地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是計算機科學、地理學、測量學和地圖學等多門學科的交叉，它是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎，采用地理模型分析方法實時提供多種空間的和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術(shù)系統(tǒng)。

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從表現(xiàn)形式來看，GIS表現(xiàn)為計算機軟硬件系統(tǒng)，其核心是管理、計算、分析地理坐標位置信息及相關(guān)位置上屬性信息的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它表達的是空間位置及所有與位置相關(guān)的信息，所以，GIS又是地球空間實體的再現(xiàn)和綜合，其信息的基本表達形式是各種二維或三維電子地圖。因此，GIS也可簡單定義為“用于采集、模擬、處理、檢索、分析和表達地理空間數(shù)據(jù)的計算機信息系統(tǒng)”。

（一）GIS發(fā)展簡史

GIS最早起源于20世紀60年代“要把地圖變成數(shù)字形式的地圖，便于計算機處理分析”這樣的目的。1963年，加拿大測量學家R.F.Tomlinson首先提出了GIS這一術(shù)語，并建成世界上第一個GIS（加拿大地理信息系統(tǒng)，CGIS），用于自然資源的管理和規(guī)劃。那時的GIS注重于空間數(shù)據(jù)的地學處理。

20世紀70年代以后，隨著計算機軟、硬件水平的提高，以及政府部門在自然資源管理、規(guī)劃和環(huán)境保護等方面對空間信息進行分析、處理的需求，GIS得到了鞏固和發(fā)展。

進入20世紀80年代，GIS的應用領域迅速擴大，商業(yè)化的軟件開始進入市場，其應用從基礎信息管理與規(guī)劃轉(zhuǎn)向空間決策支持分析，地理信息產(chǎn)業(yè)的雛形開始形成。

20世紀90年代以后，伴隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，GIS的應用也日趨深化和廣泛，在國土資源、農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)境、城市規(guī)劃等領域成為常備的工作系統(tǒng)。尤其是1998年“數(shù)字地球”的概念被提出以后，GIS在全球得到了空前迅速的發(fā)展，廣泛應用于各個領域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益。

我國GIS的發(fā)展自20世紀80年代初開始，以1980年中國科學院遙感應用研究所成立全國第一個GIS研究室為標志，經(jīng)歷了準備(1980～1985年)、發(fā)展(1985～1995年)、產(chǎn)業(yè)化(1996年以后)3個階段。尤其是近年來，國內(nèi)出現(xiàn)了不少優(yōu)秀的GIS軟件。

（二）GIS的最新發(fā)展

1.日趨與計算機信息技術(shù)融合

近年來隨著計算機軟、硬件技術(shù)和通信技術(shù)的高速發(fā)展，GIS技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和更廣泛的應用，并日趨與主流IT技術(shù)融合，成為信息技術(shù)發(fā)展的一個新方向。

GIS發(fā)展的動力一方面來自于日益廣泛的應用領域?qū)IS不斷提高的要求；另一方面，計算機科學的飛速發(fā)展為GIS提供了先進的工具和手段。許多計算機領域的新技術(shù)，如面向?qū)ο蠹夹g(shù)、三維技術(shù)、圖像處理和人工智能技術(shù)都可以直接應用到GIS中；同時，由于空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是遙感技術(shù)的發(fā)展，提供了地球空間環(huán)境中不同時相的數(shù)據(jù)，使GIS的作用日漸突出，GIS不斷升級并能提供存儲、處理和分析海量地理數(shù)據(jù)的環(huán)境。

組件式GIS技術(shù)的發(fā)展使之可以與其他計算機信息系統(tǒng)無縫集成、跨語言使用，并提供了無限擴展的數(shù)據(jù)可視化表達形式。

2.動態(tài)、多源、多維、網(wǎng)絡化

最新GIS技術(shù)將逐漸擺脫先前的主要處理靜態(tài)的、二維的、數(shù)字式的地圖技術(shù)的約束，而從傳統(tǒng)的靜態(tài)地圖、電子地圖發(fā)展到能對空間信息進行可視化和動態(tài)分析、動態(tài)模擬，支持動態(tài)的、可視化的、交互的環(huán)境來處理、分析、顯示多維和多源地理空間數(shù)據(jù)。其中，可視化仿真技術(shù)能使人們在三維圖形世界中直接對具有形態(tài)的信息進行實時交互操作；虛擬現(xiàn)實技術(shù)以三維圖形為主，結(jié)合網(wǎng)絡、多媒體、立體視覺、新型傳感技術(shù)，能創(chuàng)造一個讓人身臨其境的虛擬的數(shù)字地球或數(shù)字城市。

