8、云端地理信息系统：ArcGIS的创新应用与实践

云端地理信息系统：ArcGIS的创新应用与实践

1. 地理信息系统为何需要云计算

在21世纪，诸多全球性和区域性问题，如应急响应与规划，都需要借助地理信息系统（GIS）及时整合海量地理空间信息。这就要求计算基础设施具备足够的计算能力、较低的能源成本、快速的响应速度以及广泛的公众可访问性。

传统的GIS软件，像ArcGIS，通常运行在桌面和本地服务器上，主要面向单个用户，尤其是GIS专家。它需要进行软硬件的安装和维护，并且缺乏支持大规模并发访问的能力。而云计算为构建和部署GIS服务提供了计算能力，由此产生了云GIS（Cloud GIS）。云GIS的出现旨在建立新的维护、使用和计费模式，以解决现有计算问题并满足更广泛的用户群体需求。其具有以下优势：
- 无需软件安装和维护。
- 拥有无限的计算资源和存储空间。
- 提供按需服务。
- 拓展了GIS的应用范围，从地理领域延伸到各种社会和商业领域。

云GIS在一些场景中展现出了强大的优势，例如：
- 应急响应 ：2010年，澳大利亚昆士兰州四分之三的地区被洪水淹没，Esri澳大利亚公司在12小时内建立了一个由GIS驱动的通用作战图（COP）应用程序，为布里斯班的应急响应机构提供了最新、最准确的信息。
- 企业应用 ：ArcGIS Online帮助华尔街网络在超级风暴桑迪引发的洪水停电后，仍能部署其客户的业务连续性和灾难响应计划。

2. 云端的ArcGIS产品

云端的ArcGIS目前包括ArcGIS Online、ArcGIS for Server、GIS软件即服务（GIS Software as a Service）和移动GIS服务。

2.1 ArcGIS Online

ArcGIS Online是一个基于云的Web地图和地理信息管理系统，正逐渐发展成为一个完整的软件即服务（SaaS）应用程序。它无需安装和配置GIS软件，就能让用户快速轻松地洞察数据。其功能特点如下：
- 提供丰富的数据和工具 ：提供直观的工具来按需创建和发布地图及应用程序，拥有丰富的基础地图、人口统计地图、图像服务等数据。
- 方便共享 ：用户可以通过博客、网页、应用程序以及Facebook或Twitter等平台共享在ArcGIS Online中定制的地图。
- 支持多种服务 ：
- 托管服务（Hosted Services） ：
- 托管要素服务（Hosted Feature Service） ：支持对要素进行矢量查询和编辑。
- 托管瓦片地图服务（Hosted Tile Map Service） ：提供预生成（缓存）的瓦片地图图像，还允许用户上传数据、生成地图瓦片图像并托管数据。
- 内容服务（Content Services） ：
- 地图服务（Map Services） ：使用Esri托管的数据提供参考数据服务，包括地形地图服务、图像服务和必应地图等。
- 任务服务（Task Services） ：可通过SOAP和REST在RIA控件/映射应用程序API中访问，如地理搜索、地理编码、路由和几何操作等服务。

以下是ArcGIS Online的功能表格：
|服务类型|具体服务|功能描述|
| ---- | ---- | ---- |
|托管服务|托管要素服务|支持要素矢量查询和编辑|
|托管服务|托管瓦片地图服务|提供预生成瓦片地图图像，支持数据上传和托管|
|内容服务|地图服务|提供参考数据服务，含地形、图像、必应地图等|
|内容服务|任务服务|包括地理搜索、编码、路由、几何操作等服务|

