地理信息系统

地理信息系统是计算机科学、地理学、测量学和地图学等多门学科的交叉，它是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法实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。

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从表现形式来看，GIS表现为计算机软硬件系统，其核心是管理、计算、分析地理坐标位置信息及相关位置上属性信息的数据库系统。它表达的是空间位置及所有与位置相关的信息，所以，GIS又是地球空间实体的再现和综合，其信息的基本表达形式是各种二维或三维电子地图。因此，GIS也可简单定义为“用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”。

（一）GIS发展简史

GIS最早起源于20世纪60年代“要把地图变成数字形式的地图，便于计算机处理分析”这样的目的。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了GIS这一术语，并建成世界上第一个GIS（加拿大地理信息系统，CGIS），用于自然资源的管理和规划。那时的GIS注重于空间数据的地学处理。

20世纪70年代以后，随着计算机软、硬件水平的提高，以及政府部门在自然资源管理、规划和环境保护等方面对空间信息进行分析、处理的需求，GIS得到了巩固和发展。

进入20世纪80年代，GIS的应用领域迅速扩大，商业化的软件开始进入市场，其应用从基础信息管理与规划转向空间决策支持分析，地理信息产业的雏形开始形成。

20世纪90年代以后，伴随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，GIS的应用也日趋深化和广泛，在国土资源、农业、气象、环境、城市规划等领域成为常备的工作系统。尤其是1998年“数字地球”的概念被提出以后，GIS在全球得到了空前迅速的发展，广泛应用于各个领域，产生了巨大的经济和社会效益。

我国GIS的发展自20世纪80年代初开始，以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个GIS研究室为标志，经历了准备(1980～1985年)、发展(1985～1995年)、产业化(1996年以后)3个阶段。尤其是近年来，国内出现了不少优秀的GIS软件。

（二）GIS的最新发展

1.日趋与计算机信息技术融合

近年来随着计算机软、硬件技术和通信技术的高速发展，GIS技术也得到了迅速的发展和更广泛的应用，并日趋与主流IT技术融合，成为信息技术发展的一个新方向。

GIS发展的动力一方面来自于日益广泛的应用领域对GIS不断提高的要求；另一方面，计算机科学的飞速发展为GIS提供了先进的工具和手段。许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可以直接应用到GIS中；同时，由于空间技术的迅猛发展，特别是遥感技术的发展，提供了地球空间环境中不同时相的数据，使GIS的作用日渐突出，GIS不断升级并能提供存储、处理和分析海量地理数据的环境。

组件式GIS技术的发展使之可以与其他计算机信息系统无缝集成、跨语言使用，并提供了无限扩展的数据可视化表达形式。

2.动态、多源、多维、网络化

最新GIS技术将逐渐摆脱先前的主要处理静态的、二维的、数字式的地图技术的约束，而从传统的静态地图、电子地图发展到能对空间信息进行可视化和动态分析、动态模拟，支持动态的、可视化的、交互的环境来处理、分析、显示多维和多源地理空间数据。其中，可视化仿真技术能使人们在三维图形世界中直接对具有形态的信息进行实时交互操作；虚拟现实技术以三维图形为主，结合网络、多媒体、立体视觉、新型传感技术，能创造一个让人身临其境的虚拟的数字地球或数字城市。

先进的对地观测技术、互操作技术、海量数据存储和压缩技术、网络技术、分布式技术、面向对象技术、空间数据仓库、数据挖掘等技术的发展都为GIS的发展和创新创造了新的手段。

（三）第四代GIS技术

随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网络和数据挖掘等主流IT技术的发展，在科技部有关部门的倡导下，目前国内学术界又提出了第四代GIS技术的概念。第四代GIS技术将主要有如下特点：

（1）支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现，从二维向多维发展，从静态数据处理向动态数据处理发展，具有时序数据处理能力。

（2）基于网络的分布式数据管理及计算、WebGIS和B/S体系结构，用户可以实现远程空间数据调用、检索、查询、分析，具有联机事务管理（OLTP）和联机分析（OLAP）管理能力。

