從數字地球到智慧地球論GIS的發展

李艷

摘要：GIS技術發展迅速，本文通過總結GIS技術在數字地球發展過程中取得的成就，圍繞物聯網這一新的基礎設施， 從云計算出發，提出了GIS在智慧地球背景下的發展趨勢。

關鍵詞：數字地球；物聯網；智慧地球；功能服務；

一、引言

1998年1月，美國副總統戈爾提出了“數字地球”的概念，為信息時代人類的生活與工作方式描繪了一個清晰的輪廓，即用數字的方法將地球、地球上的活動即整個地球環境的時空變化記入計算機中，實現在網絡上的流通，并使之最大限度地為人類的生存、可持續發展和日常工作、學習、生活、娛樂服務。

數字地球的核心是地球空間信息科學，地球空間信息科學的技術體系中最基礎和基本的技術核心是"三S"技術及其集成。其中地理信息系統（GIS）經過許多年的發展，已經在一些部門得到應用，取得了明顯的經濟效益和社會效益，而且發展十分迅速，形成一個強大的產業。

二、GIS在數字地球中的發展

（1）GIS的研究和應用從二維研究轉向多維動態研究

傳統的二維或2.5維GIS的存儲、分析以及表示方法已經不能適應數字地球大發展要求，用戶希望能夠實時動態地觀察被測目標的變化，有更豐富的信息用以保存、恢復、重現地物特征。這種完全的空間數據集合由全數字4D產品（數字高程模型、數字正射影像圖、數字線劃圖、數字柵格圖）表示出來，能滿足GIS有效的空間查詢和分析。GIS的三維可視化、虛擬現實技術以及細化地貌的分形也由此得到相應的發展。在解決“數字地球”的有關問題中，三維GIS的研究是一個重要領域。對三維GIS的數據模型和數據結構都要進行全新的設計，以滿足數字地球的發展要求。

（2）網絡GIS技術迅猛發展

將GIS和因特網聯系在一起開發WebGIS。使得GIS軟件能在寬帶高速網上實現漫游，硬件實現共享。無論基于網絡的空間數據是集中式還是分布式存儲，一個核心問題就是要對數據進行有效的分類與檢索以達到空間查詢的目的。目前網絡檢索和查詢引擎對于純文本形式的搜索已經有了比較成熟的技術和應用，但是對于空間數據而言，不僅包含了坐標、拓撲關系，還要受到數據生命周期的限制，很難用簡單的文本進行描述和檢索。在傳統的分類檢索不能滿足要求的時候，就產生了用結構化的字段來進行空間數據檢索的方法，這種方法的前提是空間數據的標準化——要采用規范化的結構和特征字典定義的地理信息以及采用相應一致的傳輸協議。

三、物聯網及云計算的發展

物聯網就是“物物相連的互聯網”，最初是由美國麻省理工學院自識中心首先提出于1999年提出的，直到2005年才由國際電信聯盟ITU正式提出。物聯網較為正式的定義就是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種絡。

云計算是能夠提供動態資源池虛擬化和高可用性的下一代計算平臺，具有硬件基礎設施架構在大規模的廉價服務器集群之上，應用程序與底層服務協作開發，最大限度地利用資源，通過多個廉價服務器之間的冗余，使用軟件獲得高可用性等特點。

四、智慧地球對GIS提出的要求及發展

2009年1月，IBM首席執行官彭明盛提出“智慧地球”構想，建議新政府投資新一代的智慧型基礎設施，奧巴馬對此給予了積極的回應，并上升至美國的國家戰略，在世界范圍內引發轟動。“智慧地球”的核心思想就是把要各種傳感器應用到人們生活中的各種物體中，并且能夠相互連接起來，形成“物聯網”， 通過超級計算機和云計算將“物聯網”整合起來，實現網上數字地球與人類社會和物理系統的整合。在

（1）虛擬化的Service GIS平臺

所謂虛擬化，指的是GIS軟件運行在虛擬機上，而不是物理的計算機上。這樣做的好處在于應用系統使用多個計算機上的資源時配置簡單，各個應用系統在服務器上是相對獨立的空間運行而互不干擾，最終可以顯著的提高計算機的工作效率，計算資源可以在不同系統之間按需分配。因此，要構建GIS的云計算體系，首先要選擇支持虛擬化的GIS服務器。

（2）跨平臺的GIS技術

早期的GIS系統大都是C/S結構的，主要GIS功能在客戶端實現，服務器主要是存儲數據。現在應用系統更多采用B/S結構，GIS的功能重心轉移到服務器端，主要功能在服務器端實現，客戶端只是用來展示計算結果。客戶端計算機基本是Windows一統天下的局面；而服務器端操作系統則是Windows、Unix、Linux是三分天下的格局，GIS軟件的跨平臺越來越重要。

在云計算領域，有Windows的云，但是有更多的云計算的技術和平臺是基于非Windows的，例如IBM的云計算平臺、紅帽的云計算平臺、谷歌的云都是Unix或Linux。因此，所選GIS平臺軟件必須支持多種操作系統，才可以在云計算建設中有更多優秀技術和平臺可供選擇。

（3）二三維一體化的GIS技術

三維的應用由來已久，尤其是Google Earth推出以后，全球范圍掀起了一股三維可視化熱潮，很多的系統都用三維來建設。這樣的系統很漂亮、很好看、很直觀，但三維可視化軟件缺少高端分析功能。二維GIS軟件功能強大。如何同時使用三維可視化軟件和二維GIS平臺混搭解決實用和美觀的問題，是GIS在智慧地球中需要解決的問題。

五、小結

智慧地球對GIS來說既是挑戰，又是機遇。GIS本身可以作為智慧地球諸多商品信息的一部分，成為用戶獲取、采集、應用的信息，而GIS信息又是智慧地球建設的空間基礎框架。因此智慧地球建設必須以GIS為基礎。為了適應智慧地球建設的需要，GIS產業必須迎接挑戰，也為GIS 的發展提供了新的機遇。

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