大數(shù)據(jù)在GIS中的應(yīng)用進展與展望

朱 懿

（江西理工大學(xué) 土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000）

1 大數(shù)據(jù)在GIS中的應(yīng)用概述

1.1 地理信息系統(tǒng)

自信息時代出現(xiàn)以來，我國一直十分注重數(shù)字世界村、數(shù)字中國和數(shù)字城市的發(fā)展，以海量的碎片化信息來提升公眾的便利。要開發(fā)數(shù)字世界村和數(shù)字城市，不僅僅需要概念龐大的知識和相關(guān)替代的技術(shù)支持，還需要結(jié)合建立相關(guān)連接的地理空間基礎(chǔ)設(shè)施，如人員定位、城市災(zāi)害預(yù)警、城市基礎(chǔ)設(shè)施抽象地理分布等，這些都與地理信息知識有著不可分割的關(guān)聯(lián)。

隨著知識技術(shù)在社會中的不斷發(fā)展，新時代的人類探索地球的方式正在變得越來越智能化。知識爆炸的時代里，更多與地理相關(guān)的信息被充分挖掘和擴大，它的幾何式增長為世界帶來了巨大改變，人們?nèi)绾螐木薮蠖鴱?fù)雜的地理信息中獲取數(shù)據(jù)和知識已成為當(dāng)今社會的熱門話題。相較于傳統(tǒng)信息，海量的信息中包含未知數(shù)據(jù)和無限的知識。巨大的信息積累反映了真實世界內(nèi)部工作機制和演化過程，尋找有效的方法去感知隱藏數(shù)據(jù)背后的信息，將其轉(zhuǎn)換成人類可以解讀的數(shù)據(jù)是一個巨大的挑戰(zhàn)。

地理信息在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾慕巧?，人類的活動有將?0%都與空間位置有關(guān)，但是在過去由于測繪設(shè)備和其他技術(shù)手段的局限性，地理位置難以得到或精度有限，使得地理信息的研究和發(fā)展受到了阻礙。20世紀(jì)60年代以來，隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的空間信息開始被人們所使用。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)是在硬件和軟件的支持下，對地球的全局或者局部的地理空間數(shù)據(jù)進行采集與處理、存儲與管理、分析與應(yīng)用、顯示與輸出的技術(shù)系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)層面，其主要是通過圖像掃描、格式轉(zhuǎn)換和野外數(shù)據(jù)采集等手段來獲得數(shù)據(jù)。不過，在現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)時代，物聯(lián)網(wǎng)、移動設(shè)備、高清攝像機等快速發(fā)展，地理空間數(shù)據(jù)的載體和獲取方式也越來越多，位置信息也更加精確，這些都給GIS帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。

