从数字地球到智慧地球论GIS的发展

李艳

摘要：GIS技术发展迅速，本文通过总结GIS技术在数字地球发展过程中取得的成就，围绕物联网这一新的基础设施， 从云计算出发，提出了GIS在智慧地球背景下的发展趋势。

关键词：数字地球；物联网；智慧地球；功能服务；

一、引言

1998年1月，美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念，为信息时代人类的生活与工作方式描绘了一个清晰的轮廓，即用数字的方法将地球、地球上的活动即整个地球环境的时空变化记入计算机中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常工作、学习、生活、娱乐服务。

数字地球的核心是地球空间信息科学，地球空间信息科学的技术体系中最基础和基本的技术核心是"三S"技术及其集成。其中地理信息系统（GIS）经过许多年的发展，已经在一些部门得到应用，取得了明显的经济效益和社会效益，而且发展十分迅速，形成一个强大的产业。

二、GIS在数字地球中的发展

（1）GIS的研究和应用从二维研究转向多维动态研究

传统的二维或2.5维GIS的存储、分析以及表示方法已经不能适应数字地球大发展要求，用户希望能够实时动态地观察被测目标的变化，有更丰富的信息用以保存、恢复、重现地物特征。这种完全的空间数据集合由全数字4D产品（数字高程模型、数字正射影像图、数字线划图、数字栅格图）表示出来，能满足GIS有效的空间查询和分析。GIS的三维可视化、虚拟现实技术以及细化地貌的分形也由此得到相应的发展。在解决“数字地球”的有关问题中，三维GIS的研究是一个重要领域。对三维GIS的数据模型和数据结构都要进行全新的设计，以满足数字地球的发展要求。

（2）网络GIS技术迅猛发展

将GIS和因特网联系在一起开发WebGIS。使得GIS软件能在宽带高速网上实现漫游，硬件实现共享。无论基于网络的空间数据是集中式还是分布式存储，一个核心问题就是要对数据进行有效的分类与检索以达到空间查询的目的。目前网络检索和查询引擎对于纯文本形式的搜索已经有了比较成熟的技术和应用，但是对于空间数据而言，不仅包含了坐标、拓扑关系，还要受到数据生命周期的限制，很难用简单的文本进行描述和检索。在传统的分类检索不能满足要求的时候，就产生了用结构化的字段来进行空间数据检索的方法，这种方法的前提是空间数据的标准化——要采用规范化的结构和特征字典定义的地理信息以及采用相应一致的传输协议。

三、物联网及云计算的发展

物联网就是“物物相连的互联网”，最初是由美国麻省理工学院自识中心首先提出于1999年提出的，直到2005年才由国际电信联盟ITU正式提出。物联网较为正式的定义就是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种络。

云计算是能够提供动态资源池虚拟化和高可用性的下一代计算平台，具有硬件基础设施架构在大规模的廉价服务器集群之上，应用程序与底层服务协作开发，最大限度地利用资源，通过多个廉价服务器之间的冗余，使用软件获得高可用性等特点。

四、智慧地球对GIS提出的要求及发展

2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，奥巴马对此给予了积极的回应，并上升至美国的国家战略，在世界范围内引发轰动。“智慧地球”的核心思想就是把要各种传感器应用到人们生活中的各种物体中，并且能够相互连接起来，形成“物联网”， 通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现网上数字地球与人类社会和物理系统的整合。在

（1）虚拟化的Service GIS平台

所谓虚拟化，指的是GIS软件运行在虚拟机上，而不是物理的计算机上。这样做的好处在于应用系统使用多个计算机上的资源时配置简单，各个应用系统在服务器上是相对独立的空间运行而互不干扰，最终可以显著的提高计算机的工作效率，计算资源可以在不同系统之间按需分配。因此，要构建GIS的云计算体系，首先要选择支持虚拟化的GIS服务器。

（2）跨平台的GIS技术

早期的GIS系統大都是C/S结构的，主要GIS功能在客户端实现，服务器主要是存储数据。现在应用系统更多采用B/S结构，GIS的功能重心转移到服务器端，主要功能在服务器端实现，客户端只是用来展示计算结果。客户端计算机基本是Windows一统天下的局面；而服务器端操作系统则是Windows、Unix、Linux是三分天下的格局，GIS软件的跨平台越来越重要。

在云计算领域，有Windows的云，但是有更多的云计算的技术和平台是基于非Windows的，例如IBM的云计算平台、红帽的云计算平台、谷歌的云都是Unix或Linux。因此，所选GIS平台软件必须支持多种操作系统，才可以在云计算建设中有更多优秀技术和平台可供选择。

（3）二三维一体化的GIS技术

三维的应用由来已久，尤其是Google Earth推出以后，全球范围掀起了一股三维可视化热潮，很多的系统都用三维来建设。这样的系统很漂亮、很好看、很直观，但三维可视化软件缺少高端分析功能。二维GIS软件功能强大。如何同时使用三维可视化软件和二维GIS平台混搭解决实用和美观的问题，是GIS在智慧地球中需要解决的问题。

五、小结

智慧地球对GIS来说既是挑战，又是机遇。GIS本身可以作为智慧地球诸多商品信息的一部分，成为用户获取、采集、应用的信息，而GIS信息又是智慧地球建设的空间基础框架。因此智慧地球建设必须以GIS为基础。为了适应智慧地球建设的需要，GIS产业必须迎接挑战，也为GIS 的发展提供了新的机遇。

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