摘要：

在 geographic information system（GIS）近 60 年的發(fā)展演進中，理論和技術都取得了長足的進步；應用領域擴大到社會的方方面面，社會影響力越來越大；體系結構、開發(fā)模式和服務模式等，都發(fā)生了深刻的變化。為了推動 GISystem 進一步向前發(fā)展，在綜述 GIS 中之“S”的三種含義即 System（系統(tǒng)）、Science（科學）和 Service（服務）以及 GIS 近 60 年來取得的豐碩成果的基礎上，重點就以下三個問題進行了討論：

（1）如何認識地理信息系統(tǒng)（GISystem）。首先解析地理信息系統(tǒng)的三個關鍵詞（系統(tǒng)、信息、地理信息），據(jù)此論述了地理信息系統(tǒng)的內(nèi)涵，分析了地理信息系統(tǒng)同地圖、計算機地圖制圖、地圖數(shù)據(jù)庫的關系，認為地理信息系統(tǒng)源于又超越了地圖、計算機地圖制圖和地圖數(shù)據(jù)庫，并認為地理信息系統(tǒng)具有裝備的特性。

（2）地理信息系統(tǒng)是怎樣發(fā)展演進的。重點分析了由“地理信息系統(tǒng)”到“地理信息服務”的發(fā)展演進的社會需求背景、技術背景、學科背景，從應用領域、數(shù)據(jù)資源和功能的擴展及體系結構、開發(fā)模式和服務模式等方面，分析了地理信息系統(tǒng)發(fā)展演進的主要表現(xiàn)。

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（3）地理信息系統(tǒng)的未來發(fā)展將走向何方。首先，討論了正確理解地理信息系統(tǒng)應用領域擴展的問題，認為應用領域的擴展不可能是“無邊無際”的；地理信息系統(tǒng)的未來發(fā)展必須面向國家經(jīng)濟建設和國防建設急需；在分析比較現(xiàn)有三種 GISystem 服務模式的基礎上，認為采用“網(wǎng)格集成”與“彈性云”的“混合式”技術體制是 GISystem 服務模式的更佳選擇；提出了基于“網(wǎng)格集成”與“彈性云”的“混合式”的時空大數(shù)據(jù)平臺技術實現(xiàn)必須解決的 6 個關鍵技術問題和“時空大數(shù)據(jù)平臺”的應用模式。

1963 年，加拿大的 Roger Tomlison 首次提出“Geographic Information on System（GIS）”這一術語，1965 年加拿大建成世界上之一個 GIS（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 之一次在 Internet上基于擴展的 HTTP 服務器發(fā)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 3 種稱呼：一是 System（系統(tǒng)），即 Geographic Information System（GISystem），稱之謂“地理信息系統(tǒng)”，強調“GIS”工程技術的一面，被定義為“信息系統(tǒng)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(tǒng)；二是 Science（科學），即 Geographic Information Science（GIScience），稱之謂“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”，即關于自然、人文現(xiàn)象的空間分布與組合的信息，是表征地理環(huán)境的數(shù)量、質量、分布特征、內(nèi)在聯(lián)系和運動規(guī)律的科學；三是 Service（服務），即Geographic Information Service（GIService），稱之謂“地理信息服務”，強調“GIS”的應用服務即產(chǎn)業(yè)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于統(tǒng)一時空基準的與位置直接或間接相關聯(lián)的地理要素（現(xiàn)象）的智能化信息服務”。

經(jīng)過近 60 年的發(fā)展，如今“GIS”無論是“地理信息系統(tǒng)”“地理信息科學”還是“地理信息服務”都已經(jīng)是“今非昔比”了。就地理信息系統(tǒng)而言，有代表性的商品化軟件如美國的Arc GIS 等，國內(nèi)的如 Super Map、Map GIS 和 Geo Star 等，其功能都很強大，得到了普遍應用，還出版了一系列的著作（或教材）；就“地理信息服務”而言，由于它是由“GISystem”發(fā)展演變而來，有些書名雖為《 *** 地理信息系統(tǒng)》或為《Web GIS 原理與技術（Web GIS Principles and Technologies）》，但基本內(nèi)容是 *** 地理信息服務技術和 *** ，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（教材，而且成為地理學下設的分支學科，對“地理信息系統(tǒng)”和“地理信息服務”的發(fā)展起到了一定的指導作用。

