鑽石舞台

1963 年，加拿大的 Roger Tomlison 首次提出「Geographic Information System（GIS）」這 一 術語，1965 年加拿大建成世界上第一個 GIS（Canada Geographic Information System，CGIS）；1992年 ，美 國 Michael Goodchild 提 出「Geographic Information Science（GIS）」，試 圖 回 答 Where？What？When？How change？How many？Spatial Relation？即 WWW-HHSR 的問題；1993 年，Steve Putz 第 一 次 在 Internet 上 基 於 擴 展 的HTTP 服 務 器 發 布 簡 單 的 地 圖 服 務 ，揭 開 了「Geographic Information Service（GIS）」的 序 幕 。所以，「GIS」中的「S」可以有三種含義：一是 System（系 統），即 Geographic Information System（GISystem），稱為「地理信息系統」，強調「GIS」工程技術的一面，被定義為「信息系統有關地理信息的分支」，即在計算機硬軟件支持下，對地理信息進行獲取、存儲、管理、分析和可視化的計算機信息系統；二是 Science（科學），即 Geographic Information Science（GIScience），稱為「地理信息科學」，強調「GIS」科學的一面，被定義為「信息科學有關地理信息的一個分支學科」，即關於自然、人文現象的空間分布與組合的信息，是表徵地理環境的數量、質量、分布特徵、內在聯繫和運動規律的科學；三是 Service（服務），即 Geographic Information Service（GIService），稱 為「 地理信息服務」，強調「GIS」的應用服務即產業的一面，被定義為「信息服務有關地理信息的分支」，即「隨時隨地為需要地理信息的用戶提供基於統一時空基準的與位置直接或間接相關聯的地理要素（現象）的智能化信息服務」。

經過近 60 年的發展，如今「GIS」無論是「地理信息系統」「地理信息科學」還是「地理信息服務」，都已經是「今非昔比」了。就地理信息系統而言，有代表性的商品化軟件如美國的Arc GIS、中國的Super Map、Map GIS和Geo Star 等，其功能都很強大，得到了普遍應用，同時還有一系列的著作（或教材）出版；就「地理信息服務」而言，由於它是由「GISystem」發展演變而來，有些書名雖為《網絡地理信息系統》或為《Web GIS 原 理 與 技 術（Web GIS Principles and Technologies）》，但基本內容是網絡地理信息服務技術和方法，當然也有「地理信息服務」的代表性作品。就「地理信息科學」而言，不僅出版了一批理論著作和教材，而且成為地理學下設的分支學科，對「地理信息系統」和「地理信息服務」的發展起到了一定的指導作用。

站在新的起點上，對近 60 年「GIS」發展態勢究竟應該怎麼看？「GIS」今後到底應該向何處去？本文試圖對這些問題進行一些討論和探索。

理解地理信息系統要注意三個關鍵詞：信息、地理信息、系統。信息，是數據的內涵，指音訊、消息、通訊系統傳輸和處理的對象，泛指人類社會傳播的一切內容。人們通過獲取、識別自然界和社會的不同信息來區別不同事物，從而認識世界和改造世界。地理信息，指對人類賴以生存的地理環境的感知。其主要內容包括地理系統諸要素（現象）的數量、質量、分布特徵、相互聯繫和變化規律等，分為空間位置信息和屬性特徵信息兩大類，在計算機中以數據形式存儲和處理。系統，是由許多部分所組成的整體，系統的概念就是要強調整體，強調整體是由相互關聯、相互制約的各個部分所組成的。系統工程就是從系統的認識出發，設計和實施一個整體，以求達到人們所希望得到的效果。正如馬克思、恩格斯指出的，物質世界是由無數相互聯繫、相互依賴、相互制約、相互作用的事物和過程所形成的統一整體。辯證唯物主義體現的物質世界普遍聯繫及其整體性的思想，也就是系統思想。

