地理信息系统

地理信息系统
　　地理信息系统（Geographical Information System，GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象，这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。
地理信息系统的定义是由两个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统具有以下三个方面的特征：第一，具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；第二，由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；第三，计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

　　地理信息系统按其内容可以分为三大类：1）专题地理信息系统（Thematic GIS），是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、水土流失信息系统等。2）区域信息系统（Regional GIS），主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统；也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。3）地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools），是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的，具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统，也可以用作GIS教学软件。

　　地理信息系统的基本功能
　　目前商用GIS软件包的优缺点是不同的，而且它们在实现这些功能所采用的技术也是不一样的，但是大多数商用GIS软件包都提供了如下功能：数据的获取（Data Acquisition）、数据的初步处理（Preliminary data Processing）、数据的存储及检索（Storage and Retrieval）、数据的查询与分析（Search and Analysis）、图形的显示与交互（Display and Interaction）。数据获取是从现实世界的观测、以及从现存文件、地图中获取数据。有些数据已经是数字化的形式，但是往往需要进行数据预处理，将原始数据转换为结构化的数据，以使其能够被系统查询和分析。查询分析是求取数据的子集或对其进行转换，并交互现实结果。空间查询是地理信息系统以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能；而空间分析是地理信息系统的核心功能，也是地理信息系统与其它计算机系统的根本区别，模型分析是在地理信息系统支持下，分析和解决现实世界中与空间相关的问题，它是地理信息系统应用深化的重要标志。在整个处理过程中，都需要数据存储检索以及交互表现的支持，地理信息系统为用户提供了许多用于地理数据表现的工具，其形式既可以是计算机屏幕显示，也可以是诸如报告、表格、地图等硬拷贝图件，尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能提供一种良好的、交互式的制图环境，以供地理信息系统的使用者能够设计和制作出高质量的地图。换言之，这两项功能贯穿了地理信息系统数据处理的始终。

　　地理信息系统发展简史
　　地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有获得、存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。地图是地理学的第二代语言，而地理信息系统将成为地理学的
第三代语言。二十世纪六十年代初，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，美国的一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，麻省理工学院的一名研究生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、有用的研究领域，从而确立了这一科学分支的独立地位。

在此基础上，地理信息系统经历了四个阶段逐步发展起来。
第一是六十年代开拓发展阶段。
　　六十年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析和制作，由于机助制图具有快速、廉价、灵活多样、易于更新、操作简便、质量可靠、便于存储、量测、分类、合并和覆盖分析等优点而迅速发展起来。六十年代中期，由于对于自然资源和环境的规划管理和应用加速增长的需要，对大量空间环境数据存储、分析和显示技术方法改进的要求，以及计算机技术及其在自然资源和环境数据处理中应用的迅速发展，促使对地图进行综合分析和输出的系统日益增多。六十年代中后期，许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立并开展工作，如美国城市和区域系统协会（URISA）在1966年成立，美国州信息系统全国协会（NASIS）在1969年成立，城市信息系统跨机构委员会（UAAC）在1968年成立，国际地理联合会（IGU）的地理数据遥感和处理小组委员会在1968年成立等。这一时期由于计算机硬件系统功能较弱，地理信息系统软件的研制主要是针对具体的GIS应用进行，算法尚嫌粗糙，图形功能有限。

　　第二是七十年代巩固阶段。
　　进入七十年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存取设备——硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着使用方向迅速发展。一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。此外，探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视，如将遥感纳入地理信息系统的可能性、接口问题以及遥感支持的信息系统的结构和构成等问题；美国喷气推动实验室（JPL）在1976年研制成功兼具影像数据处理和地理信息系统功能的影像信息系统IBIS（Image Based Information System），可以处理Landsat影像多光谱数据；NASA的地球资源实验室在1979年至1980年发展了一个名为ELAS的地理信息系统，该系统可以接受Landsat MSS影像数据、数字化地图数据、机载热红外多波段扫描仪以及海洋卫星合成孔径雷达的数据等，产生地面覆盖专题图。

　　第三是八十年代突破阶段。
　　由于计算机的发展，推出了图形工作站和个人计算机等性能价格比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。随着计算机软、硬件技术的发展和普及，地理信息系统也逐渐走向成熟。这一时期是地理信息系统发展的重要时期。计算机价格的大幅度下降，功能较强的微型计算机系统的普及和图形输入、输出和存储设备的快速发展，大大推动了地理信息系统软件的发展，并研制了大量的微机GIS软件系统。微机GIS中发展促进了GIS软件技术在以下几个方面有了很大的突破。在栅格扫描输入的数据处理方面，尽管扫描数据的处理要花费很长的机时（与扫描时间相比为10：1），但是仍可大大提高数据输入的效率；在数据存储和运算方面，随着硬件技术的发展，GIS软件处理的数据量和复杂程度大大提高，许多软件技术固化到专用的处理器中；遥感影像的自动校正、实体识别、影像增强和专家系统分析软件明显增加；在数据输出方面，与硬件技术相配合支持多种形式的地图输出；在地理信息管理方面，除了DBMS技术已发展到支持大型地图数据库的水平外，专门研制的适合GIS空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大的发展。

第四是九十年代社会化阶段。
进入九十年代，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在全世界的普及，地理信息系统将深入到各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。而且，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。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。