先進的對地觀測技術(shù)、互操作技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲和壓縮技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、分布式技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、空間數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的發(fā)展都為GIS的發(fā)展和創(chuàng)新創(chuàng)造了新的手段。

（三）第四代GIS技術(shù)

隨著計算機硬件性能的提高以及面向?qū)ο?、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)挖掘等主流IT技術(shù)的發(fā)展，在科技部有關(guān)部門的倡導下，目前國內(nèi)學術(shù)界又提出了第四代GIS技術(shù)的概念。第四代GIS技術(shù)將主要有如下特點：

（1）支持“數(shù)字地球”或“數(shù)字城市”概念的實現(xiàn)，從二維向多維發(fā)展，從靜態(tài)數(shù)據(jù)處理向動態(tài)數(shù)據(jù)處理發(fā)展，具有時序數(shù)據(jù)處理能力。

（2）基于網(wǎng)絡的分布式數(shù)據(jù)管理及計算、WebGIS和B/S體系結(jié)構(gòu)，用戶可以實現(xiàn)遠程空間數(shù)據(jù)調(diào)用、檢索、查詢、分析，具有聯(lián)機事務管理（OLTP）和聯(lián)機分析（OLAP）管理能力。

（3）面向空間實體及其相互關(guān)系的數(shù)據(jù)組織和融合，具有矢量和遙感影像數(shù)據(jù)互動等多源數(shù)據(jù)的裝載與融合能力，可實現(xiàn)多尺度比例尺數(shù)據(jù)無縫融合與互動。

（4）具有統(tǒng)一的海量數(shù)據(jù)存儲、查詢和分析處理能力及基于空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘和強大的模型支持能力。

（5）具有與其他計算機信息系統(tǒng)的整體集成能力。例如與MIS、ERP、OA等各種企業(yè)信息化系統(tǒng)的無縫集成；微型、嵌入式GIS與各種掌上終端設備集成，如PDA、手機、GPS接收設備等。

（6）具有虛擬現(xiàn)實表達及自適應可視化能力，針對不同的用戶出現(xiàn)不同的用戶界面及地圖和虛擬現(xiàn)實效果。

（四）GIS的應用

人類使用的信息中有80%與地理位置和空間分布有關(guān)，所以GIS具有非常廣泛的應用。目前，GIS已經(jīng)比較成熟地應用于軍事、自然資源管理、土地和城市管理、電力、電信、石油和天然氣、城市規(guī)劃、交通運輸、環(huán)境監(jiān)測和保護、110和120快速反應系統(tǒng)等。

今后，GIS的應用將在市場分析、企業(yè)客戶關(guān)系管理、銀行、保險、人口統(tǒng)計、房地產(chǎn)開發(fā)、個人位置服務等領域得到廣泛的應用，這些領域?qū)⑹荊IS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新的增長點。實際上，GIS的應用將加速度地深入人們的工作和生活的各個方面。GoogleEarth的流行就是GIS技術(shù)深入到日常生活每一個角落的明證。

由于地理信息在人類生活和國民經(jīng)濟中的重要作用，GIS在未來的幾十年中將保持高速發(fā)展的勢頭，成為IT高科技領域的核心技術(shù)。

近幾年來，隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，GIS的應用范圍迅速擴展到人們的日常生活中。集成GIS、GPS、GSM的技術(shù)已開始廣泛應用于車輛安全防范系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)，為人們提供車輛反劫防盜、報警、道路指引、醫(yī)療救護以及在此系統(tǒng)平臺基礎上擴展各種電子商務增值服務。

以醫(yī)療救護為例，當患者向監(jiān)控中心請求急救時，監(jiān)控中心可以從GIS電子地圖上查看到患者的具體位置，并同時搜索最近的急救車輛，讓最近的車輛前去接患者?；颊哌M入救護車后，監(jiān)控中心可以通過雙向通話功能，指導救護車上的醫(yī)生實施救護治療，同時通過GIS的最優(yōu)路徑功能，給救護車指引道路，使其以最快的速度到達醫(yī)院或急救中心。而在救護車行進的過程中，患者的家屬可以通過互聯(lián)網(wǎng)立即上網(wǎng)查詢救護車的行進位置及患者的狀態(tài)信息。通過GIS，并結(jié)合GPS和GSM無線通信及網(wǎng)絡，使患者、家屬、救護車及醫(yī)生之間建立了無縫溝通體系，最終使患者能得到快速、及時的治療。

