《地理信息系统原理》笔记/期末复习资料（1. 概述）
目录
1. 概述
1.1. 地理信息系统的基本概念
1.1.1. 信息与数据
1.1.2. 空间数据与地图
1.1.3. 地理信息与地学信息
1.1.4. 信息系统和地理信息系统
1.2. 地理信息系统发展过程
1.2.1. 地理信息系统的发展阶段
1.2.2. 地理信息系统在我国的发展
1.3. 地球信息科学与地理信息系统
1.3.1. 地球信息科学的概念
1.3.2. 地理信息系统常用软件
1.3.3. 地理信息系统类型
1.4. 地理信息系统与其他相关学科系统间的关系
1.4.1. GIS与地图学
1.4.2. GIS与一般事务数据库
1.4.3. GIS与计算机地图制图
1.4.4. GIS与计算机辅助设计(CAD)
1.4.5. GIS与测绘学
1.4.6. GIS与地理学
1.5. 地理信息系统组成
1.5.1. 计算机硬件系统
1.5.2. 计算机软件系统
1.5.3. 地理空间数据
1.5.4. 应用分析模型
1.5.5. 系统开发、管理和使用人员
1.6. 地理信息系统功能和应用
1.6.1. 地理信息系统功能
1.6.2. 地理信息系统应用
1.7. 习题
1. 概述
1.1. 地理信息系统的基本概念
当今信息技术突飞猛进，信息产业获得空前发展，信息资源得到爆炸式扩张。 多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、规划、建设等重大问题时所必需的重要信息资源，是信息高速公路上的重要列车。 信息时代人类对信息资源采集、管理、分析提出了很高的要求。 系统论、信息论、控制论的形成，计算机技术、通信技术、 人造卫星遥感等空间技术、自动化技术的应用，为信息资源的科学管理展示出更加广阔的前景。 地理信息系统是在上述学科不断发展的历史背景下产生的， 它是一门集计算机科学、信息科学、现代地理学、测绘遥感学、环境科学、 城市科学、空间科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。 地理信息系统的迅速发展不仅为地理信息现代化管理提供契机， 而且有利于其它高新技术产业的发展，可为人类提供规划、管理、决策的有用信息。
1.1.1. 信息与数据
信息是现实世界在人们头脑中的反映。人们用数字、文字、符号、语言、图形、影像、声音等把它记录下来，进行交流、传递或处理。信息向人们提供关于现实世界各种事实的知识，例如，一个人的存在，可以从姓名、性别、年龄、籍贯、政治面貌、社会关系、职称、工资等方面信息来描述，当一个人的情况发生变化时，如年龄变化、工资改变、政治进步等，均应及时地对反映他的信息进行更新。因此也可以说，信息是客观事物的存在及演变情况的反映。
信息具有四方面特点：
客观性。信息是客观存在的，任何信息都是与客观事物紧密联系的，但同一信息对不同的部门来说会有完全不同的重要性。
适用性。信息对决策是十分重要的，它可作为生产、管理、经营、分析和决策的依据，因而它具有广泛适用性。
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)和以一定形式提供给有关用户，也包括信息在系统内各子系统之间的传输和交换。信息在传输、使用、交换时其原始意义不被改变。
共享性。现代信息社会中，信息共享是一最基本的特点，共享使信息被多用户使用。随着科学的进步和社会的发展，信息已经与能源、材料一样重要。各个领域对于信息应用的要求越来越高，信息就是金钱，信息就是成功和胜利的保征，谁掌握了信息的脉搏，谁就是未来竞争的胜利者。
由于需要对信息进行加工、处理、管理、使用，就要把信息记录下来，记录信息的手段有数字、文字、符号、声音、图像等。对于计算机而言，数据是指输入到计算机并能为计算机进行处理的一切现象（数字、文字、符号、声音、图像等），在计算机环境中数据是描述实体或对象的唯一工具。数据是用以载荷信息的物理符号，没有任何实际意义，只是一种数学符号的集合，只有在其上加上某种特定的含义，它才代表某一实体或现象，这时数据才变成信息。地理信息系统的建立，首先是收集数据，然后对数据进行处理。成功的GIS系统必须保证数据的正确表达及数据无误差传播。在不同阶段，数据在GIS处理框架中的赋存形态是不同的，同一实体在不同的GIS数据结构中，其描述数据表现为不同形式，甚至其数据在量上的值也是不同的。同一数据不同的人解释，其结果可能不同，必须保障正确地表达数据的语义信息，并使其在应用中能被正确地理解，保证用户间数据流畅通。
信息与数据是不可分离的，有着十分密切的联系，即信息是数据的内涵，是数据的内容和解释，而数据是信息的表达。也就是说数据是信息的载体，只有理解了数据的含义，对数据作解释，才能得到数据中所包含的信息。地理信息系统的建立过程就是信息（或数据）按一定方式流动的过程。在通常情况下，对信息和数据可不作严格区分，在不引起误解的情况下可以通用，如“数据处理”与“信息处理”在一般情况下有相同的含义。
1.1.2. 空间数据与地图
研究自然总是从搜集个别的自然现象、物体的空间特征开始的。空间特征又称空间信息，空间信息可以从三方面来描述：位置信息、非位置信息（属性信息）和时间信息。位置信息与非位置信息彼此独立地随时间发生变化。空间数据是以点、线、面等方式采用编码技术对空间物体进行特征描述及在物体间建立相互联系的数据集。位置信息用定位数据（亦称几何数据）来记录，它反映自然现象的地理分布，具有定位的性质；非位置信息用属性数据来记录，它描述自然现象、物体的质量和数量特征。例如，地面上的山峰，可以从其所在的经度和纬度得知其具体的位置，而相应地理位置上的峰顶高程数据就是属性数据；一个井泉，可以从地形图上确定它的地理坐标（几何数据），而井泉的地面高度、性质、涌水量等参数则是该井泉的一系列属性信息；地质学家研究断裂构造，一方面要搜集断层通过的确切地点（几何数据），另一方面要记录该断层在不同地点的产状、性质和它的断距（属性数据）。时间是空间物体存在的形式之一，空间和时间相互联系而不能分割，时间信息反映空间物体的时序变化及发展过程与规律，无论是几何数据还是属性数据，都是在某一时刻采集的空间信息，时间信息也可隐含在属性数据中。
空间数据的表示方法很多，空间信息的载体可以是数字形式记录在磁盘上，也可以是记录在纸上的地图，最常用的也是人们最习惯的方法是以地图形式来表示空间数据。地图是表达客观事物的地理分布及其相互联系的空间模型，是反映地理实体的图形，是对地理实体的简化和再现。它不仅能反映客观事物的瞬时存在，而且能反映自然界的动态变化；不仅能反映某事物独立存在的属性，而且能反映诸事物的空间分布、组合和相互联系及其在时间中的变化。地图由点、线、面组成，它们被称为地图元素。例如，地图上的点可以是矿点、采样点、高程点、地物点和城镇等；线可以是地质界线、铁路、公路、河流等；面可以是土壤类型、水体、岩石类型等。地图元素由空间参考坐标系中的位置和非空间属性加以定义，地图通常是地理数据的二维表示，但也不排除多维表示，只是三维以上的表示难以在平面上描绘出来罢了。地图的图例起着说明作用，是空间实体与非空间属性联系的关键。非空间属性可以用颜色、符号、数字、文字表示，使其明显易读，图例则对它们进行注释。
1.1.3. 地理信息与地学信息
地理信息是表征地理系统诸要素的数量、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。从地理数据到地理信息的发展，是人类认识地理事物的一次飞跃。地球表面的岩石圈、水圈、大气圈和人类活动等是最大的地理信息源。地理科学的一个重要任务就是迅速地采集到地理空间的几何信息、物理信息和人为信息，并实时地识别、转换、存储、传输、再生成、显示、控制和应用这些信息。
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，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志。地理信息的这种定位特征，是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；地理信息还具有多维结构的特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构，而各个专题型、实体型之间的联系是通过属性码进行的，这就为地理系统各圈层之间的综合研究提供了可能，也为地理系统多层次的分析和信息的传输与筛选提供了方便。
