作者：宋關(guān)福，鐘耳順，吳志峰，李紹俊，蔡文文，王少華
整理排版：勘測(cè)聯(lián)合網(wǎng)
摘要：近年來(lái)，信息技術(shù)在地理信息技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。伴隨著云計(jì)算與大數(shù)據(jù)在地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用，地理信息技術(shù)步入了一個(gè)新的發(fā)展階段。本文從我國(guó)地理信息技術(shù)的發(fā)展歷程出發(fā)，總結(jié)了當(dāng)今GIS技術(shù)的發(fā)展情況。包括：將地理信息運(yùn)行環(huán)境從操作系統(tǒng)擴(kuò)展到Linux和UNIX操作系統(tǒng)的跨平臺(tái)GIS技術(shù)，推動(dòng)GIS應(yīng)用從桌面PC端延伸到云端、Web端和移動(dòng)端并實(shí)現(xiàn)云端互聯(lián)與云端協(xié)同的云GIS技術(shù)，涵蓋從二維空間到全空間地理信息且具備對(duì)象級(jí)三維空間分析能力的三維GIS技術(shù)，以及支撐大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的價(jià)值挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)。
關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)GIS;三維GIS;云GIS;跨平臺(tái)GIS
1我國(guó)地理信息技術(shù)的發(fā)展歷程
地理信息系統(tǒng)( ，GIS)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的計(jì)算機(jī)機(jī)助制圖技術(shù)，發(fā)展到了建立在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)之上的地理信息服務(wù)，融入了智慧城市、資源環(huán)境、交通運(yùn)輸、商業(yè)金融等人類(lèi)社會(huì)的方方面面。GIS技術(shù)的發(fā)展方向，一直備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視[1-4]。國(guó)際咨詢機(jī)構(gòu)的研究報(bào)告也表明，最有影響力的技術(shù)趨勢(shì)都與GIS有關(guān)[3]。分析和把握GIS技術(shù)的發(fā)展方向，對(duì)于理論研究、技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展都具有重要的參考價(jià)值[4]。
根據(jù)我國(guó)GIS基礎(chǔ)軟件30年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，地理信息技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素主要是信息科學(xué)技術(shù)(y，IT)和應(yīng)用需求[5]。本文從這兩個(gè)角度出發(fā)，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等IT技術(shù)潮流，以及豐富多彩的地理信息應(yīng)用情況，總結(jié)和思考了新一代GIS基礎(chǔ)軟件發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題與技術(shù)方向。
10余年來(lái)，信息技術(shù)一直是GIS技術(shù)演化與發(fā)展最為直接的動(dòng)力。每一輪信息技術(shù)的變革，都深刻影響并推動(dòng)了GIS軟件的發(fā)展。2005年，的出現(xiàn)，開(kāi)啟了互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)的新時(shí)代，極大地?cái)U(kuò)展了地理認(rèn)知的范圍，服務(wù)式API，Java ，CORBA，微軟.NET、互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議等IT技術(shù)進(jìn)入GIS領(lǐng)域，帶動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)GIS的發(fā)展[6]。一些GIS廠商包括ESRI、、、、武大吉奧、超圖軟件在當(dāng)時(shí)都推出了各自的平臺(tái)[7]。隨后，IT 領(lǐng)域的面向服務(wù)架構(gòu)(- ，SOA)和富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序(rich ，RIA)開(kāi)始應(yīng)用于Web系統(tǒng)———諸如用于分布式空間數(shù)據(jù)集成平臺(tái)的建設(shè)，允許客戶端應(yīng)用訪問(wèn)和分析物理地址各異的空間數(shù)據(jù)，以及用于企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，提高組織內(nèi)部軟件組件之間的業(yè)務(wù)一致性、互操作性和敏捷性，降低因業(yè)務(wù)變化導(dǎo)致的系統(tǒng)更新和維護(hù)損失[8-9]。