本章引言

进入21世纪以来，信息技术革命越来越迅速地改变着人类生活和社会的各个方面，而作为全球信息化浪潮的重要组成部分，地理信息系统作为一门集计算机学科、地理学、测绘和遥感学科、环境科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的多学科交叉的新兴边缘学科，日益受到各界的广泛关注。地理信息系统介于信息科学、空间科学、管理科学之间，作为一种特定而又十分重要的空间信息系统，是一种兼容、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统。它按一种新的方式去组织和使用地理信息，以便更有效地分析和生产新的地理信息，同时，GIS的应用改变了地理信息分发和交换的方式。因此，GIS提供了一种认识和理解地理信息的新方式，从而使GIS进一步发展成为一门处理空间数据的学科。

本章首先简要地介绍数据、信息、地理数据及地理信息的含义，在此基础上从不同角度论述了地理信息系统的含义；然后，着重介绍地理信息系统的构成及功能；最后，回顾地理信息系统的发展历程并对其发展前景进行展望。

本章重点

●数据、信息、地理数据及地理信息；

●地理信息系统的特点；

●地理信息系统与其他信息系统的区别与联系；

●地理信息系统的构成；

●地理信息系统的功能。

1.1 地理信息系统的基本概念

1.1.1 数据、信息、地理数据和地理信息

1.数据和信息

在信息化极为普及的21世纪，“信息”一词被各行各业广泛使用，而在地理信息系统（Geographical Information System，GIS）的研究和应用中，也经常使用数据（Data）和信息（Information）这两个术语。那么数据和信息的具体含义是什么？两者之间的区别和联系又是什么？

目前，学术界还没有对“信息”形成完全一致的定义。信息论的创始人克劳德·香农（Claude Elwood Shannon）认为“信息是用以消除随机不确定性的东西”。显然，这只是从信息的某种作用和功能上定义的；而控制论的创始人诺伯特·维纳（Norbert Wiener）则认为“信息是我们适应外部世界，并且使这种适应为外部世界所感知的过程中，同外部世界进行交换的内容的名称”。当然，还有其他对信息的不同理解。然而，从一般科学观点上来讲，信息一般是和数据相对应的，数据是信息的表达，而信息则是数据的内容和解释。数据是一种未经加工的原始资料，数字、文字、符号、图像等都是数据。数据是客观对象的表示，而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。也就是说，对数据进行加工处理后就可以获取有意义的信息。例如，从实地或社会调查数据中可获取到各种专业信息；从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息；从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。一个形象的例子就是木匠加工家具。同一个木匠，在一些工具的帮助下，可以把木材做成有用的家具。同样，老师通过学生得分来获得相应信息以评判教学情况。数据和信息之间的转换可以用图1.1形象地说明。

2.地理数据和地理信息

地理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。而地理信息则是对地理数据的加工、处理、解释和说明，是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识。从地理实体到地理数据、从地理数据再到地理信息的发展历程，反映了人类认识的一个巨大飞跃。

地理数据包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。空间位置数据描述地物所在位置。这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标，又可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的相邻、包含等；属性数据有时又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标。时域特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。时间数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。地理信息属于空间信息，其位置是通过数据标识的，这是地理信息区别于其他类型信息的最显著的标志。地理信息除了具有信息的一般特征外，还具有一些独特的属性。

1）数据量大

地理信息既有空间特征，又有属性特征。另外，地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期（如台风、地震）、短期（如江河洪水、秋季低温）、中期（如土地利用、作物估产）、长期（如城市化、水土流失）和超长期（如地壳变动、气候变化）五类。地理信息涉及的数据量非常巨大，尤其是随着全球对地观测计划的不断发展，每天都可以获得上万亿兆的关于地球资源、环境特征的数据，这必然给数据处理与分析带来很大压力。

2）空间分布性

地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式的特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的数据存储和更新也应是分布式的。

3）信息载体的多样性

地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。对于地图来说，它不仅是信息的载体，也是信息的传播媒介。

1.1.2 信息系统和地理信息系统

1.信息系统

1）信息系统的构成

信息在现代社会中的重要性正逐渐彰显，并随之产生了专门收集、管理、加工、处理和分析信息的组织机构，这就是“信息系统”。而现代计算机技术的发展，使得“信息系统”与计算机硬件、软件等之间产生了紧密联系。信息系统是以计算机技术为主要工具，专门收集、加工、处理和输出信息，并服务于某一应用目的技术和组织体系。

信息系统作为现代化管理和决策的手段，其身影无处不在，有各种各样的管理信息系统、咨询服务系统、专家系统和决策支持系统等，这些系统帮助人们进行信息咨询和事务处理，或是提供规划和决策支持，极大地提高了人们的工作效率，已经成为现代社会必不可少的工具。信息系统的功能主要体现在数据采集、存储管理、分析和表达数据等方面，通常意义上的信息系统的基本概念如图1.2所示。

一般来讲，任何信息系统都部分或全部由计算机系统支持，并由计算机硬件、软件、数据和用户四大要素组成。当然，智能化的信息系统离不开知识的支持。

（1）计算机硬件包括各类计算机服务器、客户机、处理终端和一些外围设备等；

（2）软件是支持数据信息的采集、存储、加工、重现和回答用户问题的计算机程序系统，包括操作系统、应用软件和中间件等；

（3）数据则是信息系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础，对数据进行加工后输出的就是用户需要的信息；