地学信息所表示的信息范围更广，它不仅来自地表，还包括地下、大气层，甚至宇宙空间。凡是与人类居住的地球有关的信息都是地学信息。地学信息具有无限性、多样性、灵活性、共享性等特点。同地球上的自然资源、能源本身不同，地学信息不但没有限度，而且会爆炸式地增长。随着人类社会的发展，地学信息是人们深入认识地球系统、适度开发资源、净化能源、保护环境的前提和保证。人类将从地学信息中赢得预测、预报的时间，获得调控人流、物质和能量的科学依据及有效途径。
1.1.4. 信息系统和地理信息系统
能对数据和信息进行采集、存贮、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统称为信息系统。信息系统的四大功能为数据采集、管理、分析和表达。信息系统是基于数据库的问答系统。在辅助决策过程中，信息系统可提供有用的信息。从计算机科学角度看信息系统是由硬件、软件、数据和用户四个主要部分组成的。在计算机时代，大部分重要的信息系统都是部分或全部由计算机系统支持的，如目前流行的图书情报信息系统、经营信息系统、企业管理信息系统、金融管理信息系统、人事档案信息系统、空间信息系统和其它一些信息系统等。其中空间信息系统是一种十分重要而又与其它类型信息系统有显著区别的信息系统，因为它所要采集、管理、处理和更新的是空间信息。因此，这类信息系统在结构上也比其它一般信息系统复杂得多，功能上也较其它信息系统强得多。
地理信息系统，简称GIS（Geographic Information System）。关于GIS国内外有许多定义，不同的应用领域，不同的专业，对它的理解是不一样的，目前还没有一个完全统一的被普遍接受的定义。有人认为GIS是管理和分析空间数据的计算机系统，在计算机软硬件支持下对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理，完成数据输入、存储、处理、管理、分析、输出等功能，对数据实行有效管理，研究各种空间实体及其相互关系，通过对多因素信息的综合分析可以快速地获取满足应用需要的信息，并能以图形、数据、文字等形式表示处理结果。有人认为GIS是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球（包括大气层在内）空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。有人认为GIS就是数字制图技术和数据库技术的结合。有人则按研究专业领域不同给予不同的名称，如地籍信息系统、土地信息系统、环保信息系统、管网信息系统和资源信息系统等。1987年DOE（英国教育部）下的定义：“GIS是一种获取、存贮、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统”。1988年美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）下的定义：“为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统”。应该说，上述定义均比较科学地阐明了GIS的对象、功能和特点。实际上，地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件支持下，以采集、存贮、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，并回答用户问题等为主要任务的计算机系统。
1.2. 地理信息系统发展过程
1.2.1. 地理信息系统的发展阶段
地理信息系统的发展是与地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、计算机科学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科发展分不开的。 以时间发展为序列，可分为二十世纪60年代起始发展阶段、二十世纪70年代发展巩固阶段、二十世纪80年代推广应用阶段和二十世纪90年代蓬勃发展阶段。
地理信息系统起源于北美。 世界上第一个地理信息系统是1963年由加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出并建立的，称为加拿大地理信息系统（CGIS），主要用于自然资源的管理和规划，稍后美国哈佛大学研究生部主任Howard T.Fisher设计和建立了SYMAP系统软件，由于当时计算机技术水平的限制，使得GIS带有更多的机助制图色彩。 这一阶段很多GIS研究组织和机构纷纷成立：1966年美国成立了城市和区域信息系统协会（URISA），1968年国际地理联合会（IGU）设立了地理数据收集委员会（CGDSP）。 这些组织和机构的建立对传播GIS知识和发展GIS技术起着重要的指导作用。
二十世纪70年代，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用， 促进了GIS朝实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷研制， 美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力、财力。 从1970年到1976年，美国地质调查局发展了50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； 1974年日本国土地理院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； 瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。 这一阶段GIS受到政府、商业和学校的普遍重视，一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎，据统计大约有300多个系统投入使用， 许多大学和机构开始重视GIS软件设计及应用研究，如纽约州立大学布法罗校区创建了GIS实验室， 1988年发展成为包括加州大学和缅因州大学在内的由美国国家科学基金会支持的国家地理信息和分析中心（NCGIA）。
二十世纪80年代，由于计算机迅速发展，GIS逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大， GIS与卫星遥感技术结合，开始用于全球性的问题，如全球变化和全球监测、全球沙漠化、全球可居住区评价、厄尔尼诺现象、酸雨、核扩散及核废料等。 美国地质调查局应用地理信息系统对美国三里岛核泄漏事件在24小时内就做出了反应，并迅速地对核扩散进行了影响评价。 80年代是GIS发展具有突破性的年代，仅1989年市场上有报价的软件就达70多个，并涌现出一些有代表性的GIS软件， 如ARC/INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINFO、ERDAS、Microstation、SICAD、IGDS/MRS等。 其中ARC/INFO已经愈来愈多地为世界各国地质调查部门所采用， 并在区域地质调查、区域矿产资源与环境评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要作用。
二十世纪90年代，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，投入使用的GIS系统， 每2～3年就翻一番，GIS市场的年增长率为35%以上，从事GIS的厂家已超过一千家。 GIS已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。
目前，随着计算机软硬件技术、数据库技术、网络技术、多媒体技术等计算机技术的迅速发展，GIS的应用领域也迅速进一步扩大。 GIS的信息处理模式由以前的集中式转向客户/服务器模式。 GIS与虚拟环境技术的结合的虚拟GIS，GIS与Internet结合的WebGIS，GIS与专家系统、神经网络技术结合的智能GIS， 在网络支持下及分布式环境下实现跨地域的空间数据和地理信息处理资源的共享的开放式GIS都得到了长足的发展。 另外，GIS与各种应用模型(如环境模型、降雨模型)的结合，GIS与GPS、RS的进一步集成，并行处理技术在GIS中的应用等都有了一定的发展。 并且，GIS的以上这些发展并不是孤立的，而是相互影响、相互促进，其目的就是促进地理信息产业的建设与发展，更好地为人类了解和保护人类赖以生存的环境服务。
