地理信息系统（GIS）
地理信息系统（GIS）
地理信息系统（GIS，Geography Information System）是⼀门由信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学等多门学科综合⽽成的新学科，其核⼼是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析技术。简单地说，GIS是处理地理数据（信息）的输⼊、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。
1概述
国外业界认为，19世纪以来普遍应⽤的地图和专题图可以认为是⼀种模拟的地理信息系统。按此定义，我国地理信息系统的产⽣可追溯到宋代的地理图碑，它刻绘了⼭脉、长江、黄河、长城以及全国各级⾏政机构，是宋代的中国地图。
地理信息系统中“地理”的概念并⾮指传统的地理学，⽽是⼴义地指地理坐标参照系统中的坐标（空间）数据、属性数据以及以此为基础的各种应⽤技术。
1963年，加拿⼤测量学家R.F.Tomlinson⾸先提出了地理信息这⼀术语，他指出“要把地图变为数字形式的地图，以便计算机进⾏分析与处理”的新概念，从此开创了利⽤计算机技术处理地理空间数据的先河。
1971年他主持建⽴了世界上第⼀个GIS ———加拿⼤地理信息系统（CGIS），⽤于⾃然资源的管理和规划。
空间位置、属性及时间是地理信息的三个基本要素。地理信息既有空间特征，⼜有各种属性特征，并随时间⽽变化，具有海量数据量。例如车辆导航系统，与导航相关的信息如城市建设、道路建设、路况均随时间⽽变。另外，系统所⽤导航地图中应包含景点、超市、加油站、餐馆、旅馆、停车场等空间属性供⽤户查讯，且这些属性亦随时间⽽变化。
古往今来，⼏乎⼈类的所有活动都是发⽣在地球上，都与地球表⾯位置（即地理空间位置）息息相关，随着计算机技术的⽇益发展和普及，地理信息系统以及在此基础上发展起来的“数字地球”、“数字城市”在⼈们的⽣产和⽣活中将会起着越来越重要的作⽤。
2GIS的研究内容
2.1输⼊
地理数据（信息）如何输⼊到GIS中是⼀项费钱、费时的任务。⼤多数GIS的地理数据来源于纸质地图，常⽤的⽅法是数字化和扫描。数字化的主要问题是低效率和⾼代价；扫描输⼊则⾯临另⼀个问题，扫描得到的栅格数据如何变换成GIS数据库通常要求的点、线、⾯、拓扑关系属性等形式，就这⼀领域⽬前
的研究进展⽽⾔，全⾃动的智能地图识别短期内没有实现的可能。因⽽，交互式的地图识别是⽮量化⽅法的⼀种较为现实的途径，市场上已有多种交互式⽮量化软件出售。
⽬前GIS的输⼊正在越来越多地借助⾮地图形式，遥感就是其中的⼀种形式。遥感数据已经成为GIS的重要数据来源，与地图数据不同的是遥感数据输⼊到GIS较为容易，但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息则是⼀件较为困难的事情。因此，GIS中
开始⼤量融⼊图像处理技术，许多成熟的GIS产品，如MAPGIS中都具有功能齐全的图像处理⼦系统。
地理数据采集的另⼀项主要进展是GPS技术。GPS可以准确、快速地确定⼈或物在地球表⾯的位置，因⽽，除了作为原始地理信息的来源外，GPS在车辆跟踪、紧急事件处理、环境和资源监测、管理等⽅⾯具有很⼤的潜⼒。
2.2存储
GIS中的数据分为栅格数据（X、Y）和⽮量数据（经、纬度）两⼤类，如何在计算机中有效存储和管理这两类数据是GIS的基本问题。在计算机⾼速发展的今天，尽管微机的硬盘容量已达到GB级，但计算机的存储器对灵活、⾼效地处理地图这类对象仍是不够的。GIS的数据存储有其独特之处，⼤多数的GIS系统中采⽤了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若⼲层（例如道路层、景点层、公共设施层等）
，整张地图是所有层叠加的结果。在与⽤户的交互过程中只处理涉及到的层，⽽不是整幅地图，因⽽能够对⽤户的要求做出快速反应。
