1.1 地理信息系统

1.1.1 GIS概述

1.1.1.1 GIS的基本概念

在了解GIS之前，我们先来看看以下几个关键词。

（1）地理信息。地理信息是表征地理圈或与地理环境固有要素有关的物质的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。

地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是区别于其他类型的信息的最显著的标志。

地理信息具有区域性、多维性、时序性。它的区域性，是指通过经纬网或公里网建立的地理坐标来实现空间位置的识别。多维性表现为在二维空间的基础上实现多专题的三维结构。另外，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。

（2）信息系统。能对数据和信息进行采集、存储、加工，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。信息系统具有数据采集、管理、分析和表达这四大功能。

信息系统可以分为数据处理系统、管理信息系统、决策支持系统、专家系统、虚拟办公室五种类型。不同类型的系统具有不同的作用、特点，扮演不同的角色。常见的信息系统有校园信息系统、图书管理信息系统、企业管理信息系统、人事档案信息系统、空间信息系统等。

（3）地理信息系统。地理信息系统，英文名称为Geographic Information System，简称GIS。站在不同的角度，针对不同的目的、不同的应用，GIS的定义都不一样，目前还没有一种完全被普遍接受的定义，本书将从以下两方面来解释GIS的概念。

GIS是在计算机软件和硬件的支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据，以及回答用户问题等为主要任务的计算机系统。

GIS具有处理和分析地理空间数据的能力，这也是GIS区别于其他信息系统的关键。

另外，从学科的角度来讲：GIS是记录、处理、分析和表达地球参考数据或地球空间数据领域的学科，是用来研究地球系统科学的一种技术手段，也是近几十年新兴的以计算机科学、地理学、测量学和地图学等多门学科为基础的边缘学科、交叉学科或综合学科。

1.1.1.2 GIS的发展简史

20世纪60年代中期为GIS的起始发展阶段。随着地图学、计算机科学的发展，人们对自然资源和环境的规划管理需求日益增长，促进了GIS的产生。世界上第一个GIS为加拿大地理信息系统（CGIS）。在这一时期，人们开始了对GIS思想和技术方法的探索，GIS研究组织和机构不断涌现。

20世纪70年代为GIS的发展巩固阶段。这一时期，计算机软件和硬件飞速发展，开始使用大容量存储设备，为GIS的迅速发展提供了有利条件。GIS的需求开始增多，短时间内世界各地就建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的GIS。同时，各种GIS软件相继研发成功，自然资源和环境领域开始使用GIS进行数据处理。

20世纪80年代为GIS的推广应用阶段。由于计算机技术的进一步发展，GIS也逐渐走向成熟，应用的范围、领域都在扩大，并开始应用在一些全球性的问题上，如全球沙漠化、全球气候变化等。GIS在这一时期具有突破性的进展，同时，我国的GIS也取得了巨大的进步。

从20世纪90年代开始，GIS进入产业化阶段。随着地理信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS已成为确定性的产业。目前，GIS在人们的生产、生活、学习、工作中都发挥了巨大的作用。

1.1.1.3 GIS的组成部分

GIS主要由计算机硬件系统、计算机软件系统、空间数据、应用分析模型、系统开发管理和使用人员五部分组成。

（1）计算机硬件系统。

计算机硬件系统由三部分组成：第一部分是数据处理设备，它是GIS硬件的主体、核心，如各种计算机、服务器和图形工作站；第二部分是数据输入设备，如数字化仪、扫描仪、数字测量设备等；第三部分是数据输出设备，如绘图仪、打印机等。

（2）计算机软件系统。

计算机软件系统可分为三部分：计算机系统软件，主要指的是计算机的操作系统，是GIS软件环境的基础部分；GIS软件，是整个GIS的核心部分，用于各种GIS功能的操作，如数据输入和校验、数据存储和管理、数据变换、数据输出和表示、用户接口等；数据库软件，GIS需要支持复杂的空间数据，所以对数据的存储、管理、检索、输出是非常重要的环节，目前比较成熟的数据库软件（如Oracle、SQL Server、开源数据库等）发挥了重要作用。

（3）空间数据。

空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。它是GIS的操作对象，来源于各种地图、遥感影像、位置观测数据、数字地面模型、大地测量成果等。它描述地理实体的空间特征、属性特征、时间特征。空间特征表现为地理实体的空间位置及其相互之间的关系；属性特征表现为地理实体的名称、类型、数量、质量等特征；时间特征表现为地理实体随着时间变化而发生的相关变化。空间数据一般都以数据库的形式存储在计算机中，便于用户处理和使用。