理解了地理信息系統的這三個關鍵詞，對於深刻認識「地理信息系統」的本質具有十分重要的指導意義，也是識別當前關於地理信息系統的一些所謂「新觀點」的科學依據。

關於「地理信息系統」的定義，目前有很多論述。例如，《測繪學名詞》（第三版）將地理信息系統定義為在計算機軟硬件支持下，把各種地理信息按照空間分布及屬性，以一定的格式輸入、存儲、檢索、更新、顯示、製圖、綜合分析和應用的技術系統。《辭海》（第六版）認為，地理信息系統亦稱「地學信息系統」，指「用於地理空間數據採集、存儲、處理、查詢、分析、利用和可視化的電子計算機信息系統」。應該說，這兩種「地理信息系統」的定義，顯然個別提法不同，但都符合前述系統、信息、地理信息三個關鍵詞的要求。地理信息系統，就是基於計算機硬軟件的由相互關聯、相互制約的地理信息（空間位置和屬性特徵）輸入（採集）、存儲（管理）、檢索（查詢）、分析（綜合分析）、更新（數據）、地圖製圖、可視化（顯示）和應用（利用）等部分（子系統）組成的整體信息系統。

本節主要論述地理信息系統與地圖（集）、計算機地圖製圖、地圖數據庫的關係。

1）「 地 理 信 息 系 統 」源 於「 地 圖 」又 超 越 了「地圖」

「地圖」指經典（紙介質）的模擬地圖（系列地圖、地圖集）。經典的地圖是一種模擬的非計算機化的地理信息系統，它承載了幾乎所有測繪地理信息元素，只不過它是以地圖圖形的形式存儲 、管理 、傳輸 、量算 、分析 和利用地理空間信息。實際上，地理信息系統中的許多量算分析功能都是經典（傳統）地圖上用簡單工具量算（距離、坡度等）和分析功能的拓展和延伸，只不過經典地圖上量算分析的結果精度相對低、速度慢、時間長。單幅地圖是一個簡單的非計算機化的地理信息系統，系列地圖是一個相對低級的非計算機化的綜合性地理信息系統，地圖集是一個相對高級的非計算機化的普通、專題或綜合性地理信息系統。所以，「地理信息系統」源於「地圖」又超越了「地圖」是有道理的。

2）「地理信息系統」源於「機助地圖製圖」又超越了「機助地圖製圖」

計算機地圖製圖取代手工地圖製圖，在地圖製圖技術上是一個里程碑式的事件。計算機地圖製圖又稱機助地圖製圖（computer-aided cartography，或 computer-assisted cartograhy，CAC），指用計算機及外圍設備和相應軟件進行地圖信息的採集、存儲、處理、管理、顯示、繪圖和製版的技術與方法。機助地圖製圖也稱自動化地圖製圖（automatic cartography），指「利用計算機和輸入、輸出設備及自動製圖軟件，對地圖信息進行數字化 、數據處理 、圖形輸出而獲得地圖產品的技術」。計算機地圖製圖或機助地圖製圖獲得的直接產品是數字地圖，而數字地圖符號化又可通過製版印刷獲得經典（傳統）的紙介質地圖。顯然，數字地圖成為了「地理信息系統」操作的對象，當然還要增加地形分析和空間分析功能才能成為真正意義上的「地理信息系統」。所以，「地理信息系統」源於「計算機地圖製圖」又超越了「計算機地圖製圖」是合乎邏輯的。

3）「地理信息系統」源於「地圖數據庫」又超越了「地圖數據庫」

「地圖數據庫」比起「數字地圖」又前進了一步。地圖數據庫（cartographic database），指「計算機存儲的各種數字地圖（矢量或柵格）數據及其管理軟件的集合，是地圖信息系統的核心支撐」。地 圖 信 息 系 統（cartographic information system，CIS），指「以研究地圖信息的獲取、傳遞、轉換、存儲和分析利用等為主要目標的信息系統」。作為地理信息系統核心支撐的地理信息數據庫（geographic information database，GID），指 計 算 機 存儲的地理系統諸要素（現象）的數量、質量、分布特徵、相互聯繫和變化規律的數據及其管理軟件的集合；大數據、雲計算、人工智能時代，支撐地理信息系統高效運行的是基於分布式數據存儲系統的大數據中心和空間數據倉庫系統。顯然， 「地理信息數據庫」的內容要比「地圖數據庫」的內容豐富得多，更接近反映地理系統，更便於分析地理系統的規律；分布式數據存儲系統和空間數據倉庫系統，無論其數據規模、多樣性和易於數據分析、挖掘和知識發現都超出了一般地理信息數據庫。所以說，「地理信息系統」源於「地圖數據庫」又超越了「地圖數據庫」是符合發展規律的。