（3）面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合，具有矢量和遥感影像数据互动等多源数据的装载与融合能力，可实现多尺度比例尺数据无缝融合与互动。

（4）具有统一的海量数据存储、查询和分析处理能力及基于空间数据的数据挖掘和强大的模型支持能力。

（5）具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与MIS、ERP、OA等各种企业信息化系统的无缝集成；微型、嵌入式GIS与各种掌上终端设备集成，如PDA、手机、GPS接收设备等。

（6）具有虚拟现实表达及自适应可视化能力，针对不同的用户出现不同的用户界面及地图和虚拟现实效果。

（四）GIS的应用

人类使用的信息中有80%与地理位置和空间分布有关，所以GIS具有非常广泛的应用。目前，GIS已经比较成熟地应用于军事、自然资源管理、土地和城市管理、电力、电信、石油和天然气、城市规划、交通运输、环境监测和保护、110和120快速反应系统等。

今后，GIS的应用将在市场分析、企业客户关系管理、银行、保险、人口统计、房地产开发、个人位置服务等领域得到广泛的应用，这些领域将是GIS产业发展的新的增长点。实际上，GIS的应用将加速度地深入人们的工作和生活的各个方面。GoogleEarth的流行就是GIS技术深入到日常生活每一个角落的明证。

由于地理信息在人类生活和国民经济中的重要作用，GIS在未来的几十年中将保持高速发展的势头，成为IT高科技领域的核心技术。

近几年来，随着移动通信技术的发展，GIS的应用范围迅速扩展到人们的日常生活中。集成GIS、GPS、GSM的技术已开始广泛应用于车辆安全防范系统和调度系统，为人们提供车辆反劫防盗、报警、道路指引、医疗救护以及在此系统平台基础上扩展各种电子商务增值服务。

以医疗救护为例，当患者向监控中心请求急救时，监控中心可以从GIS电子地图上查看到患者的具体位置，并同时搜索最近的急救车辆，让最近的车辆前去接患者。患者进入救护车后，监控中心可以通过双向通话功能，指导救护车上的医生实施救护治疗，同时通过GIS的最优路径功能，给救护车指引道路，使其以最快的速度到达医院或急救中心。而在救护车行进的过程中，患者的家属可以通过互联网立即上网查询救护车的行进位置及患者的状态信息。通过GIS，并结合GPS和GSM无线通信及网络，使患者、家属、救护车及医生之间建立了无缝沟通体系，最终使患者能得到快速、及时的治疗。

如果在车辆移动目标、家居固定点目标、重点保护单位甚至路灯上都安装了GPS、GSM或其他无线通信设备，那么我们在城市生活中，无论是开车、行走或者是在单位、在家里，都可以通过由GIS、GPS、互联网以及无线通信技术构成的综合服务系统获得急救、报警和各种商务服务，真正使我们处于立体的、全方位的数字化生活中，体验数字空间高科技价值。

GIS、RS、GPS等构成的空间信息技术将是未来发展最快的、最激动人心的领域之一，它结合通信及其他IT技术，为人类展现了一种全新的工作和生活模式（A.R.Mermut,H.Eswaran，2001)。当利用最新的GIS技术把城市、国家乃至整个地球都高度浓缩到计算机屏幕上的时候，人类对自己的命运和未来就有了更充分的把握。

（五）GIS与土地管理

GIS早已不限于地理学研究和应用的领域，目前已与各行各业和我们的日常生活产生了千丝万缕的联系，更重要的是它的应用领域还在不断扩大，甚至可触及企业信息化的过程中。

GIS应用于土壤科学的研究，它是现实世界的一个模型和模拟实现。土壤资源信息可以在GIS系统中进行存取、变换和对话式操作，作为土壤资源分类、评价、规划、管理与利用决策的依据，为土壤资源可持续利用服务。GIS应用于土壤学研究的各个方面，包括：①土壤制图技术及土壤采样技术；②土壤侵蚀预测与评价；③土壤资源污染与防治；④土壤养分流失评价；⑤土壤资源评价和管理；⑥作物生长模拟等。具体如1983年美国土壤保持局开发出农用土地评价和用地估计系统，系统中的农用土地评价包括土壤生产力的分等定级、土壤适宜性评价、土壤生产力潜力评价。1989年美国土壤保持局运用土壤信息系统保护土壤生态环境，控制土壤污染。1990年土壤侵蚀预测模型在土壤信息系统中已经能够成功运用，主要采用的分析手段有土壤侵蚀诺漠图、微机软件图、小溪河岸侵蚀诺漠图。

