GIS應(yīng)用將由“靜”到“動(dòng)” 由“獨(dú)立”走向“聯(lián)合”
按主體劃分，GIS應(yīng)用可以分為政府應(yīng)用、企業(yè)應(yīng)用和公眾應(yīng)用三大類，這些應(yīng)用從本質(zhì)上是借助GIS這一工具理解我們的世界，調(diào)控人類自身的行為的過(guò)程，導(dǎo)航軟件和打車軟件就是典型的例子；按應(yīng)用的復(fù)雜度或?qū)I(yè)化程度劃分，GIS應(yīng)用可以分為專業(yè)應(yīng)用和大眾應(yīng)用，政府和企業(yè)應(yīng)用通常屬于專業(yè)應(yīng)用，而公眾應(yīng)用屬于非專業(yè)應(yīng)用（或大眾應(yīng)用），主要內(nèi)容和特點(diǎn)如圖4所示：
圖4 地理信息應(yīng)用分類
GIS應(yīng)用復(fù)雜度與用戶數(shù)及收費(fèi)模式的關(guān)系如圖5。
圖5 地理信息應(yīng)用復(fù)雜度與用戶數(shù)關(guān)系
大眾應(yīng)用的復(fù)雜度（專業(yè)化程度）相對(duì)較低、用戶量大，價(jià)格敏感，渠道門檻高，主要由互聯(lián)網(wǎng)巨頭主導(dǎo)，以互聯(lián)網(wǎng)地圖平臺(tái)為核心，逐步形成了互聯(lián)網(wǎng)地圖應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，帶動(dòng)第三方應(yīng)用（如APP）的發(fā)展，并滲透到企業(yè)和政府應(yīng)用，如微信和打車軟件的地圖應(yīng)用。隨著應(yīng)用的深入，應(yīng)用復(fù)雜度也在增加，但仍以公眾需求為核心。目前，互聯(lián)網(wǎng)巨頭主導(dǎo)的這種互聯(lián)網(wǎng)地圖發(fā)展和應(yīng)用模式已開始影響專業(yè)應(yīng)用。
專業(yè)應(yīng)用與行業(yè)相關(guān)，如水利、規(guī)劃、國(guó)土、物流等，應(yīng)用復(fù)雜度高，技術(shù)與業(yè)務(wù)門檻高，量小，并按市場(chǎng)定價(jià)，長(zhǎng)期以來(lái)形成了定制開發(fā)的商業(yè)模式。隨著云計(jì)算技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)及開發(fā)運(yùn)維模式(DevOps)的發(fā)展，以及用戶應(yīng)用模式的遷移，將面臨商業(yè)模式的變革，如PPP模式和云服務(wù)模式等。國(guó)內(nèi)的GIS專業(yè)應(yīng)用以政府為主，側(cè)重于行業(yè)應(yīng)用；企業(yè)應(yīng)用主要以基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)相關(guān)的行業(yè)為主，如電力、通信、給排水等，近年來(lái)物流和電子商務(wù)相關(guān)的GIS應(yīng)用也得到發(fā)展。
隨著政府GIS行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，地理空間框架或地理信息共享平臺(tái)從傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)架構(gòu)中獨(dú)立出來(lái)，為行業(yè)或區(qū)域提供地理信息共享服務(wù)，支撐多種應(yīng)用系統(tǒng)。在新常態(tài)下，特別是“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的提出以及經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會(huì)和生態(tài)文明建設(shè)“五位一體”的大格局下，政府科學(xué)決策與部門業(yè)務(wù)協(xié)同、流程再造和強(qiáng)化監(jiān)管的業(yè)務(wù)需求促進(jìn)了跨行業(yè)或跨部門的網(wǎng)格化GIS應(yīng)用發(fā)展，而GIS在信息整合、共享與業(yè)務(wù)協(xié)同的“一張圖”和網(wǎng)格化分區(qū)管理的作用使其能更好地在政務(wù)信息化中發(fā)揮基礎(chǔ)與核心的作用。在“一帶一路”、“走出去”、“美麗中國(guó)”和智慧城市建設(shè)的大背景下，GIS專業(yè)應(yīng)用將面臨變革和新的發(fā)展機(jī)遇。
在云計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的新環(huán)境下，GIS應(yīng)用逐步從靜態(tài)、相對(duì)獨(dú)立的信息服務(wù)與應(yīng)用向動(dòng)態(tài)、時(shí)空一體化、泛在和智能化的信息服務(wù)與應(yīng)用方向發(fā)展，GIS應(yīng)用或時(shí)空信息服務(wù)將基礎(chǔ)設(shè)施化，從而帶動(dòng)賽博—物理系統(tǒng)的發(fā)展，進(jìn)而帶動(dòng)大地理的發(fā)展。大地理情境的構(gòu)建可為經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會(huì)和生態(tài)文明建設(shè)“五位一體”大格局提供技術(shù)支撐。
為此，可以從地理信息系統(tǒng)的架構(gòu)、地理建模和地理監(jiān)測(cè)及地理設(shè)計(jì)與建模等層面分析GIS應(yīng)用的趨勢(shì)。
地理信息系統(tǒng)架構(gòu)從“蘋果模式”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;葡萄模式”