1.2.2. 地理信息系统在我国的发展
地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。 GIS在中国的发展可分为四个阶段。 第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡仪，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。 机助制图和遥感应用，为GIS的研制和应用作了技术上和理论上的准备。 第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进，研究数据规范和标准，空间数据库建立，数据处理和分析算法及应用软件的开发等，对GIS进行理论探索和区域性实验研究。 在全国大地测量和数字地面模型建立的基础上，建成了1:100万国土基础信息系统和全国土地信息系统，1:400万全国资源和环境信息系统，1:250万水土保持信息系统。 第三个阶段从1986年到1995年前后，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室，中国科学院于1985年开始筹建国家资源与环境系统实验室，是一个新型的开放性研究实验室，1994年中国GIS协会在北京成立。 GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。
主要表现在四个方面：
制定了国家地理信息系统规范，解决信息共享和系统兼容问题，为全国地理信息系统的建立作准备。
应用型GIS发展迅速。
在引进的基础上扩充和研制了一批软件。
开始出版有关地理信息系统理论技术和应用等方面的著作，并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的讨论和实验。
1992年10月联合国经济发展部（UNDESD）在北京召开了城市GIS学术讨论会，对指导、协调和推动我国GIS发展起着重要的作用。 第四阶段从1996年至现在，我国GIS技术在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速， 并力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用推向实用化、集成化、工程化，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。 GIS在研究和应用过程中走向产业化道路，成为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥重大作用。 另外，从应用方面看，地理信息系统已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、交通，能源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、 自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、110报警系统、公共汽车调度等方面都得到了具体应用。
1.3. 地球信息科学与地理信息系统
1.3.1. 地球信息科学的概念
地球信息科学(Geo—Informatics，或Geo InfoMation Science，简称GISci)是研究地球表层信息流的科学，或研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流的科学。就地球信息科学的技术持征而言，它是记录、测量、处理、分析和表达地球参考数据或地球空间数据学科领域的科学（李建松，2006）。它属于边缘学科、交叉学科或综合学科，是以信息流作为研究的主题，即研究地球表层的资源、环境和社会经济等一切现象的信息流过程，或以信息作为纽带的物质流、能量流等。
“信息流”这一概念是陈述彭院士在1992年针对地图学在信息时代面临的挑战而提出的。他认为，地图学的第一难关是解决地球信息源的问题。在16世纪以前，人类获取地图信息源主要是通过艰苦的探险、组织庞大的队伍和采用当时认为是最先进的技术装备来解决这个问题；到了16—19世纪，地图信息源主要来自大地测量及建立在三角测量基础上的地形测图；20世纪前半叶，地图信息源主要来自航空摄影和多学科综合考察；20世纪后半叶，地图信息源主要来自卫星遥感、航空遥感和全球定位系统(GPS)。可以预见，21世纪，地图信息源将主要来自由卫星群、高空航空遥感、低空航空遥感、地面遥感平台，并由多光谱、高光谱、微波以及激光扫描系统、定位定向系统（POS）、数字成像成图系统等共同组成的星、机、地一体化、立体的对地观测系统。它可基于多平台、多谱段、全天候、多分辨率、多时相对全球进行观测和监测，极大地提高信息获取的手段和能力。但是，无论是什么信息源，其信息流程都表现为：
信息的获取；
存储检索；
分析加工；
最终输出产品。
地理信息系统（GIS）与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）等高新技术是进行研究地球信息科学的主要技术手段。即，地球信息科学的研究手段是由GIS、RS和GPS所构成的“3S”技术对地面进行立体观测系统。
该系统运作特点是：
在空间上是整体的，而不是局部的；
在时间上是长期的，而不是短暂的；
在时序上是连续的，而不是间断的；
在时相上是同步的、协调的，而不是异相的；
在技术上不是孤立的，而是由GIS、RS和GPS三种技术集成的。
1.3.2. 地理信息系统常用软件
目前国外研发出的比较流行的GIS软件有：美国ERSI公司的ArcGIS，Intergraph公司的MGE，MapInfo公司的Mapinfo，加拿大阿波罗科技集团的TitanGIS等。 国内开发出的比较流行的GIS软件有：中国地质大学的MAPGIS、北京超图公司的SuperMap，北京大学的Citystar、武汉大学的Geostar、北京灵图公司的VRMap、中国林业科学研究院的VIEWGIS等， 这些国产GIS软件的出现打破了国外GIS软件对我国市场的垄断，开创了用计算机编制地学图件的新时代，必将为搞活我国的国民经济、提高综合国力起到积极的推动作用。 这些国产的GIS也相继推出了自己的组件化产品。
GIS软件工业不可避免地受到计算机应用软件发展趋势的影响，由于微型机的普及，Windows系列的操作系统成为主流操作系统， 许多传统的基于UNIX操作系统的应用软件逐步移植到Windows操作平台上来，GIS软件也不例外； 面向对象的理论和方法的逐渐成熟并被广泛地应用到软件的设计和生产中来，基于CORBA和DCOM的系统软件已经或陆续进入操作系统， 组件化的软件设计方法已经成为新的趋势，传统的GIS软件被分解为可按应用需要组装成“定制系统”的GIS“元件”将是不可避免的。
GIS软件平台的转移
原来的GIS软件大都是基于UNIX操作系统，但近年来由于微软公司的Windows系列操作系统的发展非常迅速，现 在绝大多数的微机大部使用Windows系列操作系统，图形工作站也都支持Windows NT，所以以UNIX为主流平台的GIS大型软件， 近几年都更换或扩展到了Windows NT平台，另外由于微机的飞速发展，各G1S软件厂商则开发了基于Windows操作系统的桌面GIS软件。
组件化GIS与搭建式GIS
前些年，对于偏重于设施管理、地图显示，而对空间分析要求不高的应用要求，软件厂商顺应计算机技术的发展，开发了OCX或ActiveX 控件化GIS软件，用户可以综合利用GIS控件以及其它的控件(比如数据库管理方面的控件)，开发出中、小规模的GIS应用系统。 用户可以使用流行的VC、.Net或Delphi等开发工具开发自己的应用系统（胡鹏等，2002）。 一些大的GIS软件商都在向用户提供控件，如ERSI公司的MapObject，MapInfo公司的MapX等。
