人類生活在地球上，80%以上的信息與地球上的空間位置有關(guān)。GIS的出現(xiàn)是信息技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物。地理信息系統(tǒng)萌芽于上世紀(jì)的60年代。1962年，加拿大的Roger F. Tomlinson提出利用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理和分析大量的土地利用地圖數(shù)據(jù)，并建議加拿大土地調(diào)查局建立加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS），以實(shí)現(xiàn)專題地圖的疊加、面積量算、自然資源的管理和規(guī)劃等；與此同時(shí)，美國(guó)的Duane F. Marble在美國(guó)西北大學(xué)研究利用數(shù)字計(jì)算機(jī)研制數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，以支持大規(guī)模城市交通研究，并提出建立地理信息系統(tǒng)的思想。70年代是地理信息系統(tǒng)走向?qū)嵱玫陌l(fā)展期。美國(guó)、加拿大、英國(guó)、西德、瑞典和日本等國(guó)對(duì)GIS的研究均投入了大量人力、物力和財(cái)力。到1972年CGIS全面投入運(yùn)行與使用，成為世界上第一個(gè)運(yùn)行型的地理信息系統(tǒng)；在此期間美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展了50多個(gè)地理信息系統(tǒng)，用于獲取和處理地質(zhì)、地理、地形和水資源信息；1974年日本國(guó)土地理院開始建立數(shù)字國(guó)土信息系統(tǒng)，存儲(chǔ)、處理和檢索測(cè)量數(shù)據(jù)、航空像片信息、行政區(qū)劃、土地利用、地形地質(zhì)等信息；瑞典在中央、區(qū)域和城市三級(jí)建立了許多信息系統(tǒng)，如土地測(cè)量信息系統(tǒng)、斯德哥爾摩地理信息系統(tǒng)、城市規(guī)劃信息系統(tǒng)等。但由于當(dāng)時(shí)的GIS系統(tǒng)多數(shù)運(yùn)行在小型機(jī)上，涉及的計(jì)算機(jī)軟硬件、外部設(shè)備及GIS軟件本身的價(jià)格都相當(dāng)昂貴，限制了GIS的應(yīng)用范圍。
80年代是GIS的推廣應(yīng)用階段，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在性能大幅度提高的同時(shí)，價(jià)格迅速下降，特別是工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與完善，使GIS的應(yīng)用領(lǐng)域與范圍不斷擴(kuò)大。GIS與衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合，開始用于全球性問題的研究，如全球變化和全球監(jiān)測(cè)、全球沙漠化、全球可居住區(qū)評(píng)價(jià)、厄爾尼諾現(xiàn)象及酸雨、核擴(kuò)散及核廢料等(李德仁，1994)；從土地利用、城市規(guī)劃等宏觀管理應(yīng)用，深入到各個(gè)領(lǐng)域解決工程問題，如環(huán)境與資源評(píng)價(jià)、工程選址、設(shè)施管理、緊急事件響應(yīng)等。在這一時(shí)期，出現(xiàn)了一大批代表性的GIS軟件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINPO、ERDAS、Microstation等，其中ARC／INFO已經(jīng)愈來愈多地為世界各國(guó)地質(zhì)調(diào)查部門所采用，并在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域礦產(chǎn)資源與環(huán)境評(píng)價(jià)、礦產(chǎn)資源與礦權(quán)管理中發(fā)揮越來越重要作用。
90年代為GIS的用戶時(shí)代，隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的建立和數(shù)字化信息產(chǎn)品在全世界的普及，GIS成為了一個(gè)產(chǎn)業(yè)，投入使用的GIS系統(tǒng)，每2～3年就翻一番，GIS市場(chǎng)的增長(zhǎng)也很快。目前，GIS的應(yīng)用在走向區(qū)域化和全球化的同時(shí)，己滲透到各行各業(yè)，涉及千家萬戶，成為人們生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)和工作中不可缺少的工具和助手。與此同時(shí)，GIS也從單機(jī)、二維、封閉向開放、網(wǎng)絡(luò)(包括Web GIS)、多維的方向發(fā)展。
我國(guó)地理信息系統(tǒng)方面的工作始于80年代初。地理信息系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)展階段的標(biāo)志是第七個(gè)五年計(jì)劃的開始，地理信息系統(tǒng)研究作為政府行為，正式列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，開始了有計(jì)劃、有組織、有目標(biāo)的科學(xué)研究、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和工程建設(shè)工作。許多部門同時(shí)展開了地理信息系統(tǒng)研究與開發(fā)工作。1994年中國(guó)GIS協(xié)會(huì)在北京成立，標(biāo)志中國(guó)GIS行業(yè)已形成一定規(guī)模。九五期間，國(guó)家將地理信息系統(tǒng)的研究應(yīng)用作為重中之重的項(xiàng)目予以支持，1996年，為支持國(guó)產(chǎn)GIS軟件的發(fā)展，原國(guó)家科委開始組織軟件評(píng)測(cè)，并組織應(yīng)用示范工程。