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、大數(shù)據(jù)和智慧城市的發(fā)展，帶來(lái)了智能感知、虛擬化、分布式、并行處理等突破性技術(shù)[10-11]，推動(dòng)了云GIS的發(fā)展，以及云GIS和多種終端的協(xié)同[12]，使得地理信息應(yīng)用無(wú)處不在。云GIS是在商用的、 Azure 或者開(kāi)源的、、等IT云平臺(tái)之上，增加GIS的時(shí)空分析能力，解決地理信息領(lǐng)域的數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集、時(shí)空密集和高并發(fā)訪問(wèn)難題[13]。云GIS平臺(tái)軟件提供商如ESRI、超圖軟件、中地?cái)?shù)碼、武大吉奧都提供互相關(guān)聯(lián)或依賴的云服務(wù)模式[14]。云GIS作為GIS發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)里程碑，提供與高端網(wǎng)格計(jì)算框架下相同的并行計(jì)算能力，但更易訪問(wèn)與可伸縮，降低了發(fā)現(xiàn)、獲取、處理和利用大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)的成本[15]。
在應(yīng)用需求的推動(dòng)方面，各行業(yè)對(duì)地理信息系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)和資源的需求不斷擴(kuò)大，行業(yè)應(yīng)用的廣度和深度不斷擴(kuò)展，成為GIS發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力[11]。大數(shù)據(jù)時(shí)代，智慧城市、不動(dòng)產(chǎn)登記、城市治理、國(guó)防軍事、應(yīng)急救援、公共安全、航空航海等眾多領(lǐng)域都對(duì)帶有位置信息的大數(shù)據(jù)的空間分析、流處理、動(dòng)態(tài)可視化等在內(nèi)的新GIS技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)烈需求。如社會(huì)感知( )應(yīng)用的發(fā)展，需要GIS擴(kuò)展其空間模型和分析方法，解決智慧城市中“人地關(guān)系”定量化短板問(wèn)題[16];“滴滴打車(chē)”等共享經(jīng)濟(jì)的出現(xiàn)，需要GIS實(shí)現(xiàn)基于位置的高精度的軌跡預(yù)測(cè)和距離估計(jì)等空間分析方法[17]。為了應(yīng)對(duì)這些具有位置信息的、大體量、流質(zhì)、異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、分析與可視化，需要發(fā)展大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)[18-19]來(lái)支持更高效、更明智的決策，解決人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。
而對(duì)于多源、異構(gòu)、多類(lèi)型的三維內(nèi)容，如何實(shí)現(xiàn)其在云、Web和移動(dòng)終端上的流式傳輸、高性能可視化和空間分析，則是三維GIS需要解決的新問(wèn)題[20-21]。總體而言，我國(guó)在GIS的應(yīng)用水平方面，尤其在包括云計(jì)算、三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等在內(nèi)的大量新技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，已處于國(guó)際第一梯隊(duì)，甚至站在國(guó)際最前沿[22]。領(lǐng)先的應(yīng)用蘊(yùn)含領(lǐng)先的需求，領(lǐng)先的需求催生卓越的產(chǎn)品和技術(shù)google地球無(wú)法連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，從而促使GIS技術(shù)不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。
信息技術(shù)的發(fā)展，和地理信息應(yīng)用需求的變化，使GIS技術(shù)面臨新的發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)前，新一代GIS需要支撐不同硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)的通用GIS功能、優(yōu)化提升云GIS的服務(wù)效能、強(qiáng)化支持點(diǎn)云等新興三維數(shù)據(jù)源的三維GIS能力和實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)環(huán)境與GIS挖掘分析的深度集成，同時(shí)要與IT技術(shù)和應(yīng)用需求持續(xù)共同發(fā)展，使新的GIS應(yīng)用模式成為可能，進(jìn)而對(duì)GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)商及最終用戶產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
2新一代GIS基礎(chǔ)軟件的關(guān)鍵技術(shù)