如果在車輛移動目標、家居固定點目標、重點保護單位甚至路燈上都安裝了GPS、GSM或其他無線通信設備，那么我們在城市生活中，無論是開車、行走或者是在單位、在家里，都可以通過由GIS、GPS、互聯(lián)網(wǎng)以及無線通信技術(shù)構(gòu)成的綜合服務系統(tǒng)獲得急救、報警和各種商務服務，真正使我們處于立體的、全方位的數(shù)字化生活中，體驗數(shù)字空間高科技價值。

GIS、RS、GPS等構(gòu)成的空間信息技術(shù)將是未來發(fā)展最快的、最激動人心的領域之一，它結(jié)合通信及其他IT技術(shù)，為人類展現(xiàn)了一種全新的工作和生活模式（A.R.Mermut,H.Eswaran，2001)。當利用最新的GIS技術(shù)把城市、國家乃至整個地球都高度濃縮到計算機屏幕上的時候，人類對自己的命運和未來就有了更充分的把握。

（五）GIS與土地管理

GIS早已不限于地理學研究和應用的領域，目前已與各行各業(yè)和我們的日常生活產(chǎn)生了千絲萬縷的聯(lián)系，更重要的是它的應用領域還在不斷擴大，甚至可觸及企業(yè)信息化的過程中。

GIS應用于土壤科學的研究，它是現(xiàn)實世界的一個模型和模擬實現(xiàn)。土壤資源信息可以在GIS系統(tǒng)中進行存取、變換和對話式操作，作為土壤資源分類、評價、規(guī)劃、管理與利用決策的依據(jù)，為土壤資源可持續(xù)利用服務。GIS應用于土壤學研究的各個方面，包括：①土壤制圖技術(shù)及土壤采樣技術(shù)；②土壤侵蝕預測與評價；③土壤資源污染與防治；④土壤養(yǎng)分流失評價；⑤土壤資源評價和管理；⑥作物生長模擬等。具體如1983年美國土壤保持局開發(fā)出農(nóng)用土地評價和用地估計系統(tǒng)，系統(tǒng)中的農(nóng)用土地評價包括土壤生產(chǎn)力的分等定級、土壤適宜性評價、土壤生產(chǎn)力潛力評價。1989年美國土壤保持局運用土壤信息系統(tǒng)保護土壤生態(tài)環(huán)境，控制土壤污染。1990年土壤侵蝕預測模型在土壤信息系統(tǒng)中已經(jīng)能夠成功運用，主要采用的分析手段有土壤侵蝕諾漠圖、微機軟件圖、小溪河岸侵蝕諾漠圖。

1.建立為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務的應用系統(tǒng)

如日本的農(nóng)耕地土地資源信息系統(tǒng)，它包括了土壤信息系統(tǒng)、作物栽培試驗信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)氣象信息系統(tǒng)等子系統(tǒng)；保加利亞的計算機農(nóng)業(yè)綜合管理系統(tǒng)從20世紀80年代初開始運行。

進入20世紀90年代，GIS在土壤學研究領域的應用方面繼續(xù)拓展，其作用和地位日益受到關(guān)注。從1994年開始的第15、16、17屆國際土壤大會上持續(xù)討論了土壤信息系統(tǒng)在持續(xù)農(nóng)業(yè)和全球變化中的應用、土壤數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和聯(lián)網(wǎng)等有關(guān)問題。同時，在應用上進一步趨向農(nóng)業(yè)實際生產(chǎn)，直接服務于農(nóng)場管理和經(jīng)營，如進行農(nóng)業(yè)技術(shù)咨詢、牧場水源選點、作物生產(chǎn)管理、機械化施肥等方面。

中國的土壤工作者于20世紀80年代中期也開始進行土壤數(shù)據(jù)庫建立、土壤信息系統(tǒng)的研制和應用工作。1986年底，北京大學遙感中心等主持了土壤侵蝕信息系統(tǒng)研究，建立了區(qū)域土壤侵蝕信息系統(tǒng)，這是我國較早關(guān)于土壤信息系統(tǒng)方面的研究。1989年，南京土壤研究所用兩年時間研究了1∶50萬東北三江平原土壤信息系統(tǒng)土壤圖與數(shù)據(jù)庫的建立；1990年，又研究了1∶5萬江西紅壤生態(tài)站土壤信息系統(tǒng)土壤侵蝕圖；1991年，在“利用信息系統(tǒng)技術(shù)編制土壤退化圖”研究中，應用從土壤土地數(shù)據(jù)庫建立到土壤退化評價方法等一系列現(xiàn)代信息系統(tǒng)技術(shù)，編制出了實驗區(qū)的土壤水蝕危害和風蝕評價圖；1992年，又基本完成了海南島土壤和土地利用信息庫及信息系統(tǒng)制圖工作。1991年，中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所主持了“區(qū)域微機土壤信息系統(tǒng)的建立與應用”研究，在吉林省農(nóng)安縣的試驗結(jié)果表明，這是一個簡單但實用的土壤信息系統(tǒng)。1999年，胡月明等運用基本土壤數(shù)據(jù)庫建立了紅壤分類和評價的信息系統(tǒng)。