站在新的起點上，對近 60 年“GIS”發(fā)展態(tài)勢究竟應該怎么看？“GIS”今后到底應該向何處去？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(tǒng)要注意三個關鍵詞：信息，地理信息，系統(tǒng)。信息，是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，指音訊、消息、通訊系統(tǒng)傳輸和處理的對象，泛指人類社會傳播的一切內(nèi)容。人們通過獲取、識別自然界和社會的不同信息來區(qū)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(huán)境的感知。其主要內(nèi)容包括地理系統(tǒng)諸要素（現(xiàn)象）的數(shù)量、質量、分布特征、相互聯(lián)系和變化規(guī)律等，分為空間位置信息和屬性特征信息兩大類，在計算機中以數(shù)據(jù)形式存儲和處理。系統(tǒng)，是由許多部分所組成的整體，系統(tǒng)的概念就是要強調整體，強調整體是由相互關聯(lián)、相互制約的各個部分所組成的。系統(tǒng)工程就是從系統(tǒng)的認識出發(fā)，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(shù)相互聯(lián)系、相互依賴、相互制約、相互作用的事物和過程所形成的統(tǒng)一整體。辯證唯物主義體現(xiàn)的物質世界普遍聯(lián)系及其整體性的思想，也就是系統(tǒng)思想。

理解了地理信息系統(tǒng)的這三個關鍵詞，對于深刻認識“地理信息系統(tǒng)”的本質具有十分重要的指導意義，也是我們今天識別當前關于地理信息系統(tǒng)的一些所謂“新觀點”的科學依具。

關于“地理信息系統(tǒng)”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(tǒng)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、制圖、綜合分析和應用的技術系統(tǒng)。《辭海》（第六版）認為，地理信息系統(tǒng)亦稱“地學信息系統(tǒng)”，指“用于地理空間數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、查詢、分析、利用和可視化的電子計算機信息系統(tǒng)” 。

應該說，這兩種“地理信息系統(tǒng)”的定義，顯然個別提法不同，但都符合前述系統(tǒng)、信息、地理信息三個關鍵詞的要求。地理信息系統(tǒng)，就是基于計算機硬軟件的由相互關聯(lián)、相互制約的地理信息（空間位置和屬性特征）輸入（采集）、存儲（管理）、檢索（查詢）、分析（綜合分析）、更新（數(shù)據(jù)）、地圖制圖、可視化（顯示）和應用（利用）等部分（子系統(tǒng)）組成的整體信息系統(tǒng)。

這里，主要論述地理信息系統(tǒng)與地圖（集）、計算機地圖制圖、地圖數(shù)據(jù)庫的關系。

1）“地理信息系統(tǒng)”源于“地圖”又超越了“地圖”

此處，“地圖”指經(jīng)典（紙介質）的模擬地圖（系列地圖、地圖集）。經(jīng)典的地圖是一種模擬的非計算機化的地理信息系統(tǒng)，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[6]。實際上，地理信息系統(tǒng)中的許多量算分析功能都是經(jīng)典（傳統(tǒng)）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(jīng)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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)。所以，說“地理信息系統(tǒng)”源于“地圖”又超越了“地圖”是有道理的。

2）“地理信息系統(tǒng)”源于“機助地圖制圖”又超越了“機助地圖制圖”

