未來GIS發展的技術趨勢展望

王爾琪，王少華

(1．中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101;2．北京超圖軟件股份有限公司，北京100015)

近年來，IT技術發展可謂風起云涌。GIS是IT的重要部分，IT的發展將會影響GIS的發展［1］。本文主要從6個方面進行總結分析，其中包括Linux的快速發展及與其相關的云計算技術，使IT成為社會基礎設施的一部分;ARM低功耗計算平臺的突飛猛進，將推動物聯網和智慧城市的快速發展;移動應用和基于互聯網絡的協同，推動專業GIS功能讓大眾所用;數據開放浪潮和大數據分析技術的快速發展讓“地理智慧”落到實處;三維技術和全新的數據采集手段拉開了新一輪GIS技術革命的序幕;開源軟件和社會化軟件工程將極大地改變GIS軟件研發和應用的流程和模式。

一、未來GIS發展的技術趨勢展望

1．Linux的快速發展及云計算技術，使IT成為社會基礎設施的一部分

隨著云計算的興起，Linux操作系統以其資源消耗少、軟件生態全、可定制化能力強、安全性能好等優點得到幾乎所有IT服務商的青睞，就連微軟也開始在Linux系統進行大量的投入。以Ubuntu為首的桌面Linux在專業用戶、軟件開發者、IT發燒友中裝機量也在迅速上升，逐漸改變了Linux在桌面應用上的弱勢形象。我國基于Linux的深度定制操作系統，也開始得到更為廣泛的應用。因此，2015年可以說是Linux從打破Windows壟斷到全面開花的轉折之年。尤其是各種嵌入式Linux系統及基于Linux內核的Android手機、平板設備得到了迅猛的增長，Linux得到飛速發展。

云計算概念已提出多年，前幾年主要是進行基礎設施建設、云計算支撐軟件的研發，很多小型的云計算系統也在摸索中逐步建設。這一過程中，云計算的概念得到了普及、技術得到了驗證、產品得到了完善。現在，基礎云計算資源已經可以做到“按需提供”，成為整個社會基礎設施必不可少的一部分［2］。2015年云計算將快速進入應用之年，使云計算的集中管理、資源共享、節能降耗、穩定可靠的優點得到充分發揮。

為了適應這一趨勢，超圖軟件推出了可運行于Linux的全系列GIS平臺。高效的Linux64內核能夠更好地支持虛擬化和云服務平臺，為自主、安全、可靠的專業應用的開發提供GIS承載平臺。基于Linux的GIS服務器和組件已經推出和應用4年以上，今年發布的基于Java的桌面GIS平臺補齊了Linux上的桌面GIS工具鏈，使測繪和地理信息專業人員可以在Linux上完成所有的GIS工作，可以依據OSGi接口規范開發擴展插件，整合專業知識、拓展平臺能力。面向云服務環境的云GIS平臺，包括iPortal、iServer、iExpress、iCloudManager及在線服務平臺，可以為共有云、私有云、混合云的搭建提供多級分布式的解決方案［3］。所有的專業桌面GIS、移動GIS和開源的Web客戶端都能接入云服務平臺，并聚合應用其服務和各類第三方信息。

2．基于ARM低功耗計算平臺的突飛猛進，將推動物聯網和智慧城市的快速發展

ARM以其功耗低、發熱小的突出優勢和開放的生態圈、靈活的定制能力迅速占領了近幾年來發展最為迅速的移動計算市場，或者說，正是ARM的卓越貢獻極大地推動了移動計算的發展，讓“信息在指尖”能夠真正地實現，并且與迅猛發展的互聯網一起掀起了移動互聯網應用的大浪潮。

盡管ARM已經占據移動計算的絕大部分市場，但ARM的潛力還遠未充分發揮。高達1024個內核的ARM服務器將極大提高數據中心的部署密度，降低電力消耗，8核和16核的ARM桌面機將大大縮小體積并延長持電時間，勢將改變對于計算系統的高熱、笨重、能耗高的傳統印象;用于物聯網的超低功耗ARM芯片也開始進入大規模商用階段，對推動智能設備、物聯網和智慧城市的發展具有極其重要的作用。基于ARM指令集的全志、飛騰、海思等國產CPU芯片，尤其是64位芯片的推出和量產，將迎來ARM陣營的更大發展。

