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基于GIS技術的應用發展現狀有哪些好的對策？

發布時間：2020-04-16 14:42:56 作者：臻圖信息 閱讀量：2338

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是能夠收集、管理、查詢、分析、操作以及表現與地理相關的數據信息的計算機信息系統，能夠為分析、決策提供重要的支持平臺。它廣泛地應用于地學、資源管理、土地規劃、環境監測、防災減災、電力行業、交通管理、城市規劃、科研、教育和國防等領域，在我國國民經濟建設中發揮著越來越重要的作用。
  當前，隨著信息技術的發展以及應用領域的不斷擴大，地理信息系統技術得到了飛速的發展。由于GIS是“關系到國家安全的戰略性技術”，因此開發擁有自主知識產權的國產GIS系統平臺，研究和掌握GIS中的前沿關鍵技術，對我國GIS的發展和應用有著非常重要的意義。本報告介紹和分析了當前國內外GIS相關技術的發展現狀和趨勢，討論了我國發展地理信息系統技術應采取的對策以及本主題的相關工作部署。
一、地理信息系統技術的發展現狀和趨勢
  地理信息系統技術是一門綜合性的技術，它的發展是與地理學、地圖學、攝影測量學、遙感技術、數學和統計科學、信息技術等有關學科的發展分不開的。GIS的發展可分為四個階段：第一個階段是初始發展階段，20世紀60年代世界上第一個GIS系統由加拿大測量學家R.F.Tomlison提出并建立，主要用于自然資源的管理和規劃；第二個階段是發展鞏固階段，20世紀70年代由于計算機硬件和軟件技術的飛速發展，尤其是大容量存儲設備的使用，促進了GIS朝實用的方向發展，不同專題、不同規模、不同類型的各具特色的地理信息系統在世界各地紛紛付諸研制，如美國、英國、德國、瑞典和日本等國對GIS的研究都投入了大量的人力、物力和財力；第三個階段是推廣應用階段，20世紀80年代，GIS逐步走向成熟，并在全世界范圍內全面推廣，應用領域不斷擴大，并與衛星遙感技術結合，開始應用于全球性的問題，這個階段涌現出一大批GIS軟件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四個階段是蓬勃發展階段，20世紀90年代，隨著地理信息產品的建立和數字化信息產品在全世界的普及，GIS成為確定性的產業，并逐漸滲透到各行各業，成為人們生活、學習和工作不可缺少的工具和助手。
  地理信息系統的研制與應用在我國起步較晚，雖然歷史較短，但發展勢頭迅猛。我國GIS的發展可分為三個階段。第一階段從1970年到1980年，為準備階段，主要經歷了提出倡議、組建隊伍、培訓人才、組織個別實驗研究等階段。機械制圖和遙感應用，為GIS的研制和應用做了技術和理論上的準備。第二階段從1981年到1985年，為起步階段，完成了技術引進、數據規范和標準的研究、空間數據庫的建立、數據處理和分析算法及應用軟件的開發等環節，對GIS進行了理論探索和區域性的實驗研究。第三個階段從1986年到現在，為初步發展階段，我國GIS的研究和應用進入有組織、有計劃、有目標的階段，逐步建立了不同層次、不同規模的組織機構、研究中心和實驗室。GIS研究逐步與國民經濟建設和社會生活需求相結合，并取得了重要進展和實際應用效益。主要表現在四個方面：
（1）制定了國家地理信息系統規范，解決信息共享和系統兼容問題，為全國地理信息系統的建立做準備。
（2）應用型GIS發展迅速。
（3）在引進的基礎上擴充和研制了一批軟件。
（4）開始出版有關地理信息系統理論、技術和應用等方面的書籍，設立了地理信息系統專業，培養了大批人才，并積極開展國際合作，參與全球性地理信息系統的討論和實驗。在科技部等國家有關部門的大力組織和支持下，國產GIS基礎軟件開發工作取得了重要進展，出現了一批GIS高技術企業，開發出了較為成熟的國產GIS軟件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的產業規模。這些國產GIS軟件以較高的性價比，打破了國外GIS軟件對我國市場的壟斷，有力促進了我國地理信息系統技術的發展。近年來，GIS技術在我國得到了廣泛應用，其應用面從傳統的城市規劃、土地利用、測繪、環境保護、電力、電信、減災防災等領域滲透到礦產資源調查、海洋資源調查與管理等各方面，取得了豐碩的成果和巨大的經濟效益。當前，國家有關部門正逐步將GIS嵌入到電子政務系統中。