計算機地圖制圖取代手工地圖制圖，在地圖制圖技術上是一個里程碑式的事件。計算機地圖制圖，又稱“機助地圖制圖”（Computer-aidid Cartography，Computer-assisecd Cartograhy，CAC），指用計算機及外圍設備和相應軟件進行地圖信息的采集、存儲、處理、管理、顯示、繪圖和制版的技術與 *** 。“機助地圖制圖”，也稱“自動化地圖制圖（Automatic Cartography）”，指“利用計算機和輸入、輸出設備及自動制圖軟件，對地圖信息進行數(shù)字化、數(shù)據(jù)處理、圖形輸出而獲得地圖產(chǎn)品的技術”。“計算機地圖制圖”或“機助地圖制圖”，獲得的直接產(chǎn)品是“數(shù)字地圖”，而“數(shù)字地圖”符號化又可通過制版印刷獲得經(jīng)典（傳統(tǒng)）的紙介質地圖。顯然，數(shù)字地圖成為了“地理信息系統(tǒng)”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(tǒng)”。所以，“地理信息系統(tǒng)”源于“計算機地圖制圖”又超越了“計算機地圖制圖”是合乎邏輯的。

3）“地理信息系統(tǒng)”源于“地圖數(shù)據(jù)庫”又超越了“地圖數(shù)據(jù)庫”

“地圖數(shù)據(jù)庫”比起“數(shù)字地圖”又前進了一步。地圖數(shù)據(jù)庫（Cartographic Database），指“計算機存儲的各種數(shù)字地圖（矢量或柵格）數(shù)據(jù)及其管理軟件的 *** 。地圖信息系統(tǒng)的核心支撐”。地圖信息系統(tǒng)（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(tǒng)”。作為地理信息系統(tǒng)核心支撐的地理信息數(shù)據(jù)庫（Geographic Information Database），指計算機存儲的地理系統(tǒng)諸要素（現(xiàn)象）的數(shù)量、質量、分布特征、相互聯(lián)系和變化規(guī)律的數(shù)據(jù)及其管理軟件的 *** ；大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能時代，支撐地理信息系統(tǒng)高效運行的是基于分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)中心和空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)。顯然，“地理信息數(shù)據(jù)庫”的內(nèi)容要比“地圖數(shù)據(jù)庫”的豐富的多，更接近反映地理系統(tǒng)，更便于分析地理系統(tǒng)的規(guī)律；分布式數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)，無論其數(shù)據(jù)規(guī)模、多樣性和易于數(shù)據(jù)分析、挖掘和知識發(fā)現(xiàn)都超出了一般地理信息數(shù)據(jù)庫。所以說，“地理信息系統(tǒng)”源于“地圖數(shù)據(jù)庫”又超越了“地圖數(shù)據(jù)庫”是符合發(fā)展規(guī)律的。

地理信息系統(tǒng)（GISystem）從概念的提出到加拿大之一個地理信息系統(tǒng)（CGIS）的建成，直到以后近 60 年的發(fā)展演進，都是人類社會實踐（科學實踐、生產(chǎn)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(tǒng)學界和業(yè)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(yè)用）、應用系統(tǒng)（面向具體用戶）。就集成應用而言，GNSS、RS、GISystem 的集成應用是主流，裝備發(fā)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，然后作為裝備應用。

基于上述地理信息系統(tǒng)的裝備特性，GISystem 的研發(fā)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(fā)和服務模式都已發(fā)生深刻變化，已實現(xiàn)了由“地理信息系統(tǒng)”到“地理信息服務”的轉變，但仍然未從根本上解決基于面向服務體系架構（SOA）的跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門、跨業(yè)務的多節(jié)點信息資源共享和協(xié)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(tǒng)經(jīng)過近 60 年的發(fā)展，已經(jīng)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(tǒng)之間不能互聯(lián)互通互操作，系統(tǒng)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。從人類面臨的解決日益突出的全球性問題看，特別需要共享信息資源，實現(xiàn) *** 環(huán)境下多節(jié)點協(xié)同工作，提供低成本的實時/準實時、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(tǒng)的進一步發(fā)展發(fā)揮著重要引領作用。

