医学影像技术行业环境分析

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第1篇

近两年来，数字城市已经成为国内信息化的热点问题，而且还有持续升温趋势。而以GIS为核心的空间信息技术是数字城市的核心应用技术，它与无线通信、宽带网络和无线网络日趋融合在一起，为城市生活和商务提供了一种立体的，多层面的信息服务体系。为了让广大读者对GIS技术有一个较为系统、详细的了解。本刊特邀请了上海齐维信息科技有限公司的有关专家，为我们全面解读GIS技术。

GIS技术介绍

地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。

地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

地理信息系统具有以下三个方面的特征：

第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；

第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；

第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化的空间数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。

一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟，信息的流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，用于管理与决策。

地理信息系统的类型

地理信息系统按其内容可以分为三大类：

(1)专题地理信息系统（Thematic GIS），是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。

(2) 区域信息系统（Regional GIS），主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。

(3) 地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools），是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的，具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统，也可以用作GIS教学软件。

在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开发的人力、物力、财力，缩短系统建立周期，提高系统技术水平，而且使地理信息系统技术易于推广，并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。

GIS技术的发展历史

国外

地理信息系统萌芽于20世纪60年代。1962年，加拿大的Roger F. Tomlinson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统（CGIS），以实现专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和规划等；与此同时，美国的Duane F. Marble在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立地理信息系统的思想。在这一时期，针对GIS一些具体功能的软件技术有了较大进展，主要表面在：(1)栅格-矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等得到发展；(2)具有属性数据的单张或部分图幅可以与其它图幅或部分在图边自动拼接；(3)采用命令语言建立空间数据管理系统，可以实现属性再分类、分解线段、合并多边形、改变比例尺、量测面积、按属性搜索、输出表格和报告以及多边形叠加处理等。这一时期的软件主要是针对当时的主机和外设开发的，算法较粗糙，图形功能较为有限。

20世纪70年代是地理信息系统走向实用的发展期。这一时期由于计算机硬件和软件技术的发展，特别是硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着实用方向发展。美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力和财力。到1972年CGIS全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统。在此期间美国地质调查局发展了50多个地理信息系统。

用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息；1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息；瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。但由于当时的GIS系统多数运行在小型机上，涉及的计算机软硬件、外部设备及GIS软件本身的价格都相当昂贵，限制了GIS的应用范围。

这一时期地图数字化输入技术有了一定的进展，采用人机对话交互方式，提高了工作效率，同时扫描输入技术系统也开始出现。图形功能扩展不大，数据管理能力也较差。

20世纪80年代是GIS的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高的同时，价格迅速下降，特别是图形工作站和个人计算机的性价比大为提高，使GIS的应用领域与范围不断扩大。GIS技术在以下几个方面有了很大的突破：(1)栅格扫描输入处理方面，大大提高了数据输入的效率；(2)数据存储与运算方面，GIS处理的数据量与复杂程度大为提高，遥感影像的自动校正、实体识别、影像增强和专家系统分析软件也明显增加；(3)数据输出方面，GIS软件支持多种形式的图形输出；(4)在地理信息管理方面，适合GIS空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大的发展。

在这一时期，GIS与卫星遥感技术相结合，开始用于全球性问题的研究，如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散及核废料等；从土地利用、城市规划等宏观管理应用，深入到各个领域解决工程问题，如环境与资源评价、工程选址、设施管理、紧急事件响应等。同时在这一时期，出现了一大批代表性的GIS软件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MapInfo、ERDAS、MicroStation等。

20世纪90年代至今为GIS的社会化阶段，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为了一个产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的增长也很快。目前，GIS的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。与此同时，GIS也从单机、二维、封闭向开放、网络(包括Web GIS)、多维的方向发展。

由于网络技术以及面向对象软件方法论和支撑技术的成熟，为GIS注入了新的活力，同时大量的应用要求促使GIS软件技术的快速发展，开始具备作为应用集成平台的能力。这一时期的GIS具有以下特点：(1)仍然以图层为处理的基础，新的处理模式正在酝酿与探索之中；(2)引入了Internet技术，开始向以数据为中心的方向过渡，实现了较低层次的(浏览型或简单查询型)的B/S结构；(3)开放程度大幅度增加，组件化技术已成为GIS的一个主要方向，实现了跨平台运行。(4)逐渐重视元数据问题，空间数据共享、服务共享和GIS系统互连技术不断发展；(5)实现了空间数据与属性数据的一体化存储和初步一体化查询，提高了空间数据的操纵能力；(6)应用领域迅速扩大，应用深度不断提高，开始具有初步的分析决策能力。