這一系列的舉措極大的促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)GIS軟件的發(fā)展與GIS的應(yīng)用。1998年，國(guó)產(chǎn)軟件打破國(guó)外軟件的壟斷，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率達(dá)25%。同年，在抽樣調(diào)查25個(gè)省市19個(gè)行業(yè)的1000多個(gè)單位中，全部使用了地理信息系統(tǒng)(秦其明、袁勝元，2001)。地理信息系統(tǒng)在資源調(diào)查、評(píng)價(jià)、管理和監(jiān)測(cè)，在城市的管理、規(guī)劃和市政工程、行政管理與空間決策、災(zāi)害的評(píng)估與預(yù)測(cè)、地籍管理及土地利用，在交通、農(nóng)業(yè)、公安等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
2. 地理信息系統(tǒng)的組成
GIS的應(yīng)用系統(tǒng)由五個(gè)主要部分構(gòu)成，即硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。
2.1 硬件
硬件是指操作GIS所需的一切計(jì)算機(jī)資源。目前的GIS軟件可以在很多類型的硬件上運(yùn)行，從中央計(jì)算機(jī)服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)，從單機(jī)到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。一個(gè)典型的GIS硬件系統(tǒng)除計(jì)算機(jī)外，還包括數(shù)字化儀、掃描儀、繪圖儀、磁帶機(jī)等外部設(shè)備。根據(jù)硬件配置規(guī)模的不同可分為簡(jiǎn)單型、基本型、網(wǎng)絡(luò)型。圖1是典型的網(wǎng)絡(luò)型GIS硬件配置(修文群，1999)，圖2是一個(gè)典型的基本型GIS硬件配置，它是一般用戶最常用的配置。
2.2 軟件
軟件是指GIS運(yùn)行所必須的各種程序。主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和地理信息系統(tǒng)軟件兩部分。地理信息系統(tǒng)軟件提供存儲(chǔ)、分析和顯示地理信息的功能和工具。主要的軟件部件有：輸入和處理地理信息的工具；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)工具；支持地理查詢、分析和可視化顯示的工具；容易使用這些工具的圖形用戶界面(GUI)。
2.3 數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)是一個(gè)GIS應(yīng)用系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的組成部分。空間數(shù)據(jù)是GIS的操作對(duì)象，是現(xiàn)實(shí)世界經(jīng)過模型抽象的實(shí)質(zhì)性內(nèi)容確良。圖3展示了GIS對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的信息表達(dá)與分層。
一個(gè)GIS應(yīng)用系統(tǒng)必須建立在準(zhǔn)確合理的地理數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。數(shù)據(jù)來源包括室內(nèi)數(shù)字化和野外采集，以及從其他數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)的表達(dá)可以采用柵格和矢量?jī)煞N形式?？臻g數(shù)據(jù)表現(xiàn)了地理空間實(shí)體的位置、大小、形狀、方向以及幾何拓?fù)潢P(guān)系。
2.4 人員
人是地理信息系統(tǒng)中重要的構(gòu)成要素，GIS不同于一幅地圖，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)的地理模型，僅有系統(tǒng)軟硬件和數(shù)據(jù)還不能構(gòu)成完整的地理信息系統(tǒng)，需要人進(jìn)行系統(tǒng)組織、管理、維護(hù)和數(shù)據(jù)更新、系統(tǒng)擴(kuò)充完善以及應(yīng)用程序開發(fā)，并采用空間分析模型提取多種信息。因此，GIS應(yīng)用的關(guān)鍵是掌握實(shí)施GIS來解決現(xiàn)實(shí)問題的人員素質(zhì)。這些人員既包括從事設(shè)計(jì)、開發(fā)和維護(hù)GIS系統(tǒng)的技術(shù)專家，也包括那些使用該系統(tǒng)并解決專業(yè)領(lǐng)域任務(wù)的領(lǐng)域?qū)＜摇Ｒ粋€(gè)GIS系統(tǒng)的運(yùn)行班子應(yīng)有項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、信息技術(shù)專家、應(yīng)用專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)專家、若干程序員和操作員組成。
2.5 方法
這里的方法主要是指空間信息的綜合分析方法，即常說的應(yīng)用模型。它是在對(duì)專業(yè)領(lǐng)域的具體對(duì)象與過程進(jìn)行大量研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出的規(guī)律的表示。GIS應(yīng)用就是利用這些模型對(duì)大量空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析綜合來解決實(shí)際問題的。如基于GIS的礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)模型、災(zāi)害評(píng)價(jià)模型等。
3. 地理信息系統(tǒng)的主要功能
