引言
隨著計算機技術的飛速發展、空間技術的日新月異及計算機圖形學理論的日漸完善，GIS(Geographic Information System）技術也日趨成熟，並且逐漸被人們所認識和接受。近年來，GIS被世界各國普遍重視，尤其是“數字地球”概念的提出，使其核心技術GIS更為各國政府所關注。目前，以管理空間數據見長的GIS已經在全球變化與監測、軍事、資源管理、城市規劃、土地管理、環境研究、農作物估產、災害預測、交通管理、礦產資源評價、文物保護、濕地制圖以及政府部門等許多領域發揮著越來越重要的作用。當前GIS正處于急劇發展和變化之中，研究和總結GIS技術發展，對進一步開展GIS研究工作具有重要的指導意義。因此，本文就目前GIS技術的研究現狀及未來發展趨勢進行總結和分析。
1、GIS研究現狀及其分析
1.1 GIS研究現狀
世紀90年代以來，由于計算機技術的不斷突破以及其它相關理論和技術的完善，GIS在全球得到了迅速的發展。在海量數據存儲、處理、表達、顯示及數據共享技術等方面都取得了顯著的成效，其概括起來有以下幾個方面︰
?硬件系統采用服務器/客戶機結構，初步形成了網絡化、分布式、多媒體GIS；
?在GIS的設計中，提出了采用“開放的CIS環境”的概念，最終以實現資源共享、數據共享為目標；
?高度重視數據標準化與數據質量的問題，並已形成一些較為可行的數據標準；
?面向對象的數據庫管理系統已經問世，正在發展稱之為“對象--關系DBMS（數據庫管理系統）”；
?以CIS為核心的“3S”技術的逐漸成熟，為資源與環境工作提供了空間數據新的工具和方法；
?新的數學理論和工具采用CIS，使其信息識別功能、空間分析功能得以增強等等。
在GIS技術不斷發展下，目前GIS的應用已從基礎信息管理與規劃轉向更復雜的區域開發、預測預報，與衛星遙感技術相結合用于全球監測，成為重要的輔助決策工具。據有關部門估計，目前世界上常用的GIS軟件己達400多種︰國外較著名的GIS軟件產品有︰Auotodesk系列產品、Arc/Info、MapInfo及其構件產品、Intergraph、Microstation等，還有Web環境下矢量地圖發布的標準和規範，如XML、GML、SVG等等。我國GIS軟件研制起步較晚，比較成熟的測繪軟件主要有南方CASS,MapGIS,GeoStar,SuperMap等。盡管現存的GIS軟件很多，但對于它的研究應用，歸納概括起來有二種情況︰一是利用GIS系統處理用戶的數據；二是在GIS的基礎上，利用它的開發函數庫二次開發用戶專用的GIS軟件。目前已成功應用包括資源管理、自動制圖、設施管理、城市和區域規劃、人口和商業管理、交通運輸、石油和天然氣、教育、軍事等九大類別的一百多個領域。在美國及發達國家，GIS的應用遍及環境保護、災害預測、城市規劃建設、政府管理等眾多領域。近年來，隨著我國經濟建設的迅速發展，加速了GIS應用的進程，在城市規劃管理、交通運輸、測繪、環保、農業等領域發揮r重要的作用，取得了良好的經濟效益和社會效益。
1.2 當前GIS發展存在的主要問題
基于以上GIS技術現狀研究，本文分析認為GIS技術在模型、數據結構等方面存在著不足，一定程度上制約了GIS技術的發展。
(1)數據結構方面存在的問題
目前通用的GIS主要有矢量、柵格或兩者相加的混合系統，即使是混合系統實際上也是將兩類數據分開存儲，當需要執行不同的任務時采用不同的數據形式。在矢量結構方面，其缺點是處理位置關系（包括相交、通過、包含等）相當費時，且缺乏與DEM和RS直接結合的能力。在柵格結構方面，存在著柵格數據分辨率低，精度差；難以建立地物間的拓撲關系；難以操作單個目標及柵格數據存貯量大等問題。
(2)GIS模型存在的問題
傳統GIS模型是按照計算機的方法對客觀世界地理空間不自然的分割和抽象，使得人們認知地理空間的認知模型與計算機中的數據模型不能形成良好的對應關系，難以表達復雜的地理實體，更難滿足客觀世界的整體特征要求。在GIS軟件開發中，如果語義分割不合理，將難以有效表達地理空間實體間的關系，這就導致較深層次的分析、處理操作難以實現。隨著GIS應用需求領域的不斷開拓及計算機技術的迅速發展，對空間數據模型和空間數據結構提出了更高的要求，使得傳統的地理空間數據模型力不從心，逐漸暴露其弊端。
目前，面向對象的數據模型一定程度上解決了傳統GIS數據模型的某些不足，但是OODB（面向對象數據庫）目前仍未在市場以及關鍵任務應用方面被廣泛接受，因為OODB作為一個DBS還不太成熟，如缺少完全非過程性的查詢語言以及視圖、授權、動態模式更新和參數化性能協調等；且OODB與RDB之間缺少應有的兼容性，因而使得大量的已建立起來的龐大的RDB客戶不敢輕易地去選擇OODB。
