地理信息系统：第一章 地理信息系统概论

如果说地图是地理学的第二代语言，那么地理信息系统就是地理学的第三代语言。 陈述彭 简单的说，地理信息系统是回答如下问题的信息系统——“哪里”。 Henry Tom 第一章 地理信息系统概论 导读：本章介绍了地理信息系统的一些最基本的、但又是非常重要的概念，包括信息、数据、信息系统、空间数据、空间信息和地理信息系统。有些概念，如空间信息和空间数据，还将得到进一步的阐述，实际上，空间数据也是本书中描述GIS功能的核心。 GIS既是一项技术，也是一门学科，本章也介绍了它的主要研究内容以及与其它学科，如地理学、地图学、遥感等的关系。 本章同时介绍了GIS的组成、分类、功能、发展历史和展望，这些将在后面的章节中更为详尽地被描述。 1．地理信息系统的基本概念 1．1信息、数据、地理数据与地理信息 1．1．1信息（Information） 1）信息的含义 信息是近代科学的一个专门术语，已广泛地应用于社会各个领域。狭义信息论将信息定义为“两次不定性之差”，即指人们获得信息前后对事物认识的差别；广义信息论认为，信息是指主体（人、生物或机器）与外部客体（环境、其他人、生物或机器）之间相互联系的一种形式，是主体和客体之间的一切有用的消息或知识，是表征事物特征的一种普遍形式。本书采用的定义为：信息是向人们或机器提供关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体物理设备形式的改变而改变。 2）信息的特点 信息具有以下特点： 客观性：任何信息都是与客观事实紧密相关的，这是信息正确性和精确度的保证； 实用性：信息对决策是十分重要的，信息系统将地理空间的巨大数据流收集、组织和管理起来，经过处理、转换和分析变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息； 传输性：信息可以在信息发送者和接受者之间传输，既包括系统把有用信息送至终端设备（包括远程终端）和以一定的形式或格式提供给有关用户，也包括信息在系统内各个子系统之间的流转和交换，如网络传输技术； 共享性：信息与实物不同，信息可以传输给多个用户，为多个用户共享，而其本身并无损失。信息的这些特点，使信息成为当代社会发展的一项重要资源。 1．1．2数据 数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能转换成的数据等形式。数据是用以载荷信息的物理符号，数据本身并没有意义。如数字“1”。信息可以离开信息系统而独立存在，也可以离开信息系统的各个组成和阶段而独立存在；而数据的格式往往与计算机系统有关，并随载荷它的物理设备的形式而改变。 信息与数据是不可分离的。信息由与物理介质有关的数据表达，数据中所包含的意义就是信息。数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以由一种数据形式转换为其他数据形式，但其中包含的信息的内容不会改变。数据是信息的载体，但并不就是信息。只有理解了数据的含义，对数据做出解释，才能提取数据中所包含的信息。对数据进行处理（运算、排序、编码、分类、增强等）就是为了得到数据中包含的信息。虽然日常生活中数据和信息概念分得不是很清，但它们有着不同的含义。可以把数据比作原材料，而信息是对原材料处理的结果。如同一个木匠，在一些工具的帮助下，可以把木材做成有用的家具。同样，计算机专业人员应用计算机的硬件和软件把原始数据转换成信息。这种转换过程可用图1-1说明。
图1-1：数据和信息 数据包含原始事实，信息是把数据处理成有意义的和有用的形式。例如，每个学生所得分数对教师来说是原始数据，而把这些数据进行汇总并计算每班平均得分，教师根据平均分判断班级总体情况，这些结果对教师来说就是信息。与数据相比，信息具有以下特征：数据是原始事实，信息是数据处理的结果；对一个人是信息对其他人可能是数据；信息必须是有意义或有用的；使用的信息必须是完整、精确、相关和及时的。 人的知识、经验作用到数据上，可以得到信息，而获得信息量的多少，与人的知识水平有关*。 1．1．3地理信息和地理数据 地理数据 是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息具有区域性、多维结构特性和动态变化的特性： 1）区域性是通过经纬网等建立的地理坐标来实现空间位置的标识； 2）多维结构特性即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构； 3）地理信息的时序特征十分明显，可以按时间尺度将地理信息划分为超短期的（如台风、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低温）、中期的（如土地利用、作物估产）、长期的（如城市化、水土流失）、超长期的（如地壳变动、气候变化）等。 地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征及时态特征三部分。空间位置数据描述地物所在位置，这种位置既可以根据大地参照系定义，如大地经纬度坐标，也可以定义为地物间的相对位置关系，如空间上的距离、邻接、重叠、包含等；属性数据又称为非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标，即描述了信息的非空间组成部分，包括语义与统计数据等；时态特征是指地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段，时态数据对环境模拟分析非常重要，越来越受到地理信息系统学界的重视。从地理实体到地理数据、从地理数据到地理信息的发展，反映了人类认识的一个巨大飞跃。 1．2信息系统（Information System）及其类型 系统（System）是具有特定功能的、相互有机联系的许多要素所构成的一个整体。对计算机而言，系统是为实现某些特定的功能，由必要的人、机器、方法或程序按一定的相关关系联系起来进行工作的集合体，内部要素之间的相互联系通过信息流实现。系统的特征由构成系统的要素及其相互之间的联系方式所决定。 1．2．1信息系统 信息系统是具有数据采集、管理、分析和表达数据能力的系统，它能够为单一的或有组织的决策过程提供有用的信息。在计算机时代，信息系统都部分或全部由计算机系统支持，人们常常使用计算机收集数据并将数据处理成信息，计算机的使用导致了一场信息革命，目前，计算机已经渗透到各个领域。一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素。 1）计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在非常短的时间内处理大量数据、存储信息和快速获得帮助； 2）软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统，它接受有效数据，并正确地处理数据；在一定的时间内提供适用的、正确的信息；并存储信息为将来所用； 3）数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础； 4）用户是信息系统所服务的对象。由于信息系统并不是完全自动化的，在系统中总是包含一些人的复杂因素，人的作用是输入数据、使用信息和操作信息系统，建立信息系统也需要人的参与。 在基于计算机的信息系统中，处理过程的作用是告诉人们各部分间的相互关系（图1-2）。
