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GIS技术在国内的研究现状及其发展趋势
0 引言
随着计算机技术的飞速发展、空间技术的日新月异及计算机图形学理论的日渐完善，GIS（Geographic Information System）技术也日趋成熟，并且逐渐被人们所认识和接受。近年来，GIS被世界各国普遍重视，尤其是“数字地球”概念的提出，使其核心技术GIS更为各国政府所关注。目前，以管理空间数据见长的GIS已经在全球变化与监测、军事、资源管理、城市规划、土地管理、环境研究、农作物估产、灾害预测、交通管理、矿产资源评价、文物保护、湿地制图以及政府部门等许多领域发挥着越来越重要的作用。当前GIS正处于急剧发展和变化之中，研究和总结GIS技术发展，对进一步开展GIS研究工作具有重要的指导意义。因此，本文就目前GIS技术的研究现状及未来发展趋势进行总结和分析。
1 GIS研究现状及其分析
1.1 GIS研究现状
世纪90年代以来，由于计算机技术的不断突破以及其它相关理论和技术的完善，GIS在全球得到了迅速的发展。在海量数据存储、处理、表达、显示及数据共享技术等方面都取得了显著的成效，其概括起来有以下几个方面[1]：①硬件系统采用服务器/客户机结构，初步形成了网络化、分布式、多媒体GIS；②在GIS的设计中，提出了采用“开放的CIS环境”的概念，最终以实现资源共享、数据共享为目标；③高度重视数据标准化与数据质量的问题，并已形成一些较为可行的数据标准；④面向对象的数据库管理系统已经问世，正在发展称之为“对象——关系DBMS（数据库管理系统）”；⑤以CIS为核心的“3S”技术的逐渐成熟，为资源与环境工作提供了空间数据新的工具和方法；⑥新的数学理论和工具采用CIS，使其信息识别功能、空间分析功能得以增强等等。
在GIS技术不断发展下，目前GIS的应用已从基础信息管理与规划转向更复杂的区域开发、预测预报，与卫星遥感技术相结合用于全球监测，成为重要的辅助决策工具。据有关部门估计，目前世界上常用的GIS软件己达400多种[2].国外较著名的GIS软件产品有[3]：Auotodesk系列产品、Arc/Info、MapInfo及其构件产品、Intergraph、Microstation等，还有Web环境下矢量地图发布的标准和规范，如XML、GML、SVG等等。我国GIS软件研制起步较晚，比较成熟的测绘软件主要有南方CASS，MapGIS，GeoStar，SuperMap等。尽管现存的GIS软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来有二种情况：一是利用GIS系统处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库二次开发用户专用的GIS软件。目前已成功应用包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，GIS的应用遍及环境保护、灾害预测、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随着我国经济建设的迅速发展，加速了GIS应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘、环保、农业等领域发挥r重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。
1.2 当前GIS发展存在的主要问题
基于以上GIS技术现状研究，本文分析认为GIS技术在模型、数据结构等方面存在着不足，一定程度上制约了GIS技术的发展。
（1）数据结构方面存在的问题
目前通用的GIS主要有矢量、栅格或两者相加的混合系统，即使是混合系统实际上也是将两类数据分开存储，当需要执行不同的任务时采用不同的数据形式。在矢量结构方面，其缺点是处理位置关系（包括相交、通过、包含等）相当费时，且缺乏与DEM和RS直接结合的能力。在栅格结构方面，存在着栅格数据分辨率低，精度差；难以建立地物间的拓扑关系；难以操作单个目标及栅格数据存贮量大等问题[4].
