地理信息系统的发展地理信息系统发展简史

地理信息系统的发展与地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计科学、计算机科学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科发展分不开。以时间发展为序，可分为4个阶段，20世纪60年代是开拓发展阶段，20世纪70年代是发展巩固阶段，20世纪80年代是推广应用阶段，20世纪90年代以来是蓬勃发展阶段。

1.20世纪60年代开拓发展阶段

20世纪60年代初，计算机技术开始用于地图量算、分析和制作。最初的系统主要是关于城市和土地利用。1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了“地理信息系统”这一术语，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于对自然资源的管理和规划。

当时的地理信息系统软件研制受制于计算机硬件的限制，主要针对具体的GIS应用进行。到20世纪60年代末，针对GIS一些具体功能（如矢栅转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等方法）的软件技术有了较大进展，可以实现分幅数据的自动拼接和地图数据的拓扑编辑，开创了格网单元的操作方法，发展了许多面向格网的系统，例如哈佛大学的SYMAP就是其中最著名的一例。由于当时计算机水平有限，这一时期GIS软件的算法尚显粗糙，图形功能有限，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极为简单。

另外，相关的组织和机构纷纷建立，为GIS的发展奠定了良好的基础。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（International Geographical Union，IGU）的地理数据遥感和处理小组委员会在1968年成立。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。

2.20世纪70年代发展巩固阶段

进入20世纪70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朝着实用方向迅速发展。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。例如，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、地形和水资源信息的典型的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、航空相片信息、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、区域和市建立了许多信息系统，比较典型的有区域统计数据库、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，比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年研制成功了兼具影像数据处理和地理信息系统功能的影像信息系统（Image Based Information System，IBIS），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。

3.20世纪80年代推广应用阶段

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，研制了大量的微机GIS软件系统。这一时期，GIS软件技术在多个方面有了很大的突破。例如：在栅格扫描输入的数据处理方面大大提高数据输入的效率；在数据存储和运算方面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；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。

4.20世纪90年代以来的蓬勃发展阶段

进入20世纪90年代年代，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。社会对地理信息系统的认识普遍提高，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20世纪90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。

1.2.2我国GIS的发展

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。GIS在中国的发展可分为4个阶段。

第一阶段从1970年到1980年，为准备阶段，主要进行舆论准备，正式提出倡议，开始组建队伍，培训人才，组织个别实验研究。机助制图和遥感应用为GIS的研制和应用做了技术上和理论上的准备。

第二个阶段从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，对GIS进行了理论探索和区域性的实验研究。在全国大地测量和数字地面模型建立的基础上，建成了1:100万国土基础信息系统和全国土地信息系统，1:400万全国资源和环境信息系统，1:250万水土保持信息系统。

第三个阶段从1986年到20世纪90年代中期，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，地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域。1994年，中国GIS协会在北京成立。中国科学院于1985年开始筹建国家资源与环境系统实验室，它是一个新型的开放性研究实验室。在这一阶段，GIS研究逐步与国民经济建设和社会生活需要相结合，取得了重要进展和实际应用效益。主要表现在以下4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，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。

1992年10月联合国经济发展部（UNDESD）在北京召开了城市GIS学术讨论会，对指导、协调和推动我国GIS发展起了重要的作用。同时，全国许多行业、部门和部分省市积极发展各自专业GIS和区域

GIS，上海、北京、深圳、海口、三亚等大中城市都在积极建设城市GIS。

第四个阶段从20世纪90年代末到现在，为快速发展阶段。我国GIS理论日趋成熟，在技术研究、成果应用、人才培养、软件开发等方面进展迅速，应用日益广泛，力图将GIS从初步发展时期的研究实验、局部应用，推向实用化、集成化、工程化为国民经济建设普遍使用的工具，并在各行各业发挥重大作用。此时，地理信息系统的技术发展促使人们进一步思考与探讨地理信息系统发展有关的理论与方法，不少研究者对GIS设计的理论与方法、地理数据采集与数据精度、数据结构与不同数据转化算法、数据库的设计与建立、分析模型和数字地图制图等进行了研究，3S集成应用、时态GIS、三维GIS、WebGIS正逐步走向应用，GIS市场开始形成，GIS产业化发展步入正轨。至1998年，国产GIS软件已经打破国外软件的垄断局面，在国内市场占有率达25%以上。从1998年开始，我国开始在城建系统、电力系统建立利用国产GIS软件的示范应用工程。

在应用地理信息系统解决实际问题时引入了专家系统技术，将它与地理信息系统相结合，建立面向不同领域的地学专家系统，以解决复杂问题。主要案例有黄土地区土壤侵蚀模式专家系统的研究、基于地理信息系统的地图设计与专家系统研究、新疆土壤系统分类专家系统及其开发工具研究、长沙旅游咨询专家系统、勘探地下水专家系统、汾河防洪专家系统等。