图1-2：信息系统的组成 1．2．2信息系统的类型 信息的需要完全取决于管理的层次，设计一个系统要满足组织中所有层次人员的信息需要，这种系统是很复杂的，因为组织中使用的信息在数量、状态和类型上都是易变和不可预知的。在组织中将信息系统分成三个管理层次：操作层（底层）、战术层（中间层）和战略层（顶层）。操作层包括的人员如会计师、销售人员和商店监理，他们执行日常工作和上级管理所做的计划；战术层包括组织中的高级管理人员和参与最高管理的中层管理人员；而管理层负责决定组织的发展方向。为了解决系统复杂性这一问题，大多数组织建立不同类型的系统来满足他们的需要，见信息系统类型图（图1-3）：
图1-3：信息系统的类型 1）事物处理系统（Transaction Process System ，TPS）主要用以支持操作层人员的日常活动。它主要负责处理日常事务。 2）管理信息系统（Management Information System ，MIS）需要包含组织中的事务处理系统，并提供了内部综合形式的数据，以及外部组织的一般范围和大范围的数据。许多战术层提供的信息能按照该层管理者希望的那样以熟悉的和喜欢的形式提供。但是，为战术层管理者提供的另外一部分信息和大多数为战略层管理者提供的信息是不可能事先确定的。这些不确定性对管理信息系统的设计者来说是个很大的挑战。 3）决策支持系统（Decision Support System ，DSS）能从管理信息系统中获得信息，帮助管理者制定好的决策。该系统是一组处理数据和进行推测的分析程序，用以支持管理者制定决策。它是基于计算机的交互式的信息系统，由分析决策模型、管理信息系统中的信息、决策者的推测三者相组合达到好的决策效果。 4）人工智能和专家系统 专家系统（Expert System ,ES）是能模仿人工决策处理过程的基于计算机的信息系统。专家系统扩大了计算机的应用范围，使其从传统的资料处理领域发展到智能推理上来。MIS能提供信息帮助制定决策，DSS能帮助改善决策的质量，只有专家系统能应用智能推理制作决策并解释决策理由。专家系统由五个部分组成：知识库、推理机、解释系统、用户接口和知识获得系统。 2．地理信息系统及其类型 2．1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。 地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统；其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化的空间数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟，信息的流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，用于管理与决策。 地理信息系统和4M 对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言，他们观察并量测（Measure）环境参数，并制作地图（Map）描述了地球的特征；他们监测（Monitor）周围环境的变化，对影响环境的过程和活动建立模型（Model）。这四项活动（4M），通过应用GIS技术，都可以得到改善和提高。 2．2地理信息系统的类型 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、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、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。 在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开发的人力、物力、财力，缩短系统建立周期，提高系统技术水平，而且使地理信息系统技术易于推广，并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。 2．3地理信息系统的构成 与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。系统构成如图1-4所示。
图1-4：地理信息系统的构成 2．3．1计算机硬件系统 计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件*）等，这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务；保存数据以备现在或将来使用；将处理得到的结果或信息提供给用户。图1-5表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。
图1-5：计算机标准外设和GIS使用的外设 3．3．2计算机软件系统 计算机软件系统是指必需的各种程序。对于GIS应用而言，通常包括： 1）计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是GIS日常工作所必需的。 2）地理信息系统软件和其他支持软件 包括通用的GIS软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。GIS软件包功能结构见图1-6。 3）应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在GIS工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关，而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题或区域数据，构成GIS的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键。用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的应用性优劣和成败。
图1-6：地理信息系统软件的功能框架 2．3．3系统开发、管理和使用人员 人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。对于合格的系统设计、运行和使用来说，地理信息系统专业人员是地理信息系统应用的关键，而强有力的组织是系统运行的保障。一个周密规划的地理信息系统项目应包括负责系统设计和执行的项目经理、信息管理的技术人员、系统用户化的应用工程师以及最终运行系统的用户。 2．3．4空间数据* 是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。在GIS中，空间数据主要包括： 1）某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等，采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。 2）实体间的空间关系 实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近；延伸关系（或方位关系），定义了两个地物之间的方位；拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系，是GIS分析中最基本的关系，其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系（图1-7-a），边界线与面实体间的构成关系（图1-7-b），面实体与岛或内部点的包含关系（图1-7-c）等。