2.3地理数据的操作和分析
GIS中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的⼿段。对图形数据（点、线、⾯）和属性数据的增加、删除、修改等基本操作⼤多可借鉴CAD和通⽤数据库中的成熟技术；有所不同的是GIS中空间数据与属性数据（例如景点介绍、宾馆客房价格等）紧密结合在⼀起，形成对地物的描述。问题是，对其中⼀类数据的操作势必影响到与之相关的另⼀类数据，因⽽操作带来的数据⼀致性和操作效率问题仍是GIS数据操作的主要问题。
地理数据的分析功能，即空间分析，是GIS得以⼴泛应⽤的重要原因之⼀。通过GIS 提供的空间数据分析功能，⽤户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这对于许多应⽤领域（例如商业选址、抢险救灾等）是⾄关重要的。
2.4输出
GIS输出是将⽤户查询的结果或是数据分析的结果以⽂本、图形、多媒体、虚拟现实等形式输出，是GIS问题求解过程的最后⼀道⼯序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显⽰或通过绘图仪输出。对于⼀
些对输出精度要求较⾼的应⽤领域，⾼质量的输出功能对GIS是必不可少的。这⽅⾯的技术主要包括：数据校正、编辑、图形修饰、误差消除、坐标变换、出版印刷等。3GIS主要应⽤范围
物质世界中的任何地物都被牢牢地打上了时空的烙印。⼈们的⽣产和⽣活中80%以上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统（GIS）作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要⼯具、技术和学科，近年来得到了⼴泛关注和迅猛发展。⽬
前，GIS的主要应⽤范围为：
3.1直观、便捷地集成各种地理属性数据
由于地物的空间位置具有客观性，⽽地物本⾝⼜具有纷繁复杂的特性，除了具有⾃然特性以外，还具有社会经济特性。描述这些特性的属性数据⾮常丰富，但都可以通过具有同⼀坐标参考系统的空间位置进⾏统⼀组织。GIS为各种数据的集成提供了统⼀的框架，在此基础上可以直观表达地物及其空间关系。例如：基于电⼦地图⼀个地区的森林、矿⼭、农⽥、电站、湖泊等的资源分布；⼀个城市的餐厅、旅馆、超市、银⾏、医院等的公共设施分布。
3.2信息资源管理⽅⾯的应⽤
GIS是⼀个具有结构和功能的系统，能获取和输⼊空间数据，并进⾏空间数据的处理和分析，并将结果
按⼀定的⽅式输出。通过这种⽅式，各个⾏业的信息资源都可以按各⾃的要求进⾏处理，从⽽提⾼信息资源的管理和利⽤效率。各个⾏业信息系统的建设就是典型的例⼦，如地籍信息系统、林业资源管理信息系统、⾃来⽔设施管理信息系统、矿产资源管理信息系统、污染源管理信息系统、旅游资源管理信息系统、地下⽔资源管理信息系统等等。
3.3辅助决策⽅⾯的应⽤
采⽤GIS的重要⽬的之⼀是辅助解决与空间相关的问题，其核⼼功能是空间分析，通过空间分析为各类⽤户提供管理和商业上的辅助决策。如疾病/林⽕等突发事件的监测与预警、设施故障处理、选址、商业选址、客户分布管理、房地产管理等。
3.4制作地图
GIS是在计算机辅助制图（CAD）基础上发展起来的⼀门学科，是电⼦地图（⽮量化地图）制作的重要⼯具。采⽤GIS可以将数据⽮量化，从⽽使与空间有关的各种数据（信息）叠加到电⼦地图上。对空间数据进⾏各种渲染，⾼效、⾼性能、⾼度⾃动化处理是GIS制作地图的重要特点。
3.5提供与获得空间位置相关的服务
通过GIS可提供和获得与空间位置相关的服务，如获得⼀定范围、精度和⼀定要素的空间数据或将空间
数据⽮量化分层叠加到电⼦地图上，进⾏与地理位置有关信息（如地名、路线、加油站、停车场、车辆修理⼚等）查询，还可通过GPS定位终端和蜂窝移动通信⽹络进⾏位置查询、监控和导航等。
3.6基于Internet的WebGIS