在應(yīng)用需求牽引和信息科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，本文將GIS技術(shù)的發(fā)展方向概括為跨平臺(tái)GIS技術(shù)、云GIS技術(shù)、三維GIS技術(shù)和大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)，這也是新一代GIS基礎(chǔ)軟件發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。
2.1跨平臺(tái)GIS技術(shù)
GIS技術(shù)正朝著地理信息應(yīng)用多樣化、硬件設(shè)備與操作系統(tǒng)多樣性、開(kāi)放和云特性等方向發(fā)展，要求GIS軟件具備跨平臺(tái)特征[23]。跨平臺(tái)指同一個(gè)軟件或其開(kāi)發(fā)的應(yīng)用，其運(yùn)行不依賴于硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)[24]。硬件設(shè)備包括具有不同CPU類(lèi)型的(云)服務(wù)器、桌面電腦和移動(dòng)設(shè)備等;操作系統(tǒng)包括服務(wù)器和桌面設(shè)備采用的具有不同CPU 指令集(如32位或64位的x86或ARM 架構(gòu))的、Linux和UNIX操作系統(tǒng)，以及移動(dòng)端設(shè)備采用的和iOS操作系統(tǒng)等。
隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新IT技術(shù)的出現(xiàn)，GIS軟件只有具備跨平臺(tái)能力，才能充分發(fā)揮這些技術(shù)的性能，因?yàn)檫@些技術(shù)大都原生于Linux和UNIX操作系統(tǒng)[25]。我國(guó)政府空間信息化建設(shè)的國(guó)產(chǎn)化替代也需要GIS軟件支持各種國(guó)產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)。跨平臺(tái)GIS技術(shù)是指基于同一套GIS內(nèi)核，同時(shí)支持上述多種硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)，具體包括以下3個(gè)方面：
1)支持主流的服務(wù)器和操作系統(tǒng)。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)多采用性能更高更穩(wěn)定的Linux操作系統(tǒng)，尤其是 、 Spark等大數(shù)據(jù)技術(shù)都原生于Linux，因此建設(shè)于其上的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)大都運(yùn)行于Linux。為更高效地發(fā)揮新技術(shù)的效能，GIS要能夠運(yùn)行于各種主流的服務(wù)器操作系統(tǒng)。
2)支持各種終端尤其是移動(dòng)終端。移動(dòng)設(shè)備種類(lèi)繁多，操作系統(tǒng)主要是和iOS。在線模式下，采用B/S架構(gòu)即可讓各種終端高效訪問(wèn)服務(wù)器上強(qiáng)大的GIS功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種移動(dòng)終端的支持。而離線模式下，如在沒(méi)有信號(hào)的海洋、沙漠、原始森林等區(qū)域，或因保密原因不能連接網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景中，由于跨平臺(tái)GIS技術(shù)的微內(nèi)核和松耦合設(shè)計(jì)能夠保證GIS軟件隨硬件平臺(tái)的變化裁剪體積且基本GIS功能不缺失，從而實(shí)現(xiàn)離線應(yīng)用。
3)支持自主可控的硬件與軟件。為保障空間信息安全，越來(lái)越多的政府和軍事應(yīng)用采用自主可控的計(jì)算設(shè)備。這就要求GIS 軟件能夠較好地支持龍芯、飛騰、申威、元芯等自主CPU，以及中標(biāo)麒麟、優(yōu)麒麟、深度Linux、凝思磐石等自主操作系統(tǒng)。
跨平臺(tái)GIS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于不同硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)具有不同的處理器架構(gòu)，不同的CPU指令集，不同的應(yīng)用程序接口(如3DAPI)，需要從GIS內(nèi)核(基礎(chǔ)GIS功能模塊)上實(shí)現(xiàn)差異化屏蔽，為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口(圖1)。其主要技術(shù)特點(diǎn)可以概括為以下3點(diǎn)：
圖1跨平臺(tái)GIS技術(shù)架構(gòu)