GIS是一個發(fā)展的理念[1]，其概念主要有兩方面。一方面，GIS是一個交叉性的學(xué)科，是一門涉及地圖學(xué)、遙感科學(xué)、測量學(xué)等學(xué)科的綜合性學(xué)科。另一方面，GIS是一門技術(shù)系統(tǒng)，其通過地理空間數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用地理分析方法，適時地提供多種空間的和動態(tài)的地理信息，是為地理研究和地理決策服務(wù)的計算機技術(shù)系統(tǒng)。目前，GIS已經(jīng)發(fā)展為一個能夠處理多種復(fù)雜的地理空間信息的綜合性科學(xué)技術(shù)體系。傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)中許多都是由地圖制圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過來的，其面向的數(shù)據(jù)主要以二維為主，所以人們將它們統(tǒng)稱為二維GIS。經(jīng)過了30多年的發(fā)展，二維GIS已經(jīng)進入到各行各業(yè)，為很多領(lǐng)域的發(fā)展都提供了幫助。然而，二維GIS也存在著一些問題。例如，二維GIS無法滿足現(xiàn)實世界的需要，因為人們所生活的空間是三維的，二維GIS所能表達的內(nèi)容有限，不能滿足現(xiàn)實世界的可視化需求。隨著計算機領(lǐng)域和地理空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的快速發(fā)展，如何克服大量數(shù)據(jù)對GIS帶來的沖擊成為GIS領(lǐng)域中研究的主流方向，其研究的進展與成果被越來越多的人所關(guān)注。2015年，周成虎[2]的一篇論文分別從地球空間到宇宙空間、從室外空間到室內(nèi)空間、從宏觀空間到微觀空間和從小數(shù)據(jù)到大數(shù)據(jù)幾個方面對全空間地理信息系統(tǒng)進行了展望。2017年，閭國年[3]等研究者的一篇論文中指出地理信息的定義一直在“空間+屬性”的地圖信息基本框架下逐步擴展，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了地圖GIS、語義GIS、時空GIS和大數(shù)據(jù)GIS四個不同的階段，但是仍無法滿足時空大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用需求，并且提出了涵蓋“空間定位”“語義描述”“屬性特征”“幾何形態(tài)”“演化過程”“要素相互關(guān)系”的地理信息六要素表達模型。與此同時，GIS不但本身在不斷地發(fā)展，其與各個行業(yè)的應(yīng)用也非常廣泛。2018年，王元勝[4]等研究者就將GIS與農(nóng)業(yè)園區(qū)結(jié)合，設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)園區(qū)全景GIS數(shù)字化系統(tǒng)，提高了園區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的精細化管理水平。傳統(tǒng)的GIS處理的數(shù)據(jù)量相對較小，其主要處理的是具有精確定位的地理信息，而大數(shù)據(jù)中的海量空間數(shù)據(jù)以及對各個方面需求的提升，使得其給GIS的發(fā)展既帶來了機遇，又帶來了挑戰(zhàn)。

1.2 大數(shù)據(jù)

“大數(shù)據(jù)”一詞最早于20世紀(jì)80年代由美國未來學(xué)家Alvin Toffler在其著作中提出，不過，到目前為止還沒有一個公認的定義。大數(shù)據(jù)已經(jīng)超越了GIS領(lǐng)域在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的能力范圍，并且虛擬現(xiàn)實和互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展使得大數(shù)據(jù)逐漸呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)海量性、復(fù)雜性等特征。同時，“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出更加快了網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)展和增長的步伐。2017年，劉先林院士[5]就在其發(fā)表的論文中對“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的智能特征進行了論述并對其展望，指出“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS主要有作業(yè)范圍更廣、重復(fù)采集頻率更高、粒度更小、分辨率更高、精度更高、后處理更智能化、與大數(shù)據(jù)相融合和增強型GIS對3D GIS提出了更高的要求?？梢?，互聯(lián)網(wǎng)對于GIS行業(yè)的發(fā)展起著非常重要的推動作用，其為GIS帶來了許多的機遇。然而，互聯(lián)網(wǎng)對GIS的挑戰(zhàn)也在逐步增加。以上述的GIS與大數(shù)據(jù)相融合的特征為例，首先，大數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)量是不同的，大數(shù)據(jù)主要是在實時的網(wǎng)上進行的，空間的分辨率比較低而時間分辨率較高。如果將其與地理信息的大數(shù)據(jù)融合起來，就會在一定程度上提升數(shù)據(jù)的價值，不過有一個問題就是數(shù)據(jù)的保密性，如何將保密的數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)的平臺上進行提供和使用，這是互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)給GIS帶來的挑戰(zhàn)之一。

