自八十年代末以来,GIS（Geographical Information System,地理信息系统）这一技术名称越来越多地为国人所闻。随着GIS技术的发展,GIS应用日益广泛,加之国内外GIS软件和计算机硬件技术的迅速发展,人们对GIS的兴趣也越来越大。
众所周知,GIS早已超出传统的“地理”概念,而把所有与空间地理位置有关的信息收集起来,建成多源空间信息数据库,综合分析,综合利用,获取潜在的、有价值的信息,并通过显示屏幕或彩色打印图件,生动直观地表达出来,供用户有效地管理这些信息,据此迅速地作出决策。
近年来,GIS、GPS（Global Positioning System,全球定位系统技术）和RS（Remote Sensing,遥感技术）一起,被称之为3S工程,在资源管理、工程勘察和选址、流域规划和管理、环境监测和环境保护、抗险救灾、辅助决策等各个方面都取得了一定的经济效益。
为了使更多的人了解GIS,认识GIS,笔者根据个人收集的资料、粗浅理解和实践经验,拟将在《工程地质计算机应用》刊物上连续介绍GIS的一些基本概况,抛砖引玉,共同探讨,以期更好地应用GIS,发挥GIS的效益。
这些内容包括：GIS的发展历史和现状；GIS的一些基本概念；GIS信息和图件的收集与输入；GIS信息和图件的数据库管理；GIS信息的综合分析和应用模式；GIS信息和图件的表达方式；部分GIS软件介绍以及一些GIS应用实例。
1 GIS的发展历史和现状
1.1 GIS的发展历史
几个世纪以来,随着人们对人类自己赖以生存的地球的不断深入地认识,以及工农业、科学技术的发展,人们创造了各种各样的地图和专题图件来表达真实的世界,但是,这些图件都是用手工制作的。直到六十年代,由于计算机技术的发展,人们开始了利用计算机制图的尝试和努力,在七十年代,计算机辅助地图绘制系统得到了充分的发展：人们可以更快、更廉价地绘制高质量的地图,同时又可根据用户的特殊要求,绘制专题图件；这些图又可以根据实际地形、地貌、地物的变化,更新存在于计算机中的数据,来绘制新的图件,甚至可以绘制一些手工难以绘制的3-D立体图件。在此过程中,人们尝试利用存储在计算机中的信息,通过人机对话的程序,进行综合分析对比,获得有价值的潜在信息,以求更好地认识自然界。
与此同时,计算机辅助设计和城乡规划、野外观测和摄影测量技术、栅格化（网格化）数据的空间变量数学研究技术、点与点之间数值内插技术、遥感技术,特别是数字化多波段卫星遥感图象和图象处理技术,在七十年代得到迅猛发展。面对已积累的大量数字化信息,成熟的计算方法和计算机硬件的保证,人们的概念进一步得到延伸,期望建立能“包罗万象”的信息管理和处理系统,对人类周围大量而复杂的、与地理位置有关的空间数据进行储存和分析,并能快速及时地显示这些信息,GIS系统就应运而生,GIS的概念也很快为人们广泛接受。图1.1简单地表示了这么一个技术和概念的发展过程。
图 1.1 GIS的发展简图
1976年Bryan和Zobrist对实用的GIS系统提出了四个标准：（1）必须提供点和工区的地理位置；（2）必须能实现不同的组合与再分类；（3）必须有这些空间数据排列的表达式；（4）必须有与数学和统计分析程序之间的接口。
1986年,荷兰Utrecht大学的Burrough教授在他“用于土地资源评价的地理信息系统原理”一书中,对GIS作了如下定义：GIS是能根据特定的目标,从真实世界中收集、存储众多的空间资料,可以根据需要调用这些资料,并能对资料能进行转换和显示的一组有力的工具。这些地理信息不仅能借助已知的地理坐标来表达它们的位置,表达它们的属性（如：颜色、PH值、事故描述等）,表达它们相互之间的拓扑关系；而且能用来建立代表真实世界的模型,以便进一步的研究、分析和检验各种模拟的结果。
之后, Peuquet进一步指明GIS必须与变量分析技术相配合, 系统必须敞开它的终端以便和新的分析技术相适应来应付用户要求的变化,以满足不同用户对系统的的要求。
GIS通过发展中的种种变化,潜在效益的规划和模拟来协助决策者工作。它向规划者提供了一个随时可以看到的,与客观地球有关的信息源,并进而对这些信息进行快速、灵活而又经济的分析和进行不同结果的组合,来确定决策的变化。