近年来，搭建式GIS软件则是一种新的趋势，采用搭建式、向导式和插件式等三种开发方式，在尽可能零编程、少编程的情况下通过拖放式开发就可实现特定功能的GIS。 搭建式开发方式大大缩短了开发时间，节约80%以上的开发成本，提高60%以上的工作效率，对开发人员的要求大大降低。 凡有一定的计算机应用基础的技术人员，在通过相当短的时间里，就能掌握搭建系统的使用方法，让用户从关心技术、实现细节功能，转向关心业务。 这是GIS开发模式的重大变革，是一场革命。
1.3.3. 地理信息系统类型
WebGIS
随着计算机技术、网络技术、数据库技术等的发展以及应用的不断深化，GIS技术的发展呈现出新的特点和趋势，基于互联网的WebGIS就是其中之一。WebGIS除了应用于传统的国土、资源、环境等政府管理领域外，也正在促进与老百姓生活息息相关的车载导航、移动位置服务、智能交通、抢险救灾、城市设施管理、现代物流等产业的迅速发展。 GIS经历了单机环境应用向网络环境应用发展的过程，网络环境GIS应用从局域网内客户/服务器（Client/Server，C/S）结构的应用向Internet环境下浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)结构的Web GIS应用发展。随着Internet的发展，WebGIS开始逐步成为GIS应用的主流，WebGIS相对于C/S结构而言，具有部署方便、使用简单、对网络带宽要求低的特点，为地理信息服务的发展奠定了基础。
早期的WebGIS功能较弱，主要用于电子地图的发布和简单的空间分析与数据编辑，难以实现较为复杂的图形交互应用（如GIS数据的修改和编辑、制图）和复杂的空间分析，还无法取代传统的C/S结构的GIS应用，因此出现了B/S结构与C/S结构并存的局面，而C/S结构涉及客户端与服务器端之间大量数据转输，无法在互联网平台实现复杂的、大规模的地理信息服务。
目前，国内外许多GIS软件厂商相继推出了WebGIS软件产品， 如：美国ESRI公司的ArcGIS IMS和MapObjects IMS，美国MapInfo公司的MapXtreme，美国INTERGRAPH公司的GeoMedia Web Map和GeoMedia Web Enterprise， 国内的中地公司的MAPGIS IMS，超图公司的SuperMap IS等。 并且，随着电子政务和企业信息化（电子f商务）的发展，构建由多个地理信息系统构成的信息系统体系，跨越传统的单个地理信息系统边界， 实现多个地理信息系统之间的资源（包括数据、软件、硬件和网络）共享、互操作和协同计算， 构建空间信息网格（Spatial Information Grid），成为GIS应用发展需要解决的关键技术问题。 这要求将GIS的数据分析与处理的功能移到服务器端，通过多种类型的客户端（如PC、移动终端）上Web Browser或桌面软件调用服务器端的功能， 来实现传统C/S结构GIS所具有的功能，最终使B/S结构取代C/S结构的应用，通过GIS应用服务器之间的互操作和协同计算，构建空间信息网格。
三维GIS
随着GIS研究与应用的不断深入，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。 在应用要求较为强烈的部门如采矿、地质、石油等领域已率先发展专用的具有部分功能的三维GIS。 因此，许多学者开始了对三维GIS的研究，并针对地质、矿山等特殊应用领域，建立栅格化的数据模型和进行一些特殊的空间分析，功能较为单一。 随着计算机技术的发展，人们己不满足于一些简单的三维显示、查询等功能。 于是，许多模拟系统开始集成传统的GIS技术和三维可视化技术（包括虚拟现实技术），以数据库为基础，研究海量数据的存取和可视化。 近几年，随着网络技术的飞速发展，GIS研究和应用也开始转向Iniemet网络，称之为Web-GIS。同样，三维GIS也有转向Web的趋势。 荷兰的ITC对三维Web-GIS进行了比较深入的研究和实现，在Web上实现数字城市应用，并建立了一些具有初步功能的实验系统（Zlatanovas S.，1999）。
一些商用GIS系统也加入了三维GIS模块，如ArcView 3D Analyst、Titan 3D、ERDAS IMAGINE等。这些三维GIS模块通过处理遥感图像数据和三维地形数据，能在实时三维环境下，提供地形分析和实时三维飞行浏览。 但这些三维GIS系统主要集中于二维表面地形的分析，仅将数据在三维环境中进行显示，在空间查询等方面功能比较简单，还不是真正的三维GIS系统（通常称之为2.5维）。 武汉适普公司开发的IMAGIS结合三维可视化技术和虚拟现实技术，能够对三维对象进行建模、移动、漫游等操作，但缺乏空间数据库的有效管理，空间查询和分析功能较弱。 国防科学技术大学开发了x-2000三维军事电子地图系统，以X-2000空间数据库为核心，实现了地形分析、空间查询、真三维再现等多项功能。 原武汉测绘科技大学也在其研制的GeoStar系统中加入了三维GIS模块，可以应用于城市规划等领域中。 武汉中地数码公司开发的MAPGIS-TDE中的构建平台是一个开放的、可扩展的三维开发平台， 提供系列面向三维应用的专业建模、分析及可视平台，提供系列面向三维应用的专业建模、分析及可视化工具； 用户可借助构建平台提供的面向专业应用的建模、分析与可视化接口构建自己的三维应用。
目前，国内外诸多学者对三维GIS的三维数据结构、三维建模以及单一领域的应用提出了许多方法和技术手段。 三维GIS的研究经过十多年的发展，在取得许多成就的同时，仍然存在着诸多问题。 目前三维GIS还没有通用的基础开发平台。 虽然已经开发了许多三维GIS原型系统，但也只是集中于一些特殊的应用领域，特别是地质、数字城市等领域，离普遍应用还有较大的差距。
时态GIS
传统的GIS处理的是无时间概念的数据，只能是现实世界在某个时刻的“快照”。 然而，GIS所描述的现实世界是随时间连续变化的，随着GIS应用领域的不断扩大，时间维必须作为与空间等量的因素加入到GIS中来。 将时间的影响考虑到GIS应用中，就产生了时态GIS或四维GIS。
时态GIS主要应用在以下几种情况：一是对象随时间变化很快，噪声污染、水质检测、日照变化等，一秒钟得到一个甚至几个数据； 二是历史回溯和衍变，地籍变更、环境变化、灾难预警等需要根据已有数据回溯过去某一时刻的情况或预测将来某一时刻的情况； 三是地球科学家想对某一时刻的所有地质条件或某一时间段内的平均地质条件进行评价，他们是否能容易地获得在“A时刻的值或从时间B到时间C这段时间内的值”。
1.4. 地理信息系统与其他相关学科系统间的关系
1.4.1. GIS与地图学
GIS是以地图数据库（主要来自地图）为基础，其最终产品之一也是地图，因此它与地图有着极密切的关系，两者都是地理学的信息载体，同样具有存储分析和显示（表示）的功能。由地图学到地图学与GIS结合，这是科学发展的规律，GIS是地图学在信息时代的发展。关于GIS与地图学的关系问题，存在不少专门的论述，其作者有地图专家，也有以遥感、摄影测量或其它专业为背景的GIS专家。一种观点认为：“GIS脱胎于地图”，“GIS是地图学的继续”，“GIS是地图学的一部分”，“GIS是数字的或基于可视化地图的地理信息系统”等；另一种观点认为：“地图学是GIS的回归母体”，“地图是模拟的GIS”，“地图是GIS的一部分”等。英国S.Caeettari认为“GIS是一种把各系统发展中的一些学科原理综合起来的独特技术，作为其中一部分的地图学，不仅提供一体化的框架和数据，而且提供了目标、知识、原理和方法”。把地图学和GIS加以比较可以看出，GIS是地图学理论、方法与功能的延伸，地图学与GIS是一脉相承的，它们都是空间信息处理的科学，只不过地图学强调图形信息传输，而GIS则强调空间数据处理与分析，在地图学与GIS之间一个最有力的连接是通过地图可视化工具与它们的潜力来增加GIS的数据综合和分析能力。
1.4.2. GIS与一般事务数据库
GIS离不开数据库技术。数据库技术主要是通过属性来管理和检索，其优点是存储和管理有效，查询和检索方便，但数据表示不直观，不能描述图形拓扑关系，一般没有空间概念，即使存贮了图形，也只是以文件形式管理，图形要素不能分解查询。GIS能处理空间数据，其工作过程主要是处理空间实体的位置、空间关系及空间实体的属性。例如电话查号台可看作一个事务数据库系统，它只能回答用户所询问的电话号码，而通讯信息系统除了可查询电话号码外，还可提供电话用户的地理分布、空间密度、最近的邮电局等信息。
1.4.3. GIS与计算机地图制图