总之，我国的GIS与国外相比起步较晚，但发展十分迅速，已经

形成了初具规模的专业队伍和学术组织，在GIS的理论研究、软件开发、生产应用和产业发展方面都取得了突出的成就。GIS已在我国许多领域与部门中得到广泛的应用，显示了GIS在我国的广阔发展前景。

1.2.3地理信息系统理论研究的前沿领域

从系统角度看，在未来的几十年内，地理信息将向着数据标准化（Interoperable GIS）、数据多维化（3D&4D GIS）、系统集成化（Component GIS）、系统智能化（Cyber GIS）、平台网纪念品化（Web GIS）和应用社会化（数字地球）的方向发展。

1.Interoperable GIS

目前的地理信息系统大多是基于具体的相互独立和封闭的平台开发的，它们采用不同的空间数据格式，对地理数据的组织也有很大的差异，使得在不同软件上开发的系统之间的数据交换存在困难，采用数据转换标准也只能部分地解决问题。另外，不同的应用部门对地理现象有不同的理解。对地理信息有不同的数据定义，阻碍了应用系统之间的数据共享，带来了领域间共同协作时信息共享和交流的障碍，限制了地理信息系统处理技术的发展。

地理数据的继承与共享、地理操作的分布与共享、GIS的社会化和大众化等客观需求，使得尽可能降低采集、处理地理数据的成本以及实现地理数据的共享和互操作成为共识。互操作地理信息系统的出现就是为了解决传统GIS开发方式带来的数据语义表达上不可调和

的矛盾，这是一个新的GIS系统集成平台，它实现了在异构平台下多个地理信息系统之间的互相通信和协作，以完成某一特定任务。

1996年，美国成立了开放地理信息系统联合会（Open GIS Consortium，OGC），旨在利用其提供的开放地理数据互操作规范（OGIS）给出一个分布式访问地理数据以及获得地理数据处理能力的软件框架，各软件开发商可以通过实现和使用规范所描述的公共接口模板进行互操作。OGIS规范是互操作GIS研究中的重大进展，它在传统地理信息系统软件和未来的高带宽网络环境下的异构地学处理环境之间架起一座桥梁。目前，OGIS规范初具规模，很多GIS开发商也先后声明支持该规范。国内的一些具有战略眼光的GIS软件商也在密切关注OGIS规范，并已着手开发遵循该规范的基础性GIS软件。

2. 3D&4D GIS

GIS处理的空间数据，从本质上说是三维连续分布的。但是，目前GIS的主要应用还停留在处理地球表面的数据上，大多数GIS平台都支持点、线、面三类空间物体，不能很好地支持曲面（体），主要是因为三维GIS在数据采集、管理、分析、表示和系统设计等方面比二维GIS复杂得多。尽管有些GIS软件还采用建立数字高程模型的方法来处理和表达地形的起伏，但涉及地下和地上的三维自然和人工景观就显得无能为力了，只能把它们先投影到地表，再进行处理，这种方式实际上还是以二维形式来处理数据。这种试图用二维系统来描述三维空间的方法，必然存在不能精确地反映、分析和显示三维信

息的问题。

三维GIS目前的研究重点集中在三维数据结构（如数字表面模型、断面、柱状实体等）的设计、优化与实现，以及体视化技术（即真三维可视化技术）的运用、三维系统的功能和模块设计等方面。

另外，地理信息系统所描述的地理对象往往具有时间属性，即时态。随着时间的推移，地理对象的特征会发生变化，而这种变化可能性很大，但目前大多数地理信息系统都不能很好地支持地理对象和组合事件时间维的处理。许多GIS应用领域的要求都是基于时间特征的，比如区域人口的变化、平均年龄的变化、洪水最高水位的变化等。对这样的应用背景，仅采取作为属性数据库中的一个属性不能很好地解决问题。因此，如何设计和运用四维GIS来描述、处理地理对象的时态特征也是GIS的一个重要研究领域。

3.Component GIS（Com GIS）

构件式软件技术成为当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封闭、复杂、难以维护的软件开发模式。Com GIS便是顺应这一潮流的新一代地理信息系统，是面向对象技术和构件式软件技术在GIS软件开发中的应用。

Com GIS的基本思想是把GIS的功能模块划分为多个控件，每个控件完成不同的功能。各个GIS控件之间，以及GIS控件与其他非GIS控件之间，可以方便地通过可视化软件开发工具集成起来，形成最终的GIS应用。控件如同一堆各式各样的积木，分别实现不同的功能（包括GIS和非GIS功能），根据需要把实现各种功能的“积木”

搭建起来，就构成了地理信息系统基础平台和应用系统。

构件式软件的可编程和可重用的特点在为系统开发商提供有效的系统维护方法的同时，也为GIS最终用户提供了方便的二次开发手段。因此，ComGIS在很大程度上推动了GIS软件的系统集成和应用大众化，同时也很好地适应了网络技术的发展，是一种WebGIS的解决方案。

