第二章地理信息系统及相关领域现状和趋势2.1地理信息系统发展简史地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有获得、存储、编辑、处理、分析与显示地理数据的功能。地图是地理学的第二代语言，而地理信息系统将成为地理学的第三代语言。二十世纪六十年代初，在计算机图形学的基础上出现了计算机化的数字地图。1950年，麻省理工学院为它的旋风一号计算机制造了第一台图形显示器：1958年，美国的一公司在联机的数字记录仪的基础上研制成滚筒式绘图仪；1962年，麻省理工学院的一名研究生在其博士学位论文中，首次提出了计算机图形学的术语，并论证了交互式计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确立了这一科学分支的独立地位。在此基础上，地理信息系统发展起来。六十年代开拓发展阶段六十年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析和制作，由于机助制图具有快速、廉价、灵活多样、易于更新、操作简便、质量可靠、便于存储、量测、分类、合并和覆盖分析等优点而迅速发展起来。六十年代中期，由于对于自然资源和环境的规划管理和应用加速增长的需要，对大量空间环境数据存储、分析和显示技术方法改进的要求，以及计算机技术及其在自然资源和环境数据处理中应用的迅速发展，促使对地图进行综合分析和输出的系统日益增多。六十年代中后期，许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立并开展工作，如美国城市和区域系统协会（URISA）在1966年成立，美国州信息系统全国协会（NASIS）在1969年成立，城市信息系统跨机构委员会（UAAC）在1968年成立，国际地理联合会（IGU）的地理数据遥感和处理小组委员会在1968年成立等。这些组织和机构相继组织了一系列地理信息系统的国际讨论会。最初的系统主要是关于城市和土地利用的，如加拿大地理信息系统（CGIS）就是为处理加拿大土地调查获得的大量数据建立的。该系统由加拿大政府组织于1963年开始研制实施，到1971年投入正式运行，被认为是国际上最早建立的，较为完善的大型使用的地理信息系统由于计算机硬件系统功能较弱，限制了软件技术的发展。这一时期地理信息系统软件的研制主要是针对具体的GIS应用进行的，到六十年代未期，针对GIS
第二章 地理信息系统及相关领域现状和趋势 2.1 地理信息系统发展简史 地理信息系统脱胎于地图，它们都是地理信息的载体，具有获得、存储、编 辑、处理、分析与显示地理数据的功能。地图是地理学的第二代语言，而地理信 息系统将成为地理学的第三代语言。二十世纪六十年代初，在计算机图形学的基 础上出现了计算机化的数字地图。1950 年，麻省理工学院为它的旋风一号计算 机制造了第一台图形显示器；1958 年，美国的一公司在联机的数字记录仪的基 础上研制成滚筒式绘图仪；1962 年，麻省理工学院的一名研究生在其博士学位 论文中，首次提出了计算机图形学的术语，并论证了交互式计算机图形学是一个 可行的、有用的研究领域，从而确立了这一科学分支的独立地位。在此基础上， 地理信息系统发展起来。 六十年代开拓发展阶段 六十年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析和制作，由于机助制图具 有快速、廉价、灵活多样、易于更新、操作简便、质量可靠、便于存储、量测、 分类、合并和覆盖分析等优点而迅速发展起来。六十年代中期，由于对于自然资 源和环境的规划管理和应用加速增长的需要，对大量空间环境数据存储、分析和 显示技术方法改进的要求，以及计算机技术及其在自然资源和环境数据处理中应 用的迅速发展，促使对地图进行综合分析和输出的系统日益增多。 六十年代中后期，许多与 GIS 有关的组织和机构纷纷建立并开展工作，如 美国城市和区域系统协会（URISA）在 1966 年成立，美国州信息系统全国协会 （NASIS）在 1969 年成立，城市信息系统跨机构委员会（UAAC）在 1968 年成 立，国际地理联合会（IGU）的地理数据遥感和处理小组委员会在 1968 年成立 等。这些组织和机构相继组织了一系列地理信息系统的国际讨论会。 最初的系统主要是关于城市和土地利用的，如加拿大地理信息系统（CGIS） 就是为处理加拿大土地调查获得的大量数据建立的。该系统由加拿大政府组织于 1963 年开始研制实施，到 1971 年投入正式运行，被认为是国际上最早建立的、 较为完善的大型使用的地理信息系统。 由于计算机硬件系统功能较弱，限制了软件技术的发展。这一时期地理信息 系统软件的研制主要是针对具体的 GIS 应用进行的，到六十年代末期，针对 GIS