  隨著計算機和信息技術的快速發展，近年來GIS技術得到了迅猛的發展。GIS系統正朝著專業或大型化、社會化方向不斷發展著。“大型化”體現在系統和數據規模兩個方面；“社會化”則要求GIS要面向整個社會，滿足社會各界對有關地理信息的需求，簡言之就是“開放數據”、“簡化操作”，“面向服務”，通過網絡實現從數據乃至系統之間的完全共享和互動。下面我們從地理信息系統技術角度來討論和分析當前GIS的相關技術及其發展趨勢。
  1.1 空間信息的獲取、處理與交換
  地理空間數據是GIS的血液，構建和維護空間數據庫是一項復雜、工作量巨大的工程，它包括：數據的獲取、校驗和規范化、結構化處理、數據維護等過程。GIS處理的數據對象是空間對象，有很強的時空特性，獲取數據的手段及數據的形式也復雜多樣。獲取數據的基本方式有：野外全站儀平板測量、GPS測量、室內地圖掃描數字化、數字攝影測量、從遙感影像進行目標測量和數據轉換等。目前，這些獲取技術已基本成熟。同時，空間數據也具有很強的時效性，不同的空間數據必須進行周期不等的數據更新維護，空間數據庫中數據的準確、及時、完整是實現GIS應用系統價值的前提基礎。空間數據維護往往涉及跨部門、跨行業的多種數據格式和多種數據類型的大量數據，提供有效的空間數據編輯更新手段是當前亟待解決的一個重要課題。
  基于上述信息獲取技術，在過去的二十年間，國家有關部委和行業部門已經積累了大量原始數字化數據和相應資料，建立了1100多個大、中型數據庫以及大量的各類數字化地理基礎圖、專題圖、城市地籍圖等。國家測繪局已經完成了全國l：100萬、 1：25萬基礎地理空間數據庫以及全國七大江河數字地形模型的建設，并啟動了全國l：5萬，部分省份1：1萬基礎地理空間數據庫的建設。這些基礎數據有力促進了GIS技術的廣泛應用，進而產生了大量的GIS數據。但由于地理信息系統軟件大多采用不同的空間數據模型，以及它們在地理實體上的認識差異，使得所積累的數據難以轉換和共享（即使能夠數據轉換，也會產生信息的丟失），從而形成一個個新的數據孤島。制訂數據交換的格式標準已成為大家的共識。目前一些國家和組織已經在進行這方面的工作，并定義了一些數據交換標準，如SDTS，OpenGIS聯盟制訂的GML，另外一些公認的數據格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐漸成為數據交換的事實標準。我國也在“九五”期間制定了地球空間數據轉換標準。但是由于目前人們對空間信息認識和研究成果的制約，還沒有一個統一的地理數據模型，因此建立實用的數據交換格式和信息標準將是一個長期、復雜過程。
  1.2 空間數據的管理
  空間數據的管理涉及到二個方面的內容：空間數據模型和空間數據庫。
空間數據模型刻畫了現實世界中空間實體及其相互間的聯系，它為空間數據的組織和空間數據庫的設計提供了基本的方法。因此，空間數據模型的研究對設計空間數據庫和發展新一代GIS系統起著舉足輕重的作用。在GIS中與空間信息有關的信息模型有三個，即基于對象(要素)(Feature)的模型、場(Field)模型以及網絡(Network)模型。目前GIS基礎軟件平臺的研制和應用系統的設計開發一直沿用這三種空間數據模型，但這些模型在空間實體間的相互關系及其時空變化的描述與表達、數據組織、空間分析等方面均有較大的局限性，難以滿足新一代GIS基礎軟件平臺和應用系統發展的要求。主要表現為：
（1） 僅能表達空間點、線、面目標間極為有限的簡單拓撲關系，且這些拓撲關系的生成與維護耗時費力；
（2） 難以有效地表達現實三維空間實體及其相互關系；
（3） 適于記錄和表達某一時刻空間實體性狀及相互間關系靜態分布，難以有效地描述和表達空間實體及其相互間關系的時空變化；
（4） 沒有考慮異地、異構、異質空間數據的互操作和分布式“對象”處理等問題。
  針對上述不足，時空數據模型、三維數據模型、分布式空間數據管理、GIS設計的CASE工具等研究已成為當前國際上GIS空間數據模型研究的學術前沿。
  鑒于現實世界對象眾多，空間關系復雜，需要大量的數據來描述它們的關系，因此，我們必須對這些復雜的數據進行有效的管理。地理信息系統的空間數據管理方式大體上可以分為以下幾類：
