猿创征文｜GISER开发者必备高能武器库

前言

       不知道现在技术全力，gisER的比例大概是多少？GIS这个领域在IT中占比比较小，从业者估计更少。但随着现在国家大力推广国家新基建，比如实景中国的建设，智慧城市的建立等等。许多的目光又聚集到了GIS这个领域，面对新需求的提出，还有物联网、大数据、人工智能的加持，对GIS开发者的技能提出了更高的要求。不仅仅是使用软件出一张图，更多的场景是去处理数据，进行数据挖掘，寻找隐藏的知识脉络。比如，使用高清的卫星遥感影像做农作物识别，国土空间用途管制，农田的非粮化检测，水体污染检测，农村违法建房监测等等。

       GIS时代已经来临，潮头蜂拥而来，GIS开发者要勇立潮头，做时代的弄潮儿。新时期，智慧城市，数字孪生、元宇宙，新技术不断涌现，万物互联，物联网，大数据的加持，对gis从业者提出了更高的要求。本文从数据处理、数据获取及存储、数据可视化等方面对涉及到的软件进行分享，欢迎同行进行交流指正。

 一、数据处理篇

       数据是一切信息系统的基础，怎么对这些数据进行高效的处理，是gis需要掌握的技能。这里将从软硬件方面介绍一些日常工作中用的比较多的gis数据处理软硬件。

1、ArcGIS

        ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。ArcObjects包含了许多的可编程组件，从细粒度的对象（例如单个的几何对象）到粗粒度的对象（例如与现有ArcMap文档交互的地图对象）涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的GIS功能。

       以ArcGIS 的桌面端软件为例，ArcGIS 桌面端有丰富的组件来进行相应的模块。 对于那些利用GIS信息进行编辑，设计的GIS专业人士来说，桌面GIS占有主导地位。GIS专业人士使用标准桌面作为工具来设计，共享，管理和发布地理信息。ArcGIS Desktop是一个集成了众多高级GIS应用的软件套件，它包含了一套带有用户界面组件的Windows桌面应用（如ArcMap、Ar***atalogTM，ArcTooboxTM以及ArcGlobe）。ArcGIS Desktop具有三种功能级别――ArcReader,ArcView，ArcEditorTM和ArcInfoTM，都可以使用各自软件包中包含的ArcGIS Desktop开发包进行客户化和扩展。

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       虽然arcgis的功能非常丰富，基本能涵盖所有gis的使用场景，但是它是一个收费软件，同时它是国外的产品，在现在国产化，自主化的要求下，我们寻找其它的解决办法。比如开源产品，或者自主研发。

2、QGIS

      QGIS（原称Quantum GIS）是一个自由软件的桌面GIS软件。它提供数据的显示、编辑和分析功能。QGIS是一个用户界面友好的桌面地理信息系统，可运行在Linux、Unix、Mac OSX和Windows等平台之上。QGIS是基于Qt,使用C++开发的一个用户界面友好、跨平台的开源版桌面地理信息系统。 QGIS项目开始于2002年 5月，是基于跨平台的图形工具Qt软件包，采用C++ 语言开发的一个GIS软件。目前的开发非常活跃，当前（2014年）的最新版本是QGIS 2.4 版。QGIS源码采用 GNU General Public License协议对外发布。qgis的常用功能和arcgis几乎是一致的。arcgis能做的，qgis基本上也能实现你的需求。只是它支持的数据格式可能少一些，所以在一些场景下面，比如arcgis的专有格式等，就需要进行认真评估了。

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   QGIS软件的主要特点有：

1. 支持多种GIS数据文件格式。通过GDAL/OGR扩展可以支持多达几十种数据格式.
2. 支持POSTGIS数据库。
3. 支持从WMS、WFS服务器中获取数据
4. 集成了Grass的部分功能。
5. 支持对GIS数据的基本操作，如属性的编辑修改等。
6. 支持创建地图。
7. 通过插件的形式支持功能的扩展

 3、GeoTools

       上述两个都是桌面端软件，在软件中提供了封装的功能，使用者只需要使用就可以完成相应的功能。功能封装的另一个问题是，如果想要扩展或者封装，几乎是不可能的。由此，如果你想自己定义程序的逻辑和业务规则，那又该怎么办呢？可以采取自由扩展的方式来进行开发。比如GeoTools 。GeoTools 是一个开源的 Java GIS 工具包，可利用它来开发符合标准的地理信息系统。GeoTools 提供了 OGC (Open Geospatial Consortium) 规范的一个实现来作为他们的开发。GeoTools 被许多项目使用，包括 Web 服务，命令行工具和桌面应用程序。

 geotools功能列表：

1.  定义关键空间概念和数据结构的接

2. 干净的数据访问 API，支持功能访问，事务支持和线程之间的锁

3. 无状态的低内存渲染器，在服务器端环境中特别有用

4. 使用 XML 模式绑定到 GML 内容的强大模式辅助解析技术

5. GeoTools 插件：开放式插件系统，可让您教授库其他格

6. GeoTools 扩展，提供使用核心库的空间设施构建的其他功能。 

      关于geotools，我的个人博客中有一些入门示例和相关介绍，GeoTools之入门简介、干货!使用Geotools解析shap数据实例。感兴趣的朋友可以选择的进行阅读。