地理信息系統（GISystem）從概念的提出到加拿大第一個地理信息系統 CGIS 的建成，直到以後近 60 年的發展演進，都是人類社會實踐（科學實踐、生產實踐、工作實踐）的需求牽引和科學技術推動的。GISystem 是一種軟件，這是地理信息系統學界和業界公認的，但說它也是裝備，可能很少人提及。實際上，裝備是指配備的一些設備。從這個意義上講，GISystem 軟件就是一種裝備，軟硬件集成是裝備。在某種程度上，人們忽視了軟件裝備。就 GISystem 而言，作為裝備有三個層次，即工具軟件（通用）、應用軟件（行業用）、應用系統（面向具體用戶）。就集成應用而言，全球衛星導航定位系統（global navigation satellite system，GNSS）、遙感（remote sensing，RS）、GISystem 的集成應用是主流，裝備發展更有前景。既然是裝備，就應通過嚴格的軟件測試和裝備論證，然後作為裝備應用。

基於上述地理信息系統的裝備特性，GISystem 的研發一定是以需求為導向、以解決實際問題為目標的。當前，GISystem 的體系結構、開發和服務模式都已發生深刻變化，已實現了由「地理信息系統」到「地理信息服務」的轉變，但仍然未從根本上解決基於面向服務體系架構（serviceoriented architecture，SOA）的跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的多節點信息資源共享和協同工作的問題。而這正是無論民用或軍用都迫切需要解決的問題。

1）社會需求背景

如前所述，地理信息系統經過近 60 年的發展，已經取得了許多成果，有了很大進步。但是，也存在一些問題，如信息資源不能共享，系統之間不能互聯、互通、互操作，系統耦合性強導致了使用不方便，也買不起，等等。這些問題嚴重影響應用的廣度和深度。從人類面臨的日益突出的全球性問題看，特別需要共享信息資源，實現網絡環境下多節點協同工作，提供低成本的實時/准實時、智能化地理信息服務。問題導向和需求牽引對地理信息系統的進一步發展發揮着重要引領作用。

2）技術背景

主要涉及計算機技術、通信網絡技術、對地觀測技術和（時空）大數據平台技術等。

計算機技術為地理信息服務提供強大的存儲和計算能力。目前，計算機的存儲能力已超過TB 級，計算速度已超過每秒百萬億次。計算機的存儲容量和計算能力對推動從「地理信息系統」到「地理信息服務」發展演進至關重要。通信網絡技術推動地理信息系統體系結構的發展演進。由「地理信息系統」到「地理信息服務」的發展，經歷了「單機→主機→桌面→網絡→網格→雲」GISystem 的演進，通信網絡技術的發展起了十分重要的作用。對地觀測技術為解決地理信息系統發展演進提供強大的信息源支撐。GNSS提供高精度定位數據和 RS 獲取的覆蓋全球的影像數據，為地理信息系統發展演進中的高精度信息源難題的解決提供強有力的支撐。

時空大數據平台技術為「地理信息系統」到 「地理信息服務」發展演進提供先進而實用的技術體制和工程技術實現支撐。時空大數據平台是構建在基於網絡/網格服務的 SOA 上，採用與社會組織結構相應的虛擬化組織技術、技術融合、數據融合和業務融合，實現跨層級、跨地域、跨系統、跨部門和跨業務的多節點協同管理和運行，真正成為協同工作平台、高效服務平台、智能決策支持平台，將極大推進地理信息服務的實用化。

