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（Geographical Information System, GIS）是一种采集、处理、存贮、管理、分析、输出地理空间数据及其属性信息的计算机信息系统。自20世纪60年代诞生以来，GIS发展迅速，应用也日趋深化和广泛，逐步融入信息技术(IT)的主流，正在成为信息产业新的增长点,是发展潜力巨大的地理信息产业的主要组成部分之一。如今GIS的应用已经成为我国国民经济和社会信息化建设的亮点，日益深入到各个专业领域和百姓日常生活中。 随着计算机技术、网络技术、数据库技术等的发展以及应用的不断深化，GIS技术的发展呈现出新的特点和趋势，基于互联网的Web GIS就是其中之一。Web GIS除了应用于传统的国土、资源、环境等政府管理领域外，也正在促进与老百姓生活息息相关的车载导航、移动位置服务、智能交通、抢险救灾、城市设施管理、现代物流等产业的迅速发展。 GIS经历了单机环境应用向网络环境应用发展的过程，网络环境GIS应用从局域网内客户/服务器（Client/Server，C/S）结构的应用向Internet环境下浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)结构的Web GIS应用发展。随着Internet的发展，Web GIS开始逐步成为GIS应用的主流，Web GIS相对于C/S结构而言，具有部署方便、使用简单、对网络带宽要求低的特点，为地理信息服务的发展奠定了基础。 然而，早期的Web GIS功能较弱，主要用于电子地图的发布和简单的空间分析与数据编辑，难以实现较为复杂的图形交互应用（如GIS数据的修改和编辑、制图）和复杂的空间分析，还无法取代传统的C/S结构的GIS应用，出现了B/S结构与C/S结构并存的局面，而C/S结构涉及客户端与服务器端之间大量数据转输，无法在互联网平台实现复杂的、大规模的地理信息服务。 随着电子政务和企业信息化（电子商务）的发展，构建由多个地理信息系统构成的信息系统体系，跨越传统的单个地理信息系统边界，实现多个地理信息系统之间的资源（包括数据、软件、硬件和网络）共享、互操作和协同计算，构建空间信息网格（Spatial Information Grid），成为GIS应用发展需要解决的关键技术问题。这要求将GIS的数据分析与处理的功能移到服务器端，通过多种类型的客户端（如PC、移动终端）上Web Browser或桌面软件调用服务器端的功能，来实现传统C/S结构GIS所具有的功能，最终使B/S结构取代C/S结构的应用，通过GIS应用服务器之间的互操作和协同计算，构建空间信息网格。 B/S结构应用已经由浏览器/网络服务器/数据服务器（Browser/Web Server/Data Server）三层架构阶段进入到浏览器/网络服务器/应用服务器/数据服务器（Browser/Web Server/Application Server/Data Server）四层架构阶段。在新的四层架构中，网络服务器和应用服务器分离，并且其间还可以插入二次开发和扩展功能，其中的应用服务器一般为支持远程调用的组件式GIS平台，或由组件式GIS平台封装而成。将GIS复杂数据分析与处理功能（编辑、拓扑关系的构建、对象关系的自动维护、制图）移到GIS应用服务器上，使客户端与服务端的数据传输减少到最少的程度，为在Internet上实现复杂、大规模的地理信息服务提供了可能。这一架构带来的巨大优势是使服务器端具有极强的扩展性，因此作为应用服务器的组件式GIS所具备的功能，都可以通过B/S结构实现，WebGIS不再是只能满足地图浏览和查询的简单软件了，而是一个体系先进，功能强大的服务器端GIS（Server GIS）。新的服务器端GIS将是未来应用的发展的主流。
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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在资源环境领域的应用方兴未艾，从技术、地理信息、经济社会的需求等方面分析，在该领域有以下趋势及建议：
应用软件数据端口应有专门化，专业化方向发展，在同类型同方向的GIS数据交流共享方向提供适当的方便，以解决GIS数据来源和数据质量难以保证的问题。
结合国家信息化推进工作，以电子政务相关工程为基础，推动GIS在资源环境管理中的推广应用。