2.預測土壤空間變化及分布

由于GIS技術(shù)在土壤制圖中的深入應用，怎樣更準確地由有限的單個點位的土壤原始數(shù)據(jù)分析土壤屬性的空間分布成為關(guān)注的焦點。具體來說，由于土壤數(shù)據(jù)庫的信息來源于土壤分類、分色制圖及制圖的綜合，產(chǎn)生了土壤空間分異類型的位移，而現(xiàn)代GIS技術(shù)又要求大量信息源，因此許多土壤科學家將興趣集中到土壤空間變異性正確表達（即土壤圖在GIS中的正確表達）的研究上。

（1）地形分析。Morre、Bourennane、Gessier和Oden等的研究均表明，某地區(qū)土壤屬性與該地區(qū)的地形地貌特征和景觀位置有明顯的相關(guān)性，也就是與土壤的成土過程密切相關(guān)，可用下式表示：

中國耕地質(zhì)量等級調(diào)查與評定（廣東卷）

式中：

Si——土壤屬性如土壤厚度、pH等；

i——由氣候、母質(zhì)、地貌歷史、植被等因素決定的某地區(qū)海拔、坡度、坡形凹凸、水流長度和特定流域面積等原始地形數(shù)據(jù)可以通過一定精度的DEM計算出，復合地形數(shù)據(jù)，可以依經(jīng)驗判斷或根據(jù)描述下墊面的物理發(fā)生過程的方程式進行簡化。DEM可以由GIS技術(shù)生成，所以GIS的應用和地形分析可以提高土壤屬性空間分布預測的精度。

（2）地質(zhì)統(tǒng)計學與GIS的結(jié)合。GIS在存儲、查詢和顯示地理數(shù)據(jù)方面發(fā)展得相當快，但在提供空間分析模塊方面則發(fā)展得較慢。由于缺少通用的空間分析模塊，使得GIS在解決某些空間問題中的應用受到很大的限制。

地質(zhì)統(tǒng)計學是由南非礦山地質(zhì)工程師D.G.Krige于1951年提出的，因此這一理論也以“克里格法”（Kriging）來命名，并由法國地質(zhì)學家Dr.Matheron于1962年完善并創(chuàng)立。該學科在礦產(chǎn)儲量研究方面起到了巨大作用。這是一種求最優(yōu)、線形、無偏內(nèi)插估計量值的方法（BLUE），在充分考慮信息樣品的形狀、大小及其與待估塊段相互間的空間分布位置等幾何特征以及品位的空間結(jié)構(gòu)以后，利用變異函數(shù)（Varigram）為工具，對每一樣品值分別賦予一定的權(quán)系數(shù)，加權(quán)平均來估計塊段品位。

國內(nèi)外土壤科學家已廣泛地應用克里格法來預測非采樣點的土壤屬性，常用的方法有普通克里格法（OK）、泛克里格法（UK）、指示克里格法（IK）、協(xié)同克里格法（CK）、回歸克里格法（RK）、點克里格法（PK）、塊克里格法（BK）等。他們的研究還表明，在應用克里格法建立模型的時候，綜合應用土壤和土地信息，如土壤分類、參比地區(qū)土壤屬性、坡度、高程等，可以大大提高克里格法的插值精度，還可以降低由于測定大量樣品而需要的成本，也可以減少由于樣品點太少而帶來的誤差。我國從20世紀80年代開始利用克里格法研究土壤參數(shù)的空間變異性，2000年以后在這方面的報道已經(jīng)越來越多。

近幾年來，一些學者開始研究地質(zhì)統(tǒng)計學和GIS之間的相互關(guān)系，并在GIS軟件中提供一些空間分析功能。例如，美國圣巴巴拉NCGIA的SAN模型提供了在ArcGIS軟件中計算和顯示空間自相關(guān)和其他空間量的功能，二者的相互結(jié)合一方面可以大大加強GIS的分析功能，使大量數(shù)據(jù)所隱含的空間信息得以表達，發(fā)揮更大的作用；另一方面，也可以增強空間分析的能力?？紤]到空間分析技術(shù)目前的發(fā)展十分迅速，新理論不斷出現(xiàn)，空間分析模塊已經(jīng)成為GIS中的必選模塊。