图1-7：几种典型的拓扑关系 3）与几何位置无关的属性 即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级；定性描述的属性如土壤种类、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。 对地理信息系统的三种观点[Maguire,1991] 对于GIS的定义，有三种观点，即地图、数据库与空间分析的观点。地图观点的定义侧重于制图有关的内容，因此GIS被视为一个地图分析与处理系统；数据库观点的GIS定义则侧重于数据库设计与实现的完美性，一个复杂的数据库管理系统被视为GIS不可分割的一部分；持空间分析观点的定义侧重于分析和建模，GIS被视为一门空间信息科学而不仅是一门技术。 3．地理信息系统的功能概述 地理信息系统的核心问题可归纳为五个方面的内容：位置、条件、变化趋势、模式和模型。 1）位置（Locations） 即在某个特定的位置有什么。 首先，必须定义某个物体或地区信息的具体位置，常用的定义方法有：通过各种交互手段确定位置，或者直接输入一个坐标；其次，指定了目标或区域的位置后，可以获得预期的结果以及其所有或部分特性，例如当前地块所有者、地址、土地利用情况、估价等。 2）条件（Conditions） 即什么地方有满足某些条件的东西。 首先，可以用下列方式指定一组条件，如从预定义的可选项中进行选取；填写逻辑表达式；在终端上交互地填写表格。 其次，指定条件后，可以获得满足指定条件的所有对象的列表，如在屏幕上以高亮度显示满足指定条件的所有特征，例如，其所位于的土地类型为居民区、估价低于200,000美元、有四个卧室而且是木制的的房屋。 3）变化趋势（Trends） 该类问题需要综合现有数据，以识别已经发生了或正在发生变化的地理现象。 首先，确定趋势，当然趋势的确定并不能保证每次都正确，一旦掌握了一个特定的数据集，要确定趋势可能要依赖假设条件、个人推测、观测现象或证据报道等。 其次，针对该趋势，可通过对数据的分析，对该趋势加以确认或否定。地理信息系统可使用户快速获得定量数据以及说明该趋势的附图等。例如，通过GIS，可以识别该趋势的特性：有多少柑桔地块转作它用？现在作为何用？某一区域中有多少发生了这种变化？这种变化可回溯多少年？哪个时间段能最好反映该趋势？1年、5年还是10年？变化率是增加了还是减少了？ 4）模式（Patterns） 该类问题是分析与已经发生或正在发生事件有关的因素。地理信息系统将现有数据组合在一起，能更好地说明正在发生什么，找出发生事件与哪些数据有关。 首先，确定模式，模式的确定通常需要长期的观察、熟悉现有数据、了解数据间的潜在关系。 其次，模式确定后，可获得一份报告，说明该事件发生在何时何地、显示事件发生的系列图件。例如，机动车辆事故常常符合特定模式，该模式（即事故）发生在何处？发生地点与时间有关吗？是不是在某种特定的交叉处？在这些交叉处又具有什么条件？ 5）模型（Models） 该类问题的解决需要建立新的数据关系以产生解决方案。 首先，建立模型，如选择标准、检验方法等。 其次，建立了一个或多个模型后，能产生满足特定的所有特征的列表，并着重显示被选择特征的地图，而且提供一个有关所选择的特征详细描述的报表。例如要兴建一个儿童书店，用来选址的评价指标可能包括10、15、20分钟可到达的空间区域。附近居住的10岁或10岁以下的儿童的人数、附近家庭的收入情况、周围潜在竞争的情况。 为了完成上述的地理信息系统的核心任务，需要采用不同的功能来实现它们。尽管目前商用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）。 图1-8说明了这些功能之间的关系，以及它们操作（Manipulation）数据的不同表现。 从图1-8中可以看出，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。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，换言之，这两项功能贯穿了地理信息系统数据处理的始终。
图1-8：GIS功能概述（椭圆）以及它们的表现（矩形） 空间信息处理和分析的六个组成部分[丁跃民] 1）空间操作，如地图的并、交、差运算，缓冲区计算，选择等等； 2）空间统计分析，用于描述和分析空间数据的关系，如空间自相关分析； 3）空间模型，注重于空间现象、空间结构、空间关系和空间位置的分析，如网络分析和水系生成等等； 4）空间表现/可视化，侧重于表达空间信息； 5）空间数据库管理，包括空间数据库设计，空间数据结构，空间数据管理和空间查询。 6）空间模型库管理，包括为空间决策支持系统提供模型的管理等等。 3．1数据采集、监测与编辑 主要用于获取数据，保证地理信息系统数据库中的数据在内容与空间上的完整性、数值逻辑一致性与正确性等。一般而论，地理信息系统数据库的建设占整个系统建设投资的70%或更多，并且这种比例在近期内不会有明显的改变。因此，信息共享与自动化数据输入成为地理信息系统研究的重要内容。目前可用于地理信息系统数据采集的方法与技术很多，有些仅用于地理信息系统，如手扶跟踪数字化仪；目前，自动化扫描输入与遥感数据集成最为人们所关注。扫描技术的应用与改进，实现扫描数据的自动化编辑与处理仍是地理信息系统数据获取研究的主要技术关键。 3．2数据处理 初步的数据处理主要包括数据格式化、转换、概括。数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换，是一种耗时、易错、需要大量计算量的工作，应尽可能避免；数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变化等。在数据格式的转换方式上，矢量到栅格的转换要比其逆运算快速、简单。数据比例尺的变换涉及到数据比例尺缩放、平移、旋转等方面，其中最为重要的是投影变换；制图综合（Generalization）包括数据平滑、特征集结等。目前地理信息系统所提供的数据概括功能极弱，与地图综合的要求还有很大差距，需要进一步发展。 3．3数据存储与组织 这是建立地理信息系统数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型是常用的空间数据组织方法。空间数据结构的选择在一定程度上决定了系统所能执行的数据与分析的功能；在地理数据组织与管理中，最为关键的是如何将空间数据与属性数据融合为一体。目前大多数系统都是将二者分开存储，通过公共项（一般定义为地物标识码）来连接。这种组织方式的缺点是数据的定义与数据操作相分离，无法有效记录地物在时间域上的变化属性。 3．4空间查询与分析 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。地理信息系统的空间分析可分为三个不同的层次。 3．4．1空间检索 包括从空间位置检索空间物体及其属性和从属性条件集检索空间物体。“空间索引”是空间检索的关键技术，如何有效地从大型的地理信息系统数据库中检索出所需信息，将影响地理信息系统的分析能力；另一方面，空间物体的图形表达也是空间检索的重要部分。 3．4．2空间拓扑叠加分析 空间拓扑叠加实现了输入要素属性的合并（Union）以及要素属性在空间上的连接(Join)。空间拓扑叠加本质是空间意义上的布尔运算。 3．4．3空间模型分析 在空间模型分析方面，目前多数研究工作着重于如何将地理信息系统与空间模型分析相结合。其研究可分三类： 第一类是地理信息系统外部的空间模型分析，将地理信息系统当作一个通用的空间数据库，而空间模型分析功能则借助于其它软件； 第二类是地理信息系统内部的空间模型分析，试图利用地理信息系统软件来提供空间分析模块以及发展适用于问题解决模型的宏语言，这种方法一般基于空间分析的复杂性与多样性，易于理解和应用，但由于地理信息系统软件所能提供空间分析功能极为有限，这种紧密结合的空间模型分析方法在实际地理信息系统的设计中较少使用； 第三类是混合型的空间模型分析，其宗旨在于尽可能地利用地理信息系统所提供的功能，同时也充分发挥地理信息系统使用者的能动性。 3．5图形与交互显示 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。 4．地理信息系统的研究内容 4．1研究内容 地理信息系统是在地理学研究和生产实践的需求中产生，地理信息系统的应用使技术系统不断完善，并逐渐发展了地理信息系统的理论；理论研究又指导开发新一代高效地理信息系统，并不断拓宽其应用领域，加深应用的深度；地理信息系统的应用，又对理论研究和技术方法提出了更高的要求。这三个方面的研究内容是相互联系相互促进的。地理信息系统研究的内容主要有以下三个方面，见图1-9所示。