(1) 基于文件系統的方式：這種方式直接采用文件系統來存儲和管理空間數據，系統結構簡單，便于操作，但提供的功能非常有限。它適合小型GIS系統，難以滿足當前GIS對空間數據管理的需求。
(2) 基于文件系統與數據庫的混合組織管理方式：這種方式基于傳統的關系數據庫系統來存儲地理空間對象的屬性數據，而以文件方式來存儲空間數據。目前的大多數桌面GIS系統均采用此種方式。這種方法對于特定文件格式GIS數據的處理效率較高，但它在數據的一致性維護、并發控制以及海量空間數據的存儲管理等方面能力較弱。
(3) 擴展關系數據庫的組織管理方式：這種方式將空間數據和屬性數據都存儲于關系型數據庫中，通過在關系型數據庫之上建立一層空間數據庫功能擴展模塊（通常被稱為空間數據引擎）來實現對空間數據的組織管理。目前主流的GIS軟件都采用這種方式同時管理圖形和屬性數據。如國外的ARC/INFO、GEOMEDIA，國內的MAPGIS、GEOSTAR、SUPERMAP等。這種方法可以利用成熟的關系型數據庫技術來方便地實現GIS數據的一致性維護、并發控制、屬性數據的索引等。當然，數據庫本身并不直接支持對空間對象的操作和管理，而是通過空間數據引擎來實現。
(4) 基于空間數據庫的組織管理方式：基于空間數據模型，直接構建用來存儲和管理空間數據和屬性數據的空間數據庫系統來管理數據。它包含結合幾何和屬性信息的框架，提供并支持空間數據的類型、查詢語言和接口、高效的空間索引和空間聯合等。空間數據庫直接支持空間對象的存儲和管理，為空間數據提供了高效的查詢和檢索機制，是目前GIS數據管理技術研究的熱點。目前空間數據庫的實現主要有兩種方式：面向對象數據庫方式和對象關系型數據庫方式。前者將對象的空間數據和非空間數據以及操作封裝在一起，由對象數據庫統一管理，并支持對象的嵌套、信息的繼承和聚集，這是一種非常適合空間數據管理的方式。但目前該技術尚不成熟，特別是查詢優化較為困難。對象關系型數據庫是目前空間數據庫的主要技術，它綜合了關系數據庫和面向對象數據庫的優點，能夠直接支持復雜對象的存儲和管理。GIS軟件直接在對象關系數據庫中定義空間數據類型、空間操作、空間索引等，可方便地完成空間數據管理的多用戶并發、安全、一致性/完整性、事務管理、數據庫恢復、空間數據無縫管理等操作。因此，采用對象關系型數據庫實現對GIS數據的管理是實現空間數據庫的一種較為理想的方式。當前，一些數據庫廠商都推出了空間數據管理的專用模塊，如IBM Informix的Spatial DataBlade Module，IBM DB2的Spatial Extender和Oracle的Oracle Spatial等，盡管其功能有待進一步完善，但已給GIS軟件開發帶來了極大的方便。
  在傳統的空間數據管理模式中，由于文件系統管理海量數據的能力較弱，因此在空間數據的組織上，在水平方向上采用圖幅的方式，在垂直方向上采用圖層的方式。這種組織方式主要存在以下不足：需要進行圖幅的拼接，效率較低；一個空間對象可能存儲在多個圖層上，造成數據的冗余和難于維護數據的一致性。采用空間數據庫的方式可以在數據庫中直接存儲整個地圖，能方便地實現空間對象的查詢和抽取。當前一些GIS系統中已經開始使用要素類來實現對空間對象的組織，如ArcGIS的GeoDatabase等，這種方式按照實體類來組織空間對象，符合空間對象管理的本質，一個空間對象可以被多個圖層或視圖引用，機制較為靈活，解決了傳統方式中的空間對象的一致性問題。
  空間數據庫的另二個重要部分是空間索引和空間查詢語言。由于空間對象是二維或更高維的數據對象，因此當前數據庫所使用的一維B樹、B+樹并不適合空間對象的索引。空間索引有多種方式，其數據管理的效率和檢索速度各不相同。當前比較常用的索引有四叉樹和R樹。在空間數據庫中一般使用兩步查詢機制，首先使用索引查詢出候選對象集，然后再采用精確的幾何計算，在候選對象集中求出精確解。當前一些數據庫的空間擴展模塊中就使用這種模式，并分別提供了四叉樹或R樹索引。提供空間查詢語言是空間數據庫的一個重要特征，當前的空間數據庫中一般使用關系數據中的“select-from-where”模式來構建查詢，通過擴充SQL語言，使其支持空間對象類型、空間關系和空間操作。特別是SQL3 多媒體規范(SQL3/MM)中的Spatial 部分和OpenGIS for SQL實現規范都定義了一系列的空間數據類型、空間關系和空間操作，為空間查詢語言的設計和開發提供了一個框架。