1)跨硬件平臺(tái)。不同處理器架構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)處理的方式存在差別，如x86架構(gòu)的Intel系列或AMD系列處理器采用小端( )方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，而IBM 的處理器則采用大端(Big )方式，有些ARM 處理器可同時(shí)采用這兩種方式。如果不屏蔽這種差異，GIS軟件在不同平臺(tái)間傳遞和處理數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、分析結(jié)果錯(cuò)誤等情況。利用標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言，在GIS內(nèi)核中封裝對(duì)大小端的自動(dòng)轉(zhuǎn)換處理，制定內(nèi)存流訪問(wèn)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)的規(guī)范，解決不同硬件平臺(tái)因字節(jié)序處理方式不同產(chǎn)生的問(wèn)題。
2)跨操作系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于各種操作系統(tǒng)的典型CPU 指令集包括x86/x64、Power、MIPS、ARM(32bit)、RAM(64bit)、、A7、SW-64等。不同CPU指令集由于行尾標(biāo)識(shí)符、路徑分隔符、字符編碼、大小寫(xiě)敏感、數(shù)值長(zhǎng)度、字節(jié)對(duì)齊方式等不同，使同一程序在編譯后存在差異，無(wú)法在跨平臺(tái)運(yùn)行。利用標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言，編寫(xiě)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和空間分析算法等內(nèi)核功能，屏蔽不同CPU 指令集的差異，實(shí)現(xiàn)“一次編寫(xiě)，到處運(yùn)行”。
3)跨平臺(tái)顯示。不同操作系統(tǒng)圖形可視化技術(shù)和可視化效果存在明顯差異。利用虛擬顯示引擎為不同操作系統(tǒng)下GIS可視化引擎的開(kāi)發(fā)提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口和顯示協(xié)議，據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，在上利用GDI+，在Linux和UNIX上利用QT等技術(shù)開(kāi)發(fā)各自的可視化引擎。為解決不同顯示引擎導(dǎo)致不同操作系統(tǒng)上顯示效果的差異，采用標(biāo)準(zhǔn)C++實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)存繪制的通用跨平臺(tái)顯示引擎，通過(guò)內(nèi)存和處理器實(shí)現(xiàn)不依賴顯卡的圖形繪制和輸出，并在不同平臺(tái)上保持顯示的一致性。
目前，能夠從內(nèi)核原生支持和Linux等操作系統(tǒng)的GIS基礎(chǔ)軟件，主要有開(kāi)源軟件和商業(yè)軟件兩大類(lèi)。開(kāi)源GIS軟件大多原生于開(kāi)源操作系統(tǒng)Linux，可以在不同CPU 平臺(tái)上編譯運(yùn)行，具有跨平臺(tái)能力[24]，開(kāi)源GIS軟件的主要貢獻(xiàn)來(lái)自于技術(shù)愛(ài)好者和科研工作者，缺乏足夠的技術(shù)支持和服務(wù)，較少被商業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)者使用[26]。相比之下，商業(yè)GIS軟件在系統(tǒng)性、完整性、成熟度和易用性等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)。這源于規(guī)模化的研發(fā)隊(duì)伍及持續(xù)性的積累與開(kāi)發(fā)，更源于廣泛的市場(chǎng)需求的響應(yīng)與促進(jìn)[23]，可以幫助地理信息行業(yè)更充分地分享信息技術(shù)突飛猛進(jìn)帶來(lái)的紅利。
2.2云GIS技術(shù)
云計(jì)算作為分布式計(jì)算的最新進(jìn)展google地球無(wú)法連接到數(shù)據(jù)庫(kù)，是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集中計(jì)算資源并按需使用，達(dá)到節(jié)約和經(jīng)濟(jì)地利用計(jì)算資源的一種技術(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的計(jì)算[27]。這為解決地理信息領(lǐng)域面臨的數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集、并發(fā)密集等問(wèn)題提供了技術(shù)方案[18,28-29]。云GIS技術(shù)是地理信息科學(xué)的理論和方法在云計(jì)算中的實(shí)現(xiàn)，具備按需自服務(wù)、跨網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、資源池化、動(dòng)態(tài)可伸縮和按使用付費(fèi)等特征[30]，并提供Geo-IaaS、Geo-PaaS、Geo-SaaS、Geo-DaaS等云GIS服務(wù)模式(圖2)
圖2GIS云平臺(tái)結(jié)構(gòu)與服務(wù)模式
云GIS也可以簡(jiǎn)單的理解為GIS軟件和應(yīng)用在云計(jì)算環(huán)境上運(yùn)行，將云計(jì)算的各種特征用于支撐地理空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、建模、處理與分析，改變了傳統(tǒng)GIS的應(yīng)用方法和建設(shè)模式，使得GIS應(yīng)用無(wú)處不在。其技術(shù)特征可以概括為如下幾個(gè)方面。