图1-9：地理信息系统内容体系 4．1．1地理信息系统基本理论研究 包括研究地理信息系统的概念、定义和内涵；地理信息系统的信息论研究；建立地理信息系统的理论体系；研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息系统的发展历史，探讨地理信息系统发展方向等理论问题。 4．1．2地理信息系统技术系统设计 包括地理信息系统硬件设计与配置；地理空间数据结构及表示；输入与输出系统；空间数据库管理系统；用户界面与用户工具设计；地理信息系统工具软件研制；微机地理信息系统的开发；网络地理信息系统的研制等。 4．1．3地理信息系统应用方法研究 包括应用系统设计和实现方法；数据采集与校验；空间分析函数与专题分析模型；地理信息系统与遥感技术结合方法；地学专家系统研究等。 总之，地理信息系统的内容主要包括：有关的计算机软/硬件；空间数据的获取及计算机输入；空间数据模型及数字表达；数据的数据库存储及处理；数据的共享、分析与应用；数据的显示与视觉化；地理信息系统的网络化等等。 4．2地理信息系统相关学科 地理信息系统，是六十年代开始迅速发展起来的地理学研究的新技术，是多种学科交叉的产物。作为传统科学与现代技术相结合的产物，地理信息系统为各种涉及空间数据分析的学科提供了新的方法，而这些学科的发展都不同程度地提供了一些构成地理信息系统的技术与方法。为了更好地掌握并深刻地理解地理信息系统，有必要认识和理解与地理信息系统相关的学科。 地理学是一门研究人类生活空间的学科，地理学研究空间分析的传统历史悠久，它为GIS提供了一些空间分析的方法与观点，成为GIS部分理论的依托。地理学的许多分支学科，如地图学、大地测量学等都与GIS有着密切的相依关系。另一方面，地理信息系统也以一种新的思想和新的技术手段解决地理学的问题，使地理学研究的数学传统得到充分发挥。地理信息系统的相关学科见图1-10。
图1-10：地理信息系统相关学科 4．2．1地理学 地理学是一门研究人类赖以生存的空间的科学。在地理学研究中，空间分析的理论和方法具有悠久的历史，它为地理信息系统提供了有关空间分析的基本观点与方法，成为地理信息系统的基础理论依托。而地理信息系统的发展也为地理问题的解决提供了全新的技术手段，并使地理学研究的数学传统得到了充分地发挥。 地理系统的内部及其外界，不仅存在着物质和能量的交流，还存在着信息流，这种信息交流使得系统许多似不相关的形态各异的要素联系起来，共同作用于地理系统。而地理信息系统体现着一种信息联系，由系统建立者输入，而由机器存储的各种影像、地图和图表都包含了丰富的地理空间信息的数据，通过指针或索引等组织信息相关联；系统软件对空间数据编码解码和处理；用户对GIS发出指令，GIS按约定的方式做出解释后，获得用户指令信息，调用系统内的数据提取相应的信息，从而对用户做出反应，这是信息按一定方式流动的过程。 由此可见，地理信息系统不仅要以信息的形式表达自然界实体之间物质与能量的流动，更为重要的是以最直接的方式反映了自然界的信息联系，并可以快速模拟这种联系发展的结果，达到地理预测的目的。 总之，自然界与人类存在着深刻的信息联系，地理学家所面对的是一个形体的、即自然的地理世界，而感受到的却是一个地理信息世界。地理研究实际上是基于这个与真实世界并存而且在信息意义上等价的信息世界的，GIS以地理信息世界表达地理现实世界，可以真实、快速地模拟各种自然的过程和思维的过程，对地理研究和预测具有十分重要的作用。 4．2．2地图学 地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的角度来看，地理信息系统脱胎于地图，地图学理论与方法对地理信息系统的发展有着重要的影响。GIS是地图信息的又一种新的载体形式，它具有存储、分析、显示和传输空间信息的功能，尤其是计算机制图为地图特征的数字表达、操作和显示提供了一系列方法，为地理信息系统的图形输出设计提供了技术支持；同时，地图仍是目前地理信息系统的重要数据来源之一。但二者又有本质之区别：地图强调的是数据分析、符号化与显示，而地理信息系统更注重于信息分析。 地图是认识和分析研究客观世界的常用手段，尽管地图的表现形式发生了种种变化，但是依然可以认为构成地图的主要因素有三：地图图形、数学要素和辅助要素。地图图形是用地图符号所表示的制图区域内，各种自然和社会经济现象的分布、联系以及时间变化等的内容部分（又称地理要素），如江河山地、平原、土质植被、居民点、道路、行政界限或其他专题内容等，这是地图构成要素中的主体部分。数学要素是决定图形分布位置和几何精度的数学基础，是地图的“骨架”。其中包括地图投影及坐标网、比例尺、大地控制点等。地图投影是用数学方法将地球椭球面上的图形转绘到平面上；坐标网是各种地图的数学基础，是地图上不可缺少的要素；比例尺表示坐标网和地图图形的缩小程度；大地控制点是保证将地球的自然表面转绘到椭球面上，再转绘到平面直角坐标网内时，具有精确的地理位置。辅助要素是为了便于读图与用图而设置的。如图例就是显示地图内容的各种符号的说明，还有图名、地图编制和出版单位、编图时间和所用编图资料的情况、出版年月等。有的地图上还有补充资料，用以补充和丰富地图的内容。如在图边或图廓内空白处，绘制一些补充地图或剖面图、统计图等。有时还有一些表格或某一方面的重点文字说明。 从地理信息系统的发展过程可以看出，地理信息系统的产生、发展与制图系统存在着密切的联系，两者的相通之处是基于空间数据库的表达、显示和处理。从系统构成与功能上看，一个地理信息系统具有机助制图系统的所有组成和功能，并且地理信息系统还有数据处理的功能。地图是一种图解图像，是根据地理思想对现实世界进行科学抽象和符号表示的一种地理模型，是地理思维的产物，也是实体世界地理信息的高效载体，地图可以从不同方面、不同专题，系统地记录和传输实体世界历史的、现在的和规划预测的地理景观信息。 4．2．3计算机科学 地理信息系统技术的创立和发展是与地理空间信息的表达、处理、分析和应用手段的不断发展分不开的。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。地理信息系统与计算机的数据库技术(DBMS)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制图(CAM)和计算机图形学(Computer Graphics)等有着密切的联系。但是它们却无法取代地理信息系统的作用。 数据库管理系统(Database Management System)是操作和管理数据库的软件系统，提供可被多个应用程序和用户调用的软件系统，支持可被多个应用程序和用户调用的数据库的建立、更新、查询和维护功能，GIS在数据管理上借鉴DBMS的理论和方法，非几何属性数据有时也采用通用DBMS或在其上开发的软件系统管理；对于空间地理数据的管理，通用的DBMS有两个明显的弱点：第一，缺乏空间实体定义能力：目前流行的网状结构、层次结构、关系结构等，都难以对空间结构全面、灵活、高效地加以描述；第二，缺乏空间关系查询能力：通用的DBMS 的查询主要是针对实体的查询，而GIS中则要求对实体的空间关系进行查询，如关于方位、距离、包容、相邻、相交和空间覆盖关系等，显然，通用DBMS难以实现对地理数据空间查询和空间分析。