4、GDAL

      一般情况下，使用geotools能满足常规的业务需求了，但如果您有更负责的需求，比如需要投影转换，多种矢量数据、栅格数据的读取，还有不同的格式，这种情况下，geotools的处理能力就有一些捉襟见肘了，此时需要使用另外一个库，gdal来进行帮助升级战斗力。

      GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)是一个X/MIT许可协议下的开源栅格空间数据转换库。它利用抽象数据模型来表达所支持的各种文件格式。它还有一系列命令行工具来进行数据转换和处理。OGR是GDAL项目的一个分支，提供对矢量数据的支持。有很多著名的GIS类产品都使用了GDAL/OGR库，包括ESRI的ARCGIS 9.3，Google Earth和跨平台的GRASS GIS系统、开源世界的GDAL。利用GDAL/OGR库，可以使基于Linux的地理空间数据管理系统提供对矢量和栅格文件数据的支持。

      文稿有限，在本人的博文中对gdal进行了相关的介绍，可以参考gis利器之Gdal（一）、windows下gdal的java开发环境搭建、gis利器之Gdal（二）shp数据读取、gis利器之Gdal（三）gdb数据读取。感兴趣的小伙伴可以参阅。

二、数据管理篇

       GIS空间数据的来源有很多，可以通过传统的测绘部门的基础测绘，还有卫星遥感数据，现在还有无人机雷达数据等等，非常多。这些数据可以从那些渠道获取呢？本小节将重点说明GIS数据的获取来源以及管理软件。不管您是从事科研的同学还是工作的朋友，从这些专业正规的网站获取数据，不迷路，不会有任何奉献。

1、天地图 

       天地图集成了来自国家、省、市（县）各级测绘地理信息部门，以及相关政府部门、企事业单位 、社会团体、公众的地理信息公共服务资源，向各类用户提供权威、标准、统一的在线地理信息综合服务 。它是“数字中国”的重要组成部分。天地图的目的在于促进地理信息资源共享和高效利用，提高测绘地理信息公共服务能力和水平，改进测绘地理信息成果的服务方式，更好地满足国家信息化建设的需要，为社会公众的工作和生活提供方便。

      在成果目录可以进入到全国地理信息资源目录服务系统，如下图：

2、国家气象科学数据中心：http://data.cma.***/

       国家气象科学数据中心提供了较多的气象数据和地面监测数据，比如降水、温度等数据，数据类型较多，登录后下载就可以，操作简便。

       这些数据都是来源于国家中心的，对于进行科学研究非常有用，如果要发表科研论文，一般只需要在数据来源那进行一个说明即可。

3、PostGIS空间数据库

       当我们拿到空间数据后，如何对这些数据进行管理，这就需要使用空间数据库。空间数据是关系型数据库的扩展，可以使用常见的SQL进行空间数据的录入、查询、删除，但提供了多种的空间分析函数。PostgreSQL 是一种对象-关系型数据库管理系统（ORDBMS），也是功能最强大、特性最丰富和最复杂的自由软件数据库系统。它起源于伯克利的数据库功能最强大、特性最丰富和最复杂的研究计划，是最重要的开源数据库产品开发项目之一， 有着非常广泛的用户。

      PostGIS提供非常多的空间处理函数，

       下面是一个空间包含的函数定义，PostGIS内置了许多的功能函数助力空间函数计算：

CREATE OR REPLACE FUNCTION "public"."_st_contains"("geom1" "public"."geometry", "geom2" "public"."geometry")
  RETURNS "pg_catalog"."bool" AS '$libdir/postgis-3', 'contains'
  LANGUAGE c IMMUTABLE STRICT
  COST 10000

      PostGIS这款空间数据库工具，一定值得拥有，基于PostGIS可以开发很多富有想象力的功能应用。

三、数据可视化

       空间数据可视化是复杂、海量空间数据及地理信息直观展现、多维分析、深度挖掘与扩展应用的重要手段，是多学科交叉的理论、方法和新技术。采用图形图像图表、符号颜色纹理、光照渲染透明，以及动画视频等多种表现形式，对空间数据及其变化进行二维、三维的直观表达和动态展现，不仅可增强人们对多维数据的视觉感知能力，而且有助于分析复杂空间数据的内在关联和隐含信息，探索获取其空间分布与变化规律。