（2）GIS模型存在的问题
传统GIS模型是按照计算机的方法对客观世界地理空间不自然的分割和抽象，使得人们认知地理空间的认知模型与计算机中的数据模型不能形成良好的对应关系，难以表达复杂的地理实体，更难满足客观世界的整体特征要求。在GIS软件开发中，如果语义分割不合理，将难以有效表达地理空间实体间的关系，这就导致较深层次的分析、处理操作难以实现。随着GIS应用需求领域的不断开拓及计算机技术的迅速发展，对空间数据模型和空间数据结构提出了更高的要求，使得传统的地理空间数据模型力不从心，逐渐暴露其弊端。
目前，面向对象的数据模型一定程度上解决了传统GIS数据模型的某些不足，但是OODB（面向对象数据库）目前仍未在市场以及关键任务应用方面被广泛接受，因为OODB作为一个DBS还不太成熟，如缺少完全非过程性的查询语言以及视图、授权、动态模式更新和参数化性能协调等；且OODB与RDB之间缺少应有的兼容性，因而使得大量的已建立起来的庞大的RDB客户不敢轻易地去选择OODB.
（3）其他方面亟待解决的问题
当前，GIS正处在一个大变革时期，GIS的进一步发展还面临不少问题，主要表现在以下几个方面[5]：①GIS设计与实现的方法学问题。在GIS设计与实现过程中缺乏面向对象的认知方法学和面向对象的程序设计方法学的指导，导致GIS软件系统的可靠性和可维护性差；②GIS的功能问题。当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS，不能满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力；③三维GIS模型及可视化问题。目前大多数GIS软件的图形显示是基于二维平面的，即使是三维效果显示也是采用DEM的方法来处理表达地形的起伏，涉及到地底下真三维的自然和人工现象显得无能为力。
2 GIS未来发展趋势
2.1数据管理方面
（1）多比例尺、多尺度和多维空间数据的表达[6]
对于多比例尺数据的显示，将运用影像金字塔技术、细节分层技术和地图综合等技术；而为了实现GIS的动态、实时和三维可视化，出现存储真三维坐标数据的3D GIS和真四维时空GIS，这其中涉及了空间数据的海量存储、时空数据处理与分析以及快速广域三维计算与显示等多项理论与技术[7].
（2）三库一体化的数据结构方向
空间数据库向着真正面向对象的数据模型和图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库三库一体化数据结构的方向发展[8].这种三库一体化的数据结构改变了以图层为处理基础的组织方式，实现了直接面向空间实体的数据组织，使多源空间数据的录入与融合成为了可能，从而为GIS与遥感技术的集成创造了条件。
（3）基于空间数据仓库（Spatial Data warehouse）的海量空间数据管理的研究
空间数据量非常大，而且数据大都分散在政府、私人机构、公司的各个部门，数据的管理与使用就变得非常复杂，但这些空间数据又具有极大的科学价值和经济价值，因此大多数发达国家都比较重视空间数据仓库的建立工作，许多研究机构和政府部门都参与到空间数据仓库建立的研究工作。
（4）利用数据挖掘技术进行知识发现
空间数据挖掘是从空间数据库中抽取隐含的知识、空间关系以及其他非显式的包含在空间数据库中但以别的模式存在的信息供用户使用，这是GIS应用的较高层次。由于目前空间数据的组织与管理仍局限于二维、静态、单时相，且仍以图层为处理基础，因此，当前的GIS软件和空间数据库还不能有效地支持数据挖掘。
2.2技术集成方面
（1）“3S”集成
“3S”是GPS（全球定位系统）、RS（遥感）和GIS的简称，“3S”集成是指将遥感、空间定位系统和地理信息系统这三种对地观测技术有机地集成在一起。地理信息是一种信息流，RS、GPS和GIS中任何一个系统都只侧重于信息流特征中的一个方面，而不能满足准确、全面地描述地理信息流的要求。因此，无论从物质运动形式、地学信息的本质特征还是“3S”各自的技术特征来说，“3S”集成都是科技发展的必然结果。
