第1章概论
人类活动*核心的任务是了解人类赖以生存的环境及状态，认知这些环境发生、演变以及发展变化的特征和规律，而获取与表达自然、社会环境的状态和特征是人们深入理解和掌握自然规律、社会发展趋势的基础。这些状态和特征主要包括空间位置、周围环境和空间关系等。利用计算机及信息技术手段，来实现对这些现象或事物状态和特征描述的社会需求，催生了地理信息系统（ geographic information system，GIS）技术。地理信息系统的核心知识主要来自于地图学、地理学和计算机科学等交叉领域及其拓展，已经广泛应用在多个领域，如资源管理、城市规划与管理、环境保护等。地理信息系统是具有输入、存储、查询、分析和显示地理数据等功能的计算机系统。它从专门的系统技术开始，随着科技的发展和应用的深入，演变成一门学科。它的简写 GIS也称为“地理信息科学”（geographic information science），近年来，也有人称 GIS为“地理信息服务”（geographic information service）。
本章首先介绍地理信息系统的概念，从地理信息系统的产生引入地理信息系统的定义，并简单介绍地理信息系统的分类；其次，从硬件、软件、数据、应用和网络等方面描述地理信息系统的组成；*后，从数据或信息处理的角度，简单介绍地理信息系统的数据采集、管理、处理、分析和输出等基本功能。本章结构如图 1.1所示。
图 1.1 本章结构图
1.1 地理信息系统的概念
1.1.1 地理信息系统的产生
20世纪 60年代初，加拿大政府计划调查整个国家的森林资源，为此，需要利用航空影像制作森林覆盖地图，并在地图上进行面积量算。但因为人工完成这项任务的工作量巨大，所以，测量学家汤姆林森（ Tomlinson）博士提出把常规地图变成数字形式地图，并由计算机来进行处理和统计的方案，这一方案得到政府认可并加以实施，由此建立了世界上第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统（ Canada geographic information system， CGIS）。在此之前，对资源的管理都是在具有基础地理信息的地图上，用透明图层（薄膜）进行人工叠加来获得数据并进行分析，这种方式非常耗时而且低效。 Tomlinson博士建立 CGIS后，原本森林资源分类统计计划要花费 800万加拿大元、耗时 3年的工作量，缩减为只需 200万加拿大元、几周就可完成。
Tomlinson博士把常规地图变成数字地图形式存入计算机，并用计算机及相关输入 /输出设备，实现地图量算与分析的技术系统和过程，用“地理信息系统”这一术语来概括，建立了世界上第一个实用的地理信息系统，因此，他被称为“地理信息系统之父”。随着技术的进步、社会需求的增加、有关组织机构的建立，地理信息系统很快呈“星火燎原”之势在全世界迅速发展起来。
从组成上来看，地理信息系统是包含了计算机硬件、软件、地理空间数据、应用人员和应用模型的系统；从功能上来看，地理信息系统则是一个能够支持地理空间数据的采集、管理、处理、分析和显示的系统。美国联邦数字地图协调委员会对其定义为：“地理信息系统是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题”。该定义比较科学地阐明了地理信息系统的对象、功能和特点。地理信息系统处理、管理、分析的对象是多种地理实体数据及其相互关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，为解决复杂的规划、决策和管理问题，如城市布局规划、商业选址、应急响应、环境评估、资源管理等提供了有效的方法和工具。
简单地说，地理信息系统技术将各类具有空间位置参考的专题层信息结合在一起，通过这些信息可以更好地认识这个位置的地理空间特征。例如，可以按照需要选择使用哪些层信息，找一个更好的地段设立店铺、分析环境危害，通过综合城市中相同或类似的犯罪，发现犯罪类型等。又如，地理信息系统可以帮助房地产开发商找到*佳的建房地段，并且满足如下一系列要求：*小的环境影响，在低风险、低犯罪率的地区，靠近人口密集的市中心。此外，这些数据可以用地图的形式简洁而清晰地显示出来，或者出现在相关的报告中，使得决策制定者不必浪费精力在分析和理解数据上，而可以直接关注真实的结果。
GIS的概念在不断发展和演进。地理信息系统在面向部门的专业应用不断拓展的同时，已开始向社会化、大众化应用发展， GIS从传统意义上的地理信息系统（geographic information system， GISystem， GIS）拓展为地理信息科学（ geographic information science，GIScience， GIS）和地理信息服务（ geographic information science， GIService， GIS）等多个方面（龚健雅和李德仁，2008）。地理信息科学（ GIScience）是关于 GIS的发展、使用和应用的理论，是信息时代的地理学，是关于地理信息的本质特征与运动规律的一门科学。地理信息服务（ GIService）是指遵循服务体系的架构和标准，采用网络服务技术，基于地理信息互操作标准和规范，在网络环境下提供地理信息系统的数据、分析、可视化等功能的服务。
1.1.2 地理信息系统发展历程
自 20世纪 60年代开始，地理信息系统从简单的空间数据存储、计算和绘图，到现在空间数据复杂分析与计算、过程建模、现象模拟以及广泛的日常应用，对人们的学习、工作和生活产生重大影响。纵观地理信息系统的发展，可将其分为以下几个阶段。
（1）20世纪 60年代：地理信息系统起始发展阶段。此前，地理信息系统的基本框架就已经产生：用计算机汇总 /处理和分析各种来源的数据，并输出一系列的结果用来作为辅助决策的有用信息。后来随着计算机被应用于空间数据的存储与管理，又逐渐实现了手扶跟踪数字化方法/格网单元的操作方法等处理空间数据的主要技术，它们奠定了地理信息系统发展的基础。
