地理信息系統（Geographic Information System，GIS），美國聯邦數字地圖協調委員會(FICCDC)對其定義為：“是由計算機硬件、軟件和不同和不同的方法組成的系統，該系統設計用來支持空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的管理和規劃問題。”
從組成上來看，地理信息系統是包含了計算機硬件、軟件、地理空間數據、應用人員和應用模型的系統；從功能上來看，地理信息系統則是一個能夠支持地理空間數據的采集、管理、處理、分析和顯示的系統。簡單來說，地理信息系統技術將各類具有空間位置參考的專題層信息結合在一起，通過這些信息可以更好地認識這個位置的地理空間特征。
隨著科技的發展和應用的深入，地理信息系統演變成一門學科，其核心知識主要來自于地圖學、地理學和計算機科學的交叉領域及其拓展，已經廣泛應用在多個領域，如資源管理、城市規劃與管理、環境保護等。GIS的概念在不斷發展和演進。GIS從傳統意義上的“地理信息系統”（Geographic Information System）拓展為“地理信息科學”（Geographic Information Science），和"地理信息服務"（Geographic Information service）等多個方面。地理信息科學是關于GIS的發展、使用和應用的理論，是信息時代的地理學，是古納于地理信息的本質特征與運動規律的一門科學。地理信息主要研究地理學在應用計算技術對其信息進行處理、存儲、提取以及管理和分析過程中所提出的一系列基本理論問題和技術問題。與地理信息系統相比，它更加側重將地理信息系統看作一門學科，而不僅僅是一個技術實現。地理信息服務是指遵循服務體系的架構和標準，采用網絡服務技術，基于地理信息互操作標準和規范，在網絡環境下提供地理信息系統的數據、分析、可視化等功能的服務。
歷史發展
自20世紀60年代開始，地理信息系統從簡單的空間數據存儲、計算和繪圖，到現在空間數據復雜分析與計算、過程建模、現象模擬以及廣泛的日常應用，對人們的學習、工作和生活產生重大影響。縱觀地理信息系統的發展，可將其分為一下幾個階段：
地理信息系統起始發展階段。此前，地理信息系統的基本框架就已經產生：用計算機匯總/處理和分析各種來源的數據，并輸出一系列的結果用來作為輔助決策的有用信息。后來隨著計算機被應用用于空間數據的存儲與管理，又逐漸實現了手段跟蹤數字化方法/格網單元的操作方法等處理空間數據的主要技術，它們奠定了地理信息系統發展的基礎。
地理信息系統發展鞏固階段。在這一階段，由于計算機硬件和軟件技術的飛速發展，尤其是大容量存儲設備的使用，促進了地理信息系統朝實用的方向發展，不同專題、不同規模、不同類型的各具特色的地理信息系統在世界各地紛紛研制，美國、加拿大、英國、德國、瑞典和日本等國對地理信息系統的研究和開發均投入了大量人力、物力和財力。
地理信息系統推廣應用階段。由于計算機迅速發展，地理信息系統逐步走向成熟，并在全世界范圍內全面推廣應用，應用領域不斷擴大；地理信息系統與衛星遙感技術結合，開始應用于全球性問題的研究， 如全球變化和監測、沙漠化、可居住區評價、厄爾尼諾現象、酸雨、核擴散及核廢料等。
地理信息系統蓬勃發展階段。隨著地理信息產業的簡歷和數字化信息產品在全世界的普及，地理信息系統已經稱為確定性的產業，投入使用的地理信息系統，每2~3年翻一番，市場年增長率在35%以上，從事地理信息系統生產的企業超過1000家。地理信息系統滲透到各行各業，成為人們生產、生活、學習和工作中不可缺少的工具和助手。
地理信息系統的服務共享階段。隨著計算機軟硬件技術、數據庫技術、網絡技術、多媒體技術等計算機技術的迅速發展，地理信息系統的應用領域也迅速進一步擴大。當前，地理信息系統正在走向完全Web化，逐漸成為以Web為中心的地理信息平臺，它可以更加充分地利用Web服務、大數據、云，具有更快的計算能力、各種終端等軟硬件優勢，并結合影像、全球衛星導航系統（Global Navigation Satelite System,GNSS）、三維等數據，實現地理信息隨時隨地的訪問、制圖和分析等。
