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云计算在全球范围形成了一种IT技术趋势，影响着不同行业人们的工作和生活方式。云计算深刻改变着GIS的传统方法和应用模式，解决地理学面临的挑战，GIS则为云计算提供了资源和落脚点，“GIS+云”成为必然趋势。对广大用户来说，云GIS意味着数据、软件、开发的壁垒已被打破，GIS变得唾手可得。在云GIS时代，将是一个人人参与、人人受益的世界，专家们构建各自领域的知识，普通大众提供自己的内容与发现，GIS软件在云端搭建起为这一切提供数据共享与应用协同的支持平台。
1．地理科学视角
空间信息呈现典型的“云”特征：①抽象特征。只要空间位置确定，该位置上的资源、类型、所有者等信息均可认为是依附于空间位置的抽象属性，该特征为数据虚拟化提供了理论依据。②透明特征。信息复杂多样，最终用户只关心“有价值”和“能操作”的信息和结果，存储组织以及处理过程等均可透明。③宜合宜分特征。与传统空间“横向成网，纵向多级”特征相对应，云GIS呈现出“合而分之，分而合之”的特征，该特征与分布式存储和MapReduce的思想一致。
以上3个特征相互联系，彼此依赖，构成地理科学视角下的云GIS内涵。
2．社会科学视角
用户和数据均是云GIS的组成部分，两者均具有社会属性。社会科学视角下的云GIS平台呈现集中特征，通常由“实力雄厚”的机构来创建基础设施，其子机构和用户使用云平台提供的服务，达到资源有效控制和合理使用的双重目的。我国现行的从中央到地方的集中式行政管理体制，为云GIS统一实施提供了良好的环境。通过云计算，可以自动收集多维、多坐标系数据，构建数据对象和资源对象的动态组织和管理体系；在此基础上，建立面向复杂社会应用的多维空间数据共享管理方法。
云GIS的特征可总结如下：①空间数据需要“云”特征（虚拟化特征）。当其中的空间数据附加上属性后，便可具象化，能够应用于某些具体操作过程，并可通过人工干预的服务发现和服务聚合实现。②空间数据管理同样需要“云”特征。中央部门应该为省、市、县提供云平台，既存放下级单位数据，又提供数据管理服务，在权限范围内充分利用这些资源。因此，云GIS平台既可以实现GIS通用功能，如可视化服务、缓冲区分析、叠加分析、统计分析和影像操作等，使用户在使用云GIS时如同使用桌面系统那样简单方便，同时又能提供接口，供更高级的用户开发使用，以产生更丰富的GIS功能。
1．一种集中的空间信息存储环境
基于存储虚拟化的云存储计算实现海量空间数据信息的统一存储、计算和服务，需要通过云平台提供给数以百万计的用户同时在线使用，包括在线应用开发与地理智能服务。
采用云计算技术，可以集中统一地管理GIS云数据，可以通过共享的方式为所有的客户端提供数据服务，使用者无须关注数据如何采集、更新或维护，也无须购买数据。存储虚拟化整合了异构平台，充分利用原有设备，解决了数据容量增长扩充、硬件升级时面临的成本限制问题，能实现将存储资源按需分配，合理利用数据存储空间，极大地提高了各种硬件系统资源的使用效率。存储虚拟化不仅仅提供硬件资源的集中管理，还提供各种数据保护功能，实现业务的不间断运行。
2．一种以服务为基础的空间信息应用平台
云计算将GIS技术升级成为一个个可调用、可访问的服务，一切都是开放性的、以服务的形式展现，整个产品是松耦合、可移动、可伸缩和自适应的架构。传统的GIS部署方式中，对于基础设施的存储网络、服务器，每个单位都要购买，自己安排人维护，或者请人规划、搭建，自己的系统平台应用软件开发还需要技术人员；但在一个云的环境里面，一切IT设施都可以推到云端去。
利用云计算技术，GIS的各种功能将以网络服务的方式向用户提供。用户购买自己需要的GIS服务，可以按需付费，云GIS提供的服务是“即拿即用”在线式的，云GIS系统的维护和升级由GIS服务提供商负责，用户使用和维护GIS的难度将大大降低。通常使用者需要时采用公共GIS云服务，只需按流量的方式付费，可以极大地节省成本。