早在18世纪，欧州一些国家就开始系统地绘制本国地形图。六七十年代期间，空间数据应用的主要领域是资源调查、土地评价和规划等领域，各学科领域的科学家们认识到地表各特征之间的相互联系、相互影响这一事实后，开始寻找一种综合的多学科、多目标的调查分析方法来评价地表特征，因而产生了面向特殊目的的专题图件。60年代，计算机的出现，传统的制图方式被打破，对地球资源的量化分析和评价产生了实质性的发展，地图要素被量化成简单的数字，可以用计算机很方便地给予定性、定量及定位分析，进而用颜色、符号和文字说明完整地表达实体，因此产生了计算机地图制图技术。70年代后期，由于计算机硬件持续发展，计算机地图制图的历程向前迈进了一大步。80年代，美国地质调查研究所制定了旨在实现地图制图现代化的计划，它的任务是大规模地扩充和改进地图数字化设备，制定数据库信息交换标准，提高地图修编能力，改革传统的制图工艺，形成现代化数字制图流程，计算机地图制图技术的发展对GIS的产生起了有力的促进作用，GIS出现进一步为地图制图提供了现代化的先进技术手段，它必将引起地图制图过程深刻变化，成为现代地图制图的主要手段，GIS应用于地图制图，可实现地图图形数字化，建立图形和属性两类数据相结合的数据库。但GIS系统不同于计算机地图制图，计算机地图制图主要考虑可视材料的显示和处理，考虑地形、地物和各种专题要素在图上的表示，并且以数字形式对它们进行存贮、管理，最后通过绘图仪输出地图。计算机地图制图系统强调的是图形表示，通常只有图形数据，不太注重可视实体具有或不具有的非图形属性，而这种属性却是地理分析中非常有用的数据。GIS既注重实体的空间分布又强调它们的显示方法和显示质量，强调的是信息及其操作，不仅有图形数据库，还有非图形数据库，并且可综合两者的数据进行深层次的空间分析，提供对规划、管理和决策有用的信息。数字地图是GIS的数据源，也是GIS表达形式，计算机地图制图是GIS重要组成部分。
1.4.4. GIS与计算机辅助设计(CAD)
CAD主要用来代替或辅助工程师们进行各种设计工作，它可绘制各种技术图形，大至飞机，小至微芯片等，也可与计算机辅助制造（CAM）系统共同用于产品加工中的实时控制。GIS与CAD系统的共同特点是两者都有空间坐标，都能把目标和参考系统联系起来，都能描述图形数据的拓扑关系，也都能处理非图形属性数据。它们的主要区别是：CAD处理的多为规则几何图形及其组合，它的图形功能尤其是三维图形功能极强，属性库功能相对要弱，采用的一般是几何坐标系。而GIS处理的多为自然目标，有分维特征（海岸线、地形等高线等），因而图形处理的难度大，GIS的属性库内容结构复杂，功能强大，图形属性的相互作用十分频繁，且多具有专业化特征，GIS采用的多是大地坐标，必须有较强的多层次空间叠置分析功能，GIS的数据量大，数据输入方式多样化，所用的数据分析方法具有专业化特征。因此一个功能较全的CAD，并不完全适合于完成GIS任务。
1.4.5. GIS与测绘学
测绘学是研究测定和推算地面几何位置、地球形状及地球重力场，据此测量地球表面自然形态和人工设施的几何分布，编制各种比例尺的地图的理论和技术的学科。它包括测量和制图两项主要内容。
测绘学科中的大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数据；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。GlS的发展要求测绘能及时、快速、直接地提供数字形式数据，这样促使常规的测量仪器向数字化测量仪器发展，导致了数字化测绘生产体系的建立。
从最近20年来看，测绘学科在各分支学科自身发展的同时，测绘各分支学科的交叉集成已形成一个发展趋势。全球定位系统（GPS）技术在大地测量与测量工程中的普遍应用，摄影测量向遥感的发展，地图学向地理信息系统（GIS）的发展，形成了 3S 集成的明显特色。3S 集成代表了测绘学科内多种测量与遥感技术的有机融合，它不仅具有相互补充、相互促进的特点，而且能提高从数据获取到信息提取的速度，为现代测绘遥感技术的自动化、智能化和实时化创造了必要条件。而且将从根本上改变其传统测绘学科的内涵，测绘将由原来单纯提供信息的服务性工作转变为参与规划设计和决策管理的重要组成部分，将有力地推动管理的严格性，决策的科学性，规格的合理性和设计的高效率。伴随着相关学科的科学技术进步与发展，地理信息系统在汲取各学科的成就的同时，也在不断地发展与进步。
1.4.6. GIS与地理学
地理学是一门古老的研究课题，曾被称为科学之母。地理学以往仅指地球的绘图与勘查，今天已成为一门范围广泛的学科。它不限于研究地球表面的各个要素，更重要的是把它作为统一的整体，综合地研究其组成要素及它们的空间组合。它着重于研究各要素之间的相互作用、相互关系以及地表综合体的特征和时、空变化规律。地理学的综合性研究分为不同的层次，层次不同，综合的复杂程度也不同。高层次的综合研究，即人地相关性的研究，是地理学所特有的。另外，地理学还把现代地理现象作为历史发展的结果和未来发展的起点，研究不同发展时期和不同历史阶段地理现象的规律。现在，现代地理学已经有可能对于某些区域的未来发展提出预测，并根据预测结果进行控制和管理，以满足人们对区域发展的要求。
地理学是GIS的理论依托。有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言——用数字形式来描述空间实体。地理学为GIS提供了有关空间分析的基本观点与方法，是地理信息系统的基础理论依托。而GIS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充分发挥，推动了地理学的发展。
1.5. 地理信息系统组成
地理信息系统主要由五个部分组成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据、应用分析模型、系统开发管理和使用人员五个部分。
1.5.1. 计算机硬件系统
地理信息系统的建立必须有一个计算机硬件系统作为保证。随着计算机单机的性能不断提高，计算机网络的不断发展，能满足地理信息系统运行的硬件设备可简可繁。计算机网络（Computer Network）是指实现计算机之间通讯的软件和硬件系统的统称，是以共享资源为目的，通过数据通讯线路将多台计算机互联而组成的系统，共享的资源包括计算机网络中的硬件设备、软件或者数据。计算机网络的种类繁多，性能各异，按照其空间分布范围的大小，区分为局域网(LAN-Local Area Network)、广域网(WAN-Wide Area Network)等。因此，地理信息系统的计算机硬件系统针对不同的网络结构，其配置、应用规模以及连接模式等各有不同。
单机模式
在单机模式下，按用户的要求及系统所要完成的任务和目的，其规模可大可小，一般可以有三种配置情况。但主要的硬件组成如图1-1所示。
（1） 简单型配置
最简单的硬件系统只需要高档微机加上一台打印机即可运行。微机处理、协调和控制计算机各个部件的动作，主要用作显示、监视和人机交互操作，如编缉、删改、增加、更新图形数据等。一般的地理信息系统要求有足够的内存和硬盘空间，例如美国环境系统研究所（ESRI）研制的ARC/INFO 8.0，其最低要求是内存必须大于64MB，硬盘必须大于4GMB，否则软件很难工作。中国地质大学开发的MAPGIS，其最低要求是内存必须大于128M，硬盘必须大于200M。打印机主要用于打印图表、图像、数据和文字报告以及提供硬拷贝的输出结果。
简单型配置适用于家庭、办公室等只做些较简单工作的环境，如数据处理、查询、检索和分析等。由于输入输出的外围设备不完善，只能用键盘输入各种数据，或者先在别的系统上完成输入数据的工作，然后通过软盘做媒介，将数据调入这个系统的磁盘再进行其它运算。由于简单型配置的系统功能较小，因而在数据输入的种类、数据量、数据更新及成果输出等方面都会受到诸多限制。
（2） 基本型配置
这种硬件系统的配置规模比简单型配置要大一些。除了高档微机和打印机外，需要配置数字化仪、扫描仪、光盘刻录机、移动硬盘以及绘图仪等。数字化仪是地理信息系统硬件中的重要输入设备。它可以利用光标或光笔人工跟踪图形，将各种地图数字化并送入磁盘存储。扫描仪是按栅格方式扫描后将图像数据交给计算机来处理；光盘刻录机和移动硬盘用来保存和备份数据；绘图仪主要用于输出各种图件。
基本型硬件系统配置解决了地图的数字化输入和专题地图的输出问题。这样的系统就有条件完成GIS任务，能比较顺利地进行空间数据的输入、输出、查询、检索、运算、更新和分析等工作。当然，系统中主机的内存和硬磁盘空间还应适当增大，以确保大量地图数据存储、处理和运算。