3）學科背景

從學科的角度講，對地理信息系統發展演進影響最深遠的是地理學、地圖學、系統工程、計算機科學技術、數據科學和人工智能技術等。對於地理信息系統而言，地理學是科學認識論基礎，地圖學是科學方法論基礎，系統工程提供構建地理信息系統的系統論思想和方法，計算機科學技術為大規模海量數據提供計算和存儲能力，測繪科學與技術提供高精度時空基準、位置數據及位置服務、實時/准實時高分辨率遙感影像數據，數據科學提供數據分析、數據挖掘與知識發現的理論和方法支撐，人工智能技術提高地理信息服務的智能化水平。同時，地理信息系統也成為改變世界的十大地理學思想之一，被稱為地理學的第三語言，拓展了地圖學的功能，豐富了系統工程的應用，擴大了計算機科學技術和測繪導航科學技術的應用範圍，拓展了數據科學的應用和豐富了數據科學的內容，開拓了人工智能技術的應用領域並有利於人工智能技術的發展。實際上， 「地理信息系統」到「地理信息服務」的發展演進是多學科交叉融合推進的結果。

1）應用領域的擴展

1965 年建成的世界上第一個地理信息系統即加拿大地理信息系統（Canada GIS，CGIS），只是一個基於矢量數字地圖的土地管理信息系統。50 多年過去了，如今地理信息系統已在地球科學各分支學科、社會科學、管理科學、醫學與衛健等許多領域得到了廣泛應用，大氣地理信息系統、海洋地理信息系統、環境地理信息系統、資源地理信息系統、文旅地理信息系統、水利地理信息系統、交通地理信息系統、公安地理信息系統、消防地理信息系統、警務地理信息系統、政務地理信息系統、商業地理信息系統、國土空間規劃地理信息系統、礦山地理信息系統、城市地理信息系統、社區地理信息系統、校園地理信息系統，等 等。可以說，過去需要利用地圖的領域現在都需要利用地理信息系統。不僅如此，還出現了某些室內和地下（水下）空間地理信息系統的需求，前者如涉及公共安全的醫院、大型商場與超市、能源基地與核電廠、文化體育場館、洗浴中心等；後者如地下商場、地下鐵道、海（江河）底隧道、地下礦區等。這些都可以採用建築信息模型（building information modeling，BIM）與地理信息系統（GISystem）集成的方法實現。隨着空間科學技術的快速發展，中國的嫦娥探月工程已獲取全月球高分辨率月球遙感影像數據，生產了月球表面數字地形圖和數字高程模型，採集土壤樣本，為人類進一步科學管理月球土壤、岩石及其他要素數據，系統分析月坑、月海等的空間分布特徵，探索月球演化機理，模擬月球演化過程，提供月球科學數據服務。

可見，應用領域的擴展，既是地理信息系統發展演進的主要表現之一，又是不斷增長的應用需求推動了地理信息系統的發展演進。

2）數據資源的擴展

數據資源是地理信息系統發展演進的重要驅動力。20 世紀 90 年代以前，主要源於地圖數字化，地理信息系統表現出靜態滯後的特點；20 世 紀 90 年代，衛星導航定位數據和衛星遙感影像數據豐富了地理信息系統的數據源，同時融入了社會經濟人文信息，具有實時/准實時的多維動態信息特徵；進入 21 世紀，基於現代化時空基準，採用天空地海一體化全球化衛星組網技術（傳感器網絡），出現「三多」（多平台、多傳感器、多角度） 和「三高」（高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率）發展趨勢，以及伴隨而來的大數據時代，基礎地理時空數據與各部門行業專題數據的融合，形成了時空大數據，極大地推動了地理信息系統到以時空大數據平台為代表的地理信息服務新技術體制和新模式。數據對地理信息系統的發展演進至關重要，沒有數據，地理信息系統就成了「無源之水」「無本之木」。