（4）用户是信息系统服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的，在系统中总包含一些与人相关的复杂因素，人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统。当然，建立信息系统也需要人的参与。

2）信息系统的类型

信息系统是为了解决不同领域中的相关问题而产生并发展的。信息系统的分类方式多种多样，从不同角度出发可以将信息系统进行不同的划分。但是从发展逻辑上看，信息系统主要有以下四种。

（1）管理信息系统（Management Information System，MIS）。

管理信息系统是一种基于数据库的管理信息系统，在数据级上支持、辅助管理者完成管理决策等事务性处理。例如，人事管理信息系统、财务管理信息系统、学生学籍管理信息系统和旅游咨询信息系统等。

（2）决策支持系统（Decision Support System，DSS）。

决策支持系统是在MIS基础上发展起来的一种信息系统，不仅为管理者提供数据支持，而且提供方法和模型的支持。DSS是一组处理数据和进行分析的程序，能对问题进行仿真和模拟，从而辅助管理者进行决策。

（3）人工智能（Artificial Intelligence，AI）和专家系统（Expert System，ES）。

人工智能是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统。专家系统引入了人工智能技术以便应用智能推理做出决策并解释决策理由，它主要由五个部分构成：知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获取系统。

（4）空间信息系统（Spatial Information System，SIS）。

空间信息系统是对空间数据进行采集处理、管理、分析和决策的信息系统，可以集成MIS、DSS和ES等而成为一种综合系统。

信息系统的分类如图1.3所示。

2.地理信息系统

1）地理信息系统的定义

在很多情况下，人们在规划、管理、决策和处理事务时往往涉及很多与周围地理环境和地理位置相关的信息，例如人们熟知的地图或图纸。这些信息内容不仅要能够表达事件发生的过程与结果，更为重要的是要能够描述事件发生的地点、周边环境及空间关系，在这种情况下，地理信息系统（Geographical Information System，GIS）应运而生。

那么什么是GIS呢？对于其定义目前还没有完全统一的表述，不同部门、不同应用目的，对GIS的定义也不一样。例如，美国学者Parker认为“GIS是一种存储、分析和显示空间和非空间数据的信息技术”。Goodchild则把GIS定义为“采集、存储、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合系统”。加拿大的Roger Tomlinson 认为“GIS是全方位分析和操作地理数据的数字系统”。Burrough认为“GIS是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力工具”。俄罗斯学者则更多地把GIS理解为“一种解决各种复杂的地理相关问题及具有内部联系的工具集合”。这些定义和理解有的侧重于GIS的技术内涵，有的则是强调GIS的应用功能。从前面对信息系统的描述角度出发，地理信息系统是研究与地理分布有关的空间信息系统，具有信息系统的各种特点。因此，可以大众化地给GIS做如下定义：GIS是在计算机软件和硬件系统的支撑下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供规划、管理、决策和研究所需信息的系统。其实这个定义和美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）对地理信息系统的定义是一致的，其概念框架和构成如图1.4所示。

从上述的分析和定义可得出GIS的基本概念。

（1）GIS的物理外壳是计算机化的技术系统。

GIS的物理外壳由若干个相互密切联系的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。

（2）GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。

空间数据的最根本特点是每一条数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述，这是GIS区别于其他类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。

（3）GIS的技术优势。

GIS能够有效集成不同的数据格式和结构，具有独特的地理空间分析能力、快速的空间定位搜索和复杂的空间查询功能、数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。

（4）GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。

大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数据；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托，美国地质学家K. I. 兰菲尔曾经说：GIS引入地学界，如同Fortran语言引入计算机科学一样重要。”GIS以一种全新的思想和手段来解决与规划和管理相关的复杂问题，也能为现代化企业制定科学经营战略提供有力手段。正因为如此，也有学者断言：“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展开辟一片崭新的天地”。

2）地理信息系统的特点

根据前面对GIS概念的理解和描述，结合信息系统的特点，可以看出地理信息系统有如下特点。

（1）主要研究地理对象和位置信息。

GIS在分析处理问题过程中涉及大量的空间数据和属性数据，并通过空间数据库Spatial Database）管理系统将二者联系在一起进行分析和应用。

（2）强调空间分析功能。

GIS在空间数据库的基础上，通过空间解析模型算法进行空间数据的分析。这与传统的MIS只有属性数据库的管理完全不同。在MIS中，即使存储了图形，也不能进行空间数据操作，如空间分析与空间查询、图层叠加分析等。

（3）图形数据和属性数据的一体化管理。

GIS按照空间数据库的要求将图形数据和属性数据用一定的机制连接起来，并进行一体化管理，能在空间数据库基础上进行深层次分析。

（4）有自身理论体系。

GIS不同于一般的计算机软件和其他系统，虽然从外观来看是计算机软/硬件系统，但内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。作为一门交叉学科，GIS不仅依赖于地理学、测绘学等基础学科，又取决于计算机软/硬件技术、人工智能与专家系统等领域的研究成果。在解决资源与环境问题时，从数据的采集、组织、处理、建立数据库到空间分析模型的建立，都需要制订优化方案和进行二次开发。

