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地理信息系統:尋找GIS中的“科學”

發布時間:2013/5/24 16:05:55 來源:本站

盡管諸如Google Earth(谷歌地球)和Bing Maps(必應地圖)等流行的服務已經使人們熟知了地理信息系統(GIS)的基本功能,然而進行科學研究時還是需要更強大的工具來輔助。本文中Paul Schreier就為我們描繪出了GIS產品領域的亮點。

《科學計算世界》:2010年四/五月刊

我們中間還有誰沒用Google Earth或者Bing Maps(前身是Microsoft Virtual Earth)看過我們的家園,我們的社區或者一些有趣的建筑物?目前通過自己的電腦,我們已經不僅僅能獲得街道圖,還能獲得各種航拍影像、衛星影像、3D城市模型以及地形圖。這些服務使用戶能非常容易地將自己的數據點或圖層疊加于原圖之上來顯著地標識出所關注的內容。在剛剛過去的一兩年中,這些web服務已經使得地理空間技術和應用程序為大眾所廣泛認識與大量使用。


歡迎您來到GIS(地理信息系統)的世界!GIS的一個簡單化定義是:“將數據繪制到地圖上,使人們更容易發現其中的規律或趨勢”,但這提到的只是成熟GIS系統實際工作中的一點皮毛而已。

與這種簡單定義相反,GIS是一個獲取、管理、操作以及可視化地理信息的平臺。該平臺匯集了不同應用領域和科學領域的信息(如物理學,社會學,文化領域和設計領域),并通過對制圖和對空間關系、模式的建模將跨學科的地理知識整合到一起。GIS是整合各種不同類型數據的粘合劑。它能夠讓你通過地圖來觀察和分析數據,這樣可以揭示一些在表單數據中并不明顯的模式、關系和趨勢。如果沒有GIS,對可觀測到的事件搜集大量信息,再建立起關于模式和過程的理論并進行檢驗是幾乎不可能辦到的。我們也可以將以上觀點用ESRI首席科學工具軟件開發人員Steve Kopp的話總結一下:“GIS基本上是從你已有的數據中創造新的數據。GIS的傳統作用是確定一個最好的地方來放置某物或尋找某物,類似的技術也非常適用于科學應用。”

GIS長久以來被應用于政府部門做城市規劃和公共工程方面(例如,確定哪里安放移動電話天線能夠獲得最好的覆蓋面)。在科學領域,GIS的應用范圍也很廣泛,例如全球氣候變化研究,太陽能電池板的位置與效率研究,流行病學研究,石油/天然氣勘探,甚至考古學中都有應用。

GIS的公眾形象

GIS最直觀的表現就是電子地圖繪制,通過免費web服務進行地圖繪制已成為人們最熟知的應用。我們看看Google Earth就能了解這種情況,Google Earth是Google在2004年收購Keyhole公司開發的EarthViewer 3D后推出的一項服務。在其免費版本中,用戶能夠查看鳥瞰圖,保存位置信息并與其他人分享。如果企業將Google Earth用作外部用途,則需要Google Earth Pro(谷歌地球專業版)的許可證,該版本允許用戶進行數據導入、高分辨率圖像打印以及半徑/面積量測等操作。Google Earth Enterprise(谷歌地圖企業版)則主要是面向擁有地理空間數據庫的組織,該版本的設計是在公司自己的服務器上運行,并給予公司內所有用戶Google Earth的訪問權限。

盡管Google Earth的操作界面方便簡潔,許多用戶仍然使用Keyhole標記語言(KML)來將操作自動化。KML是一種由開放地理空間聯盟(OGC)維護的XML語言,可用在各種基于互聯網的二維地圖和三維數字地球瀏覽器中。KML主要用于地理信息可視化,同時還涵蓋了對地圖和圖像的注記操作。通過幾行代碼你就能設置位置標記,而其他一些KML函數則能夠處理地面疊加層,創建路徑和創建多邊形的操作。

