河北中核岩土工程有限责任公司 050021
摘要：互联网及通讯技术的飞速发展将人类带入到大数据时代，数据一时之间成为最宝贵的资源。随着技术的革新，以计算机技术为基础的GIS（Geographic Information Systems）也随之发展。GIS因为融合了地理学、计算机科学等技术而被广泛应用到各个领域。本文综述了大数据时代下GIS的应用及发展，主要从GIS云平台；智慧城市及城市规划；水文、地质及农业等领域；基础测绘等方面对GIS的应用进行了总结，并对其未来的应用前景进行了展望。
关键词：GIS；大数据；地理信息系统；应用
1引言
1963年，GIS（Geographic Information Systems）地理信息系统这个概念被首次提出。随着科技的发展，GIS已经开始与其他学科相互融合，成为了一门综合的学科。GIS因为融合了地图制图以及地理相关知识，并结合计算机与遥感技术而被广泛的应用于国土资源变更调查、环境承载力评估、城乡规划等几乎所有领域。随着计算机领域的迅猛发展，发现GIS所面临的数据量越来越大，从而导致数据的输入和存储以及分析都面临着巨大的挑战。
伴随着移动互联网、云计算等前沿科学技术的飞速发展将人类带入到了一个大数据的时代，数据已成为各个行业研究领域的新能源。手机等移动通讯设备的普及，也彻底改变了人类的生活方式，这种用户生成数据为研究人类活动提供了宝贵的资源。大数据时代的到来不仅改变了研究的方法，研究的思维也发生了彻底的改变，以前的研究通常都是采用样本数据，而大数据的思维就是要采用总体的数据，但在研究的过程中它忽略一些错误数据所带来的误差。
大数据时代的到来对于GIS的发展既是机遇也是挑战。海量的数据对于GIS来说是研究的宝贵资源，各类数据能够通过GIS的研究转换成为能够有所应用的研究成果，这势必会引起GIS领域的一次新的发展。但是，由于数据量的巨大，在对于数据的处理与分析过程中，会出现诸多状况，也是“大数据”时代给GIS出的难题。若能利用当今飞速发展的计算机行业的技术解决这个难题，地理信息行业势必会完成一次成功的转型升级。
2.大数据时代GIS的应用
大数据时代的到来也将极大地促进GIS的发展，通讯技术的飞速发展以及智能手机的普及为GIS提供了丰富的数据；云计算使存储及处理海量数据的成本大大降低；而大数据的理念以及计算机的相关技术也使GIS数据的处理与分析更快捷与高效，同时使GIS从业者可以从海量的GIS数据中分析出其中的规律及原因，并将这些规律与原因广泛应用于云计算以及GIS云平台、城市规划及智慧城市的建设、水文、地质、农业、基础测绘等相关领域。
2.1云计算以及GIS云平台
云计算的核心主要是靠分布式处理、并行计算和网格计算所实现，其主要步骤是通过网络将复杂的计算分析程序拆分成多个相对较小的子程序，再将这些子程序交由多个服务区同时进行分析计算，最后再通过网络将计算结果传输给用户[1]，其内部生态链如图1所示。因此云计算具有规模大、速度快、虚拟化、可靠性强、伸缩性高、价格低廉等特征[2]。
云GIS是以云计算为基石，结合其原理及方法，将GIS基本功能进行拓展，从而进一步改进传统GIS的架构系统，从而实现高效地对大批量的空间数据的存取与处理进行分析。涉及到云GIS的中外文献[3-8]层出不穷，但并没有公认的定义。Yang等认为GIS云平台是合理利用了计算机技术的优势，并以地理信息技术为核心所集成的云平台[3]。GIS云平台是将GIS领域所应用的相关基础软件通过网络服务集成，构成能够通过云服务操作GIS基础软件的综合服务平台[9]。GIS云平台由于吸收了云计算所具有的伸缩性高、价格低廉、同时可以灵活定制等优势，促使各大公司架设属于自己的GIS云平台[10]。
图1.云计算中心内部生态链
大数据时代改变了数据的产生方式，同时也改变了数据的存储方式与处理模式，这也是GIS云平台的基础，通过GIS云平台的构建，也使得GIS基础软件所能够处理的数据量产生了大大的提升，从而扩展了GIS的应用领域。
2.2大数据时代智慧城市及城市规划中GIS的应用
通讯技术的发展使信息的传递更加的便捷与高效，从而加快了人才、技术、资金等在时间以及空间上的流动与交换，使得城市的内部结构变得更为复杂，城市的空间格局也随之发生了变化[11]。随着国家战略对智慧城市建设的不断重视与引导，表1列出了智慧城市的发展历程，随着计算机技术的不断发展，利用大数据的分析结果辅助建设智慧城市以及城市规划已成为更加科学的办法。大数据时代GIS在智慧城市以及城市规划中主要涉及的领域包括空间利用战略的制定、空间质量的评价、空间规模的预测以及空间用地的合理布局。
图2.数字城市技术服务模式：数据-决策
空间质量的评价是对城市内部空间的现状以及潜力做评价分析，这种分析可以选择具有特定属性的网站数据作为研究数据，特定属性包括时间、位置、评价等。通过获取此类数据，以模拟居民对周围环境的感知，作为衡量空间质量评价的重要指标。同时引入定性GIS的相关方法，对数据中的文本以及相关属性进行定性的叠加分析，从而模拟居民在城市内部的流动与分布，进而找出城市空间结构中存在的问题，对空间优化方案提供有力的支撑[17-19]。