1.建立为农业生产服务的应用系统

如日本的农耕地土地资源信息系统，它包括了土壤信息系统、作物栽培试验信息系统、农业气象信息系统等子系统；保加利亚的计算机农业综合管理系统从20世纪80年代初开始运行。

进入20世纪90年代，GIS在土壤学研究领域的应用方面继续拓展，其作用和地位日益受到关注。从1994年开始的第15、16、17届国际土壤大会上持续讨论了土壤信息系统在持续农业和全球变化中的应用、土壤数据库的结构和联网等有关问题。同时，在应用上进一步趋向农业实际生产，直接服务于农场管理和经营，如进行农业技术咨询、牧场水源选点、作物生产管理、机械化施肥等方面。

中国的土壤工作者于20世纪80年代中期也开始进行土壤数据库建立、土壤信息系统的研制和应用工作。1986年底，北京大学遥感中心等主持了土壤侵蚀信息系统研究，建立了区域土壤侵蚀信息系统，这是我国较早关于土壤信息系统方面的研究。1989年，南京土壤研究所用两年时间研究了1∶50万东北三江平原土壤信息系统土壤图与数据库的建立；1990年，又研究了1∶5万江西红壤生态站土壤信息系统土壤侵蚀图；1991年，在“利用信息系统技术编制土壤退化图”研究中，应用从土壤土地数据库建立到土壤退化评价方法等一系列现代信息系统技术，编制出了实验区的土壤水蚀危害和风蚀评价图；1992年，又基本完成了海南岛土壤和土地利用信息库及信息系统制图工作。1991年，中国科学院沈阳应用生态研究所主持了“区域微机土壤信息系统的建立与应用”研究，在吉林省农安县的试验结果表明，这是一个简单但实用的土壤信息系统。1999年，胡月明等运用基本土壤数据库建立了红壤分类和评价的信息系统。

2.预测土壤空间变化及分布

由于GIS技术在土壤制图中的深入应用，怎样更准确地由有限的单个点位的土壤原始数据分析土壤属性的空间分布成为关注的焦点。具体来说，由于土壤数据库的信息来源于土壤分类、分色制图及制图的综合，产生了土壤空间分异类型的位移，而现代GIS技术又要求大量信息源，因此许多土壤科学家将兴趣集中到土壤空间变异性正确表达（即土壤图在GIS中的正确表达）的研究上。

（1）地形分析。Morre、Bourennane、Gessier和Oden等的研究均表明，某地区土壤属性与该地区的地形地貌特征和景观位置有明显的相关性，也就是与土壤的成土过程密切相关，可用下式表示：

中国耕地质量等级调查与评定（广东卷）

式中：

Si——土壤属性如土壤厚度、pH等；

i——由气候、母质、地貌历史、植被等因素决定的某地区海拔、坡度、坡形凹凸、水流长度和特定流域面积等原始地形数据可以通过一定精度的DEM计算出，复合地形数据，可以依经验判断或根据描述下垫面的物理发生过程的方程式进行简化。DEM可以由GIS技术生成，所以GIS的应用和地形分析可以提高土壤属性空间分布预测的精度。

（2）地质统计学与GIS的结合。GIS在存储、查询和显示地理数据方面发展得相当快，但在提供空间分析模块方面则发展得较慢。由于缺少通用的空间分析模块，使得GIS在解决某些空间问题中的应用受到很大的限制。

