什么是地理信息系统（GIS）
定义
地理信息系统（Geographic Information System或 Geo－Information system，GIS）有时又称为“地学信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
地理信息系统 (GIS) 是一个创建、管理、分析和绘制所有类型数据的系统。 GIS 将数据连接到地图，将位置数据（事物所在位置）与所有类型的描述性信息（事物在该位置的情况）集成到一起。 这可以为适用于自然科学和几乎所有行业的制图和分析提供基础。 GIS 帮助用户了解模式、关系和地理环境。 其优势包括改善沟通、提高效率以及更好地管理和决策。
位置与地理信息既是LBS的核心，也是LBS的基础。一个单纯的经纬度坐标只有置于特定的地理信息中，代表为某个地点、标志、方位后，才会被用户认识和理解。用户在通过相关技术获取到位置信息之后，还需要了解所处的地理环境，查询和分析环境信息，从而为用户活动提供信息支持与服务。
地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS的发展，也有称GIS为“地理信息科学”（Geographic Information Science），近年来，也有称GIS为"地理信息服务"（Geographic Information service）。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。
组成
古往今来，几乎人类所有活动都是发生在地球上，都与地球表面位置（即地理空间位置）息息相关，随着计算机技术的日益发展和普及，地理信息系统（Geography Information System，GIS）以及在此基础上发展起来的“数字地球”、“数字城市”在人们的生产和生活中起着越来越重要的作用。
GIS可以分为以下五部分：
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人员，是GIS中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS的一无所知所带来的负作用。
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数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果。
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硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式。
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软件，不仅包含GIS软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序。
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过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。
地理信息作为一种特殊的信息，它同样来源于地理数据。地理数据是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，是指表征地理环境中要素的数量、质量、分布特征及其规律的数字、文字、图像等的总和。地理数据主要包括空间位置数据、属性特征数据及时域特征数据三个部分。空间位置数据描述地理对象所在的位置，这种位置既包括地理要素的绝对位置（如大地经纬度坐标），也包括地理要素间的相对位置关系（如空间上的相邻、包含等）。属性数据有时又称非空间数据，是描述特定地理要素特征的定性或定量指标，如公路的等级、宽度、起点、终点等。时域特征数据是记录地理数据采集或地理现象发生的时刻或时段。时域特征数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时域特征构成了地理空间分析的三大基本要素。
地理信息是地理数据中包含的意义，是关于地球表面特定位置的信息，是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识。作为一种特殊的信息，地理信息除具备一般信息的基本特征外，还具有区域性、空间层次性和动态性特点。
特点
- 公共的地理定位基础；
