GIS前沿技術

無論是初步接觸到GIS的學生，還是對GIS已經有一定的瞭解的從業者，肯定都非常關心兩個問題：GIS有沒有發展前景，GIS有哪些應用價值？

關於這兩個問題，筆者的答案是GIS作為一門融合了空間資料採集、儲存、處理、分析和視覺化的學科，涉及到多個交叉領域和技術，因此非常容易與時下流行的前沿科技相結合，因此具有非常廣闊的前景。接下來，讓我們具體瞭解一下這些GIS最新的前沿技術，以及它們的應用場景。這些技術有的是GIS技術本身的延申和發展，有的是GIS與其他領域最前沿技術的結合，它們可能也代表了GIS的發展方向。

1 三維GIS

三維GIS很早就一直GIS行業的熱點，隨著計算機圖形技術、VR/AR技術、測繪技術等各種理論和技術的不斷髮展，三維GIS取得了長足的進步。以一個三維GIS的從業者的經驗來說，三維GIS在以下幾個方面取得了革命性的突破：

1. 應用了圖形渲染技術的最新成果，從固定渲染管線到可程式設計渲染管線再到現代圖形渲染管線，以更好的效能代價獲取了更好的渲染效果。
2. 三維模型輕量化技術，使得大資料量三維模型能夠以類似於地圖瓦片的形式進行載入和顯示，例如OSG的osgb格式資料、Cesium的3D Tiles格式資料。
3. 透過傾斜攝影測量技術生成的三維模型是GIS領域中具有自己代表性的三維成果資料，在視覺化中可以展示出不錯的寫實效果。
4. Web技術的發展使得在瀏覽器中三維渲染成為了可能，GIS應用從桌面端走向了Web端，這意味著可以與大量的業務應用相結合。

不過，筆者認為三維GIS遠遠還沒達到一個比較成熟的形態，還在而不斷演變中。傳統的GIS理論和技術都是基於二維的，很多問題（例如空間分析）一旦轉向到真正的三維空間，難度會指數級增長。另外，二維GIS視覺化只需要寫意，但是三維GIS帶來了更高的寫實的要求，這對於GIS應用提出了更高的效能要求。

2 數字孿生

數字孿生是用數字化手段建立物理實體的虛擬映象，並使兩者之間保持同步，以實現實時監控、模擬分析和預測預警等功能。近年來，數字孿生在全球範圍內得到了快速發展，已經成為工業製造、城市管理、交通運輸、醫療保健等眾多領域的熱點技術。各國政府和企業都紛紛加大對數字孿生的研發和應用，例如在2022年的國家住房和城鄉建設部發布的《“十四五”住房和城鄉建設科技發展規劃》中，提到了需要研發基於數字孿生技術的城市地下空間災害模擬模擬、預警、協同管控技術，提高城市地下空間開發與利用的安全水平。

GIS領域是資料孿生的主要應用領域之一，GIS的目的也是對地理實體的表達和分析，兩者具有非常好的相性，這使得近年來數字孿生在GIS領域非常火熱。數字孿生要求實現對物理實體高度寫實和同步的映象，傳統的應用中往往透過高精度建模來實現，但這樣人力成本、時間成層都非常高，往往只能應用於範圍較小的場景。因此，可以將數字孿生與GIS技術結合起來，使用GIS資料模型的表達能力來視覺化場景，使用GIS空間分析的能力來構建和實現數字孿生要求的功能，從而大幅度降低資料孿生應用的成本。

數字孿生綜合了人工智慧、物聯網、大資料、雲端計算等技術等多種高新技術，目前取得了一些進展，但是仍處於早期的階段，尚存一些挑戰和問題。比如標準化問題，不同的數字孿生系統之間的資料很難共享和互操作；受制於計算機圖形技術的限制，百分之百完全寫實的模擬很難以實現或者成本很高；海量的感測器和物聯網裝置如何管理和視覺化表達等等。

3 元宇宙

元宇宙是2021年下半年興起的概念，是一個融合了虛擬現實（VR）、擴增實境（AR）和網際網路的三維虛擬世界，人們可以在其中進行社交、娛樂、工作等活動。儘管這個概念很不錯，但是受制於當前技術的限制，並沒有給世界帶來多少突破性的應用，最顯著的問題就是在元宇宙中體驗不夠流暢、也不夠逼真。在進入2023年以後，元宇宙的概念熱度開始下降，因此筆者在這裡就不多做論述了。不過事物發展路徑本來就是迴圈往復螺旋上升的，未來元宇宙很可能會捲土重來，與元宇宙的結合，很可能也是GIS未來的方向之一。

4 城市資訊模型（CIM）

城市資訊模型（City Information Modeling，CIM）是基於GIS、建築資訊模型（BIM）、物聯網（IoT）等技術，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度資訊模型資料和城市感知資料，構建起三維數字空間的城市資訊有機綜合體。