(3)其他方面亟待解決的問題
當前，GIS正處在一個大變革時期，GIS的進一步發展還面臨不少問題，主要表現在以下幾個方面︰
?GIS設計與實現的方法學問題。在GIS設計與實現過程中缺乏面向對象的認知方法學和面向對象的程序設計方法學的指導，導致GIS軟件系統的可靠性和可維護性差；
?GIS的功能問題。當前以數據采集、存儲、管理和查詢檢索功能為主的GIS,不能滿足社會和區域可持續發展在空間分析、預測預報、決策支持等方面的要求，直接影響到GIS的應用效益和生命力；
?三維GIS模型及可視化問題。目前大多數GIS軟件的圖形顯示是基于二維平面的，即使是三維效果顯示也是采用DEM的方法來處理表達地形的起伏，涉及到地底下真三維的自然和人工現象顯得無能為力。
2、GIS未來發展趨勢
2.1數據管理方面
(1)多比例尺、多尺度和多維空間數據的表達
對于多比例尺數據的顯示，將運用影像金字塔技術、細節分層技術和地圖綜合等技術；而為了實現GIS的動態、實時和三維可視化，出現存儲真三維坐標數據的3D GIS和真四維時空GIS,這其中涉及了空間數據的海量存儲、時空數據處理與分析以及快速廣域三維計算與顯示等多項理論與技術。
(2)三庫一體化的數據結構方向
空間數據庫向著真正面向對象的數據模型和圖形矢量庫、影像柵格庫和DEM格網庫三庫一體化數據結構的方向發展。這種三庫一體化的數據結構改變了以圖層為處理基礎的組織方式，實現了直接面向空間實體的數據組織，使多源空間數據的錄入與融合成為了可能，從而為GIS與遙感技術的集成創造了條件。
(3)基于空間數據倉庫（Spatial Data warehouse）的海量空間數據管理的研究
空間數據量非常大，而且數據大都分散在政府、私人機構、公司的各個部門，數據的管理與使用就變得非常復雜，但這些空間數據又具有極大的科學價值和經濟價值，因此大多數發達國家都比較重視空間數據倉庫的建立工作，許多研究機構和政府部門都參與到空間數據倉庫建立的研究工作。
(4)利用數據挖掘技術進行知識發現
空間數據挖掘是從空間數據庫中抽取隱含的知識、空間關系以及其他非顯式的包含在空間數據庫中但以別的模式存在的信息供用戶使用，這是GIS應用的較高層次。由于目前空間數據的組織與管理仍局限于二維、靜態、單時相，且仍以圖層為處理基礎，因此，當前的GIS軟件和空間數據庫還不能有效地支持數據挖掘。
2.2技術集成方面
(1)“3S”集成
“3S”是GPS（全球定位系統）、RS（遙感）和GIS的簡稱，“3S”集成是指將遙感、空間定位系統和地理信息系統這三種對地觀測技術有機地集成在一起。地理信息是一種信息流，RS、GPS和GIS中任何一個系統都只側重于信息流特征中的一個方面，而不能滿足準確、全面地描述地理信息流的要求。因此，無論從物質運動形式、地學信息的本質特征還是“3S”各自的技術特征來說，“3S”集成都是科技發展的必然結果。
目前，“3S”集成還僅限于兩兩結合方式，這是“3S”集成的初級和基礎起步階段，其核心是GIS與RS的結合。這種兩兩結合雖然優于單一系統，但是仍然存在以下缺陷。將“3S”進行集成從而形成一體化的信息技術體系是非常迫切的。這種集成包括空基“3S”集成和地基“3S”集成，即在硬件方面建立具有同步獲取涉譜數據和空間數據的高重復觀測能力的平台，而在軟件方面使GIS支持數據封裝，同時解決圖形和圖像數據的統一處理問題。
(2)GIS與虛擬現實技術的結合
虛擬現實（Virtual Reality）是一種最有效地模擬人在自然環境中視、听、動等行為的高級人機交互技術，是當代信息技術高速發展和集成的產物。從本質上說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，通過計算機建立一種仿真數字環境，將數據轉換成圖形、聲音和接觸感受，利用多種傳感設備使用戶“投入”到該環境中，用戶可以如同在真實世界那樣“處理”計算機系統所產生的虛擬物體。將虛擬和重建逼真的、可操作的地理三維實體，GIS用戶在客觀世界的虛擬環境中能更有效的管理、分析空間實體數據。因此，開發虛擬GIS已成為GIS發展的一大趨勢。
(3)分布式技術、萬維網與GIS的結合
