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摘 要： 本文根据国内外在地理信息系统方面的进展，就地理信息系统的科学概念、基本构成和它的以下一些发展趋势做了讨论：（1）地理信息系统是构成地理学日臻完善的技术体系的重要部分；（2）空间分析功能是系统研究和应用的主要目标；（3）系统最重要的技术问题是管理和存储大量空间数据结构；（4）综合性的发展特色日益明显；（5）标准化和智能型的发展方向已引起关注。
关键词： 地理信息系统；地理信息系统的发展；地理信息系统的构成；空间数据处理和分析
地理信息系统是20世纪60年代中期开始逐渐发展起来的一门新的技术工具。由于20世纪40年代和20世纪50年代计算机科学、地图学和航空摄影测量技术的进展，逐渐产生利用计算机汇总各种来源的数据，借助计算机处理和分析这些数据，最后通过计算机输出一系列结果，作为决策过程的有用信息，这就是最早产生的地理信息系统的基本框架。随着地理信息系统作用的日益增加，系统设计和研究工作的不断深入已经导致新一代地理信息系统的建立。由于人类对资源与环境研究的深入以及国际间信息交流的需要，建立国际间或全球的地理信息系统已经引起许多国际性组织的注意，例如欧洲经济共同体于 1985 年正式宣布联合设计提供全欧环境信息的地理信息系统CORINE（Coordinated Information on the European Environment），联合国环境计划署（UNEP）已经建立了全球环境监测系统GEMS和全球资源信息数据库GRID，国际科学联合会（ICSU）也正在考虑提出建立监测生物圈和地球空间变化的地理信息系统。本文就地理信息系统的一些基本问题和它的发展，提出些粗浅的看法。
所谓地理信息系统，简称GIS，是在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的技术工具。或者简单地说，地理信息系统就是综合处理和分析空间数据的一种技术工具，例如加拿大的CGIS和美国的ARC/INFO等都是这种典型的处理和分析空间数据的技术工具。它一般由以下四部分组成（图1）。
（1）地理要素的编码和输入。按照地理坐标或特定的地理范围，采集地理要素的点、线、面信息，通过量化和编辑处理，然后将数据输入系统。
（2）数据管理和检索。利用存储设备建立数据库。数据库是地理信息系统的关键之一，它保证系统数据的有效提取、检索、更新和共享。数据管理和检索的有效性取决于所采用的数据编码方法和文件结构的设计。
图1 地理信息系统的构成
Fig.1 Basic components of a GIS
（3）数据的处理和分析。数据处理和分析是地理信息系统功能的主要体现，也是系统应用数字方法的主要动力，其目的是为了取得系统应用所需要的信息，或对原有信息结构形式的转换。
（4）数据传输与显示。系统将分析和处理的结果传输给用户，它以各种恰当的形式（报表、统计分析、查询应答或地图）显示在屏幕上，或输出在硬拷贝上，提供应用。
现有运行中的地理信息系统，据1980年统计将近100个，1983年在北美连自动制图系统在内共有1 000 多个，据估计到 20 世纪 80 年代末光北美一个地区可能增至4 000多个。它们广泛应用于自然资源的清查评价，土地潜力与适宜性分析，环境动态监测与预报，作物播种面积估算与大型工程的有效分析，人口预测，区位分析，以及市场、交通和城市的规划与管理等，充分展示了地理信息系统广阔的应用前景与技术潜力。
如前所述，地理信息系统从最早的基本框架到成为一门独立发展的新领域，经历过二十个年头。目前它明显地体现出多学科交叉的技术特征，这些交叉的学科包括地理学、地图学、计算机科学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学，以及一切与处理和分析空间数据有关的学科；它具有自己独立的研究任务，这就是以数字形式综合或分析空间信息；它拥有自己专门的学术刊物（International Journal of Geographical Information System）、领导机构（Commission on Geographical Data Sensing and Processing，IGU）和实验室（例如陈述彭教授领导和组建的中国科学院资源与环境信息系统实验室，以及美国纽约州立大学布法罗校区地理系地理信息系统实验室等）。地理信息系统既是综合性的技术方法，其本身又是研究实体和应用工具。它的发展，具有下述主要的趋势。