（4）应用分析模型。

基本的GIS工具无法满足所有特定应用需求，因此需要构建专门的应用分析模型。例如，土地利用分析模型、洪水淹没分析模型、医院选址模型、货物配送路径分析模型、水土流失模型等。GIS应用分析模型的建立和选择是GIS成功应用的重要因素，应用分析模型是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，在GIS中占据了非常重要的地位。

（5）系统开发管理和使用人员。

具备了前面几个组成部分，还不足以形成一个完整的GIS，还需要人来完成系统的设计、开发、组织、管理、维护、更新，以及提取各种信息、支持决策等。

1.1.2 GIS的功能

GIS的功能非常丰富，涵盖数据采集与输入、数据存储与管理、数据编辑与更新、空间查询与分析、数据显示与输出等。

（1）数据采集与输入。数据采集与输入，即在数据处理系统中将系统外部的原始数据传输到系统内部，并将这些数据从外部格式转换为系统便于处理的内部格式的过程。多种形式、多种来源的数据具有多种输入方式，如图形数据的输入、测量数据的输入、影像数据的输入、数字文字的输入等。

（2）数据存储与管理。数据存储即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。数据管理是GIS数据管理的核心，各种图形或图像信息都以严密的逻辑结构存放在空间数据库中。

（3）数据编辑与更新。数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。图形编辑包括图形变换、投影变换、误差校正、拓扑关系建立等，属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成。

（4）空间查询与分析。空间查询是GIS的基础功能，主要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。空间分析是GIS区别于其他信息系统的关键所在，主要包括拓扑叠加分析、缓冲区分析、数字地形分析、空间模型分析、网络分析等。

（5）数据显示与输出。GIS处理、分析得到的结果最终需要反馈给用户，一般通过计算机屏幕来展示，也可以以报告、表格、地图等硬件形式展示。数据的输出通常以地图的形式表现，可以根据用户需要，输出全要素地图或各种专题图、统计图、统计图表等。

现实生活中的数据大多数具有空间位置特征，GIS处理的对象就是空间数据。同时，GIS具有多种独特的空间数据分析功能，以及空间数据和属性数据结合的图形表现能力，这使得GIS的应用领域非常广泛，具体如下。

（1）资源清查与管理。资源清查是GIS的基本职能，如土地利用类型，可以输出不同土地利用类型的分布和面积、按不同高程带划分的土地利用类型、不同坡度区内的土地利用现状等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。

（2）区域规划。区域规划的综合性非常高，解决区域规划问题要考虑很多方面，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多种要素。GIS强大的数据库管理功能可将多种数据合并到一个系统中，强大的分析功能（如网络分析、缓冲区分析、叠加分析、三维分析等）为规划决策提供支撑。城镇总体规划、道路交通规划、公共设施配置、城市建设用地适宜性评价、区位分析、地址选择等问题都可以使用GIS来解决。

（3）灾害监测。我国地域辽阔，地形、地质、气候复杂，自然灾害多发，如地震、洪涝、滑坡、泥石流、森林火灾等，严重影响着人民的生命财产安全。GIS在灾害预测、救援方案、恢复冲减的过程中发挥了重要的作用，如借助遥感监测数据和GIS技术可有效地进行森林火灾的预测预报、洪水灾情监测、洪水淹没损失的估算及抗震救灾等工作，为救灾抢险和决策提供及时准确的信息。

（4）土地调查。土地调查包括对土地利用类型、位置、面积、分布状况和土地权属等状况的确定。随着国民经济的发展，土地管理工作的重要性日益增强，对应的工作量、复杂程度、难度也越来越大，传统的方法已经不足以满足需求。于是，GIS为此提供了先进的技术，在数据的存储、管理、分析，以及图示输出等方面发挥了重要的作用。

（5）环境管理。随着经济的高速发展，人们越来越重视环境问题。GIS在环境规划决策、环境监测、环境应急预警预报、环境质量评价等诸多方面提供了技术支持。

（6）宏观决策。GIS利用数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。我国在三峡地区研究中，通过利用GIS和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。

1.1.3 GIS的发展趋势

1.1.3.1 标准化

GIS的应用领域广泛，不同行业具有不同的数据类型和组织形式，不同数据生产部门的方式和标准也不一样。所以，目前大部分GIS使用的数据相对封闭独立，阻碍了信息资源的交换和共享，在一定程度上限制了GIS的发展。

