地理信息系統（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有時又稱為“地學信息系統”或“資源與環境信息系統”。它是一種特定的十分重要的空間信息系統。它是在計算機硬、軟體系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行採集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。
基本介紹
- 中文名：數字地理
- 外文名：Geographic Information System
- 別名：地學信息系統
- 性質：空間信息系統
地理信息系統的基本概念,基本概念：,地理信息系統（GIS）的分類,延伸,我國地理信息系統的發展情況,國內外專家對地理信息系統的不同定義,GIS中使用的技術,從不同來源得到相關信息,資料展現,資料擷取,資料操作,GIS空間分析,數據建模,拓撲建模,網路建模,
地理信息系統的基本概念
地理信息系統處理、管理的對象是多種地理空間實體數據及其關係，包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據等，用於分析和處理在一定地理區域內分布的各種現象和過程，解決複雜的規劃、決策和管理問題。
通過上述的分析和定義可提出GIS的如下
基本概念：
1、GIS的物理外殼是計算機化的技術系統，它又由若干個相互關聯的子系統構成，如數據採集子系統、數據管理子系統、數據處理和分析子系統、圖像處理子系統、數據產品輸出子系統等，這些子系統的優劣、結構直接影響著GIS的硬體平台、功能、效率、數據處理的方式和產品輸出的類型。
2、GIS的操作對象是空間數據和屬性數據，即點、線、面、體這類有三維要素的地理實體。空間數據的最根本特點是每一個數據都按統一的地理坐標進行編碼，實現對其定位、定性和定量的描述、這是GIS區別於其它類型信息系統的根本標誌，也是其技術難點之所在。
3、GIS的技術優勢在於它的數據綜合、模擬與分析評價能力，可以得到常規方法或普通信息系統難以得到的重要信息，實現地理空間過程演化的模擬和預測。
4、 GIS與測繪學和地理學有著密切的關係。大地測量、工程測量、礦山測量、地籍測量、航空攝影測量和遙感技術為GIS中的空間實體提供各種不同比例尺和精度的定位數；電子速測儀、GPS全球定位技術、解析或數字攝影測量工作站、遙感圖像處理系統等現代測繪技術的使用，可直接、快速和自動地獲取空間目標的數字信息產品，為GIS提供豐富和更為實時的信息源，並促使GIS向更高層次發展。地理學是GIS的理論依託。
有的學者斷言，“地理信息系統和信息地理學是地理科學第二次革命的主要工具和手段。如果說GIS的興起和發展是地理科學信息革命的一把鑰匙，那么，信息地理學的興起和發展將是打開地理科學信息革命的一扇大門，必將為地理科學的發展和提高開闢一個嶄新的天地”。GIS被譽為地學的第三代語言——用數字形式來描述空間實體。
地理信息系統（GIS）的分類
GIS按研究的範圍大小可分為全球性的、區域性的和局部性的；按研究內容的不同可分為綜合性的與專題性的。同級的各種專業套用系統集中起來，可以構成相應地域同級的區域綜合系統。在規劃、建立套用系統時應統一規劃這兩種系統的發展，以減小重複浪費，提高數據共享程度和實用性。
延伸
配電地理信息系統：在配電自動化系統中地理信息系統（GIS）是一個重要內容:由於配電網節點多，設備分散，其運行管理工作常於地理位置有關，引入配電地理信息系統，可以更加直觀的進行運行管理；其內容主要包括：設備管理（FM），是將變電站、饋線、變壓器、開關、電桿等設備的技術數據反映在地理背景圖上；用戶信息系統（CIS），指藉助GIS對大量用戶信息，如用戶名稱、地址、帳號、電話、用電量和負荷、供電優先權、停電記錄等進行處理，便於迅速判斷故障的影響範圍，而用電量和負荷的統計信息還可作為網路分析的依據；停電管理系統（OMS），是指接到停電投訴後，GIS通過調用CIS和SCADA功能，迅速查明故障地點和影響範圍，選擇合理的操作順序和路徑，顯示處理過程中的進展，並自動將有關信息轉給用戶投訴電話應答系統；另外GIS還可具有輔助配電網發展規劃設計功能等。
我國地理信息系統的發展情況
我國地理信息系統的起步稍晚，但發展勢頭相當迅猛，大致可分為以下三個階段。