（1）构成地理学日臻完善的技术体系。近三十年来，以信息论、控制论和系统论为先导，加之耗散结构、突变理论和协同学理论的引用，使地理学以一种前所未有的崭新面貌出现。如果新理论造就地理学向上的跃迁，则地理信息系统技术的兴起，使地理学逐步跻身精密科学的行列。地理信息系统、遥感技术和自动制图技术三者有机结合，构成科学地理学日臻完善的技术体系，引起世界各国的普遍重视。信息作为一种资源，在国家经济开发和建设中起着日益重要的作用，地理信息系统既提供信息服务（查询、检索），又提供综合分析（空间分析、系统分析），它的博才（资源和技术）取胜和运筹帷幄的优势，是遥感技术和自动制图技术所不及的。遥感技术可以为资源开发和环境监测提供丰富的宏观信息，并为信息系统和制图系统的数据更新提供可靠的数据源，但是对浩如烟海的社会经济统计数据、人类活动的信息和各级行政边界信息，遥感技术却无法解决；自动制图技术为地理信息的时空分布和产品输出提供先进的手段，但是涉及区域综合、方案优选和战略决策等重大目标的管理，只有依靠信息系统才能解决。因此，只有信息系统、遥感技术和自动制图技术的结合，才能“不仅使遥感所获取的瞬时信息，经过积累和延伸，具备反映自然历史过程和人为影响的趋势，而且使信息处理所需要的时间，压缩到自然灾害形成过程之内，去赢得预测预报的时间”。例如，1979年3月发生美国三里岛核电站事故，由于当时美国已经建成地理信息提取与分析系统GIRAS，很快向政府和决策者提供不同受害圈内的土地性质、人口密度、地形和气象条件等，不但快速显示灾变范围和位置，而且准确地指出人员和物资疏散的安全通路，使决策过程控制在24小时之内。可见，信息系统对于灾害防治的重要意义。信息系统、遥感技术和自动制图之间的关系如图2所示。
图2 地理信息系统的适用领域和方法（据陈述彭，1983）
Fig.2 Comprehensive utilization and methodlogy of a GIS
（2）空间分析功能日趋加强。空间分析功能的完善已成为地理信息系统应用和研究的主要目标。早期的地理信息系统一般缺乏分析功能，常常发生与机助制图和机助设计相混淆的现象，随着地理信息系统在数量、规模、复杂性和应用深度的提高，空间分析和空间统计已成为地理信息系统独立的研究领域，成为区别于其他类型的空间系统（例如自动制图系统）的主要标志。这些分析功能（图3）给用户提供了解决各种专业问题的有效途径。例如多边形叠置分析，通过逐次给出两个变量子集之间的“交”“补”“并”的运算，可以解决土地潜力与适宜性的分类、土地资源评价、土地利用规划，以及区域内各类用地面积的统计计算。每一种空间分析方法，分别对应着各自独特的功能，通过这些不同功能的顺序组合，如同建立代数方程，可以完成各种复杂的运算，进行综合地理研究，开展区域系统分析，解决较为复杂的研究和应用课题，直接为规划和建设服务。
图3 地理信息系统的空间分析系统
Fig.3 Spatial analysis functions of a GIS
（3）数据结构的研究更加深入。在地理信息系统技术中，数据结构是最活跃的研究领域，因为它是系统的物理基础，不仅决定了系统数据管理的有效性，而且是系统灵活性的关键。由于地理信息系统研究的是空间实体，这些实体包含着点线面和连续分布等多种类型，实体之间既有纵横的外部联系，又有图形和属性的内在连接。正确地反映实体的这些复杂的关系，有效地解决庞大的信息量和检索速度之间的统一，这是数据结构设计要研究的重要课题。R.F.Tomlinson指出，“数据结构和算法是地理信息系统今后主要的研究任务。”
目前地理信息系统的数据结构有两种主要的发展趋势。一是空间数据库文件结构：包括点记录文件结构、多边形结构、栅格结构，及其组成的系统。这类系统有DIME（双重独立地图编码）、POLYVERT（多变形转换编码）和在DIME基础上发展的TIGER（地理属性和空间坐标的拓扑连接编码）等。TIGER于1988年完成人口统计数据与数字地图的自动连接，构成世界上最大的地理数据库。二是关系数据库管理结构：它将几何数据与属性数据分别管理，关系数据库管理非图形的数据，然后通过公共数据项，实现两种数据的自动连接。ARC/INFO是这类数据结构的代表（图4），它的最大优点是提高了属性数据的管理效能，更便于多种地理要素的输入和存储，更有利于数据文件的叠加分析。
图4 ARC/INFO数据结构
Fig.4 An example of ARC/INFO data structure
无论上述哪一种结构形式，都利用拓扑学原理来描述地理实体的空间位置之间的逻辑关系，而且其编码的空间目标包括点、线、链、多边形、覆盖层、包络区和图幅。这标志着地理信息系统的数据结构，在保持空间数据的拓扑性质的同时，进一步扩充了空间数据的层次和分块的性质，以提高空间数据的检索速度和处理效率。