1)云環(huán)境下的GIS資源集成和并行計(jì)算。針對(duì)云環(huán)境下數(shù)據(jù)的異構(gòu)多源分布式等特點(diǎn)造成的數(shù)據(jù)孤島難題，利用開(kāi)放式空間數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)互訪(open ，OGDC)接口[31]，統(tǒng)一對(duì)數(shù)據(jù)的共享與無(wú)縫集成方式。利用云計(jì)算多核、大內(nèi)存、64位計(jì)算環(huán)境和彈性擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)了空間分析算法的多線程并行、適應(yīng)分布式集群環(huán)境的GIS并行計(jì)算，大幅提升了數(shù)據(jù)密集和計(jì)算密集場(chǎng)景的處理效率。利用云計(jì)算的微服務(wù)架構(gòu)和實(shí)例化技術(shù)(如容器技術(shù))，實(shí)現(xiàn)GIS功能的解耦和服務(wù)化拆分以及相互間的運(yùn)行隔離，提高GIS計(jì)算性能和資源利用率。
2)支持跨終端的資源訪問(wèn)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。針對(duì)B/S架構(gòu)下多種應(yīng)用終端(組件GIS、桌面GIS、移動(dòng)GIS和)的統(tǒng)一訪問(wèn)問(wèn)題，采用表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(，REST)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)Http協(xié)議的應(yīng)用程序接口，使其通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)就能獲取云計(jì)算支撐下的GIS計(jì)算、服務(wù)、軟件和數(shù)據(jù)。在應(yīng)用中，融合Web-GL技術(shù)實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)開(kāi)發(fā)客戶端，減少Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)對(duì)終端的依賴，最大化發(fā)揮云計(jì)算優(yōu)勢(shì)。
3)云端互聯(lián)和云端協(xié)同。云GIS和各種終端之間的連接，除了直接連接之外，還存在跨內(nèi)外網(wǎng)、多級(jí)、混合等連接方式，面臨著不同程度的復(fù)雜問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力、異構(gòu)服務(wù)訪問(wèn)等。通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)代理和Geo-CDN 緩存加速技術(shù)[32-33]，緩解超高并發(fā)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)壓力，提高終端訪問(wèn)能力和效率。通過(guò)服務(wù)端聚合和客戶端聚合[34]，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨層級(jí)、跨部門(mén)異構(gòu)GIS應(yīng)用系統(tǒng)的資源整合，這使終端直接利用云上的多源地理信息和服務(wù)，再利用消息隊(duì)列等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多終端在線協(xié)同工作。
2.3三維GIS技術(shù)
隨著三維空間信息獲取技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模、高精度、低成本數(shù)據(jù)的獲取成為現(xiàn)實(shí)，大幅降低了三維應(yīng)用建設(shè)成本。多源異構(gòu)三維空間數(shù)據(jù)及其Web應(yīng)用的增長(zhǎng)，要求形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和互操作。虛擬現(xiàn)實(shí)( ，VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(，AR)、3D 打印、WebGL等新IT 技術(shù)也在積極與三維GIS技術(shù)融合。當(dāng)下，三維GIS的技術(shù)特點(diǎn)概括為幾個(gè)方面。
圖3三維GIS技術(shù)
1)研究對(duì)象從地球表面擴(kuò)展至全空間。三維GIS技術(shù)不僅支持側(cè)重表達(dá)物體表面或輪廓的數(shù)據(jù)模型，如傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云，也支持能夠表達(dá)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，如建筑信息模型( model，BIM)、三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型，將對(duì)地理空間的表達(dá)擴(kuò)展至地理信息全空間。其中，三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型采用高精度、拓?fù)溟]合的三角網(wǎng)表示三維實(shí)體對(duì)象，不僅可表達(dá)真實(shí)物體(如建筑)，也可表達(dá)抽象三維空間(如監(jiān)控范圍等)，定義了三維實(shí)體的交、并、差等布爾運(yùn)算和相離、鄰接、包含等空間關(guān)系判斷及通視分析、可視域分析等三維空間分析算法。
