GSM网络的数字通道，将信号输送到车辆监控中心，监控中心通过差分技术换算位置信息，然后通过GIS将位置信号用地图语言显示出来，货主、物监控流企业可以随时了解车辆的运行状况、任务执行和安排情况，使不同地方的流动运输设备变得透明可控。另外还可以通过远程操作，例如断电锁车、超速报警对车辆行驶进行实时限速监管；偏移路线预警、疲劳驾驶预警、危险路段提示、紧急情况报警、求助信息发送等安全管理保障驾驶员、货物、车辆及客户财产安全。

（二）指挥调度

客户经常会因突发性的变故而在车队出发后要求改变原定计划:有时公司在集中回程期间临时得到了新的货源信息，有时几个不同的物流项目要交叉调车。在上述情况下，监控中心借助于GIS就可以根据车辆信息、位置和道路交通状况向车辆发出实时调度指令，达到充分调度货物及车辆的目的，降低空载率，提高车辆运作效率。

（三）规划车辆路径

目前主流的GIS应用开发平台大多集成了路径分析模块，运输企业可以根据送货车辆的装载量、客户分布、配送订单、送货线路交通状况等因素设定计算条件，利用该模块的功能，结合真实环境中所采集到的空间数据分析客、货流量的变化情况，对公司的运输线路进行优化处理，可以方便地实现以费用最小或路径最短等目标为出发点的运输路径规划。

（四）定位跟踪

结合GPS技术实现实时快速的定位，这对于现代物流的高效率管理来说是非常核心的关键。在主控中心的电子地图上选定跟踪车辆，将其运行位置在地图画面上保存，精确定位车辆的具体位置、行驶方向和瞬间时速，形成直观的运行轨迹，并任意放大、缩小、还原和换图，可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上，利用该功能可以对车辆和货物进行实时定位、跟踪，满足掌握车辆基本信息、对车辆进行远程管理的需要。另外，轨迹回放功能也是GIS和GPS相结合的产物，也可以作为车辆跟踪功能的一个重要补充。

（五）信息查询

货物发出以后，受控车辆所有的移动信息均被存储在控制中心计算机中一有 序存档、方便查询；客户可以通过网络实时查询车辆运输途中的运行情况和所处的位置，了解货物在途中是否安全，是否能快速有效地到达。接货方根据发货方提供的相关资料和权限就可以通过网络实时查看车辆和货物的相关信息，掌握货物在途中的情况以及大概的到达时间，以此来提前安排货物的接收、存放以及销售等环节，使货物的销售链可提前完成。

（六）辅助决策分析

在物流管理中，GIS会提供历史的、现在的、空间的、属性的等全方位信息，并集成各种信息进行销售分析、市场分析、选址分析以及潜在客户分析等空间分析。另外，GIS与GPS的有效结合，再辅以车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等，可构建高度自动化、实时化和智能化的物流管理信息系统，这种系统不仅能够分析和运用数据，而且能为各种应用提供科学的决策依据，使物流变得实时并且成本最优。

七、GIS在其他领域的应用

地理信息系统作为一门交叉性极强、运用及其灵活的学科,其在功能上十分强大,其应用领域更是覆盖面及其广泛。由于地理信息系统的综合性以及运筹帷幄优势,其也已经成为国家宏观决策和区域目标开发的重要工具,也成为与空间信息相关各行各业的基本工具。以下,简要介绍下地理信息系统的一些主要应用。（一）测绘与地图制图

地理信息系统技术源于机助地图制图。而地理信息系统(GIS)技术和遥感技术(RS)全球定位系统(GPS)在测绘领域的广泛应用,为测绘和地图制图领域带来了一场革命性的变革。地图数据获取和成图的技术流程、地图成图周期、地图图幅精度以及地图的种类都发生了巨大的变化,不仅为广大用户带来便利,也促使测绘和地图制图进入一个崭新的时代。

（二）资源管理

资源清查本就是地理信息系统最基本职能, GIS会将各类数据已经资源集合在一起,通过系统分析和处理,按照不同属性和条件进行再划分,实现资源和数据

快速再现。例如在土地利用领域，可以输出不同类型的分布和变化,根据不同的搞成划分土地利用类型,不同坡度利用状况以及不同时期土地利用变化等。

（三）规划设计

地理信息系统可以有效将城市与区域规划中所涉及的资源、环境、人口、交通、教育、经济、教育、文化以及金融等多个地理变量和大量数据进行管理并统一规划,并对城市建设交通规划、环境质量、以及公共设施配置等进行良好评测。这些功能的实现,主要以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件作为支撑的。

（四）灾情监测

利用地理信息系统的遥感数据的结合，可以有效地对森林火灾、洪水灾情等进行监测、预防以及损失估算,为灾害抢救和防洪决策机试提供准确信息。我国08年汶川地震时，地理信息系统准确的勾画出堰塞湖的位置,以及对地形的分析对当时的营救工作起到了巨大作用。

（五）环境保护

用GIS技术建设城市环境监测、分析预报系统，为实现环境监测与管理科学化、自动化提供最基本条件,在区域华宁质量现状评价过程中，利用GIS技术,实现对整个地区的客官、全面的监控和评价，用以反映该地区受污染程度以及雨季分布等信息;在野生动物保护中，GIS 会帮助统计世界所有动物的生存状况包括生存地状况，对于保护濒危动物，有很大的作用。

