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1、4.1发展概况地理信息系统是20世纪60年代中期开始逐渐发展起来的一间新的技术。由于40年代和50年代计算机科学、地图学和航空摄影测量技术的发展，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产生最早的地理信息系统的基本框架。长期以来，地学工作者一直要研究存在于具体时空框架中的地理要素，最初存储这些要素的共同介质是模拟地图。使用和分析空间数据时，是通过由这种模拟地图和读图人员组成的简易系统来完成的，偶尔也借助一些简单的量算工具。经验表明，采用这种简易的系统，提取少量数据比较容易，但是要提取大量的地理信息，或者研究存在
2、于多种地图要素之间的复杂关系时，就很困难，例如，当地学研究人员要用手工方法在两组或两组以上的数据之间研究其可能的相互关系，而这些空间数据的坐标系统不一致，比例尺不统一时，是很困难的，甚至是不可能的。因此，当50年代末和60年代初，计算机获得广泛应用以后，很快就被应用于空间数据的存储和处理，使计算机成为地图信息存储和计算处理的装置，将很多地图转换为能被计算机利用的数字形式。计算机分析地图内容并提供信息，是从自然资源的管理和土地规划任务开始的，在这个基础上诞生了世界上第一个地理信息系统 -加拿大地理信息系统(CGIS)。这时地理信息系统的特征是和计算机技术的发展水平联系在一起的，表现在计算机存储能
3、力小，磁带存取速度慢，机助制图能力较强，地学分析功能比较简单，实现了手扶跟踪的数字化方法，可以完成地图数据的拓扑编辑，分幅数据的自动拼接，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是最著名的一例，另外还有GRID、MLMIS等系统。所有这些处理空间数据的主要技术，奠定了地理信息系统发展的基础。这一时期，地理信息系统发展的另一显著标志，是许多有关的组织和机构纷纷建立，例如1966年美国成立城市和区域信心系统协会(URlSA)，1969年又建立州信息系统全国协会(NASIS),国际地理联合会(IGU)于1968年设立了地理数据收集和处理委员会(CGDSP).这些组
4、织和机构的建立，对于传播地理信息系统的知识和发展地理信息系统的技术，起了重要的指导作用。20世纪70年代，计算机发展到第三代，不仅内存容量大增，运算速度达到10-6秒级，而且输入-输出设备比较齐全，推出了大容量直接存取设备-磁盘，为地理数据的录入、储存、检索、输出提供了强有力的手段，特别是人机对话和随机操作的应用，可以通过荧屏直接监视数字化的操作，而且制图分析的结果能很快看到，并进行实时的编辑。这时由于计算机技术及其在自然资源和环境数据处理中的应用，促使地理信息系统迅速发展。例如从1970年至1976年，美国地质调查所就建成50多个信息系统，分别作为处理地理、地质、水资源等领域空间信息的工具。
5、其他如加拿大、前联邦德国、瑞典、日本等国也先后发展了自己的地理信息系统。地理信息系统的发展，使一些商业公司开始活跃起来，软件在市场上受到欢迎，同时管理问题也开始受到重视。例如，IGU较广泛深入地研究了5个主要系统的成功和失败，先后于1975年和1976年两次调查了与空间数据处理有关的计算机软件，以确定现有软件的类型、特点和质量，当时大约有320个程序组和系统，其中较完整的地理信息系统软件就有80个之多，并于1980年由美国地质调查所出版了空间数据处理计算机软件三卷一套的报告，基本总结了1979年以前世界各国地理信息系统发展的概貌。与此同时，MarbleDF等拟订了处理空间数据的计算机软件说明的