第一是起步階段。20世紀70年代初期，我國開始推廣電子計算機在測量、製圖和遙感領域中的套用。隨著國際遙感技術的發展，我國在1974年開始引進美國地球資源衛星圖像，開展了遙感圖像處理和解譯工作。1976年召開了第一次遙感技術規劃會議，形成了遙感技術試驗和套用蓬勃發展的新局面，先後開展了京津唐地區紅外遙感試驗。新疆哈密地區航空遙感試驗、天津渤海灣地區的環境遙感研究、天津地區的農業土地資源遙感清查工作。長期以來，國家測繪局系統開展了一系列航空攝影測量和地形測圖，為建立地理信息系統資料庫打下了堅實的基礎。解析和數字測圖、機助製圖、數字高程模型的研究和使用也同步進行。1977年誕生了第一張由計算機輸出的全要素地圖。1978年，國家計委在黃山召開了全國第一屆資料庫學術討論會。所有這些為GIS的研製和套用作了技術上的準備。
第二是試驗階段。進入80年代之後，我國執行“六五”、“七五”計畫，國民經濟全面發展，很快對“信息革命”作出熱烈回響。在大力開展遙感套用的同時，GIS也全面進入試驗階段。在典型試驗中主要研究數據規範和標準、空間資料庫建設、數據處理和分析算法及套用軟體的開發等。以農業為對象，研究有關質量評價和動態分析預報的模式與軟體，並用於水庫淹沒損失、水資源估算、土地資源清查、環境質量評價與人口趨勢分析等多項專題的試驗研究。在專題試驗和套用方面，在全國大地測量和數字地面模型建立的基礎上，建成了全國1：100萬地留資料庫系統和全國土地信息系統、1：4見萬全國資源和環境信息系統及1：250萬水土保持信息系統，並開展了黃土高原信息系統以及洪水災情預報與分析系統等專題研究試驗。用於輔助城市規劃的各種小型信息系統在城市建設和規劃部門也獲得了認可。
在學術交流和人才培養方面得到很大發展。在國內召開了多次關於GIS的國際學術討論會。1985年，中國科學院建立了“資源與環境信息系統國家級重點開放實驗室”，1988年和1990年武漢測繪科技大學先後建立了“信息工程專業”和“測繪遙感信息工程國家級重點開放實驗室”。我國許多大學中開設了rs方面的課程和不同層次的講習班，已培養出了一大批從事GIS研究與套用的博士和碩土。
第三是GIS全面發展階段。80年代末到90年代以來，我國的GIS隨著社會主義市場經濟的發展走上了全面發展階段。國家測繪局正在全國範圍內建立數位化測繪信息產業。1：100萬地圖資料庫已公開發售，衛：25萬地圖資料庫也已完成建庫，並開始了全國1：10萬地圖資料庫生產與建庫工作，各省測繪局正在抓緊建立省級1：1萬基礎地理信息系統。數字攝影測量和遙感套用從典型試驗逐步走向運行系統，這樣就可保證向GIS源源不斷地提供地形和專題信息。進入90年代以來，沿海、沿江經濟開發區的發展，土地的有償使用和外資的引進，急需GIS為之服務，有力地促進了城市地理信息系統的發展。用於城市規劃、土地管理、交通、電力及各種基礎設施管理的城市信息系統在我國許多城市相繼建立。
在基礎研究和軟體開發方面，科技部在“九五”科技攻關計畫中，將“遙感、地理信息系統和全球定位系統的綜合套用”列入國家“九五”重中之重科技攻關項目，在該項目中投入相當大的研究經費支持武漢測繪科技大學、北京大學、中國地質大學、中國林業科學研究院和中國科學院地理研究所等單位開發我國自主著作權的地理信息系統基礎軟體。經過幾年的努力，中國GIS基礎軟體與國外的差距迅速縮小，湧現出若干能參與市場競爭的地理信息系統軟體，如GeoStar，MapGIS， OityStar， ViewGIS等。在遙感方面，在該項目的支持下，已建立全國基於IK4遙感影像土地分類結果的土地動態監測信息系統。國家這一重大項目的實施，有力地促進了中國遙感和地理信息系統的發展.
國內外專家對地理信息系統的不同定義
（國外一些地理信息系統的定義摘自David J.Maguire,1991）。
1、DoE(1987:132)
a system for capturing storing checking, manipulating analysing and displaying data which are spatially referenced the Earth.
2、Aronoff(1989:39)
any manual or computer based set of procedures used to store and manipulate geographically referenced data.