国内

我国地理信息系统方面的工作始于20世纪80年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1994年中国GIS协会在北京成立，标志中国GIS行业已形成一定规模。九五期间，国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持，

1996年，为支持国产GIS软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。1998年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达25%。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。

目前应用领域及应用前景

1.资源管理：要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源（如土地、森林、草场）分布、分级、统计、制图等问题。主要回答“定位”和“模式”两类问题。

2.资源配置：城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。

3.城市规划和管理：空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。

4.土地信息系统和地籍管理：土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许 多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。

5.生态、环境管理与模拟：区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。

6.应急响应：解决在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。

7.地学研究与应用：地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。ArcInfo系统就是一个很好的地学分析应用软件系统。

8.商业与市场：商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空 间分析和数据库功能可以解决这些问题。

9.基础设施管理：城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。

选址分析：根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充分体现了GIS的空间分析功能。

网络分析：建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。

可视化应用：以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。

分布式地理信息应用：随着网络和Internet技术的发展，运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统应用类型，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间导航。

GIS的应用前景

目前GIS的研究和应用都处在一个高速发展的阶段。在国外GIS技术已被各级政府部门和企业界广泛认知和采用。尤其是在北美、欧洲、日本和澳大利亚等国家和地区，GIS市场已经基本形成。GIS数据公司和软件公司比较多，他们在GIS系统建立和空间数据的使用方面已有了一套比较规范和成熟作法。在我国GIS技术也正被越来越多的政府部门和大型企业所采用。虽然起步较晚，但是有后发优势，可以少走弯路，以比较高的起点开展GIS的理论研究和开发应用工作。

未来若干年空间数据采集和GIS技术将会有新的更大的发展，从而给城市空间数据生产和GIS应用增添新的生命力。以信息高速公路和计算机宽带高速网为代表的国家信息基础设施（NII）的建设、高分辨率卫星影像技术的实用化、数字摄影测量和空间定位技术的发展以及超大容量、高速数据存储设备的发展将给城市空间数据生产和GIS应用带来巨大积极效用。新的数据获取与更新技术的发展、新数据形式的应用、数据共享政策及其实施、国家多尺度空间数据基础设施的建设以及数字地球和数字城市的建设都将大大改善我国城市空间数据的状况。

GIS技术的一些最新发展（如WebGIS、OpenGIS、ComGIS、3D GIS、TGIS等）将在城市得到实际应用，从而提高GIS系统应用的水平。城市GIS将进一步由技术推动转向应用牵引。面向应用将是GIS的生命，GIS与其它技术的集成将成为主流，应用系统的质量将稳步提高，用户的意识和行动将更有利于GIS的发展，应用将向深层次和大众化两极发展。

21世纪我国的城市将会有更大的发展，城市的发展将给城市GIS技术带来新的机遇。城市GIS虽然面临挑战，但未来无限光明。由于GIS本身的特点，过去建立起来的城市GIS系统的实际效益在未来几年将会逐步显示出来，人们的认识会进一步提高，城市GIS的生命力将愈加旺盛，并将会发挥应有的、符合其特点的作用，GIS也将真正走向产业化和市场化。

GIS技术的发展趋势

组件(Components)GIS

Components GIS是一种新的 GIS开发思想，它是将GIS功能分散制作成ActiveX Control和Automation，这些标准的ActiveX Control和Automation可以被任何支持它们的开发环境调用，以便在原有的或新开发的信息系统中加入GIS功能。目前国际上比较流行的Components GIS软件有ESRI的 Map Objects, MapInfo公司的MapX等。

现在市场上流行的GIS软件有很多，工作站版的有ARC/INFO, Intergraph, MicroStation等；桌面GIS系统有MapInfo, Arcview, AutoDesk及国内的MapGIS, GeoStar等。这些系统的共同特点是它们将图形处理，空间查询与分析，属性管理及其它GIS功能都包含在一个比较庞大的系统中。对于一些用户来讲这可能是比较适宜的，但对许多用户来讲可能会存在如下问题：

（1）对于大多数用户来说，他们可能只需要部分而不是全部GIS功能，用户必须为购买整个GIS软件系统而支付较高的费用。如基于GPS和GIS的城市交通管理系统或者用于环境分析的GIS系统，可能就不需要很强的图形处理功能。而用于城市规划的GIS系统或基于宗地的地籍管理系统则要求较强的图形处理功能。如果使用Components GIS进行系统开发用户就不需要购买整个GIS软件系统，而只要在GIS Components的基础上进行开发组装即可。