6、标准格式，对全部软件进行了系统的分类，提出地理信息系统的今后发展应着重研究空间数据处理的算法、数据结构和数据库管理系统三个方面。先后召开了一系列地理信息系统的国际讨论会，例如，1971年在法国Saint-Maximin召开了关于数据库的国际专家会议，国际地理联合会先后于1970年和1972年两次召开关于地理信息系统的学术讨论会，1978年FIG规定第三委员会的主要任务是研究地理信息系统，同年在前联邦德国的达姆斯塔特工业大学召开了第一次地理信息系统讨论会等，这期间，许多大学(例如美国纽约州立大学布法罗校区等)开始注意培养地理信息系统方面的人才，创建了地理信息系统实验室。因此，地理信息系统这一技术
7、受到了政府部门、商业公司和大学的普遍重视，成为一个引人注目的领域。20世纪80年代是地理信息系统普遍发展和推广应用的阶段。由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通讯传输设备的出现，例如1984年Prime9950象征着新一代微机的诞生，有4-6兆内存，每秒400万次，为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。在系统软件方面，完全面向数据管理的数据库管理系统(DBMS)通过操作系统(OS)管理数据，系统软件工具和应用软件工具得到研制，先后推出了ARC/lNFO、GENAMAp、MICROSTATlON和SYS-
8、TEM9等GIS基础软件。数据处理开始和数学模型、模拟等决策工具结合。地理信息系统的应用从解决基础设施的规划(如道路、输电线等)转向更加复杂的区域开发，例如土地的农业利用、城市化的发展、人口的规划和安置等，地理因素成为投资标准决策不可缺少的依据。这时期，地理信息系统不仅引起工业化国家的普遍兴趣，例如1987年美国成立了国家地理信息与分析中心(NCGIA)，英、法、前联邦德国、挪威、瑞典、荷兰、以色列、澳大利亚、前苏联等国都在积极解决地理信息系统的发展和应用，而且不再受国家界线的限制，地理信息系统开始用于解决全球性的问题，例如全球的沙漠化、全球可居住区的评价、厄尔尼诺现象及酸雨、核扩散等对世界环
9、境潜在的影响等。这时期，我国GlS的基础研究和应用研究也取得突破性的进展，例如成立了地理信息系统相关的国家重点实验室，开展了GlS的国家科技攻关项目研究等。因此，国际著名的地理信息系统专家R.F汤姆林逊认为，如果20世纪70年代是这个领域发展的巩固时期，那么80年代是国际地理信息系统发展具有突破性的年代。20世纪90年代是GIS应用的大发展，GIS成为一种通用的地理信息技术工具被广泛应用，称为GlS的用户时代。一方面，许多机构逐渐了解GlS的功能，利用GIS作为必备的工作系统，改变传统的工作模式，提高工作效率和质量。另一方面，社会对GlS认识普遍增强，用户需求迅速增加，导致GIS应用领域的扩大
10、和应用水平的提高。国家级乃至全球性的GlS系统还特别受到政府部门的关注，例如地理信息系统已列人美国政府制定的信息高速公路计划;美国副总统戈尔提出的数字地球战略，我国21世纪议程和三金工程等，都包含有地理信息系统项目的建设。当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进，呈现以下主要发展态势:l.G1S已成为一门综合性技术近年来，随着GlS技术的发展和社会需求的增大，GIS已经和计算机、通信等技术一样，成为信息技术(IT)的重要组成部分，GIS需要应用其他信息技术，其他信息技术也需要应用GIS。GlS不但与全球定位系统(GPS)和遥感(RS)相结合，构成3S集成系统，而且与CAD、多媒体、
11、通信、因特网、办公自动化、虚拟现实等多种技术相结合，构成了综合的信息技术。GlS成为一门综合性技术的另一个显著标志是其自身系统功能和支持功能的不完善，体现在：GIS信息规范共享措施的建立；多源空间数据无缝集成和融合技术的实施；GIS图形和属性数据的无缝结合与管理；大型GIS地理数据库的无缝组织；空间数据质量控制和数据交换格式方案的解决；空间数据仓库和元数据技术的应用；国产GIS基础软件和组织式软件的开发与推出；多维和动态数据模型的应用设计；GIS空间分析模型及体系的建立；开放式GIS技术的构建；以及GIS体系结构和解决方案的不断优化组合等。因此，GIS已经能够为用户提供地球表层及其附近的空间和
