無論是初步接觸到GIS的學(xué)生，還是對(duì)GIS已經(jīng)有一定的了解的從業(yè)者，肯定都非常關(guān)心兩個(gè)問題：GIS有沒有發(fā)展前景，GIS有哪些應(yīng)用價(jià)值？

關(guān)于這兩個(gè)問題，筆者的答案是GIS作為一門融合了空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、分析和可視化的學(xué)科，涉及到多個(gè)交叉領(lǐng)域和技術(shù)，因此非常容易與時(shí)下流行的前沿科技相結(jié)合，因此具有非常廣闊的前景。接下來，讓我們具體了解一下這些GIS最新的前沿技術(shù)，以及它們的應(yīng)用場(chǎng)景。這些技術(shù)有的是GIS技術(shù)本身的延申和發(fā)展，有的是GIS與其他領(lǐng)域最前沿技術(shù)的結(jié)合，它們可能也代表了GIS的發(fā)展方向。

1 三維GIS

三維GIS很早就一直GIS行業(yè)的熱點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、VR/AR技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)等各種理論和技術(shù)的不斷發(fā)展，三維GIS取得了長足的進(jìn)步。以一個(gè)三維GIS的從業(yè)者的經(jīng)驗(yàn)來說，三維GIS在以下幾個(gè)方面取得了革命性的突破：

1. 應(yīng)用了圖形渲染技術(shù)的最新成果，從固定渲染管線到可編程渲染管線再到現(xiàn)代圖形渲染管線，以更好的性能代價(jià)獲取了更好的渲染效果。
2. 三維模型輕量化技術(shù)，使得大數(shù)據(jù)量三維模型能夠以類似于地圖瓦片的形式進(jìn)行加載和顯示，例如OSG的osgb格式數(shù)據(jù)、Cesium的3D Tiles格式數(shù)據(jù)。
3. 通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生成的三維模型是GIS領(lǐng)域中具有自己代表性的三維成果數(shù)據(jù)，在可視化中可以展示出不錯(cuò)的寫實(shí)效果。
4. Web技術(shù)的發(fā)展使得在瀏覽器中三維渲染成為了可能，GIS應(yīng)用從桌面端走向了Web端，這意味著可以與大量的業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合。

不過，筆者認(rèn)為三維GIS遠(yuǎn)遠(yuǎn)還沒達(dá)到一個(gè)比較成熟的形態(tài)，還在而不斷演變中。傳統(tǒng)的GIS理論和技術(shù)都是基于二維的，很多問題（例如空間分析）一旦轉(zhuǎn)向到真正的三維空間，難度會(huì)指數(shù)級(jí)增長。另外，二維GIS可視化只需要寫意，但是三維GIS帶來了更高的寫實(shí)的要求，這對(duì)于GIS應(yīng)用提出了更高的性能要求。

2 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是用數(shù)字化手段創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬鏡像，并使兩者之間保持同步，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、仿真分析和預(yù)測(cè)預(yù)警等功能。近年來，數(shù)字孿生在全球范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)制造、城市管理、交通運(yùn)輸、醫(yī)療保健等眾多領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)。各國政府和企業(yè)都紛紛加大對(duì)數(shù)字孿生的研發(fā)和應(yīng)用，例如在2022年的國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《“十四五”住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科技發(fā)展規(guī)劃》中，提到了需要研發(fā)基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市地下空間災(zāi)害仿真模擬、預(yù)警、協(xié)同管控技術(shù)，提高城市地下空間開發(fā)與利用的安全水平。

GIS領(lǐng)域是數(shù)據(jù)孿生的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，GIS的目的也是對(duì)地理實(shí)體的表達(dá)和分析，兩者具有非常好的相性，這使得近年來數(shù)字孿生在GIS領(lǐng)域非常火熱。數(shù)字孿生要求實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體高度寫實(shí)和同步的鏡像，傳統(tǒng)的應(yīng)用中往往通過高精度建模來實(shí)現(xiàn)，但這樣人力成本、時(shí)間成層都非常高，往往只能應(yīng)用于范圍較小的場(chǎng)景。因此，可以將數(shù)字孿生與GIS技術(shù)結(jié)合起來，使用GIS數(shù)據(jù)模型的表達(dá)能力來可視化場(chǎng)景，使用GIS空間分析的能力來構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生要求的功能，從而大幅度降低數(shù)據(jù)孿生應(yīng)用的成本。