目前，“3S”集成还仅限于两两结合方式，这是“3S”集成的初级和基础起步阶段，其核心是GIS与RS的结合。这种两两结合虽然优于单一系统，但是仍然存在以下缺陷。将“3S”进行集成从而形成一体化的信息技术体系是非常迫切的。这种集成包括空基“3S”集成和地基“3S”集成，即在硬件方面建立具有同步获取涉谱数据和空间数据的高重复观测能力的平台，而在软件方面使GIS支持数据封装，同时解决图形和图像数据的统一处理问题。
（2）GIS与虚拟现实技术的结合
虚拟现实（Virtual Reality）是一种最有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术，是当代信息技术高速发展和集成的产物。从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，通过计算机建立一种仿真数字环境，将数据转换成图形、声音和接触感受，利用多种传感设备使用户“投入”到该环境中，用户可以如同在真实世界那样“处理”计算机系统所产生的虚拟物体。将虚拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，GIS用户在客观世界的虚拟环境中能更有效的管理、分析空间实体数据。因此，开发虚拟GIS已成为GIS发展的一大趋势。
（3）分布式技术、万维网与GIS的结合[9]
目前，随着Internet技术的迅猛发展，其应用已经深人到各行各业，作为与我们日常生活息息相关的GIS也不例外，它们的结合产生了web GIS.当前Web GIS系统已经得到迅速的发展，到1999年1月，仅在美国出现的这类系统就有23种之多。又由于客户端可能会采用新的应用协议，因此也被认为是Internet GIS.
计算机网络技术的飞速发展，分布式计算的优势日益凸显，GIS与分布式技术结合也就成为必然，它们的结合即构成了分布式CIS.它就是指利用最先进的分布式计算技术来处理分布在网络上的异构多源的地理信息，集成网络上不同平台上的空间服务，构建一个物理上分布，逻辑上统一的GIS.它与传统GIS最大的区别在于它不是按照系统的应用类别、运行环境划分的，而是按照系统中的数据分布特征和针对其中数据处理的计算特征而分类的。
（4）移动通信技术与CIS的结合发展[10]
WAP/WML技术作为无线互联网领域的一个热点，已经显示了其巨大的应用前景和市场价值。WAP柳ML技术与GIS技术的结合产生了移动GIS（Mobile GIS）应用和无线定位服务LBS（Location一basedServices）。通过WAR/WML技术，移动用户几乎可以在任何地方、时间获得网络提供的各种服务。无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里。大多数的分析家都认为，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性所决定。
当前用于地理信息交互的语言还不足以完成真正的“设备无关接口”的互操作。各种移动设备对于从地理信息服务器所获得的信息，其表现方式是各不相同的，用户输人方式也不相同。因此，对于不同的移动设备需要一种统一的标记语言。无线定位服务将提供一个机会使GIS突破其传统行业的角色而进人到主流的IT技术领域里：大多数的分析家都认为，到2010年，无线网络将成为全球数据传送的主要途径。GIS的未来将会由其机动性所决定。
（5）GIS与决策支持系统（DSS）的集成[11]
决策支持系统（Decision Support System，简称DSS）是以管理学、运筹学、控制论、行为科学和人下智能为基础，运用信息仿真和计算手段为基础，综合利用现有的各种数据库、信息和模型来辅助决策者或决策分析人员解决结构化和半结构化问题，甚至非结构化问题的人机交互系统。