- 具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力；
- 系统以分析模型驱动，具有极强的空间综合分析和动态预测能力，并能产生高层次的地理信息；
- 以地理研究和地理决策为目的，是一个人机交互式的空间决策支持系统。
发展历史
从一个基本工具到理解和规划世界的强大现代平台，GIS 的迅速发展历程包含几个关键的里程碑。
史前
15,000年前，在拉斯考克（Lascaux）附近的洞穴墙壁上，法国的Cro Magnon猎人画下了他们所捕猎动物的图案。与这些动物图画相关的是一些描述迁移路线和轨迹线条和符号。这些早期记录符合了现代地理资讯系统的二元素结构：一个图形文件对应一个属性数据库。
18世纪
18世纪地形图绘制的现代勘测技术得以实现，同时还出现了专题绘图的早期版本，例如：科学方面或人口普查资料。约翰·斯诺在1854年，用点来代表个例，描绘了伦敦的霍乱疫情，这可能是最早使用地理方法的位置。 他对霍乱分布的研究指向了疾病的来源----一个位于霍乱疫情爆发中心区域百老汇街的一个被污染的公共水泵。 约翰·斯诺将泵断开，最终终止了疫情爆发。
20世纪初期
20世纪初期将图片分成层的“照片石印术”得以发展。它允许地图被分成各图层，例如一个层表示植被和另一层表示水。这技术特别用于印刷轮廓-绘制，这是一个劳力集中的任务，但他们有一个单独的图层意味着他们可以不被其他图层上的工作混淆。这项工作最初是玻璃板上绘制，后来，塑料薄膜被引入，具有更轻，使用较少的存储空间，柔韧等等的优势。当所有的图层完成，再由一个巨型处理摄像机结合成一个图像。彩色印刷引进后，层的概念也被用于创建每种颜色单独的印版。尽管后来层的使用成为当代地理信息系统的主要典型特征之一，刚才所描述的摄影过程本身并不被认为是一个地理信息系统 - 因为这个地图只有图像而没有附加的属性数据库。
60年代早期
GIS之父：罗杰·汤姆林森60年代早期，在核武器研究的推动下，计算机硬件的发展导致通用计算机“绘图”的应用。1967年，世界上第一个真正投入应用的地理信息系统由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。罗杰·汤姆林森博士开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统（CGIS ） ，用于存储，分析和利用加拿大土地统计局（ CLI，使用的1:50,000比例尺，利用关于土壤、农业、休闲，野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息，以确定加拿大农村的土地能力。）收集的数据，并增设了等级分类因素来进行分析。
CGIS是“计算机制图”应用的改进版，它提供了覆盖，资料数字化/扫描功能。它支持一个横跨大陆的国家坐标系统，将线编码为具有真实的嵌入拓扑结构的“弧”，并在单独的文件中存储属性和区位信息。由于这一结果，汤姆林森已经成为称为“地理信息系统之父”，尤其是因为他在促进收敛地理数据的空间分析中对覆盖的应用。CGIS一直持续到20世纪70年代才完成，但耗时太长，因此在其发展初期，不能与如Intergraph这样的销售各种商业地图应用软件的供应商竞争。CGIS一直使用到20世纪90年代，并在加拿大建立了一个庞大的数字化的土地资源数据库。它被开发为基于大型机的系统以支持一个在联邦和省的资源规划和管理。其能力是大陆范围内的复杂数据分析。CGIS未被应用于商业 。微型计算机硬件的发展使得象ESRI和CARIS那样的供应商成功地兼并了大多数的CGIS特征，并结合了对空间和属性信息的分离的第一种世代方法与对组织的属性数据的第二种世代方法入数据库结构。20世纪80年代和90年代产业成长刺激了应用了GIS的UNIX工作站和个人计算机飞速增长。至20世纪末，在各种系统中迅速增长使得其在相关的少量平台已经得到了巩固和规范。并且用户开始提出了在互联网上查看GIS数据的概念，这要求数据的格式和传输标准化。
在过去的五十年中，GIS 已经从一个概念发展为一门科学。
首个 GIS
Roger Tomlinson 在发起、规划和开发加拿大地理信息系统方面的开创性工作使得 1963 年出现了世界上首个计算机处理 GIS。 加拿大政府委托 Tomlinson 建立一个易于管理的自然资源清单。 他设想用计算机合并各省的自然资源数据。 Tomlinson 设计了自动化计算，以存储和处理大量数据，这使加拿大能够开始其国家土地利用管理计划。 他还将其命名为 GIS。
哈佛大学实验室