一些具体功能的软件技术有了较大进展。第一，栅格一一失量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等方法得以发展，开辟了分别处理图形和属性数据的途径；第二，具属性数据的单张或部分图幅可以与其他图幅或部分在图边自动拼接，从而构成一幅更大的图件，使小型计算机能够分块处理较大空间范围（或图幅）的数据文件；第三，采用命令语言建立空间数据管理系统，对属性再分类、分解线段、合并多边形、改变比例尺、测量面积、产生图和新的多边形、按属性搜索、输出表格和报告以及多边形的叠加处理等。这一时期的软件主要针对当时的主机和外设开发的，算法尚嫌粗糙，图形功能有限。2.2七十年代巩固阶段进入七十年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存取设备一一硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能促使GIS朝着使用方向迅速发展。一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。如美国森林调查局发展了全国林业统一使用的资源信息显示系统；美国地质调查所发展了多个地理信息系统用于获取和处理地质、地理、地形和水资源信息较典型的有GIRAS；日本国土地理院从1974年开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息，为国家和地区土地规划服务：瑞典在中央、区域和市三级上建立了许多信息系统，比较典型的如区域统计数据库、道路数据库、土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等：法国建立了地理数据库GITAN系统和深部地球物理信息系统等。此外，探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视，如将遥感纳入地理信息系统的可能性、接口问题以及遥感支持的信息系统的结构和构成等问题；美国喷气推动实验室（JPL）在1976年研制成功兼具影像数据处理和地理信息系统功能的影像信息系统IBIS（ImageBasedInformationSystem），可以处理Landsat影像多光谱数据；NASA的地球资源实验室在1979年至1980年发
一些具体功能的软件技术有了较大进展。 第一，栅格——矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等 方法得以发展，开辟了分别处理图形和属性数据的途径； 第二，具属性数据的单张或部分图幅可以与其他图幅或部分在图边自动拼 接，从而构成一幅更大的图件，使小型计算机能够分块处理较大空间范围（或图 幅）的数据文件； 第三，采用命令语言建立空间数据管理系统，对属性再分类、分解线段、合 并多边形、改变比例尺、测量面积、产生图和新的多边形、按属性搜索、输出表 格和报告以及多边形的叠加处理等。 这一时期的软件主要针对当时的主机和外设开发的，算法尚嫌粗糙，图形功 能有限。 2.2 七十年代巩固阶段 进入七十年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量 存取设备——硬盘的使用，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有力 的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能， 促使 GIS 朝着使用方向迅速发展。一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同 规模、不同类型的各具特色的地理信息系统。如美国森林调查局发展了全国林业 统一使用的资源信息显示系统；美国地质调查所发展了多个地理信息系统用于获 取和处理地质、地理、地形和水资源信息较典型的有 GIRAS；日本国土地理院从 1974 年开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信 息、行政区划、土地利用、地形地质等信息，为国家和地区土地规划服务；瑞典 在中央、区域和市三级上建立了许多信息系统，比较典型的如区域统计数据库、 道路数据库、土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统 等；法国建立了地理数据库 GITAN 系统和深部地球物理信息系统等。 此外，探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视，如将遥感纳入 地理信息系统的可能性、接口问题以及遥感支持的信息系统的结构和构成等问 题；美国喷气推动实验室（JPL）在 1976 年研制成功兼具影像数据处理和地理信 息系统功能的影像信息系统 IBIS（Image Based Information System），可以 处理 Landsat 影像多光谱数据；NASA 的地球资源实验室在 1979 年至 1980 年发