目前，绝大多数的GIS还仅限于图形的分析处理，缺乏对复杂空间问题的决策支持，而目前绝大多数的DSS则无法向决策者提供一个友好的可视化的决策环境。因此，将GIS与DSS相集成，最终形成空间决策支持系统（SDSS），借助GIS强大的空间数据处理分析功能，并在DSS中嵌入空间分析模块，从而辅助决策者求解复杂的空间问题，这是GIS应用向较高层次的发展。其中SDSS中知识的表达、获取和知识推理以及模型库、知识库、数据库三库接口的设计是哑待解决的关键问题。
2.3 发展历程方面
自20世纪60年代世界上第一个GIS——加拿大地理信息系统（CGIS）问世以来，经过40年的发展，GIS经历了三个阶段的发展。目前，随着第三代互联网的提出与实施，以及计算机技术、数据库技术的飞速发展，GIS即将步入第四代GIS发展阶段。
第四代GIS软件将在数据组织、存储、检索和运算等方面发生革命性的变革。数据组织应该是面向空间实体的，空间位置只是实体众多属性中的一类，它应和其它属性有机地组织在一起并统一存放：“关系”概念和“关系运算”应该加以扩充，应该包括空间关系及其运算；传统的结构化查询语言应该扩充，把空间关系及其查询包括在里面；以倒排表为基础的数据库索引机制应该扩展，建立至少包括拓扑关系在内的新的索引机制；数据存储机制应该适应空间数据提取和计算的要求等。只有实现数据真正的一体化存储和处理，才能自由地、方便地、快速地实现人们所期望的处理功能。在功能上，第四代GIS软件应该具备支持数字地球（区域、城市）的能力，成为OS、DBMS之上的主要应用集成平台，它具有统一的海量存储、查询和分析处理能力、一定的三维和时序处理能力、强大的应用集成能力和灵活的操纵能力，且具有一定的虚拟现实表达。
3 结束语
通过以上对GIS现状及发展趋势的分析，可以看出，GIS作为信息产业的重要组成部分，正以前所未有的速度向前发展。把握当前GIS的技术发展现状及不足，有利于人们预见GIS的发展趋势，站在更高更远的角度去扬长避短，较好地促进GIS技术的快速发展。随着地理信息系统产业的建立和数字化住处产品在全世界的普及，GIS将深人到各行各业以至千家万户，成为人们生产、工作、学习和生活中不可缺少的工具和助手。
地理信息系统
地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学和地图学等多门学科的交叉，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法实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。
从表现形式来看，GIS表现为计算机软硬件系统，其核心是管理、计算、分析地理坐标位置信息及相关位置上属性信息的数据库系统。它表达的是空间位置及所有与位置相关的信息，所以，GIS又是地球空间实体的再现和综合，其信息的基本表达形式是各种二维或三维电子地图。因此，GIS也可简单定义为“用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”。
（一）GIS发展简史
GIS最早起源于20世纪60年代“要把地图变成数字形式的地图，便于计算机处理分析”这样的目的。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了GIS这一术语，并建成世界上第一个GIS（加拿大地理信息系统，CGIS），用于自然资源的管理和规划。那时的GIS注重于空间数据的地学处理。
20世纪70年代以后，随着计算机软、硬件水平的提高，以及政府部门在自然资源管理、规划和环境保护等方面对空间信息进行分析、处理的需求，GIS得到了巩固和发展。
进入20世纪80年代，GIS的应用领域迅速扩大，商业化的软件开始进入市场，其应用从基础信息管理与规划转向空间决策支持分析，地理信息产业的雏形开始形成。
20世纪90年代以后，伴随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，GIS的应用也日趋深化和广泛，在国土资源、农业、气象、环境、城市规划等领域成为常备的工作系统。尤其是1998年“数字地球”的概念被提出以后，GIS在全球得到了空前迅速的发展，广泛应用于各个领域，产生了巨大的经济和社会效益。