3）地理信息系统的分类

地理信息系统是一门快速发展中的交叉学科，即使是同一个系统，由于常常要完成一些新的任务，系统也经常处于变化之中。因此对地理信息系统的划分不可能建立一套固定的分类方式。但一般情况下，按照地理信息系统的应用特点，可以将地理信息系统分成以下三种类型。

（1）区域型应用地理信息系统（Region GIS）。就是和特定的地理区域相联系，以某个区域的综合研究和全面的信息服务为目标，为用户解决特定问题而建立的地理信息系统。根据问题可以建立不同规模的地理信息系统，如黄河流域信息系统、塔里木河水资源管理信息系统、中国自然环境综合信息系统等。应用型地理信息系统一般都有明确的应用目的和使用对象，针对特定群体建立并且有用户化的系统界面。

（2）专题型应用地理信息系统（Thematic GIS）。一般根据有限目标和专业特点，为特定的目的服务。如森林资源管理信息系统、农作物估产信息系统、水土流失信息系统等。

（3）工具型地理信息系统（Tools GIS）。这类地理信息系统是可以对各种地理空间数据进行输入、编辑、显示、查询和分析处理等，并能建立应用型地理信息系统的软件包。工具型地理信息系统一般都能在很大程度上满足用户的应用需求，但往往是面向GIS理论与技术，对用户的专业型问题的针对性不强。此类系统主要有ESRI的Arc/Info、ArcView；MapInfo公司的MapInfo、中国成都六合科技发展有限公司的MapGIS等。在工具型地理信息系统的支持下建立区域性GIS和专题性GIS，可以节省人财物力、缩短系统建立周期、提高技术含量，并且容易进行推广。地理信息系统的分类如图1.5所示。

4）地理信息系统与其他系统的区别

如前所述，作为一种信息系统，GIS与其他信息系统有共同之处，但也有一定的区别。

（1）GIS与一般MIS的区别。

GIS主要处理的数据是空间数据和属性数据的综合，它不仅管理反映空间属性的一般数字、文字等，还要管理反映地理分布特性及其之间拓扑关系的空间位置数据，而且还要将二者有机结合起来进行协调管理分析。这是与一般MIS最大的区别。一般的MIS通常只处理非空间数据，数据模型常常采用关系型二维表格，所有的数据都存储在关系型数据库中。当然，在有些情况下，可以结合这些非空间的属性数据来构建相应的地理信息系统。

（2）GIS与CAD的区别。

CAD主要利用计算机替代或辅助工程人员进行各种图形设计，处理的对象一般是规则的几何图形及其组合，处理编辑图形能力强大但属性处理功能比较弱。虽然诸如ArcCAD等拥有部分地理信息系统的功能，但是远远不能和完全意义上的GIS软件相提并论。GIS处理的对象一般与空间和位置密切相关，处理属性数据的功能也非常重要，图形和属性之间关系紧密，有独特的数据结构，更多地强调的是空间分析处理。就目前而言，CAD及其产品目前事实上成了GIS的一种数据源。

（3）GIS与GPS的区别。

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是美国国防部部署的一种卫星无线电定位、导航与报时系统。它由导航星座、地面台站和用户定位设备三部分组成。其中导航星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记做（21+3）GPS星座。24颗卫星平均分布于6个轨道面上，轨道的倾角约为55° ，卫星高度约为20 183千米，卫星周期为11时58分，即每颗卫星每天按相同路径绕行地球两周。这样，对于地面观测者来说，这种分布方式可以保证在地面上任何时间、地点至少可接收到4颗以上卫星发射的寻航信号（最多可见到11颗），实现三维精确定位。GPS卫星以两种L-Band载波 L1 1575.42MHz）与L2（1227.60 MHz）调制PRN电码，传送其导航信息。电码中又分两种，一种为P电码（Precise Code，10.23MHz），另一种为C/A电码（Coarse/Acquisition Code，1.023MHz）。P电码频率较高，不易被干扰，定位精度高，但受美国军方管制，故民间多使用C/A电码。GPS的用户设备简称GPS接收机，由内天线、接收机、信号处理器和显示器组成，能同时接收4颗卫星发射的导航信号，经过对信号到达时间的测量、数据解调处理和计算，得出用户本身位置的三维坐标和运动速度。

GPS为美国在世界各地的部队及其军用卫星提供定位导航服务。GPS也是全球民用定位导航的主要手段。例如，消防部门可以在消防车辆上安装GPS接收器，配合电子地图，就可以对消防车辆进行实时监控，随时获悉车辆的位置，对消防车辆进行实时调度以保证消防人员尽快赶到火灾事故现场；在电子商务物流配送方面，配送中心也可以利用GPS，借助电子地图和其他手段来对配送车辆进行实时监控和调度，保证配送计划的正确执行。

GPS也可以改变数据的采集方式。当然，GPS能够准确地获悉一些地理对象的位置，为GIS提供必要的数据和信息。例如，GPS如果结合各种传感器，将GPS和摄像机、激光测距仪连接起来装在车上，沿着道路行驶，可以快速地检查路面磨损的状况，获取必要的路面信息。用这种方法采集数据信息不但迅速、位置准确，而且获取的数据可以直接被GIS使用。