2.2 ArcGIS for Server

ArcGIS for Server是一个可以部署在亚马逊EC2和虚拟计算环境（VCE）Vblock上的GIS服务器，允许用户在其系统上托管GIS资源，并让客户端应用程序（如Web地图应用程序和移动设备）使用和交互这些资源。它支持多种操作系统平台，如Microsoft Windows Server、Red Hat Enterprise Linux AS/ES、SUSE Linux Enterprise Server和Ubuntu。其重要组件包括：
- ArcGIS Server AMIs ：预配置的AMI模板，用户可以通过这些模板在亚马逊EC2上快速设置一个功能齐全的ArcGIS Server实例。现有ArcGIS for Server用户可通过Esri客户服务，提供其亚马逊EC2账户ID来请求访问。
- ArcGIS Server Cloud Builder ：一个可下载的桌面应用程序，为用户提供在亚马逊EC2上启动ArcGIS for Server站点的多种选项，支持根据需求动态扩展站点并备份站点。

ArcGIS for Server的功能如下：
- GIS服务集中管理和交付 ：每个用户都有自己的ArcGIS for Server站点，可集中管理所有地图、图像、地球、地理编码、地理数据管理等服务，还能提供Web编辑、网络分析、示意图以及建模、统计等地理分析工具。
- 按需响应地图和GIS工具 ：其架构允许用户根据需求快速扩展或缩减GIS系统，以应对需求高峰。
- 与企业应用集成 ：开发人员可以使用全面的Web地图API和移动运行时SDK，将ArcGIS for Server创建和管理的服务集成到现有的Web、移动和桌面应用程序中。

2.3 GIS软件即服务

GIS软件即服务提供集中式的基于云的客户端和应用程序，可利用GIS工具和数据轻松解决复杂问题。它整合了大量地理信息，并通过易于使用的Web应用程序提供这些信息。以下是几个典型的应用：
- ArcLogistics ：一个基于亚马逊Web服务（AWS）的云应用程序，用于在更短的时间内创建优化路线。该应用程序的逻辑运行在亚马逊EC2虚拟机中，数据存储在S3（亚马逊简单存储服务）中。用户可以输入车辆数量和必要的停靠点，然后获得这些车辆的优化路线。
- Business Analyst Online ：一个用于处理人口统计数据、用户数据和其他信息的云应用程序。它可以帮助企业主、规划师、房地产经纪人等做出更好的决策。该应用程序可以通过普通Web浏览器访问，还提供了Web服务接口，方便其他客户端使用，例如有对应的iPhone应用程序。
- Community Analyst ：一个基于Web的系统，允许用户查看和分析人口统计、公共和第三方数据源的数据，以更好地了解整个社区并做出更好的政策决策。其特点是使用最新的数据，能够立即获取用户所需的确切区域的信息。例如，河滨县公共卫生部门的流行病学和项目评估分支使用该系统为部门内的相关工作人员制作地图，以促进和保护该县居民和游客的健康。

2.4 移动GIS服务

移动设备是云GIS的重要用户终端，用于显示、编辑、收集和分析地理空间数据。随着移动设备的日益普及，云GIS的应用范围也得到了扩大。通过ArcGIS for Windows Mobile和Windows Tablet、ArcGIS for Smartphones and Tablets等移动应用程序，个人用户和组织可以访问服务器提供的功能。移动GIS具有以下优势：
- 提高现场操作的效率和准确性。
- 提供快速的数据收集和无缝的数据集成。
- 取代基于纸张的工作流程。
- 帮助做出及时、明智的决策。

对于移动工作者来说，云提供了更好的移动性，提高了工作流程的生产力和协作性。他们可以立即访问云中的共享数据和应用程序，进行数据的发现、查看、编辑和保存，并调用地理处理功能以获得按需结果。