地质统计学是由南非矿山地质工程师D.G.Krige于1951年提出的，因此这一理论也以“克里格法”（Kriging）来命名，并由法国地质学家Dr.Matheron于1962年完善并创立。该学科在矿产储量研究方面起到了巨大作用。这是一种求最优、线形、无偏内插估计量值的方法（BLUE），在充分考虑信息样品的形状、大小及其与待估块段相互间的空间分布位置等几何特征以及品位的空间结构以后，利用变异函数（Varigram）为工具，对每一样品值分别赋予一定的权系数，加权平均来估计块段品位。

国内外土壤科学家已广泛地应用克里格法来预测非采样点的土壤属性，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）、协同克里格法（CK）、回归克里格法（RK）、点克里格法（PK）、块克里格法（BK）等。他们的研究还表明，在应用克里格法建立模型的时候，综合应用土壤和土地信息，如土壤分类、参比地区土壤属性、坡度、高程等，可以大大提高克里格法的插值精度，还可以降低由于测定大量样品而需要的成本，也可以减少由于样品点太少而带来的误差。我国从20世纪80年代开始利用克里格法研究土壤参数的空间变异性，2000年以后在这方面的报道已经越来越多。

近几年来，一些学者开始研究地质统计学和GIS之间的相互关系，并在GIS软件中提供一些空间分析功能。例如，美国圣巴巴拉NCGIA的SAN模型提供了在ArcGIS软件中计算和显示空间自相关和其他空间量的功能，二者的相互结合一方面可以大大加强GIS的分析功能，使大量数据所隐含的空间信息得以表达，发挥更大的作用；另一方面，也可以增强空间分析的能力。考虑到空间分析技术目前的发展十分迅速，新理论不断出现，空间分析模块已经成为GIS中的必选模块。

什么是GIS技术？

GIS是英文Geographic Information Systems的缩写，中文习惯译为地理信息系统。通常泛指用于获取、存储、查询、综合、处理、分析和显示地理空间数据及与其相关之信息的计算机系统。它是随着计算机技术和地理科学等的发展而发展起来的，它通过计算机对各种地理空间数据进行组织、管理、统计、分析和显示，生成并输出用户所需要的各种地理信息，它由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图形用户界面及系统管理人员所组成。

自从20世纪60年代初GIS概念在加拿大提出以来，随着多学科、多技术的发展和密切结合，尤其是计算机技术和空间分析理论的飞速发展，GIS的含义和应用在不断扩大，GIS技术在最近20多年内取得了惊人的发展，并广泛地应用于各个领域。例如，土地信息系统可看成是GIS技术在土地管理的具体应用，因此，GIS技术是土地信息系统建设最为关键的技术之一。

目前，GIS技术的几个发展主要表现在：

（1）三维GIS和时态GIS的发展已取得了一定进展。

（2)GIS和GPS、RS三者结合的技术日益成熟。

（3）空间数据的存储管理技术发展迅速。

随着对象—关系数据库技术的发展，将空间数据无缝集成在DBMS中已成为现实。关系数据库（RDBMS）和GIS的结合，利用RDBMS存储GIS数据，并通过RDBMS存取和操纵这些数据。新的RDBMS（如ORACLE产品）支持新的对象—关系模型，从而可以更好地支持空间数据类型（4）组件GIS技术。地理信息系统的组件化，就是采用组件（Component）技术实现地理信息系统基础平台和应用系统。其本质就是软件可复用技术。COM GIS就是采用了面向对象技术和组件软件技术的GIS系统，其基本思想是把GIS的各大功能模块划分为几个组件，每个组件完成不同的功能。各个GIS组件之间以及GIS组件与非GIS组件之间，都可以方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的GIS基础平台及应用系统。组件式GIS代表着当今GIS发展的潮流。

（5)Web GIS技术。Web GIS是在INTERNET信息发布、数据共享、交流协作基础之上实现GIS的在线查询和业务处理等功能，是Internet技术应用于GIS开发的产物。互联网（Internet），尤其是万维网（WWW），已经成为GIS的新的操作平台。GIS通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具，从WWW的任意一个节点，Internet用户可以浏览Web GIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使GIS进入千家万户。

