Web GIS的演變: 發展階段、趨勢和方向
摘要：
網路製圖和地理空間信息在線使用在過去幾十年中發展迅速。世界上幾乎每個人都使用地圖信息, 不管一個人是否意識到這一點。現在幾乎每部手機都有定位服務, 地球上的每一個事件和物體都有一個位置。由於網際網路的發展, 這一地理空間位置數據的使用迅速擴大。大量的地理空間數據可以在網上獲得,並用於網路應用程序和地圖, 以便查看、分析、建模和模擬。本文回顧了 webGIS的發展, 從第一張靜態在線地圖圖像到當前高度互動的多來源 web 地圖服務, 這些服務已越來越多地轉移到雲計算平臺。webGIS實現了地理空間信息、人員和功能三個組成部分之間的集成和在線交互。本文結合技術發展情況, 試圖研究這些組成部分之間的趨勢和相互作用，最後探討一些機會和方向。
一、歷史沿革
美國副總統戈爾1998年關於數字地球技術的講話提高了人們對地理空間信息的價值及其在網上提供和全球許多用戶可以查閱的必要性的認識。戈爾的願景是利用技術和人, 在虛擬地理空間和時間中產生沉浸式的視覺體驗, 以瞭解我們的地球。他指出了對開展虛擬外交、打擊犯罪、保護生物多樣性、預測氣候變化和提高農業生產力等應用的關注。有趣的是, 在過去的二十年裏, 技術和協作環境得到了巨大的發展, 將人和信息結合在一起, 包括數字地球、高速通信網路、移動無線網路、基於位置的服務、雲計算和 Web GIS。然而, 我們仍然面臨許多挑戰和障礙, 包括將信息連接到地理位置周圍, 分析和處理大地理空間數據, 發現和解釋智能信息, 沉浸式瞭解我們的數字地球, 利用眾包機會, 並以可視化和易於理解的方式向全球公眾傳播信息。自網路開始和1994年第一次萬維網會議以來, 信息與人之間的相互作用發生了巨大的變化。現在的網路不僅僅是一種開發中的內容技術, 而是涉及到生成內容、交流和協作。
新的用戶需求不斷發展, 這在進一步的技術開發中得到了滿足, 這反過來又導致了更廣泛的使用, 並增加了用戶的需求, 從而形成了技術開發和用戶應用程序增長和擴展的迭代週期。此外, 從技術角度來看, 在網上提供地圖的方法和工具發生了巨大變化。Web GIS應用程序的早期起源是 "簡單" 的工具, 允許機構和個人發布地圖, 用戶選擇僅限於瀏覽、縮放、平移和關閉圖層。用戶雖然是數據的主動讀者, 但在將信息上傳到地圖和進行空間分析卻是被動的。如今, Web GIS應用程序引入了更廣泛的功能, 包括傳統桌面 GIS 提供的功能, 但在仍在擴展, 以納入不斷增長的應用程序需求, 並具有能夠共享內容的優勢和分析網路地圖數據的能力。在本文中, 我們要概述 Web GIS的演變, 同時考慮到設計人員 (專家、科學家) 和用戶 (新手和偶爾用戶) 的觀點。
二、Web GIS的內涵
什麼是Web GIS？除了公認的科學和技術定義外, 我們可以參考維基百科提供的內容, Web GIS中包含了三個基本要素: 地理數據地理信息及其可視化 (地圖)、地理空間軟體和互聯網。Web GIS 是最常見的在線 GIS 形式，網路地圖的開發是在網路創建後立即開始的, 主要是以已發布的在線地圖的形式, 其中 PARC 地圖查看器是第一個基於 web 的地圖,到如今Web GIS已經達到了二十年前無法想像的水平, 這主要歸因於 web 技術的進步。
在 web 的開發方面, web 通常由不同的作者使用四代稱為 web 1.0 到 web 4.0 (及更高版本) 來識別。 一代又一代的一般 web 開發為 web GIS開發奠定了基礎, 它經歷了一些不同但相互關聯或重疊的階段。