1964 年，西北大学的 Howard Fisher 创建了首批被称为 SYMAP 的计算机制图软件程序之一。 1965 年，他建立了哈佛大学计算机图形学实验室。 随着首批计算机地图制作软件在实验室中构建和优化，该实验室成为了空间分析和可视化研究中心。 许多 GIS 早期概念及其应用都是由一群才华横溢的地理学家、规划师、计算机科学家和其他各个领域的人员在实验室构思而成。
1969 年，哈佛大学实验室成员 Jack Dangermond 及其妻子 Laura 成立了环境系统研究所 Environmental Systems Research Institute, Inc. (Esri)。 该咨询公司应用计算机制图和空间分析来帮助土地利用规划师和土地资源管理者做出明智的决策。 公司的早期工作证明了 GIS 对于解决问题的价值。 Esri 继续开发了许多目前仍在使用的 GIS 制图和空间分析方法。 这些成果引起了人们对该公司的软件工具和工作流的广泛兴趣，现在，这些工具和工作流已成为 GIS 的标准。
随着计算能力的增强，Esri 改进了其软件工具。 公司致力于解决现实问题的工程，从而不断创新并开发出可广泛使用的强大 GIS 工具和方法。 Esri 的工作得到了学术界的认可，成为一种空间分析和规划的新方法。 为了更有效地分析越来越多的工程，Esri 开发了 ARC/INFO，首款商业 GIS 产品。 这项技术于 1981 年发布，Esri 自此逐渐发展为一家软件公司。
GIS 当今发展
GIS 使人们能够创建自己的数字地图图层，从而帮助解决实际问题。 GIS 还发展成为一种数据共享和协作的方式，激发了一个愿景，且该愿景正在迅速成为现实：构建一个几乎涵盖所有主题的连续、重叠和可互操作的世界 GIS 数据库。 如今，数十万个组织每天都在分享他们的工作并创建数十亿张地图，讲述故事并揭示所有事物的模式、趋势和关系。
GIS 未来展望
随着向 Web 和云计算的转移，以及通过物联网与实时信息的集成，GIS 已成为与几乎所有人类的努力息息相关的平台，成为地球的神经系统。 当我们的世界面临人口增长、自然破坏和污染等问题时，GIS 将在我们如何理解和解决这些问题方面发挥越来越重要的作用，并提供使用通用的制图语言交流解决方案的手段。
实现方法
信息来源
如果能将你所在州的降雨和你所在县上空的照片联系起来，就可以判断出哪块湿地在一年的某些时候会干涸。一个GIS系统就能够进行这样的分析，它能够将不同来源的信息以不同的形式应用。对于源数据的基本要求是确定变量的位置。位置可能由经度、纬度和海拔的x，y，z坐标来标注，或是由其他地理编码系统比如ZIP码，又或是高速公路英里标志来表示。任何可以定位存放的变量都能被反馈到GIS。一些政府机构和非政府组织正在生产制作能够直接访问GIS的计算机数据库。可以将地图中不同类型的数据格式输入GIS。GIS系统同时能将不是地图形式的数字信息转换可识别利用的形式。例如，通过分析由遥感生成的数字卫星图像，可以生成一个与地图类似的有关植被覆盖的数字信息层。
同样，人口调查或水文表格数据也可在GIS系统中被转换成作为主题信息层的地图形式。
资料展现
GIS数据以数字数据的形式表现了现实世界客观对象(公路、土地利用、海拔)。 现实世界客观对象可被划分为二个抽象概念: 离散对象(如房屋) 和连续的对象领域(如降雨量或海拔)。这二种抽象体在GIS系统中存储数据主要的二种方法为：栅格（网格）和矢量。
栅格（网格）数据由存放唯一值存储单元的行和列组成。它与栅格（网格）图像是类似的，除了使用合适的颜色之外，各个单元记录的数值也可能是一个分类组（例如土地使用状况）、一个连续的值（例如降雨量）或是当数据不是可用时记录的一个空值。栅格数据集的分辨率取决于地面单位的网格宽度。通常存储单元代表地面的方形区域，但也可以用来代表其它形状。栅格数据既可以用来代表一块区域，也可以用来表示一个实物。
矢量数据利用了几何图形例如点、线（一系列点坐标），或是面（形状决定于线）来表现客观对象。例如，在住房细分中以多边形来代表物产边界，以点来精确表示位置。矢量同样可以用来表示具有连续变化性的领域。利用等高线和不规则三角形格网（TIN）来表示海拔或其他连续变化的值。TIN的记录对于这些连接成一个由三角形构成的不规则网格的点进行评估。三角形所在的面代表地形表面。
利用栅格或矢量数据模型来表达现实既有优点也有缺点。栅格数据设置在面内所有的点上都记录同一个值，而矢量格式只在需要的地方存储数据，这就使得前者所需的存储的空间大于后者。对于栅格数据可以很轻易地实现覆盖的操作，而对于矢量数据来说要困难得多。矢量数据可以像在传统地图上的矢量图形一样被显示出来，而栅格数据在以图象显示时显示对象的边界将呈现模糊状。
