近些年地理信息系统的应用越来越广泛。以Google Maps为代表的地理信息系统在民用方面的发展取得了巨大的进步。以分布式存储、云计算和大数据技术的海量数据使新架构上的地理信息系统面临前所未有的挑战。本文以Google Maps为基础，讨论地理信息系统的数据结构、技术架构级应用，进行交互式GIS应用系统分析等问题。
随着现代信息技术的飞速发展，一场场信息革命正风起云涌，我们正处于下一次信息革命的风口浪尖，而GIS在这场巨浪中无处不在。当下，随处可见的智能手机已经将GPS或其他形式基于地址的服务内置为其标准配件。另外，几乎每一种主要的数据库产品现在都包含了原生的地理数据类型。这些都使得GIS应用得以飞速发展。在我们的日常生活中，常常会遇到“我在什么地方？”或“我怎样才能到达某个 地方？”等等之类的问题。这使得我们将很大一部分时间都浪费在了思考诸如此类的 问题上。而GIS的出现使得这些问题都变得简单明了。
1.1 地理信息系统服务
近年来，由于 GIS 技术的飞速发展，国内外都诞生了许多优秀的 GIS 应用。其中 最为人所熟知应该算是 Google 地图和 Google 地球， 由于 Google 地图服务在互联网 上引起了巨大的轰动，使得各大互联网公司都争相模仿并相继推出自己的 GIS 服务 。 这其中国外比较知名的 GIS 服务有 Microsoft 的 Virtual Earth 服务，而国内的百度、搜狗等知名互联网公司也纷纷推出了自己的 GIS 服务。
1)、Google地图和 Google地球服务
2005 年，Google 地图和 Google 地球的发布，在互联网界引起了巨大反响。距离其最初的发布已然时隔多年，当下基于各种地图服务的应用已经逐步普及。出行旅游、 餐饮娱乐、房屋租凭等各个行业都出现了大量基于Google地图的应用。这一服务与我们的日常生活联系的越来越紧密。不同于以前仅应用于专有领路的GIS服务，GoogleMaps第一次将 GIS 应用引入 到了民用领域中，并获得了巨大的反响。
目前Google地图推出的服务类型多种多样，包括检索指定地名，检索指定地点（如餐厅、医院、公司、公交车站等）周边的一些具体信息，查询行驶线路，查看路况信息等许多有用的功能。将这些所有功能整合在一起，使用户可以更加随心所欲的进行选择。而且国内外基于Google地图服务的各种应用也层出不穷，不仅大大增强了Google地图的可使用性，也为其增添了相当强的趣味性。
Google针对不同国家和地区推出了本地化的Google地图服务，例如中国版的 Google地图使用全中文显示。此外还增添了许多与中国有关的信息服务，这样就使中国用户使用起来更加方便。另外，Google 地图服务还推出了手机版本，使用户可以很方便地随时随地获取所需信息。
2)、Microsoft Virtual Earth 服务
Virtual Earth虚拟地球服务是Microsoft公司推出的一款虚拟地图服务，它为用户 展现了一个数字化的虚拟地球场景。它的内部功能设计非常精密，并且支持直接在网 页上显示 3D 地图（需要另行安装 ActiveX 控件）。同样，Virtual Earth 虚拟地球服 务也提供了整合其相关功能的 API 供开发者使用。有微软强大的技术实力做保证，相 信 Virtual Earth 服务也将取得更大成功。Virtual Earth 虚拟地球服务也是互联网界最优 秀的地图服务提供商之一。
3)、国内的地图服务
当国际上的 GIS 应用风起云涌之时，国内的地图服务也不甘示弱，国内几大知名 互联网服务提供商都相继推出了自己的地图应用。其中搜狗公司反应最为迅速，率先 推出了自己的地图服务，之后各大互联网公司也相继推出了自己的地图应用。并且其 功能相比国外几大地图服务更适应中国市场，更加适合中国人使用。尽管与国外三大 地图服务提供商之间还存在很大差距，但不能否认国内的互联网公司在地图服务领域 已取得了长足进步。
1.2、分布式存储
在传统软件行业中，关系型数据库一直是存储数据的优选方案，企业级应用中尤其如此。但随着大数据时代的到来，关系型数据库在写入大量数据时、为表做索引或 变更表的结构时、或需要快速返回查询结果等方面均显得力不从心。因此，分布式存储方案不失为一个更好的选择。
分布式存储采用可扩展的存储结构，利用多台机器来分担服务器负载，不但解决 了传统集中式存储系统中存在的单存储服务器的瓶颈问题，还提高了系统的可用性、 可扩展性等性能。
由于地图数据具有数据量大、并发性高、实时性要求高等特点，这就对数据库的 高效率存储和访问、高可扩展性等都提出了很高的要求[2]。若使用传统关系型数据库 来存储，不仅价格昂贵而且维护困难。随着近年来云计算技术的飞速发展，使得采用 分布式的存储方式作为系统的后台数据存储系统变得更加可行，由于分布式技术可以 将海量的地图数据存储在廉价的服务器集群上，因此使得系统的价格更加低廉的同时 维护也更加容易。