GIS技術(shù)的發(fā)展趨勢

GIS在資源環(huán)境領域的應用方興未艾，從技術(shù)、地理信息、經(jīng)濟社會的需求等方面分析，在該領域有以下趨勢及建議：

應用軟件數(shù)據(jù)端口應有專門化，專業(yè)化方向發(fā)展，在同類型同方向的GIS數(shù)據(jù)交流共享方向提供適當?shù)姆奖?，以解決GIS數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證的問題。

結(jié)合國家信息化推進工作，以電子政務相關(guān)工程為基礎，推動GIS在資源環(huán)境管理中的推廣應用。

信息化建設已成為我國各級 *** 及企業(yè)的重要任務，GIS在以資源、能源、生產(chǎn)、資金等空間綜合配置、優(yōu)化組合為目的的信息化建設中，可以發(fā)揮應有的作用；結(jié)合相應的應用工程，推動GIS的發(fā)展；

應用往專業(yè)化方向發(fā)展，功能由通用管理功能轉(zhuǎn)向資源評估、監(jiān)督、跟蹤分析等專業(yè)功能方向發(fā)展。

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，經(jīng)濟社會與資源環(huán)境之間的各方面的矛盾及問題逐漸暴露出來，這些問題在時間和空間上具有諸多的關(guān)聯(lián)性，分析這些問題、提出合理的解決方案建議，需要功能更專業(yè)化的GIS軟件系統(tǒng)支持；

支持多源、多尺度、多類型集成應用的軟件平臺工具的開發(fā)應用。

信息獲取技術(shù)的快速發(fā)展和多源化趨勢，要求資源環(huán)境方面的GIS應能夠接收、處理及分析多種來源、多尺度的地理信息；

促進3S技術(shù)集成應用，推動專業(yè)技術(shù)及軟件的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)與GIS的集成應用已成為GIS軟件發(fā)展的趨勢之一，而這種應用的發(fā)展是在應用推動的基礎上建立的，針對特定的應用領域的集成化的GIS將成為資源環(huán)境領域GIS的發(fā)展方向，也是系統(tǒng)與業(yè)務結(jié)合的需要；

開展專業(yè)應用系統(tǒng)開發(fā)建設，結(jié)合資源環(huán)境各領域的需求，開發(fā)多種專業(yè)化的GIS，如針對性生態(tài)保護區(qū)、生態(tài)功能區(qū)、地下水、生物資源等領域的專業(yè)性GIS軟件與管理系統(tǒng)。

國內(nèi)GIS現(xiàn)狀和對策

地理信息系統(tǒng)技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，它的發(fā)展是與地理學、地圖學、攝影測量學、遙感技術(shù)、數(shù)學和統(tǒng)計科學、信息技術(shù)等有關(guān)學科的發(fā)展分不開的。

GIS的發(fā)展可分為四個階段：第一個階段是初始發(fā)展階段，20世紀60年代世界上第一個GIS系統(tǒng)由加拿大測量學家R.F.Tomlison提出并建立，主要用于自然資源的管理和規(guī)劃；第二個階段是發(fā)展鞏固階段，20世紀70年代由于計算機硬件和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是大容量存儲設備的使用，促進了GIS朝實用的方向發(fā)展，不同專題、不同規(guī)模、不同類型的各具特色的地理信息系統(tǒng)在世界各地紛紛付諸研制，如美國、英國、德國、瑞典和日本等國對GIS的研究都投入了大量的人力、物力和財力；第三個階段是推廣應用階段，20世紀80年代，GIS逐步走向成熟，并在全世界范圍內(nèi)全面推廣，應用領域不斷擴大，并與衛(wèi)星遙感技術(shù)結(jié)合，開始應用于全球性的問題，這個階段涌現(xiàn)出一大批GIS軟件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四個階段是蓬勃發(fā)展階段，20世紀90年代，隨著地理信息產(chǎn)品的建立和數(shù)字化信息產(chǎn)品在全世界的普及，GIS成為確定性的產(chǎn)業(yè)，并逐漸滲透到各行各業(yè)，成為人們生活、學習和工作不可缺少的工具和助手。

地理信息系統(tǒng)的研制與應用在我國起步較晚，雖然歷史較短，但發(fā)展勢頭迅猛。

我國GIS的發(fā)展可分為三個階段。

第一階段從1970年到1980年，為準備階段，主要經(jīng)歷了提出倡議、組建隊伍、培訓人才、組織個別實驗研究等階段。

機械制圖和遙感應用，為GIS的研制和應用做了技術(shù)和理論上的準備。

第二階段從1981年到1985年，為起步階段，完成了技術(shù)引進、數(shù)據(jù)規(guī)范和標準的研究、空間數(shù)據(jù)庫的建立、數(shù)據(jù)處理和分析算法及應用軟件的開發(fā)等環(huán)節(jié)，對GIS進行了理論探索和區(qū)域性的實驗研究。