CIM的核心是城市三維數字模型，透過對城市實體要素的數字化表達，實現對城市資訊的全面感知、綜合分析和深度應用。目前為止，城市三維數字模型還沒有形成一個標準的、具體的資料格式，更像是一個多種資料模型的聚合體。並且，根據資料的詳細程度、功能特性以及引用場景，通常會把CIM劃分成多個層級，在國家住房和城鄉建設部發布的標準《城市資訊模型基礎平臺技術標準》中，市級CIM平臺資料被劃分成了從CIM1到CIM7共7級模型成果資料。

從三維GIS、數字孿生和CIM的定義來看，三者其實是非常相關的概念，有非常多的共通之處，尤其是在智慧城市這樣的應用中。近幾年來，隨著計算機圖形技術的發展，使用像Unity、Unreal Engine這樣的遊戲引擎建立高度逼真的視覺化場景非常流行，市面上也出現了非常多的基於這樣的視覺化場景的三維GIS、數字孿生和CIM的應用，這使得三者在智慧城市、智慧建築和各種模擬場景的應用中在視覺化層面實現了質的飛躍。

5 人工智慧（AI）

近幾年來如果說那個前沿科技最為火熱，那一定就是人工智慧（Artificial Intelligence，AI）了。AI是一門研究、開發用於模擬、延伸和擴充套件人類智慧的理論、方法、技術及應用系統的學科。它的應用非常廣泛，已經或者正在重塑諸多行業的格局與面貌，GIS領域更是如此。AI的融入不僅豐富了GIS的功能邊界，也讓GIS更加智慧化、高效化，兩者的結合被稱為地理空間人工智慧（Geospatial Artificial Intelligence，GeoAI）。一些GeoAI的應用場景如下：

1. 資料採集與處理：利用AI技術，如深度學習演算法，自動識別和分類遙感影像，加快地理資訊的採集和更新速度。
2. 資料融合: GIS可以提供海量空間資料，而AI可以從這些資料中挖掘出有價值的資訊，兩者結合可以實現資料的高效融合和利用。
3. 空間分析：AI可以為GIS提供強大的分析能力，例如機器學習演算法可以用於空間模式識別、預測分析等，提高GIS的空間分析能力。
4. 智慧決策支援：GIS可以為AI提供空間資訊和地理背景，使AI能夠做出更智慧的決策。
5. 模型解釋與泛化能力：針對AI模型的侷限性，如過擬合和泛化能力不足，GIS可以提供空間取樣策略，以增強模型的穩定性和適用範圍。

6 GIS時空大資料雲平臺

GIS時空大資料雲平臺是近年來發展起來的新興技術，是指基於雲端計算、大資料、人工智慧等技術，專門用於處理、分析和展示具有地理空間和時間屬性的大資料的系統。GIS時空大資料雲平臺包含的內容非常廣泛，包含地理時空大資料的匯聚、儲存、管理、分析、視覺化以及服務。這實際上是將常規GIS應用的所有內容都包含進去了，並且做了進一步升級，具有能支撐海量資料、彈性的擴充套件能力、高效能運算能力、高易用性的優點。

目前，GIS時空大資料雲平臺已經成為智慧城市、自然資源管理、環境監測、應急管理等領域的重要基礎設施，具有廣闊的發展前景。

7 低空經濟

所謂低空經濟，是指以各種有人駕駛和無人駕駛航空器的各類低空飛行活動為基礎，帶動相關領域融合發展的綜合性經濟形態。2024年全國兩會期間，政府工作報告中提出“積極打造生物製造、商業航天、低空經濟等新增長引擎”。根據工信部賽迪研究院2024年4月1日釋出的《中國低空經濟發展研究報告（2024）》中的資料顯示，2023年中國低空經濟規模已超過5000億元，預計到2026年低空經濟規模有望突破萬億元。

低空經濟產業鏈包含的產業非常豐富，主要有低空飛行器製造、低空基礎設施、低空飛行保障以及低空綜合服務等等。目前，國內的無人機產業在國際上具有顯著的優勢地位，但是低空經濟的大規模商用還面臨著一些挑戰，需要完善配套基礎設施建設，開拓更多具備實際應用價值的場景。在這方面，GIS作為低空經濟的基礎核心技術之一，推動了低空經濟的發展。GIS在低空經濟中一些具體的應用場景有：

1. 無人機應用：路徑規劃與避障，結合GIS能力為無人機提供精準的三維路徑規劃與避障策略，確保飛行安全與效率；任務管理與監控，GIS的視覺化能力使無人機任務管理與監控變得直觀易行，實現智慧化排程與決策支援。
2. 城市管理：無人機搭載的各種感測器（如攝像頭、LiDAR）收集的資料可以透過GIS進行整合，用於城市規劃、建設、管理、水務、環保、應急等多個不同城市管理部門的應用場景，並提供視覺化、分析、以及決策支援的能力。
3. 自然資源與環境保護：可以將無人機收集的資料與GIS結合，為自然資源管理和保護提供依據，例如監測森林覆蓋、水質、野生動植物種群等，透過定期巡查更新資料，動態分析資源與環境變化情況。
4. 應急響應與災害管理：在自然災害或緊急事件中，無人機可以快速收集現場資料，透過GIS快速更新生成災區地圖，幫助救援人員瞭解情況，制定救援計劃。