  1.3 GIS軟件體系結構與應用系統開發
  地理信息系統與軟件技術是密不可分的。特別是隨著面向對象、組件技術、分布式計算技術以及網絡技術的發展，GIS軟件的體系結構出現了極大的變化，出現了許多開發地理信息系統的新技術，如組件技術、中間件技術和分布對象技術等。
組件是建立在面向對象開發之上的，它為用戶提供多個接口，接口封裝了組件提供的服務，隱藏了實現細節的可見性。由于組件表示一個或多個較細粒度類的邏輯集合，封裝了一系列的服務，因此組件提供了更高級別的重用性，從而極大提高了應用系統的開發效率。組件式GIS是面向對象技術和組件式軟件在GIS軟件開發中的應用，為新一代GIS應用提供了全新的開發工具。GIS組件封裝了一系列空間信息處理相關的操作，并向用戶提供了標準的接口。這樣用戶可以使用通用的程序開發語言，通過接口調用GIS組件中相應的空間操作功能，實現GIS應用系統的開發。  同傳統GIS比較，組件GIS具有易于實現與其它信息系統的無縫集成、跨語言使用、易于推廣、成本低、擴展性強、開發效率高等特點。因此組件式GIS是當前GIS系統軟件開發的主流技術。目前存在著多種組件技術標準，其中OMG的CORBA，Microsoft的COM/DCOM和JAVA的Beans是被廣泛采用的標準。目前商用的組件式GIS產品主要基于Microsoft的COM/DCOM，包括Intergraph的GeoMedia，ESRI的MapObjects，MapInfo的MapX，我國的MapEngine、SuperMap等。
  隨著網絡技術的發展和廣泛應用，計算機應用模式經歷了主機模式、單機桌面應用模式和多層企業應用模式三個階段。相應地，應用系統的開發也經歷了從主機體系結構、兩層Client/Server體系結構到三層(多層)Client/Server體系結構的演變。傳統的GIS應用一般都采用兩層Client/Server體系結構。這種體系結構用戶界面層和業務邏輯層沒有分開，都位于客戶端，而數據服務層位于服務器端，由于應用主要都集中在客戶端，每個客戶端都要進行安裝配置，當用戶數量多、分布廣時就會給安裝、維護帶來相當大的困難，擴展性不好。此外每個用戶與中央數據庫服務器相連時都要保留一個對話，當很多客戶同時使用相同資源時，容易產生網絡堵塞。為了克服兩層Client/Server結構的不足，提出了三層Client/Server模型。三層客戶/服務器結構構建了一種分割式的應用程序，系統對應用程序進行分割后，劃分成不同的邏輯組件，即用戶服務層、業務處理層、數據服務層。與兩層Client/Server結構相比，三層Client/Server結構有很多優越性，如減輕了客戶機的負擔，如果要增加服務則只需在中間層添加代碼，這使得維護升級變得更加方便，系統擴展性也更好。因此采用三層Client/Server機構是當前GIS應用開發的主流模式。
  隨著GIS應用由局域網發展到廣域網，特別是涉及到多數據庫系統、多平臺、多網絡協議的異構環境，傳統的將用戶界面和業務邏輯、數據源以及通訊協議綁定在一起的應用系統開發方式不再適合。而中間件技術的出現，為異構環境下GIS應用的開發提供了解決方案。中間件是位于操作系統和應用軟件之間的通用服務，它的主要作用是用來屏蔽網絡硬件平臺的差異性和操作系統與網絡協議的異構性，支持應用軟件開發和運行的系統軟件，使應用軟件相對獨立于計算機硬件和操作系統平臺，為大型分布式應用搭起了一個標準的平臺，以實現大型應用軟件系統的集成。中間件具有標準的程序接口和協議，可以實現不同硬件和操作系統平臺上的數據共享和應用互操作。在具體實現上，中間件是一個用API定義的分布式軟件管理框架，具有強大的通信能力和良好的可擴展性。廣義上說，ESRI的空間數據庫引擎SDE可以看作是地理信息的一個中間件，它屏蔽了底層不同空間數據庫以及不同空間數據格式的差異，為用戶提供了統一的操作和管理空間信息的接口。采用中間件技術，為異構環境下的GIS應用的開發提供了一個解決方案，對當前GIS重大行業應用系統的開發具有重要的意義。目前，中間件技術尚處于發展階段，采用中間件技術實現通用的GIS應用還需要一段很長的路要走。