空间规模的预测主要包括人口数量与用地规模两个方面智能通信设备及各类交通卡被广泛使用后，通过对LBS（Location Based Service）数据的分析，可以实时模拟居民的行动轨迹以及在城市中的空间分布，同时对人口规模以及变化情况也能实时掌握[20]，或者结合城市的发展规划，利用相关的梳理统计的方法计算城市未来一段时间的用地趋势，从而确定城市的增长边界[21-22]。
空间用地的合理布局主要包括功能区划分、空间结构调整以及优化用地布局三个方面，主要以居民的日常行为活动作为城市功能区划分的主要依据，可通过收集社交网络、公交卡数据，利用数理统计、聚类分析、叠加分析等方法对居民活动的路径、类型以及强度等进行模拟，并结合城市土地利用的相关信息，从而确定城市中各个功能区的划分以及整体空间结构是否合理[23]。
2.3大数据时代水文、地质、农业等领域中GIS的应用
GIS不仅能应用于科研领域，在生活以及生产中也有很广泛的应用。大数据时代中GIS技术作为可以融合时间与空间数据的系统，能够实时监测及预报各个地区的水文信息，并对所收集的信息进行及时处理与应用，能够对水文预报的后期工作起到重要作用[24-25]，例如利用GIS技术可以实现准确预测水文模型的参数[26]，同时也可以实时监测地面的沉降信息，如图3、表2所示，能够及时了解无形中的隐患。
大数据时代的到来同时也将地质勘测调查工作带入到信息化时代，通过与物联网、云计算以及GIS云平台相结合，构建地质物联网、地质大数据信息系统、地质云平台[27]，同时结合北斗等技术平台，可实现基于云架构非结构化地质数据存储与管理[28]。
科技的发展将农业也带入到信息化时代，现代农业借助大数据思维，可以实现对农业数据的区域化管理，对资源的区域化整合，实现精准农业[29]，并且通过整合国土资源、生态环境、水文地质等基础数据，加之种植业、养殖业以及农副产品加工业等行业的数据，通过GIS平台整合与分析，再与云平台对接，建立完善的农业从生产到销售的农业云系统，让与农业相关的决策更加的科学合理[30]，或者结合遥感技术，对农作物的估产以及种植都可以起到指导作用，如图4所示。
图4.基于遥感大数据的农情数据挖掘
2.4大数据时代基础测绘中GIS的应用
虽然科技的进步已经将大部分的工作实现了自动化，但是对于基础测绘还是需要测绘人员到野外去实测，不过整个过程可以简化许多[31-32]。
在采集数据阶段，利用全球卫星定位系统（GPS）获取地面位置坐标，再将其输入到GIS软件中进行处理；或者也可以利用照相机、激光雷达、数字扫描仪等传感器与航空器、卫星、无人机、汽车等相结合，并通过网络平台实现数据传输，把航空照片、图片判读数字数据进行特征选择，再利用二维或三维的形式捕捉数据，把数据传输至云数据库。
在数据转换和处理阶段，GIS云平台可以实现对测绘数据的分布式处理，并且可以实现按照一定的属性选择空间数据的自动识别。近些年三维建模已是测绘领域的研究热点，大数据时代的GIS可以实现对影像数据以及点云数据的分类与建模，能够更加高效与精确的构建出三维模型。
大数据时代GIS的发展不仅大大减少了工程测量外业工作的工作量，而且对于内业的相关处理和分析工作的效率也有了很大的提升。大数据时代的冲击促进整个地理信息行业都发生着变革。
3.结论与展望
科技的进步改变了人类的生活中的方方面面，大数据时代的到来彻底改变了研究的思维与方法，因此这对于以计算机技术为基础所构建的GIS是一个巨大的机遇。在大数据时代，GIS的获取数据的途径及方法、数据的存取以及管理方式、数据的处理及分析的方式都发生了颠覆性的改变。本文对大数据时代背景下，GIS的应用做了总体的综述。
GIS作为一个以空间分析为核心的学科，数据永远是最重要的。大数据时代给GIS带来了海量的数据，能够充分发挥GIS的最大功效。GIS通过与云计算技术相结合，构建GIS云平台，实现对海量数据的分布式处理，使用更加高效合理的数据存取方式，GIS的分析处理过程变得更具有时效性。将GIS与大数据技术相结合，才能从根本上解决GIS庞大的数据量所面临的各种问题，才能将现在社会中海量数据发掘出其存在的真正价值，更好的支持决策。因此，大数据时代的GIS被应用到越来越多的领域，无论是生产还是生活的方方面面，都可以应用到GIS的空间分析所得到的结果，同时对于一些政府的相关决策和规划都能起到至关重要的作用。随着科技仍在不断发展，未来的GIS会有更加广阔的应用前景。
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论文作者:尹忠飞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/8
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