第1章 地理信息系统概述

1.1 地理信息系统的定义和发展历程

1.1.1 地理信息系统的定义

地理信息系统（GIS）有许多定义。不同应用领域、不同专业的人士，对GIS的理解是不一样的。有人认为GIS是管理和分析空间数据的计算机系统，在计算机软硬件的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，对数据进行有效的管理，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来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。有人则认为GIS是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球（包括大气层在内）空间与地理分布有关的数据的空间信息系统。还有人认为GIS就是数字制图技术和数据库技术的结合。人们按研究专业领域给GIS赋予了不同的名称，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。英国教育部（DOE）在1987年对GIS下的定义是：GIS是一种获取、存储、检查、操作、分析和显示地球空间数据的计算机系统。美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）在1988年对GIS下的定义是：GIS是为了获取、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，上述定义都比较科学地阐明了GIS的对象、功能和特点。实际上，地理信息系统是在计算机软硬件支持下，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，并以回答用户问题等为主要任务的计算机系统。

1.1.2 地理信息系统的发展历程

1.GIS在国外的发展

地理信息系统起源于北美，是在20世纪60年代逐渐发展起来的一门新兴技术。GIS在国外的发展，可分为以下几个阶段：

1）起步阶段

20世纪60年代初，计算机在普及应用以后，很快就被应用于空间数据的存储和处理。将原有的地图转换为能被计算机识别的数字形式，并利用计算机对地图信息进行存储和处理，这就是GIS的早期雏形。世界上第一个GIS是1963年由加拿大测量学家罗杰·汤姆林森（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霍华德·费舍尔（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，如美国于1966年成立了城市和区域信息系统协会（URISA），国际地理联合会（IGU）于1968年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技术起到了重要的作用。

2）发展阶段

20世纪70年代，由于计算机软硬件技术的飞速发展，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出来，美国、加拿大、英国、德国、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量的人力、物力、财力。从1970年到1976年，美国地质调查局开发了50多个地理信息系统，用于获取和处理地质、地理、地形、水资源等信息。日本国土地理院于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、航空相片、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。这一阶段的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，据统计有300多个地理信息系统投入使用，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年发展成包括加利福尼亚大学和缅因州立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。

3）应用阶段

20世纪80年代，由于计算机的迅速发展，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，开始用于解决全球性的问题，如全球变化、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GIS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已经越来越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着越来越重要的作用。

4）普及阶段

20世纪90年代至今，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年就会翻一番，GIS市场的年增长率为35%以上，从事GIS的厂商已超过1000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与助手。目前，随着计算机软硬件技术、数据库技术、网络技术、多媒体技术等的迅速发展，GIS的应用领域也进一步扩大。GIS与虚拟环境技术相结合的虚拟GIS，GIS与Internet相结合的WebGIS，GIS与专家系统、神经网络技术相结合的智能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，并将广泛应用在云计算、物联网、下一代互联网、泛在网、智能芯片等领域。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（Global Positioning System，全球定位系统）、RS（Remote Sensing，遥感）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。作为信息化社会的基础设施之一，GIS已经成为许多机构日常工作中必不可少的工具之一，必将融入人类社会的各个方面，包括社区服务、车辆服务、手机位置服务、社交、娱乐、健康、医疗、教育等，大众化GIS已成为必然趋势。

2.GIS在我国的发展（以MapGIS为例）

地理信息系统的研究与应用在我国的起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。GIS在我国的发展可分为以下四个阶段。

1）准备阶段

20世纪70年代初期，我国开始尝试将计算机应用于地图绘图和遥感领域。1972年，我国开始研制绘图自动化工具；1974年引进美国地球资源卫星图像并开展了卫星图像的处理和分析工作；1976年召开了第一次遥感技术规划会议，并开展了部分遥感实验；1977年开展了对数字地形模型基本数据的特征参数及其提取的试验，与此同时，我国第一张由计算机输出的全要素图诞生；1978年召开了第一次数据库学术讨论会。这个时期开展的学术探讨和试验研究为我国GIS研究和开发积累了一定的经验，奠定了技术基础。

2）起步阶段

20世纪80年代初期，随着计算机技术的发展，GIS在我国全面进入试验阶段。1981年，在渡口滩进行的遥感和GIS典型实验，研究了多源数据采集的方法；成都计算机应用研究所围绕区域数据模型的建立，开展了大量的实验；与此同时，国内许多研究机构也开展了部分专题实验，设计了一些通用的软件；在人才培养和机构建设方面，1985年建立了我国第一个资源与环境系统实验室，1987年在北京举行了国际地理信息系统学术讨论会，同时，相关高校也开设了GIS课程。这为我国的GIS发展奠定了良好的应用基础。

3）发展阶段

20世纪80年代中期到90年代中期，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的发展阶段，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年中国地理信息系统协会在北京成立。GIS的研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要的进展和实际的应用效益，主要表现在以下4个方面：

（1）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做准备。

（2）应用型GIS发展迅速。

（3）在引进的基础上扩充和研制了一批软件。1991年，中国第一套彩色地图编辑出版系统MapCAD研制成功，结束了我国千百年来传统手工制图的历史。

（4）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的发展起到了重要的作用。

4）推广阶段

20世纪90年代中期至今，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、工程化阶段，为国民经济发展提供辅助分析和决策依据。GIS行业的国产软件也发展迅速，技术得到了飞升，其中以武汉中地数码科技有限公司的MapGIS软件为杰出代表。1995年具有自主知识产权的MapGIS系列打破了国外GIS软件一统天下的局面。2009年问世的MapGIS K9是一款全球领先的高度共享集成开发平台，开创了GIS的新纪元，与国外的GIS软件并驾齐驱。2012年，武汉中地数码科技有限公司研发出的MapGIS IGSS，开创了地理信息共享服务新局面。2013年MapGIS IGSS 3D提供涵盖空中、地上、地表、地下的一系列全空间真三维可视化、建模、分析应用服务，2014年，全球首款具备云特征的GIS软件平台MapGIS 10惊艳亮相。2016年，全面支持大数据、云计算技术的新一代MapGIS全品类产品MapGIS 10.2发布，它不只是进步，更是国产GIS软件的超越！2018年，融合了大数据、物联网、云计算、人工智能等先进技术的全空间智能GIS平台MapGIS 10.3全新发布。GIS在研究和应用过程中走向产业化，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，GIS在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、交通、能源、通信、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。近年来，GIS通过网络的形式不断影响人们的生活。互联网地图、手机地图等所提供的GIS服务，为人们的日常生活带来了极大的方便。未来，GIS将逐步渗透到各行各业，无时无刻不影响着人们的生活。