（4）GIS与遥感（RS）的区别。

遥感（Remote System，RS）技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线对目标进行探测和识别的技术。例如，航空摄影就是一种遥感技术。人造地球卫星发射成功，大大推动了RS技术的发展，现代RS技术利用遥感系统完成信息的获取、传输、存储和处理等任务。传输设备将遥感信息从远距离平台（如卫星）传回地面站。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。遥感是一门使用传感器对地球进行测量的科学和技术，传感器以图像的格式收集数据，并为利用、分析和可视化这些图像提供专门的功能。遥感技术广泛用于军事侦察、导弹顶替、军事测绘、海洋监视、气象观测、地球资源勘测、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、海洋研究、地震监测等方面。

GIS、RS与GPS并称“3S”技术，GIS和RS之间的联系非常紧密，RS数据可以作为GIS的重要数据源，而GIS是遥感图像处理的扩大和延伸。但它们之间也有很大的区别。在数据结构上，遥感图像处理主要采用栅格结构，而GIS不仅具有栅格结构，还使用矢量结构；在数据源方面，GIS是一个多源的系统，GPS和RS不是GIS的全部的数据源，它更多地采用地图数据、统计数据及其他的数据源；在数据分析能力上，遥感技术主要处理遥感图像的操作和分析，而GIS不仅具备一般图形分析和操作的能力，还进一步提高了模型分析的能力，对于地学中的复杂现象，可以通过运算和分析研究其中的规律。

1.2 地理信息系统的构成

从地理信息系统的本质来看，地理信息系统实际上是区域地理系统的一个计算机模型，一个典型的地理信息系统主要由四个部分构成：计算机硬件系统、计算机软件系统、空间数据库和系统管理应用人员等。其中，计算机软/硬件系统是GIS的核心；空间数据库是基础，它反映了GIS的内容；管理应用人员决定了系统的工作方式和信息表达方式，是应用成功的关键。一个完整的GIS构成模型如图1.6所示。

1.GIS的硬件系统

计算机硬件是计算机系统中所有物理装置的总称，是地理信息系统中的软件系统和地理空间数据存在的载体，用以存储、处理、传输和显示地理信息或空间数据。硬件系统构成了地理信息系统的物理外壳，它直接影响着GIS的规模、精度、速度、功能和使用方法，当然，GIS的性能也会受到硬件指标的支持或制约。一般而言，GIS的硬件系统包括计算机及网络硬件系统、输入/输出等外围设备和存储设备三大模块。

计算机是GIS硬件系统的核心计算机硬件平台，包括主机服务器和客户工作站，以及各种网络支撑设备。在现代技术条件下的GIS大都是在网络环境下的分布式系统，因此，要保证整个网络设备和各服务器、工作站之间能否良好匹配，所以网络环境的先进性及网络设备的档次对GIS的运行起着重要作用。

输入/输出设备主要包括数字化仪、图形扫描仪、显示器、打印机和绘图仪等。在GIS中，要经常对空间数据和非空间数据进行频繁的更新、修改、删除、显示、绘图和打印等操作，这些操作无一例外地要用到各种输入/输出设备。

存储设备主要有光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等。主要用来保存空间数据、属性数据和在此基础上开发的相关应用程序等。

构成GIS的硬件系统必须高度协调，这样才能高效完成对大量数据的输入、存储、分析处理和输出，达到GIS的应用要求。GIS的硬件系统构成如图1.7所示。

2.GIS的软件系统

完整运行中的GIS涉及许多软件，主要包括计算机系统软件和地理信息系统软件与其他支持程序三大部分，这些软件按照在GIS中对数据进行采集、加工、管理、分析和表达等功能分为五个模块，即数据输入与转换、数据存储与管理、空间分析和处理、空间数据可视化输出与表示及用户界面等。这五个部分构成的GIS如图1.8所示。

3.空间数据

在GIS中，数据是描述地理对象实体的唯一工具，只有这些数据才可以直接被计算机系统识别、存储、处理和使用。现实世界经过认知抽象而形成的描述自然、社会和人文景观的实质性内容就是空间数据。当然，这些空间数据以地球表面位置为参照，主要包括数字、文字、图形、图像和表格等。空间数据可以通过相应的输入设备获得，如扫描仪、数字化仪、键盘或其他输入系统和设备。无论何种途径和形式获取的空间数据，都必须按一定的数据结构组织和表达、建立标准的数据文件或空间数据库，方可被GIS处理，为用户提供服务。在GIS中，所有的操作对象都是空间数据。GIS的建立和运行实际上就是各种数据和信息按照一定方式流动的过程，因此，有人将空间数据称为GIS的血液。空间数据用来描述地理实体的空间特征、属性特征和时间特征。空间特征（也称为定位特征）主要表示地理实体的空间位置及其相互关系，一般用坐标数据表示，如笛卡儿坐标系和拓扑关系等；属性特征表示实际现象或特征，如物理实体的名称、级别、变量、类型和数量等；时间特征是指实体随时间变化而反映出来的特征，变化有短期、中期和长期变化等。