GIS发展历史与发展趋势

经过了多年的发展，各行业对 GIS 的认识和掌握程度日益提高，GIS 本身的技术水平和软硬件设施也日臻完善，其综合性和先进性也得到充分体现，这使得 GIS 在资源环境和社会经济等领域得到了广泛应用，发挥了重大的作用。目前，GIS 应用领域已包括测绘、政府、建筑、地质、环保、农业、城乡规划、灾害监测等各个部门。

1. GIS 发展历史

回顾 GIS 发展的历史，可以归纳为三个发展阶段。20 世纪 50 年代中期到 80 年代后期，是 GIS 的开发时期，该阶段的 GIS 软件是以地图为基础进行单机、集中式处理，具有数据处理系统和管理信息系统初期设计的主要特点。80 年代末到 90 年代初是 GIS 第二个发展阶段，这一阶段 GIS 在快速发展的计算机硬件和软件支撑下得到了迅速发展，商品化GIS 软件正式进入传统的软件市场，并在各行业中得到广泛应用。90 年代中后期以来，是GIS 的第三个重要的发展历史时期，此时 GIS 普遍采用了面向对象的软件技术，极大提高了 GIS 的二次开发能力，实现了空间数据和属性数据的一体化存储。在此基础上还逐渐形成了 “3S”技术集成，在一定程度上实现了矢量数据、图像数据一体化存储、叠加和矢量-栅格数据的相互转化。

在地学应用方面，GIS 发展主要经历了以下几个阶段: 20 世纪 70 年代末，一些数学地质专家、遥感地质专家、计算机地学处理专家积极开展了这方面应用工作; 80 年代中后期，GIS 的地学应用特别是矿产资源评价预测处于实验成熟期; 进入 90 年代，GIS 在地学和其他领域得到空前广泛应用; 90 年代初期，美国矿产资源评价预测广泛应用了包括GIS 在内的计算机信息处理技术，90 年代中后期，GIS 在矿产预测方面采用了多种数学模型，如模糊逻辑法、代数法、神经网络法，这些工作极大地推动和丰富了地学研究与 GIS的结合。

2. GIS 未来发展趋势

从系统角度看，在未来的几十年内，GIS 将向着数据标准化 ( Interoperable GIS) 、数据多维化 ( 3D/4D GIS) 、系统集成化 ( Component GIS) 、平台网络化 ( Web GIS) 和应用社会化 ( 数字地球，DE) 的方向发展。

互操作地理信息系统 ( Interoperable GIS) 是 GIS 系统集成平台，它实现在异构环境下多个地理信息的系统或其应用系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。

三维或四维地理信息系统 ( 3D/4D GIS) 是从以往静态的二维 GIS 模型向三维、四维、甚至多维的动态模型转换，从而实现利用 GIS 表达世界真三维空间数据场。目前 3DGIS 已开始应用于许多行业中，如矿山三维 GIS 的构建，地质构造模型的三维可视化，城市三维景观制作，三维可视化在固体矿产中的应用，三维可视化在地震解释中的应用，三维 GIS 在地质灾害中的应用，三维 GIS 在数字区调中的应用等。

Com GIS ( Component GIS) 是面向对象和构件技术的地理信息系统，是把 GIS 的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能，通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终 GIS 应用。

Web GIS 是 Internet 和 WWW 技术应用于 GIS 开发的产物，是实现 GIS 互操作的一条最佳解决途径。从 Internet 的任意节点，用户都可以浏览 Web GIS 站点中的空间数据，制作专题图，进行各种空间信息检索和空间分析。随着 Internet 的飞速发展，Web GIS 的发展更加广阔，它改变了 GIS 数据及应用的访问和传输方式，使 GIS 真正变成了大众使用的工具。

