論述gis的應(yīng)用和發(fā)展前景

論述gis的應(yīng)用和發(fā)展前景GIS起源于20世紀(jì)60年代的加拿大地理信息系統(tǒng)，用于自然資源的管和規(guī)劃。本質(zhì)上，GIS就是用計算機(jī)替代原來的紙質(zhì)地圖，對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，分析，可視化與應(yīng)用的學(xué)科和技術(shù)。GIS是一門多學(xué)科的交叉，包括地圖學(xué)，圖形學(xué)，數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科。從下到上涉及的技術(shù)形態(tài)包括數(shù)據(jù)庫，空間數(shù)據(jù)模型，空間數(shù)據(jù)訪問接口，地圖與投影，gis服務(wù)，web前端，以及移動端等諸多內(nèi)容。經(jīng)過多年的發(fā)展和市場競爭，當(dāng)前GIS基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，形成了以ESRI的ArcGIS），超圖的SuperMap和開源GIS軟件的三足鼎立的格局。在GIS圈中，流傳著一句話“80%的數(shù)據(jù)都和空間位置有關(guān)”。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，空間數(shù)據(jù)在自然資源，規(guī)劃，城建，水利，氣象，農(nóng)業(yè)，林業(yè)等諸多行業(yè)發(fā)揮了越來越重要的作用。郭仁忠院士在2018年的GIS軟件技術(shù)大會上，甚至說“GIS是智慧城市的操作系統(tǒng)”。這雖然是一家之言，但也反映出GIS確實起到了至關(guān)重要的作用。就GIS未來的發(fā)展而言，竊以為可體現(xiàn)在三個領(lǐng)域。擴(kuò)展GIS所能管理的空間數(shù)據(jù)邊界傳統(tǒng)GIS主要管理的是紙質(zhì)地圖數(shù)字話后的矢量數(shù)據(jù)（點/線/面）和通過遙感手段采集到的影像（柵格）數(shù)據(jù)。而隨著技術(shù)手段的提升，計算機(jī)三維渲染能力的增強(qiáng)，GIS正在管理著包括三維數(shù)據(jù)（傾斜攝影/點云/BIM等），空間大數(shù)據(jù)（手機(jī)信令/軌跡/導(dǎo)航/街景等）在內(nèi)的更多類型的空間數(shù)據(jù)。這些空間數(shù)據(jù)也要求GIS無論從存儲技術(shù)，空間分析方法和可視化手段，都有新的發(fā)展。GIS與IT新技術(shù)的結(jié)合GIS作為地理學(xué)與計算機(jī)科學(xué)的結(jié)合，一直不斷的從IT技術(shù)中吸取營養(yǎng)，以獲得新的發(fā)展。從20年前的組件式GIS，到空間數(shù)據(jù)庫，到云計算，以及現(xiàn)在的云原生技術(shù)，分布式計算技術(shù)，AI/AR技術(shù)，空間區(qū)塊鏈等。只有同IT同步發(fā)展，GIS才不會落后于時代，才能融入IT的主流。泛在式GIS，即從集中的大型GIS平臺，向無處不在的GIS能力轉(zhuǎn)變GIS由于技術(shù)壁壘較高，且早期未得到IT主流技術(shù)和市場的充分認(rèn)可，一直處于少數(shù)若干家GIS廠商壟斷的方式下發(fā)展。從而產(chǎn)生了包括空間數(shù)據(jù)庫，GIS核心組件，GIS操作桌面，GIS服務(wù)器軟件和移動GIS等的大型GIS基礎(chǔ)軟件的模式。從功能上，也包括了數(shù)據(jù)的編輯，質(zhì)量檢查，入庫管理，制圖打印，各類空間分析等在內(nèi)的完整GIS功能體系。而當(dāng)前的發(fā)展，不同行業(yè)領(lǐng)域，不同應(yīng)用系統(tǒng)，往往都需要一部分GIS的能力，但又不需要這么龐大的GIS軟件和技術(shù)體系。因此，無論從實際需求，還是從技術(shù)體系發(fā)展而言，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的，靈活可拆卸可組裝的泛在式GIS必將大行其道。

