古往今來，幾乎人類所有活動都是發(fā)生在地球上，都與地球表面位置（即地理空間位置）息息相關(guān)，隨著計算機技術(shù)的日益發(fā)展和普及，地理信息系統(tǒng)（Geography Information System，GIS）以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”在人們的生產(chǎn)和生活中起著越來越重要的作用。

 

GIS可以分為以下五部分：

人員，是GIS中最重要的組成部分。開發(fā)人員必須定義GIS中被執(zhí)行的各種任務(wù)，開發(fā)處理程序。 熟練的操作人員通�？梢钥朔礼IS軟件功能的不足，但是相反的情況就不成立。最好的軟件也無法彌補操作人員對GIS的一無所知所帶來的負作用。

數(shù)據(jù)，精確的可用的數(shù)據(jù)可以影響到查詢和分析的結(jié)果。

硬件，硬件的性能影響到軟件對數(shù)據(jù)的處理速度，使用是否方便及可能的輸出方式。

軟件，不僅包含GIS軟件，還包括各種數(shù)據(jù)庫，繪圖、統(tǒng)計、影像處理及其它程序。

過程，GIS 要求明確定義，一致的方法來生成正確的可驗證的結(jié)果。

GIS屬于信息系統(tǒng)的一類，不同在于它能運作和處理地理參照數(shù)據(jù)。地理參照數(shù)據(jù)描述地球表面(包括大氣層和較淺的地表下空間)空間要素的位置和屬性，在GIS中的兩種地理數(shù)據(jù)成分：空間數(shù)據(jù)，與空間要素幾何特性有關(guān)；屬性數(shù)據(jù)，提供空間要素的信息。

地理信息系統(tǒng)（GIS）與全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感系統(tǒng)(RS)合稱3S系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)(GIS) 是一種具有信息系統(tǒng)空間專業(yè)形式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在嚴格的意義上, 這是一個具有集中、存儲、操作、和顯示地理參考信息的計算機系統(tǒng)。例如，根據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的位置對數(shù)據(jù)進行識別。實習(xí)者通常也認為整個GIS系統(tǒng)包括操作人員以及輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)能夠應(yīng)用于科學(xué)調(diào)查、資源管理、財產(chǎn)管理、發(fā)展規(guī)劃、繪圖和路線規(guī)劃。例如，一個地理信息系統(tǒng)(GIS)能使應(yīng)急計劃者在自然災(zāi)害的情況下較易地計算出應(yīng)急反應(yīng)時間，或利用GIS系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)那些需要保護不受污染的濕地。

地理數(shù)據(jù)和地理信息

什么是信息（Information）？1948年，美國數(shù)學(xué)家、信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）在題為《通訊的數(shù)學(xué)理論》的論文中指出：“信息是用來消除隨機不定性的東西”； 1948年，美國著名數(shù)學(xué)家、控制論的創(chuàng)始人維納（Norbert Wiener）在《控制論》一書中，指出：“信息就是信息，既非物質(zhì)，也非能量。” 狹義信息論將信息定義為“兩次不定性之差”，即指人們獲得信息前后對事物認識的差別；廣義信 息論認為，信息是指主體（人、生物或機器）與外部客體（環(huán)境、其他人、生物或機器）之間相互聯(lián)系的一種形式，是主體與客體之間的一切有用的消息或知識。我們認為信息是通過某些介質(zhì)向人們（或系統(tǒng)）提供關(guān)于現(xiàn)實世界新的事實的知識，它來源于數(shù)據(jù)且不隨載體變化而變化，它具有客觀性、實用性、傳輸性和共享性的特點。

信息與數(shù)據(jù)既有區(qū)別，又有聯(lián)系。數(shù)據(jù)是定性、定量描述某一目標的原始資料，包括文字、數(shù)字、符號、語言、圖像、影像等，它具有可識別性、可存儲性、可擴充性、可壓縮性、可傳遞性及可轉(zhuǎn)換性等特點。信息與數(shù)據(jù)是不可分離的，信息來源于數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是信息的載體。數(shù)據(jù)是客觀對象的表示，而信息則是數(shù)據(jù)中包含的意義，是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。對數(shù)據(jù)進行處理（運算、排序、編碼、分類、增強等）就是為了得到數(shù)據(jù)中包含的信息。數(shù)據(jù)包含原始事實，信息是數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，是把數(shù)據(jù)處理成有意義的和有用的形式。