4.系统管理和应用人员

作为GIS中最活跃的组成部分，人在GIS的设计、建立、管理、运行和维护的整个过程中都起着十分重要的作用。一个完整的地理信息系统必须以人为本。从需求分析、开发策略的制订到系统设计与实现等环节，仅有系统软/硬件和数据远远不够，还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发等，用户还需要灵活选取地理分析模型，提取多种信息，为研究和决策服务。人员的业务素质和专业知识是GIS作为一项系统工程成败的关键（如图1.9所示）。

1.3 地理信息系统的功能概述

作为一门由计算机学科、空间学科与测绘学科等学科相互交叉而形成的新兴边缘学科，GIS具有很多处理地理信息的高级功能，当然，GIS的基本功能同样不能忽视，如数据的采集、管理、分析和输出等。不同的商用GIS软件优缺点不一样，实现功能的技术也不一样，但是大部分的GIS软件都有基本功能和高级功能。GIS依托这些基本功能，结合一些新兴技术，演绎出了丰富多彩的系统高级应用功能，以满足社会的广泛需求。

1.3.1 数据采集与编辑

任何GIS软件都不能离开数据的支撑而完成相应的任务，因此，数据采集作为GIS的基本功能在整个系统中的作用非常重大。据不完全统计，GIS数据库的建设占整个系统建设投资的70%以上，并且这种状况在近期内有上升的趋势。

数据采集是把现有资料转换为计算机可以处理的形式，保证这些数据在GIS数据库中在内容与空间上的完整性、数据与逻辑的一致性等。数据采集的方法和技术很多。野外数据、航空相片、遥感资料、地图和文本都可以作为数据采集源而通过输入设备输入GIS中。

现有的GIS都有很强的图形编辑功能。例如，ARC/INFO的编辑子系统除了负责数字化仪的数据输入外，主要功能是用于图形编辑。可以对原始输入有误的数据进行修改，还可以修饰图形、设计线形和建立拓扑关系等。

1.3.2 数据处理和变换

完善的GIS能兼容多种图形图像工业标准，也应该能兼容其他大部分系统的数据格式。这就需要GIS软件能够在不同数据格式之间相互转换。GIS涉及数据类型广泛，并且即便是同一类型数据，质量也会不同。因此，数据处理和转换就是GIS的基本功能之一。现有的GIS软件都具有数据变换、数据重构和数据抽取等功能。

1.3.3 数据存储管理

数据存储管理是建立GIS的关键环节，涉及空间数据和属性数据等大量数据。在GIS中空间数据量非常庞大并且内容非常复杂，这就要求GIS既要通过常规的关系数据库来存储和管理这些数据，还要能解决常规数据库无法解决的问题。最近，一些扩展的数据库管理系统（如Oracle Spatial等）就增加了这样的功能，有助于大数据量的检索、存储和管理。

1.3.4 空间查询和分析

GIS及许多自动化地理数据处理系统应该具备空间查询功能，空间分析也是GIS的核心功能之一，也是GIS与其他计算机系统的根本区别之一。使用通用的数据库查询语言（如SQL等）虽然可以完成一定操作，但是在GIS中，必须对传统的查询语言进行补充或重新设计后方可使用。在人们的日常生活中，经常面临大量的空间位置信息，如何提高空间查询分析能力以满足用户需求是GIS的出发点之一。在GIS中，可以通过各种方式来完成空间查询与空间分析，如属性数据查询分析、空间数据查询分析、叠加分析、缓冲区分析等。

1.3.5 可视化显示输出

地理信息系统采集获取的各种空间数据，经过GIS的分析处理后以可视化的形式输出给用户，输出的地理空间数据种类很多，包括图形、图像和属性信息，还可能包括与地理对象相联系的音频、视频、动画等信息。为了获得较好的显示效果，这些地理空间数据的显示除了以二维静态地图表示外，还可以用动态的三维虚拟显示，也可以采用图形数据和多媒体数据混合的表现形式、网上地图和多媒体信息浏览及虚拟现实技术等。输出显示的载体可以是计算机屏幕，也可以是纸张、光盘、磁盘等。当然，在输出显示时，GIS应该提供一种良好的、交互式的绘图环境，以便地理信息系统的使用者能够设计和制作出高品质的地图。

1.4 地理信息系统的产生与发展

地理信息系统的发展离不开相关学科的发展和解决资源与环境等领域问题的需求。特别是20世纪60年代后，相关技术的出现大力推动了地理信息系统的发展，而资源与环境的需求进一步拉动了地理信息数据的处理，二者结合起来就使得GIS的产生与发展成为历史的必然。

1.4.1 国外GIS发展概述

地理信息系统是20世纪60年代逐渐发展起来的一门新兴技术。20世纪60年代初，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图。1950年，麻省理工学院为它的旋风一号计算机制造了第一台图形显示器；1958年，美国的caComp公司在联机的数字记录仪的基础上研制成滚筒式绘图仪；1962年，麻省理工学院的Ivan E.Suther在其博士学位论文中，首次提出了计算机图形学的术语，并论证了交互式计算机图形学是一个可行的、有实际意义的研究领域，从而确立了这一科学分支的独立地位。在此基础上，地理信息系统迅速发展起来。纵观GIS在国外的发展，可以将GIS发展分成以下几个阶段。

