地理信息系统:寻找GIS中的“科学”
尽管诸如Google Earth(谷歌地球)和Bing Maps(必应地图)等流行的服务已经使人们熟知了地理信息系统(GIS)的基本功能，然而进行科学研究时还是需要更强大的工具来辅助。本文中Paul Schreier就为我们描绘出了GIS产品领域的亮点。
《科学计算世界》：2010年四/五月刊
我们中间还有谁没用Google Earth或者Bing Maps(前身是Microsoft Virtual Earth)看过我们的家园，我们的社区或者一些有趣的建筑物？目前通过自己的电脑，我们已经不仅仅能获得街道图，还能获得各种航拍影像、卫星影像、3D城市模型以及地形图。这些服务使用户能非常容易地将自己的数据点或图层叠加于原图之上来显著地标识出所关注的内容。在刚刚过去的一两年中，这些web服务已经使得地理空间技术和应用程序为大众所广泛认识与大量使用。
欢迎您来到GIS（地理信息系统）的世界！GIS的一个简单化定义是：“将数据绘制到地图上，使人们更容易发现其中的规律或趋势”，但这提到的只是成熟GIS系统实际工作中的一点皮毛而已。
与这种简单定义相反，GIS是一个获取、管理、操作以及可视化地理信息的平台。该平台汇集了不同应用领域和科学领域的信息（如物理学，社会学，文化领域和设计领域），并通过对制图和对空间关系、模式的建模将跨学科的地理知识整合到一起。GIS是整合各种不同类型数据的粘合剂。它能够让你通过地图来观察和分析数据，这样可以揭示一些在表单数据中并不明显的模式、关系和趋势。如果没有GIS，对可观测到的事件搜集大量信息，再建立起关于模式和过程的理论并进行检验是几乎不可能办到的。我们也可以将以上观点用ESRI首席科学工具软件开发人员Steve Kopp的话总结一下：“GIS基本上是从你已有的数据中创造新的数据。GIS的传统作用是确定一个最好的地方来放置某物或寻找某物，类似的技术也非常适用于科学应用。”
GIS长久以来被应用于*部门做城市规划和公共工程方面（例如，确定哪里安放移动电话天线能够获得最好的覆盖面）。在科学领域，GIS的应用范围也很广泛，例如全球气候变化研究，太阳能电池板的位置与效率研究，流行病学研究，石油/天然气勘探，甚至考古学中都有应用。
GIS的公众形象
GIS最直观的表现就是电子地图绘制，通过免费web服务进行地图绘制已成为人们最熟知的应用。我们看看Google Earth就能了解这种情况，Google Earth是Google在2004年收购Keyhole公司开发的EarthViewer 3D后推出的一项服务。在其免费版本中，用户能够查看鸟瞰图，保存位置信息并与其他人分享。如果企业将Google Earth用作外部用途，则需要Google Earth Pro(谷歌地球专业版)的许可证，该版本允许用户进行数据导入、高分辨率图像打印以及半径/面积量测等操作。Google Earth Enterprise(谷歌地图企业版)则主要是面向拥有地理空间数据库的组织，该版本的设计是在公司自己的服务器上运行，并给予公司内所有用户Google Earth的访问权限。
尽管Google Earth的操作界面方便简洁，许多用户仍然使用Keyhole标记语言(KML)来将操作自动化。KML是一种由开放地理空间联盟（OGC）维护的XML语言，可用在各种基于互联网的二维地图和三维数字地球浏览器中。KML主要用于地理信息可视化，同时还涵盖了对地图和图像的注记操作。通过几行代码你就能设置位置标记，而其他一些KML函数则能够处理地面叠加层，创建路径和创建多边形的操作。
像Google Maps这样的服务为大众提供了低廉而便捷的渠道来接触地理信息，正如前伯明翰城市大学副校长、GIS软件公司ESRI前任首席科学家David Maguire所说，这种形式在某种程度上重新定义了什么是GIS。Google Maps仅仅是提供一些低成本的底图，而通过这些图，人们就能够观察整个世界。这种形式吸引了大量的用户群，并对整个GIS产业产生了重大影响。但是，如果Google和微软仅提供这项业务，那么他们一定会破产，事实上恰恰相反，这些服务对他们来说只是一种“超级营销工具”，目的是借此来推动他们的其他业务。
远不止是制图
一个商业GIS系统不仅仅是让用户能在空间中观察不同的点，还能让用户为这些点赋予一定的意义。这种系统是由三个主要部分组成的：信息系统或者数据库、分析框架、制图/可视化组件。Maguire用金融软件为我们作了一个形象的类比：如果仅仅想使用一些基本功能，那么您使用表单程序即可，但是对于那些希望做严密的企业资源规划，客户关系管理以及产品周期管理的用户来说，他们会选择更高级的软件包，如SAP。同样，Google Earth和Bing Maps为我们提供了基本的功能，但在处理一些复杂事务时，您还是会使用商用GIS软件包。
这个多视图的图像是由Manifold制作的，分别展示的是Bing Maps卫星影像（左上），以斜线表示圣安德烈斯断层的数字高程图（左下）等高线图（中）以及等高线与Bing Maps影像的叠加影像（右）
即使有供消费者使用的地图作为背景图，科学家还是需要将自己的数据进行存储和分析，并与其他数据以一种有意义的方式关联起来。由于GIS的核心是它的数据库，数据库提供商Oracle(甲骨文公司)自然也涉足这个领域。其他一些 GIS 服务提供商在他们数据库中使用 Oracle Spatial，而还有一些提供商则直接在他们的数据库中使用接口（即他们没有使用Oracle Spatial这个中间层，直接使用数据库接口）。
正如一些应用程序将日期/时间作为标准数据类型一样，Oracle Spatial添加了二维和三维几何数据类型作为基本数据类型。借助内置的命令，你能够像做四则运算一样容易地进行邻近度分析、包含分析或者拓扑分析。例如只需要一个SQL查询语句就能确定地点A和B之间的距离是多少米。
Oracle提供了除可视化外的全部GIS功能，不过它也提供了API（应用程序接口）来完成可视化的工作。该公司解释说，他们的开放平台是对其他GIS技术的补充，您可以从任何应用层面来访问该平台。它的主要优势是其数据规模因素，科学家研究过程中生产海量数据，并且这种数据集也变得越来越普遍，而Oracle数据库正是针对海量数据设计的。
前微软Bing Maps技术专家Johannes Kebek比较同意通用可视化工具现在的地位。他认为对于传统GIS应用中的一些简单空间分析而言，Bing Maps能实现其中80%的功能。借助于微软的SQL Server 2008等工具，这完全可能，因为SQL Server 2008包含了空间数据类型和几何数据类型，向外提供了矢量和栅格数据（的操作接口），与OGC标准兼容而且能读写GML(地理标记语言)数据。但是对于空间数据挖掘和空间数据分析应用来说，他认为用户还是应该选择更高端的GIS产品。
对于Bing Maps的应用可能性，有许多有趣的例子。Kebek首先提到的就是欧洲环境地图集，在该应用中设计者们将全球变化的证据可视化的展现出来，随着网络的发展该地图集得到广泛应用， Kebek因此广受赞誉。另一个例子就是微软研究院开发的世界望远镜（Worldwide Telescope）,通过这项服务用户能够观察夜空中的物体，Kebek指出，在不久的将来用户只需通过该服务在地球上任选一点，即可观察该处过去与将来的天空。