2)多源數(shù)據(jù)融合。將新型測(cè)繪手段獲取的傾斜攝影、BIM、激光點(diǎn)云等三維數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的影像、矢量、地形數(shù)據(jù)、精細(xì)模型、地下管線、水面數(shù)據(jù)、場(chǎng)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高了三維場(chǎng)景的建模成本和精度。
3)基于WebGL技術(shù)的Web三維。隨著HTML5技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的普及，作為其重要特性的Web-GL，支持瀏覽器端硬件加速和 ES規(guī)范，為構(gòu)建B/S架構(gòu)的三維GIS應(yīng)用提供了可行性。同時(shí)在跨平臺(tái)GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了Web端的三維空間分析能力。GPU 計(jì)算技術(shù)和VR軟硬件技術(shù)為GIS提供了沉浸式的3D 交互方式，微軟、 Pro、等AR 設(shè)備成為GIS虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的入口[35]。
4)三維GIS標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)共享。三維數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多源異構(gòu)互不兼容的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)不同格式三維數(shù)據(jù)的共享和互操作，的3DML、的3D-Tiles、ESRI的I3S、的S3M 等在內(nèi)的眾多數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)先后推出。若所有數(shù)據(jù)源都采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)和服務(wù)規(guī)范，那么海量三維數(shù)據(jù)在異構(gòu)三維系統(tǒng)間的高效傳輸與解析將成為現(xiàn)實(shí)，大幅降低三維Web應(yīng)用的建設(shè)難度和建設(shè)成本。
三維GIS技術(shù)在二維、三維一體化的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)管理、空間分析與可視化的發(fā)展方面已經(jīng)非常成熟，通過(guò)不斷與三維信息獲取技術(shù)、IT技術(shù)的融合，取得了新的進(jìn)展。如與傾斜攝影和激光點(diǎn)云的融合，大幅提升了三維GIS數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算的生產(chǎn)效率，增強(qiáng)并提高了三維場(chǎng)景的真實(shí)感與精度，與BIM 的融合實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外一體化的無(wú)縫銜接，與WebGL的融合將推動(dòng)Web 3D應(yīng)用的發(fā)展，并成為新的趨勢(shì)。
2.4大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)
互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使全球數(shù)據(jù)出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。這些數(shù)據(jù)種類(lèi)多、體量大、變化速度快、價(jià)值密度低[18]，傳統(tǒng)技術(shù)難以管理和分析。由于數(shù)據(jù)中絕大多數(shù)都帶有或隱含空間位置信息，成為GIS新的數(shù)據(jù)來(lái)源，分析其空間模式和空間特征，挖掘其中的自然與人文社會(huì)變化規(guī)律，可使數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的價(jià)值[36]。
