地理信息行業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

何沐

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，現(xiàn)代地理信息行業(yè)發(fā)生了巨大的變化。一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是GPU，大數(shù)據(jù)處理，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等技術(shù)的發(fā)展極大的帶動(dòng)了現(xiàn)代地理信息行業(yè)的發(fā)展；另一方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)地理信息行業(yè)所提供的服務(wù)需求越來(lái)越多樣化且要求越來(lái)越高，因此現(xiàn)代地理信息行業(yè)變得越來(lái)越復(fù)雜，面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。本文將對(duì)地理信息行業(yè)以及地理信息行業(yè)所使用的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行討論，并對(duì)地理信息行業(yè)當(dāng)前使用的主要計(jì)算機(jī)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：地理信息行業(yè)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；GIS

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 地理信息行業(yè)的介紹

地理信息行業(yè)是地理測(cè)繪技術(shù)、航空航天技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相互滲透、交叉和融合發(fā)展的產(chǎn)物，它不僅包括地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）產(chǎn)業(yè)、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位產(chǎn)業(yè)、遙感產(chǎn)業(yè)、航空航天產(chǎn)業(yè)，也包括地理信息服務(wù)、基于位置服務(wù)（LBS，Location Based Service）等。它的基礎(chǔ)知識(shí)是地理和測(cè)繪，計(jì)算機(jī)技術(shù)作為它的技術(shù)支撐為他進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，它的應(yīng)用領(lǐng)域大致有地理、管理等許多相關(guān)行業(yè)和部門。地理信息行業(yè)是當(dāng)前全球一個(gè)非常熱門的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，它在國(guó)家與社會(huì)的發(fā)展和人們的日常生活中正在發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用，地理信息行業(yè)已經(jīng)在諸如政府進(jìn)行公共事業(yè)管理、環(huán)保部門進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控、軍隊(duì)進(jìn)行軍事指揮、電信運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行資源管理等多方面得到充分的應(yīng)用。

地理信息產(chǎn)業(yè)的活動(dòng)是對(duì)地理信息資源進(jìn)行采集、處理與應(yīng)用的過(guò)程。其主要階段如下：

1.1 數(shù)據(jù)獲取

獲取數(shù)據(jù)的方式大致分為地面平臺(tái)和遠(yuǎn)地平臺(tái)采集。地面平臺(tái)主要包括一些遙感設(shè)備，用于測(cè)量近距物體影像；遠(yuǎn)地平臺(tái)主要指各類飛行器、人造衛(wèi)星等。近些年來(lái)，衛(wèi)星功能越來(lái)越強(qiáng)大，其數(shù)據(jù)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)所占的比重越來(lái)越大。

1.2 數(shù)據(jù)處理

一般而言，最初采集到的數(shù)據(jù)還不能直接滿足地理信息行業(yè)應(yīng)用的需要，需要進(jìn)行加工處理。因此將在數(shù)據(jù)獲取階段采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理是應(yīng)用前的必要環(huán)節(jié)。如對(duì)航空航天圖片進(jìn)行鑲嵌和數(shù)字微分糾正，按照一定圖幅范圍裁剪congress輸出數(shù)字正射影像圖DOM、標(biāo)識(shí)地面上的建筑物、橋梁和花草樹木等的高度從而生成數(shù)字表面模型DSM、用一組有序數(shù)值陣列生成標(biāo)識(shí)地面高程的實(shí)體地面模型DEM。此外，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，也可將不同方式的數(shù)據(jù)采集結(jié)果進(jìn)行融合，從而消除來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)之間可能存在的冗余和歧義，從而改善影像數(shù)據(jù)的精確度、提高可靠性以及使用率，以達(dá)到目標(biāo)描述清晰、完整和準(zhǔn)確的目的。

2 地理信息行業(yè)相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)介紹

地理信息產(chǎn)業(yè)在數(shù)據(jù)獲取階段所采集到的數(shù)據(jù)資源是數(shù)據(jù)量最大的信息源之一，為從大量的數(shù)據(jù)中挖掘出有用的信息，需要對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，這將利用到大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于地理信息基本上都是三維的，而傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)處理技術(shù)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析后的表現(xiàn)和展示不夠直觀，因此難以滿足廣大用戶的需求，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)恰好使數(shù)據(jù)的展現(xiàn)更加符合客觀實(shí)際。地理信息行業(yè)的數(shù)據(jù)計(jì)算量大且計(jì)算復(fù)雜，對(duì)單純靠CPU來(lái)計(jì)算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，CPU+GPU的硬件框架更加符合實(shí)際需求。