（2）由于大部分GIS软件都需要进行二次开发后才能满足用户的特殊需要，而目前的GIS软件所用的开发工具有许多并非标准语言。这对用户提出了较高的要求，也对原有系统的改造带来许多不便。而Components GIS一般都支持标准的开发语言，如Visual Basic, Visual C++, Java等，这对于专用系统的开发比较快捷和便利。

（3）利用Components技术更容易建立Internet GIS或Intranet GIS信息系统。

Internet或 Intranet GIS

信息高速公路的建立极大地方便了世界各地用户间信息交换与信息查询。由于GIS能提供丰富的空间查询、空间分析及属性管理功能，因此GIS正在成为Internet(国际互联网)或Intranet(企业局域网)的一个主要内容。建立Internet GIS的主要目的在于以下几个方面：

（1）远距离空间数据共享与信息查询和交换；

（2）为公众提供GIS服务；

（3）建立大规模甚至超大规模的空间网络信息系统；

（4）为其它学科的研究提供基础信息资料。

目前用于Internet GIS系统开发的工具主要有ESRI的Map Objects IMS(Internet Map Sever)和Arc View IMS, MapInfo公司的Map Xtreme以及网络版的Autodesk等。Internet GIS主要由空间数据库、Internet应用程序及用户界面几个部分组成。

Data Warehousing数据仓库

Data Warehousing的字面意思是建立数据仓库。由于空间数据量非常大，这些数据大都分散在政府和私人机构及公司的各个部门，数据的管理与使用变得非常的复杂。但同时由于这些空间数据具有极大的科学和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据库的建库工作，在这些国家一般都有许多研究机构和政府部门参与到空间数据库建立的研究工作中。目前在北美、欧洲、澳大利亚等国提出了SDI或NSDI的概念。

SDI的全称是Spatial Data Infrastructure，NSDI的含义是National Spatial Data Infrastructure，其字面意思是 (国家)空间数据基础设施。1998年6月份在加拿大首都渥太华召开的第十届国际地理信息工程学术会议更把 SDI作为本次会议的主题，可见国际上对地理空间数据基础设施建设的重视。国家测绘局也积极地推进我国SDI的建设工作，并提出规划模式，部分内容已经在实施当中。

3D GIS

地球以及各种物体都是以三维空间的形式存在的，因此目前二维GIS技术或二维半(平面X，Y坐标加高程)GIS对于完整的描述地球上的对象是有一定限制的。需要用三维空间来描述的应用领域有如下几个方面：气象学、地质学、采矿学、石油勘探与开发、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、医学影像和机器人学等。一个三维 GIS空间信息系统应该能够模拟、表示、管理、分析与三维实体相关的信息，并提供决策支持。

建立大型空间数据库的新方法

GIS系统一般由两个部分组成：其一是应用程序，它包括专门的GIS应用软件以及用标准或非标准程序语言所开发的用户界面及系统工具；另一部分是数据。在GIS系统中，空间数据库的建立是一项非常复杂的工作。目前大多数GIS系统中在处理空间数据和属性数据时都是将两者分开存放和管理。比如在MapInfo系统中用Map来存放几何和空间数据，而用dat来存放空间实体的属性数据；又如在ArcView系统中用Shapefile来存放几何和空间数据而用DBF来存放属性数据。

上述数据管理和存放方式对于小型的GIS系统有一定的优越性，但对于建立以面向对象为基础的大型GIS系统就存在很多缺陷。因此，现在已经出现了一些新型的GIS空间数据库管理系统，这些新的系统将空间数据与属性数据存放在同一个数据库管理系统中。如Oracle开发的SDO和ESRI开发的SDE(Spatial Data Engine)都属于这种类型的空间数据库系统。

GIS与多媒体数据及GPS和RS的数据集成

GIS与多媒体数据及GPS和RS的集成使得基于空间数据的信息管理系统变得更加灵活多样，极大地拓宽了信息来源渠道，方便用户对各种信息的存储与管理，同时能够建立起更加科学的决策系统。

目前在GIS中可以使用多种形式的多媒体数据。比如在ArcView中通过使用hot link或其它工具，可以把Word文件、Excel电子报表、VCD声像资料、摄影像片、卫星影像等纳入到GIS系统中，用户可以根据需要对这些信息进行查询和管理。GIS与GPS和RS的集成问题已被研究了多年目前已进入实用开发阶段。

开放型GIS

目前一种多用户、跨平台的Open GIS技术正在被国外的许多研究机构、政府部门和高等院校所研究和开发利用。开放型GIS的研究和应用使得各政府部门及企业之间不同格式的数据能够方便地互访，有利于网络GIS及分布式GIS空间数据库的建立，使 GIS的应用领域及其功能大大拓宽。