除了以几何向量坐标或是栅格单元位置来表达的空间数据外，另外的非空间数据也可以被存储。在矢量数据中，这些附加数据为客观对象的属性。例如，一个森林资源的多边形可能包含一个标识符值及有关树木种类的信息。在栅格数据中单元值可存储属性信息，但同样可以作为与其他表格中记录相关的标识符。
资料采集
数据采集——向系统内输入数据——它占据了GIS从业者的大部分时间。有多种方法向GIS中输入数据，在其中它以数字格式存储。
印在纸或聚酯薄膜地图上的现有数据可以被数字化或扫描来产生数字数据。数字化仪从地图中产生向量数据作为操作符轨迹点、线和多边形的边界。扫描地图可以产生能被进一步处理生成向量数据的光栅数据。
测量数据可以从测量器械上的数字数据收集系统中被直接输入到GIS中。从全球定位系统（GPS）——另一种测量工具中得到的位置，也可以被直接输入到GIS中。遥感数据同样在数据收集中发挥着重要作用，并由附在平台上的多个传感器组成。传感器包括摄像机、数字扫描仪和激光雷达，而平台则通常由航空器和卫星构成。 大部分数字数据来源于图片判读和航空照片。软拷贝工作站用来数字化直接从数字图像的立体象对中得到的特征。这些系统允许数据以二维或三维捕捉，它们的海拔直接从用照相测量法原理的立体象对中测量得到。现今，模拟航空照片先被扫描然后再输入到软拷贝系统，但随着高质量的数字摄像机越来越便宜，这一步也就可被省略了。 卫星遥感提供了空间数据的另一个重要来源。这里卫星使用不同的传感器包来被动地测量从主动传感器如雷达发射出去的电磁波频谱或无线电波的部分的反射系数。遥感收集可以进一步处理来标识感兴趣的对象和类例如土地覆盖的光栅数据。
除了收集和输入空间数据之外，属性数据也要输入到GIS中。对于向量数据，这包括关于在系统中的对象的附加信息。
输入数据到GIS中后，通常还要编辑，来消除错误，或进一步处理。对于向量数据必须要“拓扑正确”才能进行一些高级分析。比如说，在公路网中，线必须与交叉点处的结点相连。像反冲或过冲的错误也必须消除。对于扫描的地图，源地图上的污点可能需要从生成的光栅中消除。例如，污物的斑点可能会把两条本不该相连的线连在一起。
资料操作
GIS可以执行数据重构来把数据转换成不同的格式。例如，GIS可以通过在具有相同分类的所有单元周围生成线，同时决定单元的空间关系，如邻接和包含，来将卫星图像转换成向量结构。
由于数字数据以不同的方法收集和存储，两种数据源可能会不完全兼容。因此GIS必须能够将地理数据从一种结构转换到另一种结构。
系统转换
财产所有权地图与土壤分布图可能以不同的比例尺显示数据。GIS中的地图数据必须能被操作以使其与从其它地图获得的数据对齐或相配合。在数字数据被分析前，它们可能得经过其它一些将它们整合进GIS的处理，比如，投影与坐标变换。 地球可以用多种模型来表示，对于地球表面上的任一给定点，各个模型都可能给出一套不同的坐标（如纬度，经度，海拔）。最简单的模型是假定地球是一个理想的球体。随着地球的更多测量逐渐累积，地球的模型也变得越来越复杂，越来越精确。事实上，有些模型应用于地球的不同区域以提供更高的精确度（如北美坐标系统，1983-NAD83-只适合在美国使用，而在欧洲却不适用）。
投影是制作地图的基础部分，它是从地球的一种模型中转换信息的数学方法，它将三维的弯曲表面转换成二维的媒介（比如纸或电脑屏幕）。不同类型的地图要采用不同的投影系统，因为每种投影系统有其自身的合适的用途。比如一种可以精确反映大陆形状的投影会歪曲大陆的相对尺寸（翻译的是英文的维基百科）
空间分析
空间分析能力是GIS的主要功能，也是GIS与计算机制图软件相区别的主要特征。空间分析是从空间物体的空间位置、联系等方面去研究空间事物，以及对空间事物做出定量的描述。一般地讲，它只回答What（是什么？）、Where（在哪里？）、How（怎么样？）等问题，但并不（能）回答Why（为什么？）。空间分析需要复杂的数学工具，其中最主要的是空间统计学、图论、拓扑学、计算几何等，其主要任务是对空间构成进行描述和分析，以达到获取、描述和认知空间数据；理解和解释地理图案的背景过程；空间过程的模拟和预测；调控地理空间上发生的事件等目的。
空间分析技术与许多学科有联系，地理学、经济学、区域科学、大气、 地球物理、水文等专门学科为其提供知识和机理。
除了GIS软件捆绑空间分析模块外，也有一些专用的空间分析软件，如GISLIB、SIM、PPA、Fragstats等。
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