大地理的核心是構(gòu)建與地理系統(tǒng)耦合的地理信息系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以是面向?qū)ｎ}子系統(tǒng)的行業(yè)地理系統(tǒng)，如水利、環(huán)保、不動(dòng)產(chǎn)登記等，也可以是面向區(qū)域的整體的地理信息系統(tǒng)，如城市的地理信息系統(tǒng)平臺(tái)（數(shù)字城市空間框架、智慧城市云平臺(tái)）及省級(jí)的地理信息公共服務(wù)平臺(tái)。隨著云計(jì)算的逐步普及和政務(wù)信息基礎(chǔ)設(shè)施的云化，地理信息系統(tǒng)納入行業(yè)或區(qū)域的政務(wù)云將成為趨勢(shì)，同時(shí)也是解決地理系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)耦合所帶來(lái)的計(jì)算量與數(shù)據(jù)量暴漲問(wèn)題的關(guān)鍵措施。
地理信息系統(tǒng)將成為行業(yè)或區(qū)域政務(wù)云中的一個(gè)功能區(qū)，地理信息系統(tǒng)的架構(gòu)將從服務(wù)器垂直擴(kuò)展為核心的傳統(tǒng)企業(yè)計(jì)算模式（蘋果模式）轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M機(jī)（VM）水平擴(kuò)展為核心的云計(jì)算模式（葡萄模式），如圖6所示。
圖6 傳統(tǒng)企業(yè)計(jì)算與云計(jì)算的比較
在云環(huán)境下，GIS服務(wù)器將以虛擬機(jī)為核心，構(gòu)建類似于葡萄（虛擬機(jī)）的微服務(wù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)消息總線（或信息總線）將GIS虛擬機(jī)集群管理起來(lái)，滿足用戶的功能和性能需要。虛擬機(jī)成為功能組件，提供專業(yè)服務(wù)（VM as a Component），云環(huán)境下GIS虛擬機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合虛擬機(jī)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)化和功能專一化，通過(guò)集群來(lái)實(shí)現(xiàn)性能擴(kuò)展，通過(guò)功能分區(qū)管理虛擬機(jī)集群?；谔摂M機(jī)的地理信息系統(tǒng)的框架如圖7所示。
圖7 基于虛擬機(jī)的IaaS、PaaS和SaaS一體化云平臺(tái)
應(yīng)用平臺(tái)層（Paas）不是單純的基礎(chǔ)平臺(tái)（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS基礎(chǔ)軟件）構(gòu)成的平臺(tái)，而是面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的應(yīng)用平臺(tái)，即Application Platform as a Service。平臺(tái)以集成了應(yīng)用模型的GIS虛擬機(jī)或其它功能虛擬機(jī)為組件，通過(guò)Web API（或Rest API）調(diào)用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。這種API相對(duì)于基礎(chǔ)平臺(tái)提供抽象API（Abstract API），是一種面向領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)API（Reality API），包含了相關(guān)領(lǐng)域語(yǔ)義、業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)，如圖8所示：
圖8 現(xiàn)實(shí)API（Reality API）的組成
應(yīng)用平臺(tái)層（PaaS層）內(nèi)部可以通過(guò)Reality API擴(kuò)展，應(yīng)用軟件層（SaaS）調(diào)用PaaS層Reality API實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的功能，從而基于Reality API實(shí)現(xiàn)開放式基于行業(yè)業(yè)務(wù)模型的應(yīng)用的擴(kuò)展與集成，應(yīng)用軟件層的API也可以提煉和共享，成為應(yīng)用平臺(tái)層的API。
Reality API也可以看成是行業(yè)API，其實(shí)現(xiàn)如圖9所示。
采用Web API或者Reality API的模式構(gòu)建云環(huán)境的地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開發(fā)與集成的API，可以確保PaaS和SaaS的一體化以及云端一體化，云與端之間通過(guò)行業(yè)API（或Reality API）解耦，更有利于構(gòu)建面向行業(yè)或區(qū)域的可擴(kuò)展、可持續(xù)和可管理的GIS云平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)行業(yè)API的標(biāo)準(zhǔn)化，推動(dòng)基于行業(yè)API的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)的形成及跨行業(yè)的數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用集成，Reality API及其標(biāo)準(zhǔn)化是解決時(shí)空服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施化的關(guān)鍵。