  分布式對象技術是當今分布計算技術的主流方向，它能在分布式環境下跨平臺、跨語言地實現分布式計算，并使得用戶在使用對象時可以訪問網絡上任意有用的對象而不必知道該對象所處的位置。采用分布式對象技術開發GIS應用符合地理信息分布的特點，客戶可以透明地訪問遠程的GIS組件服務。這種方式適合于空間信息服務的實現，可用于解決在分布式環境下的地理信息的互操作(包括數據和功能兩方面)。當前，基于對象的分布式計算的代表性技術是OMG的CORBA、Microsoft的DCOM和Java的J2EE。與此同時，為滿足分布協同工作的應用需求，人工智能領域中的Agent技術被引入到分布式計算環境中，對基于Client/Server結構的傳統分布式系統產生了極大的沖擊，分布式系統正朝著分散對等的協同計算的理想模式發展。注意到Agent的自主性、交互性、反應性和主動性等特征極大簡化了分布協同問題的復雜性，因此將Agent技術引入GIS領域，將極大降低分布式地理信息系統的復雜性和建設難度，并有效地解決網絡地理空間信息服務功能以及GIS應用領域中的協作問題，同時也可以改善分布式地理信息系統的服務能力和服務效率。因此研究Agent技術與GIS的集成，是GIS技術發展的又一個重要研究方向。
  1.4空間信息的共享和互操作
信息共享已經成為現代信息社會發展的一個重要標志，而地理信息系統互操作的產生則是信息共享的必然產物，地理信息系統的互操作將成為21世紀地理信息系統研究領域的一個重要組成部分。
  互操作性強調將具有不同數據結構和數據格式的軟件系統集成在一起共同工作。實際上，地理信息系統互操作在不同的情況下具有不同的側重點，強調軟件功能塊之間相互調用的時候就稱為軟件的互操作；強調數據集之間相互透明地訪問的時候則稱為數據的互操作；強調信息的共享，在一定語義約束下的互操作則稱為語義的互操作等等。一般地，地理信息系統互操作是指不同應用(包括軟件硬件)之間能夠動態實時地相互調用，并在不同數據集之間有一個穩定的接口。
  在國際上，空間信息系統互操作研究經歷了從數據互操作到中間件、分布式對象和服務，再到應用系統乃至高層的信息群互操作的發展歷程。主要的互操作方式有以下幾種：直接轉換方式、采用公共交換格式方式、公共訪問接口方式。這些方式都需要對數據的具體格式有詳細的了解，隨著數據格式越來越復雜，運用面向對象的方法來解決互操作問題逐漸成為新的研究方向。
  訪問接口是指系統對外界環境和其它系統所提供的訪問其內部數據的操作接口。該接口可以通過請求/應答方式來接受或者提供數據，因此互操作的程度可通過接口功能的大小來體現，而與數據的內部結構無關。數據提供者通常會隨著數據提供相應的API，數據使用者可以通過這些API來訪問系統內部的數據。API能夠將數據結構的復雜性或者操作的復雜性掩藏起來，并且能夠通過編程將這些API與數據服務器結合在一起，形成一個功能更加強大的數據服務器來響應外界的數據服務請求。為了減少API對具體應用環境的依賴，用戶、數據提供者和系統開發者迫切需要建立一個在業界廣泛而通用的接口，這個需求和思路導致了OGC的產生。OGC通過制定OpenGIS規范的方式來建立廣泛的接口。OpenGIS規范是一個關于對地理數據和地理處理資源進行分布式訪問的軟件框架規范，它為所有的軟件開發者提供了一個詳細的公共準則，以便開發的軟件能夠達到對地理數據和地理處理資源進行互操作的目的。OpenGIS規范的任務是指導開發者開發與OpenGIS規范一致的中間件、組件和具有處理各種類型地理數據的應用件，使系統用戶能共享巨大網絡數據空間上的數據。OpenGIS規范直接涉及訪問和使用不同類型的地理數據，它包括三個基本方面：獲得在各種平臺之間的連接，獲得對地理數據和對地理數據處理的服務，獲得對地理數據的正確理解。目前，世界上包括我國在內的許多GIS相關研究單位和企業紛紛加入OGC，參與OpenGIS規范的制訂，并著手實現和完善各種規范和接口，以滿足信息共享的需求。
  1.5空間信息的網絡發布與服務
