摘要
地理信息系统（GIS）是一种由计算机软硬件系统支持的技术系统，专注于与整个或部分地球表面相关的地理信息。它用于收集、存储、管理、计算、分析、显示和描述地理信息，在处理地理数据方面具有固有优势，在自然资源可持续监测、自然灾害风险管理、城市可持续发展规划等方面发挥不可或缺的作用。随着技术的不断发展，GIS与大数据、云服务、人工智能等新兴技术的整合创造了新的地理信息系统和全新的发展方向。GIS架构对于GIS系统的高效执行具有重要价值。在这个过程中，作为GIS系统的组织形式，GIS架构也随着GIS与其他技术的交汇和整合而不断演变。本研究通过回顾国内外关于组件技术、3D技术、云计算、大数据、人工智能等大量文献，分析和阐述GIS软件架构的当前发展状况和趋势。论文详细讨论了不同时期不同GIS软件架构的特点和未来发展方向，并对它们的层次特征进行了精细的描述。研究旨在总结不同阶段架构的优劣势以及从用户角度的互动性。在此基础上，研究GIS与大数据、人工智能集成的发展趋势，总结其系统架构演变的规律和经验，分析每次演变的技术驱动因素及其对GIS应用的影响。回顾GIS框架的演变历史有望为未来更高效的GIS系统架构研究提供指导参考。
背景
地理信息系统（GIS）软件架构代表了GIS系统在整个GIS软件系统中的组织方式，贯穿了GIS系统的整个研发生命周期。准确的架构模式在有效执行GIS空间操作方面起着重要作用。目前，流行的GIS架构组织包括组件GIS、Web GIS、移动GIS、网格GIS、新型3D GIS、云GIS、大数据GIS、人工智能GIS等。基于上述架构，本文将阐述并发现国内外GIS架构系统的现状和趋势。
目前，关于GIS架构的相关文献相对较少，特别是缺乏对GIS架构发展过程的全面回顾和系统研究。大多数研究集中在GIS的发展和对单一架构特征的片面分析上。很少有文献总结不同阶段GIS架构演变的固有规律。通过文献综述的形式，本文系统梳理了从组件GIS到人工智能GIS的主流GIS架构在不同阶段的技术演进过程，填补了这一领域的文献空白。本研究旨在探讨近年来国内外GIS架构的现状和发展趋势。通过对不同阶段GIS架构的比较分析，预计总结出不同架构的优缺点，并为未来GIS架构设计提供参考。
研究方法
我们对1991年至2023年间发表的关于GIS架构的中英文学术论文进行了全面的检索和统计分析。对于中文论文，我们选择了中国知网（CNKI）数据库作为文献来源，该数据库在学术界被广泛认可为权威来源。CNKI包括大量发表在核心中文期刊上的高质量论文，这些期刊采用严格的同行评审制度，被广泛认可为质量高的期刊。对于英文论文，我们选择了知名的Google Scholar数据库，该数据库广泛覆盖各种高影响因子的英文期刊，并包含经过严格同行评审的论文，确保其质量较高。这两个数据库在论文数量和质量方面的丰富性满足了我们调查GIS架构文献的需求。
在获得论文样本后，我们仔细审查了论文的作者、摘要、引言和结论，排除了重复内容，确保了研究论文的准确性。我们使用与GIS架构相关的关键词，如“GIS架构特征”、“GIS架构演变”和“GIS中的新兴技术”，进行文献检索。最终，我们从这两个数据库中确定了127篇高质量的研究论文，作为本研究的文献基础。其中，有66篇中文论文和61篇英文论文。此外，直接研究GIS系统的论文占总数的20%，共有25篇。有102篇关于不同类型GIS的论文，按照类别进行分类。图1显示了本综述所包括的论文样本中不同类型地理信息系统（GIS）研究数量的比例。
图1：不同类型GIS研究的百分比
讨论
经过几十年的发展，GIS已经整合到信息技术的主流中，并将继续是信息技术的重要组成部分。其显著的进步既带来了机遇，也带来了挑战。除了信息技术之外，人工智能的应用也可能推动空间信息科学的发展和创新，例如基于机器学习和深度学习的GeoAI在目标检测、二元分类、特征分类和场景分类等方面的应用。在以GIS为中心的地理信息科学中，人工智能和遥感大数据促使地理信息科学朝着智能化的方向演进，并推动了地球科学研究范式的改革。此外，利用数字技术在对象的整个生命周期内创建虚拟模型使得对真实世界中的物理模型进行预测和控制操作成为可能。数字技术，如数字孪生技术、元宇宙技术作为三维虚拟世界网络，以及脑科学与制图学相交的深度映射，都在为GIS发展的各个方向做出重要贡献。等距权重特征空间优化模型的应用以及其他空间计算算法的应用是对空间大数据的多方面扩展，进一步使GIS的发展和应用有了更深层次的表现。
结论
GIS架构的演变是一个不断推动的过程，受到应用需求和技术进步的驱动。从早期基于组件的GIS到如今的高性能地理信息系统，如AI GIS、大数据GIS和云GIS，取得了显著的进展。这种演变不仅体现在系统的复杂性和性能上，还体现在其处理多样化和复杂地理数据、支持决策制定的能力上。传统GIS架构面临诸如数据内容复杂、服务系统多样、大规模用户需求等挑战。这些挑战在引入新技术时逐渐得到解决。云计算技术的整合提升了资源管理和数据维护能力，使GIS能够高效处理大规模数据并支持实时分析。同时，人工智能和深度学习的应用使GIS系统更加智能，提高了空间和时间分析以及可视化能力。技术整合的这一趋势将继续塑造GIS发展的未来，为解决各种复杂地理问题提供强大工具。GIS架构的演变和发展方向如图所示。总的来说，GIS架构的发展使其成为一种更科学、高效、工程导向和应用导向的技术。未来，GIS将继续适应不断变化的需求，促进跨学科合作和跨领域整合，更好地服务于各个行业。GIS演变的方向将优先考虑成本节约、提高处理效率和用户友好操作，以满足用户的需求。
图2：GIS系统的演化阶段
发展趋势
在数字经济时代，深度学习、大数据和云技术的发展推动了地理信息系统（GIS）技术的创新。这些新技术进一步应用于GIS，以解决GIS数据处理和分析中的各种问题，如计算、网络通信和时空数据密集性问题。在未来，面对地理数据日益复杂和计算机硬件升级的趋势，将并行空间数据库集成到GIS系统中，以开拓新领域并解决新问题。同时，仍需不断改进算法，完善传统算法的索引机制，并更加关注独立平台自身的冗余控制，以提高索引效果并拓展GIS系统的性能。信息技术的快速发展将推动边缘计算GIS、云原生GIS、地理区块链、数字孪生和元宇宙成为GIS研究的热点。GIS软件系统的框架贯穿GIS发展的整个生命周期，代表了GIS组织的方式。研究GIS框架系统对提高GIS软件系统的运行效率具有重要意义。多学科GIS与元宇宙、数字孪生等新兴技术的合作是不可避免的。本文全面研究和分析了当前主流GIS框架系统的特点及其发展趋势，为GIS系统框架研究提供指导参考。