很快,GIS就发展成为资源管理的标准工具,对于资源规划或者制图机构来说,都少不了这个系统工具。除此之外,GIS的应用也很快地在下面各个领域里发展起来：自动制图、局部设计、地籍制图、公路制图、公共事业设施的制图和管理、测地制图、事件制图（事故、犯罪、火灾...）、户籍管理和相应的统计制图、测井资料管理、勘测和工程、土地利用的规划和管理、环境监测和环境保护研究、自然资源制图和管理、土地信息系统、交通车流疏通和制表、城市和小区规划、高速公路、管线管理和规划、抗灾救灾、辅助决策系统。
1.2 GIS工作平台与软件发展
在八十年代, 开发出了各种各样的GIS软件系统,但是,由于当时计算机硬件技术的限制,这些软件起初都是在小型机上开发的,例如VAX机。后来较多的是在工作站上开发,运行于UNIX系统。当时,这些工作平台相当昂贵,如：SGI图形工作站、SUN工作站。一些著名的GIS软件有：ARC/INFO、GRASS、GenaMap、 INTEGRAPH、ERDAS等等,它们各有各的独到之处。
由于当时PC机与工作站之间,机器性能的差距如此之大,而GIS又是一个庞大的信息系统,要求足够的内存、硬盘和CPU速度,不少软件开发商不屑把PC机作为GIS工作平台。但也有一些软件开发商或研究部门,以易于推广和普及为目标,面向较小目标的地理信息系统,开发了一些基于PC微机的GIS软件,如：加拿大TYDAC公司的SPANS、荷兰ITC的ILWIS 以及美国MapInfo等,由于受到计算机显示屏幕分辨率低的限制,当时在PC微机工作平台上的系统都采用双屏幕操作,即：一个屏幕显示操作指令和文本文件,另一个彩色屏幕显示图形和图象,即便如此,它的图形和图象显示仍然相当粗糙。
八十年代末以来,我国一些大学和科研单位也成功地开发了有自主版权的中文版GIS软件系统,如：CITYSTAR、MAPGIS、GEOSTAR、View GIS、APSIS、GROW等等。
1.3 国内外GIS应用的发展
自1984年起, 美国地调局与自然资源保护中心合作,首先在工程选址、河流污染和评价地下水资源等研究方面,利用美国ESRI（Environmental Systems Research Institue, Inc. 美国环境系统研究所）开发的GIS软件系统ARC/INFO,在数据采集、数据管理、数据分析和图形显示方面开展工作,并进行评估。这些项目的研究结果表明了GIS对多源地学信息管理和分析的巨大优越性,于是美国地调局USGS全面推广GIS技术,到1991年就已安装了50多套大型的GIS系统。
在国外,也有不少在地质滑坡分析、水文模型、水质模型、洪水监测、排涝、流域管理等方面成功应用GIS的例子。美国德克萨斯州瑞斯县,利用当地牧场的位置、地形高程、土壤类型和水系分布这些地理信息,用GRASS软件研究牧场对地表水水质的影响,可能造成的污染区域,以及适合建立新的安全牧场范围。田纳西州谢比尔县,利用降雨径流计算的结果、地质构造和地下水的特性、以及影响地下水水质和水量的地表特征,在ARC/INFO软件平台上,预测人类地表活动对地表水和地下水的污染程度,以及该县在不同降雨标准下可能产生的洪水和洪水将淹没的范围。美国内布拉斯加—林肯大学结合地下水模型DRASTC的模拟和计算,用ERDAS软件模拟不同条件下地下水受污染的程度。在瑞典的一项研究中,把各项水文指标进行空间叠加和综合分析,得到土壤湿度的空间分布,来判断地下水的补给区和渗出区。
卡塔尔是个石油输出国,虽然国家小,十多年来发展很快,该国在进行建设的同时,建立起全国范围的GIS系统,将各种信息（工程、管线、电力输送、城市建设…）全部输入系统,并且将全国各个部门都与GIS联网,因此该国无论在城市规划、市政管理方面,还是在工程设计、抢险排险等各个方面,都充分利用已有的GIS信息,来指导当前工作。
我国自八十年代末引入GIS概念与相应的软件系统以来, 在GIS的应用和软件开发上作了不少研究与努力。测绘、制图、城市规划、土地管理、矿产地质资源勘探等各方面都利用GIS开展了许多工作, 并取得了有效的成果。GIS在流域研究分析、管理方面也逐步得到应用。