  隨著網絡技術的飛速發展，Internet已經成為GIS新的系統發布平臺。利用Internet技術，在Web上發布空間數據，供用戶瀏覽和使用，是GIS發展的必然趨勢。WebGIS是GIS技術與Web技術集成的產物，它繼承了GIS的部分功能，側重于地理信息與空間處理的共享，是一個基于Web計算平臺實現地理信息處理與地理信息分布的網絡化軟件系統。與傳統的GIS技術相比：它具有訪問范圍廣、平臺獨立、大規模降低系統成本和維護、升級方便等特點；在運行環境上，WebGIS基于Web計算平臺，運行于Internet多用戶并發訪問的分布式環境；在技術上，WebGIS是GIS發展與組件技術、互操作技術、分布式技術的集成。隨著地理信息互操作和Web服務技術的發展，WebGIS技術已經從初始的在Web上簡單地發布地理信息轉換成為實現地理信息互操作和地理信息Web服務的關鍵技術。由于WebGIS技術的重要性，人們越來越關注WebGIS的研究、開發和應用，目前已有推出了大量的的WebGIS產品，如ESRI的ArcIMS，MapInfo的MapXtreme，Autodesk的MapGuide，Intergraph的GeoMedia Web Map，我國的有GeoStar的GeoSurf、GeoBeans等。但目前的WebGIS產品大都是基于傳統的GIS系統軟件，利用CGI和Server API構造，一般需在后臺運行一個或多個GIS應用程序。這種模式只解決了在Web上發布空間信息的問題，并沒有針對Web應用環境進行重新設計和優化，因此在功能和效能上不能滿足人們的需求。當前WebGIS技術還處于初級階段，它的研究應結合GIS技術和分布式計算技術，從體系結構、空間數據管理、分布式計算模式、互操作和數據傳輸協議等多個方面進行。
  WebGIS與其它采用B/S結構的信息系統類似，一般采用由數據庫、應用服務器和客戶端組成的三層體系結構，客戶端一般為Web瀏覽器。但WebGIS系統具有空間數據量大和空間處理復雜的特點，因此產生了計算模式的概念。WebGIS的計算模式主要是指GIS功能在客戶端和服務器端的分配，WebGIS計算模式的選擇決定了整個WebGIS系統的實現。WebGIS的計算模式主要包括以下三種：胖客戶模式、瘦客戶模式和混合模式。一般地，前者適合于客戶端處理能力較強，用戶需要對數據處理過程進行控制的環境；瘦客戶模式則適用于廣域網環境或對GIS分析功能較高要求的應用；而混合模式結合了胖客戶模式和瘦客戶模式的優點。與前二種方式不同，它既不是把全部的空間處理功能模塊和數據下載到本地，再在客戶端進行所有的空間操作；也不是把全部的空間處理功能放置在服務器端，在服務器進行所有的空間操作；而是根據Web應用的特點和網絡的狀況，在客戶端和服務器端進行空間處理功能的分配。這三種計算模式各具有優缺點。從總體來看，混合模式是一種符合WebGIS應用需求的系統開發計算模式。但與其它的信息系統一樣，不存在一種萬能的計算模式，因此需要根據具體的應用需求和運行環境，對計算模式進行選擇，以使開發的WebGIS應用系統能最大可能地滿足應用的需求。
  WebGIS的實現包括客戶端實現和服務器端實現兩個方面。服務器端的實現技術包括：CGI、Server API、ASP、JSP (Servlet)等，當前瘦客戶模式的WebGIS應用主要就是采用這些技術。客戶端的實現技術主要有：Java Applet、ActiveX和Plug-in，當前這些技術主要用于實現胖客戶模式的WebGIS應用。
除了上述實現方式外，系統還需考慮空間信息的網絡傳輸協議，即請求/響應協議和網絡空間數據傳輸格式。在傳統的Web應用中，用戶通過瀏覽器從Web站點中的HTML頁面或Web應用動態生成的HTML頁面中獲取相應的信息。用戶通過HTML頁面中的表單元素來提交請求，瀏覽器和服務器之間通過超文本傳輸協議(HTTP)來發送請求和信息。由于HTML語言和瀏覽器的限制，以及空間操作的復雜性，采用表單的形式不能構建復雜的空間操作請求。基于這種形式的WebGIS應用滿足不了用戶的需求。目前的解決方法是，通過Java Applet或ActiveX擴充瀏覽器的功能，并為用戶提供了相應的工具來構建復雜的請求，通過內部制訂的協議來在客戶端和服務器端傳輸請求和響應。這種方式高效，但比較封閉，不能滿足互操作的需求，并且需要采用專門的端口來實現，這種方式容易受到防火墻的阻隔。隨著XML和SOAP技術的發展，為協議的制訂提供了解決方案。XML(eXtensible Markup Language,可擴展標記語言)是一種用于描述其它語言的元語言，即用來定義其它與特定領域有關的、語義的、結構化的標記語言的句法語言。而SOAP（Simple Object Access Protocol，簡單對象訪問協議）則提供了一種基于XML的應用程序間數據通信的機制。總的來說，XML非常適合于WebGIS中請求/響應協議的制訂。目前研究者已經在這個方面進行了大量的工作，如ESRI的ArcIMS3.0中就已經采用XML技術制訂了請求/響應協議ArcXML。另外，OpenGIS聯盟發布的一系列空間信息服務實現規范中，亦采用XML來描述請求與響應。