產品分類
地理信息系統從功能開發和利用上看，可分為以下幾種類型：
1.地理信息系統平臺：具有數據輸入、編輯、結構存儲、處理、查詢分析、輸出、二次開發、數據交換等全套功能的地理信息系統軟件產品。它獨立性強大、規模大、功能全、費用高，是自地理信息系統出現以來的主流產品。主要包括大型系統、桌面系統和網絡系統。
2.專業地理信息系統產品：專業地理信息系統產品（professional GIS）是地理信息系統平臺廠商利用自身開發系統平臺時簡歷的工具集，是針對某一專業領域和業務部門的工作流程而開發的獨立的地理信息系統運行系統，旨在利用地理信息系統工具有針對性地解決具體的問題。
3.地理信息系統開發工具（GIS Developing toolkit）具有基本地理信息系統功能，以嵌入方式或通信方式，可供計算機系統開發工具（各種高級程序設計語言）進行用戶話化開發的地理信息系統產品。
基本構成
一個完整的地理信息系統，應包括對空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示等功能，其基本組成一般包括以下六個部分：計算機網絡、計算機硬件、計算機軟件（軟件是包含程序的郵寄集合體），地理空間數據，應用分析模型，以及系統開發、管理和應用人員。
主要功能
地理信息系統包含了處理地理空間信息的各種基礎和高級功能，其基本功能包括對數據的采集、管理、處理、分析和輸出。同時，地理信息系統依托這些基本功能，通過利用空間分析技術、模型分析技術、網絡技術和數據庫集成技術等，更進一步演繹豐富的和深入應用的功能——高級功能，滿足社會和用戶的廣泛需要，以信息為對象，地理信息系統的功能可分為以下幾類：
地理信息獲取與處理
地理信息存儲與管理
空間查詢與分析
空間信息可視化
相關學科
從學科的角度定義，地理信息系統屬于工程技術學科，地理信息科學屬于理科。地理信息系統的理論和技術是與多個學科和技術交叉發展產生的。因此，設計、開發地理信息系統與這些學科和技術密切相關。GIS與相關學科和技術的關系，如下圖所示。其中地理學為研究人類環境、功能、演化以及人地關系提供了認知理論和方法。地圖學為地理空間信息的表達提供猜題與傳輸工具。測量學、大地測量學、攝影測量與遙感等為獲取地理信息提供了測繪學手段。應用數據（包括運籌學、拓撲學、概率論與數理統計等）為地理信息的計算提供了數學基礎。系統工程為GIS的設計和系統集成提供方法論。計算機圖形學、數據庫原理、數據結構等為數據的處理、存儲管理和表示提供技術和方法。軟件工程、計算機語言為GIS軟件設計提供方法與實現工具。計算機網絡、現代通信技術為GIS提供網絡和通信的支撐技術。人工智能、知識工程等為GIS提供智能處理與分析的方法和技術。管理科學為系統的開發和系統運行提供組織管理技術。
應用領域
地理信息系統的應用領域非常的廣泛，國內外大量的調研表明，85%-90%的政府機關部門都需要應用技術。地理信息系統應用的重點就是區域分析管理，通過對人文經濟、自然資源及環境資源等各種地理空間數據和信息的管理和分析為政府區域性決策提供可靠的依據。目前己成功地應用到了包括資源管理、自動制圖、設施管理、城市和區域的規劃、人口和商業管理、交通運輸、石油和天然氣、教育、軍事等九大類別的一百多個領域。在美國及發達國家，地理信息系統的應用遍及環境保護、資源保護、災害預測、投資評價、城市規劃建設、政府管理等眾多領域。近年來，隨我國經濟建設的迅速發展，加速了地理信息系統應用的進程，在城市規劃管理、交通運輸、測繪學、環保、農業、制圖等領域發揮了重要的作用，取得了良好的經濟效益和社會效益。