地理信息作為一種特殊的信息，它同樣來源于地理數(shù)據(jù)。地理數(shù)據(jù)是各種地理特征和現(xiàn)象間關(guān)系的符號化表示，是指表征地理環(huán)境中要素的數(shù)量、質(zhì)量、分布特征及其規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像等的總和。地理數(shù)據(jù)主要包括空間位置數(shù)據(jù)、屬性特征數(shù)據(jù)及時域特征數(shù)據(jù)三個部分�？臻g位置數(shù)據(jù)描述地理對象所在的位置，這種位置既包括地理要素的絕對位置（如大地經(jīng)緯度坐標），也包括地理要素間的相對位置關(guān)系（如空間上的相鄰、包含等）。屬性數(shù)據(jù)有時又稱非空間數(shù)據(jù)，是描述特定地理要素特征的定性或定量指標，如公路的等級、寬度、起點、終點等。時域特征數(shù)據(jù)是記錄地理數(shù)據(jù)采集或地理現(xiàn)象發(fā)生的時刻或時段。時域特征數(shù)據(jù)對環(huán)境模擬分析非常重要，正受到地理信息系統(tǒng)學(xué)界越來越多的重視�？臻g位置、屬性及時域特征構(gòu)成了地理空間分析的三大基本要素。

地理信息是地理數(shù)據(jù)中包含的意義，是關(guān)于地球表面特定位置的信息，是有關(guān)地理實體的性質(zhì)、特征和運動狀態(tài)的表征和一切有用的知識。作為一種特殊的信息，地理信息除具備一般信息的基本特征外，還具有區(qū)域性、空間層次性和動態(tài)性特點。

當今社會，人們非常依賴計算機以及計算機處理過的信息。在計算機時代，信息系統(tǒng)部分或全部由計算機系統(tǒng)支持，因此，計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶是信息系統(tǒng)的四大要素。其中，計算機硬件包括各類計算機處理及終端設(shè)備；軟件是支持數(shù)據(jù)信息的采集、存貯加工、再現(xiàn)和回答用戶問題的計算機程序系統(tǒng)；數(shù)據(jù)則是系統(tǒng)分析與處理的對象，構(gòu)成系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)；用戶是信息系統(tǒng)所服務(wù)的對象。

從20世紀中葉開始，人們就開始開發(fā)出許多計算機信息系統(tǒng)，這些系統(tǒng)采用各種技術(shù)手段來處理地理信息，它包括：

○ 數(shù)字化技術(shù)：輸入地理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字化形式的技術(shù)；

○ 存儲技術(shù)：將這類信息以壓縮的格式存儲在磁盤、光盤、以及其他數(shù)字化存儲介質(zhì)上的技術(shù)；

○ 空間分析技術(shù)：對地理數(shù)據(jù)進行空間分析，完成對地理數(shù)據(jù)的檢索、查詢，對地理數(shù)據(jù)的長度、面積、體積等的量算，完成最佳位置的選擇或最佳路徑的分析以及其他許多相關(guān)任務(wù)的方法；

○ 環(huán)境預(yù)測與模擬技術(shù)：在不同的情況下，對環(huán)境的變化進行預(yù)測模擬的方法；

○ 可視化技術(shù)：用數(shù)字、圖像、表格等形式顯示、表達地理信息的技術(shù)。

這類系統(tǒng)共同的名字就是地理信息系統(tǒng)（GIS , Geographic Information System），它是用于采集、存儲、處理、分析、檢索和顯示空間數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。與地圖相比，GIS具備的先天優(yōu)勢是將數(shù)據(jù)的存儲與數(shù)據(jù)的表達進行分離，因此基于相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠產(chǎn)生出各種不同的產(chǎn)品。