1.地理信息系统的开拓期（20世纪60年代）

20世纪50年代末和60年代初，计算机应用普及以后，很快就被应用于空间数据的存储和处理。将原有的地图转换为能被计算机识别的数字形式，并利用计算机对地图信息进行存储和处理，这就是地理信息系统的早期雏形。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。这时的计算机存储能力小，磁带存取速度慢，对地理信息系统的性能有一定的制约。这个阶段的地理信息系统的主要特征表现为机助绘图能力较强，地学分析功能比较简单；实现了手扶跟踪的数字化方法；可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅数据的自动拼接；并开创了格网单元的操作方法，期间发展了许多面向格网的系统。其中最著名的是哈佛大学的SYMAP，还有GRID、MLMIS等系统。所有这些处理空间数据的主要技术，奠定了地理信息系统发展的基础。

在这一时期，世界各地纷纷建立了许多相关的组织和机构，这也是地理信息系统发展的另一个显著标志。例如，1966年美国成立城市和区域信息系统协会（URISA），1969年又建立了州信息系统全国协会（NASIS），国际地理联合会（IGU）于1968年设立了地理数据收集和处理委员会（CGDSP）。这些组织和机构的建立，对于传播地理信息系统的知识和发展地理信息系统技术，起到了重要的指导作用。

2.地理信息系统的巩固发展期（20世纪70年代）

在20世纪70年代，计算机发展到第三代，数据处理速度加快，内存容量增大，而且输入、输出设备逐渐齐全，推出了像磁盘这样的大容量的直接存取设备，为地理数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的支持手段。特别是人机对话和随机操作功能的实现，使得用户可以通过屏幕直接监视数字化的操作，而且绘图分析的结果也能很快看到，并可以进行实时编辑。而计算机技术的发展及其在自然资源和环境数据处理中的广泛应用，极大地推动了地理信息系统的迅速发展。例如，仅在1970—1976年，美国地质调查所就建成50多个信息系统，分别作为处理地理、地质和水资源等领域信息的工具。另外，加拿大、联邦德国、瑞典和日本等国也先后开发了自己的地理信息系统。随着地理信息系统的发展，一些商业公司逐渐活跃起来，相继推出多款应用软件，并受到用户的欢迎。在此期间，曾先后召开了一系列地理信息系统的国际讨论会，国际地理联合会先后于1970年和1972年两次召开关于地理信息系统的学术讨论会，1978年FIG规定第三委员会的主要任务是研究地理信息系统，同年，在联邦德国达姆斯塔特工业大学召开了第一次地理信息系统讨论会。这期间，许多大学（如美国纽约州立大学布法罗校区等）开始注意培养地理信息系统方面的人才；创建了GIS实验室。一些商业性的咨询服务公司也开始从事地理信息系统的研究和开发工作。

总之，地理信息系统在这时受到了政府部门、商业公司和大学等机构的普遍重视。GIS在继承以前技术的基础上，充分利用新出现的计算机技术来完成相应的功能。这个阶段的GIS仍然在技术方面鲜有新突破，系统的数据分析能力仍然很弱，而系统的开发与应用多限于某个机构。

3.地理信息系统技术大发展时期（20世纪80年代）

随着计算机软/硬件技术的飞速发展，地理信息系统迎来了一个大发展的时期。在硬件方面，随着大规模和超大规模集成电路的问世，第四代计算机尤其是微型计算机逐步走入千家万户，而计算机网络的建立和远程通信传输设备的出现为地理信息的高效传输奠定了基础。

在软件方面，出现了完全面向数据管理的数据库管理系统（DBMS），研制开发了大量的系统软件工具和应用软件工具，数据处理开始和数学模型、模拟等决策工具相结合。GIS迅速应用于很多领域，如资源管理、环境规划、应急反应、商业服务区域划分以及政治选举分区等。

这一时期，许多国家都制定了本国的地理信息系统的发展规划，启动了若干相关的科研项目，并建立了一些政府性、学术性机构，如美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心（NCGIA），英国于1987年成立了地理信息协会。同时，大量商业咨询公司和软件制造商开始涌现，研发并推出了系列专业化服务。地理信息系统引起了工业化国家的普遍关注，英、法、德、挪威、瑞典、荷兰、以色列、澳大利亚等国都在积极探讨和促进地理信息系统的发展与应用；同时，地理信息系统的应用逐步突破了国界的限制，发展全球性的地理信息系统也是这一时期的热点问题。

4.地理信息系统的应用普及时代（20世纪90年代以后）

目前，地理信息系统已成为许多机构日常工作中必不可少的工具，而地理信息系统的使用也在一定程度上影响和改变了许多组织，尤其是政府决策部门原有的运行机制、部门设置和工作计划等。另外，随着计算机软/硬件技术的飞速发展和网络的普及，社会公众对地理信息系统的认知力普遍增强，对其需求也大幅度增加，因而促进了地理信息系统应用范围的进一步扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如，美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略中就包括地理信息系统，美国政府也将地理信息系统列入其制订的“信息高速公路”计划中去。