歷史GIS的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢01歷史地理信息系統(tǒng)（歷史GIS）屬于地理信息系統(tǒng)（GIS）與歷史學(xué)相結(jié)合的交叉研究領(lǐng)域，它有機(jī)地集成了GIS的技術(shù)方法、地理學(xué)家的空間視角和歷史學(xué)家的時間視角，量化歷史時期的地理過程并構(gòu)建相應(yīng)的時空模型，為面向未來的科學(xué)預(yù)測提供研究基礎(chǔ)。圖片來源：美國國會圖書館歷史GIS興起于20世紀(jì)90年代中期，給GIS學(xué)科、歷史地理學(xué)和歷史學(xué)都帶來了新的研究機(jī)遇與活力，并表現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，但也存在一些尚待解決的問題，如：特定歷史地理數(shù)據(jù)的缺失或難以量化，導(dǎo)致GIS功能難以充分發(fā)揮；部分GIS的研究方法并不完全適用于歷史時期地理問題的研究，需要根據(jù)具體問題進(jìn)行修正；研究人員的知識結(jié)構(gòu)難以滿足歷史GIS的多學(xué)科知識背景需求等。近年來，歷史GIS向社會提供了日益豐富的歷史地理信息服務(wù)，并逐漸跨越系統(tǒng)的技術(shù)層面，向著科學(xué)層面縱深發(fā)展。本文通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的梳理與分析，回顧了歷史GIS產(chǎn)生的背景，從數(shù)字化、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫建設(shè)與系統(tǒng)開發(fā)、空間分析和可視化等5個方面綜述了國內(nèi)外歷史GIS的研究現(xiàn)狀。最后，從歷史資料的空間化與數(shù)字化、歷史地理時空大數(shù)據(jù)、歷史地理空間框架構(gòu)建及歷史地理信息服務(wù)、歷史地理時空過程及模型構(gòu)建、歷史地理信息科學(xué)和技術(shù)學(xué)科體系的形成等角度展望了歷史GIS的發(fā)展趨勢，以期為歷史GIS未來的發(fā)展提供新的研究思路。論文框架圖02（1）為歷史學(xué)特別是歷史地理文獻(xiàn)中的描述性信息提供了空間化和定量化處理方法。（2）用于不同來源、不同類型、不同結(jié)構(gòu)歷史地理數(shù)據(jù)資源的有效整合。通過建立歷史GIS專題數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)不同歷史地理數(shù)據(jù)在同一個時空框架內(nèi)的綜合管理，有助于歷史研究的條理性與系統(tǒng)性。（3）將空間分析的概念引入歷史研究，重新審視歷史學(xué)中空間信息的價值和社會關(guān)系中空間要素的重要性，從歷史事件的地理空間位置和時間角度出發(fā)，了解其時空演化過程和機(jī)制。（4）為傳統(tǒng)歷史研究提供了空間可視化的表達(dá)方法，通過動態(tài)地圖、三維GIS（3DGIS）等手段生動直觀地展現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的空間變化過程。此外，歷史GIS還促進(jìn)了跨學(xué)科研究的發(fā)展，為來自歷史學(xué)、地理學(xué)、測繪學(xué)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域的學(xué)者們提供了合作的空間；GIS與歷史學(xué)的結(jié)合還可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以發(fā)現(xiàn)的歷史問題，促進(jìn)歷史學(xué)領(lǐng)域潛在信息的挖掘，并幫助檢測傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的合理性與正確性。03學(xué)者們普遍認(rèn)為歷史GIS興起于20世紀(jì)90年代中期，認(rèn)為該領(lǐng)域的開山之作是1994年Goerke的《CoordinateforHistoricalMaps》一書。當(dāng)時歷史學(xué)正處于對GIS的初步了解階段，歷史GIS發(fā)展較為緩慢。之后，由于GIS在歷史研究領(lǐng)域表現(xiàn)出的潛力，歷史GIS經(jīng)歷了一個相對快速的發(fā)展時期。1998年和1999年社會科學(xué)歷史協(xié)會組織的歷史GIS專題會議中提到了學(xué)者們熱情地參與到GIS等新方法的使用。Holdsworth在其2002年的文章中提及歷史GIS，認(rèn)為其是歷史地理學(xué)領(lǐng)域一種新興的發(fā)展趨勢。對歷史GIS更多、更全面的研究主要體現(xiàn)在2000年以后，這一時期出現(xiàn)了許多以歷史GIS為研究重點的出版物。有學(xué)者認(rèn)為，我國歷史GIS的開拓者為復(fù)旦大學(xué)歷史地理研究中心的滿志敏教授，其在歷史自然地理領(lǐng)域嘗試將GIS與歷史文獻(xiàn)相結(jié)合。滿志敏于2000年發(fā)表的文章《光緒三年北方大旱的氣候背景》被視為是國內(nèi)GIS與歷史地理研究相結(jié)合的開山之作。該文基于歷史文獻(xiàn)資料構(gòu)建專題空間模型，用于模擬歷史時期的地理現(xiàn)象，有著較高的研究起點。光緒三年直隸和山西旱情指數(shù)分布圖（出處見說明1）2001年，復(fù)旦大學(xué)歷史地理研究所與美國哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作，在譚其驤主編的《中國歷史地圖集》基礎(chǔ)上，開發(fā)了“中國歷史地理信息系統(tǒng)”（ChinaHistoricalGeographicInformationSystem，CHGIS），建立了一套中國歷史時期連續(xù)變化的、開放的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。