分布式存储的 GIS 可应用于需要处理大范围且高精度的地图或查询海量地图数据的场景，如全球范围的或需要很高分辨率级别的水利环境等。
2、 GIS 的组成部分
一般认为 GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是在计算机软硬 件及其他各种方法支持下，对地理空间数据进行收集、存储、管理、处理、分析、显 示的技术系统。
GIS 主要有以下几部分组成：
（1）用户：GIS 服务的对象，分为一般用户和高级用户，其中高级用户拥有建立、 维护、管理和更新的权限。
（2）软件：支持数据的采集、存储、加工、对用户操作进行响应的计算机程序系 统。
（3）硬件：各种设备等的物质基础。
（4）数据：系统分析和处理的对象、是整个系统的基础。 各部分之间的关系如图 2.1 所示：
图 1 地理信息系统的组成
3 GIS 的数据类型
GIS 的数据存储类型主要两种：栅格数据和矢量数据。 栅格数据结构：用密集正方形（或三角形，多边形等）将特定地理区域划分成一个网格阵列，位置由行，列号定义。其中点由单个栅格表示；线由一组栅格单元表示， 这组栅格必须是在此线的走向上具有相同属性取值；面由一片栅格单元表示。如图 2 所示：
图 2 栅格数据
矢量数据结构：通过坐标值对点、线、面等地理实体进行准确描述。点：由一对 X、Y 坐标表示；线：由一串有序的 X、Y 坐标表示；面：由一串有序的，且首尾坐 标相同的 X、Y 坐标序列表示。如图 3 所示：
图3 矢量数据
常用用栅格数据来描述影像数据，矢量数据来描述图形数据，用数据库来描述属 性数据。其各自优缺点如表 2.1 所示：
表1 矢量和栅格数据优缺点对比
4 GIS 的应用领域
图 4 GIS 应用领域
GIS 在很多领域都有广泛应用，例如：作战指挥，灾害监测，交通运输，资源管 理，环境评估，宏观决策，区域和城乡规划，商业金融等等生活各领域中都能看到 GIS 应用的存在。如图 4 所示。
5 GIS 涉及角色
GIS 中涉及的角色大致有以下几类：
（1）地图使用者：他们需要的是从地图上获取感兴趣的东西。
（2）地图生产者：编辑各种专题，或综合信息的地图。
（3）地图出版者：需要高质量的地图输出产品。
（4）地图分析员：他们的任务是对位置和空间关系进行分析。
（5）地图录入人员：完成数据编辑。
（6）数据库设计者：需要实现数据的存储和管理。
（7）地图开发人员：需要实现 GIS 的软件功能。
6 GIS 的分类
GIS 按存储范围大小，可划分为局部的、区域的和全球的三种。按表达空间维 数，分为二维和三维。按是否直接存储时间尺度，分为静态和动态。按事件处理方式 和内容，分为事务处理 GIS 和决策支持 GIS。
一般情况下，根据 GIS 的应用特点，可将其分为以下三类：
（1）区域应用型地理信息系统（Region GIS）
（2）专题应用型地理信息系统（Thematic GIS）
（3）工具型地理信息系统（Tools GIS）
7 GIS 的特点
GIS 本质上是由计算机的技术系统提供支持的，而该系统又是由互相关联的多个子系统所组成。GIS 以地理实体和空间数据作为其基本操作对象。地理实体是指： 地球表面的地理图层，包括大气图、水图、岩石图、生物图中可互相区分的现象或事 物，即地理空间中的现象或事物。在地理信息系统中，操作的对象只能是实体数据， 它们都有描述其数量、质量、时间等特性的属性数据，也有其非属性的数据：空间数 据，即以点、线、面方式进行编码且以（X、Y）坐标进行存储管理的离散型空间数 据，或者以一系列连续的栅格单元来进行表示的空间数据。地理实体数据的最根本特 点是同一系统中的每个数据都必须严格按照统一的地理坐标对其进行编码，只有这样 才能实现对其定位、定性、定量和拓扑关系的准确描述。
8. 结论
GIS 可以通过数据综合、模拟和分析评价，得到经常规方法难以获取的重要信息。 GIS 具有快速的空间搜索能力，强大的空间分析能力，强大的图形构造功能和复杂的 查询功能，并可进行有效的可视化表达。通过对地理空间数据进行分析从而实现对 地理过程的模拟和决策支持，是 GIS 的一大重要贡献。
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作者：荆芳 姜成桢（黄河勘测规划设计有限公司 河南 郑州 450008）
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