2）技術背景

主要涉及計算機技術、通信 *** 技術、對地觀測技術和（時空）大數(shù)據(jù)平臺技術等。

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，計算速度已超百萬億次/s。計算機的存儲容量和計算能力對推動從“地理信息系統(tǒng)”到“地理信息服務”發(fā)展演進至關重要。通信 *** 技術推動地理信息系統(tǒng)體系結構的發(fā)展演進。由“地理信息系統(tǒng)”到“地理信息服務”的發(fā)展，經(jīng)歷了“單機→主機→桌面→ *** →網(wǎng)格→云”GISystem 的演進，通信 *** 技術的發(fā)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(tǒng)發(fā)展演進提供強大的信息源支撐。全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（GNSS）提供高精度定位數(shù)據(jù)和遙感（RS）獲取的覆蓋全球的影像數(shù)據(jù)，為地理信息系統(tǒng)發(fā)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(shù)據(jù)平臺技術為“地理信息系統(tǒng)”到“地理信息服務”發(fā)展演進提供先進而實用的技術體制和工程技術實現(xiàn)支撐。時空大數(shù)據(jù)平臺，是構建在基于 *** /網(wǎng)格服務的面向服務體系架構（SOA）上，采用與社會組織結構相應的虛擬化組織技術、技術融合、數(shù)據(jù)融合和業(yè)務融合，實現(xiàn)跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門和跨業(yè)務的多節(jié)點協(xié)同管理和運行，真正成為協(xié)同工作平臺、高效服務平臺、智能決策支持平臺，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(tǒng)發(fā)展演進影響最深遠的是地理學、地圖學、系統(tǒng)工程、計算機科學技術、數(shù)據(jù)科學和人工智能技術等。對于地理信息系統(tǒng)而言，地理學是科學認識論基礎；地圖學是科學 *** 論基礎；系統(tǒng)工程提供構建地理信息系統(tǒng)的系統(tǒng)論思想和 *** ；計算機科學技術為大規(guī)模海量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)及位置服務、實時/準實時高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)科學提供數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)的理論和 *** 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(tǒng)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(tǒng)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范圍；拓展了數(shù)據(jù)科學的應用和豐富了數(shù)據(jù)科學的內(nèi)容；開拓了人工智能技術的應用領域并有利于人工智能技術的發(fā)展。實際上，“地理信息系統(tǒng)”到“地理信息服務”的發(fā)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 年建成的世界上之一個地理信息系統(tǒng)即加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS），只是一個基于矢量數(shù)字地圖的土地管理信息系統(tǒng)。50 多年過去了，如今地理信息系統(tǒng)已在地球科學各分支學科、社會科學、管理科學、醫(yī)學與衛(wèi)健等許多領域得到了廣泛應用，大氣地理信息系統(tǒng)、海洋地理信息系統(tǒng)、環(huán)境地理信息系統(tǒng)、資源地理信息系統(tǒng)、文旅地理信息系統(tǒng)、水利地理信息系統(tǒng)、交通地理信息系統(tǒng)、公安地理信息系統(tǒng)、消防地理信息系統(tǒng)、警務地理信息系統(tǒng)、政務地理信息系統(tǒng)、商業(yè)地理信息系統(tǒng)、國土空間規(guī)劃地理信息系統(tǒng)、礦山地理信息系統(tǒng)、城市地理信息系統(tǒng)、社區(qū)地理信息系統(tǒng)、校園地理信息系統(tǒng)，等等。可以說，過去需要利用地圖的領域現(xiàn)在都需要利用地理信息系統(tǒng)。不僅如此，還出現(xiàn)了某些室內(nèi)和地下（水下）空間地理信息系統(tǒng)的需求，前者如涉及公共安全的醫(yī)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；后者如地下商場、地下鐵道、海（江河）底隧道、地下礦區(qū)等。