三、發展階段
早期的 web GIS經歷了靜態地圖發布、靜態 web GIS和互動式 web GIS等階段。 近年來，以下三大因素構成了早期web GIS發展的基礎：一是在免費衛星圖像的發布和重大災害事件發生的推動下, 利用測繪和地理信息系統技術來管理和應對此類事件，使得公眾對地理信息系統的認識顯著提高；二是新的互聯網技術, 即 AJAX 和地圖瓦片技術的產生， 兩者都側重於減少網路地圖的響應時間。三是基於無線網路的位置服務， 使用戶能夠移動地訪問地理信息系統和製圖技術。
根據支撐地圖的技術類型確定了五代網路地圖。第一代地圖是靜態地圖, 如施樂公司 parc 地圖伺服器首創的地圖。它們是嵌入在 HTML 文件中的靜態地圖, 通過超鏈接進行簡單的點擊訪問。超鏈接為用戶選擇要查看的地圖。下一代包括使用 Java 和 ActiveX 動態創建的動態 HTML 地圖, 當時的地圖用戶界面開始顯示類似於 GIS 介面。但是, 功能僅限於地圖瀏覽和簡單查詢。第三代 web GIS是由非同步 JavaScript 和 XML (AJAX) 技術的發展推動的, 該技術縮短了響應時間, 並為用戶與地圖的直接交互鋪平了道路。這就為開放服務應用程序編程介面 (Api) 提供了途徑, 在 mashups 的生成過程中, 可以訪問這些介面並將其與用戶貢獻的數據結合起來。最後, 第四代聚焦於虛擬地球球體, 如美國宇航局世界風、谷歌地球和微軟必應, 這些都為用戶提供了更逼真、更身臨其境的三維地球體驗。這些覆蓋全球數字圖像的首批公共網路服務的出現, 打開了通過互聯網繪製到全世界公共地圖的地理空間世界。其生成地圖的能力遠遠超出了一小羣 web 開發人員和製圖專家的範圍。建立在雲計算、豐富的互聯網應用 (RIA) 和眾包基礎上的第五代，用戶可以訪問雲計算資源和服務, 而不是專註於獲取足夠的硬體資源和下載桌面軟體, 其中現在包括, 例如, 亞馬遜雲存儲和 web 服務, Microsoft Azure 雲和 ESRIArcGIS 在線。
網路首先以文件網路的身份出現, 然後轉變為人們的社交網路, 現在發展成為數據和社交的網路。網路的後一個過渡側重於涉及人和數據的更強有力的聯繫, 即圍繞信息和知識的人與人之間的互動, 其中包括協同製圖、基於位置和移動的活動、動態進程和在地理環境中的互動等。隨著 Web 技術 的不斷發展, 包括在地理空間領域的發展, 人們仍然在猜測未來的 web 開發可能包含哪些內容。人們越來越關注與自動化和半自動決策的人機交互。
四、發展趨勢
在過去幾十年中, 網路地圖的發展經歷了一些重要階段，每個階段對網路地圖的使用和進一步發展產生了重大影響。這些發展涉及技術和用戶，開發中的技術通過提供共享平臺 (靜態和雲時代)；改善對數據請求的響應時間 (動態、服務和互動式時代)；為數據訪問提供更豐富的界面 (來影響數據的可訪問性）；基於地球、移動、定位及智能, 支持數據、功能和服務生成 (互動式、數字地球、LBS、智能化)。通過分析各個階段的發展和進步, 可以收集到某些趨勢, 從而產生潛在的方向, 從而確定 web GIS 的未來。
數據從桌面環境轉移到雲中。在網路製圖的早期時代, 地理空間數據和地圖是由專業人員生成的 (例如, 地理信息系統數字化、測量、攝影測量和遙感), 所捕獲的數據量相對較小受到低數據的限制計算機網路帶寬和基礎設施。雲計算時代, 越來越多的數據被捕獲並存儲在雲中的某個地方, 越來越多的通過 IoT 在線的設備開始向網路貢獻更多的數據, 包括基於位置的數據。數據從桌面環境轉移到雲中的趨勢, 以及通過移動、感測器和社交媒體通信平臺捕獲的數據量不斷增加。在這些數據中, 很大一部分是地理空間圖像和特徵。2014年, google 地圖每月擁有超過10億用戶, 佔全球互聯網用戶的 41%。