3. ArcGIS Online创建地图的操作步骤

以俄勒冈州的区域分析为例，介绍如何使用ArcGIS Online创建、保存和共享地图：
1. 选择基础地图 ：根据地图的功能和特点选择合适的基础地图，如街道地图（Street Map），它适合叠加数据集。此外，还可以使用海洋、地形和影像地图等。
2. 添加图层 ：图层可以是通过ArcGIS for Server或开放地理空间联盟（Open Geospatial Consortium, Inc.）的Web地图服务、KML或CSV图层共享在Web上的，也可以是个人存储为分隔文本文件、GPS交换格式或shapefile的本地数据。
3. 添加数据 ：核心数据是从美国人口普查局提取的2000年和2010年俄勒冈州城市区域分布数据。具体步骤如下：
- 在2010年shapefile页面上搜索“Roads”，并从“Primary and Secondary Roads”中选择俄勒冈州。
- 搜索“Water”，并从“Area Hydrography”中为克拉卡马斯县、马里恩县、Multnomah县、华盛顿县和亚米尔县选择俄勒冈州。
- 搜索“Urban Growth Area”，并从“Urban Growth Area (2010)”和“Urban Growth Area (2000)”中选择俄勒冈州。
- 下载所有选择的文件。
为了进行更全面的分析，还可以从在线GIS数据集中获取相关的环境数据，如铁路网络、公园与骑行点、国家公园和加油站等。
4. 符号修改 ：为了更好地显示地图，修改现有图层的符号。例如，将主要和次要道路的符号改为宽度为3px的棕色实线，将不同的水域图层符号设置为不同的蓝色，将2000年城市增长区域图层显示为黄色，2010年城市增长区域图层显示为绿色，其他图层设置为默认符号。
5. 保存地图 ：创建地图后，用户可以保存地图，并添加描述和标签。地图将存储在用户的Esri账户的“My Content”中，用户可以选择是否与公众在Web上共享。
6. 发布和共享 ：ArcGIS Online Sharing允许用户在ArcGIS社区中发布和共享地理空间地图、图层和工具，或者创建一个私人组来交换与特定项目或共同活动相关的内容。

下面是创建地图的流程图：

graph LR
    A[选择基础地图] --> B[添加图层]
    B --> C[添加数据]
    C --> D[符号修改]
    D --> E[保存地图]
    E --> F[发布和共享]

4. ArcGIS for Server的应用案例

4.1 布里斯班市议会洪水通用作战图

布里斯班市议会洪水通用作战图（BCC Flood Common Operating Picture, COP）是由Esri澳大利亚公司基于亚马逊EC2上的ArcGIS Server开发的。该系统帮助应急响应机构应对洪水灾害，并为受灾地区的居民提供当前情况的最新信息。

该地图整合了布里斯班受灾地区的洪水数据，如洪水峰值、道路封闭和疏散中心等信息，为用户提供了一个全面、实时的洪水场景。用户可以根据需要打开或关闭信息图层，如财产损失和疏散中心位置。在整个洪水期间，Esri澳大利亚公司的团队不断更新地图，数据来自当地和州政府官员以及现场的应急人员。

云GIS是该应用成功的关键，因为它是一个紧密集成的组件和内容系统，可以在数小时内部署到异地，并可以远程管理。当发生重大紧急情况时，GIS专业人员无需花费时间和资源将现有设备和软件离线并重新配置，而是可以快速访问一个已配置好的备用机器，并利用大规模的企业资源来处理需求高峰，同时在Web流量减少时自动缩减规模。

4.2 宾夕法尼亚州立公园查看器

宾夕法尼亚州立公园查看器是宾夕法尼亚州保护和自然资源部的一个新的交互式地图应用程序，用于发现宾夕法尼亚州立公园的信息。它提供了不同的基础地图，如国家地理世界地图、世界街道地图和航空影像地图，以及其他地理信息图层，如州边界、旅游区域、县边界和流域等。

该应用程序有三种模式可供切换：州立公园、州立森林和地质。每种模式提供关于公园和森林的不同类型的信息。例如，如果家长想带孩子去露营或野餐，可以选择州立公园搜索模式，选择露营、教育项目、野餐和观光等目录，然后获得推荐公园的名称、面积和位置等信息。选择其中一个公园后，还可以在大比例尺地图上查看详细信息和从起始位置的路线指引。此外，该应用程序还提供了一些实用工具，如数据提取、添加数据到ArcMap和Google Earth、创建PDF和打印等功能，以及距离测量、经纬度坐标、注释和天气预报等功能，用户还可以制作书签、图例和查询驾驶方向。