展了一个名为ELAS的地理信息系统，该系统可以接受LandsatMSS影像数据、数字化地图数据、机载热红外多波段扫描仪以及海洋卫星合成孔径雷达的数据等，产生地面覆盖专题图。由于这一时期GIS的需求增加，许多团体、机构和公司开展了GIS的研制工作，推动GIS软件的发展。据IGU地理数据遥测和处理小组委员会1976年的调查，处理空间数据的软件已有600多个，完整的GIS有80多个。这一时期地图数字化输入技术有了一定的进展，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工作效率，扫描输入技术系统出现。图形功能扩展不大，数据管理能力也较小。这一时期软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。2.3八十年代突破阶段由于计算机的发展，推出了图形工作站和个人计算机等性能价格比大为提高的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。随着计算机软、硬件技术的发展和普及，地理信息系统也逐渐走向成熟。这一时期是地理信息系统发展的重要时期。计算机价格的大幅度下降，功能较强的微型计算机系统的普及和图形输入，输出和存储设备的快速发展，大大推动了地理信息系统软件的发展，并研制了大量的微机GIS软件系统。由于微机系统的软件环境限制较严，使得在微机GIS中发展的许多算法和软件技术具有很高的效率，GIS软件技术在以下几个方面有了很大的突破。在栅格扫描输入的数据处理方面，尽管扫描数据的处理要花费很长的机时（与扫描时间相比为10：1），但是仍可大大提高数据输入的效率；在数据存储和运算方面，随着硬件技术的发展，GIS软件处理的数据量和复杂程度大大提高，许多软件技术固化到专用的处理器中；而且遥感影像的自动校正、实体识别、影像增强和专家系统分析软件也明显增加；在数据输出方面，与硬件技术相配合，GIS软件可支持多种形式的地图输出：在地理信息管理方面，除了DBMS技术已发展到支持大型地图数据库的水平外，专门研制的适合GIS空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大的发展。总之，这一时期的地理信息系统的发展有如下特点：第一，在七十年代技术开发的基础上，地理信息系统技术全面推向应用；第二，开展工作的国家和地区更为广泛，国际合作日益加强，开始探讨建立国际性的地理信息系统，地理信息系统由发达国家推向发展中国家，如中国：
展了一个名为 ELAS 的地理信息系统，该系统可以接受 Landsat MSS 影像数据、 数字化地图数据、机载热红外多波段扫描仪以及海洋卫星合成孔径雷达的数据 等，产生地面覆盖专题图。 由于这一时期 GIS 的需求增加，许多团体、机构和公司开展了 GIS 的研制工 作，推动 GIS 软件的发展。据 IGU 地理数据遥测和处理小组委员会 1976 年的调 查，处理空间数据的软件已有 600 多个，完整的 GIS 有 80 多个。这一时期地图 数字化输入技术有了一定的进展，采用人机交互方式，易于编辑修改，提高了工 作效率，扫描输入技术系统出现。图形功能扩展不大，数据管理能力也较小。这 一时期软件最重要的进展是人机图形交互技术的发展。 2.3 八十年代突破阶段 由于计算机的发展，推出了图形工作站和个人计算机等性能价格比大为提高 的新一代计算机，计算机和空间信息系统在许多部门广泛应用。随着计算机软、 硬件技术的发展和普及，地理信息系统也逐渐走向成熟。这一时期是地理信息系 统发展的重要时期。计算机价格的大幅度下降，功能较强的微型计算机系统的普 及和图形输入、输出和存储设备的快速发展，大大推动了地理信息系统软件的发 展，并研制了大量的微机 GIS 软件系统。由于微机系统的软件环境限制较严，使 得在微机 GIS 中发展的许多算法和软件技术具有很高的效率，GIS 软件技术在以 下几个方面有了很大的突破。在栅格扫描输入的数据处理方面，尽管扫描数据的 处理要花费很长的机时（与扫描时间相比为 10：1），但是仍可大大提高数据输 入的效率；在数据存储和运算方面，随着硬件技术的发展，GIS 软件处理的数据 量和复杂程度大大提高，许多软件技术固化到专用的处理器中；而且遥感影像的 自动校正、实体识别、影像增强和专家系统分析软件也明显增加；在数据输出方 面，与硬件技术相配合，GIS 软件可支持多种形式的地图输出；在地理信息管理 方面，除了 DBMS 技术已发展到支持大型地图数据库的水平外，专门研制的适合 GIS 空间关系表达和分析的空间数据库管理系统也有了很大的发展。 总之，这一时期的地理信息系统的发展有如下特点： 第一，在七十年代技术开发的基础上，地理信息系统技术全面推向应用； 第二，开展工作的国家和地区更为广泛，国际合作日益加强，开始探讨建立 国际性的地理信息系统，地理信息系统由发达国家推向发展中国家，如中国；