国家防汛总指挥部利用GIS对水情、旱情和气象卫星资料的信息显示、分析和比较等方面开展研究与探讨,并将结果显示在大屏幕上,供决策者参考。
1.4 发展趋势
进入九十年代,GIS得以迅速发展。在软件方面,不少有名的软件开发商引进GIS概念,在应用软件中加入GIS模块,或开发与其原来软件相适应的GIS系统,并融入其它应用模块,互相渗透。例如Eagle Point在AutoCAD平台上,引用GIS概念而开发的一些模块,用于工程勘测、设计和施工。Autodesk公司本身也在最近开发了与AutoCAD配套的Autodesk MapGuide、 Autodesk Map和Autodesk World。而GIS软件开发商也向其它领域扩展,如ERSI在前几年就推出了ArcCAD,以利于GIS与城市规划、工程设计的结合。这种互相渗透的趋势还会更快地发展下去。
在硬件方面,计算机技术尤其是PC微机技术的飞速发展,PC机的CPU很快地从386升级到奔腾级芯片,奔腾芯片时钟频率达200MHz以上,MMX和高能奔腾的PC机相继面市,Intel新的CPU芯片—PII又将上市；图形显示从EGA到1280X1024、24位真彩色的VGA,加上图形加速器和2M显示内存的配置；内存从640K增加到16M的标准配置,并可扩展到128M；硬盘从40M发展到2.5G,并配有256K二级高速缓存；与九十年代初的HP工作站HP9000/817s（48MHz主频、CPU速度53MIPS、硬盘320M）和SUN Spark10 IPX（40MHz主频、CPU速度28.5MIPS、硬盘424M、16M RAM）相比,性能和价格都占了绝对的优势。
在操作系统方面,已从单一的DOS系统,发展为Windows 3.x和Windows 95。Windows NT 也在近几年发展迅速,各GIS软件开发商很快地开发出了Windows NT 版的相应软件,其价格也比UNIX版的同等软件便宜得多,例如Windows NT 版的ARC/INFO 7.0等。为了适应中国市场的需要,有些软件开发商还将他们的GIS软件作了汉化。
由于已经存在的图件是地理信息的一个重要来源,这些图件的数字化是GIS的一个繁重的工作内容。九十年代以来,扫描技术有了突破性的的进展：首先是硬件的发展,从A4到A0的扫描图幅,从黑白扫描到彩色扫描,加上高分辨率的扫描精度和各种自动扫描校正,扫描仪的性能有了很大的提高,能处理各种各样的地图和专题图件,而扫描仪的价格却大幅度地下降；与此同时,将光栅文件自动转换成矢量文件的矢量化软件,有了长足的进步,其矢量化的程度和质量提高了许多,但还不是真正的自动化。值得一提的是中国地质大学开发的MAPCAD制图软件,在扫描、处理、矢量化、图形的编辑和校正、以及精度上,能较好地满足GIS对矢量图件的要求。
八十年代末至九十年代,GPS有了许多的进展,定位精度提高很多,应用的范围也大大地扩大了。GIS与GPS结合,无论是移动目标上携带的GIS系统(可用来显示所在的位置和指引前进的方向),还是控制中心的GIS系统(可专门用来追踪和监视移动目标的动向),都有很实际的意义和发展前途。例如公安系统管理中心的报警和决策,警车和运钞车的监控和执行任务,都可用上这套系统。
随着传感器、数字技术、微处理器技术和数字信息传播技术的迅速发展,遥测站RTU越来越普及,大量的实时观测数据,源源不断地通过无线电（甚至高频、微波乃至卫星）或有线系统传到管理中心,这些实时信息为GIS提供了实时分析和实时决策的可能性。特别是一些抗灾、救灾GIS系统,更可以在这些实时信息的基础上,辅以有效的预报模块,加上预报测算,提前作出相应的预防措施,或根据实际情况,有效地组织救灾工作,尽可能减少人民生命财产损失。
卫星遥感也有了新的发展：分辨率的提高使得卫星图象能区分更小的地面目标,而雷达探测卫星则可不受天气和时间的限制,获得高质量的信息。这都给GIS带来更多的可利用信息。
近年来, 信息高速公路在我国迅猛地发展起来,网上有了新的应用,例如Web GIS等。
总之,上述各种新技术的发展,使得GIS如虎添翼,GIS将会更普及,应用更广泛。
（未完待续）