2015年，多平臺通用GIS內核(universal GIS core，UGC)再樹新里程碑，SuperMap 8C完成了全球首個基于ARM指令集CPU的全系列GIS平臺，包括低功耗服務器、低功耗桌面系統、平板與手持機SDK和C++支持庫，可運行于樹莓派2代B+等ARM芯片、飛騰1500A等ARM64芯片，以及Lubuntu/Kylin/Android/iOS等系統之上，為低功耗數據中心、便攜桌面應用、移動數據采集、工業控制、自動化設施、無人駕駛、無人機、傳感系統等新興物聯網系統的構建提供高效GIS內核。新版內核繼承了標準模板庫(standard template library，STL)、64位、多線程安全的優勢，可以支持Java/．NET/C++/Python 4種接口，支持定制的高性能專用設備和工業級系統的研發，為物聯網和智慧城市的發展提供了時空一體化管理的支撐平臺。

3．移動應用和基于互聯網絡的協同，推動專業GIS 功能讓大眾所用

移動應用的浪潮已經風起云涌，移動化的工作模式也正在向專業領域快速滲透。

移動應用并非簡單地“移動著使用”，而是從里到外的一場技術變革和“從搖籃到墳墓”的數據工作流程的全面再造:①輕量的智能軟硬件一體化系統可以即時完成多個傳感器的數據采集和實時運算，并通過網絡快速形成時空一體化數據庫，然后發布到各個服務系統為應用終端所用，從根本性上改變了工作模式和數據時效性;②超低功耗的基于太陽能、風能等自然能源的系統實現空氣狀態、水體質量、滑坡位移、橋梁變化等的24 h自動化連續監測，提供了新的“實時測繪”的可能;③大規模網絡化差分系統改變了高精度工程測量的理論、方法和模式，大幅度提升工作效率，拓展了地理空間信息的應用領域;④網絡化協同可以快速進行即時任務分配和實時數據交換，使業務團隊可以更高效率地協同工作，獲得更有價值的成果;⑤眾包模式的數據更新機制可以補充定期的大規模數據測量的不足，獲得最為新鮮的即時信息，使制圖成為真正的“互聯”服務，讓普通用戶也可以參與到專業工作中來;⑥手機、平板、手持機、嵌入式設備的計算能力已經足夠運行大多數專業功能，實現數據采集、編輯、分析、制圖、共享等操作，使專業工作可以隨時進行。

SuperMap 8C體系中具有豐富的桌面GIS、移動GIS和開源的Web客戶端軟件，通過移動設備和網絡協同把工作人員從傳統的繁重業務中解脫出來，可以隨時隨地完成專業的工作。除了傳統的SOA服務模式，在iMobile和iClient支持消息總線的集成應用，為實現對等計算(P2P)、空間協同和空間數據的實時交換、發布、共享和在線分析提供了更佳的手段。目前支持AMQP和MQTT兩個國際標準，支持送達、群發、過濾、增強等消息總線的多種路由模式，在應急指揮、物聯網應用、資源環境監測、城市交通管理和社會化應用、大數據即時共享等領域具有廣闊的應用前景。

移動互聯和GIS開始進入生活的各個層面，GIS的社會化時代已經到來。

4．數據開放浪潮和大數據分析技術的快速發展促進“地理智慧”落到實處

大數據是以容量大、類型多、存取速度快、應用價值高為主要特征的數據集合，正快速發展為對數量巨大、來源分散、格式多樣的數據進行采集、存儲和關聯分析，從中發現新知識、創造新價值、提升新能力的新一代信息技術和服務業態［4］。全球范圍內，運用大數據推動經濟發展、完善社會治理、提升政府服務和監管能力正成為趨勢。

2015年9月5日，國務院發布《促進大數據發展行動綱要》［5］，提出:“2017年底前形成跨部門數據資源共享共用格局，形成公共數據資源合理適度開放共享的法規制度和政策體系，2018年底前建成國家政府數據統一開放平臺，率先在信用、交通、醫療、衛生、就業、社保、地理、文化、教育、科技、資源、農業、環境、安監、金融、質量、統計、氣象、海洋、企業登記監管等重要領域實現公共數據資源合理適度向社會開放，帶動社會公眾開展大數據增值性、公益性開發和創新應用，充分釋放數據紅利。”