信息化建设已成为我国各级 *** 及企业的重要任务，GIS在以资源、能源、生产、资金等空间综合配置、优化组合为目的的信息化建设中，可以发挥应有的作用；结合相应的应用工程，推动GIS的发展；
应用往专业化方向发展，功能由通用管理功能转向资源评估、监督、跟踪分析等专业功能方向发展。
随着经济社会的发展，经济社会与资源环境之间的各方面的矛盾及问题逐渐暴露出来，这些问题在时间和空间上具有诸多的关联性，分析这些问题、提出合理的解决方案建议，需要功能更专业化的GIS软件系统支持；
支持多源、多尺度、多类型集成应用的软件平台工具的开发应用。
信息获取技术的快速发展和多源化趋势，要求资源环境方面的GIS应能够接收、处理及分析多种来源、多尺度的地理信息；
促进3S技术集成应用，推动专业技术及软件的发展，全球定位系统、遥感技术与GIS的集成应用已成为GIS软件发展的趋势之一，而这种应用的发展是在应用推动的基础上建立的，针对特定的应用领域的集成化的GIS将成为资源环境领域GIS的发展方向，也是系统与业务结合的需要；
开展专业应用系统开发建设，结合资源环境各领域的需求，开发多种专业化的GIS，如针对性生态保护区、生态功能区、地下水、生物资源等领域的专业性GIS软件与管理系统。
国内GIS现状和对策
地理信息系统技术是一门综合性的技术，它的发展是与地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、信息技术等有关学科的发展分不开的。
GIS的发展可分为四个阶段：第一个阶段是初始发展阶段，20世纪60年代世界上第一个GIS系统由加拿大测量学家R.F.Tomlison提出并建立，主要用于自然资源的管理和规划；第二个阶段是发展巩固阶段，20世纪70年代由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了GIS朝实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷付诸研制，如美国、英国、德国、瑞典和日本等国对GIS的研究都投入了大量的人力、物力和财力；第三个阶段是推广应用阶段，20世纪80年代，GIS逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题，这个阶段涌现出一大批GIS软件，如ARC/INFO，GENAMAP，SPANS，MAPINFO，ERDAS，Microstation等；第四个阶段是蓬勃发展阶段，20世纪90年代，随着地理信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，GIS成为确定性的产业，并逐渐渗透到各行各业，成为人们生活、学习和工作不可缺少的工具和助手。
地理信息系统的研制与应用在我国起步较晚，虽然历史较短，但发展势头迅猛。
我国GIS的发展可分为三个阶段。
第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要经历了提出倡议、组建队伍、培训人才、组织个别实验研究等阶段。
机械制图和遥感应用，为GIS的研制和应用做了技术和理论上的准备。
第二阶段从1981年到1985年，为起步阶段，完成了技术引进、数据规范和标准的研究、空间数据库的建立、数据处理和分析算法及应用软件的开发等环节，对GIS进行了理论探索和区域性的实验研究。
第三个阶段从1986年到2013年，为初步发展阶段，我国GIS的研究和应用进入有组织、有计划、有目标的阶段，逐步建立了不同层次、不同规模的组织机构、研究中心和实验室。
GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需求相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。
主要表现在四个方面：（1）制定了国家地理信息系统规范，解决信息共享和系统兼容问题，为全国地理信息系统的建立做准备。
（2）应用型GIS发展迅速。
（3）在引进的基础上扩充和研制了一批软件。
（4）开始出版有关地理信息系统理论、技术和应用等方面的书籍，设立了地理信息系统专业，培养了大批人才，并积极开展国际合作，参与全球性地理信息系统的讨论和实验。
在科技部等国家有关部门的大力组织和支持下，国产GIS基础软件开发工作取得了重要进展，出现了一批GIS高技术企业，开发出了较为成熟的国产GIS软件，如MapGIS、GeoStar、CityStar、SuperMap、MapEngine、GROW等，并形成了一定的产业规模。
