8.1.7 地理信息系统
随着Web服务、高性能计算等网络化信息基础设施的日趋成熟，以及物联网、传感网技术的快速发展，地理信息的数据来源、服务对象、服务方式均发生了重大变化，智慧城市、智慧地球等概念已经深入人心。地理信息采集从以前单一依赖专业化的集中采集方式，正朝向集中与分散采集、专业化与公众参与等多样化并行方式发展。丰富的地理信息资源对地理信息的处理加工、存储与管理、查询与分析、建模与模拟以及数据挖掘和信息服务方面提出了新的要求和挑战。在网络带宽技术进步的推动下，政府部门、企事业单位和社会大众对地理信息的应用提出了网络化在线共享与集成的新要求。地理信息技术正在从集中式的地理信息系统向分布式网络化地理信息服务发展，正经历一场从体系架构、软件平台、接口标准到应用模式的革命性变化。地理信息服务已经不满足于静态数据服务，迫切需要从静态向动态、从室外向室内外地上下一体化、从在线数据浏览向智能化知识服务方向发展。面对智慧城市建设、应急响应等国家重大应用需求，测绘学科在地理信息科学的内涵中不断衍生，围绕传感网空间信息建模、时空数据组织与管理、空间数据集成与智能服务等方面展开了深入研究。提出了空间信息系统的理念，引领了地理信息学科新的发展方向。龚健雅院士牵头，联合国内外百名学者撰写的我国首个地理信息国际标准《地理信息影像与格网数据的内容模型及编码规则》之第一部分“内容模型”(ISO 19163-1)，于2015年7月通过审查，这是我国地理信息领域首个自主提出立项并通过审查的国际标准，标志着中国成为国际地理信息标准化领域的一支重要力量。
1.空间信息建模
由于空天地传感器在观测模式、成像机理和应用目的等方面的不同，观测系统之间大多是封闭、孤立和自治的，因此多平台多传感器协同是空天地观测一体化的理论与实验难题。为实现地理空间传感网资源的信息共享与时空动态信息接入，提出了事件驱动的空天地一体化协同观测方法，建立了基于服务的分布式异构观测资源统一规划与调度机制，突破了多协议观测信息动态接入以及多维动态实时GIS数据的高效管理关键技术，实现了地球陆表事件驱动的分布式空天地三类观测平台、百颗卫星传感器和万级地面传感器的统一时空管理和协同观测接入，建设了分布式对地观测传感网实验场。建立了地理空间传感网资源信息模型，形成了地理空间传感网资源通用描述框架，提出对地观测即时接入与高效制图方法，研发了支持大规模传感网实时数据接入的时空数据库。
2.时空数据组织与管理
传统三维地理信息系统主要面向可视化，重点表达几何与外观，局限于特定的专业应用领域，难以满足地上下、室内外复杂空间信息的集成表示与综合分析的需要。在建立了多源、异构、分布式、大规模空间信息的数据表达与组织模型和空间信息网络共享服务模型的基础上，近十年来，为了解决GIS系统只支持静态或离散变化时空地理对象，缺乏长时序动态数据表达能力，难以支撑在线事件检测、时空动态分析与综合过程模拟等应用问题，建立了多维动态实时GIS数据模型，突破了大规模地上下、室外内三维空间数据一体化管理、高效三维空间索引、动态调度与高效可视化等核心技术，支持地上地下室内外一体化的多层次描述和实时传感数据的集成，为构建具有自主知识产权的多维动态地球空间信息智能服务平台提供了理论基础。
基于地理空间数据，构建了以房屋基本单元多时态信息为核心的完备的房屋全生命周期时空协同管理体系，设计了房屋全生命周期动态数据库，采用房管主数据库集成模式和“局部更新、整体还原”增量更新方法，解决了现有的城市房屋管理中各业务系统互不关联、标准不统一、一数多源的难题。
3.空间数据集成与智能服务
针对对地观测数据应用中“数据丰富”而“分析匮乏”的局面，提出“地理空间服务网”理论，将地理空间数据的共享和互操作上升到地理信息处理功能的共享和互操作，集成网络环境中强大的计算资源和多粒度处理功能，提供弹性处理服务环境，实现更高层次的互联互通。成果被美国科学院院士Luc Anselin在其论文中列为网络地理信息处理的前沿研究成果。