3．一种以租赁为主要形式的商业运营模式
通过现有的云计算平台，GIS企业可以租用硬件服务，利用其基础设施，将数据或服务部署在提供的云平台上，面对用户需求的不断变化，只需动态、弹性地增加或移除硬件设备就可以应对。用户可以使用Mashup等技术，对不同的GIS云服务进行融合，构建新的云GIS应用。云计算把一切资源都抽象为服务，用户通过网络来使用，从而实现按需计算和多人协作。GIS作为采集、存储、管理、分析、共享、发布空间信息的专业系统，必然要采用云计算技术，以简化应用部署和管理、降低投资和运行成本，提高GIS应用程序的效率和基础设施的灵活性。
海量空间数据的分布式存储、处理、任务划分、查询检索、互操作和虚拟化等是云GIS需要解决的关键性问题。弹性云平台架构、池化的GIS服务实例、完善的监控机制、开放的后台管理接口、高效的资源组织与共享机制、与传统业务模式的完美集成、在线的应用开发模板等都是云GIS的关键技术。
1．面向按需服务的云GIS体系架构
云GIS要实现互联网应用跨越，实现私有云、公有云的一体化连通和交互，统一支持服务器、桌面、Web和移动端的全面应用。它可以支持单点发布、自动同步、频度统计和自动优化，支持云内部的数据迁移、私有公有云的迁移和云中心之间的迁移。重点解决弹性的云平台架构、池化的GIS服务实例、多租户管理等关键技术。
2．海量空间数据分布式存储技术
空间数据库从企业级数据库向分布式空间数据库发展，并支持BigTable、HBase、NoSQL等技术，支持通过标准的空间数据库接口和REST接口进行统一访问。
3．基于虚拟化的数据管理技术
采用虚拟化技术实现空间数据库的统一管理，支持在系统之间、部门之间、层级之间快速迁移和自动同步数据，具有离线应用和在线更新技术，实现分布式、多级别、支持多终端的空间数据保障流程。
4．基于并行架构的数据处理技术
具有面向任务的异步空间数据处理架构，支持大型集群的并发处理和处理流程控制，支持长时间运行、长事务处理，支持移动终端操作处理大型空间数据库，具有处理流程的可视化设计和运行状态的实时监控功能，可以跨平台、跨地域整合空间数据的处理流程，并能够即时地对处理结果进行发布。
除此之外，云GIS需重点研究的技术还包括：①GIS空间数据及空间任务的迁移。空间数据具有数据量大、相关性强等诸多不同于一般数据的特点，这决定云GIS的并行任务迁移也具备与普通并行任务迁移不同的特点。②数据加密算法。针对空间数据的特点，在今后的研究工作中应该设计特有的加密算法，或设计保证其完整性、可靠性的算法。③客户端计算与云端计算的结合。这是由数据服务的保密性和大众性的双重属性决定的。
1．简化应用程序部署与管理
对于企业或政府机构来说，关注的不仅仅是怎么采集数据、处理数据、构建数据库、制图、发布地图服务，更重要的是考虑怎么部署GIS软件和优化软件系统配置，才能达到最优性能，方便升级和维护。采用云计算大大简化了GIS服务器部署，减少了复杂的服务器管理。通过增加或减少ArcGIS Server进程的数量来快速满足负载的需求，而不需要投资新硬件。通过云计算服务平台能轻松实现发布服务，直接支持Web制图应用。
2．资源使用的低成本
云GIS将用户从传统的资源独占转变为资源共享，最大化资源的利用率，降低了单个用户使用资源的成本。GIS系统的建设关键在于数据，而且系统建设的最大成本也在于数据。采用云计算模式，可以集中统一地维护数据，通过共享的方式为所有的客户端提供数据服务和软件服务。
3．业务的连续性
云GIS为用户提供的地理信息服务是弹性的，能根据用户业务需求的变化快速、动态地扩展资源，从而提升了业务的连续性。
4．业务的灵活性
云GIS将用户原本固定的成本投入转变为可变的运行成本，提升了资本运作的灵活性，进而提升了用户的业务灵活性。
5．业务的创新能力
云GIS将用户从繁琐、复杂的资源管理工作中解放出来，从而使用户能够更加专注于自身的业务创新。