我国GIS的发展自20世纪80年代初开始，以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个GIS研究室为标志，经历了准备(1980～1985年)、发展(1985～1995年)、产业化(1996年以后)3个阶段。尤其是近年来，国内出现了不少优秀的GIS软件。
（二）GIS的最新发展
1.日趋与计算机信息技术融合
近年来随着计算机软、硬件技术和通信技术的高速发展，GIS技术也得到了迅速的发展和更广泛的应用，并日趋与主流IT技术融合，成为信息技术发展的一个新方向。
GIS发展的动力一方面来自于日益广泛的应用领域对GIS不断提高的要求；另一方面，计算机科学的飞速发展为GIS提供了先进的工具和手段。许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可以直接应用到GIS中；同时，由于空间技术的迅猛发展，特别是遥感技术的发展，提供了地球空间环境中不同时相的数据，使GIS的作用日渐突出，GIS不断升级并能提供存储、处理和分析海量地理数据的环境。
组件式GIS技术的发展使之可以与其他计算机信息系统无缝集成、跨语言使用，并提供了无限扩展的数据可视化表达形式。
2.动态、多源、多维、网络化
最新GIS技术将逐渐摆脱先前的主要处理静态的、二维的、数字式的地图技术的约束，而从传统的静态地图、电子地图发展到能对空间信息进行可视化和动态分析、动态模拟，支持动态的、可视化的、交互的环境来处理、分析、显示多维和多源地理空间数据。其中，可视化仿真技术能使人们在三维图形世界中直接对具有形态的信息进行实时交互操作；虚拟现实技术以三维图形为主，结合网络、多媒体、立体视觉、新型传感技术，能创造一个让人身临其境的虚拟的数字地球或数字城市。
先进的对地观测技术、互操作技术、海量数据存储和压缩技术、网络技术、分布式技术、面向对象技术、空间数据仓库、数据挖掘等技术的发展都为GIS的发展和创新创造了新的手段。
（三）第四代GIS技术
随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网络和数据挖掘等主流IT技术的发展，在科技部有关部门的倡导下，目前国内学术界又提出了第四代GIS技术的概念。第四代GIS技术将主要有如下特点：
（1）支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现，从二维向多维发展，从静态数据处理向动态数据处理发展，具有时序数据处理能力。
（2）基于网络的分布式数据管理及计算、WebGIS和B/S体系结构，用户可以实现远程空间数据调用、检索、查询、分析，具有联机事务管理（OLTP）和联机分析（OLAP）管理能力。
（3）面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合，具有矢量和遥感影像数据互动等多源数据的装载与融合能力，可实现多尺度比例尺数据无缝融合与互动。
（4）具有统一的海量数据存储、查询和分析处理能力及基于空间数据的数据挖掘和强大的模型支持能力。
（5）具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与MIS、ERP、OA等各种企业信息化系统的无缝集成；微型、嵌入式GIS与各种掌上终端设备集成，如PDA、手机、GPS接收设备等。
（6）具有虚拟现实表达及自适应可视化能力，针对不同的用户出现不同的用户界面及地图和虚拟现实效果。
（四）GIS的应用
人类使用的信息中有80%与地理位置和空间分布有关，所以GIS具有非常广泛的应用。目前，GIS已经比较成熟地应用于军事、自然资源管理、土地和城市管理、电力、电信、石油和天然气、城市规划、交通运输、环境监测和保护、110和120快速反应系统等。