由于不同的部門和不同的應(yīng)用目的，GIS的定義也有所不同。當前對GIS的定義一般有四種觀點：即面向數(shù)據(jù)處理過程的定義、面向工具箱的定義、面向?qū)ｎ}應(yīng)用的定義和面向數(shù)據(jù)庫的定義。Goodchild把GIS定義為“采集、存貯、管理、分析和顯示有關(guān)地理現(xiàn)象信息的綜合技術(shù)系統(tǒng)”。Burrough認為“GIS是屬于從現(xiàn)實世界中采集、存儲、提取、轉(zhuǎn)換和顯示空間數(shù)據(jù)的一組有力的工具”，俄羅斯學(xué)者也把GIS定義為“一種解決各種復(fù)雜的地理相關(guān)問題，以及具有內(nèi)部聯(lián)系的工具集合”。面向數(shù)據(jù)庫是定義則是在工具箱定義的基礎(chǔ)上，更加強調(diào)分析工具和數(shù)據(jù)庫間的連接，認為GIS是空間分析方法和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)合。面向?qū)ｎ}應(yīng)用的定義是在面向過程定義的基礎(chǔ)上，強調(diào)GIS所處理的數(shù)據(jù)類型，如土地利用GIS、交通GIS等；我們認為地理信息系統(tǒng)它是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。它和其他計算系統(tǒng)一樣包括計算機硬件、軟件、數(shù)據(jù)和用戶四大要素。只不過GIS中的所有數(shù)據(jù)都具有地理參照，也就是說，數(shù)據(jù)通過某個坐標系統(tǒng)與地球表面中的特定位置發(fā)生聯(lián)系。

地理信息系統(tǒng)簡稱GIS，多數(shù)人認為是Geographical Information System（地理信息系統(tǒng)），也有人認為是Geo-information System（地學(xué)信息系統(tǒng)）等等。人們對GIS理解在不斷深入，內(nèi)涵在不斷拓展，“GIS”中，“S”的含義包含四層意思：

一是系統(tǒng)（System），是從技術(shù)層面的角度論述地理信息系統(tǒng)，即面向區(qū)域、資源、環(huán)境等規(guī)劃、管理和分析，是指處理地理數(shù)據(jù)的計算機技術(shù)系統(tǒng)，但更強調(diào)其對地理數(shù)據(jù)的管理和分析能力，地理信息系統(tǒng)從技術(shù)層面意味著幫助構(gòu)建一個地理信息系統(tǒng)工具，如給現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)增加新的功能或開發(fā)一個新的地理信息系統(tǒng)或利用現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)工具解決一定的問題，如一個地理信息系統(tǒng)項目可能包括以下幾個階段：

（1）定義一個問題；

（2）獲取軟件或硬件；

（3）采集與獲取數(shù)據(jù)；

（4）建立數(shù)據(jù)庫；

（5）實施分析；

（6）解釋和展示結(jié)果。

這里的地理信息系統(tǒng)技術(shù)（Geographic information technologies）是指收集與處理地理信息的技術(shù)，包括全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（Remote Sensing）和GIS。從這個含義看，GIS包含兩大任務(wù)，一是空間數(shù)據(jù)處理；二是GIS應(yīng)用開發(fā)。

二是科學(xué)（Science），是廣義上的地理信息系統(tǒng)，常稱之為地理信息科學(xué)，是一個具有理論和技術(shù)的科學(xué)體系，意味著研究存在于GIS和其它地理信息技術(shù)后面的理論與觀念（GIScience）。

三是代表著服務(wù)（Service），隨著遙感等信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)等的應(yīng)用和普及，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)從單純的技術(shù)型和研究型逐步向地理信息服務(wù)層面轉(zhuǎn)移，如導(dǎo)航需要催生了導(dǎo)航GIS的誕生，著名的搜索引擎Google也增加了Google Earth功能，GIS成為人們?nèi)粘Ｉ�活中的一部分。當同時論述GIS技術(shù)、GIS科學(xué)或GIS服務(wù)時，為避免混淆，一般用GIS表示技術(shù)，GIScience或GISci表示地理信息科學(xué)，GIService或GISer表示地理信息服務(wù)。

四是研究（Studies），即GIS= Geographic Information Studies，研究有關(guān)地理信息技術(shù)引起的社會問題（societal context），如法律問題（legal context），私人或機密主題，地理信息的經(jīng)濟學(xué)問題等。

因此，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System,GIS）是一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，它既是表達、模擬現(xiàn)實空間世界和進行空間數(shù)據(jù)處理分析的“工具”，也可看作是人們用于解決空間問題的“資源”，同時還是一門關(guān)于空間信息處理分析的“科學(xué)技術(shù)” 。

15,000年前，在拉斯考克（Lascaux）附近的洞穴墻壁上，法國的Cro Magnon獵人畫下了他們所捕獵動物的圖案。與這些動物圖畫相關(guān)的是一些描述遷移路線和軌跡線條和符號。這些早期記錄符合了現(xiàn)代地理資訊系統(tǒng)的二元素結(jié)構(gòu)：一個圖形文件對應(yīng)一個屬性數(shù)據(jù)庫。