6．良好的用户体验
云GIS降低了用户使用地理信息资源的复杂度，用户只需要根据业务的需求选择合适的终端访问云GIS服务即可。资源不仅包含通常所说的地图数据、GIS功能、GIS服务等，也涵盖了传统IT建设中的各种IT基础设施：服务器、网络、存储等物理范畴和操作系统、数据库、中间件等范畴。
构建云GIS就是GIS从项目的模式逐渐迁移到在线运营的模式，GIS的形态、接口、模块等很多方面都要做出改变，从而与现有的云计算平台进行对接。基于云计算技术的服务模式，云GIS在提供基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）等三个层次的服务的同时，还提供基础内容即服务的服务模式，以ArcGIS为例提供的云GIS不同层次的服务模式如图1-1所示。
图1-1 云GIS不同层次的服务模式
1．地理信息内容即服务
地理信息内容即服务，就是把地理信息的内容作为一种服务向外提供。“地理信息内容即服务”是云GIS应用中的最低层次。地理信息内容即服务现在一般是由在线地图网站提供的，这些网站提供地图信息和简单的查询服务，同时提供API供开发者使用其云服务。这些API是JavaScript或Flash语言编写的应用接口，帮助用户在网站中构建功能丰富、交互性强的地图应用程序。地理信息内容即服务的地理信息门户网站是空间基础设施的重要组成部分。这些网站一般提供元数据目录，分为发布模块、管理模块、查询模块，便于地理信息的注册、发现和使用，支持数据动态下载。
2．地理信息软件即服务
地理信息软件即服务，是指利用互联网提供在线地理信息处理的服务。这种服务以往通过单机版地理信息软件完成。服务内容包含地图发布服务、数据格式转化服务、空间分析服务等。云地理信息在线服务，最上层采用SOA架构模式，将地理信息的各种服务封装成标准的Web Services，纳入到SOA体系中进行管理使用，包括服务接口、服务注册、服务查找、服务访问等。管理中间件负责对用户使用地理信息进行计费，负责负载均衡、地图切片服务等。最后由GIS Server提供底层数据服务。“地理信息软件即服务”是通过浏览器把程序和功能传给用户的。实例包括Esri的Business Analyst Online（BAO），ArcGIS Online Sharing以及GIS Portal Toolkit。
3．地理信息平台即服务
地理信息平台即服务，即把地理信息开发环境作为服务对外提供（Cloudware），PaaS是SaaS的延伸，允许开发者进行创建、测试和部署应用，使用中间商设备开发自己的程序并通过互联网和其服务器传到用户手中。实例包括ArcGIS Online共享的REST API和ArcGIS Web Mapping APIs。
目前提供平台即服务较为著名的是Google AppEngine。地理信息系统开发者可以在Google App Engine上开发地理信息软件，并运行在Google的基础设施上。除把开发环境作为服务向外提供外，还可把API也作为服务向用户提供。
目前的API类型主要有JavaScriptAPI、FlexAPI和SilverlightAPI。这些API是各种地理信息服务云之间连接的桥梁。
ArcGIS.com是Esri的云GIS应用平台，为用户提供一站式云GIS服务，免费使用大量的高质量底图服务和任务服务，基于这些资源创建自己的应用和工具，共享GIS成果。
ArcGIS.com具有以下特点：①访问免费、高质量基础地图服务，应用GIS无须开发，可创建自己的Web Maps；②在云端存储用户的数据；③创建和加入工作组，将用户的工作成果进行共享和协作；④快速创建在线的地图应用。
Esri为用户提供了SaaS的GIS工具，包括Business Analyst Online、ArcLogistics Online、Community Analyst Online等，允许用户直接使用这些服务来解决具体的业务问题，而不需要具备专业的GIS知识，也不需要担心数据管理和技术更新，一切由Esri在云端负责解决。