這些都可以采用建筑信息模型（BIM）與地理信息系統(tǒng)（GISystem）集成的 *** 實現(xiàn)。隨著空間科學技術的快速發(fā)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(shù)據(jù)，生產(chǎn)了月球表面數(shù)字地形圖和數(shù)字高程模型，采集土壤樣本，為人類進一步科學管理月球土壤、巖石及其他要素數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析月坑、月海等的空間分布特征，探索月球演化機理，模擬月球演化過程，提供月球科學數(shù)據(jù)服務。

可見，應用領域的擴展，既是地理信息系統(tǒng)發(fā)展演進的主要表現(xiàn)之一，又是不斷增長的應用需求推動了地理信息系統(tǒng)的發(fā)展演進。

2）數(shù)據(jù)資源的擴展

數(shù)據(jù)資源是地理信息系統(tǒng)發(fā)展演進的重要驅動力。20 世紀 90 年代以前，主要源于地圖數(shù)字化，地理信息系統(tǒng)表現(xiàn)出靜態(tài)滯后的特點；20 世紀 90 年代， 衛(wèi)星導航定位數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)豐富了地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，同時融入了社會經(jīng)濟人文信息，具有實時/準實時的多維動態(tài)信息特征；進入 21 世紀，基于現(xiàn)代化時空基準采用天空地海一體化全球化衛(wèi)星組網(wǎng)技術（傳感器 *** ），出現(xiàn)“三多”（多平臺、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(fā)展趨勢，以及伴隨而來的大數(shù)據(jù)時代，基礎地理時空數(shù)據(jù)與各部門行業(yè)專題數(shù)據(jù)的融合，形成了時空大數(shù)據(jù)，極大地推動了地理信息系統(tǒng)到以時空大數(shù)據(jù)平臺為代表的地理信息服務新技術體制和新模式。數(shù)據(jù)對地理信息系統(tǒng)的發(fā)展演進至關重要，沒有數(shù)據(jù)，地理信息系統(tǒng)就成了“無源之水”“無本之木”。

3）功能的擴展

地理信息系統(tǒng)的功能是社會廣大用戶最為關注的。按其發(fā)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(tǒng)基本上是一種“管理型”的，只具有空間數(shù)據(jù)存儲與管理、查詢與檢索功能；后來的“分析型”，在存儲管理和查詢檢索基礎上，發(fā)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、空間關系分析（拓撲關系、方向關系、距離關系等）、緩沖區(qū)分析（點、線、面及靜態(tài)、動態(tài)等）、更優(yōu)路徑分析（距離最短、流量更大、費用更低、最安全等條件）、更優(yōu)造址分析和疊置分析等；當前的地理信息系統(tǒng)正處于各種分析功能、空間數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)和人工智能技術的“決策支持型”時期，包括數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fā)展的關系。

4）體系結構、開發(fā)和服務模式的發(fā)展演進

在計算機 *** 通信技術、計算機軟件技術和 *** 服務技術快速發(fā)展的推動下，地理信息系統(tǒng)的體系結構、開發(fā)模式和服務模式都發(fā)生了深刻變化。地理信息系統(tǒng)的體系結構經(jīng)歷了“單機 GISystem→主機 GISystem→桌面 GISystem→ *** GISystem→基于 *** 服務的GIService→基于網(wǎng)格服務的 GIService→基于云服務的 GIService”；地理信息系統(tǒng)的開發(fā)模式經(jīng)歷了“功能包→集成式→模塊式→組件式”發(fā)展演進過程；地理信息系統(tǒng)的服務模式經(jīng)歷了“基于 *** 服務（Web Service）的空間信息共享與空間數(shù)據(jù)互操作模式→基于網(wǎng)格服務（Grid Service）的信息資源共享與協(xié)同工作（解決問題）模式→基于云計算（Cloud Computing）的時空信息服務模式”。

上述地理信息系統(tǒng)體系結構、開發(fā)模式和服務模式的發(fā)展演進，說明共享、開放和服務是地理信息系統(tǒng)技術發(fā)展的必然趨勢。其中，基于網(wǎng)格服務的信息資源共享與協(xié)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；基于云計算的時空信息服務模式也只是用現(xiàn)有的商業(yè)化 GISystem 軟件構建在云架構上，即時空信息云平臺。