第三，地理信息系统技术进入多种学科领域，从比较简单的、单一功能的分散的系统发展到多功能的、共享的综合性信息系统，并向智能化发展，新型的地理信息系统将运用专家系统知识，进行分析、预报和决策：第四，微机地理信息系统蓬勃发展，并得到广泛应用。在地理信息系统理论指导下研制的地理信息系统工具具有高效率和更强的独立性和通用性，更少依赖于应用领域和计算机硬件环境，为地理信息系统的建立和应用开辟了新的途径。我国地理信息系统方面的工作自八十年代初开始。以1980年中国科学院遥感应用研究所成立的全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制定、局部系统建立、初步应用实验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为全国范围内开展地理信息系统的研制和应用奠定了基础。2.4九十年代社会化阶段进入九十年代，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，地理信息系统将深入到各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。地理信息系统已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的运行方式、设置与工作计划等。而且，社会对地理信息系统认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题。自九十年代起，中国地理信息系统步入快速发展阶段。力图使地理信息系统从初步发展时期的实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。同时地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。2.5GIS的发展展望2.5.1GIS理论研究中及待解决的问题GIS理论发展的需求GIS是一门技术引导的多技术交叉的信息空间科学，它是对地理信息数据（包括图形和非图形数据，几何数据与属性数据）进行采集、存储、加工和再现，并能回答一系列问题的计算机系统，所以它必然是技术导向的。GIS不断地用新
第三，地理信息系统技术进入多种学科领域，从比较简单的、单一功能的、 分散的系统发展到多功能的、共享的综合性信息系统，并向智能化发展，新型的 地理信息系统将运用专家系统知识，进行分析、预报和决策； 第四，微机地理信息系统蓬勃发展，并得到广泛应用。在地理信息系统理论 指导下研制的地理信息系统工具具有高效率和更强的独立性和通用性，更少依赖 于应用领域和计算机硬件环境，为地理信息系统的建立和应用开辟了新的途径。 我国地理信息系统方面的工作自八十年代初开始。以 1980 年中国科学院遥 感应用研究所成立的全国第一个地理信息系统研究室为标志，在几年的起步发展 阶段中，我国地理信息系统在理论探索、硬件配制、软件研制、规范制定、局部 系统建立、初步应用实验和技术队伍培养等方面都取得了进步，积累了经验，为 全国范围内开展地理信息系统的研制和应用奠定了基础。 2.4 九十年代社会化阶段 进入九十年代，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，地理信息系统将深入到各行各业乃至各家各户，成为人们生产、生活、学习 和工作中不可缺少的工具和助手。地理信息系统已成为许多机构必备的工作系 统，尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机 构的运行方式、设置与工作计划等。而且，社会对地理信息系统认识普遍提高， 需求大幅度增加，从而导致地理信息系统应用的扩大与深化。国家级乃至全球性 的地理信息系统已成为公众关注的问题。 自九十年代起，中国地理信息系统步入快速发展阶段。力图使地理信息系统 从初步发展时期的实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提 供分析和决策依据。同时地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走 向产业化的条件。 2.5 GIS 的发展展望 2.5.1 GIS 理论研究中及待解决的问题 GIS 理论发展的需求 GIS 是一门技术引导的多技术交叉的信息空间科学，它是对地理信息数据 （包括图形和非图形数据，几何数据与属性数据）进行采集、存储、加工和再现， 并能回答一系列问题的计算机系统，所以它必然是技术导向的。GIS 不断地用新