Internet的迅速发展和广泛普及，为GIS的网络化发展提供了良好的支撑环境。在GIS中嵌入HTTP和TCP/IP标准的应用体系促使WebGIS大力发展，尤其是几大主流WebGIS平台提供商，几乎都推出了相应的版本。其中比较有代表性的有ESRI公司的MapObjects Internet Map Server（MapObjects IMS）和ArcView Internet Map Server ArcView IMS），后合并为ArcIMS；MapInfo公司的MapXtreme；Autodesk公司的MapGuide；Intergraph公司的GeoMedia Web Map等。与此同时，组件式GIS也大力发展，比较有代表性的产品有ESRI公司的MapObjects，它是由一个名为Map的ActiveX控件和一系列可编程ActiveX对象构成的；MapInfo公司的MapX，这也是利用ActiveX控件来进行GIS二次开发。毫无疑问，进入21世纪，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统，将广泛应用于各个行业。

1.4.2 国内GIS的发展

整体上讲，我国的GIS发展起步比较晚，基本上起始于20世纪70年代后期。从发展历程看，我国的GIS发展大致经历了以下三个阶段。

1.准备阶段（20世纪70年代）

20世纪70年代初，我国开始尝试将计算机应用于地图绘图和遥感领域。1972年，我国开始研制绘图自动化系列；1974年引进美国地球资源卫星图像并开展了卫星图像的处理和分析工作；1976年召开了第一次遥感技术规划会议，并开展了部分遥感试验；1977年开展了对数字地形模型基本数据的特征参数及其提取的试验，与此同时，我国第一张由计算机输出的全要素图就此诞生；1978年，国家计委在黄山召开了第一次数据库学术讨论会。该时期如火如荼的学术探讨和试验研究为我国GIS研制和开发积累了一定的经验，也为其奠定了技术基础。

2.试验阶段（20世纪80年代）

20世纪80年代，随着计算机技术的发展和对信息革命的热情，GIS在我国全面进入试验阶段。1981年在渡口滩的遥感和GIS的典型试验，研究了多源采集和空间配准的方法；成都计算机应用研究所围绕区域数据模型的设计与建立，就查询、系统分析等技术方法开展了大量试验；与此同时，国内许多研究机构也开展了部分专题试验，设计了一些通用的软件，如北京大学遥感技术应用研究所推出的微机地理信息系统通用软件PURSIS和MCGIS等；在人才培养和机构建设方面，先后在1985年建立了我国第一个资源与环境信息系统实验室，1987年在北京举行了国际地理信息系统学术讨论会，同时，有关高校也开设了GIS课程。虽然总体水平还处于国际20世纪70年代中期水平，但已经为我国GIS的发展奠定了良好的应用基础。

3.快速发展阶段（20世纪90年代至今）

20世纪90年代，我国的GIS出现了前所未有的发展局面。“中国GIS协会”、“中国海外GIS协会”等机构相继成立，并出现了一批从事地理信息学科研究和工程的高科技企业。在此期间，全国有五家单位分别开发出了 GIS 软件，它们是：武汉测绘大学的GeoStar、中国地质大学的MapGIS、北京大学遥感应用研究所的CityStar（后更名为Region Management）、中国林业科学院的ViewGIS和深圳雅都图形软件公司的GROW等。在国产WebGIS平台方面，有武汉吉奥信息技术工程有限公司开发的GeoSurf和北京中遥地网信息技术有限公司的GeoBeans。GeoSurf采用了目前国际上的主流计算机技术，是我国独立开发的具有自主版权的网络GIS开发平台软件。值得注意的是，SuperMap GIS是北京超图地理信息技术有限公司依托中国科学院的科技优势，立足技术创新，研制的新一代大型地理信息系统平台，能很好地满足各行业不同类型的用户需要。SuperMap GIS系列软件深受广大用户和开发商青睐，除中国外，还成功进入日本、韩国、新加坡、印度、美国、法国、澳大利亚、意大利等国家和地区，开创了中国GIS软件国际化的先河。基于SuperMap，各地合作伙伴成功建立了数以百计的大型应用系统，如中国民航、日本国家铁路、台北市都市计划局、香港九广铁路等系统。SuperMap被来自亚洲的十余个世界五百强企业选为其GIS开发平台，成为亚洲著名的GIS品牌。

总之，中国地理信息系统事业经过十几年的发展，取得了重大的进展。地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。

1.4.3 GIS的研究趋势展望

虽然经40多年的发展，地理信息系统的系统软件和应用软件日趋成熟和完善，但地理信息系统技术的发展没有止境，已成为国内外学者研究的热点。目前，GIS的研究趋势主要集中在以下几个方面。

1.面向对象技术与地理信息系统的结合

面向对象的技术利用4种抽象技术（分类、概括、联合、聚集）构建复杂的地理实体，从而为描述复杂的空间信息提供直观、清晰、组织有序的方法，克服了传统GIS由于空间数据和属性数据分开存储而不利于空间数据整体管理、一致性维护比较差等弊端。使用面向对象技术设计的软件，结构清晰、软件的重用性和扩充性好，并且面向对象的数据模型语义能力强，特别适合GIS的应用开发。最近几年新研制的GIS软件大多采用面向对象技术，如SmallWorld、System 9等。但面向对象的GIS仍然存在如下的问题，有待进一步研究：