已于前述（§2.2），地理信息系統(tǒng)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(tǒng)”。這種愿望是好的，但不符合實際，也實現(xiàn)不了，因為地理信息系統(tǒng)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(tǒng)一論》的書[32]。當時，錢學森先生就指出過，有的人“空談系統(tǒng)是由子系統(tǒng)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(tǒng)一論’。他們沒有看到人對子系統(tǒng)也不能認為完全認識了。子系統(tǒng)內(nèi)部還有更深更細的子系統(tǒng)，以不全知去認不知，于事何補？甚至錯誤地提出部分包含著整體的全部信息，部分即整體、整體即部分，二者絕對統(tǒng)一，這完全是違反客觀事實的，也違反了馬克思主義哲學”[33]。

空間與時間一起構成運動著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(xù)性和順序性，是“無始無終”的。空間和時間具有客觀性，同運動著的物質不可分割。空間和時間也是相互聯(lián)系的。

“GIS”，無論是“GISystem”“GIService”，還是“GIScience”，都必須服務國家和國防戰(zhàn)略。

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

從服務國防建設而言，軍事測繪源于作戰(zhàn)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(xiàn)代更是如此。國防建設部署和規(guī)劃離不開地圖，戰(zhàn)略謀劃和計劃需要利用地圖，作戰(zhàn)指揮特別是一體化聯(lián)合作戰(zhàn)需要反映戰(zhàn)場地理環(huán)境的全球地理信息系統(tǒng)支撐，作戰(zhàn)行動要有地圖來引導，武器平臺乃至遠程武器精確打擊需要精確數(shù)字地圖。這就是作戰(zhàn)指揮的時空觀。

進入 21 世紀，伴隨著航天技術“井噴”式發(fā)展，太空成為繼核武器之后的新型戰(zhàn)略威懾力量，與核威懾、 *** 威懾交織融合，共同構成新的戰(zhàn)略穩(wěn)定架構；太空實現(xiàn)全球作戰(zhàn)力量一體化，不受傳統(tǒng)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(zhàn)力量和手段都能通過“天地一體網(wǎng)”連接起來，形成一體化作戰(zhàn)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(tǒng)作保障。

伴隨著無人機、人工智能、自主系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術的快速發(fā)展，無人機不僅可以在空中還可以在水中完成作戰(zhàn)任務，不僅可完成作戰(zhàn)任務還可遙控指揮（奪島）作戰(zhàn)，不僅可以單機作戰(zhàn)還可組成無人機“蜂群”作戰(zhàn)，而且無人機“蜂群”作戰(zhàn)是通過模擬群聚生物的協(xié)作行為與信息交互方式，以自主和智能化的整體協(xié)同方式完成作戰(zhàn)任務的。特別是隨著智能、 *** 、協(xié)同與控制技術和無人平臺技術的發(fā)展，未來在陸、海（水面水下）、空、天各個領域都將出現(xiàn)類似于“蜂群”的“狼群”“魚群”“星群”等各類無人作戰(zhàn)平臺，實施全域無人作戰(zhàn)集群攻擊與防御。對于未來的非接觸、非線性作戰(zhàn)，需要一個天地一體的地理信息系統(tǒng)。

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(tǒng)，要認真思考和全面分析現(xiàn)有商業(yè)化 GISystem 軟件，同時對現(xiàn)有已用和未大范圍使用的基于 *** /網(wǎng)格/云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。這里所說的科學且符合社會需求和具有發(fā)展前景的 GISystem 技術體制，必須是以一體化國家（時空）大數(shù)據(jù)中心、模型庫、算法庫、知識庫、專家?guī)鞛橹危軐崿F(xiàn) *** 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(yè)務融合、數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門、跨業(yè)務的協(xié)同管理和服務”。