、 Spark為代表的IT技術(shù)在大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、流處理方面取得了較大的研究進(jìn)展，但缺乏針對(duì)位置特征的空間索引和空間分析能力[19]。而傳統(tǒng)GIS不支持針對(duì)大數(shù)據(jù)的分布式的存儲(chǔ)與計(jì)算。對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行空間檢索和空間分析，需要利用大數(shù)據(jù)IT 技術(shù)進(jìn)行GIS并行計(jì)算框架的研發(fā)，也需要重新編寫(xiě)傳統(tǒng)GIS算法使其適合分布式處理[37]。目前大多數(shù)研究都處于大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)的探索階段，也有部分研究利用大數(shù)據(jù)IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化查詢和單一的空間分析框架[38-40]，但還沒(méi)有任何研究實(shí)現(xiàn)結(jié)合IT大數(shù)據(jù)處理能力和GIS空間管理與分析能力的大數(shù)據(jù)GIS基礎(chǔ)軟件。構(gòu)建大數(shù)據(jù)GIS基礎(chǔ)軟件，使其原生支持IT大數(shù)據(jù)計(jì)算體系和運(yùn)行環(huán)境，降低大數(shù)據(jù)空間分析挖掘的技術(shù)門(mén)檻，是GIS與大數(shù)據(jù)IT技術(shù)深度結(jié)合的意義所在。
大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)是以云GIS技術(shù)、跨平臺(tái)GIS技術(shù)和三維GIS技術(shù)為支撐(后者為大數(shù)據(jù)處理提供彈性的計(jì)算資源、跨平臺(tái)的訪問(wèn)與應(yīng)用能力和三維空間建模與分析能力)，在GIS內(nèi)核上與大數(shù)據(jù)IT技術(shù)融合，具備分布式存儲(chǔ)與管理、流數(shù)據(jù)處理、分布式空間分析與可視化等基礎(chǔ)核心能力[41]。其技術(shù)特點(diǎn)可分為以下幾個(gè)部分。
1)分布式存儲(chǔ)與管理。傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的集中存儲(chǔ)方式對(duì)大數(shù)據(jù)逐漸失效。大規(guī)模分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)如集群式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)-XL，分布式文件系統(tǒng)HDFS，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(Not Only SQL，No-SQL) 和等。這些存儲(chǔ)技術(shù)被大數(shù)據(jù)GIS綜合用于PB級(jí)矢量數(shù)據(jù)、文件型數(shù)據(jù)和百億級(jí)瓦片等異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并在內(nèi)核上擴(kuò)展了大數(shù)據(jù)引擎，提供統(tǒng)一的管理接口。
2)分布式計(jì)算與空間分析。在Spark彈性分布式數(shù)據(jù)集( ，RDD)模型上，擴(kuò)展了適用于空間數(shù)據(jù)表達(dá)的分布式要素?cái)?shù)據(jù)集()，支持各種分布式系統(tǒng)中多源數(shù)據(jù)的接入。利用RDD基礎(chǔ)接口從空間、時(shí)間、屬性多個(gè)維度擴(kuò)展或建立分布式的空間計(jì)算與空間分析模型，如屬性匯總、要素連接、軌跡重建、熱點(diǎn)分析、聚合分析、密度分析等，支持面向大數(shù)據(jù)的分析與挖掘。分析結(jié)果可以通過(guò)熱力圖、格網(wǎng)圖、散點(diǎn)圖、密度圖、OD圖等表達(dá)大數(shù)據(jù)空間分析對(duì)象的聚合程度、變化趨勢(shì)和關(guān)聯(lián)關(guān)系等，直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏的價(jià)值。
3)流數(shù)據(jù)處理。在環(huán)境監(jiān)測(cè)、車(chē)輛位置監(jiān)控、流動(dòng)人口行為分析等應(yīng)用場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)一般持續(xù)到達(dá)、規(guī)模龐大，且狀態(tài)變化不可預(yù)測(cè)，要求處理技術(shù)具備增量計(jì)算、時(shí)間窗口、橫向擴(kuò)展且高容錯(cuò)性的處理能力。在 Storm， Flink， Spark 等流數(shù)據(jù)處理框架上擴(kuò)展對(duì)空間對(duì)象和空間算法的支持，是空間流數(shù)據(jù)處理的有效手段。如采用模型化的方式，在Spark 上封裝了空間流數(shù)據(jù)分析模型，如地理圍欄、路況計(jì)算等，并提供可視化的建模工具進(jìn)行模型實(shí)現(xiàn)。
完整的空間大數(shù)據(jù)產(chǎn)品框架應(yīng)該覆蓋云和端上的所有產(chǎn)品，包括云上的GIS服務(wù)器，終端上的組件GIS、桌面GIS等，構(gòu)成無(wú)處不在的大數(shù)據(jù)GIS應(yīng)用(圖4)。在空間大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，綜合關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)集群、文件系統(tǒng)、NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。在組件GIS層，實(shí)現(xiàn)針對(duì)空間大數(shù)據(jù)處理的各種功能組件，諸如數(shù)據(jù)管理、空間分析和流數(shù)據(jù)處理等。在服務(wù)器GIS層，封裝成相應(yīng)的服務(wù)，不同的終端通過(guò)調(diào)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理、分析與可視化。此外，大數(shù)據(jù)的處理與分析大都是多任務(wù)同時(shí)分布進(jìn)行，需要管理調(diào)度軟件保證容錯(cuò)性和處理的一致性。