（六）国防

现代战争的一个基本特点就是“3S”技术被广泛利用从战略构思到战术安排各个环节。这往往决定一场战争的成败。例如海湾战争期间，美国国防部就利用GIS和遥感成像集成系统，自动搜索识别战区地图,通过卫星及时将战况传回五角大楼，为军事决策提供有力的保障。

GIS和现代各类行业的结合使得其已经跻身于世界高新技术行列。而其他行业的发展和需求必然推动GIS的进步、完善、进而形成独立的科学系统。GIS 理应好好应用发展,人们应当利用其强大的功能为人类造福。

八、GIS的发展趋势

随着信息技术、GIS理论及技术方法的发展和进步，GIS 早已应用到人类生活各个方面。只要研究对象与三维空间有关，就可以利用地理信息系统去解决相关问题。自20世纪60年 代地理信息系统出现以来，历经多年发展，GIS系统软件和应用软件逐渐成熟和完善，但GIS的发展还没有停下脚步，GIS的发展趋势主要有以下几个方面。

（一）网络GIS(Web GIS)

计算机网络技术是促使GIS发生质变的重要技术。Web GIS是指在Internet上的信息发布、数据共享和交流协作基础上实现GIS的在线查询、业务处理等操作。网络浏览器的使用从视觉上给提供和使用地理数据的人们带来了极大的方便，网络技术具有巨大的潜力。但对于如何在GIS领域得到有效的使用并充分发挥它的潜力依旧是需要探索的问题。

（二）开放式GIS(Open GIS)

开放式地理信息系统是指在计算机和通信环境下，根据行业标准和接口建立起来的地理信息系统。它能够使数据在应用系统内流动，还能在系统间流动。它使不同的地理信息系统软件之间具有良好的互操作性，以及在异构分布数据库中实现信息共享的途径。在开放性方面，GIS技 术还有很长的路要走。

（三）组件式GIS(Com GIS)

Com GIS组件式软件技术的出现使得以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式得到改变。Com GIS的基本思想是将各个功能模块做成控件，利用软件开发工具以搭积木的形式集成起来，构建地理信息系统平台和应用系统。GIS软件属于大型软件，开发-套功能齐全的GIS软件是一项十分复杂的工程。组件式为用户提供了更为便利的二次开发手段，基于标准化的GIS平台，各组件间自由灵活的重组，还有可视化的界面和方便的标准接口，无需专门的GIS开发语言就能完成应用系统的开发。

（四）虚拟GIS(VGIS)

虛拟GIS其实就是GIS与虚拟现实技术的结合。VR技术是一种有效模拟人在自 然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。由于技术受限，目前还未能开发出适用于遥感和GIS用户需要的真三维可视化的数据分析软件包。GIS与 虛拟”环境技术的结合促使GIS更加完美。通过虚拟现实的可视化技术，GIS用户在计算机上就能观察到真三维的客观世界。环境技术的结合促使GIS更加完美。通过虚拟现实的可视化技术，GIS用户 在计算机.上就能观察到真三维的客观世界。开发虚拟GIS已经成为GIS发展的一大趋势。

（五）多媒体GIS(MGIS)

多媒体地理信息系统将文字、图形、图像、色彩、动画、声音等技术相结合，拓宽了GIS的应用领域。多媒体技术在GIS领域的深层次应用，直至出现具有良好的集成能力的MGIS是技术发展的必然趋势。

（六）三维GIS(3D GIS)

在3D GIS中，研究对象是根据空间X、Y、Z轴进行定义，描述的是真3D的对象。真正的3D GIS必须支持真三维的矢量和栅格数据模型和以此为基础的三维空间数据。三维基础.上的数据量巨大，难以建立起一个有效的、易于编程实现的三维模型，因此还需要理论研究和技术的发展支持。

（七）时态GIS(TGIS)

时态GIS的组织中心是时空数据库，时间和空间不可分割地联系起来，在环境监测、地震救援、天气预报等应用领域中，空间对象是随时间而变化的，这种变化规律在求解过程中有着极其重要的作用。研究GIS的时态问题已经成为当今GIS领域的一个重要方向。

（八）无线通信与GIS

利用手机进行无线上网、无线资料传输已经成为生活的必须。将GIS与无线通信相结合，借助无线通信等技术手段,使GIS更加深入地应用到生活中，这将是一个非常广阔的市场。成都远石多年来致力于二、三维的GIS技术以及无人机航测服务。在GIS方面，系统平台与行业需求深度结合，现已在仿真模拟、土地资产管理、人口信息管理、智慧矿山、智慧景区/园区等行业有了完整的行业解决方案。在无人机航测方面，拥有多年西南地区航测作业经验，现具备DLG、DOM、DEM、DRG、三维实景模型及机载激光雷达全套数据成果的生产能力。

结论

综上所述，GIS在数据结构、数据模型、信息处理模式、集成化和智能化、软硬件技术以及误差与不确定性研究等几个方面的发展趋势是相互影响、相互促进的，它们促进了地理信息产业的建设与发展，从而使GIS能更好地为人类了解和保护自身赖以生存的环境服务。

参考文献

[1]李云芝，秦大国.当前GIS发展趋势的几个关键问题[J].系统工程与电子技术，1999，21（12）：95-98.[2]单静波.计算机技术与GIS发展趋势[A].河北：中国电子商务，2014：293.[3]英晓巍.当前计算机技术与GIS发展趋势[J].黑龙江科技信息，2009，02：67.

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