2.1 大數(shù)據(jù)處理技術(shù)

近年來(lái)，越來(lái)越多的應(yīng)用都需要處理大量的流式數(shù)據(jù)，這些應(yīng)用的實(shí)例包括：地理信息數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、視頻監(jiān)控等。在這種數(shù)據(jù)流模型中，數(shù)據(jù)以大量、快速、時(shí)變的數(shù)據(jù)流持續(xù)到達(dá)，大數(shù)據(jù)處理技術(shù)就是一種用來(lái)處理這種海量數(shù)據(jù)流的計(jì)算機(jī)技術(shù)，它通常包括云計(jì)算技術(shù)、分布式處理技術(shù)、分布式存儲(chǔ)技術(shù)等。云計(jì)算是一種虛擬的計(jì)算機(jī)資源提供模式，云計(jì)算技術(shù)可以自動(dòng)地管理和動(dòng)態(tài)的分配、部署、配置、以及回收資源；分布式處理是將分散在不同地方的若干臺(tái)計(jì)算機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，通過(guò)一定的計(jì)算機(jī)程序協(xié)調(diào)完成大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；分布式存儲(chǔ)是將大量的數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)到不同的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上以降低單個(gè)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)負(fù)載。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

機(jī)器學(xué)習(xí)是通過(guò)從數(shù)據(jù)里提取規(guī)則或模式來(lái)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息，數(shù)據(jù)首先被預(yù)處理，形成特征，然后根據(jù)特征創(chuàng)建某種模型，機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析收集到的數(shù)據(jù)，分配權(quán)重、閾值和其他參數(shù)達(dá)到學(xué)習(xí)目的。機(jī)器學(xué)習(xí)其實(shí)就是通過(guò)學(xué)習(xí)以及積累經(jīng)驗(yàn)來(lái)產(chǎn)生解決問(wèn)題的程序，其應(yīng)用主要有人工智能，推薦系統(tǒng)等。

2.3 深度學(xué)習(xí)技術(shù)

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)延伸，其目的在于模擬人腦對(duì)事物進(jìn)行分析學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)模仿人腦的運(yùn)行機(jī)制來(lái)解釋給定的數(shù)據(jù)，如圖像、文本以及聲音等。Google公司已經(jīng)成功的利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)編寫了一個(gè)可自主識(shí)別照片位置的程序。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真使用戶沉浸到該環(huán)境中。當(dāng)前，在地理信息行業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用并不少見，比如百度地圖提供的街景功能使得用戶可以在其觀察點(diǎn)放大縮小其眼前的人或物并且可以改變視角等。

2.5 CPU+GPU框架

CPU即中央處理器是計(jì)算機(jī)的控制核心和運(yùn)算核心，它負(fù)責(zé)處理、運(yùn)算計(jì)算機(jī)內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)。GPU即圖形處理器，它擁有一個(gè)由數(shù)以千計(jì)的更小、更高效的核心組成的大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)，GPU可以進(jìn)行幾乎全部與計(jì)算機(jī)圖形有關(guān)的數(shù)據(jù)運(yùn)算。將CPU與GPU相結(jié)合，使CPU主要實(shí)現(xiàn)控制功能，GPU實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，可以極大地提高這個(gè)系統(tǒng)的性能。如在地理信息行業(yè)中有一種非常重要的技術(shù)——地圖切片技術(shù)。切片技術(shù)按照不同的比例尺將整個(gè)地圖切成片并將不同比例的切片構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)，我們?cè)诓榭吹貓D時(shí)并不直接加載整個(gè)地圖，當(dāng)選擇放大時(shí)便加載該切片的下級(jí)切片，因此，地圖切片的速度也就直接影響到了webgis的速度，而我們可以利用CPU+GPU搭建集群環(huán)境并行切片可極大的提高切片處理效率。