圖9 云端一體化中的行業(yè)API
除了虛擬機(jī)作為組件和Reality API，構(gòu)建云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下與地理系統(tǒng)耦合的地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施還包括智能時(shí)空總線。智能時(shí)空總線是建立在傳統(tǒng)消息總線（Message Bus）以及企業(yè)服務(wù)總線（Enterprise Service Bus）之上，擴(kuò)展了消息的時(shí)空屬性以及服務(wù)的時(shí)空信息處理能力，滿足地理空間上分布式和多層級(jí)應(yīng)用需要的一種軟件產(chǎn)品或者技術(shù)體系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種尺度的地理系統(tǒng)的感知消息的動(dòng)態(tài)接入、智能路由以及控制消息的智能分發(fā)，是地理監(jiān)測(cè)和地理控制的基礎(chǔ)，也是大地理實(shí)現(xiàn)物化并構(gòu)建地理空間信息物理系統(tǒng)（Geospatial Cyber-Physical Systems, GCPS）的基礎(chǔ)。其核心是將各種消息（感知或控制信息）在正確的時(shí)間和地點(diǎn)分發(fā)給正確的人或物（things）。智能時(shí)空總線在地理信息系統(tǒng)中的作用相當(dāng)于人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)揮著傳遞與分發(fā)消息、數(shù)據(jù)和指令的作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和智能集成。
總之，虛擬機(jī)作為組件（VM as a Component）、基于Reality API的開發(fā)與集成及智能時(shí)空總線將是大地理情境下，地理信息系統(tǒng)架構(gòu)的核心要素。
地理建模與地理監(jiān)測(cè)
地理建模主要是基于地理信息或時(shí)空信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或模型（如點(diǎn)、線、面、柵格）建立地理系統(tǒng)（或現(xiàn)實(shí)世界）的數(shù)字模型，通過(guò)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化將地理系統(tǒng)影射到地理信息系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或數(shù)字建模，數(shù)字建模也可以包括可視化建模，即地理系統(tǒng)數(shù)字模型的可視化。除了數(shù)字建模，還可以基于數(shù)字模型中量化的屬性（變量）建立數(shù)學(xué)模型，分析、模擬、預(yù)測(cè)變量的相互關(guān)系和變化過(guò)程，探討其中隱含的規(guī)則和規(guī)律，用于地理系統(tǒng)或其中的組成部分分析、模擬、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。地理學(xué)科的知識(shí)最終將通過(guò)對(duì)地理系統(tǒng)的數(shù)字建模和數(shù)學(xué)建模在賽博空間中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，反過(guò)來(lái)促進(jìn)地理科學(xué)的統(tǒng)一。
大地理情境下的地理建模將從尺度和維度突破傳統(tǒng)GIS的建模技術(shù)。在尺度上，將集成宏觀和微觀的數(shù)據(jù)，特別是人工設(shè)施的微觀數(shù)據(jù)，如CAD和BIM的數(shù)據(jù)模型的集成，將IFC與現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)模型融合，可能是下一階段GIS數(shù)據(jù)模型需要突破的點(diǎn)。在維度上，需要更好地對(duì)時(shí)空四維數(shù)據(jù)建模（三維空間+一維時(shí)間），包括動(dòng)態(tài)的對(duì)象和場(chǎng)，或許量子計(jì)算將為時(shí)空四維數(shù)據(jù)建模提供解決方案。
地理監(jiān)測(cè)是確保地理信息系統(tǒng)中的數(shù)字模型準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)反映地理系統(tǒng)變化過(guò)程的技術(shù)手段，隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)（特別是對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)）的發(fā)展，如無(wú)人機(jī)的發(fā)展，高時(shí)間、高空間、高光譜分辨率的對(duì)地觀測(cè)和多主題、多要素的地理動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能，使地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化和實(shí)時(shí)化，其應(yīng)用模式也將發(fā)生變化。地理監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的變化也將影響地理建模技術(shù)的變化，如傾斜攝影技術(shù)和LIDAR的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)需要支持傾斜攝影數(shù)據(jù)模型和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，包括數(shù)據(jù)存貯、管理、分析計(jì)算和可視化，地理監(jiān)測(cè)和地理建模是相互作用和相互影響的過(guò)程。