3）功能的擴展

地理信息系統的功能是社會廣大用戶最為關注的，按其發展演進過程可以分為管理型、分析型和決策支持型三個時期。早期的地理信息系統基本上是一種「管理型」的系統，只具有空間數據存儲與管理、查詢與檢索功能；後來是「分析型」，在存儲管理和查詢檢索基礎上，發展了分析功能，主要包括地形量算（位置、高程、坡度等）、地形分析、空間關係分析（拓撲關係、方向關係、距離關係等）、緩衝區分析（點、線、面及靜態、動態等）、最優路徑分析（距離最短、流量最大、費用最低、最安全等條件）、最優選址分析和疊置分析等；當前的地理信息系統正處於各種分析功能、空間數據挖掘與知識發現和人工智能技術的「決策支持型」時期，包括數據決策支持、模型算法決策支持、知識決策支持和智能決策支持等。

應該說，地理信息系統的功能由「管理型」到 「分析型」再到「決策支持型」是迭代演進、繼承發展的關係。

4）體系結構、開發和服務模式的發展演進

在計算機網絡通信技術、計算機軟件技術和網絡服務技術快速發展的推動下，地理信息系統的體系結構、開發模式和服務模式都發生了深刻變化。地理信息系統的體系結構經歷了「單機GISystem→主機 GISystem→桌面 GISystem→網絡 GISystem→基於網絡服務的 GIService→基於網 格 服 務 的 GIService→ 基 於 雲 服 務 的 GIService」；地理信息系統的開發模式經歷了「功能包→集成式→模塊式→組件式」發展演進過程；地理信息系統的服務模式經歷了「基於網絡服務（Web Service）的空間信息共享與空間數據互操作模式→基於網格服務（Grid Service）的信息資源共享與協同工作（解決問題）模式→基於雲計算（Cloud Computing）的時空信息服務模式」。

上述地理信息系統體系結構、開發模式和服務模式的發展演進，說明共享、開放和服務是地理信息系統技術發展的必然趨勢。其中，基於網格服務的信息資源共享與協同工作模式，就其技術而言應該是先進的，但實際應用還未來得及展開；基於雲計算的時空信息服務模式也只是用現有的商業化 GISystem 軟件構建在雲架構上，即時空信息雲平台。

基於前述（§2.2），地理信息系統應用領域的不斷擴展是無疑的，但是否擴展到「全空間」和「全時空」呢？值得認真思考和研究。實際上，這就是要做一個「無邊無際」「無始無終」的「地理信息系統」。這種願望是好的，但不符合實際，也實現不了，因為地理信息系統是具有很強針對性和實用性的技術工程科學。30 年前曾有人寫過一本名為《宇宙全息統一論》的書。當時，錢學森先生就指出過，有的人「空談系統是由子系統決定的，微觀決定宏觀等等。一個很典型的例子就是『宇宙全息統一論』。他們沒有看到人對子系統也不能認為完全認識了。子系統內部還有更深更細的子系統，以不全知去認不知，於事何補？甚至錯誤地提出部分包含着整體的全部信息，部分即整體、整體即部分，二者絕對統一，這完全是違反客觀事實的，也違反了馬克思主義哲學」。空間與時間一起構成運動着的物質存在的兩種基本形式。空間指物質存在的廣延性，是「無邊無際」的；時間指物質運動的持續性和順序性，是 「無始無終」的。空間和時間具有客觀性，同運動着的物質不可分割 。空間 和時間也是相互聯繫的。

「GIS」，無論是「GISystem」「GIService」，還是「GIScience」，都必須服務國家和國防戰略。

就服務國民經濟建設而言，急需研發真正能用、好用、管用的國土空間規劃地理信息系統，突發流行性疾病監測管控決策支持地理信息系統，城市突發洪澇災害監控預警救援決策支持消防地理信息系統，城市災情監控、判斷、預警決策支持的地理信息系統，生態保護和高質量發展地理信息系統，地質災害普查監控預警地理信息系統，城市地面地下交通快速換乘地理信息系統，自然資源監測監管決策支持地理信息系統，讓城市能智慧的地理信息系統，等等。