1.3 大數(shù)據(jù)與GIS的融合

目前，大數(shù)據(jù)與GIS的融合已經(jīng)表現(xiàn)在很多領(lǐng)域。2014年春節(jié)前后，百度與央視合作，將大數(shù)據(jù)與地圖可視化結(jié)合起來播報春節(jié)人口的遷移情況，其主要運用的技術(shù)之一就是LBS，通過云計算平臺的數(shù)據(jù)處理模塊和人們移動設(shè)備不斷采集的定位數(shù)據(jù)來進行計算分析，以展現(xiàn)春節(jié)期間人們的遷移軌跡。此外，研究者們也在為大數(shù)據(jù)與GIS的融合做出努力。曾元武[6]等研究者在2015年分析了大數(shù)據(jù)技術(shù)，并從處理技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的現(xiàn)狀，對大數(shù)據(jù)時代下地理信息公共平臺建設(shè)進行了展望。王凱[7]等研究者在2015年嘗試將地理空間大數(shù)據(jù)的處理用Hadoop的分布式計算方式來進行，且詳細地論述了為了能夠充分發(fā)揮各自的特點應(yīng)如何解決空間數(shù)據(jù)格式、空間運算組件的問題，同時闡述了設(shè)計思路與技術(shù)路線。劉勍[8]等研究者在2016年將農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)與Web GIS相結(jié)合，針對目前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域缺少量化數(shù)據(jù)的支撐、數(shù)據(jù)挖掘能力低下以及難以與空間數(shù)據(jù)結(jié)合分析等問題，提出了一種將大數(shù)據(jù)與Web GIS方法應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中的體系框架。肖建華[9]等研究者在2016年討論了地理時空大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用的云平臺建設(shè)，設(shè)計了矢量數(shù)據(jù)的時空數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)并論述了云平臺設(shè)計的思路。向紅梅[10]等研究者在2017年對城市地理時空大數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用平臺的建設(shè)和相應(yīng)方法進行了研究，其針對城市地理數(shù)據(jù)的專業(yè)類別多、數(shù)據(jù)格式多、數(shù)據(jù)分散等問題，提出了圖形式數(shù)據(jù)、柵格式數(shù)據(jù)、要素式數(shù)據(jù)、類GIS數(shù)據(jù)、ArcGIS數(shù)據(jù)五大地理時空數(shù)據(jù)的管理方案。孫華波[11]等研究者在2018年以飛行大數(shù)據(jù)的有效關(guān)聯(lián)挖掘為主題進行了研究，提出了一種基于時態(tài)GIS的飛行品質(zhì)監(jiān)控時空分析方法，構(gòu)建了QAR數(shù)據(jù)時空演化模型并設(shè)計了一套針對不安全事件的動態(tài)時空統(tǒng)計分析系統(tǒng)。此外，地理空間大數(shù)據(jù)也成為了主要發(fā)展的領(lǐng)域之一，地理空間大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的高效融合已經(jīng)成為該領(lǐng)域發(fā)展的主流。葉春姣[12]等研究者在2017年以京東的線上收集交易記錄為例，采用了空間聚類、分類回歸樹和空間自相關(guān)等數(shù)據(jù)挖掘方法，對基于GIS的網(wǎng)購大數(shù)據(jù)進行了挖掘分析。黎海波[13]等研究者在2017年根據(jù)東莞市出租車的GPS大數(shù)據(jù)對社區(qū)公園進行選址研究，利用大數(shù)據(jù)來為選址問題代入一定的空間位置優(yōu)化和人們活動規(guī)律的條件參考，使其相比傳統(tǒng)的選址方法更加有效、合理、可靠。龐國芳[14]等研究者在2018年將高分辨質(zhì)譜、互聯(lián)網(wǎng)和地理信息系統(tǒng)結(jié)合起來對中國農(nóng)藥殘留繪制了地圖，這項研究為我國“十三五”國家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中所提出的實現(xiàn)“農(nóng)藥零增長”和“推進健康中國建設(shè)”提供技術(shù)和科學(xué)的數(shù)據(jù)支持?？梢姡芯空邆円呀?jīng)在大數(shù)據(jù)與地理空間信息融合方面進行了大量的研究工作，但是現(xiàn)有的GIS方法在處理地理時空大數(shù)據(jù)時還存在效率、可靠性等缺陷，這就需要我們綜合計算機或者其他領(lǐng)域的技術(shù)融合到GIS領(lǐng)域中來解決這些難題。