  至今還沒有基于網絡的空間矢量數據標準，傳輸的數據格式一般是各GIS廠商自定義的格式，這就造成客戶端的功能模塊只處理特定的數據格式，通用性不強，并且也不符合用戶操作的要求。當前SVG和WebCGM這兩種矢量圖形格式已經成為W3C的標準，用戶可以下載通用的插件，在瀏覽器中顯示和操作矢量圖形。但SVG和WebCGM則重于描述圖形，主要不是針對地理空間信息，不能完全描述空間信息內容。隨著下一代網絡語言XML的發展，OpenGIS聯盟制定了地理標記語言GML，GML基于OpenGIS抽象規范，使用XML對地理信息(包括地理特征的幾何和屬性信息)進行編碼的規范，主要用于傳輸、交換和存儲地理信息。把GML作為網絡傳輸的空間矢量數據格式，已經逐步被采納。但目前GML還不夠完善，如它還不支持拓撲結構的描述；缺乏可視化的描述，須轉換為SVG或重新開發GML的解析工具；GML是基于文本的，因此讀取和處理都比較簡單，通用性較強，但與二進制數據格式相比，效率較低，因此只適合在網絡上傳輸較小的空間信息，對于傳輸大數據量的空間信息，則必須進行壓縮，但目前還沒有制訂GML的壓縮標準。盡管如此，GML這種基于標準的空間數據格式，仍然不失為一種較好的空間數據傳輸格式。隨著Web應用范圍的擴大，傳統的基于CGI方式的Web應用已不能滿足需求，人們需要Web服務器端提供更為復雜的和更為靈活的應用開發支持。但Web服務器最初的設計目的并不包括對大規模、高性能和高可靠性的大型應用的支持。應用程序服務器(Application Server)的產生正是為了突破這一瓶頸。應用程序服務器完全不同于Web服務器，是專門為基于大負荷高端處理的Web應用而設計的全新的運行環境，該環境能提供很高的可靠性和健壯的程序邏輯處理能力，能輕松地為成千上萬甚至上百萬用戶提供服務。通過把GIS組件加載到應用服務器，可以開發出高性能、高可靠性的大型GIS應用。因此研究GIS技術與應用服務器的集成，對開發大型空間信息應用系統具有重要的意義。在實際應用中，一個系統可以由多個應用程序服務器、多個Web服務器和多個數據庫服務器組成，應用程序代碼可以分布在多個應用程序服務器上。當前應用程序服務器大都采用諸如COM、CORBA、Enterprise JavaBeans(EJB)和Java Servlets等標準化技術，并出現了許多應用服務器產品，如Iplanet，Webspare, OAS, Weblogic等。
  Web服務是新一代的Web應用，是可以通過Web發布、查找和調用的自包含、自描述的模塊化應用。Web服務執行從簡單的請求到復雜的業務流程的任何功能。一旦Web服務被部署后，其它應用(和其它Web應用)就可以發現和調用已部署的服務。傳統WebGIS技術的主要目的是為了能夠在網絡上發布空間數據以及和這些空間數據相關的一些操作，主要通過瀏覽器直接服務于最終用戶。而對于數字城市等復雜GIS應用，它們都建立在復雜、動態變化的分布式網絡環境下、各種應用都構建在更為開放的分布式環境之中，而且各種不同應用對于地理信息功能的需求也千差萬別。這時傳統的WebGIS技術就暴露出了它的不足，主要原因是：數據與功能的相對綁定；系統相對獨立，缺乏良好的互操作性；系統內部耦合度較強，應用模式不夠靈活，難以靈活地為需求不同的應用提供不同粒度和不同功能組合的地理信息服務。隨著空間信息Web Services概念的出現，特別是OGC提出的基于互操作的Web服務和相關規范的制訂，把基于Web的空間信息發布引入了一個更高的層次。  利用OGC Web服務中制訂的一系列標準，可以真正地實現地理信息的互操作，并且可以利用松耦合的模式來使用和擴展各種數據和服務資源，動態的綁定不同的服務來完成特定的功能。因此空間Web Services擴展了WebGIS的范疇。雖然說空間信息Web Services才剛剛起步，但它有非常好的發展前景。
  1.6其它
  除了上述方面以外，目前還有許多與GIS相關的前沿技術，包括三維GIS技術、空間信息的數據挖掘技術和基于GIS的計算機支持協同工作技術等等。這些技術的進步將有力促進GIS系統的應用深度和廣度。