3 地理信息行業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，地理信息行業(yè)在全球發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛，隨著人們生活方式的變化以及信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的大型IT公司涌入地理信息相關(guān)的應(yīng)用市場(chǎng)，為廣大用戶提供網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)，最通用的應(yīng)用模式是將web地圖作為信息檢索的入口來(lái)提供定位和導(dǎo)航功能，通過(guò)定位出來(lái)的地點(diǎn)推薦景點(diǎn)、商鋪、休閑娛樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)社交等相關(guān)信息。地理信息行業(yè)呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)信息量增長(zhǎng)快、數(shù)據(jù)種類越來(lái)越多樣化、應(yīng)用方向越來(lái)越多等特點(diǎn)，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)技術(shù)去適應(yīng)新需求，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

3.1 高效存儲(chǔ)與時(shí)效性

目前，地理信息行業(yè)的數(shù)據(jù)正呈現(xiàn)出爆炸性增長(zhǎng)趨勢(shì)，大致有以下幾個(gè)方面：

一是衛(wèi)星數(shù)據(jù)、軌跡和地圖數(shù)據(jù)等各種類型的數(shù)據(jù)量都在不斷增長(zhǎng)，各種不同的信息采集設(shè)備在不停地采集各種數(shù)據(jù)。

二是隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，各類測(cè)繪設(shè)備性能的提升，地理信息處理效率的增加，各類數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的速度在逐年加快。

三是隨著平板電腦、智能手表等智能終端的普及以及基于web地圖的應(yīng)用增加，基于位置服務(wù)的數(shù)據(jù)量越來(lái)越多以及數(shù)據(jù)種類越來(lái)越多樣化。

這種變化趨勢(shì)使當(dāng)前的分布式存儲(chǔ)技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)，更高效的分布式存儲(chǔ)技術(shù)使得用較少的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)來(lái)存儲(chǔ)量更大、種類更多的數(shù)據(jù)是未來(lái)的一個(gè)研究方向。同時(shí)，由于當(dāng)前的數(shù)據(jù)處理是都是基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行的，所以處理結(jié)果會(huì)存在一定的滯后性，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理是大數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3.2 數(shù)據(jù)集成與智能化

地理信息數(shù)據(jù)不同于其他行業(yè)的數(shù)據(jù)，它不但包括諸如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、距離、方向等空間信息，還具有空間的自相關(guān)性，一旦它與其他各行各業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，可以分析得到更多具有價(jià)值的信息。除了直接與空間位置相關(guān)的旅游出行、市政規(guī)劃等應(yīng)用，間接相關(guān)的比如基于空間位置的店鋪地點(diǎn)選擇、客戶軌跡行為分析等領(lǐng)域，必然會(huì)得到快速發(fā)展。這些都需要利用更加快速、更加精確的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的算法進(jìn)行處理，根據(jù)給定地理數(shù)據(jù)智能識(shí)別以及自動(dòng)化推薦將是機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)在地理信息行業(yè)中應(yīng)用的主要方向。

3.3 虛擬化

地理信息除了采集生成數(shù)據(jù)以外，另外一個(gè)主要用途就是使地理信息更加方便直接地展現(xiàn)在用戶面前并且可以更好地模擬用戶在自然環(huán)境下聽、看、走等行為，從以前的二維矢量到二維圖像再到三維地圖，一直到現(xiàn)在的傾斜攝影3D建模，都是對(duì)地理信息更加真實(shí)呈現(xiàn)的應(yīng)用需求。將地理信息和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)進(jìn)行深度融合可以得到更加逼真的沉浸感。當(dāng)前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要集中在虛擬城市中使用而且都是基于歷史地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示的。如何將虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用普及到生活的方方面面以及如何在不降低圖形的質(zhì)量以及復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，提高刷新頻率以實(shí)現(xiàn)快速三維圖形生成和顯示將是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)今后的發(fā)展方向。

結(jié)語(yǔ)

近些年來(lái)，遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的同步發(fā)展和相互促進(jìn)成為世界地理信息行業(yè)發(fā)展和技術(shù)發(fā)展的主要特征。尤其是互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的迅速普及，使得地理信息行業(yè)所用計(jì)算機(jī)技術(shù)在深度和廣度上發(fā)生了明顯的變化。通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)地理信息行業(yè)的應(yīng)用將更加廣泛，地理信息行業(yè)的潛力也將得到充分挖掘。

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