数据是信息的载体，对数据进行解释可提取信息，通用数据库和地理数据库都是针对数据本身进行管理，而GIS则在数据管理基础上，通过地理模型运算，产生有用的地理信息，取得信息的多少和质量，与地理模型的水平密切相关。 计算机图形学是利用计算机处理图形信息以及借助图形信息进行人——机通讯处理的技术，是GIS算法设计的基础。GIS是随着计算机图形学技术的发展而不断发展完善的，但是计算机图形学所处理的图形数据是不包含地理属性的纯几何图形，是地理空间数据的几何抽象，可以实现GIS底层的图形操作，但不能完成数据的地理模型分析和许多具有地理意义的数据处理，不能构成完整的GIS。 计算机辅助设计(CAD,Computer-Aided Design)是通过计算机辅助设计人员进行设计，以提高设计的自动化程度，节省人力和时间；专门用于制图的计算机辅助制图(Computer-Aided Mapping)，采用计算机进行几何图形的编辑和绘制。GIS与CAD和CAM的区别在于：第一，CAD不能建立地理坐标系和完成地理坐标变换；第二，GIS的数据量比CAD、CAM大得多，结构更为复杂，数据间联系紧密，这是因为GIS涉及的区域广泛，精度要求高，变化复杂，要素众多，相互关联，单一结构难以完整描述；第三，CAD和CAM不具备GIS具有地理意义的空间查询和分析功能。 4．2．4遥感 遥感是一种不通过直接接触目标物而获得其信息的一种新型的探测技术。它通常是指获取和处理地球表面的信息，尤其是自然资源与人文环境方面的信息，并最后反映在像片或数字影像上的技术。影像通常需要进一步处理方可使用，用于该目的的技术称为图像处理。图像处理包括各种可以对像片或数字影像进行处理的操作，这些操作包括影像压缩，影像存储，影像增强、处理以及量化影像模式识别等。目前，遥感已经成为环境研究中极有价值的工具，不同学科的专业人员不断地发现航空遥感不同数据在各领域内的潜在应用。遥感和图像处理技术被用于获取和处理地球表面有关的信息；GIS的发展则源于对土地属性信息与相应几何表达的集成及空间分析的需求。这两项技术在过去是相互独立发展的，尽管他们实际上是互补的。从地理信息系统本身的角度出发，随着它应用领域的开拓和深入，它首先要求存储大量的有关数据，通过不断的积累和延伸，从而具备反映自然历史过程和人为影响的趋势的能力，揭示事物发展的内在规律。但是地理信息系统数据库几乎只是通过地图数字化建立起来的，用户不能接触到原始资料及其有关信息，而地理信息系统中的原始数据却是有效地模拟和控制误差传播的基础。其次，地理信息系统为了保持系统的动态性和现势性，它还要求及时地更新系统中的数据，目前地理信息系统中存储的信息只是现实世界的一个静态模型，需要定时或及时的更新。遥感作为一种获取和更新空间数据的强有力手段，能及时地提供准确、综合和大范围内进行动态检测的各种资源与环境数据，因此遥感信息就成为地理信息系统十分重要的信息源。另一方面GIS中的数据可以作为遥感影像分析的一种辅助数据。在两者集成过程中，GIS主要用于数据处理、操作和分析；而遥感则作为一种数据获取、维护与更新GIS中的数据的手段，此外，GIS可用于基于知识的遥感影像分析。地理信息系统和遥感是两个相互独立发展起来的技术领域，随着它们应用领域的不断开拓和自身的不断发展，即由定性到定量、由静态到动态、由现状描述到预测预报的不断深入和提高。它们的结合也逐渐由低级向高级阶段发展。遥感和地理信息系统的结合经历了由低级向高级阶段的发展过程。最早的结合工作包括把航空遥感像片经目视判读和处理后编制成各种类型的专题图，然后将它们数字化和输入地理信息系统；从70年代中后期开始，各种影像分析系统得到了迅速而广泛地发展。大量的遥感数据以及图像分析系统图像分类所形成的各类专题信息，可以直接输入地理信息系统，整个过程能在“全数字”的环境下进行，图像数据能够在生成编辑地图的屏幕上显示，标志着遥感和地理信息系统的结合进入了新的阶段。 遥感作为空间数据采集手段，已成为地理信息系统的主要信息源与数据更新途径。遥感图像处理系统包含若干复杂的解析函数，并有许多方法用于信息的增强与分类。另外，大地测量为地理信息系统提供了精确定位的控制系统，尤其是全球定位系统（GPS）可快速、廉价地获得地表特征的熟悉位置信息。航空像片及其精确测量方法的应用使得摄影测量成为地理信息系统主要的地形数据来源。总之，遥感是地理信息系统的主要数据源与更新手段，同时，地理信息系统的应用又进一步支持遥感信息的综合开发与利用。 4．2．5管理科学 传统意义上的管理信息系统是以管理为目的，在计算机硬件和软件支持下具有存储、处理、管理和分析数据能力的信息系统，如人才管理信息系统、财务管理信息系统、服务业管理信息系统等。这类信息系统的最大特征是它处理的数据没有或者不包括空间特征。 另一类管理信息系统是以具有空间分析功能的地理信息系统为支持、以管理为目标的信息系统，它利用地理信息系统的各种功能实现对具有空间特征的要素进行处理分析以达到管理区域系统的目的，如城市交通管理信息系统、城市供水管理信息系统、节水农业管理信息系统等。 事实上，可以形象地把地理信息系统与其他学科的关系用一棵树来表示，如图1-11所示。
图1-11：GIS学科“树” [Charistopher.B.Jones] 正如上图所述，“树根”表示GIS的技术基础，如测量学、计算机科学与数学等；“树枝”表示GIS的应用，应用的结果与需求返回到“树根”；“雨滴”是每个应用中的数据来源，如各种测量如地形测量、环境测量等，并为它的发展提供了有效的手段，而地理信息系统的应用主要是在环境科学、地理学和社会科学等领域。 5．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，地理信息系统发展起来。 5．1六十年代开拓发展阶段 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。这些组织和机构相继组织了一系列地理信息系统的国际讨论会。 最初的系统主要是关于城市和土地利用的，如加拿大地理信息系统（CGIS）就是为处理加拿大土地调查获得的大量数据建立的。该系统由加拿大政府组织于1963年开始研制实施，到1971年投入正式运行，被认为是国际上最早建立的、较为完善的大型使用的地理信息系统。 由于计算机硬件系统功能较弱，限制了软件技术的发展。这一时期地理信息系统软件的研制主要是针对具体的GIS应用进行的，到六十年代末期，针对GIS一些具体功能的软件技术有了较大进展。 第一，栅格——矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等方法得以发展，开辟了分别处理图形和属性数据的途径； 第二，具属性数据的单张或部分图幅可以与其他图幅或部分在图边自动拼接，从而构成一幅更大的图件，使小型计算机能够分块处理较大空间范围（或图幅）的数据文件； 第三，采用命令语言建立空间数据管理系统，对属性再分类、分解线段、合并多边形、改变比例尺、测量面积、产生图和新的多边形、按属性搜索、输出表格和报告以及多边形的叠加处理等。 这一时期的软件主要针对当时的主机和外设开发的，算法尚嫌粗糙，图形功能有限。 5．2七十年代巩固阶段 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。如美国森林调查局发展了全国林业统一使用的资源信息显示系统；美国地质调查所发展了多个地理信息系统用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息较典型的有GIRAS；日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息，为国家和地区土地规划服务；瑞典在中央、区域和市三级上建立了许多信息系统，比较典型的如区域统计数据库、道路数据库、土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等；法国建立了地理数据库GITAN系统和深部地球物理信息系统等。 