優(yōu)化地理監(jiān)測(cè)到地理建模（包括數(shù)據(jù)建模、可視化建模和數(shù)學(xué)建模）的數(shù)據(jù)流程，也許是GIS價(jià)值鏈創(chuàng)新的富礦，如衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接進(jìn)入地理信息系統(tǒng)，在應(yīng)用過(guò)程實(shí)時(shí)處理。
在大地理情境下，隨著地理數(shù)據(jù)的多源化、多樣化及地理數(shù)據(jù)建模和數(shù)學(xué)建模的復(fù)雜化，DevOps（開發(fā)運(yùn)維）模式將不能解決用戶對(duì)智庫(kù)或者決策科學(xué)化的要求，需要構(gòu)建新的ReDevOps（研空開發(fā)運(yùn)維）模式，數(shù)學(xué)建模，需要更多的研究人員參與。ReDevOps將使研究人員依托地理信息系統(tǒng)更好更直接地發(fā)揮研究工作的價(jià)值，并有可能促進(jìn)集地理建模、地理監(jiān)測(cè)、地理設(shè)計(jì)和地理控制于一體的大地理研究新模式的發(fā)展。
大地理對(duì)地理監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)化和整體化要求，有可能會(huì)顛覆傳統(tǒng)的測(cè)繪、水文、氣象、環(huán)保、交通監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)等諸多數(shù)據(jù)采集、獲取行業(yè)，大數(shù)據(jù)局的建立初現(xiàn)端倪。
地理設(shè)計(jì)與地理控制
地理建模、地理監(jiān)測(cè)最終要為地理設(shè)計(jì)和地理控制服務(wù)，地理設(shè)計(jì)為地理控制設(shè)定控制的目標(biāo)，地理控制確保目標(biāo)的達(dá)成。大地理學(xué)基于地理信息系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)的地理系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制如下圖所示，形成一種賽博-物理系統(tǒng)構(gòu)成的閉環(huán)控制體系，這種體系可以是多層次分布體系，通過(guò)信息總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體和分布式調(diào)控。
圖10 大地理的調(diào)控機(jī)制
地理設(shè)計(jì)是改變地理系統(tǒng)整體或局部狀態(tài)或狀況的計(jì)劃，如基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、用地規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)方案，地理設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)需要從地理系統(tǒng)整體的角度評(píng)估這種改變的影響，如十八大提出的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè)“五位一體”，近年來(lái)提出的“三規(guī)合一”和“多規(guī)融合”。
地理設(shè)計(jì)需要地理建模的支持，以便地理設(shè)計(jì)產(chǎn)生的結(jié)果可操作、符合設(shè)計(jì)預(yù)期。這就要求GIS應(yīng)用能支持地理設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)BIM/CAD與GIS的一體化集成或融合，而且支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析算法（模型）的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和結(jié)果的可視化。面向交互式設(shè)計(jì)和分析模型動(dòng)態(tài)集成是GIS應(yīng)用發(fā)展的重要方向。
地理控制包括對(duì)人類個(gè)體、群體行為和地理環(huán)境要素進(jìn)行控制的過(guò)程，“APEC藍(lán)”就是地理控制經(jīng)典案例。地理控制是確保地理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的手段，也是確保地理系統(tǒng)運(yùn)行秩序的有效手段，政府監(jiān)管就是一種地理控制，而網(wǎng)格化城市管理更是一種地理監(jiān)測(cè)和控制一體化的過(guò)程。智能時(shí)空總線是實(shí)現(xiàn)地理控制的基礎(chǔ)，智能時(shí)空總線除了通過(guò)消息實(shí)現(xiàn)對(duì)人類行為的調(diào)控，還可以通過(guò)指令自動(dòng)調(diào)控環(huán)境要求，形成地理賽博-物理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地理控制涉及的軟硬結(jié)合以及“人類-計(jì)算機(jī)-現(xiàn)實(shí)相互作用”的（HCRI，Human-Computer-Reality Interaction） 【4】，也將是GIS應(yīng)用發(fā)展的重要方向。