这些应用案例展示了云GIS在不同领域的应用，包括应急管理和休闲活动规划等，体现了云GIS在利用虚拟化计算资源提供Web服务、处理需求高峰以及提供预安装和配置的虚拟机方面的优势。

云端地理信息系统：ArcGIS的创新应用与实践

5. 云GIS应用案例总结

前面介绍的三个使用ArcGIS Online和ArcGIS for Server的应用案例，充分展示了云GIS的强大功能和优势，具体体现在以下几个方面：
- 利用虚拟化计算资源提供Web服务 ：通过虚拟计算资源，云GIS能够提供地图服务和地理服务等Web服务，满足用户对地理信息的多样化需求。
- 处理需求高峰 ：在面临大量用户访问或突发需求时，云GIS可以灵活调整资源，应对需求高峰，确保服务的稳定性和可用性。
- 提供预安装和配置的虚拟机 ：预安装和配置好的虚拟机使得云GIS能够在几分钟内准备好使用，大大提高了使用效率。

以下是对这些应用案例优势的总结表格：
|优势|说明|
| ---- | ---- |
|利用虚拟化计算资源提供Web服务|借助虚拟资源提供地图、地理等Web服务|
|处理需求高峰|灵活调整资源应对大量用户访问或突发需求|
|提供预安装和配置的虚拟机|几分钟内即可准备好使用，提高效率|

6. 云GIS总结

云GIS为地理信息系统的发展带来了新的机遇和变革。通过ArcGIS Online、ArcGIS for Server、GIS软件即服务和移动GIS服务等产品，云GIS提供了强大的GIS功能和服务，并通过有线和无线网络将这些服务快速、轻松地交付给用户。

在实际应用中，云GIS在区域分析、应急管理和休闲生活推荐等方面都发挥了重要作用。例如，在区域分析中，用户可以利用ArcGIS Online对特定地区进行详细的地理分析；在应急管理中，云GIS能够及时提供准确的信息，帮助应急响应机构做出决策；在休闲生活推荐方面，云GIS可以为人们的休闲活动提供有用的建议和工具。