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。 由于这一时期GIS的需求增加，许多团体、机构和公司开展了GIS的研制工作，推动GIS软件的发展。据IGU地理数据遥测和处理小组委员会1976年的调查，处理空间数据的软件已有600多个，完整的GIS有80多个。这一时期地图数字化输入技术有了一定的进展，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工作效率，扫描输入技术系统出现。图形功能扩展不大，数据管理能力也较小。这一时期软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。 5．3八十年代突破阶段 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。由于微机系统的软件环境限制较严，使得在微机GIS中发展的许多算法和软件技术具有很高的效率，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；而且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也明显增加；在数据输出方面，与硬件技术相配合，GIS软件可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。 总之，这一时期的地理信息系统的发展有如下特点： 第一，在七十年代技术开发的基础上，地理信息系统技术全面推向应用； 第二，开展工作的国家和地区更为广泛，国际合作日益加强，开始探讨建立国际性的地理信息系统，地理信息系统由发达国家推向发展中国家，如中国； 第三，地理信息系统技术进入多种学科领域，从比较简单的、单一功能的、分散的系统发展到多功能的、共享的综合性信息系统，并向智能化发展，新型的地理信息系统将运用专家系统知识，进行分析、预报和决策； 第四，微机地理信息系统蓬勃发展，并得到广泛应用。在地理信息系统理论指导下研制的地理信息系统工具具有高效率和更强的独立性和通用性，更少依赖于应用领域和计算机硬件环境，为地理信息系统的建立和应用开辟了新的途径。 我国地理信息系统方面的工作自八十年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立的全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制定、局部系统建立、初步应用实验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为全国范围内开展地理信息系统的研制和应用奠定了基础。 5．4九十年代社会化阶段 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。 自九十年代起，中国地理信息系统步入快速发展阶段。力图使地理信息系统从初步发展时期的实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。同时地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。 表1-1：从60年代以来地理信息系统发展中重要的历史事件 1960 美国空军 CIA首次成功地发射CORONA  1963 Roger Tomlinson开始了加拿大地理信息系统的开发  1963 Dr. Edgar Horwood 建立了城市与区域信息系统联合会(URISA)  1964 Howard Fisher 建立了计算机图形和空间分析的哈佛实验室  1966 SYMAP系统在西北技术学院研制并在哈佛实验室完成  1967 DIME（双重独立制图编码）为美国人口普查局所研制  1969 Jack 和Laura Dangermond 建立了环境系统研究所(ESRI)  1969 Jim Meadlock建立了Integraph公司  1969 在英国诞生了激光扫描仪  1969 Ian McHarg 很有影响的书“自然设计(Design With Nature)”出版  1971 加拿大地理信息（CGIS）建立  1972 IBM的GFIS发布  1972 GISP（General Information System for Planning）开发  1972 Landsat卫星首次发射成功  1973 USGS 研制了地理信息提取和分析系统  1973 马里兰自动地理信息(MAGI, Maryland Automatic Geographic Information)开发  1974 在伦敦的皇家艺术学院建立了试验制图单元(ECU, Experimental Cartography Unit)  1974 首次自动制图会议在Reston, 弗吉尼亚召开  1976 明尼苏达研制了明尼苏达土地管理信息系统  1977 USGS研制了数字化线图(DLG)空间数据模式  1978 ERDAS成立  1978 地图叠加复合与统计系统开发  1979 哈佛图形实验室研制了ODYSSEY GIS  1981 ESRI ARC/ INFO GIS发布  1982 NASA发射了Landsat TM4  1983 ETAK数字制图公司成立  1984 Marble, Calkins & Peuquet出版了“地理信息系统的基本读物”（Basic Readings in Geographic Information Systems）  1984 第一届国际空间数据处理会议召开  1984 Landsat商业化  1984 NASA 发射Landsat TM5  1985 GPS成为可运行系统  1985 美国军队建筑工程实验室开始研制GRASS（Geographic Resources Analysis Support Systems，地理资源分析支持系统）  1986 MapInfo建立  1986 Peter Burrough出版了“土地资源评估的地理信息系统原理”(Principles of Geographic Information Systems for Land Resources Assessment)  1986 SPOT卫星首次发射  1987 “地理信息系统的国际杂志” 出版  1987 Tydac SPANS GIS发布  1987 科拉克大学开始Idrisi项目  1988 美国人口调查局第一次公开发布TIGER  1988 纽约州立大学开始研制GIS-L Internet list-server  1988 GIS World首次发行  1988 首次GIS/ LIS会议举行  1988 英国的区域研究实验室成立  1988 Small World公司成立  1989 在英国成立了地理信息系统联合会(AGI)  1989 Stan Arnoff出版了“地理信息系统：一个管理透视” （Geographic Information Systems: a Management Perspective）  1989 Intergraph 发布MGE  1991 Maguire, Goodchild 和Rhind出版了“地理信息系统：原理和应用”  1992 MAPS ALIVE发行  1993 Digital Matrix Systems发布了InFoCAD for Windows NT第一个版本，它是第一个基于Win NT的GIS软件  1994 OGC形成（David Schell, Ken Gardells, Kurt Buehler,et al）  1995 MapInfo专业版发布  1999 NASA发射了Landsat TM7  6．