在云計算、移動應用、物聯網等新技術、新概念的重重掩映之下，各種大數據技術也在茁壯地成長。以Hadoop和Spark為首的大規模計算體系，基于R、Python的數據研究和分析工具，以Ceph、Swift、MongoDB為代表的新一代存儲系統，以及OpenCL、Cuda、MPI、OpenMP等并行化計算技術近年來取得了重大的突破，為大數據分析奠定了有力的基礎［6］。

地理空間信息領域每天在產生大量的數據，同時GIS也提供了一個實現時空數據一體化管理、整合、分析的理論模式和最佳技術平臺。地理空間數據不僅服務于眾多的行業領域，也需要強大的計算能力為其提供快速的數據處理和行業模型分析。超圖在2015年推出“地圖慧”商業數據分析在線平臺，并協助合作伙伴將“地理智慧”［7］用于業務改進，幫助物流企業提升訂單分揀效率10倍以上。在時空大數據領域展開了研究，基于C++SDK建立了GIScript腳本引擎，并搭建Celery和Python的并行處理環境，大幅度了提升數據處理能力。面向未來，明確大數據發展的技術路線，將基于C++和MPI/OpenMP實現高性能和并行計算，基于iObjects Java和Hadoop/Spark實現大規模數據處理，基于GIScript和Python/R/Celery等滿足數據探索和分布式研究的需要。

5．三維技術和全新的數據采集手段將拉開GIS新一輪技術革命的序幕

計算機的圖形處理能力的進步推動了三維建模、三維可視化、虛擬現實、增強現實、立體仿真等三維技術的快速發展。虛擬現實(virtual reality)技術將現實世界進行數字化，重建賽博空間(Cyber-Space)［8］。增強現實(argumented reality)技術進一步將現實世界與虛擬世界相互疊加，創造“虛實結合的未來世界”。各種虛擬世界體驗的專用裝備也得到快速發展。

三維技術將徹底改變GIS管理世界的模式。海量空間信息管理與可視化技術是管理真實地理空間的核心技術，二三維一體化技術將已有的二維地圖映射到三維場景中展示，架起了傳統地圖通向數字空間的橋梁。建筑信息模型(building information model，BIM)通過將建筑物的數字模型按照對象化管理，并與建筑設施的屬性進行連接，實現建筑設施的全生命期數字化管理，是支撐智能建筑、智慧城市的基礎信息技術［9］。

近年來傾斜攝影技術取得了重要的突破，很好地解決了3D GIS的數據來源問題，大幅度縮短了三維數據采集到投入應用的周期，在提升三維數字場景的質量的同時降低了成本。基于無人機的傾斜攝影集成系統可以隨時啟動、隨時采集全三維的數字化場景數據，經過簡單的處理后即可直接導入三維GIS中使用。除了傾斜攝影技術，其他的智能數據采集技術如全景圖、街景圖也在快速發展，成本持續降低。基于云服務可以將三維場景發布為服務，通過移動三維APP可以實現對逼真數字城市場景快速訪問，而WebGL技術可以將三維場景帶到任何主流的網頁瀏覽器之上。

SuperMap GIS 8C首次實現三維GIS、BIM、VR/AR和傾斜攝影4大技術的融合，提供了云服務平臺和桌面GIS、移動GIS、WebGIS等多種客戶端，為三維GIS的平臺化發展進一步掃清了障礙，為智慧城市建設、智慧園區管理、能源與礦山管理等提供承載平臺，為真三維分析、大數據呈現和時空仿真平臺、LiveGIS的研究和發展提供了基礎。

6．開源軟件和社會化軟件工程的快速發展，將改變GIS軟件研發和應用的流程和模式

隨著軟件規模越來越大，運行邏輯越來越復雜，對用戶的需求快速反饋、對發現的Bug快速修復、適應新技術發展不斷進行調整成為越來越艱巨的一項任務，傳統軟件的開發模式面臨極大的挑戰。隨著互聯網的發展，適應社會化軟件開發的模式和快速反饋的需要，新一代的分布式軟件工程平臺發展了起來。