数字地球 ( DE) 是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识，其核心思想是用数字化手段统一处理地球问题和最大限度地利用信息资源。数字地球是 GIS 的延伸，建立数字地球的核心技术包括 GIS 与数据库、遥感、遥测、信息技术等。遥感、遥测技术用来完成数据采集、处理和识别，GIS 和数据库技术用于完成数据存储、检索、集成、融合、综合和分析，从而完成数字地球的核心功能，光缆、卫星通信技术以及计算机网络等技术则完成海量空间数据的传输任务。

gis的定义

GIS 是为解决资源与环境等全球性问题而发展起来的技

术与产业。上世纪60 年代中期，加拿大开始研究建立世界上

第一个地理信息系统(CGIS)，随后又出现了美国哈佛大学的

SYMAP 和GRID 等系统。自那时起，GIS 开始服务于经济建设

和社会生活。在北美、西欧和日本等发达国家，现在已建立

了国家级、洲际之间以及各种专题性的地理信息系统。我国

GIS 的研究与应用始于上世纪80 年代，近30 年来发展也十分

迅速，在计算机辅助绘制地图等方面开展了大量基础性的试

验与研究工作，在理论、技术方法和实践经验等方面都有了

长足的进步。

1.国外地理信息系统(GIS) 发展的4 个阶段

（1）模拟地理信息系统阶段

自19 世纪以来就得到广泛应用的地图——模拟的图形数

据库和描述地理的文献著作——模拟的属性数据库相结合，

构成了地理信息系统的基本概念模型。但是，这种模拟式的、

基于纸张的信息系统和信息过程，使得空间相关数据的存贮、

管理、量算与分析、应用极不规范、不方便和效率低下。随

着计算机科学的兴起，数字地理信息的管理与使用成为必然。

（2）学术探索阶段

上世纪50 年代，由于电子技术的发展及其在测量与制图

学中的应用，人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和

处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。1956 年，

奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随

后这一技术被各国广泛应用于土地测绘与地籍管理。1963 年，

加拿大测量学家首先提出地理信息系统这一术语，并建立了

世界上第一个地理信息系统—— 加拿大地理信息系统

（CGIS），用于资源与环境的管理和规划。稍后，北美和西欧

成立了许多与GIS 有关的组织与机构，如美国城市与区域信

息系统协会（URISA），国际地理联合会（IGU）地理数据收集

和处理委员会（CGDPS）等，极大地促进了地理信息系统

知识与技术的传播和推广应用。

（3）飞速发展和推广应用阶段

上世纪70 年代以后，由于计算机技术的工业化、标准化

与实用化，以及大型商用数据库系统的建立与使用，地理信

息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。

其结果是：①一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信

息系统（LIS）和资源与环境信息系统（GIS）；②关于GIS 软

件、硬件和项目开发的商业公司篷勃发展。到1989 年，国际

市场上有报价的GIS 软件达70 多个，并出现一些有代表性的

公司和产品。③数字地理信息的生产标准化、工业化和商品

化。④各种通用和专用的地理空间分析模型得到深入研究和

广泛使用，GIS 的空间分析能力显著增强。⑤有关GIS 的具有

技术权威和行政权威的行业机构和研究部门在GIS 的应用发

展中发挥引导和驱动作用。

（4）地理信息产业的形成和社会化地理信息系统的出现

上世纪90 年代以来，随着互联网络的发展及国民经济信

息化的推进，地理信息系统作为大的地理信息中心，进入日

常办公室和千家万户之中，从面向专业领域的项目开发到综

合性城市与区域的可持续发展研究，从政府行为、学术行为

发展到公民行为和信息民主，成为信息社会的重要技术基础。

2.国内地理信息系统(GIS)发展现状

我国对GIS 的研究起步较晚，但是近30 年来，在各级政

府和有关人士的大力呼吁和促动下，我国的地理信息系统事

业突飞猛进，成绩巨大。我国GIS 的发展可以划分为3 个阶

段。