GIS的发展展望 6．1GIS理论研究中及待解决的问题 6．1．1GIS理论发展的需求 GIS是一门技术引导的多技术交叉的信息空间科学，它是对地理信息数据（包括图形和非图形数据，几何数据与属性数据）进行采集、存储、加工和再现，并能回答一系列问题的计算机系统，所以它必然是技术导向的。GIS不断地用新的技术和方法来装备和发展自己，它在技术上所关注的是：数据采集；数据建模；数据的精度和系统回答问题的可信度；数据量；数据存取与保密；数据分析；用户接口；成本与效益；GIS系统的寿命；GIS系统工作的组织问题。这些技术问题，将会随着相关学科和软件、硬件手段的不断进步，而日趋完善。同时，GIS是一门以应用为目的的信息产业，即GIS也是应用导向的，即它除了具有基础性和公益性特点，服务于科学研究和造福人类外，它还具有实际应用并创造价值的广阔市场。GIS的应用可以深入到各个领域、各个机构，形成诸如资源GIS，灾害监测和防治GIS，农林牧副渔GIS等。GIS的不断发展，它既依赖于地理学、统计学和测量学这些基础学科，又取决于计算机软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进步与成就。它是位于地学与技术科学的边缘，但本质上已是信息科学的一个组成部分。 随着GIS理论的发展与完善，以及人们对空间信息需求量的增大，为了使得GIS系统得到可持续的发展，则必须使GIS向集成化和智能化方向发展，该方向包括以下几个方面： 1）图形数据和属性数据的结合：最初，图形和属性数据是完全分开的；然后，通过内部连接，将二者联系起来；再次，进行了混合处理；最后，达到完全的结合。未来GIS要求的是将二者的完全的结合。 2）GIS与RS的结合：遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。相反，GIS则是遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。GIS与RS可能的结合方式包括：分开但是平行的结合（不同的用户界面、不同的工具库和不同的数据库）、表面无缝的结合（同一用户界面，不同的工具库和不同的数据库）和整体的结合（同一个用户界面、工具库和数据库）。未来要求的是整体的结合。 3）GIS与GPS和CCD技术的结合：GPS是全球定位系统，利用GPS接收机，可以直接测定地面上任一点的三维坐标。GPS与GIS相结合可以实现电子导航，用于交通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作GIS实时更新。如果再加上CCD摄象机实时摄象和配以影像处理，则可以形成实时GIS运行系统，用于公路、铁路线路状况的自动监测和管理，以及作战指挥系统等。 4）GIS与专家系统（Expert System）的结合：由于GIS是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地分析和运用数据，提供科学的决策咨询，以回答用户可能提出的各种复杂问题。从这个意义GIS与ES相结合，形成智能化的高度集成GIS系统。 6．1．2 GIS理论研究中及待解决的问题 基于以上的分析，要想得到一个理想的GIS系统，需要GIS理论上解决以下的主要问题： 1）GIS设计与实现的方法学问题 由于缺乏严格的工程管理和好的分析设计方法支持，导致了GIS软件系统的可靠性和可维护性差。这是一个长期以来人们一直在尽力解决但还未解决的问题。 2）GIS的功能问题 当前以数据采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS，还不能完全满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力。 3）多媒体地理信息系统的管理和操作的问题 在一个多种数据类型并存的混合系统中，如何实现对各类数据的随意操作和有效管理，这是现今信息媒体多元化新时代的突出问题，它比单一地图数据库的操作和管理更复杂。 4）GIS地理信息的深加工问题 目前的GIS还远未发挥它提供结论性专题地图和数据集方面的作用，这是涉及对GIS地理信息进行深加工的问题。这种深加工的结果，可以是结论性专题地图，也可以是结论性专题数据集。这两种形式都是必须的，前者提供结论性图形信息，后者提供结论性数字信息，提供经过深加工的结论性成果对用户更直接和更有利。 5）空间信息可视化技术和虚拟现实技术（VR） 可视化技术已经远远超过了传统的符号化及视觉变量表示法的水平，进入了在动态、时空变换、多维的可交互的地图条件下探索视觉效果和提高视觉工具功能的阶段，它的重点是要将那些通常难于设想和接近的环境与事物，以动态直观的方式表现出来。GIS可视化方面的研究主要集中在以下几个方面：运用动画技术制作动态地图，可用于涉及时空变化的现象或概念的可视化分析；运用VR技术进行地形环境仿真，真实再现地景，用于交互式地观察和分析，提高对地形环境的认知效果；运用图形显示技术进行空间数据的不确定性和可靠性的检查，把抽象数据可视化，由此发现规律；运用图形界面和交互式手段进行地图设计和编辑，以直观的方式完成地图设计制作（如地图颜色的可视化设计）；可视化技术用于视觉感受及空间认知理论的研究。 6．2地理信息系统的发展动态 近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提出的要求。另一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可直接应用到地理信息系统中。下面对当前地理信息系统研究中的几个热点研究领域作一介绍。 6．2．1GIS软件中发展的热点 1）GIS中面向对象技术研究 面向对象方法为人们通过计算机直接描述现实世界提供了一条适合于人类思维模式的方法，面向对象的技术在GIS中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS的发展方向。这是因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、繁琐，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、结构清晰、组织有序的方法，因而倍受重视。 面向对象的GIS较之传统的GIS有下列优点： 1）所有的地物以对象形式封装，而不是以复杂的关系形式存储，使系统组织结构良好、清晰； 2）以对象为基础，消除了分层的概念； 3）面向对象的一般——特殊结构和整体——部分结构使GIS可以直接定义和处理复杂的地物类型； 4）根据面向对象后期绑定*（Late-binding）的思想，用户可以在现有抽象数据类型和空间操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方法，增强系统的开发性和可扩充性； 5）基于图标的面向对象的用户界面，便于用户操作和使用。面向对象的GIS也存在一些尚待进一步研究的问题： 1）大对象的操作仍受硬件条件的限制； 2）对象的独立性与粒度问题； 3）矢量和栅格数据统一的、支持动态拓扑结构和复合对象表示的面向对象的数据结构问题。 2）时空系统 传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其时间特性。在许多应用领域中，如环境检测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时间变化的，而这种动态变化规律在求解过程中起着十分重要的作用。过去GIS忽略时态主要是受软硬件条件的限制，也有技术方面的原因。