（1）大对象的操作仍然受硬件条件的限制；

（2）对象的独立性和颗粒性问题；

（3）矢量和栅格数据统一的、支持动态拓扑结构和复杂对象表示的面向对象的数据结构问题。

2.真三维GIS和时空GIS

当前的GIS还不能有效地处理诸如地下矿体、地下水文等真三维现象。这严重阻碍了GIS的进一步发展。目前虽然已有一些新的软件能够支持和表达真三维现象，但还仅局限于真三维显示和简单的分析，而真正的三维GIS必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库。其主要研究方向包括：

（1）三维数据结构的研究，包括数据的有效存储、数据状态的表示等；

（2）三维数据的生成和管理；

（3）三维数据的三维显示主要包括三维数据的空间操作和分析、表面处理、栅格图像、全息图像显示及层次处理。

GIS除空间特性外还有时序特征。在许多应用领域，如环境监测、天气预报、地震救援等，空间对象时刻变化，而这种变化规律在求解过程中意义重大。近年来对GIS中时空特征的研究非常活跃，即所谓的“时空GIS”，主要研究时空模型、时空数据的表示、存储、查询分析等。

3.Internet与GIS的结合

Internet技术的迅速发展为GIS发展提供了新的机遇，也为GIS理论及技术研究开辟了新的领域，改变了地理信息的获取、传输、发布和可视化等的过程和方式，成为GIS新的操作平台。Internet与GIS的结合形成Internet GIS，它为用户提供空间数据在Internet上的浏览、查询、分析等。由于Internet GIS分布式管理和操作的要求，Internet GIS主要的研究热点如下：组件式GIS、开放式GIS和嵌入式GIS等。

4.GIS应用模型的发展

目前，通用的GIS软件大多通过提供二次开发工具和环境来解决GIS应用在特定领域空间分析功能不足的问题。这种方法对于普通用户而言难度较大，而GIS成功应用到专业领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。因此，最好的方式是GIS本身能支持专业应用模型的定义、生成及检验。这种GIS又称为地理信息建模系统Geographical Information Modeling System，GIMS），它支持与用户交互式的基于GIS的分析、建模和决策，是当前GIS研究的热点问题之一。

5.GIS与专家系统、神经网络的结合

GIS经过多年的发展，空间分析能力较强，但其知识表示、知识处理和进行启发式推理的能力仍然较弱，无法解决多层次、多因素、非线性变化的复杂地学问题，难以为管理决策提供辅助服务。利用人为经验和专家知识是解决这类问题的一种有效途径。因此，将GIS与专家系统、神经网络相结合，发展智能GIS或专家GIS，也是目前GIS领域研究的热点问题之一。

6.GIS与虚拟现实技术的结合

虚拟现实（Virtual Reality）技术是当代信息技术高速发展和集成的产物，将虚拟现实技术引入GIS会使得GIS更具吸引力。通过虚拟现实技术的可视化技术及其强大的人机交互能力，将GIS数据转换成逼真的、可操作的地理三维实体，使用户如同在真实世界里那样分析和管理空间实体数据，从而提高其操作的有效性。

7.GIS与GPS、RS、DPS的结合

在未来几年，数字摄影测量系统（Digital Photogrammetry System，DPS）与GIS、GPS和遥感（Remote System，RS）的结合，将成为许多软件厂商的主攻方向。RS与DPS的结合相对比较简单，而GPS与DPS的结合需要解决的关键问题是将机载GPS的处理结果直接输入DPS。DPS与GIS的结合也大有可为，目前，GIS的图形数据主要来自现有地图的采集输入，原有地图内容不够丰富，且现势性较差，而摄影测量的精度相当高，它可以满足各种比例尺的精度要求。从发展来看，数字摄影测量将逐步取代图形数字化，成为GIS图形数据的主要采集工具。

本章小结

GIS 作为一种多学科交叉的特殊系统，是在实践中产生和发展的空间数据管理和分析应用技术，伴随着计算机技术、信息技术等的产生而产生，随着应用需求的驱动而快速发展。地理信息系统是一种兼容、存储、管理、分析、显示和应用地理信息的计算机系统，对海量数据具有非常强大的分析和处理功能，并且广泛应用于资源调查、环境评估、重大灾害处理、城市规划、交通控制及设施定位等领域。GIS、GPS及RS等的有机结合，使得GIS应用达到了崭新的深度和广度，使得GIS成为可视化决策的重要工具。

问题讨论

1.数据、信息、地理数据及地理信息在概念上的区别与联系是什么？

2.什么是地理信息系统（GIS）？它与一般的计算机应用系统及MIS有哪些异同点？

3.GIS主要有哪些类型？各自的特点是什么？

4.GIS的主要组成部件有哪些？

5.GIS的主要功能体现在哪些方面？根据你熟悉的GIS应用系统，阐述相应功能。

6.根据自己的了解，说明GIS可用于哪些领域？试结合自己的专业特点，论述GIS的发展前景。