應該說，中國現(xiàn)有的商業(yè)化 GISystem 軟件本身技術水平都很高，但在數(shù)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云平臺，都很難成為前述“三融合”和“五跨”的信息資源共享和協(xié)同工作的平臺，而基本上只是一個“展示”平臺。根本原因是已建立的這種“平臺”，其組織結構體系與社會組織結構體系“兩張皮”。

至于基于 *** 服務（Web Service）的空間信息共享和空間數(shù)據(jù)互操作、基于網(wǎng)格服務（Grid Service）的信息資源共享與協(xié)同工作、基于云計算的時空信息服務等服務模式，相對于“三融合”和“五跨”目標和要求而言，都顯得不足，又各有優(yōu)勢。為此，對三種服務模式就其內(nèi)涵、功能、關鍵技術、標準、技術架構、發(fā)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：

表1 三種時空信息服務模式的綜合比較

時空大數(shù)據(jù)，指基于統(tǒng)一時空基準、產(chǎn)生和存在于時間和空間中，與位置直接（定位）或間接（空間分布）相關聯(lián)的大數(shù)據(jù)，由基礎地理時空數(shù)據(jù)與專題數(shù)據(jù)（部門行業(yè)）融合而成，具有位置、時間、屬性、尺度（比例尺）、分辯率（影像）、異構性、多樣性、多維、巨量性、價值隱含性和快速性（事前而非事后）等特性。時空大數(shù)據(jù)平臺，指把各種分散的和分割的大數(shù)據(jù)匯聚到一個特定的自主可控的平臺上，并使之發(fā)生持續(xù)的聚合效應，即通過多源異構數(shù)據(jù)融合、關聯(lián)分析與數(shù)據(jù)挖掘，揭示事物的本質規(guī)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(shù)據(jù)平臺是大數(shù)據(jù)的核心價值，是大數(shù)據(jù)發(fā)展的高級形態(tài)，是大數(shù)據(jù)時代的解決方案。

這樣的時空大數(shù)據(jù)平臺的技術實現(xiàn)，必須突破以下 6 個問題：

1）必須采用面向服務的體系架構（SOA）

面向服務的體系架構，由服務方、用戶方和服務注冊中心三個角色和服務注冊（描述/發(fā)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(xié)議（SOAP）、 *** /網(wǎng)格服務描述語言（WSDL/GSDL）、服務發(fā)現(xiàn)標準（UDDI/WSIL/MDS）等。

2）必須構建一張?zhí)斓匾惑w的信息服務網(wǎng)（ *** /網(wǎng)格）

任務是為實現(xiàn)范圍更加廣泛的信息資源共享與多層次多節(jié)點的協(xié)同工作提供必要的新的運行環(huán)境，包括時空信息獲取處理和服務一體化的運行環(huán)境、多源異構時空大數(shù)據(jù)集成融合的環(huán)境、信息資源共享（SaaS、KaaS、PaaS、DaaS、IaaS 等）環(huán)境、協(xié)同工作（協(xié)同解決問題）的環(huán)境、已建分布異構地理信息系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫）集成應用環(huán)境等。

3）必須突破服務組件化、服務封裝和基于工作流/服務鏈的服務發(fā)現(xiàn)和服務聚合等關鍵技術

目標是實現(xiàn) *** /網(wǎng)格環(huán)境下各類信息資源的高效調度并支撐服務的智能化。其核心技術是工作流/服務鏈的構建及其自適應和智能化，基于工作流/服務鏈的服務發(fā)現(xiàn)（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(xiàn)“五跨”的平臺運行管理體系