近年来，对GIS中时态特性的研究变得十分活跃，即所谓“时空系统”。通常把GIS的时间维分成处理时间维和有效时间维，处理时间又称数据库时间或系统时间，它指在GIS中处理发生的时间；有效时间亦称事件时间或实际时间，它指在实际应用领域事件出现的时间。时空系统主要研究时空模型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。目前比较流行的作法是在现有数据模型基础上扩充，如在关系模型的元组中加入时间，在对象模型中引入时间属性。在这种扩充的基础上如何解决从表示到分析的一系列问题仍有待进一步研究。 3）地理信息建模系统（GIMS-Geographic Information Modeling System） 通用GIS的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型，目前通用的GIS大多数通过提供二次开发的工具和环境来解决这一问题，但二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言过于困难。而GIS成功应用到专门领域的关键在于支持建立该领域特有的空间分析模型。GIMS的研究动向为：面向对象在GIS中的应用。面向对象技术用对象（实体属性和操作的封装）、对象类结构（分类和组装结构）、对象间的通讯来描述客观世界，为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径；基于图标（Icon）的用户建模界面。建模过程中的对象和空间分析操作均以图标形式展示给用户，用户亦可以自定义图标。用户对图标的定义、选择和操作中完成模型的定义和检验。这种方法较之AML这类宏语言要方便和直观得多；GIS与其他的模型和知识库的结合，这是许多应用领域面临的一个非常实际的问题，即存在GIS之外的模型和知识库如何与GIS耦合成一个有机整体。 4）三维地理信息系统的研究 三维GIS是许多应用领域对GIS的基本要求。目前的GIS大多数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。真正的三维GIS必须支持真三维的矢量和栅格数据模型及以此为基础的三维空间数据库，解决了三维空间操作和分析问题。主要研究的方向包括：三维数据结构的研究，主要包括数据的有效存储、数据状态的表示和数据的可视化；三维数据的生成和管理；地理数据的三维显示，主要包括三维数据的操作，表面处理，栅格图像、全息图像显示，层次处理等。 6．2．2实用地理信息系统发展趋势与展望 随着计算机和信息技术的发展，GIS迅速地变化着。在未来10年内的GIS发展用下面几个方面来概括。 1）GIS网络化 对于GIS的发展，计算机网络技术是起到质变作用的重要技术。它的发展使得以往很多难以完成的事情得以实现，如网络技术使得数据库在地理位置上以分布的方式存在，这样做，各个数据库可以局部地进行生产、更新、维护和管理，而网络又使这些分布在局部的数据库相互之间可以连接起来实现共享使用。高速度的数据传输使得数据库之间的数据传输能够快速地实现。万维网的发展给GIS数据在更大范围内的发布、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。网络浏览器的使用从视觉上给提供和使用地理数据的人们带来了方便。地理数据不仅可以按照地理位置、专题内容、生产机构、使用价格等进行搜索，甚至可以直接在网上进行数据的各类空间操作，使用网络提供的各类模型进行模拟，直接产生新的数据结果，真正地实现“网络就是计算机”这一新的概念模式。网络技术虽然发展速度惊人，但是在GIS应用方面还有一定局限，主要表现为地理数据的传输：目前，对于GIS数据的网络传输仍然有一些局限，由于GIS的数据通常容量较大，现在网络宽带的能力在中远距离的大量数据传输过程中，速度不够令人满意，这将会是网络技术在GIS发展过程中的一个瓶颈问题；GIS网络软件的开发：网络技术给GIS技术的发展带来了更多潜力，但是到目前为止，GIS软件工业界还没有充分地将这些潜力发挥出来，许多技术在GIS领域仍然处于研究和试验阶段，达到商业化、实用化还有一定的距离；网络技术在GIS中的有效使用：技术的发展只有在给人们带来利益时才有真正的价值。网络技术有巨大潜力，但是如何在GIS领域得到有效的使用，充分、恰当地发挥出它的潜能仍然是需要人们探索的问题。 2）GIS标准化 今后5-10年是GIS界的主要标准化制定时期。GIS发展到今天这样，能够在各种领域得到使用的盛况，人们不断意识到软件、硬件、数据等要素进行必要的标准化才能实现更有效、广泛地对GIS的使用。GIS的标准化将在国际、国家、省、市、县和机构范围内多层次地进行，其内容可能包括到GIS的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软件硬件系统等。标准化的真正实现将使人们能在一个共同理解基础上共享信息和资源。 3）数据商业化 在西方社会，计算机硬件设备的生命周期通常为3-5年，计算机软件的生命周期一般为7-15年，而地理数据的生命周期则为几十年。地理数据的开发、更新和维护既费时又费力，在GIS界曾经有人统计过，GIS硬件、软件和数据的造价比是1：10：100，所以如何更有效地生产和维护地理数据将会是GIS未来面临的主要挑战之一。GIS产生的主要目的之一是对于空间信息进行更好的管理和处理，GIS空间分析功能实际上是使用现有的数据来产生新的数据，所以数据是整个GIS的操作对象。没有数据，则谈不上信息系统。如果数据问题能够解决，信息系统才有意义和价值，才能够真正运行。 4）系统专门化 目前，GIS软件和系统还是被作为一个整体独立存在。许多软件提供全面的GIS功能可以在任何一种需要GIS的部门使用，没有具体专业领域的限制；而从使用GIS机构的角度上看，很多机构只是需要GIS软件中的部分功能，而目前GIS软件设置使得用户在购买GIS系统时往往要求整个软件一起购买。首先，从GIS用户方面考虑，GIS可能不将作为一个独立的系统存在于机构内，而是作为机构整个管理和运作系统的一个部分，GIS的各种功能将融合在与专业领域更直接的系统之中。其次，从GIS的工业发展角度上考虑，目前的GIS软件所提供的各种功能也将与各类专业软件系统融合起来，共同发展。软件的部件化是这个趋势的前兆，也为GIS软件的专业化做了必要的准备。将来的各类应用系统中，GIS可能将作为一个必须的部分存在。 5）GIS企业化 GIS网络化的发展使得GIS在机构内部各部门之间更有效地进行通讯、交流和进行各种资源的共享。企业和机构可以从更高的层次上对GIS在企业中的使用进行统筹安排和计划，这种方式被称为“企业化GIS”。企业化GIS对技术和管理人员有更高的要求，需要企业不断地对人员进行技术和管理培训。 6）GIS全球化 网络技术的发展使得世界空间缩小，使人们之间的关系更加紧密；世界经济的发展也在要求人们建立一个更稳定、和谐的环境。在这个环境中GIS越来越成为一种有效的工具来帮助人们了解他们所生存和依赖的自然条件状况和社会变化状况。目前世界各国都在积极地发展和使用GIS、制定有关地理信息的政策、开展国家的GIS项目，例如世界银行和其它的国际信贷组织都要求在它们资助的项目中使用GIS来辅助决策。GIS的标准化对于它在国际范围内的推广和使用将起到促进作用，国际标准组织已经专门就地理空间技术从各个方面进行标准化制定和实施。 7）GIS大众化 GIS不仅在国际舞台上已经越来越受到人们重视，甚至在人们日常生活中也潜移默化地改变着人们的生活。以往人们需要使用地图来定向、定位和导航，而现在地图已经存储在数据库中；从一个地点到另一个地点的最佳路线轻而易举地就可以使用GIS系统得到；到一个新地方，不需要再费力寻找餐馆、旅店、娱乐中心、购物中心、银行、旅游景点等，GIS就是最好的向导。