數(shù)字孿生綜合了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)等多種高新技術(shù)，目前取得了一些進(jìn)展，但是仍處于早期的階段，尚存一些挑戰(zhàn)和問題。比如標(biāo)準(zhǔn)化問題，不同的數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)很難共享和互操作；受制于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的限制，百分之百完全寫實(shí)的仿真很難以實(shí)現(xiàn)或者成本很高；海量的傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何管理和可視化表達(dá)等等。

3 元宇宙

元宇宙是2021年下半年興起的概念，是一個(gè)融合了虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬世界，人們可以在其中進(jìn)行社交、娛樂、工作等活動(dòng)。盡管這個(gè)概念很不錯(cuò)，但是受制于當(dāng)前技術(shù)的限制，并沒有給世界帶來多少突破性的應(yīng)用，最顯著的問題就是在元宇宙中體驗(yàn)不夠流暢、也不夠逼真。在進(jìn)入2023年以后，元宇宙的概念熱度開始下降，因此筆者在這里就不多做論述了。不過事物發(fā)展路徑本來就是循環(huán)往復(fù)螺旋上升的，未來元宇宙很可能會(huì)卷土重來，與元宇宙的結(jié)合，很可能也是GIS未來的方向之一。

4 城市信息模型（CIM）

城市信息模型（City Information Modeling，CIM）是基于GIS、建筑信息模型（BIM）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體。

CIM的核心是城市三維數(shù)字模型，通過對(duì)城市實(shí)體要素的數(shù)字化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市信息的全面感知、綜合分析和深度應(yīng)用。目前為止，城市三維數(shù)字模型還沒有形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、具體的數(shù)據(jù)格式，更像是一個(gè)多種數(shù)據(jù)模型的聚合體。并且，根據(jù)數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度、功能特性以及引用場(chǎng)景，通常會(huì)把CIM劃分成多個(gè)層級(jí)，在國家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)《城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中，市級(jí)CIM平臺(tái)數(shù)據(jù)被劃分成了從CIM1到CIM7共7級(jí)模型成果數(shù)據(jù)。

從三維GIS、數(shù)字孿生和CIM的定義來看，三者其實(shí)是非常相關(guān)的概念，有非常多的共通之處，尤其是在智慧城市這樣的應(yīng)用中。近幾年來，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，使用像Unity、Unreal Engine這樣的游戲引擎創(chuàng)建高度逼真的可視化場(chǎng)景非常流行，市面上也出現(xiàn)了非常多的基于這樣的可視化場(chǎng)景的三維GIS、數(shù)字孿生和CIM的應(yīng)用，這使得三者在智慧城市、智能建筑和各種仿真場(chǎng)景的應(yīng)用中在可視化層面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

5 人工智能（AI）

近幾年來如果說那個(gè)前沿科技最為火熱，那一定就是人工智能（Artificial Intelligence，AI）了。AI是一門研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的學(xué)科。它的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)或者正在重塑諸多行業(yè)的格局與面貌，GIS領(lǐng)域更是如此。AI的融入不僅豐富了GIS的功能邊界，也讓GIS更加智能化、高效化，兩者的結(jié)合被稱為地理空間人工智能（Geospatial Artificial Intelligence，GeoAI）。一些GeoAI的應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1. 數(shù)據(jù)采集與處理：利用AI技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)識(shí)別和分類遙感影像，加快地理信息的采集和更新速度。
2. 數(shù)據(jù)融合: GIS可以提供海量空間數(shù)據(jù)，而AI可以從這些數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息，兩者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效融合和利用。
3. 空間分析：AI可以為GIS提供強(qiáng)大的分析能力，例如機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以用于空間模式識(shí)別、預(yù)測(cè)分析等，提高GIS的空間分析能力。
4. 智能決策支持：GIS可以為AI提供空間信息和地理背景，使AI能夠做出更智能的決策。
5. 模型解釋與泛化能力：針對(duì)AI模型的局限性，如過擬合和泛化能力不足，GIS可以提供空間采樣策略，以增強(qiáng)模型的穩(wěn)定性和適用范圍。