3、Carter(1989:3)
an institutional entiry, reflecting an organizational structure that integrates technology with a database, expertise and continuing, financial support over time.
4、Parker(1988:1547)
an information technology which stores, analyses, and displays both spatioal and non-spatial data.
5、Dueker(1979:106)
a special case of information systems where the database consists of observations on spatioally distributed features, activities, or events, which are definable in space as points, lines, or areas. A GIS manipulates data about these points, lines, and areas to retrieve data for ad hoc queries and analysis.
6、Smith et al.(1987:13)
a database system in which most of the data are spatially indexed, and upon which a set of procedures operated in order to answer queries about spatiol entities in the database.
7、Ozemoy, Smith and Sicherman(1981:92)
an automated set of functions that provides professionals with advanced capabilities for the storge, retrieval, manipulation, and display of geographically located data.
8、Burrough(1986:6)
a powerful set of tools for collecting, storing, retrieving at will, transforming and displaying spatial data from the real world.
9、Cowen(1988:1544)
a decision support system involving the integration of spatially referenced datain a problem-soling environment.
10、Koshkariov, Tikunov and Trofimov(1989:256)
a system with advanced geo-modelling capabilites.
11、Devine and Field(1986:18)
a form of MIS[Management Informaion System]that allows map display of the general information.
12、陳述彭等（1999，《地理信息系統導論》）：
由計算機系統、地理數據和用戶組成的，通過對地理數據的集成、存儲、檢索、操作和分析，生成並輸出各種地理信息，從而為土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、經濟建設、城市規劃以及政府部門行政管理提供新的知識，為工程設計和規劃、管理決策服務。
[編輯本段]高考報名GIS專業的一點注意事項
目前開設地理信息系統專業的院校很多，但是高考報名時注意，分為理科的地圖學與地理信息系統，屬於地理學，側重於地理學套用理論研究；工科為地圖製圖學與地理信息工程，屬於測繪學，側重於測量。兩者並無本質區別，報考的時根據自身喜好，工科一般開設於理工科院校，理科則一般為綜合性大學或師範大學內。理科的話武漢大學資源與環境科學學院的地理信息系統比較厲害，特別是製圖方向。工科的話同濟大學的測繪類的地理信息系統方向比較強，注重於數據的採集和處理，同時兼有測繪類、GIS類和土地類的相關知識的學習。
[編輯本段]GIS的發展背景
35,000年前，在Lascaux附近的洞穴牆壁上，法國的Cro Magnon獵人畫下了他們所捕獵動物的圖案。與這些動物圖畫相關的是一些描述遷移路線和軌跡線條和符木。這些早期記錄符合了現代地理信息系統的二元素結構：一個圖形檔案對應一個屬性資料庫。 18世紀地形圖繪製的現代勘測技術得以實現, 同時還出現了專題繪圖的早期版本, 例如：科學方面或戶口普查資料。 20世紀初期世紀將圖片分成層的“照片石印術”得以發展。直至60年代早期，在核武器研究的推動下，計算機硬體的發展導致通用計算機“繪圖”的套用。