Linux軟件倉庫、git分布式版本管理系統、github．com和oschina等源代碼托管平臺、軟件開發社區和各種在線工具使軟件開發進入了社會化階段，全球各地的開發者一起協作，完成以往只有少數大公司才能勝任的大型軟件的研發。社會化軟件開發工具鏈，包含了一系列開源的軟件系統:git版本管理系統，gitlab代碼托管平臺，Jenkins持續集成系統，Sonar代碼質量管理平臺，Gerrit代碼評審工具，多種自動測試、快速部署工具，以及Zabbix/Nagios/Cacti等運維監控工具，puppet部署管理工具。涵蓋了敏捷模式、快速迭代、在線測試等敏捷開發的各個環節，并可進一步實現DevOps(開發運維一體化)。

為了適應多平臺、多版本軟件研發需要，超圖軟件研究院建立了研發的云服務平臺，整合了開源軟件、商業軟件和自行研發的軟件模塊，基于該平臺建立了完整的敏捷開發、持續集成和自動化測試的完整技術系統。在3萬多個測試用例的基礎上完成30多個版本的自動化測試，SuperMap 8C的質量達到了一個新的高度。

為了回饋開源社區，推動GIS的社會化研發和應用，超圖軟件也逐步推出了多個開源軟件:①iClient是一個開源WebGIS產品系列，面向瀏覽器和移動設備的GIS應用，支持iOS、Android等移動設備及FireFox、Chrome等多種瀏覽器訪問GIS服務;②iDesktop Cross是開源的桌面GIS軟件，采用多平臺語言Java開發，可以采用流行的集成編程環境Eclipse快速開發插件，基于標準的OSGi規范擴展平臺的功能;③GIScript地理信息腳本引擎，基于Python進行GIS功能的腳本封裝，采用PyQt和SIP的技術路線，并且開放了C++到腳本的封裝技術，為數據研究、算法研究和應用模型研究提供開放的社區。

這些功能強大的開源工具，可以幫助用戶在Linux下進行數據處理、數據瀏覽和應用開發，使地理科學研究者和地理愛好者都可以參與到地理信息發掘、認知和利用的過程，可以容易地編寫自己的模型、整合算法，并將自己的成果發布和分享。

二、結束語

信息技術的發展推動了GIS技術的變革。GIS技術緊跟信息技術發展潮流，目前已經是信息技術基礎設施的一部分。本文從最新的信息技術出發，總結了影響未來GIS發展的技術趨勢，對GIS學科發展和產業化起到了指導作用。

［1］ 鐘耳順．地理控制與實況地理學——關于GIS發展的思考［J］．地球信息科學學報，2013，15(6):783-792．

［2］ SADIKU M，MUSA S，MOMOH O．Cloud Computing:Opportunities and Challenges［J］．IEEE Potentials，2014，33(1):34-36．

［3］ 北京超圖軟件股份有限公司．SuperMap GIS體系［EB/OL］．［2015-11-01］．http:∥www．supermap．com．cn/．

［4］ 李德仁，張良培，夏桂松．遙感大數據自動分析與數據挖掘［J］．測繪學報，2014，43(12):1211-1216．

［5］ 國務院．促進大數據發展行動綱要［EB/OL］．［2015-11-01］．http:∥www．gov．cn/zhengce/content/2015-09/05/content_10137．htm．

［6］ ZIKOPOULOS P，EATON C．Understanding Big Data:Analytics for Enterprise Class Hadoop and Streaming Data［M］．［S．l．］:McGraw-Hill Osborne Media，2011．

［7］ MORGAN A．Developing Geographical Wisdom:Postformal Thinking about，and Relating to，the World［J］．International Research in Geographical＆Environmental Education，2006，15(4):336-352．

［8］ BENEDIKT M．Cyberspace:Some Proposals［C］∥Cyberspace．［S．l．］:MIT Press，1991:119-224．

［9］ CEROVSEK T．A Review and Outlook for a‘Building Information Model’(BIM):A Multi-standpoint Framework for Technological Development［J］．Advanced Engineering Informatics，2011，25(2):224-244．