從服務國防建設而言，軍事測繪源於作戰中對地形的研究與應用，是從測繪與使用地圖開始的。古代如此，近代如此，現代更是如此。國防建設部署和規劃離不開地圖，戰略謀劃和計劃需要利用地圖，作戰指揮特別是一體化聯合作戰需要反映戰場地理環境的全球地理信息系統支撐，作戰行動要由地圖來引導，武器平台乃至遠程武器精確打擊需要精確數字地圖。這就是作戰指揮的時空觀。

進入21世紀，伴隨着航天技術「井噴」式發展，太空成為繼核武器之後的新型戰略威懾力量，與核威懾、網絡威懾交織融合，共同構成新的戰略穩定架構；太空實現全球作戰力量一體化，不受傳統的陸地、海上、空中飛越限制，具有天然的全球性和跨域性，全球任何地點的作戰力量和手段都能通過「天地一體網」連接起來，形成一體化作戰力量體系；太空力量可以在任何時間、任何地點、任何氣象條件下打擊地球上任何一個目標。而這必須有全球一體化的地理信息系統作保障。

伴隨着無人機、人工智能、自主系統、大數據等前沿技術的快速發展，無人機不僅可以在空中還可以在水中完成作戰任務，不僅可完成作戰任務還可遙控指揮（奪島）作戰，不僅可以單機作戰還可組成無人機「蜂群」作戰，而且無人機「蜂群」作戰是通過模擬群聚生物的協作行為與信息交互方式，以自主和智能化的整體協同方式完成作戰任務的。特別是隨着智能、網絡、協同與控制技術和無人平台技術的發展，未來在陸、海（水面水下）、空、天各個領域都將出現類似於「蜂群」的 「狼群」「魚群」「星群」等各類無人作戰平台，實施全域無人作戰集群攻擊與防禦。對於未來的非接觸、非線性作戰，需要一個天地一體的地理信息系統。

面對國家和國防建設急需所要求建設的各種地理信息系統，要認真思考和全面分析現有商業化 GISystem 軟件，同時對現有已用和未大範圍使用的基於網絡/網格/雲的地理信息服務模式進行全面深入的比較分析，得出科學客觀的結論。這裡所說的科學且符合社會需求和具有發展前景的 GISystem 技術體制，必須是以一體化國家（時空）大數據中心、模型庫、算法庫、知識庫、專家庫為支撐，能實現習近平總書記 2016 年 10月 9 日在主持中央政治局第 36 次集體學習時的講話中指出的「推進技術融合、業務融合、數據融合，實現跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的協同管理和服務」。

應該說，中國現有的商業化 GISystem 軟件本身技術水平都很高，但在數字城市、智慧城市建設中的應用，被證明是達不到上述基本要求和目標的，已建智慧城市的時空信息雲平台，都很難成為前述「三融合」和「五跨」的信息資源共享和協同工作的平台，而基本上只是一個「展示」平 台。根本原因是已建立的這種「平台」，其組織結構體系與社會組織結構體系「兩張皮」。

至於基於網絡服務（Web Service）的空間信息共享和空間數據互操作、基於網格服務（Grid Service）的信息資源共享與協同工作、基於雲計算的時空信息服務等服務模式，相對於「三融合」 和「五跨」目標和要求而言，都顯得不足，又各有優勢。為此，對三種服務模式就其內涵、功能、關鍵技術、標準、技術架構、發展趨勢和服務共享特點等 8 個方面進行了綜合比較（見表 1），通過分析表 1 得出如下結論：

1）三種服務模式都採用面向服務的體系架構（SOA）。

2）三種服務模式都是解決「共享」與「服務」的問題，只不過「共享」的程度與「服務」的範圍、方式不完全相同。

3）網絡服務與網格服務的技術標準有相同的也有不同的，但趨勢是「兼容」或「融合」，且標準是統一的，服務方、用戶方都必須清楚；雲服務標準可以是內部統一的，用戶不必清楚。