1、LeafLet.js 二维数据可视化利器

       时空数据静态可视化，一般是以二维地图上叠加可以描述时间变化的要素，来描述时空属性数据与空间范围内的变化特征。这些用于表达时空属性数据的要素可以通过不同的符号、注记、标绘符号、统计图表等多种方式来表达，也可以将多个时间的专题地图同时展示进行对比。在二维数据展示方面，可以使用Leaflet.js。

        Leaflet 是领先的用于移动友好交互式地图的开源 JavaScript 库。仅仅重约 39KB 的 JS，它拥有大多数开发者所需要的所有地图功能。Leaflet 在设计时考虑到了简单性、性能和可用性。它可以在所有主要的桌面和移动平台上高效地工作，可以通过大量的插件进行扩展，拥有一个漂亮的、易于使用的、记录良好的 API，以及一个简单的、可读的源代码。使用Leaflet可以实现很多有意思的功能，比如动态风场、动态路线展示。

 2、Cesium.js 三维可视化高手

       Cesium隶属于AGI公司，该公司一直致力于时空数据业务。Cesium原意是化学元素铯，铯是制造原子钟的关键元素，通过命名强调了Cesium产品专注于基于时空数据的实时可视化应用。 AGI的英文全称为Analytical Graphics Incorporation，三位创始人曾在通用公司宇航部的供职工程师，提供STK（System/Satellite Toolkit Kit）和Cesium两款产品。经过多年来在时空数据的积累，AGI公司逐渐掌握了大量3D可视化技术，也感受到各行各业对海量3D数据的强烈需求，因此于2012年创建了cesiumjs开源项目，围绕Cesium生态圈打造了一套安全可靠易扩展且平台独立的企业级解决方案。

       如果您在建设实景三维系统，需要对倾斜数据，点云数据等等进行综合展示，就可以选择这款开源的成熟组件，来帮助你快速出应用结果。

3、Mars3D 国产基础应用扩展者

  Mars3D三维可视化平台 是火星科技 (opens new window)研发的一款基于 WebGL 技术实现的三维客户端开发平台，基于优化提升与B/S架构设计，支持多行业扩展的轻量级高效能GIS开发平台，能够免安装、无插件地在浏览器中高效运行，并可快速接入与使用多种GIS数据和三维模型，呈现三维空间的可视化，完成平台在不同行业的灵活应用。

        Mars3D平台可用于构建无插件、跨操作系统、 跨浏览器的三维 GIS 应用程序。平台使用 WebGL 来进行硬件加速图形化，跨平台、跨浏览器来实现真正的动态大数据三维可视化。通过 Mars3D产品可快速实现浏览器和移动端上美观、流畅的三维地图呈现与空间分析。

       针对与国内的资源比较受限，而且大多数开发者对英文的掌握能力有限，Mars3D 有完整的中文开发文档，非常全面的介绍了Cesium的相关知识，同时提供了Cesium的丰富案例还提供源码。通过学习其开放的学习资源，可以掌握Cesium的相关开发知识。

 四、总结及行业展望

       展望未来，我们可以先看看gis的技术目前是可以用在那些产业上。

1. 资源管理：主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源的分布、分级、统计、制图等问题。
2. 资源配置：GIS在这类应用中的目标是保证资源的最合理配置和发挥最大效益。往近处说就是这几年疫情期间，城市中的各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。
3. 城市规划和管理：空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。例如，在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等。
4. 应急响应：在发生洪水、战争、核事故等重大自然或人为灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相应的运输和保障设施的问题。
5. 地学研究与应用：地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统工具完成。
6. 商业与市场：商业设施的建立充分考虑其市场潜力。例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，建成之后就可能无法达到预期的市场和服务面。有时甚至商场销售的品种和市场定位都必须与待建区的人口结构(年龄构成、性别构成、文化水平)、消费水平等结合起来考虑。地理信息系统的空间分析和数据库功能可以解决这些问题。房地产开发和销售过程中也可以利用GIS功能进行决策和分析。
7. 基础设施管理：城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。
8. 网络分析：建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。
9. 可视化应用：以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、着名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。

       这就是本次分享的主要内容，本文从数据处理、数据管理、数据可视化、GIS行业展望四个方面简单介绍了GISER在日常工作中高频使用的软件。GIS开发是一个多学科融合的学科，这里从计算机科学的角度给出了这些常用软件的相关介绍。本文作者在GIS领域也是一个初学者，很多知识仅学得一点皮毛，很多观点和研究都停留在项目工程中，但是对GIS的未来充满了信心。

      文章中许多截图来源于相关的官方网站，关于GIS的建设和技术研究，欢迎朋友和前辈批评指正，多多交流学习。