一個(gè)GIS軟件系統(tǒng)應(yīng)具備五項(xiàng)基本功能，即數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)存貯與管理、空間查詢與空間分析、可視化表達(dá)與輸出。圖4是一個(gè)典型的GIS功能框圖。
3.1 數(shù)據(jù)輸入
數(shù)據(jù)輸入是建立地理數(shù)據(jù)庫必須的過程。數(shù)據(jù)輸入功能指將地圖數(shù)據(jù)、物化遙數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文字報(bào)告等輸入、轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字形式的各種功能。對(duì)多種形式、多種來源的信息，可實(shí)現(xiàn)多種方式的數(shù)據(jù)輸入，如圖形數(shù)據(jù)輸入、柵格數(shù)據(jù)輸入、GPS測(cè)量數(shù)據(jù)輸入、屬性數(shù)據(jù)輸入等。用于地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)采集的主要技術(shù)有兩類，即使用數(shù)字化儀的手扶跟蹤數(shù)字化技術(shù)和使用掃描儀的掃描技術(shù)。手扶跟蹤數(shù)字化曾在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是空間數(shù)據(jù)采集的主要方式。掃描數(shù)據(jù)的自動(dòng)化編輯與處理是空間數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究的重點(diǎn)，隨著掃描儀技術(shù)性能的提高及掃描處理軟件的完善，掃描數(shù)字化技術(shù)的使用越來越普遍。
3.2 數(shù)據(jù)編輯與處理
數(shù)據(jù)編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯。屬性編輯主要與數(shù)據(jù)庫管理結(jié)合在一起完成，圖形編輯主要包括拓?fù)潢P(guān)系建立、圖形編輯、圖形整飾、圖幅拼接、圖形變換、投影變換、誤差校正等功能。
3.3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理
數(shù)據(jù)的有效組織與管理，是GIS系統(tǒng)應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵。主要提供空間與非空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢檢索、修改和更新的能力。矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、光柵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是存儲(chǔ) GIS的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇在相當(dāng)程度上決定了系統(tǒng)所能執(zhí)行的功能。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)確定后，在空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理中，關(guān)鍵是確定應(yīng)用系統(tǒng)空間與屬性數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)以及空間與屬性數(shù)據(jù)的連接。目前廣泛使用的GIS軟件大多數(shù)采用空間分區(qū)、專題分層的數(shù)據(jù)組織方法，用GIS管理空間數(shù)據(jù)，用關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理屬性數(shù)據(jù)。圖5是一個(gè)典型的地學(xué)數(shù)據(jù)分層管理概念模型，其中展示了空間圖層及其屬性的連接。screen.width-333)this.width=screen.width-333" border=0>
3.4 空間查詢與分析
空間查詢與分析是GIS的核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有別于其他信息系統(tǒng)的本質(zhì)特征。地理信息系統(tǒng)的空間分析可分為三個(gè)層次的內(nèi)容：
l 空間檢索：包括從空間位置檢索空間物體及其屬性、從屬性條件檢索空間物體；
l 空間拓?fù)浏B加分析：實(shí)現(xiàn)空間特征（點(diǎn)、線、面或圖像）的相交、相減、合并等，以及特征屬性在空間上的連接；
l 空間模型分析：如數(shù)字地形高程分析、BUFFER分析、網(wǎng)絡(luò)分析、圖像分析、三維模型分析、多要素綜合分析及面向?qū)I(yè)應(yīng)用的各種特殊模型分析等。
3.5 可視化表達(dá)與輸出
中間處理過程和最終結(jié)果的可視化表達(dá)是GIS的重要功能之一。通常以人機(jī)交互方式來選擇顯示的對(duì)象與形式，對(duì)于圖形數(shù)據(jù)，根據(jù)要素的信息密集程度，可選擇放大或縮小顯示。GIS不僅可以輸出全要素地圖，也可以根據(jù)用戶需要，分層輸出各種專題圖、各類統(tǒng)計(jì)圖、圖表及數(shù)據(jù)等。
除上述五大功能外，還有用戶接口模塊，用于接收用戶的指令、程序或數(shù)據(jù)，是用戶和系統(tǒng)交互的工具，主要包括用戶界面、程序接口與數(shù)據(jù)接口。由于地理信息系統(tǒng)功能復(fù)雜，且用戶又往往為非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員，用戶界面是地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部分，使地理信息系統(tǒng)成為人機(jī)交互的開放式系統(tǒng)。
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