這一項目的啟動標(biāo)志著我國歷史地理學(xué)信息化時代的到來。2007年，葛全勝等在總結(jié)我國現(xiàn)代歷史地理學(xué)不同的發(fā)展階段時提到了信息技術(shù)的引入時期，表達(dá)了當(dāng)時歷史地理學(xué)界對提高研究成果定量化程度和精確性的迫切需求，并介紹了歷史GIS在國內(nèi)取得的突破性進(jìn)展。自此，歷史GIS的研究在國內(nèi)逐步展開。0401歷史地理信息的數(shù)字化歷史地理信息的數(shù)字化即是對歷史地理信息由紙質(zhì)或其它載體轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式的技術(shù)過程，有助于推動歷史地理信息的深度挖掘和利用。下圖為廖泫銘等提出的歷史地圖數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序流程。歷史地圖數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序流程圖（出處見說明2，根據(jù)原圖略作修改）被引入歷史地理信息的數(shù)字化領(lǐng)域后，GIS也被廣泛用于數(shù)字化歷史地圖集的制作。GIS技術(shù)與傳統(tǒng)制圖法的結(jié)合，既保證了制圖質(zhì)量又節(jié)省了時間和人工成本。多個國家或地區(qū)已對既有的國家歷史地圖集進(jìn)行了部分?jǐn)?shù)字化工作。其中，美國的“世界電子圖書館”不僅存儲有世界各地的歷史地圖千余件，還以電子地圖插件的形式標(biāo)識出歷史地圖所在的地理位置，以表格的形式記錄了歷史地圖的屬性信息?！皻W洲歷史地圖資料庫”以21幅歷史地圖表示歐洲和地中海盆地公元1世紀(jì)至20世紀(jì)的政治景觀。歐洲歷史地圖資料庫我國歷史地理信息的數(shù)字化工作起步于復(fù)旦大學(xué)歷史地理研究所和美國哈佛大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開展的“中國歷史地理信息系統(tǒng)”項目，其數(shù)字化的階段性成果已共享于CHGIS數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站。北京大學(xué)歷史地理研究中心與北京市測繪設(shè)計研究院合作的“北京歷史數(shù)字地圖”是我國第一項城市區(qū)域歷史地圖的數(shù)字化成果，應(yīng)用GIS技術(shù)對《北京歷史地圖集》進(jìn)行了數(shù)字化。自此，歷史地圖數(shù)字化工作在我國多個城市展開。02歷史地理信息的數(shù)據(jù)模型GIS的數(shù)據(jù)模型是根據(jù)程式化、概念化的策略將現(xiàn)實世界發(fā)生的現(xiàn)象抽象化，可通過地理層面的點線面或離散連續(xù)場進(jìn)行構(gòu)建。數(shù)據(jù)模型中應(yīng)定義數(shù)據(jù)類型、存取方式、關(guān)系、操作和規(guī)則，以維持?jǐn)?shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)的完整。如何設(shè)計一個穩(wěn)固、連續(xù)的數(shù)據(jù)模型是歷史GIS數(shù)據(jù)庫及平臺建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。目前，國內(nèi)外歷史GIS在構(gòu)建數(shù)據(jù)模型時多以時空數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)。時空數(shù)據(jù)模型也是實現(xiàn)不同尺度、不同時序空間數(shù)據(jù)互動與融合的基礎(chǔ)，通過依賴于時間的表達(dá)方式來組織管理時態(tài)地理數(shù)據(jù)、屬性、空間和時間語義更完整的地理數(shù)據(jù)模型，可重現(xiàn)歷史狀態(tài)，追蹤歷史變化以及預(yù)測未來趨勢。基礎(chǔ)、通用的歷史GIS數(shù)據(jù)模型是歷史GIS的基石，決定了歷史GIS時空分析和表達(dá)能力的強(qiáng)弱。下圖為胡迪等提出的歷史GIS數(shù)據(jù)模型設(shè)計思路。歷史GIS數(shù)據(jù)模型設(shè)計思路（出處見說明3）03歷史地理信息的數(shù)據(jù)庫建設(shè)與系統(tǒng)開發(fā)世界上多個國家和地區(qū)已構(gòu)建或正在建設(shè)本國的國家歷史地理信息系統(tǒng)。美國地理家協(xié)會網(wǎng)站提供了世界各國主要的歷史GIS目錄。悉尼大學(xué)開展的“時間地圖計劃”開始于1996年，可通過網(wǎng)絡(luò)索引的方式獲取分布式資源、交互式地圖、時間序列數(shù)據(jù)以及地圖動畫，是國際上首個基于時間序列的交互式與分布式相結(jié)合的制圖系統(tǒng)。國際上著名的國家歷史地理信息系統(tǒng)還包括加拿大渥太華大學(xué)開展的“加拿大世紀(jì)研究項目”，歐洲史研究所與德國梅茵茲專業(yè)科學(xué)應(yīng)用大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“德意志歷史地理信息系統(tǒng)”等（如下圖所示）。德意志歷史地理信息系統(tǒng)我國的歷史地理信息平臺建設(shè)起步較晚，但發(fā)展迅速。國家層面的歷史地理信息平臺以“中國歷史地理信息系統(tǒng)”（如下圖所示）和“中華文明之時空基礎(chǔ)框架”最為著名，系統(tǒng)為研究人員提供了大量的歷史地圖以及主題化的屬性信息，為歷史GIS研究提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。中國歷史地理信息系統(tǒng)（CHGIS）除了國家歷史地理信息平臺，國內(nèi)不同專題的歷史地理信息平臺也層出不窮。首都師范大學(xué)歷史地理研究中心與陜西師范大學(xué)出版社聯(lián)合開發(fā)的“絲綢之路歷史地理信息開放平臺”（如下圖所示），建立了一套自漢代張騫打通西域以來至1949年以前絲綢之路沿線逐年連續(xù)變化的基礎(chǔ)歷史地理數(shù)據(jù)庫。