（4）综合性的发展特色日益明显。现代地理信息系统的设计日益表现出明显的综合性特色，这是由它的多元性学科的性质和应用功能的要求所决定的。信息系统的综合性首先包括系统输入数据的完整性、系统的遥感影像数据与地图矢量数据的结合（称为综合地理信息系统IGIS），以及系统使用的矢量数据与栅格数据的相互兼容。综合地理信息系统已成为许多研究中心的主要研究方向，因为遥感数据在环境动态监测、自然灾害防治以及土地利用分类等方面，具有其他类型数据无法代替的优越性。这类系统一般以功能较强的图像处理系统为基础，通过对遥感影像进行专题分类，然后对分类后的栅格影像（像元）进行矢量化（多边形），最后以弧段格式存入数据库，以便与其他来源的数据进行匹配，提供分析应用。地理信息系统综合性特色的另一个显著表现，是综合应用各学科开发的方法，这些方法从面向独立工具的设计原则，逐渐转向面向产品的设计原则，即对工具进行综合管理，为系统用户提供了方便。
（5）标准化和智能型的发展方向已引起关注。制定统一的规范和标准是信息资源共享的基础。日本、法国和加拿大等国家都十分注意全国性的统一规划和标准。我国吸取国际的教训，国家科委组织专门的研究组，开展关于资源与环境信息系统国家规范的研究，以便科学而准确地规定系统中普遍涉及的内容分类、数据格式、控制体系、精度标准和技术名词等，以保证不同系统数据之间的交换。许多国家开始注意应用软件工程作为统一开发系统软件的工具，以提高系统设计的合格率、灵活性和运行效能。20世纪80年代开始的以知识为对象的信息处理，注意利用人工智能（AI）的方法，通过LISP语言及专家知识的规则，建立知识库，发展专家系统，例如美国加州大学圣巴巴拉分校研制的智能型地理信息系统KBGIS－Ⅱ就是其中的代表。利用这种智能型的地理信息系统来解决不能用算法处理的复杂问题，将使地理信息系统的应用领域获得更大的拓宽。
［1］Tomlinson R F.Proceedings of International Workshop on Geographic Information System，BEIJING’7.1987.
［2］Coppock J T，Anderson E K. Editiovial Review，International Journal of Geographical Information Systems，1987，1（1）.
［3］Tomlinson R F.The Development of Geographic Information Systems［C］//the Canada－China Bilateral Symposium on Territorial Development and Management.Beijing，China，1996.
［4］陈述彭.地理信息系统的探索与试验，地理科学，1983，3（4）：287－302.
Abstract： Based on the progress of geographic information systems （GIS）in different countries，the difinition and basic components of a GIS were involved，and five trends relating to the development of GIS were discussed.These trends are as follows：
（1）The GIS has become an important component of a being perfected technical system applied to geography；
（2）Performing various types of spatial analysis represents a major aim in applications and research of GIS；
（3）The most important technical topic within the field of GIS concerns the spatial data structures；
（4）The integration of approaches and procedures within a single system is becoming increasingly evident；
（5）A great attention has been paid to the research on the standardization and artificial intelligence techniques.
Key words： geographic information system （GIS）；development of GIS；basic components of a GIS；spatial data manipulation and analysis