4）網格服務是網絡服務的發展，雲服務是網格服務的簡化版或商業化實現。

表1 三種時空信息服務模式的綜合比較

基於上述分析和結論，可以認為，採用「網格集成」與「彈性雲」的「混合式」時空信息服務模式是最佳選擇。因為這樣的技術體制可以揚長避短、優勢互補，推進技術融合、業務融合、數據融合和實現跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務的多節點信息資源共享和協同工作。

時空大數據指基於統一時空基準、產生和存在於時間和空間中，與位置直接（定位）或間接（空間分布）相關聯的大數據，由基礎地理時空數據與專題數據（部門行業）融合而成，具有位置、時間、屬性、尺度（比例尺）、分辨率（影像）、異構性、多樣性、多維、巨量性、價值隱含性和快速性（事前而非事後）等特性。時空大數據平台，指把各種分散的和分割的大數據匯聚到一個特定的自主可控的平台上，並使之發生持續的聚合效應，即通過多源異構數據融合、關聯分析與數據挖掘，揭示事物的本質規律，對事物做出更加快捷、更加全面、更加精準和更加有效的研判和預測。時空大數據平台是大數據的核心價值，是大數據發展的高級形 態，是大數據時代的解決方案。

這樣的時空大數據平台的技術實現，必須突破以下 6 個問題：

1）必須採用面向服務的體系架構（SOA）。

面向服務的體系架構，由服務方、用戶方和服務註冊 中心三個角色和服務註冊（描述/發布）、服務查找（訪問/定位）、綁定服務和調用服務四個基本操作構成。要研究制定「三個角色」之間的協議（extensible markup language（XML）、simple object access protocol（SOAP））、網 絡/網格服務描述語言（network service description language（WSDL）、grid service description language（GSDL））、服 務 發 現 標 准（universal description，discovery and integration（UDDI）、web service inspection language（WSIL）、monitoring and discovery service（MDS））等。

2）必須構建一張天地一體的信息服務網（網 絡/網格）。

任務是為實現範圍更加廣泛的信息資源共享與多層次多節點的協同工作提供必要的新的運行環境，包括時空信息獲取處理和服務一體化的運行環境、多源異構時空大數據集成融合的環境、信息資源共享（SaaS（software as a service）、KaaS（knowledge as a service）、PaaS（platform as a service）、DaaS（data as a service）、IaaS（infrastructure as a service）等）環境、協同工作（協同解決問題）的環境、已建分布異構地理信息系統（數據庫）集成應用環境等。

3）必須突破服務組件化、服務封裝和基於工作流/服務鏈的服務發現和服務聚合等關鍵技術。

目標是實現網絡/網格環境下各類信息資源的高效調度並支撐服務的智能化。其核心技術是工作流/服務鏈的構建及其自適應和智能化，基於工作流/服務鏈的服務發現（識別和自動匹配）和服務聚合，即按需組合服務以形成面向應用的服務能力。

4）必須研建一個與社會組織結構相適應能實現「五跨」的平台運行管理體系。

目標是實現「跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務」的多節點的協調聯動，為平台安全可靠高效運行提供支撐。採用虛擬化技術，按社會組織結構體系建立相應的虛擬組織（virtual organization，VO）；各層次的各 VO 內部都設有管理節點、門戶節點、服務節點、用戶節點、服務註冊中心；VO 可根據其任務彈性伸縮。按 VO 的功能分為靜態 VO 和動態 VO，前者以資源為中心，固定存在，執行信息資源發布功能；後者以任務為中心，隨建隨銷，執行信息資源共享和服務。兩者配合，構成信息資源共享生命周期管理的主體。