目前，隨著Internet技術的迅猛發展，其應用已經深人到各行各業，作為與我們日常生活息息相關的GIS也不例外，它們的結合產生了web GIS。當前Web GIS系統已經得到迅速的發展，到1999年1月，僅在美國出現的這類系統就有23種之多。又由于客戶端可能會采用新的應用協議，因此也被認為是Internet GIS。
計算機網絡技術的飛速發展，分布式計算的優勢日益凸顯，GIS與分布式技術結合也就成為必然，它們的結合即構成了分布式CIS。它就是指利用最先進的分布式計算技術來處理分布在網絡上的異構多源的地理信息，集成網絡上不同平台上的空間服務，構建一個物理上分布，邏輯上統一的GIS。它與傳統GIS最大的區別在于它不是按照系統的應用類別、運行環境劃分的，而是按照系統中的數據分布特征和針對其中數據處理的計算特征而分類的。
(4)移動通信技術與CIS的結合發展
WAP/WML技術作為無線互聯網領域的一個熱點，已經顯示了其巨大的應用前景和市場價值。WAP柳ML技術與GIS技術的結合產生了移動GIS(Mobile GIS）應用和無線定位服務LBS(Location一basedServices）。通過WAR/WML技術，移動用戶幾乎可以在任何地方、時間獲得網絡提供的各種服務。無線定位服務將提供一個機會使GIS突破其傳統行業的角色而進人到主流的IT技術領域里。大多數的分析家都認為，到2010年，無線網絡將成為全球數據傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機動性所決定。
當前用于地理信息交互的語言還不足以完成真正的“設備無關接口”的互操作。各種移動設備對于從地理信息服務器所獲得的信息，其表現方式是各不相同的，用戶輸人方式也不相同。因此，對于不同的移動設備需要一種統一的標記語言。無線定位服務將提供一個機會使GIS突破其傳統行業的角色而進人到主流的IT技術領域里︰大多數的分析家都認為，到2010年，無線網絡將成為全球數據傳送的主要途徑。GIS的未來將會由其機動性所決定。
(5)GIS與決策支持系統（DSS）的集成
決策支持系統（Decision Support System，簡稱DSS）是以管理學、運籌學、控制論、行為科學和人下智能為基礎，運用信息仿真和計算手段為基礎，綜合利用現有的各種數據庫、信息和模型來輔助決策者或決策分析人員解決結構化和半結構化問題，甚至非結構化問題的人機交互系統。
目前，絕大多數的GIS還僅限于圖形的分析處理，缺乏對復雜空間問題的決策支持，而目前絕大多數的DSS則無法向決策者提供一個友好的可視化的決策環境。因此，將GIS與DSS相集成，最終形成空間決策支持系統（SDSS)，借助GIS強大的空間數據處理分析功能，並在DSS中嵌入空間分析模塊，從而輔助決策者求解復雜的空間問題，這是GIS應用向較高層次的發展。其中SDSS中知識的表達、獲取和知識推理以及模型庫、知識庫、數據庫三庫接口的設計是啞待解決的關鍵問題。
2.3發展歷程方面
自20世紀60年代世界上第一個GIS---加拿大地理信息系統（CGIS）問世以來，經過40年的發展，GIS經歷了三個階段的發展。目前，隨著第三代互聯網的提出與實施，以及計算機技術、數據庫技術的飛速發展，GIS即將步入第四代GIS發展階段。
第四代GIS軟件將在數據組織、存儲、檢索和運算等方面發生革命性的變革。數據組織應該是面向空間實體的，空間位置只是實體眾多屬性中的一類，它應和其它屬性有機地組織在一起並統一存放；“關系”概念和“關系運算”應該加以擴充，應該包括空間關系及其運算；傳統的結構化查詢語言應該擴充，把空間關系及其查詢包括在里面；以倒排表為基礎的數據庫索引機制應該擴展，建立至少包括拓撲關系在內的新的索引機制；數據存儲機制應該適應空間數據提取和計算的要求等。只有實現數據真正的一體化存儲和處理，才能自由地、方便地、快速地實現人們所期望的處理功能。在功能上，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台，它具有統一的海量存儲、查詢和分析處理能力、一定的三維和時序處理能力、強大的應用集成能力和靈活的操縱能力，且具有一定的虛擬現實表達。
3、結束語
通過以上對GIS現狀及發展趨勢的分析，可以看出，GIS作為信息產業的重要組成部分，正以前所未有的速度向前發展。把握當前GIS的技術發展現狀及不足，有利于人們預見GIS的發展趨勢，站在更高更遠的角度去揚長避短，較好地促進GIS技術的快速發展。隨著地理信息系統產業的建立和數字化住處產品在全世界的普及,GIS將深人到各行各業以至千家萬戶，成為人們生產、工作、學習和生活中不可缺少的工具和助手。