面对传统的空间信息服务对空间信息服务的描述停留在语法层次、缺乏语义而不能被计算机所理解、难以实现智能化服务的现状，建立了空间信息服务的语义描述模型，通过本体推理和服务组合将观测资源、数据资源和处理资源动态聚合和按需服务，揭示了语义空间信息智能服务机制。发展了异构地理信息模式语义匹配器，面对空间数据产品追踪溯源这一服务质量评估与服务链优化的需求，建立了支持空间信息服务的空间数据溯源信息共享模型，提出了适应开放式空间信息服务体系的空间数据溯源服务模式，为地理空间服务网质量评估与优化提供了支持。通过对地球空间信息服务的语义注册、发现、匹配、组合、溯源等一系列方法的研究，提高了空间信息共享、处理的自动化、智能化水平。基于云服务的体系结构，将开放式虚拟地球集成共享平台GeoGlobe提升为多维动态地球空间信息智能服务平台，支撑了国家地理信息公共服务平台(天地图)的建设。“天地图”的建设与运行，实现了跨地区多尺度地理信息数据资源的集成共享与服务，其权威、准确、统一、丰富的地图服务资源，为各种各样的分布式应用提供了基础；引导与推动了国家、省、市多层次地理信息公共服务平台的建设，使我国成为国际上第二个拥有数字地球系统的国家。通过直接服务于百姓民生，进一步提升了地理信息的公共服务能力。空间信息系统在城管、社管、国土、规划、电力、环保等具体智慧行业应用，有力地推动了我国智慧城市的建设发展。基于多源时空信息和地理信息系统的时空分析能力研究城市的主要致灾类型和风险，综合应用地理信息和其他各种信息来对自然灾害、事故灾害、公共卫生事件、社会安全事件等各种危害公共安全的事件进行评估、预测、管理、分析、处理和指挥决策。
4.地球空间数据与空间分析
针对空间数据与空间分析这一国际学术前沿研究方向，以不确定性的产生机制、空间分布规律、表达理论模型、传播机理和质量控制理论为主线，全面、系统地研究了该领域的5个核心基础理论:位置不确定性、属性不确定性、空间关系不确定性、空间分析不确定性和质量控制。在空间数据方面，发现并证明了使用了近四十年的经典ε-误差带模型的缺陷，提出了新的误差带理论模型，解决该领域一个国际理论难题，“为现阶段发展奠定了基石”，发现了不规则三角网(TIN)模型的误差分布规律，首次推证了其精度理论公式，实现了从对简单规则DEM到复杂不规则TIN的精度估计的理论进步。在空间分析方面，系统地建立了空间叠置等空间分析不确定理论，完成了不确定性研究从静态描述到动态分析的理论突破，被认为“对该领域不确定性估计作出了极有价值的贡献”。在质量控制理论方面，提出了基于几何和属性约束的空间数据质量控制理论，实现了不确定性理论研究从描述到控制的重要创新。成果已应用于中国《地址数据检查与评价》标准的制定，欧洲、香港、澳门等地及军事空间数据质量控制。
5.三维地理信息系统技术
针对地上地下室内外静态刚体目标实体及其空间分布上的多样性，提出了统一的三维GIS数据模型，实现了地上下室内外目标的几何、拓扑、语义的统一表示，设计了统一高效的数据结构，顾及几何与纹理的多分辨率发展了地上地下空间实体的多层次语义表示，为地上地下三维空间数据的集成管理与综合应用奠定了理论基础。针对大规模三维空间数据组织管理与可视化分析应用的特点，提出了基于层次消息总线的三维GIS体系架构，并制定统一的接口规范，提高了三维GIS平台软件的可伸缩性和高可用性，为高效能三维地理信息系统软件平台的研制提供了有效的技术基础。
根据地籍管理对城市土地三维空间规划与管理的发展趋势，探索了土地及产权三维空间的表达形式和方法，研制了统一2/3维空间对象管理的三维拓扑数据模型，开发了三维地籍信息系统，并在深圳市地籍管理业务中得到有效的应用；针对三维实体可视化技术，重点研究了三维实体建模技术和基于光线投射的体素可视化方法，突破了三维实体动态几何剖切运算关键技术，实现了对三维建筑物及内部细节的可视化。
6.地理信息技术的专业化建模及应用
针对全国土地资源评价工程方面的薄弱环节，提出了土地资源评价数据一体化采集和数据自动整合等解决方案，创建了土地资源评价数据自动化处理技术，突破了全数字环境下土地资源评价因子空间定量自动表征核心技术，实现了土地资源评价因子全自动化空间量化；发展了土地资源评价模型和模型库分层结构化构建技术，解决了多用途土地资源评价模型集成难题，拓展了我国智能化土地资源评价模型方法体系；成果应用于全国农用地评价和全国城镇土地评价工程。面向优化国土空间开发格局的重大国家任务需求，针对国土空间优化的非结构化、多目标协同、耦合大量空间知识、处理数据海量、计算密集等难题，通过研究国土空间优化计算、领域知识空间化、并行化、资源化共享与工程化应用等五大关键技术，成果应用于全国土地利用总体规划、全国土地综合整治规划工程和全国城镇化动态监测等重大工程中，促进了我国国土空间规划行业科技进步。成果进一步辐射服务于东盟国家，完成老挝土地利用总体规划修编，取得了良好的国际影响。