6 GIS時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)

GIS時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)是近年來發(fā)展起來的新興技術(shù)，是指基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，專門用于處理、分析和展示具有地理空間和時(shí)間屬性的大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。GIS時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)包含的內(nèi)容非常廣泛，包含地理時(shí)空大數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)、管理、分析、可視化以及服務(wù)。這實(shí)際上是將常規(guī)GIS應(yīng)用的所有內(nèi)容都包含進(jìn)去了，并且做了進(jìn)一步升級(jí)，具有能支撐海量數(shù)據(jù)、彈性的擴(kuò)展能力、高性能計(jì)算能力、高易用性的優(yōu)點(diǎn)。

目前，GIS時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)已經(jīng)成為智慧城市、自然資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)施，具有廣闊的發(fā)展前景。

7 低空經(jīng)濟(jì)

所謂低空經(jīng)濟(jì)，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(dòng)為基礎(chǔ)，帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域融合發(fā)展的綜合性經(jīng)濟(jì)形態(tài)。2024年全國兩會(huì)期間，政府工作報(bào)告中提出“積極打造生物制造、商業(yè)航天、低空經(jīng)濟(jì)等新增長引擎”。根據(jù)工信部賽迪研究院2024年4月1日發(fā)布的《中國低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究報(bào)告（2024）》中的數(shù)據(jù)顯示，2023年中國低空經(jīng)濟(jì)規(guī)模已超過5000億元，預(yù)計(jì)到2026年低空經(jīng)濟(jì)規(guī)模有望突破萬億元。

低空經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈包含的產(chǎn)業(yè)非常豐富，主要有低空飛行器制造、低空基礎(chǔ)設(shè)施、低空飛行保障以及低空綜合服務(wù)等等。目前，國內(nèi)的無人機(jī)產(chǎn)業(yè)在國際上具有顯著的優(yōu)勢(shì)地位，但是低空經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模商用還面臨著一些挑戰(zhàn)，需要完善配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，開拓更多具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的場(chǎng)景。在這方面，GIS作為低空經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)核心技術(shù)之一，推動(dòng)了低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。GIS在低空經(jīng)濟(jì)中一些具體的應(yīng)用場(chǎng)景有：

1. 無人機(jī)應(yīng)用：路徑規(guī)劃與避障，結(jié)合GIS能力為無人機(jī)提供精準(zhǔn)的三維路徑規(guī)劃與避障策略，確保飛行安全與效率；任務(wù)管理與監(jiān)控，GIS的可視化能力使無人機(jī)任務(wù)管理與監(jiān)控變得直觀易行，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)度與決策支持。
2. 城市管理：無人機(jī)搭載的各種傳感器（如攝像頭、LiDAR）收集的數(shù)據(jù)可以通過GIS進(jìn)行整合，用于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理、水務(wù)、環(huán)保、應(yīng)急等多個(gè)不同城市管理部門的應(yīng)用場(chǎng)景，并提供可視化、分析、以及決策支持的能力。
3. 自然資源與環(huán)境保護(hù)：可以將無人機(jī)收集的數(shù)據(jù)與GIS結(jié)合，為自然資源管理和保護(hù)提供依據(jù)，例如監(jiān)測(cè)森林覆蓋、水質(zhì)、野生動(dòng)植物種群等，通過定期巡查更新數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)分析資源與環(huán)境變化情況。
4. 應(yīng)急響應(yīng)與災(zāi)害管理：在自然災(zāi)害或緊急事件中，無人機(jī)可以快速收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過GIS快速更新生成災(zāi)區(qū)地圖，幫助救援人員了解情況，制定救援計(jì)劃。