CGIS是世界的第一個“系統”， 並且在“繪圖”套用上進行了改進，它具有覆蓋，測量，資料數位化/掃描的功能，支持一個跨越大陸的國家坐標系統，將線編碼為具有真實的嵌入拓撲結構的“弧”，並且將屬性和位置的信息分別存儲在單獨的檔案中。它的開發者，地理學家Roger Tomlinson，被稱為“GIS之父”。
CGIS一直持續到20世紀70年代才完成，但這花費了太長的一段時間，因此在它最初發展期，不能與如Intergraph這樣的銷售各種商業地圖套用軟體的供應商競爭。微型計算機硬體的發展使得象ESRI和CARIS那樣的供應商成功地兼併了大多數的CGIS特徵，並結合了對空間和屬性信息的分離的第1 種世代方法與對組織的屬性數據的第2種世代方法入資料庫結構。20世紀80年代和90年代產業成長刺激了套用了GIS的UNIX工作站和個人計算機飛速增長。至20世紀末，在各種系統中迅速增長使得其在在相關的少量平台已經得到了鞏固和規範。並且用戶開始提出了在網際網路上查看GIS數據的概念，這要求數據的格式和傳輸標準化。
GIS中使用的技術
從不同來源得到相關信息
從不同來源得到相關信息
如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片聯繫起來，可以判斷出哪塊濕地在一年的某些時候會幹涸。一個GIS系統就能夠進行這樣的分析，它能夠將不同來源的信息以不同的形式套用。對於源數據的基本要求是確定變數的位置。位置可能由經度，緯度和海拔的 x，y，z坐標來標註，或是由其他地理編碼系統比如ZIP碼，又或是高速公路英里標誌來表示。任何可以定位存放的變數都能被反饋到GIS。一些政府機構和非政府組織生產正在製作能夠直接訪問GIS的計算機資料庫。可以將地圖中不同類型的數據格式輸入GIS。GIS 系統同時能將不是地圖形式的數字信息轉換可識別利用的形式。 例如，通過分析由遙感生成的數字衛星圖像，可以生成一個與地圖類似的有關植被覆蓋的數字信息層。 同樣, 人口調查或水文表格數據也可在GIS系統中被轉換成作為主題信息層的地圖形式。
資料展現
GIS 數據以數字數據的形式表現了現實世界客觀對象(公路, 土地利用, 海拔)。 現實世界客觀對象可被劃分為二個抽象概念: 離散對象(如房屋) 和連續的對象領域(如降雨量或海拔) 。這二種抽象體在GIS系統中存儲數據主要的二種方法為: 柵格（格線）和矢量。 柵格（格線）數據由存放唯一值存儲單元的行和列組成。它與柵格（格線）圖像是類似的，除了使用合適的顏色之外，各個單元記錄的數值也可能是一個分類組，例如土地使用狀況，一個連續的值，或是降雨量，或是當數據不是可用時記錄的一個空值。柵格數據集的解析度取決於地面單位的格線寬度。通常存儲單元代表地面的方形區域， 但也可以用來代表其它形狀。柵格數據既可以用來代表一塊區域，也可以用來表示一個實物，實物被存儲為... 矢量數據利用了幾何圖形例如點，線（一系列點坐標），或是面（形狀決定於線）來表現客觀對象。例如，在住房細分中以多邊形來代表物產邊界，以點來精確表示位置。矢量同樣可以用來表示具有連續變化性的領域。利用等高線和不規則三角網（TIN）來表示海拔或其他連續變化的值。TIN的記錄對於這些連線成一個由三角形構成的不規則格線的點進行評估。三角形所在的面代表地形表面。 利用柵格或矢量數據模型來表達現實既有優點也有缺點。柵格數據設定在面內所有的點上都記錄同一個值，而矢量格式只在需要的地方存儲數據，這就使得前者所需的存儲的空間大於後者。對於柵格數據可以很輕易地實現覆蓋的操作，而對於矢量數據來說要困難得多。矢量數據可以象在傳統地圖上的矢量圖形一樣被顯示出來，而柵格數據在以圖象顯示時顯示對象的邊界將呈現模糊狀。 除了以幾何向量坐標或是柵格單元位置來表達的空間數據外，另外的非空間數據也可以被存儲。在矢量數據中，這些附加數據為客觀對象的屬性。例如，一個森林資源的多邊形可能包含一個標識符值及有關樹木種類的信息。在柵格數據中單元值可存儲屬性信息，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關的標識符。
資料擷取
數據擷取——向系統內輸入數據——它占據了GIS從業者的大部分時間。有多種方法向GIS中輸入數據，在其中它以數字格式存儲。 印在紙或聚酯薄膜地圖上的現有數據可以被數位化或掃描來產生數字數據。數位化儀從地圖中產生向量數據作為操作符軌跡點、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產生能被進一步處理生成向量數據的光柵數據。 測量數據可以從測量器械上的數字數據收集系統中被直接輸入到GIS中。從全球定位系統（GPS）——另一種測量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到GIS中。 遙感數據同樣在數據收集中發揮著重要作用，並由附在平台上的多個感測器組成。