第三個階段從1986年到2013年，為初步發(fā)展階段，我國GIS的研究和應用進入有組織、有計劃、有目標的階段，逐步建立了不同層次、不同規(guī)模的組織機構(gòu)、研究中心和實驗室。

GIS研究逐步與國民經(jīng)濟建設和社會生活需求相結(jié)合，并取得了重要進展和實際應用效益。

主要表現(xiàn)在四個方面：（1）制定了國家地理信息系統(tǒng)規(guī)范，解決信息共享和系統(tǒng)兼容問題，為全國地理信息系統(tǒng)的建立做準備。

（2）應用型GIS發(fā)展迅速。

（3）在引進的基礎上擴充和研制了一批軟件。

（4）開始出版有關(guān)地理信息系統(tǒng)理論、技術(shù)和應用等方面的書籍，設立了地理信息系統(tǒng)專業(yè)，培養(yǎng)了大批人才，并積極開展國際合作，參與全球性地理信息系統(tǒng)的討論和實驗。

在科技部等國家有關(guān)部門的大力組織和支持下，國產(chǎn)GIS基礎軟件開發(fā)工作取得了重要進展，出現(xiàn)了一批GIS高技術(shù)企業(yè)，開發(fā)出了較為成熟的國產(chǎn)GIS軟件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

這些國產(chǎn)GIS軟件以較高的性價比，打破了國外GIS軟件對我國市場的壟斷，有力促進了我國地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。

這些年，GIS技術(shù)在我國得到了廣泛應用，其應用面從傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、土地利用、測繪、環(huán)境保護、電力、電信、減災防災等領域滲透到礦產(chǎn)資源調(diào)查、海洋資源調(diào)查與管理等各方面，取得了豐碩的成果和巨大的經(jīng)濟效益。

當前，國家有關(guān)部門正逐步將GIS嵌入到電子政務系統(tǒng)中。

隨著計算機和信息技術(shù)的快速發(fā)展，GIS技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。

GIS系統(tǒng)正朝著專業(yè)或大型化、社會化方向不斷發(fā)展著。

“大型化”體現(xiàn)在系統(tǒng)和數(shù)據(jù)規(guī)模兩個方面；“社會化”則要求GIS要面向整個社會，滿足社會各界對有關(guān)地理信息的需求，簡言之就是“開放數(shù)據(jù)”、“簡化操作”，“面向服務”，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)從數(shù)據(jù)乃至系統(tǒng)之間的完全共享和互動。

下面我們從地理信息系統(tǒng)技術(shù)角度來討論和分析當前GIS的相關(guān)技術(shù)及其發(fā)展趨勢。

1.1 空間信息的獲取、處理與交換地理空間數(shù)據(jù)是GIS的血液，構(gòu)建和維護空間數(shù)據(jù)庫是一項復雜、工作量巨大的工程，它包括：數(shù)據(jù)的獲取、校驗和規(guī)范化、結(jié)構(gòu)化處理、數(shù)據(jù)維護等過程。

GIS處理的數(shù)據(jù)對象是空間對象，有很強的時空特性，獲取數(shù)據(jù)的手段及數(shù)據(jù)的形式也復雜多樣。

獲取數(shù)據(jù)的基本方式有：野外全站儀平板測量、GPS測量、室內(nèi)地圖掃描數(shù)字化、數(shù)字攝影測量、從遙感影像進行目標測量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

這些獲取技術(shù)已基本成熟。

同時，空間數(shù)據(jù)也具有很強的時效性，不同的空間數(shù)據(jù)必須進行周期不等的數(shù)據(jù)更新維護，空間數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的準確、及時、完整是實現(xiàn)GIS應用系統(tǒng)價值的前提基礎。

空間數(shù)據(jù)維護往往涉及跨部門、跨行業(yè)的多種數(shù)據(jù)格式和多種數(shù)據(jù)類型的大量數(shù)據(jù)，提供有效的空間數(shù)據(jù)編輯更新手段是當前亟待解決的一個重要課題。

基于上述信息獲取技術(shù)，在過去的二十年間，國家有關(guān)部委和行業(yè)部門已經(jīng)積累了大量原始數(shù)字化數(shù)據(jù)和相應資料，建立了1100多個大、中型數(shù)據(jù)庫以及大量的各類數(shù)字化地理基礎圖、專題圖、城市地籍圖等。