王成彬[15]等研究者在2018年考慮到大數(shù)據(jù)時代在產(chǎn)生爆發(fā)式增長數(shù)據(jù)的同時，也存在著很多噪聲和冗余數(shù)據(jù)，所以其對數(shù)據(jù)預(yù)處理的技術(shù)應(yīng)用于地學(xué)大數(shù)據(jù)進行了探討。在計算機中有很多的智能算法也是處理大數(shù)據(jù)的一種有效手段，我們在利用深度學(xué)習(xí)、支持向量機、隨機森林和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)習(xí)手段時，經(jīng)常需要輸入最優(yōu)參數(shù)，而利用這些智能算法進行局部或者全局尋優(yōu)既能夠提升效率又能夠得到準(zhǔn)確的最優(yōu)值。目前，常用的智能算法有遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法、人工蜂群算法、蟻群算法、狼群算法、蝙蝠算法等。王海軍[16]等研究者在2017年的時候利用生物地理學(xué)優(yōu)化算法來獲取城市擴展元胞自動機模型的參數(shù)，其實驗中表示出生物地理學(xué)優(yōu)化算法相比遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法和邏輯回歸方法具有更好的精度和性能。黃軻[17]等研究者在2016年將大數(shù)據(jù)GIS應(yīng)用到房產(chǎn)室內(nèi)信息系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用中，實現(xiàn)了室內(nèi)海量信息的三維漫游顯示、室內(nèi)信息編輯與修改功能，極大地增強了用戶的體驗。邵瀚[18]等研究者在2018年針對傳統(tǒng)二維的CAD圖并不能非常直觀地表達水利工程規(guī)劃設(shè)計方案，所以將大數(shù)據(jù)GIS應(yīng)用到水利工程的規(guī)劃設(shè)計中，可以加強對于規(guī)劃設(shè)計的可視化與應(yīng)用。大數(shù)據(jù)GIS還可以和減災(zāi)賑災(zāi)相結(jié)合，為災(zāi)害的治理提供幫助。賈進科[19]等研究者在2016年基于物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)三維地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫為核心技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)GIS設(shè)計了大型水庫進行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測管理系統(tǒng)，并通過應(yīng)用實驗驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、有效性、智能性，具備很好的應(yīng)用前景。薛豐昌[20]等研究者在2017年利用大數(shù)據(jù)GIS對城市的暴雨進行積澇災(zāi)害模擬，為城市暴雨積澇災(zāi)害防災(zāi)與治災(zāi)提供了幫助。隨著大數(shù)據(jù)GIS在各行各業(yè)的應(yīng)用加快，其對于大數(shù)據(jù)GIS數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、空間可視化、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展也起到了推動的作用。

2 大數(shù)據(jù)在GIS中的應(yīng)用展望

地理時空大數(shù)據(jù)在未來還會繼續(xù)以爆炸式增長，未來Linux與云計算將快速發(fā)展，IT行業(yè)最終將會成為社會基礎(chǔ)建設(shè)的重要部分。同時ARM的低功耗計算平臺將會突飛猛進發(fā)展，并且推動物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。智慧城市將成為這一時代的大浪潮，位置信息、GIS服務(wù)信息將會變成城市中不可缺少的一部分。王爾琪[21]等研究者在2015年的論文中對未來GIS發(fā)展的技術(shù)趨勢進行了展望，除了云計算和低功耗計算平臺外，還有移動應(yīng)用、數(shù)據(jù)開放、大數(shù)據(jù)分析、“地理智慧”、三維技術(shù)、開源軟件、社會化軟件等領(lǐng)域的快速發(fā)展會帶動GIS行業(yè)的融合性，使地理科學(xué)研究者、地理愛好者和地理信息服務(wù)的使用者都參與到地理信息的認知、挖掘的過程中來。在2015年，國務(wù)院正式印發(fā)《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，部署了大數(shù)據(jù)的發(fā)展與管理工作。未來大數(shù)據(jù)將推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進大數(shù)據(jù)的共享和利用，這將成為GIS領(lǐng)域高速發(fā)展的一個良好契機。