  總之，GIS的發展離不開信息技術，特別是軟件技術的發展，與其它信息系統相比，GIS系統結構復雜，數據量大，對空間特性要求比較高，因此它的設計和實現，既要充分借鑒信息技術各個分支的最新成果，又要考慮GIS的特殊性，設計出良好的技術路線。
二、存在的問題與對策
（1）加快制訂基于互操作的相關空間信息標準
  目前，我國已有大量的GIS數據積累，分散在各個部門和行業中，由于缺乏標準和規范，這些數據難以共享利用，導致了嚴重的重復投資和信息資源浪費。制訂空間信息的標準已成為解決問題的關鍵。
  空間信息的共享和互操作是今后地理信息系統技術發展的一個主流方向，而互操作的實現就依賴于相關空間信息標準的制訂。根據空間信息互操作的需求和國外空間信息標準研究的發展狀況。我國的空間信息標準的研究和制訂需包括三個方面。第一個方面包括空間數據轉換標準、空間數據編碼標準、空間數據可視化符號標準。這個部分的標準的制訂，主要是為了解決空間數據的共享。第二個方面包括空間操作接口規范和空間信息服務實現規范。這個部分的標準的制訂，主要是解決空間互操作的更高層次—空間操作功能的互操作。第三個方面主要是元數據標準。元數據標準的制訂主要是實現空間信息的分發，它是空間信息互操作的基礎。元數據又包括兩個方面：描述空間數據的元數據和描述空間操作的元數據。前者，當前國內外已經進行了大量的研究，并制訂了一系列的標準。后者是當前乃至以后的一個研究重點，它的制訂是與空間操作接口規范和空間信息服務規范制訂和發展相關的。以上空間信息標準制訂的基礎是空間模型的統一。
（2）加強GIS軟件體系結構的研究，大力發展大型GIS基礎軟件產品
  盡管我國在中小型GIS基礎軟件前端平臺總體技術方面有應用特色，但在軟件的易用性和穩定性方面，特別在管理大數據量的能力方面有差距，系統的安全性級別也較低。另外，由于企業規模小，以工程開發為主，但大型工程整體解決能力較弱，難以沉淀出大型的GIS應用軟件產品。
  面對GIS應用的大型化和社會化發展需求，加強前沿技術的研究，突破以網絡應用為核心的GIS共性關鍵技術（如網絡通訊、海量數據管理、分布處理等），借助各種先進的軟件開發技術（如組件、中間件技術等）和規范，開發高性能的、易用的新一代GIS基礎軟件及其相關應用服務系統，提高我國GIS的技術水平與市場競爭能力。
（3）加強“3S”集成技術的研究
雖然GIS在理論和應用技術上有了很大的發展，但單靠傳統GIS的使用還不能滿足目前社會對信息快速、準確更新的要求。與GIS獨立、平行發展的全球定位系統(GPS)和遙感(RS)則為GIS適應社會發展的需求提供了可能性。
目前，國際上“3S”的研究和應用向集成化的方向發展。在這種集成應用中，GPS主要被用于實時、快速地提供目標，包括各類傳感器和運載平臺的空間位置；RS用于實時地提供目標及其環境的語義或非語義信息，發現地球表面上的各種變化，及時地對GIS進行數據更新；GIS則是對多種來源的時空數據進行綜合處理、集成管理和動態存儲，作為新的集成系統的基礎平臺，并為智能化數據采集提供地學知識。
（4） 加強相關產業和部門協作，加大在國產GIS軟件產品基礎上開展行業應用示范的力度，扶持國產GIS軟件平臺
目前，我國的GIS產業水平，總體要落后于國外。因此，在一段時間內，需要對國產GIS軟件進行扶持。一方面要加大投入，促進國產GIS軟件的發展，以提高市場競爭力；另一方面要在政策上予以傾斜，鼓勵GIS應用采用國產GIS平臺。
GIS系統作為一個信息系統，它與其它信息技術是密切相關的。因此，我國的GIS廠商應該與其它的國產軟件廠商，如數據庫、操作系統、應用服務器等軟件廠商加強合作，以促進我國軟件行業的總體發展。同時，軟件企業應瞄準國家重大行業需求，與應用部門聯合, 重點解決GIS應用與服務的關鍵技術，推動GIS產業的發展。
（5）針對目前在數據采集、加工、分發和共享過程中存在的縫隙，強調GIS應用與任務工作流及管理機制的有機結合。
（6）鼓勵聯合或合作，壯大國產GIS軟件企業的實力，加速GIS技術的發展。
（7）強調學科交叉，加強前沿技術的研究，培養一支高水平、有市場競爭能力的研發隊伍。

標簽：GIS技術  

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