由于地理信息和⼤量的空间数据都是以⽂字、数字、图形、影像和多媒体⽅式表⽰的，将它们数字化，送⼊Internet，便可⽅便、快速和及时地将地理信息传送到全球的任何⼀个地⽅，以发挥地理信息在各⾏各业中的应⽤价值。GIS⼯作者只需在Internet上建⽴⼀些GIS ⽹站，亿万⽹民就可通过GIS 浏览器（即视窗GIS）随时随地根据需要来查询和浏览GIS。
3.7蜂窝移动通信与GIS
生活中数据库系统的实际例子
对移动通信⾏业⽽⾔，GIS系指通过蜂窝移动通信⽹络和／或⼿机内置GPS接收机获取⽤户⼿机位置，以及其它相关信息（例如附近的旅馆、商店、景点、交通状况等）并在电⼦地图配合下提供基于位置的增值业务系统。GIS将定位信息（经、纬度）和电⼦地图相结合，将地图和⼿机位置同时显⽰在⼿机屏幕（导航、导购、导游等）或远端的计算机屏幕上（跟踪、指挥、调度、监控、报警等），使⽤户可以⽅便、直观地使⽤定位服务。事实上⽬前蜂窝移动通信⽹所提供的基于位置的增值业务，⼏乎全部都是通过GIS来实现的。
3.8空间数据基础设施建设
“数字地球”⼀词已在世界范围内⼴为传播，但很多⼈并不理解其真正含义，仅把它理解成全球零散的各种数字信息在Internet上的流通。按照美国副总统⼽尔在阐述“数字地球”概念时所举的例⼦，它实际上就是⼀个GIS。要实现地球数字化必须有数据基础，数字地球的基础是空间数据基础设施。空间数据基础设施建设包括空间数据服务体系、空间数据交换⽹站、数字地球空间数据框架和空间数据标准体系的建⽴。“数字地球”主要内容之⼀为“数字城市”，⽣活在未来“数字城市”的市民可以通过In-ternet、IPTV、有线电视、⼿机和公共查讯触摸屏等终端获取出⾏、购物、旅游、交通、住宿、教育、⽂化、娱乐、房产交易、证券交易等综合信息服务。
4GIS技术的发展
4.1组件式GIS的研究
建⽴⼀个⼩型的GIS⼰不是⼀两个⼈所能完成的，“数字地球”的建⽴更是⼀个极为庞⼤的系统⼯程，需要世界各地的⼈们参与。因此，把庞⼤的GIS软件系统分解成众多的GIS “元件”，可按应⽤需要将这些“元件”组装成“定做系统”。怎样将这些GIS“元件”通过标准的系统环境（如OLE和OpenDOC）与其它⾮GIS的“元件”嵌接，有效地实现系统合成，就成了GIS的研究⽅向。⼀旦实现了这⼀步，全世界的⼈都可以参与GIS的建设，完善数据库，建⽴丰富的元件库，⽤户可根据需要拼装调⽤。这种组件式的GIS的各元件或数据应该是分布式的存贮，通过分布式对象管理系统进⾏管理。
4.2三维GIS技术
三维GIS是许多应⽤领域对GIS的基本要求。三维GIS和⼆维GIS相⽐，可以帮助⼈们更加准确真实地认识我们的客观世界。以前的三维显⽰只能应⽤在⼤型的主机和图形⼯作站上，且只在极少数的部门如地震预测、⽯油勘探、航空视景模拟器中得到应⽤。随着计算机技术的发展，硬件成本不断地降低，⼀台普通的PC机就可以很轻松地进⾏真三维显⽰和分析。以前的GIS⼤多提供了⼀些较为简单的三维显⽰和操作功能，但这与真三维表⽰和分析还有很⼤差距。现在，三维GIS可以⽀持真三维的⽮量和栅格数据模型以及以此为基础的三维空间数据库，解决三维空间操作和分析问题。
4.3多媒体GIS技术
多媒体技术正在进⼊GIS中，以改善GIS的数据采集、数据处理以及成果表达与输出
的效能，发挥声、像等多媒体的应⽤。⽬前，图形、图像的⽴体显⽰⼰成功地融⼊数字摄影测量系统（DPS）中，DPS与GIS 的集成和多媒体技术的应⽤将把我们感兴趣的东西变成⼀个虚拟实体。还可以将GIS以“虚拟现实”的⽅式输出，⼈们可通过视觉、听觉、触觉、嗅觉等来感知GIS的输出。
由上可见，地理信息系统已在⼈类⽣活和国民经济中起着⼗分重要的作⽤，预计地理信息系统在未来的⼏⼗年中将保持⾼速发展的势头，成为⾼科技领域的核⼼技术，并已被公认为21世纪的⽀柱产业。

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