絲綢之路歷史地理信息開放平臺04歷史地理信息的空間分析GIS在歷史地理學(xué)領(lǐng)域的空間分析方法可以分為3類，即：點模式分析、附有屬性數(shù)據(jù)的點線面數(shù)據(jù)分析和柵格數(shù)據(jù)分析。其中，最基本的點模式分析從研究對象空間特征的角度出發(fā)，探尋點群的空間布局，不涉及其屬性信息。如Longley等基于點模式使用平均中心與標(biāo)準(zhǔn)距離法研究了1850—1960年加拿大安大略省倫敦市住宅用地、公共用地、商業(yè)用地和工業(yè)用地4種土地利用類型的變化模式。探索點線面數(shù)據(jù)中屬性數(shù)據(jù)的空間模式，有單變量和多變量2類分析方法。局部空間自相關(guān)法是單變量分析的典型方法之一。地理加權(quán)回歸是一種通過空間接近矩陣進(jìn)行回歸分析的多變量分析方法。Gregory和Ell使用了局部空間自相關(guān)和地理加權(quán)回歸分析了19世紀(jì)40年代末期愛爾蘭大饑荒后的愛爾蘭各地的人口減少情況。相較于矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)更適合表示連續(xù)的表面，處理沒有清晰邊界的不確定數(shù)據(jù)。近年來，國外學(xué)者使用GIS的空間分析功能在宗教、語言、軍事、城市、疾病、遺跡、自然景觀等歷史地理相關(guān)研究中做了諸多嘗試。比如，下圖為Ayhan和Cubukcu基于GIS的土耳其伊茲密爾市寺院空間分布研究成果。土耳其伊茲密爾市不同建造時期的寺院空間布局（出處見說明4）從現(xiàn)有研究成果來看，歷史GIS最早在國內(nèi)萌芽時，空間分析功能即被應(yīng)用于歷史水文、歷史氣候、歷史土地覆被、歷史海岸線等多個自然地理研究領(lǐng)域。近年來，GIS空間分析在歷史人文地理領(lǐng)域有著更加廣泛的應(yīng)用。其中，城市和村落空間形態(tài)與格局特征的歷史演變是近年來最常被關(guān)注的領(lǐng)域。比如，下圖為閆芳芳等對上海市歷史時期河網(wǎng)密度的空間分析成果。1918—1978年上海市河網(wǎng)ρ(km2/km)值變量空間分布（出處見說明5）05歷史地理信息的可視化歷史地理信息的可視化將空間、歷史與屬性等要素結(jié)合，在空間可視化的基礎(chǔ)上表達(dá)時空變化與發(fā)展過程，直觀反映時空對象在不同歷史時間的各個狀態(tài)與動態(tài)演化。GIS與歷史地理空間數(shù)據(jù)結(jié)合可以反映變化的實體與現(xiàn)象，能夠描述時空對象的產(chǎn)生、發(fā)展、演化與消亡的全過程。下圖為瑞士采爾馬特地區(qū)歷史時期冰川后退的可視化呈現(xiàn)效果。1859—2010年瑞士采爾馬特地區(qū)冰川后退可視化效果（出處見說明6）隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新技術(shù)與GIS相結(jié)合，傳統(tǒng)的歷史地理信息表現(xiàn)形式得到了顛覆性的革新。目前，GIS可視化方法中的3DGIS、動畫、多媒體影像等多種技術(shù)已在歷史地理研究中得到了應(yīng)用。下圖為王占剛等提出的歷史事件時空過程可視化算法流程。歷史事件時空過程可視化算法（出處見說明7）05GIS與歷史相關(guān)研究的結(jié)合日趨緊密，隨著數(shù)字人文和信息化、智慧化時代的推進(jìn)，其未來的發(fā)展又會呈現(xiàn)出新的趨勢。（1）構(gòu)建歷史資料的空間化和數(shù)字化體系，推動歷史地理時空大數(shù)據(jù)的建設(shè)。隨著歷史GIS的發(fā)展，歷史文獻(xiàn)資料與GIS結(jié)合程度的加深，必將推動GIS研究中地理空間的時間范圍擴(kuò)展并不斷向前延伸。歷史GIS研究需要對大量不同領(lǐng)域、不同尺度、不同類型的歷史資料進(jìn)行空間化和數(shù)字化，構(gòu)建歷史地理時空大數(shù)據(jù)。梳理歷史學(xué)研究對歷史資料空間化和數(shù)字化的需求特點，總結(jié)歷史資料的空間化和數(shù)字化技術(shù)要求，形成一套歷史資料空間化和數(shù)字化的技術(shù)體系，以推動歷史地理時空大數(shù)據(jù)的建設(shè)。（2）建設(shè)歷史地理空間框架，推動歷史地理信息服務(wù)的普及。歷史GIS發(fā)展過程中產(chǎn)生了大量的歷史地理信息數(shù)字化產(chǎn)品，不同學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)也建設(shè)了不同專題的歷史GIS數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)平臺。歷史地理信息服務(wù)的普及不僅便于科研人員研究工作的開展，也有利于社會公眾了解歷史地理和歷史文化信息，有利于增強(qiáng)文化自信，從而進(jìn)一步實現(xiàn)歷史GIS的社會價值。（3）加強(qiáng)歷史地理過程及模型研究，推動歷史地理信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)科體系的形成。歷史地理過程模型是抽象地表示不同歷史時期地理環(huán)境狀態(tài)或其組成要素特征的實物模型或數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型，是理解和預(yù)測不同尺度歷史地理系統(tǒng)格局和過程的重要研究方法。充分利用歷史地理時空大數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘和多源數(shù)據(jù)融合，進(jìn)行歷史地理過程的模型構(gòu)建、模擬及重現(xiàn)，是未來歷史GIS研究的重要發(fā)展方向之一，也將推動歷史GIS由信息系統(tǒng)向信息科學(xué)的轉(zhuǎn)變和歷史地理信息科學(xué)和技術(shù)學(xué)科體系的形成。2015年4月第一屆歷史GIS沙龍