今后，GIS的应用将在市场分析、企业客户关系管理、银行、保险、人口统计、房地产开发、个人位置服务等领域得到广泛的应用，这些领域将是GIS产业发展的新的增长点。实际上，GIS的应用将加速度地深入人们的工作和生活的各个方面。GoogleEarth的流行就是GIS技术深入到日常生活每一个角落的明证。
由于地理信息在人类生活和国民经济中的重要作用，GIS在未来的几十年中将保持高速发展的势头，成为IT高科技领域的核心技术。
近几年来，随着移动通信技术的发展，GIS的应用范围迅速扩展到人们的日常生活中。集成GIS、GPS、GSM的技术已开始广泛应用于车辆安全防范系统和调度系统，为人们提供车辆反劫防盗、报警、道路指引、医疗救护以及在此系统平台基础上扩展各种电子商务增值服务。
以医疗救护为例，当患者向监控中心请求急救时，监控中心可以从GIS电子地图上查看到患者的具体位置，并同时搜索最近的急救车辆，让最近的车辆前去接患者。患者进入救护车后，监控中心可以通过双向通话功能，指导救护车上的医生实施救护治疗，同时通过GIS的最优路径功能，给救护车指引道路，使其以最快的速度到达医院或急救中心。而在救护车行进的过程中，患者的家属可以通过互联网立即上网查询救护车的行进位置及患者的状态信息。通过GIS，并结合GPS和GSM无线通信及网络，使患者、家属、救护车及医生之间建立了无缝沟通体系，最终使患者能得到快速、及时的治疗。
如果在车辆移动目标、家居固定点目标、重点保护单位甚至路灯上都安装了GPS、GSM或其他无线通信设备，那么我们在城市生活中，无论是开车、行走或者是在单位、在家里，都可以通过由GIS、GPS、互联网以及无线通信技术构成的综合服务系统获得急救、报警和各种商务服务，真正使我们处于立体的、全方位的数字化生活中，体验数字空间高科技价值。
GIS、RS、GPS等构成的空间信息技术将是未来发展最快的、最激动人心的领域之一，它结合通信及其他IT技术，为人类展现了一种全新的工作和生活模式（A.R.Mermut,H.Eswaran，2001)。当利用最新的GIS技术把城市、国家乃至整个地球都高度浓缩到计算机屏幕上的时候，人类对自己的命运和未来就有了更充分的把握。
（五）GIS与土地管理
GIS早已不限于地理学研究和应用的领域，目前已与各行各业和我们的日常生活产生了千丝万缕的联系，更重要的是它的应用领域还在不断扩大，甚至可触及企业信息化的过程中。
GIS应用于土壤科学的研究，它是现实世界的一个模型和模拟实现。土壤资源信息可以在GIS系统中进行存取、变换和对话式操作，作为土壤资源分类、评价、规划、管理与利用决策的依据，为土壤资源可持续利用服务。GIS应用于土壤学研究的各个方面，包括：①土壤制图技术及土壤采样技术；②土壤侵蚀预测与评价；③土壤资源污染与防治；④土壤养分流失评价；⑤土壤资源评价和管理；⑥作物生长模拟等。具体如1983年美国土壤保持局开发出农用土地评价和用地估计系统，系统中的农用土地评价包括土壤生产力的分等定级、土壤适宜性评价、土壤生产力潜力评价。1989年美国土壤保持局运用土壤信息系统保护土壤生态环境，控制土壤污染。1990年土壤侵蚀预测模型在土壤信息系统中已经能够成功运用，主要采用的分析手段有土壤侵蚀诺漠图、微机软件图、小溪河岸侵蚀诺漠图。
1.建立为农业生产服务的应用系统
如日本的农耕地土地资源信息系统，它包括了土壤信息系统、作物栽培试验信息系统、农业气象信息系统等子系统；保加利亚的计算机农业综合管理系统从20世纪80年代初开始运行。
进入20世纪90年代，GIS在土壤学研究领域的应用方面继续拓展，其作用和地位日益受到关注。从1994年开始的第15、16、17届国际土壤大会上持续讨论了土壤信息系统在持续农业和全球变化中的应用、土壤数据库的结构和联网等有关问题。同时，在应用上进一步趋向农业实际生产，直接服务于农场管理和经营，如进行农业技术咨询、牧场水源选点、作物生产管理、机械化施肥等方面。