隨著社會和科技的進步，用戶必然會對 GIS 提出更高的要求。GIS 要滿足時代要求，就必須與時俱進，大膽嘗試新理論新技術，才能爭取更大的成就。可以從以下幾個方面尋求突破:
1 .移動 GIS
移動 GIS 主要由移動通信、GIS、定位系統和移動終端四個部分組成。移動終端是指在戶外使用的可移動終端設備,包括便攜計算機、PDA、手機和專用的GIS 嵌入設備等。移動 GIS 受限制小，使用靈活方便，拓展了地理信息服務的范圍。移動 GIS 的出現大大拓寬了電子地圖的應用領域，使得電子地圖在人們生產生活中無處不在。目前全球熱銷的 IPhone，它不僅僅是一部移動電話，更是集電子郵件、網頁瀏覽以及地圖服務等眾多功能于一身，正如其廣告中宣稱“有超過8 萬個應用程序，幾乎能做任何事情”。由此可見，GIS 在其中發揮的作用也不應僅限于地圖服務，或許能夠做的更多。
2 動態 GIS
當今世界瞬息萬變，人們對信息動態實時獲取的要求越來越高。比如天氣預報，人們不僅會關注 24小時和 48 小時后的天氣情況，而且也更希望得到 1小時后，甚至是半小時后的天氣情況，因此，實時天氣預報將更有意義。再比如交通路況信息，人們也不希望在發生交通擁堵后才得到消息，人們更希望能及時獲得路況信息，從而避免擁堵，因此，動態交通信息就更有價值。隨著各種傳感器技術的不斷提高，互聯網尤其是無線網絡的不斷發展，使動態實時數據獲取成為可能。GIS 應該利用好這些數據，為人們提供更及時準確的信息服務。
3 .多維 GIS
GIS 中的地理空間數據首先應該具備完善的三維信息，以描述事物的空間位置、形狀和空間相互關系。目前，大多數 GIS 都是在 2 維和 2.5 維數據上進行操作，與真正的三維表示和分析還有很大差距。真正的三維 GIS 必須能夠支持真三維數據模型，能夠實現虛擬場景的三維可視化，還能夠進行準確的三維分析。其次，GIS 中的地理空間數據還應該具備時間信息，以描述事物隨時間的變化特征。時間、空間和屬性是地理實體和地理現象本身固有的三個特征，是反映地理實體的狀態和演變過程的重要組成部分。例如在地殼運動、環境監測、土地調查等應用領域中，事物會隨時間發生變化，如果忽略時間因素，那么必然會影響分析結果的可靠性和準確性。多維 GIS 具備了空間和時間特征信息，能夠分析時空因素對事物變換的影響，從而將 GIS 分析能力提升到更高水平。
4. 智能 GIS
目前大多數 GIS 應用還停留在數據管理和統計分析的階段，缺乏多因素分析和啟發式推理的能力，這也造成對事物判斷、分析和決策的支持力不足。智能 GIS 利用了人工智能、專家系統、神經網絡等理論和技術，模擬人類的學習過程和推理思維，對地理信息做出分析判斷和決策。例如用智能 GIS 來管理城市交通，可以預測道路通行狀況，分析最優路線，判斷車輛違章，以及提供交通事故處理的輔助決策。如果用智能 GIS 進行環境災害的預警預報，那么就能夠預測暴雨可能造成的山體滑坡、泥石流等災害，洪水對堤防大壩的影響，以及污染源泄漏的擴散范圍和速度等等。智能 GIS 更貼近實際生活，可為人們提供更準確更豐富的分析結果，可以說智能化將為 GIS 插上騰飛的翅膀。
5 .云 GIS
GIS 操作的是地理空間數據，隨著時間推移，數據量也會變得越來越龐大，數據之間的關系也越來越復雜，處理這些數據就需要強大的計算機處理能力。云計算是分布式計算、并行處理和網格計算的進一步發展，它是基于互聯網的計算，能夠向各種互聯網應用提供硬件服務、基礎架構服務、平臺服務、軟件服務、存儲服務的系統。利用云 GIS，用戶只需要一臺筆記本或者一部手機，就可以通過網絡來使用 GIS功能，這就使得 GIS 應用能夠快速部署，容易擴展。2010 年 ESRI 公司已推出了支持云架構的 GIS 平臺產品 ArcGIS 10，作為全球第一款真正支持云架構的GIS 平臺產品，ArcGIS 10 可直接部署在云計算平臺上，把對空間數據的管理、分析和處理功能送上云端，實現了 GIS 平臺在云中的部署和服務模式。
參考資料 >