5）必須研究一套科學實用的時空大數據可視化及可視化設計的理論與方法。

目標是尋求一種相對最好的時空大數據可視化效果。所謂「最好的時空大數據可視化設計」，必須滿足 4 個條件：（1）總體上必須是形、數、理相統一的可視化。形，指圖形、圖象；數，指數據；理，指規律。形表達數據，形數蘊含規律，這就是形數理相統一的原則。（2）必須知道數據表達（蘊含）了什麼，數據與它所表達的事物（現象）之間的關聯是什麼。這是最好的時空大數據可視化的關鍵，全面分析數據的關鍵，深層次理解數據的關鍵。（3）必須遵循空間認知科學和視覺規律。人們通過時空大數據可視化來認知現實地理世界，人們對「可視化」（現實地理世界的替代物）的感知、表象（映象的再現）、記憶（存儲）、思維（從現象到本質的轉化）是一個完整的空間認知過程；視覺可以洞察統計分析很難甚至無法發現的新模式、新知識和新規律，知識水平較低的用戶也易於對可視化結果進行解讀。（4）應該是針對不同用戶或讀者的。用戶或讀者不同，可視化方式也應不同。不過，目前最好的可視化方式還是各種多樣化、個性化的地圖，因為地圖本質上是通過反映事物（現象）的空間結構和空間關係及其隨時間變化來揭示其規律的。

6）必須建立一套標準體系。

目的是保證時空大數據平台規範、有序、健康、安全、可持續運行。目前，國際標準化組織19119 和開放地理空間信息聯盟的地理信息標準和網絡/網格服務標準已基本形成體系，例如服務分類標準、服務描述標準、服務註冊標準、三個角色（服務方、用戶方、服務註冊中心）之間的通信標準等；我國的地理信息標準已基本成體系，但網絡/網格服務標準尚未形成自主統一的標準體系。

上述 6 個問題中，1）、3）、4）這 3 個問題是核心關鍵技術。

根據前述時空大數據的構成（基礎地理時空數據+專題數據）和信息化過程中時空大數據應用存在的問題，提出「共用時空大數據平台+」的應用模式。這裡，「共用時空大數據平台」指將具有統一時空基準的「基礎地理時空數據」聚合在一個自主可控的平台上，使之成為融合各部門行業的「專題數據」的時空框架。因此，「共用時空大數據平台」就是「基礎地理時空數據平台」。所 謂「共用時空大數據平台+」，「+」即跨界融合。「+」民用，指將各部門行業大數據融合在「共用時空大數據平台」上，構建民用的「時空大數據平台」，如新型智慧城市時空大數據平台，進一步生成政府綜合決策支持系統、各部門行業應用系統。可見，採用「共用時空大數據平台+」應用模式，可以從根本上解決長期存在的地方政府及其所屬各部門各行業所建地理信息系統的「基礎地理時空數據」不一致、不統一、不協調，以及不能用、不好用、不管用等老大難問題。

地理信息系統作為一種實用性很強的技術工程科學，從一開始就是從實踐中來的，而且隨着社會需求的不斷深化、新興信息技術的不斷進步，其應用領域、數據資源和功能不斷擴展，體系結構、開發模式和服務模式等都發生了深刻的變化，但是也仍然存在一些深層次的問題，利用現有商業化地理信息系統軟件建成的數字城市基礎地理空間數據平台、智慧城市時空信息雲平台甚至新型智慧城市的所謂「時空大數據平台」，還是主要局限於「展示」層面上，而遠不是政府及各部門的業務平台、服務平台和「跨層級、跨地域、跨系統、跨部門、跨業務」的多層次多節點的協同工作（解決問題）的平台。本文圍繞如何認識地理信息系統（GISystem）、如何認識地理信息系統的發展演進、如何認識和把握地理信息系統的未來發展等問題，進行了分析和探索，認為地理信息系統的未來發展不能「無邊無際」，應以服務國家和國防建設需求為宗旨，並提出了「網格集成」 與「彈性雲」的「混合式」GISystem 技術體制，以及實現這種技術體制必須解決的關鍵技術和時空大數據平台的應用模式，目的是期望引起學界和業界的討論，共同促進地理信息系統的未來發展，更好服務社會。

本文改編自學術論文《關於地理信息系統未來發展的思考》

已刊載於《武漢大學學報·信息科學版》2022年第10期

1. 河南省時空大數據產業技術研究院，河南，鄭州，450046