網路地理空間數據功能的廣度和複雜性在網路製圖時代得到了廣泛的發展。從簡單的靜態地圖開始, 作為在線圖像, 已經發展成為具有全方位 GIS 功能的 Web GIS 系統。隨著互動式和協作 web 映射時代的發展, 用戶不僅能夠檢索, 而且能夠使用非同步客戶端/伺服器技術捕獲、編輯、存儲和分析地理空間數據。網路地圖服務時代為地圖伺服器提供了不僅是地圖圖像服務, 還提供地理空間數據和處理服務的途徑。這使得 GIS 功能能夠在線提供, MapQuest 的情況就是如此。
數字地球的發展將地圖瓦片技術引入高度互動的2D 和3D 地理瀏覽器。基於雲的技術的發展為在線託管數據和功能提供了基礎設施, 帶來了 web 製圖和 Web GIS 的快速發展。通過在雲中實施 web 資料庫和地理處理服務的體系結構, 可以將更多的 GIS 功能集成到一個真正的 Web GIS 在線平臺中, 使全球用戶更容易訪問。
新興的在線地圖和 GIS 環境開始為增加用戶共享、協作和基於團隊的內容提供提供更多支持, 包括實時共享環境, 同步不同位置的協作者同時進行地圖共享和地理處理。
越來越多的數據、信息和知識被捕獲和派生, 這就需要加強管理、功能、分析和建模。對網路地圖和地理空間應用的方向和未來意味著什麼？ 網路上的數據和信息數量繼續激增, 其來源包括航空和衛星圖像、眾包數據、在線資料庫、感測器、來自物聯網的數據源。數據在未來幾年將是如此重要, 以至於 "不智能地使用數據的組織將無法生存" 。Web GIS將繼續是數據科學的一個重要組成部分, 因為位置 (space/time) 是事件的基本關鍵, 可視化仍將是解釋和鏈接數據、信息、知識和信息的最有力工具之一。
五、總結
隨著全球地理空間網路用戶數量的日益飽和, 未來的用戶數量將越來越多, 而這些用戶使用的應用程序也越來越多。越來越多來自更多樣化學科的應用程序和應用將使用整合在其業務和消費者工作流程和決策過程中的地理空間信息。未來發展的挑戰是在一個綜合、可視化甚至自動化的環境中提供信息和知識, 使消費變得容易和透明。因此, 這個集成的、可視化的環境會是什麼樣子呢？
根據一些特徵可以幫助定義這種環境, 即真實、協作和個性化。這意味著用戶將參與並沉浸在他們可以聯繫的環境中, 並且與他們的問題或決策相關。無論其地理位置如何, 他們都將能夠與他人接觸, 並在聯合項目和任務中進行合作。他們將能夠訪問與他們手中的查詢和任務相關的信息。要做到真實, 地理空間網路環境必須讓用戶參與並沉浸在涉及現實世界流程、問題解決和決策的逼真3D和4D 體驗中，在這種環境中, 用戶參與了空間和時間方面的共享應用。
地理空間網路環境也將在未來對用戶更加個性化和智能化。個性化包括瞭解用戶的要求以及他們所涉及的應用程序和任務的要求。來自不同學科和不同視角的不同背景和技能水平的用戶將能夠交談和參與一個集成的、個性化的和富有語義的環境。用戶不斷想要更好的信息, 集中和過濾他們的需求, 並根據他們的知識和技能水平定製。這意味著, 網路製圖和地理信息系統和服務需要更加智能、高效和重點突出, 以便在知識、智能和智慧層面支持用戶和應用程序。
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