局域网模式
局域网是指在比较小的区域——如一座办公大楼，一个校园，一个公司等内建立的计算机网络，其通讯距离较短，传输速率较快，误码率低。该系统以Client/Server模式建立，客户机一般为多台三维图形工作站TD系列或PC机，服务器为一台或多台装有UNIX或Wiondows的计算机，网络设备采用3Com SuperStack II Hub100快速以太网集线器，具有24个端口共享100Mb/s带宽，通过UTP连接为星型拓扑结构。客户机与服务器通过交换机100Mb/s端口，配置NETBEUI、TCP/IP网络协议，进行域名服务、网络资源管理，并通过PC NFS实现与UNIX或Windows服务器的数据传输。系统运行具有Client/Server结构GIS软件，应用服务以SQL Server或Oracle数据库作为后台支持。系统通过NT Server定义各个节点的网络地址、用户、共享应用程序、磁盘空间和各种外设(包括数字化仪、扫描仪、绘图仪、制版机等)，将GIS进程优化到网络上，实现数据输入、预处理、分色分版、修改和胶片制作等功能，完成大型地图产品输入、编辑、输出的一体化过程（修文群，2000）。其结果如图1-2所示。
局域网模式的特点是简单实用，易于建立，是低成本的GIS网络解决方案。但网络传输速率低，缺乏有效的管理和容错机制，适用于上网设备较少，对实时性、安全性要求不高的部门级应用。
广域网模式
GIS广域网模式是将分布在几十公里以上的GIS用户通过网络系统连接起来，其主要特点是物理位置分散、信息量大、网络安全要求高。因此，GIS广域网一般要符合国际规范和标准，具有开放性，网络容量满足规划局业务不断发展的需要，网络中避免出现通道瓶颈，具有良好的可靠性、安全性、互操作性和可扩充性。
GIS广域网模式一般在国土规划信息系统中比较常见，它用来连接市规划局信息中心、市局各业务处室及下属分局的网络系统，系统硬件平台一般采用UNIX、PC工作站/服务器，采用普通以太网作为末端类型，通过交换/路由设备与千兆主干网相连接。系统网络硬件组成主要有：(1)千兆以太主干网络：连接市局服务器、市局各业务处室网各信息中心网的高速通道；(2)快速以太局域子网：市局各业务处室网、局信息中心网及各分局子网；(3)DDN、PSTN广域子网：通过专用、公用通信线路实现市局、分局连接并提供对外服务。系统使用MAPGIS或ArcGIS地理信息系统、Oracle数据库软件，支持分布式数据处理，在UNIX或Windows NT系统下，实现数据访问、资源共享与应用分割，提供文件和打印服务，满足规划局办公自动化需求（修文群，2000）。如图1-3所示。
网络特点整个系统是由市局服务器、信息中心局域子网、市局业务处室局域子网、各分局局域子网组成的分布式联机事务处理综合性广域网络系统；通过千兆以太主干网提供较高的传输速率，满足GIS特殊处理的需要；通过DDN专线实现总局与分局的数据共享与业务交互，通过PSTN远程拨号接入向广大用户提供城市规划信息服务。
1.5.2. 计算机软件系统
计算机软件系统是指地理信息系统运行所必须的各种程序及有关资料。主要包括计算机系统软件、地理信息系统软件和应用分析软件三部分。
计算机系统软件
由计算机厂家提供的为用户开发和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、库程序、数据库管理系统以及各种维护手册。
地理信息系统软件
地理信息系统软件应包括五类基本模块（图1-4），即下述诸子系统：数据输入和检验、数据存储和管理、数据变换、数据输出和表示、用户接口等。
（1） 数据输入和校验：包括能将测量数据、地图数据、遥感数据、统计数据和文字报告转换成计算机兼容的数字形式的各种转换软件（图1-5）。
许多计算机工具都可用于输入，例如人机交互终端（键盘与显示器）、数字化仪、扫描仪（卫星或飞机上直接记录数据或用于地图或航片的扫描仪）、全站仪、GPS、解析和数字摄影测量仪器、全数字摄影测量工作站等。数据检验是通过观测、统计分析和逻辑分析检查数据中存在的错误，并通过适当的编缉方式加以改正。事实上数据输入和检验都是建立地理数据库必须的过程。
（2） 数据存储和管理：数据存储和数据库管理（图1-6）涉及地理元素（表示地表物体的点、线、面）的位置、连接关系以及属性数据如何构造和组织，使其便于计算机和系统用户理解等。用于组织数据库的计算机程序，称为数据库管理系统（DBMS）。地理数据库包括数据格式的选择和转换、数据的联结、查询、提取等。
（3）数据变换：包括两类操作：① 变换的目的是从数据中消除错误，更新数据，与其它数据库匹配等；② 为回答GIS提出的问题而采用的大量数据分析方法，如图1-7所示。空间数据和非空间数据可单独或联合进行变换运算。比例尺变换、数据和投影匹配(投影变换)、数据的逻辑检索、面积和边长计算等，都是GIS的一般变换特征。其它一些变换可能极其偏重于专业应用，也可能是将数据合并到一个只满足特定用户需要的专门化GIS系统。
（4）数据显示与输出：是指原始数据或分析、处理结果数据的显示和向用户输出。数据以地图、表格、图像等多种形式表示。可以在屏幕上显示，或通过打印机、绘图仪输出，也可以以数字形式记录在磁介质上，如图1-8所示。
（5） 用户接口模块：用于接收用户的指令和程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，所以用户界面（或人机界面）作为地理信息系统应用的重要组成部分，主要通过菜单技术、用户询问语言的设置，以及采用人工智能的自然语言处理技术与图形界面等技术，提供多窗口和光标或鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出操作指令提供方便。该模块还随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这就使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。而程序接口和数据接口可分别为有用户联接各自特定的应用程序模块和使用非系统标准的数据文件提供方便。
数据库软件
数据库软件是GIS软件系统的重要组成部分。地理信息系统是一种以海量空间数据为基础，供资源、环境以及区域调查、规划、管理和决策用的空间信息系统。目前，这些海量空间数据中主要以地图为基础，并借助比较成熟的商业数据库软件（如Oracle，SQLSERVER，DB2，Sybase等）来存贮和管理地图信息。在数据处理过程中，它既是资料的提供者，也可以是处理结果的归宿处；在检索和输出过程中，它是形成绘图文件或各类地理数据的数据源。另外，利用成熟的商业数据库软件可对数据的调度、更新、维护、并发控制、安全、恢复等提供服务。
1.5.3. 地理空间数据
在计算机环境中数据是描述地理对象的唯一工具，它是计算机可直接识别、处理、贮存和提供使用的手段，是一种计算机的表达形式。地理空间数据是GIS的操作对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容，地理空间数据实质上就是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据。这些数据来源主要有多尺度的各种地形图、遥感影像及其解译结果、数字地面模型、GPS观测数据、大地测量成果数据、与其它系统交换来的数据、社会经济调查数据和属性数据等。数据类型有矢量数据、栅格数据、图像数据、文字和数字数据等。数据格式有其它GIS系统产生的数据格式、CAD格式、影像格式、文本格式、表格格式等。这些数据可以通过数字化仪、扫描仪、键盘或其它系统输入GIS，数据资料和统计资料主要是通过图数转换装置转换成计算机能够识别和处理的数据。图形资料可用数字化仪输入，图像资料多采用扫描仪输入，由图形或图像获取的地理空间数据以及由键盘输入或转贮的地理空间数据，都必须建立标准的数据文件或地理数据库，才便于GIS对数据进行处理或提供用户使用。