目標是實現(xiàn)“跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門、跨業(yè)務”的多節(jié)點的協(xié)調聯(lián)動，為平臺安全可靠高效運行提供支撐。采用虛擬化技術，按社會組織結構體系建立相應的虛擬組織（VO）；各層次的各虛擬組織內(nèi)部都設有管理節(jié)點、門戶節(jié)點、服務節(jié)點、用戶節(jié)點、服務注冊中心；虛擬組織可根據(jù)其任務彈性伸縮。按虛擬組織的功能分為靜態(tài) VO 和動態(tài) VO，前者以資源為中心，固定存在，執(zhí)行信息資源發(fā)布功能；后者以任務為中心，隨建隨銷，執(zhí)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(shù)據(jù)可視化及可視化設計的理論與 ***

目標是尋求一種相對更好的時空大數(shù)據(jù)可視化效果。所謂“更好的時空大數(shù)據(jù)可視化設計”，必須滿足四個條件：

6）必須建立一套標準體系

目的是保證時空大數(shù)據(jù)平臺規(guī)范、有序、健康、安全、可持續(xù)運行。目前，ISO19119和 OGC 的地理信息標準和 *** /網(wǎng)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、服務注冊標準、三種角色（服務方、用戶方、服務注冊中心）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(wǎng)格服務標準尚未形成自主統(tǒng)一的標準體系。上述 6 個問題中，第 1）、3）、4）這 3 個問題是核心關鍵技術。

根據(jù)前述時空大數(shù)據(jù)的構成（基礎地理時空數(shù)據(jù)+專題數(shù)據(jù)）和信息化過程中時空大數(shù)據(jù)應用存在的問題，提出“共用時空大數(shù)據(jù)平臺+”的應用模式。這里，“共用時空大數(shù)據(jù)平臺”指將具有統(tǒng)一時空基準的“基礎地理時空數(shù)據(jù)”聚合在一個自主可控的平臺上，使之成為融合各部門行業(yè)的“專題數(shù)據(jù)”的時空框架。因此，“共用時空大數(shù)據(jù)平臺”，就是“基礎地理時空數(shù)據(jù)平臺”。所謂“共用時空大數(shù)據(jù)平臺+”，“+”即跨界融合。“+”民用，指將各部門行業(yè)大數(shù)據(jù)融合在“共用時空大數(shù)據(jù)平臺”上，構建民用的“時空大數(shù)據(jù)平臺”，如新型智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺，進一步生成 *** 綜合決策支持系統(tǒng)、各部門行業(yè)應用系統(tǒng)。可見，采用“共用時空大數(shù)據(jù)平臺+”應用模式，可以從根本上解決長期存在的地方 *** 及其所屬各部門各行業(yè)所建地理信息系統(tǒng)的“基礎地理時空數(shù)據(jù)”不一致、不統(tǒng)一、不協(xié)調，以及不能用、不好用、不管用等老大難問題。

地理信息系統(tǒng)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，而且隨著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(shù)據(jù)資源和功能不斷擴展，體系結構、開發(fā)模式和服務模式等都發(fā)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(xiàn)有商業(yè)化地理信息系統(tǒng)軟件建成的數(shù)字城市基礎地理空間數(shù)據(jù)平臺、智慧城市時空信息云平臺甚至新型智慧城市的所謂“時空大數(shù)據(jù)平臺”，還是主要局限于“展示”層面上，而遠不是 *** 及各部門的業(yè)務平臺、服務平臺和“跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門、跨業(yè)務”的多層次多節(jié)點的協(xié)同工作（解決問題）的平臺。本文圍繞如何認識地理信息系統(tǒng)（GISystem）、如何認識地理信息系統(tǒng)的發(fā)展演進、如何認識和把握地理信息系統(tǒng)的未來發(fā)展等問題，進行了分析和探索，認為地理信息系統(tǒng)的未來發(fā)展不能“無邊無際”，應以服務國家和國防建設需求為宗旨，并提出了“網(wǎng)格集成”與“彈性云”的“混合式”GISystem 技術體制及實現(xiàn)這種技術體制必須解決的關鍵技術和時空大數(shù)據(jù)平臺的應用模式，目的是期望引起學界和業(yè)界的討論，共同促進地理信息系統(tǒng)的未來發(fā)展，更好服務社會。