的技术和方法来装备和发展自己，它在技术上所关注的是：数据采集；数据建模；数据的精度和系统回答问题的可信度；数据量；数据存取与保密：数据分析：用户接口；成本与效益；GIS系统的寿命；GIS系统工作的组织问题。这些技术问题，将会随着相关学科和软件、硬件手段的不断进步，而日趋完善。同时，GIS是一门以应用为目的的信息产业，即GIS也是应用导向的，即它除了具有基础性和公益性特点，服务于科学研究和造福人类外，它还具有实际应用并创造价值的广阔市场。GIS的应用可以深入到各个领域、各个机构，形成诸如资源GIS，灾害监测和防治GIS，农林牧副渔GIS等。GIS的不断发展，它既依赖于地理学、统计学和测量学这些基础学科，文取决于计算机软件技术、航天技术、遥感技术和人工智能与专家系统技术的进步与成就。它是位于地学与技术科学的边缘，但本质上已是信息科学的一个组成部分。随着GIS理论的发展与完善，以及人们对空间信息需求量的增大，为了使得GIS系统得到可持续的发展，则必须使GIS向集成化和智能化方向发展，该方向包括以下几个方面：1）图形数据和属性数据的结合：最初，图形和属性数据是完全分开的；然后，通过内部连接，将二者联系起来；再次，进行了混合处理；最后，达到完全的结合。未来GIS要求的是将二者的完全的结合。2)GIS与RS的结合：遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。相反，GIS则是遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。GIS与RS可能的结合方式包括：分开但是平行的结合（不同的用户界面、不同的工具库和不同的数据库）、表面无缝的结合（同一用户界面，不同的工具库和不同的数据库）和整体的结合（同一个用户界面、工具库和数据库）。未来要求的是整体的结合。3）GIS与GPS和CCD技术的结合：GPS是全球定位系统，利用GPS接收机，可以直接测定地面上任一点的三维坐标。GPS与GIS相结合可以实现电子导航，用于交通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作GIS实时更新。如果再加上CCD摄象机实时摄象和配以影像处理，则可以形成实时GIS运行系统，用于公路、铁路线路状况的自动监测和管理，以及作战指挥系统等。4）GIS与专家系统（ExpertSystem）的结合：由于GIS是一个基于地理数据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地
的技术和方法来装备和发展自己，它在技术上所关注的是：数据采集；数据建模； 数据的精度和系统回答问题的可信度；数据量；数据存取与保密；数据分析；用 户接口；成本与效益；GIS 系统的寿命；GIS 系统工作的组织问题。这些技术问 题，将会随着相关学科和软件、硬件手段的不断进步，而日趋完善。同时，GIS 是一门以应用为目的的信息产业，即 GIS 也是应用导向的，即它除了具有基础性 和公益性特点，服务于科学研究和造福人类外，它还具有实际应用并创造价值的 广阔市场。GIS 的应用可以深入到各个领域、各个机构，形成诸如资源 GIS，灾 害监测和防治 GIS，农林牧副渔 GIS 等。GIS 的不断发展，它既依赖于地理学、 统计学和测量学这些基础学科，又取决于计算机软件技术、航天技术、遥感技术 和人工智能与专家系统技术的进步与成就。它是位于地学与技术科学的边缘，但 本质上已是信息科学的一个组成部分。 随着 GIS 理论的发展与完善，以及人们对空间信息需求量的增大，为了使得 GIS 系统得到可持续的发展，则必须使 GIS 向集成化和智能化方向发展，该方向 包括以下几个方面： 1）图形数据和属性数据的结合：最初，图形和属性数据是完全分开的；然 后，通过内部连接，将二者联系起来；再次，进行了混合处理；最后，达到完全 的结合。未来 GIS 要求的是将二者的完全的结合。 2）GIS 与 RS 的结合：遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。 相反，GIS 则是遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。 GIS 与 RS 可能的结合方式包括：分开但是平行的结合（不同的用户界面、不同 的工具库和不同的数据库）、表面无缝的结合（同一用户界面，不同的工具库和 不同的数据库）和整体的结合（同一个用户界面、工具库和数据库）。未来要求 的是整体的结合。 3）GIS 与 GPS 和 CCD 技术的结合：GPS 是全球定位系统，利用 GPS 接收机， 可以直接测定地面上任一点的三维坐标。GPS 与 GIS 相结合可以实现电子导航， 用于交通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作 GIS 实时更新。如果再加上 CCD 摄象机实时摄象和配以影像处理，则可以形成实时 GIS 运行系统，用于公路、 铁路线路状况的自动监测和管理，以及作战指挥系统等。 4）GIS 与专家系统（Expert System）的结合：由于 GIS 是一个基于地理数 据的空间信息系统，它必须具有自动采集和处理数据的功能，而且能够智能化地