圖4大數(shù)據(jù)GIS基礎(chǔ)軟件架構(gòu)
大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)著重解決兩類(lèi)問(wèn)題：一是解決新興的空間大數(shù)據(jù)的管理和分析問(wèn)題;二是解決經(jīng)典空間數(shù)據(jù)的計(jì)算性能問(wèn)題。前者是利用HDFS、、 等分布式存儲(chǔ)技術(shù)和Spark等分布式計(jì)算框架，構(gòu)建針對(duì)空間大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、索引、管理和分析能力，支持較少編程或不用編程就能夠管理和分析空間大數(shù)據(jù)，降低大數(shù)據(jù)空間分析的難度。后者是利用大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)和分布式計(jì)算框架，重構(gòu)傳統(tǒng)GIS的空間數(shù)據(jù)處理和空間分析算法，實(shí)現(xiàn)過(guò)去很難實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)處理與分析性能的數(shù)量級(jí)提升，解決了傳統(tǒng)GIS長(zhǎng)期面對(duì)的經(jīng)典空間數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)帶來(lái)的性能瓶頸問(wèn)題[41]。
3結(jié)束語(yǔ)
新一代GIS技術(shù)的4個(gè)方向是在應(yīng)用需求和IT技術(shù)這兩大推動(dòng)力的作用下產(chǎn)生的。其中，跨平臺(tái)GIS技術(shù)為應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的分析算法、統(tǒng)一的可視化能力、統(tǒng)一的訪問(wèn)和開(kāi)發(fā)接口和統(tǒng)一的用戶操作方式，能在多種終端包括移動(dòng)終端甚至專(zhuān)業(yè)設(shè)備上一致地運(yùn)行大數(shù)據(jù)的處理和分析，還可以友好的接入上下游的大數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)環(huán)境，支持面向虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、人工智能等新IT技術(shù)的擴(kuò)展。云GIS技術(shù)是在云計(jì)算技術(shù)的推動(dòng)下，為解決數(shù)據(jù)密集和計(jì)算密集問(wèn)題而不斷發(fā)展。
它改變了傳統(tǒng)GIS的應(yīng)用模式，使得過(guò)去以桌面GIS為主的應(yīng)用，逐漸走向了以網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)為主的應(yīng)用形式。三維GIS技術(shù)為充分融合傾斜攝影、BIM、激光點(diǎn)云等多源數(shù)據(jù)，發(fā)展了三維實(shí)體數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)了三維全空間的建模與表達(dá)，提供了基于WebGL技術(shù)的三維模型數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)化，推動(dòng)了Web三維應(yīng)用的發(fā)展。大數(shù)據(jù)GIS技術(shù)是以分布式存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分布式空間分析和流數(shù)據(jù)分析為關(guān)鍵內(nèi)容，以多種終端上豐富的可視化表達(dá)手段，來(lái)揭示人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)。其典型特征是以流的方式提供持續(xù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行持續(xù)地處理動(dòng)態(tài)的應(yīng)用。
當(dāng)下和未來(lái)一段時(shí)間，這4大技術(shù)方向?qū)⒗^續(xù)深度影響GIS軟件升級(jí)與地理信息應(yīng)用的發(fā)展。當(dāng)然，GIS軟件技術(shù)的發(fā)展，除了依靠地理信息產(chǎn)業(yè)體系內(nèi)部的革新，更需要融入IT主流技術(shù)體系，不斷產(chǎn)生新的技術(shù)方向。隨著人工智能(ce，AI)技術(shù)的發(fā)展，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自編碼器、細(xì)胞自動(dòng)向量機(jī)等的AI算法發(fā)展和精度的提高，等深度學(xué)習(xí)框架的開(kāi)源，將推動(dòng)GIS在智能化地理信息技術(shù)方面的研究進(jìn)展[42-44]，從而創(chuàng)新應(yīng)用模式，智能化的服務(wù)于日益增長(zhǎng)的空間信息需求。
參考文獻(xiàn)：略