12、非空间数据的获取、处理、分析、表示和传输的重要技术手段，这些技术的不断发展为数字地球的建立及其应用(图1-16)提供了可靠的技术保证，也为了人类造福提供可靠的技术保证。 2.GIS产业化的发展势头强劲由于GIS是一项面向21世纪信息时代，关系国家综合竞争实力的高新技术因此GIS及其产业化的发展日益受到各国的普遍关注。以美国为例，由l:1000000至1:24000的基础地理信息数字化产品和大批专业地学数字化信产品已进入市场，以相当低廉的价格提供用户使用，约85%的联邦机构和地方政府机构使用GlS每年GIS的应用项目达l万多个。90年代全球GIS产业以每年15%-40%的速度增长，预计2000年
13、其产值将至少达500亿美元，成为信息产业中市场前景十分广阔又相对独立的新兴产业。根据国际权威信息评估机构的划分，GIS产业对象包括:硬件、软件、数据采集与转换、电子数据、遥感数 获取与处理、系统开发与集成和咨询与技术服务七个方面。其中，GIS软件的发展经历了从早期的功能处理模块，发展到组件式GlS和WebGIS的过程。组件式GIS和WebGIS已经成为许多大型GIS公司产品的开发方向和竞争对象，相继推出了各自的产品(表1-2)。我国GlS产业发展也已被确定为国家信息产业中重要的发展方向，先后建成1:100万地形数据库和地名数据库、1：50万数字地理底图数据库、1:25万地形数据库、数字高程模型
14、库。1：25万地形数据库含819幅图，包括水系、交通、境界、居民点、地形、植被等14层要素。数字高程模型库分为l00mlOOm格网和3s3s格网两种。1:25万地名数据库共有805431个地名。已推出ARCChi-na 1:100万光盘产品和1:400万中国数字产品等，目前正在加快建设1:5万基础地理数据库和全国七大江河重点防范区的1:1万空间数据库，为国民经济信息化建设提供坚实的基础。3.GIS网络化已构成当今社会的热点近几年来，因特网在全球的迅速发展，为信息产业提供了一次发展机会，也是GIS技术发展的一次良机。因特网是全球最大的、开放的、由众多网络互联而成的计算机互联网，它的分布式结构和T
15、CP/IP协议的互联灵活性是其成功的关键，而其中全球信息网(Web)服务是在因特网基础上发展起来的，它的发展为地理信息共享提供了一个开放的信息空间。Web以HTTP(超文本传输协议)为信息通信协议，采用B/S(测览器/服务器)的结构，这种结构解决了传统的C/s(客户机/服务器)结构的客户端多平台问题，通过一个浏览器可以访问多个应用服务器。同时，这种结构将C/S计算体系的两层结构自然延伸为三层甚至多层结构(图l17)。这种基于WWW的地理信息共享体系结构，以浏览器为前端，采用标准对象开发平台，例如JAVA、C+等开发可入浏览器的应用组件，实现数据库的检索和对服务器端的数据进行浏览。后端由WWW服
16、务器、应用服务器、数据库服务器和搜索引擎组成。用户通过元数据的查询和搜索引擎，可以获取各种地理空间数据和属性数据，进行地理空间的分析、预测、推理、决策等，以及用户在查找到感兴趣的数据后，可以通过FTP等不同的方式进行下载，极大地拓展了GIS的功能。 表12许多大型GIS公司开发的组件式GIS和WebGIS4地理信息科学的产生和发展目前在全球范围内，GIS以前所未有的发展速度在科技界和企业界推广应用，GIS的推广应用大大提高了人类处理和分析有关地球资源、环境、社会与经济数据的能力，而GIS技术及其应用的进一步发展必须依托基础理论的研究，发展地理信息科学。法国大地测量和摄影测量学家Bernart Dubuisson于1975年首先将地球量测(法文名Geomatique)正式用于科学文献。1990年Gagnon将Geo