（2）20世纪 70年代：地理信息系统发展巩固阶段。在这一阶段，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，促进了地理信息系统朝实用的方向发展，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、联邦德国、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究和开发均投入了大量人力、物力和财力。
（3）20世纪 80年代：地理信息系统推广应用阶段。由于计算机迅速发展，地理信息系统逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大；地理信息系统与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性问题的研究，如全球变化和监测、沙漠化、可居住区评价、厄尔尼诺现象、酸雨、核扩散及核废料等。
（4）20世纪 90年代：地理信息系统蓬勃发展阶段。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，地理信息系统已经成为确定性的产业，投入使用的地理信息系统，每 2～3年翻一番，市场年增长率在 35%以上，从事地理信息系统生产的企业超过 1000家。地理信息系统渗透到各行各业，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。
（5）21世纪：地理信息系统的服务共享阶段。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，地理信息系统的应用领域也迅速进一步扩大。当前，地理信息系统正在走向完全 Web化，逐渐成为以 Web为中心的地理信息平台，它可以更加充分地利用 Web服务、大数据、云，具有更快的计算能力、各种终端等软硬件优势，并结合影像、全球导航卫星系统（ global navigation satellite system， GNSS）、三维等数据，实现地理信息随时随地的访问、制图和分析等。
1.1.3 地理信息系统类型地理信息系统从功能开发和利用上看，可分为以下几种类型。
1. 地理信息系统平台
地理信息系统平台（ GIS platform）指具有数据输入、编辑、结构化存储、处理、查询分析、输出、二次开发、数据交换等全套功能的地理信息系统软件产品。它独立性强、规模大、功能全、费用高，是自地理信息系统出现以来的主流产品，简单分类如下。
（1）大型系统：具有复杂的数据结构、完善的功能体系。
（2）桌面系统：为便于用户使用及与其他系统的结合，提取常用的地理信息系统功能，采用简单的数据结构，实现了从输入、存储、查询到简单的分析和输出的完整流程。
（3）网络系统：随着网络技术的发展，运行于 Internet或 Intranet环境下的地理信息系统，其目标是实现地理信息的分布式存储和信息共享，以及远程空间导航等。目前网络地理信息系统主要用于地理信息的分布式存储、空间信息的发布、地址查询和 Internet环境中的地图显示。主要技术表现形式如下。①独立运行的 WebGIS：系统具有通过 Internet或 Intranet远程调用、传输和发布地理信息的功能。②嵌入式运行的 WebGIS：嵌入到 Web浏览器中运行的地理信息系统软件系统，包括服务器 WebGIS组件、浏览器 WebGIS组件等。③GIS软件为服务器的 WebGIS：是实现 WebGIS的一种变通方式。Web浏览器发出地理信息系统数据或分析的请求，交由作为服务器的地理信息系统软件处理，并将结果返回给浏览器。
2. 专业地理信息系统产品
专业地理信息系统产品（ professional GIS）是地理信息系统平台厂商利用自身开发系统平台时建立的工具集，是针对某一专业领域和业务部门的工作流程而开发的独立的地理信息系统运行系统，旨在利用地理信息系统工具有针对性地解决具体的问题。它符合专业领域或业务部门的工作流程，针对性强，是地理信息系统产品向专业化发展的产物，对提升地理信息系统产品影响力具有重要作用。
3. 地理信息系统开发工具
地理信息系统开发工具（ GIS developing toolkit）具有基本地理信息系统功能，以嵌入方式或通信方式，可供计算机系统开发工具（各种高级程序设计语言）进行用户化开发的地理信息系统产品。它是计算机科学领域组件化技术的发展在地理信息系统领域的体现，也是目前地理信息系统产品发展的一个热点。嵌入方式指 ActiveX、JavaBean等控件产品，在高级程序设计语言中可以当作嵌入对象使用。通信方式指提供一个后台服务程序，前台系统发出指令，交由服务程序处理，并将计算结果返回，实现地理信息系统功能的方式。此种类型可为地理信息系统服务提供商开发专业地理信息系统产品使用，用户定制能力强。
1.1.4 地理信息系统构成地理信息系统从外部来看，表现为计算机硬件系统，而其内涵却是由计算机程序和地理空间数据组织而成的地理空间信息模型，是一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，信息的流动及其结果完全由计算机程序的运行和数据的交换来仿真。一个完整的地理信息系统，应包括对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能。其基本组成一般包括以下六个部分：计算机网络，计算机硬件，计算机软件（软件是包含程序的有机集合体），地理空间数据，应用分析模型，以及系统开发、管理和应用人员。一个完整的地理信息系统构成模型如图 1.2所示。
1. 计算机网络
现今几乎所有的地理信息系统软件产品都被设计成网络的组成部分。计算机网络是指将地理位置不同的多台自治计算机系统及其外部网络通过通信介质互联，在网络操作系统和网络管理软件及通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的系统。网络地理信息系统是以网络为中心，使用网络环境，为地理信息
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