中国的土壤工作者于20世纪80年代中期也开始进行土壤数据库建立、土壤信息系统的研制和应用工作。1986年底，北京大学遥感中心等主持了土壤侵蚀信息系统研究，建立了区域土壤侵蚀信息系统，这是我国较早关于土壤信息系统方面的研究。1989年，南京土壤研究所用两年时间研究了1∶50万东北三江平原土壤信息系统土壤图与数据库的建立；1990年，又研究了1∶5万江西红壤生态站土壤信息系统土壤侵蚀图；1991年，在“利用信息系统技术编制土壤退化图”研究中，应用从土壤土地数据库建立到土壤退化评价方法等一系列现代信息系统技术，编制出了实验区的土壤水蚀危害和风蚀评价图；1992年，又基本完成了海南岛土壤和土地利用信息库及信息系统制图工作。1991年，中国科学院沈阳应用生态研究所主持了“区域微机土壤信息系统的建立与应用”研究，在吉林省农安县的试验结果表明，这是一个简单但实用的土壤信息系统。1999年，胡月明等运用基本土壤数据库建立了红壤分类和评价的信息系统。
2.预测土壤空间变化及分布
由于GIS技术在土壤制图中的深入应用，怎样更准确地由有限的单个点位的土壤原始数据分析土壤属性的空间分布成为关注的焦点。具体来说，由于土壤数据库的信息来源于土壤分类、分色制图及制图的综合，产生了土壤空间分异类型的位移，而现代GIS技术又要求大量信息源，因此许多土壤科学家将兴趣集中到土壤空间变异性正确表达（即土壤图在GIS中的正确表达）的研究上。
（1）地形分析。Morre、Bourennane、Gessier和Oden等的研究均表明，某地区土壤属性与该地区的地形地貌特征和景观位置有明显的相关性，也就是与土壤的成土过程密切相关，可用下式表示：
中国耕地质量等级调查与评定（广东卷）
式中：
Si——土壤属性如土壤厚度、pH等；
i——由气候、母质、地貌历史、植被等因素决定的某地区海拔、坡度、坡形凹凸、水流长度和特定流域面积等原始地形数据可以通过一定精度的DEM计算出，复合地形数据，可以依经验判断或根据描述下垫面的物理发生过程的方程式进行简化。DEM可以由GIS技术生成，所以GIS的应用和地形分析可以提高土壤属性空间分布预测的精度。
（2）地质统计学与GIS的结合。GIS在存储、查询和显示地理数据方面发展得相当快，但在提供空间分析模块方面则发展得较慢。由于缺少通用的空间分析模块，使得GIS在解决某些空间问题中的应用受到很大的限制。
地质统计学是由南非矿山地质工程师D.G.Krige于1951年提出的，因此这一理论也以“克里格法”（Kriging）来命名，并由法国地质学家Dr.Matheron于1962年完善并创立。该学科在矿产储量研究方面起到了巨大作用。这是一种求最优、线形、无偏内插估计量值的方法（BLUE），在充分考虑信息样品的形状、大小及其与待估块段相互间的空间分布位置等几何特征以及品位的空间结构以后，利用变异函数（Varigram）为工具，对每一样品值分别赋予一定的权系数，加权平均来估计块段品位。
国内外土壤科学家已广泛地应用克里格法来预测非采样点的土壤属性，常用的方法有普通克里格法（OK）、泛克里格法（UK）、指示克里格法（IK）、协同克里格法（CK）、回归克里格法（RK）、点克里格法（PK）、块克里格法（BK）等。他们的研究还表明，在应用克里格法建立模型的时候，综合应用土壤和土地信息，如土壤分类、参比地区土壤属性、坡度、高程等，可以大大提高克里格法的插值精度，还可以降低由于测定大量样品而需要的成本，也可以减少由于样品点太少而带来的误差。我国从20世纪80年代开始利用克里格法研究土壤参数的空间变异性，2000年以后在这方面的报道已经越来越多。
近几年来，一些学者开始研究地质统计学和GIS之间的相互关系，并在GIS软件中提供一些空间分析功能。例如，美国圣巴巴拉NCGIA的SAN模型提供了在ArcGIS软件中计算和显示空间自相关和其他空间量的功能，二者的相互结合一方面可以大大加强GIS的分析功能，使大量数据所隐含的空间信息得以表达，发挥更大的作用；另一方面，也可以增强空间分析的能力。考虑到空间分析技术目前的发展十分迅速，新理论不断出现，空间分析模块已经成为GIS中的必选模块。
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