1.2.1. 地理信息系统 #

地理信息系统（Geographical Information System， GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。 地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的， 地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。 在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象， 这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个组成部分。

地理信息系统的定义是由两个部分组成的。 一方面，地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科； 另一方面，地理信息系统是一个技术系统， 是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法， 适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。

地理信息系统具有以下三个方面的特征：

1. 具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性；

2. 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，产生有用信息，完成人类难以完成的任务；

3. 计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征，因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

地理信息系统的外观，表现为计算机软硬件系统； 其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。 当具有一定地学知识的用户使用地理信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的， 而是把客观世界抽象为模型化的空间数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容， 取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。

一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能方面进行模拟， 信息的流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。 地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各不同侧面、不同层次的空间和时间特征， 也可以快速地模拟自然过程的演变或思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案， 用于管理与决策。

地理信息系统和4M

对于地理学家、城市规划人员、资源管理者等使用地理信息的人们而言， 他们观察并量测（Measure）环境参数，并制作地图（Map）描述了地球的特征； 他们监测（Monitor）周围环境的变化，对影响环境的过程和活动建立模型（Model）。 这四项活动（4M），通过应用GIS技术，都可以得到改善和提高。

1.2.2. 地理信息系统的类型 #

地理信息系统按其内容可以分为三大类：

专题地理信息系统（Thematic GIS）

是具有有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门目的服务。 例如，森林动态监测信息系统、水资源管理信息系统、矿业资源信息系统、农作物估产信息系统、草场资源管理信息系统、水土流失信息系统等。

区域信息系统（Regional GIS）

主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标，可以有不同的规模，如国家级的、地区或省级的、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统； 也可以按自然分区或流域为单位的区域信息系统。 区域信息系统如加拿大国家信息系统、中国黄河流域信息系统等。 许多实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统， 如北京市水土流失信息系统、海南岛土地评价信息系统、河南省冬小麦估产信息系统等。

地理信息系统工具或地理信息系统外壳（GIS Tools）

是一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。 它们或者是专门设计研制的，或者在完成了实用地理信息系统后抽取掉具体区域或专题的地理系空间数据后得到的， 具有对计算机硬件适应性强、数据管理和操作效率高、功能强且具有普遍性的实用性信息系统， 也可以用作GIS教学软件。

在通用的地理信息系统工具支持下建立区域或专题地理信息系统，不仅可以节省软件开发的人力、物力、财力， 缩短系统建立周期，提高系统技术水平，而且使地理信息系统技术易于推广， 并使广大地学工作者可以将更多的精力投入高层次的应用模型开发上。

1.2.3. 地理信息系统的构成 #

与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成， 即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。 其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映GIS的地理内容， 而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。 系统构成如图1-4所示。

计算机硬件系统 #

计算机硬件系统是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置， 是GIS的物理外壳。 系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约。 GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。 构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件 [ 3 ] ）等， 这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务； 保存数据以备现在或将来使用； 将处理得到的结果或信息提供给用户。 图1-5表示了常见的实现输入输出功能的计算机外部设备。

计算机软件系统 #

计算机软件系统是指必需的各种程序。 对于GIS应用而言，通常包括：

1）计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户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、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等， 是GIS日常工作所必需的。

2）地理信息系统软件和其他支持软件

包括通用的GIS软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD等， 用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。 GIS软件包功能结构见图1-6。

3）应用分析程序

是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序， 是系统功能的扩充与延伸。 在GIS工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存储结构无关， 而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。 应用程序作用于地理专题或区域数据，构成GIS的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分， 也是从空间数据中提取地理信息的关键。 用户进行系统开发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的应用性优劣和成败。

空间数据 [ 4 ] #

是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文经济景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等。 它是由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他系统通讯输入GIS，是系统程序作用的对象， 是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。 在GIS中，空间数据主要包括：

1）某个已知坐标系中的位置

即几何坐标，标识地理景观在自然界或包含某个区域的地图中的空间位置，如经纬度、平面直角坐标、极坐标等， 采用数字化仪输入时通常采用数字化仪直角坐标或屏幕直角坐标。

2）实体间的空间关系

实体间的空间关系通常包括：度量关系，如两个地物之间的距离远近； 延伸关系（或方位关系），定义了两个地物之间的方位； 拓扑关系，定义了地物之间连通、邻接等关系，是GIS分析中最基本的关系， 其中包括了网络结点与网络线之间的枢纽关系（图1-7-a），边界线与面实体间的构成关系（图1-7-b）， 面实体与岛或内部点的包含关系（图1-7-c）等。

3）与几何位置无关的属性

即通常所说的非几何属性或简称属性，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。 属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级； 定性描述的属性如土壤种类、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量等。 非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。 任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此， 属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。

对地理信息系统的三种观点[Maguire,1991]

对于GIS的定义，有三种观点，即地图、数据库与空间分析的观点。 地图观点的定义侧重于制图有关的内容，因此GIS被视为一个地图分析与处理系统； 数据库观点的GIS定义则侧重于数据库设计与实现的完美性， 一个复杂的数据库管理系统被视为GIS不可分割的一部分； 持空间分析观点的定义侧重于分析和建模，GIS被视为一门空间信息科学而不仅是一门技术。