像Google Maps這樣的服務為大眾提供了低廉而便捷的渠道來接觸地理信息,正如前伯明翰城市大學副校長、GIS軟件公司ESRI前任首席科學家David Maguire所說,這種形式在某種程度上重新定義了什么是GIS。Google Maps僅僅是提供一些低成本的底圖,而通過這些圖,人們就能夠觀察整個世界。這種形式吸引了大量的用戶群,并對整個GIS產業產生了重大影響。但是,如果Google和微軟僅提供這項業務,那么他們一定會破產,事實上恰恰相反,這些服務對他們來說只是一種“超級營銷工具”,目的是借此來推動他們的其他業務。

遠不止是制圖

一個商業GIS系統不僅僅是讓用戶能在空間中觀察不同的點,還能讓用戶為這些點賦予一定的意義。這種系統是由三個主要部分組成的:信息系統或者數據庫、分析框架、制圖/可視化組件。Maguire用金融軟件為我們作了一個形象的類比:如果僅僅想使用一些基本功能,那么您使用表單程序即可,但是對于那些希望做嚴密的企業資源規劃,客戶關系管理以及產品周期管理的用戶來說,他們會選擇更高級的軟件包,如SAP。同樣,Google Earth和Bing Maps為我們提供了基本的功能,但在處理一些復雜事務時,您還是會使用商用GIS軟件包。

這個多視圖的圖像是由Manifold制作的,分別展示的是Bing Maps衛星影像(左上),以斜線表示圣安德烈斯斷層的數字高程圖(左下)等高線圖(中)以及等高線與Bing Maps影像的疊加影像(右)
即使有供消費者使用的地圖作為背景圖,科學家還是需要將自己的數據進行存儲和分析,并與其他數據以一種有意義的方式關聯起來。由于GIS的核心是它的數據庫,數據庫提供商Oracle(甲骨文公司)自然也涉足這個領域。其他一些 GIS 服務提供商在他們數據庫中使用 Oracle Spatial,而還有一些提供商則直接在他們的數據庫中使用接口(即他們沒有使用Oracle Spatial這個中間層,直接使用數據庫接口)。

正如一些應用程序將日期/時間作為標準數據類型一樣,Oracle Spatial添加了二維和三維幾何數據類型作為基本數據類型。借助內置的命令,你能夠像做四則運算一樣容易地進行鄰近度分析、包含分析或者拓撲分析。例如只需要一個SQL查詢語句就能確定地點A和B之間的距離是多少米。

Oracle提供了除可視化外的全部GIS功能,不過它也提供了API(應用程序接口)來完成可視化的工作。該公司解釋說,他們的開放平臺是對其他GIS技術的補充,您可以從任何應用層面來訪問該平臺。它的主要優勢是其數據規模因素,科學家研究過程中生產海量數據,并且這種數據集也變得越來越普遍,而Oracle數據庫正是針對海量數據設計的。

前微軟Bing Maps技術專家Johannes Kebek比較同意通用可視化工具現在的地位。他認為對于傳統GIS應用中的一些簡單空間分析而言,Bing Maps能實現其中80%的功能。借助于微軟的SQL Server 2008等工具,這完全可能,因為SQL Server 2008包含了空間數據類型和幾何數據類型,向外提供了矢量和柵格數據(的操作接口),與OGC標準兼容而且能讀寫GML(地理標記語言)數據。但是對于空間數據挖掘和空間數據分析應用來說,他認為用戶還是應該選擇更高端的GIS產品。

對于Bing Maps的應用可能性,有許多有趣的例子。Kebek首先提到的就是歐洲環境地圖集,在該應用中設計者們將全球變化的證據可視化的展現出來,隨著網絡的發展該地圖集得到廣泛應用, Kebek因此廣受贊譽。另一個例子就是微軟研究院開發的世界望遠鏡(Worldwide Telescope),通過這項服務用戶能夠觀察夜空中的物體,Kebek指出,在不久的將來用戶只需通過該服務在地球上任選一點,即可觀察該處過去與將來的天空。


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