1.6 地理信息系统

1.6.1 地理数据与信息

地理数据是一种特殊的数据，是以符号化的形式对各种地理特征和现象间关系进行表示，地理数据主要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，以及体现这些属性之间相互关系的数据集合。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）。属性特征数据有时又称为非空间数据，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。时域特征数据用于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关注。空间位置、属性特征及时域特征构成了地理空间分析的三大基本要素 ^[21] 。

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 ^[21] 。

1.6.2 定义

当今社会，人们非常依赖计算机及计算机处理过的信息。在计算机时代，信息系统部分或全部由计算机系统支持，因此，计算机硬件、软件、数据和用户是信息系统的四大要素。其中，计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备；软件是支持数据信息的采集、存储加工、再现和回答用户问题的计算机程序系统；数据则是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；用户是信息系统所服务的对象 ^[22] 。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）有时又称为地学信息系统，是一种建立在计算机软、硬件系统基础上，用于获取、存储、查询、分析和显示地理空间数据的计算机知识系统，在与空间定位有关的活动中起着很关键的作用，是一种十分重要的空间信息系统 ^[21] 。

虽然地理信息系统被缩写为“GIS”，但其中的“S”包含四层意思 ^[21] 。

（1）系统（System）。从技术层面来理解，GIS是一个系统，面向地理信息，对其和其子集所包含的数据进行管理、分析、加工和生成。这个建立在计算机软、硬件基础上的知识系统的主要特征是其对地理数据的管理和分析能力，因此，在技术层面看待地理信息系统，意味着建立系统的主要目的是对地理数据进行管理和分析，以解决一定的问题。

（2）科学（Science）。广义上的地理信息系统，是指一个具有理论和技术的科学体系，意味着研究存在于GIS和其他地理信息技术后面的理论与观念（GIScience）。

（3）服务（Service）。随着遥感信息技术、互联网技术、计算机技术等的应用和普及，地理信息系统的概念已经从单纯的技术型系统（System）和研究型科学（Science）逐步向地理信息服务（Service）主体层面转移，如导航需要催生了导航GIS的诞生，著名的搜索引擎Google也增加了Google Earth功能，GIS已成为人们日常生活中的一部分。当同时论述GIS技术、GIS科学或GIS服务时，为避免混淆，一般用GIS表示技术，GIScience或GISci表示地理信息科学，GIService或GISer表示地理信息服务。

（4）研究（Studies）。地理信息系统研究的是有关地理信息技术引起的社会问题，如法律问题、私人或机密主题、地理信息的经济学问题等。

1.6.3 历史与发展现状

与有着上千年历史、主要承载文字内容的百科全书相比，广义上的地理信息系统也有着上万年的发展历史，从远古时期的画在洞穴里的壁画到现代普通民众拿在手里的手机地图，地理信息系统也经历了相当漫长的发展历程。

（1）早在计算机软、硬件系统作为地理信息系统的载体诞生之前，各种形态的地理信息系统就已经被人类创造出来并用于物质生产、社会管理、文化艺术、公共卫生等各个行业领域。在15000多年前，在拉斯科（Lascaux）附近的洞穴壁上，法国的Cro-Magnon猎人画下了他们所捕猎动物的图画。与这些动物图画相关的是一些描述迁移路线和轨迹的线条和符号。这些早期记录符合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。这种地理信息系统的雏形是人类早期食物摄取活动的重要辅助工具；18世纪地形图绘制的现代勘测技术得以实现，这种技术大大提高了人类在社会管理等方面的能力，例如，科学方面或人口普查资料。英国内科医生John Snow在1854年，用点来代表个例，描绘了伦敦的霍乱疫情，并最终终止了疫情暴发。图1.5所示为John Snow和他著名的“霍乱地图”。20世纪初期将图片分成层的“照片石印术”得以发展，人们构建了当代地理信息系统的主要特征之一——图层及其使用方法 ^[23] 。

（2）随着计算机硬件系统的发展，通用的计算机绘图功能成功应用于地理信息系统。1967年，世界上第一个真正投入应用的、建立在计算机硬件基础上的地理信息系统由加拿大联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。Tomlinson R开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统（Canada Geographic Information System，CGIS），用于存储、分析和利用加拿大土地统计局（CLI）收集的关于加拿大土壤、农业、休闲、野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息数据，并增设了等级分类因素来进行分析 ^[23] 。

（3）地理信息系统及其相关技术的最新一次飞跃来源于移动互联网技术的兴起、应用和普及，具体到专门的应用，则主要以与全球卫星导航系统相结合而衍生出的个人移动服务（电子地图）的兴起和普及为核心，这种服务的蓬勃发展为地理信息系统的发展提供了广阔的前景。在个人移动服务（电子地图）领域，最受欢迎的应用是Google Map，该应用由Google于2004年收购Where 2 Technologies公司并在其产品之上进行进一步开发而推出，目前是一款横跨PC端和个人移动端的地理信息应用系统。2013年8月，它被确定为全球最受欢迎的智能手机应用程序，超过54%的全球智能手机用户至少使用过一次。2017年，除了YouTube、Chrome、Gmail、搜索和Google Play等其他一些服务，Google Map还覆盖了超过10亿用户 ^[24] 。

1.6.4 全球卫星导航系统

地理信息系统主要依靠全球卫星导航系统这一专门主体为用户提供位置定位服务。全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度及时间信息的空间无线电导航定位系统 ^[25] 。

目前已建成或在建的全球卫星导航系统包括美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧洲的伽利略系统、中国的北斗系统。其中，GPS系统是目前技术最完善、最成熟、功能最齐全、应用最广泛、使用历史最长的全球卫星导航系统。

1.6.5 全球卫星导航系统的主要构成及其功能

全球卫星导航系统主要由三部分构成：地面控制部分、空间部分、用户装置部分。图1.6所示为利用24颗卫星进行全球导航的全球定位系统 ^[26] 。

地面控制部分由主控站、地面天线、监测站及通信辅助系统组成，负责与卫星的控制系统连接，收集卫星传回的信息，计算星历、相对距离、大气校正等数据，为卫星的正常运行提供必要的地面条件，并监控各个卫星的运行状态，保证所有卫星的正常运行 ^[26] 。

空间部分由均匀分布在6个轨道平面的24颗卫星组成，位于地表20200km的上空，每颗运行周期为12h，轨道倾角为55°。这种分布使得在全球任何地方、任何时间，地面接收装置都可以观测到4颗以上的卫星，并建立瞬间的直线联系，这样地面信号接收装置就能够在卫星中预存导航信息，与卫星进行信息传输，进而通过计算几颗卫星与接收装置的距离进一步计算接收装置的空间位置信息，接收整个全球定位系统的定位服务 ^[26] 。

用户装置部分则由GPS接收机和卫星天线组成，主要负责按特定的卫星截止角捕获待测卫星的信号并跟踪其运行，在接收到卫星信号后以一定的方式计算接收天线所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息，并通过用户装置部分的其他功能模块对这些信息进行进一步计算加工，接受差异化的服务，如位置定位、车辆导航、路线规划、公共交通接驳规划、周边环境监测等服务 ^[26] 。