感測器包括攝像機、數字掃瞄器和雷射雷達，而平台則通常由航空器和衛星構成。 現在大部分數字數據來源於圖片判讀和航空照片。軟拷貝工作站用來數位化直接從數字圖像的立體象對中得到的特徵。這些系統允許數據以二維或三維捕捉，它們的海拔直接從用照相測量法原理的立體象對中測量得到。現今，模擬航空照片先被掃描然後再輸入到軟拷貝系統，但隨著高質量的數字攝像機越來越便宜，這一步也就可被省略了。 衛星遙感提供了空間數據的另一個重要來源。這裡衛星使用不同的感測器包來被動地測量從主動感測器如雷達發射出去的電磁波頻譜或無線電波的部分的反射係數。遙感收集可以進一步處理來標識感興趣的對象和類例如土地覆蓋的光柵數據。 除了收集和輸入空間數據之外，屬性數據也要輸入到GIS中。對於向量數據，這包括關於表現在系統中的對象的附加信息。 輸入數據到GIS中後，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對於向量數據必須要“拓撲正確”才能進行一些高級分析。比如說，在公路網中，線必須與交叉點處的結點相連。像反衝或過沖的錯誤也必須消除。對於掃描的地圖，源地圖上的污點可能需要從生成的光柵中消除。例如，污物的斑點可能會把兩條本不該相連的線連在一起。
資料操作
資料操作
GIS可以執行數據重構來把數據轉換成不同的格式。例如，GIS可以通過在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時決定單元的空間關係，如鄰接和包含，來將衛星圖像轉換成向量結構。
由於數字數據以不同的方法收集和存儲，兩種數據源可能會不完全兼容。因此GIS必須能夠將地理數據從一種結構轉換到另一種結構。
投影系統，坐標系統與轉換
財產所有權地圖與土壤分布圖可能以不同的比例尺顯示數據。GIS中的地圖數據必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的數據對齊或相配合。在數字數據被分析前，它們可能得經過其它一些將它們整合進GIS的處理，比如，投影與坐標變換。 地球可以用多種模型來表示，對於地球表面上的任一給定點，各個模型都可能給出一套不同的坐標（如緯度，經度，海拔）。最簡單的模型是假定地球是一個理想的球體。隨著地球的更多測量逐漸累積，地球的模型也變得越來越複雜，越來越精確。事實上，有些模型套用於地球的不同區域以提供更高的精確度（如北美坐標系統，1983-NAD83-只適合在美國使用，而在歐洲卻不適用）。
投影是製作地圖的基礎部分，它是從地球的一種模型中轉換信息的數學方法，它將三維的彎曲表面轉換成二維的媒介（比如紙或電腦螢幕）。不同類型的地圖要採用不同的投影投影系統，因為每種投影系統有其自身的合適的用途。比如一種可以精確反映大陸形狀的投影會歪曲大陸的相對尺寸（翻譯的是英文的維基百科）
GIS空間分析
GIS空間分析
空間分析能力是GIS的主要功能，也是GIS與計算機製圖軟體相區別的主要特徵。空間分析是從空間物體的空間位置、聯繫等方面去研究空間事物，以及對空間事物做出定量的描述。一般地講，它只回答What（是什麼？）、Where（在哪裡？）、How（怎么樣？）等問題，但並不（能）回答Why（為什麼？）。空間分析需要複雜的數學工具，其中最主要的是空間統計學、圖論、拓撲學、計算幾何等[1]，其主要任務是對空間構成進行描述和分析，以達到獲取、描述和認知空間數據；理解和解釋地理圖案的背景過程；空間過程的模擬和預測；調控地理空間上發生的事件等目的[2]。
空間分析技術與許多學科有聯繫，地理學、經濟學、區域科學、大氣、 地球物理、水文等專門學科為其提供知識和機理。
除了GIS軟體捆綁空間分析模組外，目前也有一些專用的空間分析軟體，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。
數據建模
數據建模
將濕地地圖與在機場、電視台和學校等不同地方記錄的降雨量關聯起來是很困難的。然而，GIS能夠描述 地表、地下和大氣的二維三維特徵。
例如，GIS能夠將反應降雨量的雨量線迅速製圖。
這樣的圖稱為雨量線圖。通過有限數量的點的量測可以估計出整個地表的特徵，這樣的方法已經很成熟。 一張二維雨量線圖可以和GIS中相同區域的其它圖層進行疊加分析。
拓撲建模 在過去的35年，在濕地邊上有沒有任何加油站或工廠經營過？有沒有任何滿足在2英里內且高出濕地的條件的這類設施？GIS可以識別並分析這種在數位化空間數據中的這種空間關係。這些拓撲關係允許進行複雜的空間建模和分析。地理實體音的拓撲關係包括連線（什麼和什麼相連）、包含（什麼在什麼之中）、還有鄰近（兩者之間的遠近）。
拓撲建模
網路建模
網路建模
如果所有在濕地附近的工廠同時向河中排放化學物質，那么排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量？GIS能模擬出污染物沿線性網路(河流)的擴散的路徑。諸如坡度、速度限值、管道直徑之類的數值可以納入這個模型使得模擬得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。