为了使GIS更好地服务大众社会，人们逐渐意识到对软件、硬件、数据等要素进行必要的标准化。标准化的真正实现将使人们在一个共同理解的基础上共享信息和资源。

1.1.3.2 云化

当今互联网飞速发展，它已经触及人们日常生活的角角落落，渗透到社会发展的各个领域，改变了人们的生活方式。换句话说，人们已经离不开互联网了。GIS的最终目的是为人们提供服务、创造价值，其与互联网的结合是必然的趋势，因此云GIS应运而生。利用云环境，能够提供云上发布、浏览显示、查询检索、处理、分析、下载等功能。云GIS具有轻便、经济、访问范围更广泛、可扩展性好等特点，弥补了传统GIS庞大、专一的缺点。

很多GIS平台公司已经研制出云GIS的产品，如国外Esri公司的ArcGIS 10系列产品，国内武汉中地数码的MapGIS 10系列产品和超图的SuperMap 10系列产品等。

1.1.3.3 集成化

3S是指全球定位系统（GPS）、遥感系统（RS）和地理信息系统（GIS）三大技术的简称。GPS主要用于快速、实时获取目标物体的位置信息；RS主要用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时地进行数据更新，是GIS重要的数据源；GIS则是3S的关键所在，GIS对来源于GPS、RS的数据进行综合处理、集成管理、空间分析，挖掘潜在的有用信息，为决策提供科学有效的支持。

这三种技术都有自己独立的体系，在数据采集、管理、分析等方面各有所长，相互之间具有天然的互补性，技术间的相互融合在地理测绘领域已经发挥出更高的效率和显著的作用。

（1）VR/AR-GIS。VR/AR-GIS，也称虚拟现实/增强现实GIS，是虚拟现实技术与GIS结合的产物，通过三维立体的方式显示地理实体，给人非常真实的沉浸式视觉体验。

（2）移动GIS。将GIS与移动通信技术、移动定位技术集成，在移动设备中嵌入GIS功能，产生了移动GIS。由于智能移动设备在人们生活中发挥了巨大的作用，所以移动GIS是GIS发展的必然趋势。移动GIS能够提供更加丰富的基于位置服务，大大方便了人们的生活。例如，百度地图、高德地图等生活服务软件的产生，改变了人们出行的方式。移动GIS的前景非常可观。

（3）多媒体GIS。多媒体技术是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息进行综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的技术。将多媒体技术与GIS结合，为GIS的展示提供了更加丰富、更加生动、更加灵活、更加友好的方式，给人以直观的体验。

不仅如此，多媒体技术将为GIS带来更加广阔的应用领域，在旅游、文化教育、社会经济等各大产业的发展中具有更好的前景。

（4）3D GIS及4D GIS。现实世界中的地理实体是三维的，但是受限于技术原因，传统的GIS都是通过二维方式来表达的。但是这种模式不能精确地反映三维实体的状况，无法满足部分实际应用的需求，所以需要结合三维技术，以更加接近真实情况的方式来提供服务，从二维平面上升到三维立体的效果。

要将数据以三维的形式呈现，那么三维数据的模型、存储管理、数据表达、数据分析、数据存储等问题都是要重点考虑的对象。目前这些技术是GIS发展的热点，是GIS前进的主要方向。

现实世界中的地理对象都是具有时间特征的，在3D GIS的基础上，加上时间这一维度，便得到了4D GIS，或称时态GIS。4D GIS对于部分现实的问题具有重要的研究意义，如生态环境变化规律的寻找、区域人口的变化、洪水的最高水位等问题。4D GIS是GIS领域一个重要的研究方向。

1.1.3.4 组件结构化

无论C/S开发还是B/S开发，一个完整的GIS系统一般比较庞大，涉及多项功能，通过少数人很难完成，所以借助搭建积木的想法，将GIS软件结构进行组件化与插件化，即可构建组件式GIS、插件式GIS。其主要思想是将众多的功能按模块分为单个的“零件”，并灵活、方便地将各种功能的“零件”搭建成平台或者应用，简化了开发的步骤，降低了开发难度。目前主流GIS平台均采用插件式的开发方式。

1.1.3.5 智能化

智能化新兴技术非常火热，是IT技术发展的新领域。GIS与专家系统、神经网络、遗传算法、人工智能、深度学习、机器学习等技术相结合已成为GIS新的研发热点。智能GIS将对GIS的数据提取、数据挖掘、数据分析提供更多的可能性，创造更智能的世界。

1.1.3.6 社会化

随着GIS的发展，它已逐渐被应用到生活的方方面面，潜移默化地改变了人们的许多生活方式，如定位、导航地图应用等改变了人们的出行。未来的GIS将更加普及，为社会大众服务。