（1）起步准备阶段（1978～1985 年）

主要在概念和理论体系的引入与建立，关于遥感分析、

制图和数字地面模型的试验研究，以及软、硬件的引进，相

应规范的研究，局部系统或试验系统的开发研究，为GIS 的

全面发展奠定基础。

（2）加速发展阶段（1985～1995 年）

GIS 作为一个全国性的研究与应用领域，进行了有计划、

有目标、有组织的科学试验与工程建设，取得一定的社会经

济效益。主要表现在：①GIS 教育与知识传播的热浪此起彼伏，

GIS 成为空间相关领域的热门话题；②GIS 建设引起各级

政府高度重视，其发展机制由学术推动演变为政府推动；③

部分城市和沿海地区GIS 建设率先进入实施阶段，并取得阶

段性成果；④出现商品化的国产GIS 软件、硬件品牌；出现

专门的GIS 的管理中心、研究机构与公司；出现专门的GIS

协会，涌现一批GIS 专门人才；出现专门的刊物与展示会；

初步形成全国性的GIS 市场。⑤在应用模式、行业模式和管

理方面作了有益的探索。

（3）地理信息产业化阶段（1995－）

目前，我国GIS 的发展正处于向产业化阶段过渡的转折

点。能否借助国际大气候的东风，倚重国内经济高速发展的

大好形势，搭乘全球信息高速公路的快车，实现地理信息产

业化和国民经济信息化，这是国内地理信息界人士面临的严

重挑战和千载难逢的机遇。而在这一过程中，一方面需要探

索建立一套政府宏观调控与市场机制相结合的地理信息产业

模式。另一方面，则要充分总结和借鉴国内外地理信息系统

项目建设的经验和教训，掌握地理信息系统的发展动向，建

立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模

式。

（三）地理信息系统(GIS)的发展动向

近年来地理信息系统技术发展迅速，其主要的原动力来

自日益广泛的应用领域对地理信息系统不断提高的要求。另

一方面，计算机科学的飞速发展为地理信息系统提供了先进

的工具和手段，许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、

三维技术、图象处理和人工智能技术都可直接应用到地理信

息系统中。下面对当前地理信息系统研究中的几个热点研究

领域作一介绍。

1.GIS 中面向对象技术研究

面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供

了一条适合于人类思维模式的方法，面向对象的技术在GIS

中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS 的发展方向。这是

因为空间信息较之传统数据库处理的一维信息更为复杂、琐

碎，面向对象的方法为描述复杂的空间信息提供了一条直观、

结构清晰、组织有序的方法，因而倍受重视。面向对象的GIS

较之传统GIS 有下列优点：(1)所有的地物以对象形式封装，

而不是以复杂的关系形式存储，使系统组织结构良好、清晰；

(2)以对象为基础，消除了分层的概念；(3)面向对象的分类

结构和组装结构使GIS 可以直接定义和处理复杂的地物类型；

(4)根据面向对象后编译的思想，用户可以在现有抽象数据类

型和空间操作箱上定义自己所需的数据类型和空间操作方

法，增强系统的开发性和可扩充性；(5)基于icon 的面向对

象的用户界面，便于用户操作和使用。

2.时空系统

传统的地理信息系统只考虑地物的空间特性，忽略了其

时间特性。在许多应用领域中，如环境监测、地震救援、天

气预报等，空间对象是随时间变化的，而这种动态变化的规

律在求解过程中起着十分重要的作用。过去GIS 忽略时态主

要是受器件的限制，也有技术方面的原因。近年来，对GIS

中时态特性的研究变得十分活跃，即所谓“时空系统”。

地物除了具有三维空间中的空间性质外，如何刻画时间

维的变化也十分重要。通常把GIS 的时间维分成处理时间维

和有效时间维。处理时间又称数据库时间或系统时间，它指

在GIS 中处理发生的时间。有效时间亦称事件时间或实际时

间，它指在实际应用领域事件出现的时间。

根据处理时间和有效时间的划分，可以把时空系统分为4

类：静态时空系统、历史时态系统、回溯时态系统和双时态

系统。

(1)静态时空系统。它既不支持处理时间，也不支持有效

时间，系统只保留应用领域的一种状态，比如当前状态。(2)