4．地理信息基础设施即服务
地理信息服务的构建可以运行在其他商业公司构建的云基础设施中。目前，提供硬件基础设施服务的有亚马逊、IBM以及一些电信运营商，如中国电信、中国移动，这些企业正在或已经搭建了基础设施服务环境，并以此为基础提供相应的计算资源或弹性租赁服务。基础设施即服务对GIS而言，这种基础环境和服务模式不可或缺。
基础设施由计算机架构虚拟化组成，并作为服务为用户提供。基于Internet的服务（如存储和数据库）是IaaS的一部分，提供了动态和高效的部署架构。
IaaS例子有Amazon Simple Storage Service（S3），Amazon Elastic Cloud Compute（EC2），即弹性云计算，Akamai，以及ArcGIS Online Data Centers等。
ArcGIS in Amazon是Esri为用户提供的IaaS服务，基于亚马逊提供的EC2、S3服务，将ArcGIS Server部署到了亚马逊的云端，使得用户通过简单的操作，即可在几分钟之内获得一个已经部署有ArcGIS Server的云端实例，大大加快了用户部署、发布应用的速度。
云GIS有3种建设模式：公有云GIS、私有云GIS和混合云GIS。其中混合云GIS是公有云和私有云之间的权衡模式。
公有云是云计算服务商提供的公众平台，任何人都可以通过授权接入该平台，其典型代表是欧洲环境总署（EEA），是欧盟中第一个将其网络制图服务迁移到云端的机构。
私有云则是云计算服务提供商为企业在其内部建设的专有云计算系统。私有云系统存在于企业防火墙之内，只为企业内部服务。
云GIS的建设模式如图1-2所示。
图1-2 云GIS的建设模式
1．GIS公有云的建设
GIS公有云是指将地理底图以网络服务的形式提供给用户使用，目前提供GIS公有云服务的主要是地图网站，如Google Map、Google Earth等，内容包括地形图服务、卫星影像服务等。用户使用公有云提供商提供的地图API来拓展其功能，常用的Google地图API类型有Google Maps API for JavaScript、Google Maps API for Flash、Google Earth API、Google Static Maps API、Google Maps Data API等。Flex公司推出了FlexViewer，把常用的地图功能服务，如放大、缩小、全景移动，图层控制、鹰眼、测量、标签等功能作为公有云服务来提供。
公有云GIS由专业的云GIS供应商负责提供各种类型的GIS资源服务，用户无须关心云端所有资源的安全、管理、部署和维护，只要按需获取并使用即可。使用时，用户只需为其所使用的资源付费，无须任何前期投入。Esri公司的公有云GIS产品有ArcGIS.COM、ArcGIS Apps/APIs以及ArcGIS In Amazon等。
2．GIS私有云的建设
由于数据安全要求，企业用户需要搭建自己的云GIS环境，由企业自己来管理和维护云端的各种资源，即建设企业的私有云GIS。
GIS私有云是某些部门或个人用户为单独使用地理信息服务而建立的数据中心，GIS私有云可按照部门来建立，如电力、税务、交通等，一般以GIS服务平台发布地理信息服务到云端的形式来实现。GIS商业公司可以为垂直行业提供基于私有云的解决方案，在这种方案里，前者转型为侧重于云平台维护和运营的服务提供者。如在环保领域做一个排污收费和地图应用相结合的产品，部署在云端，各地环保局等组织在需要的时候可以用租赁或购买的方式来获取数据和应用。
3．GIS混合云的建设
GIS混合云是指既包含了GIS私有云服务同时又包含了GIS公有云的服务模式。GIS混合云可借助各种地图API接口来实现。其中Mashup是实现公有云和私有云进行融合的主要技术之一。