这些实际案例为我们提供了关于如何使用云GIS的第一手经验，也为解决21世纪的各种挑战提供了潜在的GIS解决方案。

7. 云GIS常见问题解答

为了帮助大家更好地理解云GIS，下面对一些常见问题进行解答：
1. 哪些应用可以从云GIS中受益？
云GIS可以更好地支持大规模并发访问和计算需求，适用于许多领域的应用，如应急响应、城市规划、企业决策、休闲活动规划等。在应急响应中，云GIS能够及时提供准确的地理信息，帮助应急人员做出决策；在城市规划中，云GIS可以对城市的地理数据进行分析和模拟，为城市规划提供科学依据；在企业决策中，云GIS可以帮助企业分析市场、评估风险等；在休闲活动规划中，云GIS可以为人们提供旅游景点、公园等信息，帮助人们规划休闲活动。
2. 云端ArcGIS的四个组件是什么？它们有什么独特之处？
云端ArcGIS的四个组件分别是ArcGIS Online、ArcGIS for Server、GIS软件即服务和移动GIS服务。
- ArcGIS Online ：是一个基于云的Web地图和地理信息管理系统，无需安装和配置GIS软件，提供丰富的数据和工具，方便用户创建和共享地图及应用程序。
- ArcGIS for Server ：是一个GIS服务器，支持多种操作系统平台，允许用户托管GIS资源，并提供GIS服务的集中管理和交付、按需响应地图和GIS工具以及与企业应用集成等功能。
- GIS软件即服务 ：提供集中式的基于云的客户端和应用程序，可利用GIS工具和数据轻松解决复杂问题，如ArcLogistics、Business Analyst Online和Community Analyst等应用。
- 移动GIS服务 ：通过移动设备为用户提供地理空间数据的显示、编辑、收集和分析功能，提高现场操作的效率和准确性，帮助用户做出及时、明智的决策。
3. 你认为ArcGIS Online已经是一个SaaS应用程序了吗？为什么？
ArcGIS Online正在逐渐发展成为一个完整的软件即服务（SaaS）应用程序。它具有SaaS应用程序的一些典型特征，如无需安装和配置软件，用户可以通过Web浏览器直接访问和使用；提供按需服务，用户可以根据自己的需求选择使用不同的功能和数据；支持多用户并发访问，多个用户可以同时使用ArcGIS Online进行地图创建、共享等操作。然而，它可能还在不断完善和发展中，以进一步满足SaaS应用程序的所有要求。
4. ArcGIS for Server与本地服务器相比，有哪些不同的功能？
与本地服务器相比，ArcGIS for Server具有以下不同的功能：
- 支持虚拟化部署 ：可以部署在亚马逊EC2和虚拟计算环境（VCE）Vblock等云服务上，利用云的弹性计算资源，实现资源的动态扩展和缩减。
- 集中管理和交付GIS服务 ：每个用户都有自己的ArcGIS for Server站点，可集中管理所有地图、图像、地球、地理编码、地理数据管理等服务，提高服务的管理效率。
- 按需响应地图和GIS工具 ：其架构允许用户根据需求快速扩展或缩减GIS系统，以应对需求高峰，确保服务的稳定性和可用性。
- 与企业应用集成 ：开发人员可以使用全面的Web地图API和移动运行时SDK，将ArcGIS for Server创建和管理的服务集成到现有的Web、移动和桌面应用程序中，实现GIS功能与企业应用的无缝结合。
5. ArcGIS Online与ArcGIS Desktop相比，有哪些不同的功能？
ArcGIS Online与ArcGIS Desktop相比，具有以下不同的功能：
- 无需安装和配置 ：ArcGIS Online是基于云的系统，用户无需安装和配置软件，通过Web浏览器即可访问和使用；而ArcGIS Desktop需要安装在本地计算机上，并进行相应的配置。
- 方便共享 ：ArcGIS Online提供了强大的共享功能，用户可以通过博客、网页、应用程序以及Facebook或Twitter等平台轻松共享地理空间地图、图层和工具；而ArcGIS Desktop的共享相对较为复杂，需要进行一定的设置和操作。
- 提供丰富的在线资源 ：ArcGIS Online拥有丰富的基础地图、人口统计地图、图像服务等在线资源，用户可以直接使用这些资源进行地图创建和分析；而ArcGIS Desktop的资源主要依赖于本地存储和用户自己的收集。

8. 云GIS的未来展望

随着技术的不断发展，云GIS有望在更多领域得到应用和发展。未来，云GIS可能会在以下几个方面取得进一步的突破：
1. 与人工智能和大数据的融合 ：将人工智能和大数据技术应用于云GIS中，可以实现对地理信息的更深入分析和挖掘，为用户提供更智能、更精准的服务。例如，利用人工智能算法对地理数据进行分类和预测，帮助用户更好地了解地理现象和趋势；利用大数据技术处理海量的地理数据，提高数据的分析效率和准确性。
2. 增强的移动应用体验 ：随着移动设备的性能不断提高和普及，云GIS的移动应用体验将得到进一步增强。未来，移动GIS服务可能会提供更丰富的功能和更流畅的操作体验，如实时定位、导航、语音交互等，为移动工作者和普通用户提供更加便捷的服务。
3. 跨行业应用拓展 ：云GIS的应用范围将不断拓展到更多行业，如农业、能源、交通等。在农业领域，云GIS可以帮助农民进行土地规划、作物监测和病虫害防治等；在能源领域，云GIS可以用于能源资源的勘探、开发和管理；在交通领域，云GIS可以为交通规划、智能交通系统等提供支持。

下面是云GIS未来发展方向的流程图：

graph LR
    A[与人工智能和大数据融合] --> B[增强移动应用体验]
    A --> C[跨行业应用拓展]

总之，云GIS作为一种新兴的地理信息系统技术，具有广阔的发展前景和应用潜力。通过不断的创新和发展，云GIS将为我们的生活和工作带来更多的便利和价值。希望本文能够帮助大家更好地了解云GIS，并在实际应用中发挥其优势。