18世紀地形圖繪制的現(xiàn)代勘測技術(shù)得以實現(xiàn)，同時還出現(xiàn)了專題繪圖的早期版本，例如：科學(xué)方面或人口普查資料。約翰·斯諾在1854年，用點來代表個例，描繪了倫敦的霍亂疫情，這可能是最早使用地理方法的位置。 他對霍亂分布的研究指向了疾病的來源----一個位于霍亂疫情爆發(fā)中心區(qū)域百老匯街的一個被污染的公共水泵。 約翰·斯諾將泵斷開，最終終止了疫情爆發(fā)。

20世紀初期將圖片分成層的“照片石印術(shù)”得以發(fā)展。它允許地圖被分成各圖層，例如一個層表示植被和另一層表示水。這技術(shù)特別用于印刷輪廓-繪制，這是一個勞力集中的任務(wù)，但他們有一個單獨的圖層意味著他們可以不被其他圖層上的工作混淆。這項工作最初是玻璃板上繪制，后來，塑料薄膜被引入，具有更輕，使用較少的存儲空間，柔韌等等的優(yōu)勢。當所有的圖層完成，再由一個巨型處理攝像機結(jié)合成一個圖像。彩色印刷引進后，層的概念也被用于創(chuàng)建每種顏色單獨的印版。盡管后來層的使用成為當代地理信息系統(tǒng)的主要典型特征之一，剛才所描述的攝影過程本身并不被認為是一個地理信息系統(tǒng) - 因為這個地圖只有圖像而沒有附加的屬性數(shù)據(jù)庫。

60年代早期，在核武器研究的推動下，計算機硬件的發(fā)展導(dǎo)致通用計算機“繪圖”的應(yīng)用。

1967年，世界上第一個真正投入應(yīng)用的地理信息系統(tǒng)由聯(lián)邦林業(yè)和農(nóng)村發(fā)展部在加拿大安大略省的渥太華研發(fā)。羅杰·湯姆林森博士開發(fā)的這個系統(tǒng)被稱為加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS ） ，用于存儲，分析和利用加拿大土地統(tǒng)計局（ CLI，使用的1:50,000比例尺，利用關(guān)于土壤、農(nóng)業(yè)、休閑，野生動物、水禽、林業(yè)和土地利用的地理信息，以確定加拿大農(nóng)村的土地能力。）收集的數(shù)據(jù)，并增設(shè)了等級分類因素來進行分析。

CGIS是“計算機制圖”應(yīng)用的改進版，它提供了覆蓋，資料數(shù)字化/掃描功能。它支持一個橫跨大陸的國家坐標系統(tǒng)，將線編碼為具有真實的嵌入拓撲結(jié)構(gòu)的“弧”，并在單獨的文件中存儲屬性和區(qū)位信息。由于這一結(jié)果，湯姆林森已經(jīng)成為稱為“地理信息系統(tǒng)之父”，尤其是因為他在促進收斂地理數(shù)據(jù)的空間分析中對覆蓋的應(yīng)用。

CGIS一直持續(xù)到20世紀70年代才完成，但耗時太長，因此在其發(fā)展初期，不能與如Intergraph這樣的銷售各種商業(yè)地圖應(yīng)用軟件的供應(yīng)商競爭。CGIS一直使用到20世紀90年代，并在加拿大建立了一個龐大的數(shù)字化的土地資源數(shù)據(jù)庫。它被開發(fā)為基于大型機的系統(tǒng)以支持一個在聯(lián)邦和省的資源規(guī)劃和管理。其能力是大陸范圍內(nèi)的復(fù)雜數(shù)據(jù)分析。CGIS未被應(yīng)用于商業(yè) 。微型計算機硬件的發(fā)展使得象ESRI和CARIS那樣的供應(yīng)商成功地兼并了大多數(shù)的CGIS特征，并結(jié)合了對空間和屬性信息的分離的第一種世代方法與對組織的屬性數(shù)據(jù)的第二種世代方法入數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。20世紀80年代和90年代產(chǎn)業(yè)成長刺激了應(yīng)用了GIS的UNIX工作站和個人計算機飛速增長。至20世紀末，在各種系統(tǒng)中迅速增長使得其在相關(guān)的少量平臺已經(jīng)得到了鞏固和規(guī)范。并且用戶開始提出了在互聯(lián)網(wǎng)上查看GIS數(shù)據(jù)的概念，這要求數(shù)據(jù)的格式和傳輸標準化。