目前，国内外一些著名的GIS软件商都推出了基于COM技术的GIS软件。ComGIS的出现给国内GIS基础软件的开发提供了一个良好的机遇，它打破了GIS软件由几个厂商垄断的格局，开辟了以提供专业组件来打入GIS市场的新途径。

4.WebGIS

飞速发展的Intemet/Intranet己经成为GIS的新平台，利用Internet技术在Web上发布空间数据供用户浏览和使用是GIS发展的必然趋势。从WWW的任一节点，用户都可以浏览WebGIS站点中的空间数据、制作专题图，进行各种空间检索和空间分析，这就是基于WWW的地理信息系统WebGIS。WebGIS显然要求支持Intemet/Intranet标准，具有分布式应用体系结构，可以看作是由多主机、多数据库与多台终端通过Intemet/Intranet组成的网络。其网络Client（客户）端即为GIS功能层和数据管理层，用以获得信息；各种应用网络的Server（服务器）端则为数据维护层，提供数据信息和系统服务。

WebGIS系统可以分为4个部分：WebGIS浏览器，显示空间数据信息并支持Client端的在线处理，如查询和分析等；WebGIS信息

代理，均衡网络负载，实现空间信息网络化；WebGIS服务器，处理来自浏览器的数据请求，完成后台空间数据库的管理；Web功能编辑器，提供导入空间数据库数据的功能，形成完整的GIS对象、GIS模型和GIS数据结构的编辑和表现环境。

目前，WebGIS的实现方法有Java编程、ActiveX、公共网关接口（CGI）、服务器应用程序接口（ServerAPI）和插件（Plug-in）等。国外ESRI、Maplnfo、Intergraph和AutoDesk等公司已经提供了各自的WebGIS解决方案，国内的武汉测绘科技大学实现了

InternetGeoStar；北京大学李疡、许卓群和中科院遥感应用研究所杨崇俊等分别领导的课题组都在从事WebGIS开发，许多其他的GIS公司也在WebGIS方面做了很多工作。

WebGIS是GIS走向社会化和大众化的有效途径，也是GIS发展的必由之路。

5.CyberGIS

赛博空间（CyberSpace）目前在媒体中较多出现，它以计算机技术、现代通信、网络技术、虚拟现实技术的综合应用为基础，构造出一种让人们进行社会交往和交流的新型空间，是一个人工世界。科学家预言未来的人们将在赛博空间里的信息海洋中生活，从一个节点到另一个节点，从一个信息源到另一个信息源进行信息交流和信息创造。人们在全新的赛博空间中漫游，实现了相互之间的通信、贸易和科教活动。

计算机软件技术发展经历了从软件的模块化到软件的对象化转

变的过程，目前正在进一步向软件的智能化方向发展。软件智能体（Agent）是软件设计进一步抽象的结果，是为适应分布式网络计算环境而发展起来的软件技术方向。麻省理工学院媒体实验室主任帕蒂•梅斯（PattieMaes）认为：软件智能体是驻留在复杂动态环境中的计算机系统，它们自动地感知环境并作用于环境，从而实现设定的目标集或任务。

作为软件智能体的一种，空间智能体处于分布式网络计算环境中，感知并作用于这一环境，以各种不同的形式出现，实现空间数据的智能获取、处理、存储、搜索、表现以及决策支持。这种空间智能体拥有两种非常重要的能力：一是利用空间知识进行推理，二是可进化。

在赛博空间中以空间智能体作为构成模块的GIS系统就是CyberGIS，它自动接受用户以高级语言描述的指令，利用它能够感知并作用于所处的赛博空间的“本领”。通过与其他空间智能体的交互，为用户找到赛博空间中所需要的信息。

6.数字地球

数字地球一词近来风靡全球，从哲学上说，数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现与认识；从技术上说，数字地球是在全球范围内建立的一个以空间位置为主线，将信息组织起来的复杂系统，也就是全球范围的、以地理位置及其相互关系为基础而组成的信息框架，并在该框架内嵌入我们所能获得的信息的总称。

数字地球在当前以工农业经济为主体的经济建设中的重大作用已初见端倪，它在农业、林业、水利、地矿、交通、通信、教育、环

境、人口、城市建设等几十个领域都能产生巨大的经济效益和社会效益，比如农作物监测和估产、土地覆盖物的识别和评价、地籍的管理和规划、灾难的模拟与预报以及监测和评估等。

作为新的凝聚全人类梦想的目标，数字地球提供了一种前所未有的认识地球的方式，它将对人类与自然的协调和平衡带来不可估量的推进作用。

本文摘自：

《地理信息系统原理与实践》，吴秀芹主编，清华大学出版社，2011.11 ISBN：978-7-302-26238-1