历史时态系统。它只支持有效时间，这种系统适用于事件实

际发生的历史对问题求解十分重要的应用领域。(3)回溯时态

系统。它只支持处理时间，这种系统适用于信息系统的历史

对问题求解十分重要的应用领域。(4)双时态系统。它同时支

持处理时间和有效时间。处理时间记录了信息系统的历史，

有效时间记录了事件发生的历史。 时空系统主要研究时空模

型，时空数据的表示、存储、操作、查询和时空分析。

3.地理信息建模系统

通用GIS 的空间分析功能对于大多数的应用问题是远远

不够的，因为这些领域都有自己独特的专用模型，目前通用

的GIS 大多通过提供进行二次开发的工具和环境来解决这一

问题。二次开发工具的一个主要问题是它对于普通用户而言

过于困难。而GIS 成功应用于专门领域的关键在于支持建立

该领域特有的空间分析模型。GIS 应当支持面向用户的空间分

析模型的定义、生成和检验的环境，支持与用户交互式的基

于GIS 的分析、建模和决策。这种GIS 系统又称为地理信

息建模系统(GIMS)。GIMS 是目前GIS 研究的热点问题之一。

GIMS 的研究有几个值得注意的动向。(1)面向对象在GIS

中的应用。面向对象技术用对象(实体属性和操作的封装)、

对象类结构(分类和组装结构)、对象间的通讯来描述客观世

界，为描述复杂的三维空间提供了一条结构化的途径。这种

技术本身就为模型的定义和表示提供了有效的手段，因而在

面向对象GIS 基础上研究面向对象的模型定义、生成和检验，

应当比在传统GIS 上用传统方法要容易得多。(2)基于icon

的用户建模界面。建模过程中的对象和空间分析操作均以

icon 形式展示给用户，用户亦可自定义icon。用户在对icon

的定义、选择和操作中完成模型的定义和检验。这种方法较

之AML 这类宏语言要方便和直观得多。(3)GIS 与其他的模型

和知识库的结合。这是许多应用领域面临的一个非常实际的

问题，即存在GIS 之外的模型和知识库如何与GIS 耦合成一

个有机整体。

4.GIS 将往高维化发展

GIS 在矿山与地质领域的应用受到很大限制的重要原因

是其在处理三维问题上的不足。现有的GIS 软件虽然可以用

数字高程模型来处理空间实体的高程坐标，但是由于他们无

法建立空间实体的三维拓扑关系，使得很多真三维操作难以

实现，因而人们将现有的GIS 称为二维GIS 或2.5 维GIS。矿

山、地质以及气象、环境、地球物理、水文等众多的应用领

域都需要三维GIS 平台来支持他们大量的真三维操作。空间

可视化技术是指在动态、时空变换、多维的可交互的地图条

件下探索视觉效果和提高视觉效果的技术。虚拟现实(VR)技

术，也称虚拟环境和人工现实，已在游戏中成功使用。运用

空间可视化技术和虚拟现实技术进行地形环境仿真，真实再

现地景，用于交互式观察和分析，提高对地形环境的认知效

果，是今后三维GIS 可视化发展的一个重点。四维GIS（4DGIS）

一般是指在原有的三维GIS 基础上加入时间变量而构成的

GIS。许多人认为地质特征是不变的，但实际上大部分地质特

征是动态的、变化的，不是所有地质情况都是变化缓慢的，

水灾、地震、暴风雨以及滑坡都会使局部地质条件发生快速

而巨大的变化。地质学家对4D(立体3D 加上时间第4D)的空

间——时间模型尤感兴趣。但是，增加一维将带来很大的问

题。比如数据量的几何级数增长，致使数据的采集、存取、

处理都带来一系列的问题。不过，这些问题可以在计算机技

术、数据库技术以及相关电子技术的发展而得到解决。因此，

如何设计4DGIS 并运用它来描述和处理地理对象的时态特征

是一个重要的发展领域。

名称栏目：面向对象技术与GIS 面向对象技术与uml
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