國家測繪局已經(jīng)完成了全國l：100萬、 1：25萬基礎地理空間數(shù)據(jù)庫以及全國七大江河數(shù)字地形模型的建設，并啟動了全國l：5萬，部分省份1：1萬基礎地理空間數(shù)據(jù)庫的建設。

這些基礎數(shù)據(jù)有力促進了GIS技術(shù)的廣泛應用，進而產(chǎn)生了大量的GIS數(shù)據(jù)。

但由于地理信息系統(tǒng)軟件大多采用不同的空間數(shù)據(jù)模型，以及它們在地理實體上的認識差異，使得所積累的數(shù)據(jù)難以轉(zhuǎn)換和共享（即使能夠數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，也會產(chǎn)生信息的丟失），從而形成一個個新的數(shù)據(jù)孤島。

制訂數(shù)據(jù)交換的格式標準已成為大家的共識。

一些國家和組織已經(jīng)在進行這方面的工作，并定義了一些數(shù)據(jù)交換標準，如SDTS，OpenGIS聯(lián)盟制訂的GML，另外一些公認的數(shù)據(jù)格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐漸成為數(shù)據(jù)交換的事實標準。

我國也在“九五”期間制定了地球空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準。

但是由于人們對空間信息認識和研究成果的制約，還沒有一個統(tǒng)一的地理數(shù)據(jù)模型，因此建立實用的數(shù)據(jù)交換格式和信息標準將是一個長期、復雜過程。

1.2 空間數(shù)據(jù)的管理空間數(shù)據(jù)的管理涉及到二個方面的內(nèi)容：空間數(shù)據(jù)模型和空間數(shù)據(jù)庫。

空間數(shù)據(jù)模型刻畫了現(xiàn)實世界中空間實體及其相互間的聯(lián)系，它為空間數(shù)據(jù)的組織和空間數(shù)據(jù)庫的設計提供了基本的方法。

因此，空間數(shù)據(jù)模型的研究對設計空間數(shù)據(jù)庫和發(fā)展新一代GIS系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。

在GIS中與空間信息有關(guān)的信息模型有三個，即基于對象(要素)(Feature)的模型、場(Field)模型以及網(wǎng)絡(Network)模型。

GIS基礎軟件平臺的研制和應用系統(tǒng)的設計開發(fā)一直沿用這三種空間數(shù)據(jù)模型，但這些模型在空間實體間的相互關(guān)系及其時空變化的描述與表達、數(shù)據(jù)組織、空間分析等方面均有較大的局限性，難以滿足新一代GIS基礎軟件平臺和應用系統(tǒng)發(fā)展的要求。

主要表現(xiàn)為：（1） 僅能表達空間點、線、面目標間極為有限的簡單拓撲關(guān)系，且這些拓撲關(guān)系的生成與維護耗時費力；（2） 難以有效地表達現(xiàn)實三維空間實體及其相互關(guān)系；（3） 適于記錄和表達某一時刻空間實體性狀及相互間關(guān)系靜態(tài)分布，難以有效地描述和表達空間實體及其相互間關(guān)系的時空變化；（4） 沒有考慮異地、異構(gòu)、異質(zhì)空間數(shù)據(jù)的互操作和分布式“對象”處理等問題。

針對上述不足，時空數(shù)據(jù)模型、三維數(shù)據(jù)模型、分布式空間數(shù)據(jù)管理、GIS設計的CASE工具等研究已成為當前國際上GIS空間數(shù)據(jù)模型研究的學術(shù)前沿。

GIS發(fā)展歷史與發(fā)展趨勢

經(jīng)過了多年的發(fā)展，各行業(yè)對 GIS 的認識和掌握程度日益提高，GIS 本身的技術(shù)水平和軟硬件設施也日臻完善，其綜合性和先進性也得到充分體現(xiàn)，這使得 GIS 在資源環(huán)境和社會經(jīng)濟等領域得到了廣泛應用，發(fā)揮了重大的作用。目前，GIS 應用領域已包括測繪、政府、建筑、地質(zhì)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、災害監(jiān)測等各個部門。