这些国产GIS软件以较高的性价比，打破了国外GIS软件对我国市场的垄断，有力促进了我国地理信息系统技术的发展。
这些年，GIS技术在我国得到了广泛应用，其应用面从传统的城市规划、土地利用、测绘、环境保护、电力、电信、减灾防灾等领域渗透到矿产资源调查、海洋资源调查与管理等各方面，取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。
当前，国家有关部门正逐步将GIS嵌入到电子政务系统中。
随着计算机和信息技术的快速发展，GIS技术得到了迅猛的发展。
GIS系统正朝着专业或大型化、社会化方向不断发展着。
“大型化”体现在系统和数据规模两个方面；“社会化”则要求GIS要面向整个社会，满足社会各界对有关地理信息的需求，简言之就是“开放数据”、“简化操作”，“面向服务”，通过网络实现从数据乃至系统之间的完全共享和互动。
下面我们从地理信息系统技术角度来讨论和分析当前GIS的相关技术及其发展趋势。
1.1 空间信息的获取、处理与交换地理空间数据是GIS的血液，构建和维护空间数据库是一项复杂、工作量巨大的工程，它包括：数据的获取、校验和规范化、结构化处理、数据维护等过程。
GIS处理的数据对象是空间对象，有很强的时空特性，获取数据的手段及数据的形式也复杂多样。
获取数据的基本方式有：野外全站仪平板测量、GPS测量、室内地图扫描数字化、数字摄影测量、从遥感影像进行目标测量和数据转换等。
这些获取技术已基本成熟。
同时，空间数据也具有很强的时效性，不同的空间数据必须进行周期不等的数据更新维护，空间数据库中数据的准确、及时、完整是实现GIS应用系统价值的前提基础。
空间数据维护往往涉及跨部门、跨行业的多种数据格式和多种数据类型的大量数据，提供有效的空间数据编辑更新手段是当前亟待解决的一个重要课题。
基于上述信息获取技术，在过去的二十年间，国家有关部委和行业部门已经积累了大量原始数字化数据和相应资料，建立了1100多个大、中型数据库以及大量的各类数字化地理基础图、专题图、城市地籍图等。
国家测绘局已经完成了全国l：100万、 1：25万基础地理空间数据库以及全国七大江河数字地形模型的建设，并启动了全国l：5万，部分省份1：1万基础地理空间数据库的建设。
这些基础数据有力促进了GIS技术的广泛应用，进而产生了大量的GIS数据。
但由于地理信息系统软件大多采用不同的空间数据模型，以及它们在地理实体上的认识差异，使得所积累的数据难以转换和共享（即使能够数据转换，也会产生信息的丢失），从而形成一个个新的数据孤岛。
制订数据交换的格式标准已成为大家的共识。
一些国家和组织已经在进行这方面的工作，并定义了一些数据交换标准，如SDTS，OpenGIS联盟制订的GML，另外一些公认的数据格式如DXF，Shapefile和MIF文件格式等正逐渐成为数据交换的事实标准。
我国也在“九五”期间制定了地球空间数据转换标准。
但是由于人们对空间信息认识和研究成果的制约，还没有一个统一的地理数据模型，因此建立实用的数据交换格式和信息标准将是一个长期、复杂过程。
1.2 空间数据的管理空间数据的管理涉及到二个方面的内容：空间数据模型和空间数据库。
空间数据模型刻画了现实世界中空间实体及其相互间的联系，它为空间数据的组织和空间数据库的设计提供了基本的方法。
因此，空间数据模型的研究对设计空间数据库和发展新一代GIS系统起着举足轻重的作用。
在GIS中与空间信息有关的信息模型有三个，即基于对象(要素)(Feature)的模型、场(Field)模型以及网络(Network)模型。
GIS基础软件平台的研制和应用系统的设计开发一直沿用这三种空间数据模型，但这些模型在空间实体间的相互关系及其时空变化的描述与表达、数据组织、空间分析等方面均有较大的局限性，难以满足新一代GIS基础软件平台和应用系统发展的要求。
主要表现为：（1） 仅能表达空间点、线、面目标间极为有限的简单拓扑关系，且这些拓扑关系的生成与维护耗时费力；（2） 难以有效地表达现实三维空间实体及其相互关系；（3） 适于记录和表达某一时刻空间实体性状及相互间关系静态分布，难以有效地描述和表达空间实体及其相互间关系的时空变化；（4） 没有考虑异地、异构、异质空间数据的互操作和分布式“对象”处理等问题。
针对上述不足，时空数据模型、三维数据模型、分布式空间数据管理、GIS设计的CASE工具等研究已成为当前国际上GIS空间数据模型研究的学术前沿。