復(fù)旦大學(xué)歷史地理研究中心2016年4月第二屆歷史GIS沙龍

陜西師范大學(xué)西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展研究院2017年4月第三屆歷史GIS沙龍

華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院2018年4月第四屆歷史GIS沙龍

南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院2019年4月第五屆歷史GIS沙龍

北京聯(lián)合大學(xué)文理學(xué)院2020年10月第六屆歷史GIS沙龍

云南大學(xué)歷史與檔案學(xué)院2021年第七屆歷史GIS沙龍

將在中山大學(xué)歷史系舉辦

中國地理信息產(chǎn)業(yè)協(xié)會理論與方法工作委員會也在積極推動我國歷史GIS的研究，自2017年始，在中國地理信息科學(xué)理論與方法年會設(shè)置歷史GIS專題報告會場。近幾年中國地理信息科學(xué)理論與方法年會舉辦的時間和承辦方如下：2017年11月中南大學(xué)2018年11月太原理工大學(xué)2019年11月華東師范大學(xué)2021年10月中旬學(xué)術(shù)年會將在浙江大學(xué)舉辦

以上系列學(xué)術(shù)會議，有力推動了我國歷史GIS的研究進(jìn)程。全文可在中國知網(wǎng)或期刊官網(wǎng)下載文中素材引