当前，在地理数据的生产中，地理基础框架数据主要是4D产品，即数字线划数据(Digital Line Graph，DLG)、数字栅格数据(Digital Raster Graph，DRG)、数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)、数字正射影像(Digital Ortho Map，DOM)。根据空间数据的内容和用途，可分为基础数据和专题数据，前者反映基础的地理、地貌等基础地理框架信息，如地图数据、影像数据、土地数据等；后者反映不同专业领域的专题地理信息，如水资源数据、水质数据、矿产分布数据等。空间数据质量通过准确度、精度、不确定性、相容性、一致性、完整性、可得性、现势性等指标度量。这些数据并提供数据库管理系统进行管理，对数据的调度、更新、维护、并发控制、安全、恢复等提供服务。
1.5.4. 应用分析模型
GIS应用分析模型的建立和选择是地理信息系统成功应用的重要因素，这是地理信息系统功能和目的所决定的。虽然GIS为解决各种现实问题提供了有效的基本工具，但对于某一专门应用目的的解决．必须通过构建专门的应用分析模型，例如土地利用适宜性模型、选址模型、洪水预测模型、人口扩散模型、森林增长模型、水土流失模型、最优化模型和影响模型等才能达到目的。这些应用分析模型是客观世界中相应系统经由概念世界到信息世界的映射，反映了人类对客观世界利用改造的能动作用，并且是GIS技术产生社会经济效益的关键所在，也是GIS生命力的重要保证。
1.5.5. 系统开发、管理和使用人员
人是地理信息系统中的重要构成因素，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构不成完整地理信息系统，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，并采用地理分析模型提取多种信息。
地理信息系统必须置于合理的组织联系中
（图1-9）。如同生产复杂产品的企业一样，组织者要尽量使整个生产过程形成一个整体。要做到这些，不仅要在硬件和软件方面投资，还要在适当的组织机构中重新培训工作人员和管理人员方面投资，使他们能够应用新技术。近年来，硬件设备连年降价而性能则日趋完善与增强，但有技能的工作人员及优质廉价的软件仍然不足。只有在对GIS合理投资与综合配置的情况下，才能建立有效的地理信息系统。
1.6. 地理信息系统功能和应用
1.6.1. 地理信息系统功能
在建立一个实用的地理信息系统过程中，从数据准备到系统完成，内部必须经过各种数据转换，每个转换都有可能改变原有的信息。地理信息系统的基本数据流程可表示成图1-10所示。地理信息系统的功能主要是完成流程中不同阶段的数据转换工作。一般的GIS包括以下几项基本功能:
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给系统内部，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。对多种形式、多种来源的信息，可实现多种方式的数据输入。主要有图形数据输入，如管网图输入；栅格数据输入，如遥感图像的输入；测量数据输入，如全球定位系统（GPS）数据的输入；属性数据输入，如数字和文字的输入。
数据编缉与更新
数据编缉主要包括图形编缉和属性编缉。属性编缉主要与数据库管理结合在一起完成，图形编缉主要包括拓扑关系建立、图形编缉、图形整饰、图幅拼接、图形变换、投影变换、误差校正等功能。数据更新即以新的数据项或记录来替换数据文件或数据库中相对应的数据项或记录，它是通过删除、修改、插入等一系列操作来实现的。由于空间实体都处于发展中的时间序列中，人们获取的数据只反映某一瞬时或一定时间范围内的特征。随着时间的推进，数据会随之改变。数据更新可以满足动态分析的需要，对自然现象的发生、发展做出合乎规律的预测预报。
数据存贮与管理
数据存贮，即将数据以某种格式记录在计算机内部或外部存贮介质上。其存贮方式与数据文件的组织密度相关，关键在于建立记录的逻辑顺序，即确定存贮的地址，以便提高数据存取的速度。属性数据管理一般直接利用商用关系数据库软件，如ORACLE、SQL Server、FoxBase、FoxPro等进行管理。空间数据管理是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。
空间查询与分析
空间查询与分析是GIS核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有别于其它信息系统的本质特征。主要包括数据操作运算、数据查询检索与数据综合分析。数据查询检索即从数据文件、数据库或存贮装置中，查找和选取所需的数据。为了满足各种可能的查询条件而进行的系统内部数据操作，如数据格式转换、矢量数据叠合、栅格数据迭加等操作以及按一定模式关系进行的各种数据运算，包括算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等。综合分析功能可以提高系统评价、管理和决策的能力，主要包括信息量测、属性分析、统计分析、二维模型分析、三维模型分析、多要素综合分析等。
空间决策支持
空间决策支持是应用空间分析的各种手段对空间数据进行处理变换，以提取出隐含于空间数据中的某些事实与关系，并以图形和文字的形式直接地加以表达，为现实世界中的各种应用提供科学、合理的决策支持。它主要以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础，以计算机技术、仿真技术和信息技术为手段，利用各种数据、信息、知识、人工智能和模型技术，面对半结构化的决策问题，支持决策活动的人机交互信息系统。因此，空间决策支持将克服缺少对复杂空间问题决策的有效支持能力，拓展了GIS传统的空间数据获取、存储、查询、分析、显示、制图、制表的功能。
数据显示与输出
数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示，通常以人机交互方式来选择显示的对象与形式，对于图形数据根据要素的信息量和密集程度，可选择放大或缩小显示。GIS不仅可以输出全要素地图，也可以根据用户需要，分层输出各种专题图、各类统计图、图表及数据等。
1.6.2. 地理信息系统应用
资源清查
资源清查是地理信息系统最基本的职能，其主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，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，以及不同类型的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。又如中国西南地区国土资源信息系统，设置了三个功能子系统，即数据库系统、辅助决策系统、图形系统。系统存储了1500多项300多万个资源数据。该系统提供了一系列资源分析与评价模型、资源预测预报及西南地区资源合理开发配置模型。该系统可绘制草场资源分布图、矿产资源分布图、各地县产值统计图、农作物产量统计图、交通规划图、重大项目规划图等不同的专业图。
城乡规划
城乡规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到同一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件（回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、系统动力学模型等）加以保证的。我国大城市数量居于世界前列，根据加快中心城市的规划建设，加强城市建设决策科学化的要求，利用地理信息系统作为城市规划管理和分析的工具，具有十分重要的意义。
灾害监测
借助遥感遥测数据，利用地理信息系统，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息，例如据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素，春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对火险等级进行预报，准确率可达73%以上。又如黄河三角洲地区防洪减灾信息系统，在ARC/INFO地理信息系统软件支持下，借助于大比例尺数字高程模型加上各种专题地图如土地利用、水系、居民点、油井、工厂和工程设施以及社会经济统计信息等，通过各种图形叠加、操作、分析等功能，可以计算出若干个泻洪区域及其面积，比较不同泻洪区域内的土地利用、房屋、财产损失等，最后得出最佳的泻洪区域，并制定整个泻洪区域内的人员撤退、财产转移和救灾物资供应等的最佳运输路线。
土地调查
