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(jì)算機(jī)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(bǔ)操作人員對GIS的一無所知所帶來的負(fù)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(jì)、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(yàn)證的結(jié)果。

GIS屬于信息系統(tǒng)的一類，不同在于它能運(yùn)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(yán)格的意義上, 這是一個(gè)具有集中、存儲、操作、和顯示地理參考信息的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。例如，根據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的位置對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別。實(shí)習(xí)者通常也認(rèn)為整個(gè)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(cái)產(chǎn)管理、發(fā)展規(guī)劃、繪圖和路線規(guī)劃。例如，一個(gè)地理信息系統(tǒng)(GIS)能使應(yīng)急計(jì)劃者在自然災(zāi)害的情況下較易地計(jì)算出應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間，或利用GIS系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)那些需要保護(hù)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(jī)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(rèn)識的差別；廣義信 息論認(rèn)為，信息是指主體（人、生物或機(jī)器）與外部客體（環(huán)境、其他人、生物或機(jī)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(rèn)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(shí)世界新的事實(shí)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(shí)用性、傳輸性和共享性的特點(diǎn)。

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(biāo)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(kuò)充性、可壓縮性、可傳遞性及可轉(zhuǎn)換性等特點(diǎn)。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(jìn)行處理（運(yùn)算、排序、編碼、分類、增強(qiáng)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(shí)，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(shí)域特征數(shù)據(jù)三個(gè)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(biāo)），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(shí)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(biāo)，如公路的等級、寬度、起點(diǎn)、終點(diǎn)等。時(shí)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(shí)刻或時(shí)段。時(shí)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。空間位置、屬性及時(shí)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(shí)體的性質(zhì)、特征和運(yùn)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(diǎn)。

當(dāng)今社會，人們非常依賴計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)處理過的信息。在計(jì)算機(jī)時(shí)代，信息系統(tǒng)部分或全部由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持，因此，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件包括各類計(jì)算機(jī)處理及終端設(shè)備；軟件是支持?jǐn)?shù)據(jù)信息的采集、存貯加工、再現(xiàn)和回答用戶問題的計(jì)算機(jī)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(jì)中葉開始，人們就開始開發(fā)出許多計(jì)算機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jì)算機(jī)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(dá)進(jìn)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(dāng)前對GIS的定義一般有四種觀點(diǎn)：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(rèn)為“GIS是屬于從現(xiàn)實(shí)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(qiáng)調(diào)分析工具和數(shù)據(jù)庫間的連接，認(rèn)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(qiáng)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(rèn)為地理信息系統(tǒng)它是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個(gè)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(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。它和其他計(jì)算系統(tǒng)一樣包括計(jì)算機(jī)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(gè)坐標(biāo)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(rèn)為是Geographical Information System（地理信息系統(tǒng)），也有人認(rèn)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(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，但更強(qiáng)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(gè)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(gè)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(gè)地理信息系統(tǒng)項(xiàng)目可能包括以下幾個(gè)階段：

（1）定義一個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(jì)算機(jī)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。�?dāng)同時(shí)論述GIS技術(shù)、GIS科學(xué)或GIS服務(wù)時(shí)，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(jī)密主題，地理信息的經(jīng)濟(jì)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(dá)空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，它既是表達(dá)、模擬現(xiàn)實(shí)空間世界和進(jìn)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(shí)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(gè)圖形文件對應(yīng)一個(gè)屬性數(shù)據(jù)庫。

18世紀(jì)地形圖繪制的現(xiàn)代勘測技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)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(diǎn)來代表個(gè)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(gè)位于霍亂疫情爆發(fā)中心區(qū)域百老匯街的一個(gè)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(jì)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(gè)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(gè)勞力集中的任務(wù)，但他們有一個(gè)單獨(dú)的圖層意味著他們可以不被其他圖層上的工作混淆。這項(xiàng)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(dāng)所有的圖層完成，再由一個(gè)巨型處理攝像機(jī)結(jié)合成一個(gè)圖像。彩色印刷引進(jìn)后，層的概念也被用于創(chuàng)建每種顏色單獨(dú)的印版。盡管后來層的使用成為當(dāng)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(rèn)為是一個(gè)地理信息系統(tǒng) - 因?yàn)檫@個(gè)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(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展導(dǎo)致通用計(jì)算機(jī)“繪圖”的應(yīng)用。

1967年，世界上第一個(gè)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(gè)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(jì)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(jìn)行分析。

CGIS是“計(jì)算機(jī)制圖”應(yīng)用的改進(jìn)版，它提供了覆蓋，資料數(shù)字化/掃描功能。它支持一個(gè)橫跨大陸的國家坐標(biāo)系統(tǒng)，將線編碼為具有真實(shí)的嵌入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的“弧”，并在單獨(dú)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?yàn)樗�在促進(jìn)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(jì)70年代才完成，但耗時(shí)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(jì)90年代，并在加拿大建立了一個(gè)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(jī)的系統(tǒng)以支持一個(gè)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(jì)算機(jī)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(jì)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(gè)人計(jì)算機(jī)飛速增長。至20世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)化。