1. GIS 發(fā)展歷史

回顧 GIS 發(fā)展的歷史，可以歸納為三個發(fā)展階段。20 世紀 50 年代中期到 80 年代后期，是 GIS 的開發(fā)時期，該階段的 GIS 軟件是以地圖為基礎進行單機、集中式處理，具有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和管理信息系統(tǒng)初期設計的主要特點。80 年代末到 90 年代初是 GIS 第二個發(fā)展階段，這一階段 GIS 在快速發(fā)展的計算機硬件和軟件支撐下得到了迅速發(fā)展，商品化GIS 軟件正式進入傳統(tǒng)的軟件市場，并在各行業(yè)中得到廣泛應用。90 年代中后期以來，是GIS 的第三個重要的發(fā)展歷史時期，此時 GIS 普遍采用了面向?qū)ο蟮能浖夹g(shù)，極大提高了 GIS 的二次開發(fā)能力，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的一體化存儲。在此基礎上還逐漸形成了 “3S”技術(shù)集成，在一定程度上實現(xiàn)了矢量數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)一體化存儲、疊加和矢量-柵格數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)化。

在地學應用方面，GIS 發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個階段: 20 世紀 70 年代末，一些數(shù)學地質(zhì)專家、遙感地質(zhì)專家、計算機地學處理專家積極開展了這方面應用工作; 80 年代中后期，GIS 的地學應用特別是礦產(chǎn)資源評價預測處于實驗成熟期; 進入 90 年代，GIS 在地學和其他領域得到空前廣泛應用; 90 年代初期，美國礦產(chǎn)資源評價預測廣泛應用了包括GIS 在內(nèi)的計算機信息處理技術(shù)，90 年代中后期，GIS 在礦產(chǎn)預測方面采用了多種數(shù)學模型，如模糊邏輯法、代數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡法，這些工作極大地推動和豐富了地學研究與 GIS的結(jié)合。

2. GIS 未來發(fā)展趨勢

從系統(tǒng)角度看，在未來的幾十年內(nèi)，GIS 將向著數(shù)據(jù)標準化 ( Interoperable GIS) 、數(shù)據(jù)多維化 ( 3D/4D GIS) 、系統(tǒng)集成化 ( Component GIS) 、平臺網(wǎng)絡化 ( Web GIS) 和應用社會化 ( 數(shù)字地球，DE) 的方向發(fā)展。

互操作地理信息系統(tǒng) ( Interoperable GIS) 是 GIS 系統(tǒng)集成平臺，它實現(xiàn)在異構(gòu)環(huán)境下多個地理信息的系統(tǒng)或其應用系統(tǒng)之間的互相通信和協(xié)作，以完成某一特定任務。

三維或四維地理信息系統(tǒng) ( 3D/4D GIS) 是從以往靜態(tài)的二維 GIS 模型向三維、四維、甚至多維的動態(tài)模型轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)利用 GIS 表達世界真三維空間數(shù)據(jù)場。目前 3DGIS 已開始應用于許多行業(yè)中，如礦山三維 GIS 的構(gòu)建，地質(zhì)構(gòu)造模型的三維可視化，城市三維景觀制作，三維可視化在固體礦產(chǎn)中的應用，三維可視化在地震解釋中的應用，三維 GIS 在地質(zhì)災害中的應用，三維 GIS 在數(shù)字區(qū)調(diào)中的應用等。

Com GIS ( Component GIS) 是面向?qū)ο蠛蜆?gòu)件技術(shù)的地理信息系統(tǒng)，是把 GIS 的功能模塊劃分為多個控件，每個控件完成不同的功能，通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終 GIS 應用。

Web GIS 是 Internet 和 WWW 技術(shù)應用于 GIS 開發(fā)的產(chǎn)物，是實現(xiàn) GIS 互操作的一條最佳解決途徑。從 Internet 的任意節(jié)點，用戶都可以瀏覽 Web GIS 站點中的空間數(shù)據(jù)，制作專題圖，進行各種空間信息檢索和空間分析。隨著 Internet 的飛速發(fā)展，Web GIS 的發(fā)展更加廣闊，它改變了 GIS 數(shù)據(jù)及應用的訪問和傳輸方式，使 GIS 真正變成了大眾使用的工具。

數(shù)字地球 ( DE) 是對真實地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一性的數(shù)字化重現(xiàn)和認識，其核心思想是用數(shù)字化手段統(tǒng)一處理地球問題和最大限度地利用信息資源。數(shù)字地球是 GIS 的延伸，建立數(shù)字地球的核心技術(shù)包括 GIS 與數(shù)據(jù)庫、遙感、遙測、信息技術(shù)等。遙感、遙測技術(shù)用來完成數(shù)據(jù)采集、處理和識別，GIS 和數(shù)據(jù)庫技術(shù)用于完成數(shù)據(jù)存儲、檢索、集成、融合、綜合和分析，從而完成數(shù)字地球的核心功能，光纜、衛(wèi)星通信技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡等技術(shù)則完成海量空間數(shù)據(jù)的傳輸任務。