土地调查包括土地的调查、登记、统计、评价和使用等。土地调查的数据涉及土地的位置、房地界、名称、面积、类型、等级、权属、质量、地价、税收、地理要素及其有关设施等项内容。土地调查是地籍管理的基础工作，随着国民经济的发展，地籍管理工作的重要性正变得越来越明显，土地调查的工作量变得越来越大，以往传统的手工方法已经不能胜任，地理信息系统为解决这一问题提供了先进的技术手段，借助地理信息系统可以进行地籍数据的管理、更新、开展土地质量评价和经济评价、输出地籍图，同时还可以为有关的用户提供所需的信息，为土地的科学管理和合理利用提供依据。因此，它是地理信息系统的重要应用领域。
环境管理
随着经济的高速发展，环境问题愈来愈受到人们的重视，环境污染、环境质量退化已经成为制约区域经济发展的主要因素之一。环境管理涉及人类社会活动和经济活动的一切领域，传统的环境管理方式已不断受到挑战，逐渐落后于我国经济发展的要求。为提高我国环境管理的现代化水平，很多新型的环境管理信息系统不断建成。从1994年下半年起，在国家环保局的统一领导下，进行了覆盖27个省的中国省级环境信息系统（PEIS）建设。一个环境管理信息系统应具备以下功能：
为环境部门提供数据和信息的基础数据库应包括环境背景数据库、环境质量数据库、污染源数据库、环境标准数据库、环境法规数据库等。
提供环境现状、环境影响、环境质量的统计、评价、预测、规划模块。
为环境与经济持续发展、环境综合治理提供决策支持。
实现向污染源的污染控制管理提供支持，可实现排污收费、排污许可证制度的管理，排污申报管理。
提供环境管理的数据录入、统计、查询、报表和图形编制方法。
提供环保部门办公软件。
提供信息传输方法和手段。
城市管网
城市管网包括供水、排水系统，供电、供气系统，电缆系统等，管网是城市居民日常生活不可缺少的基本条件，GIS能够建立二维矢量拓扑关系，特别是其网络分析功能，为城市管网的设计管理和规划建设提供了强有力的工具。GIS用于城市管网，将会对市民的日常生活方式产生深刻的影响。
作战指挥
军事领域中运用GIS技术最成功的当属1991年海湾战争。美国国防制图局战场GIS实时服务，为战争需要，在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术处理卫星和高低空侦察机实时获得的战场数字影像，及时地（不超过4小时）将反映战场现状的正射影像图叠加到数字地图上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时的实时服务。通过利用GPS、GIS、RS等高新尖端技术迅速集结部队及武器装备，以较低的代价取得了极大的胜利。
宏观决策
地理信息系统利用拥有的数据库，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。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通过利用地理信息系统和机助制图的方法，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。美国伊利诺斯州某煤矿区由于采用房柱式开采，引起地面沉陷。煤矿公司为了避免沉陷对建筑物的破坏，减少经济赔偿和对新建房屋的破坏，煤矿公司通过对该煤矿地理信息系统数据库中岩性、构造及开采状况等数据的分析研究，利用图形叠合功能对地面沉陷的分布和塌陷规律进行了分析和预测，指出了地面建筑的危险地段和安全地段，为合理部署地面的房屋建筑提供了依据，取得了较好的经济效果。
城市公共服务
近年来随着计算机技术和多媒体技术的飞速发展，GIS系统已经不仅具有信息量大的特点，而且具有灵活性、交互性、动态性、现势性和可扩展性等特点。目前城市公共服务系统通过应用GIS技术，集图形、图像、文本、声音、视频于一体，直观、形象、生动地描述城市空间地理信息和公共服务信息（朱体高等，2007）。如北京、上海、武汉等城市都利用GIS技术建立起城市公共服务系统，即利用城市城区的矢量地图和影像地图为空间定位基础，通过电子地图把公众服务信息及其地理空间位置联接，以空间数据为索引，把城市的经济、文化、教育、企业、旅游等信息进行集成和融合，为社会公众提供空间信息服务。政府通过公共服务系统全方位展示和宣传城市形象，介绍城市，提高城市品位，最大限度地满足政府部门对外招商引资以及市民、投资者、旅游者对城市公共信息快速获取的需求。企业也可通过公共服务系统来宣传自己，提高其国内外知名度。
交通
GIS在交通领域的应用，目前最主要形式许多交通部门都应用了交通地理信息系统（Geography Information System–Transportation，简记GIS-T）。GIS-T的基本功能包括编辑、制图和显示及测量等功能，主要用于对空间和属性数据的输入、存储、编辑，以及制图和空间分析等。编辑功能使用户可以添加和删除点、线、面或改变它们的属性；制图和显示功能可以制作和显示地图，分层输出专题地图，如交通规划图、国道图等，显示地理要素、技术数据，并可放大缩小以显示不同的细节层次。测量功能用于测定地图上线段的长度或指定区域的面积。GIS-T的其他功能包括迭加、动态分段、地形分析、栅格显示和路径优化等。在CIS-T的上述功能中，空间分析功能是地理信息系统软件的核心，迭加分析、地形分析和最短路径优化分析等功能是为空间分析服务的。交通设计部门可以利用GIS-T的等高线、坡度坡向、断面图的数字地形模型的分析功能进行公路测设。
GIS-T通过地理信息系统与多种交通信息分析和处理技术的集成，可以为交通规划、交通控制、交通基础设施管理、物流管理、货物运输管理提供操作平台。如运输企业可以借助路径选择功能，对营运线路进行优化选择，并根据专用地图的统计分析功能，分析客货流量变化情况，制定行车计划。运输管理部门可以利用它对危险品等特种货物运输进行路线选择和实时监控。
导航
车辆导航监控是利用现在的全球定位系统（GPS）对车辆所在位置进行定位，并与地理信息系统（GIS）相结合，配合城市电子导航地图及主要交通公路电子地图，提供实时导航监控信息。在车辆导航监控中利用GIS来进行车辆导航、定位，主要是提供图形化的人机界面；在矢量电子地图上，用户可以进行任意的缩小、放大，地图漫游等；用户可以进行地理实体的查询；在电子地图上，用户可以进行路径规划，最短路径的选择；能在电子地图上实时、准确的显示车辆的位置，跟踪车辆的行驶过程。从而，基于GIS、GPS等技术的车载导航监控可以为车辆等交通工具提供实时具体的导航监控服务，能以较低的造价和较短的时间来提高交通系统效率和交通安全，降低交通拥挤，减轻空气污染和节省能源，能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量，使社会能够高效的使用交通设施和资源，从而获得巨大的社会经济效益。
电子政务
电子政务就是政府部门应用现代信息和通讯技术，将管理和服务通过网络技术进行集成，在互联网上实现政府组织机构和工作流程的优化重组，超越时间、空间和部门之间的分割限制，向社会提供优质和全方位的、规范而透明的、符合国际水准的管理和服务（靳海亮等，2006）。而GIS为电子政务提供了基础地理空间平台，为电子政务提供了清晰易读的可视化工具，为电子政务提供了空间辅助决策的功能。地理信息系统技术的使用，则为电子政务的海量数据管理、多源空间数据(地图数据，航空遥感数据、卫星遥感数据、GPS卫星定位数据、外业测量数据等)和非空间数据的融合、Web地理信息系统技术和自主版权软件系统的开发、空间分析、空间数据挖掘和空间辅助决策等提供了技术支撑，从而可提高政府机构的科学决策水平和决策效率。比如，政府机构在研究西部大开发、可持续发展、农村城镇化等发展战略和西气东输、西电东送和进藏铁路等重大建设工程时，如果不使用地理空间数据、也不采用地理信息系统等先进技术，就难以获得有说服力的分析结论，更难以做出科学决策。
1.7. 习题
什么叫信息、数据？ 它们有何区别？信息有何特点？
什么叫空间数据、地图？举例说明空间数据有哪几种类型？
什么叫地理信息、地学信息、信息系统、地理信息系统？它们之间有何区别？
试述地理信息系统的发展阶段及我国地理信息系统的发展过程。
试述地理信息系统与其它相关学科系统间的关系。
试述地理信息系统的组成及各部分的主要功能。
举例说明地理信息系统的应用。
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