在信息的诸多类型中，与空间相关的信息是十分重要的一类，如何利用计算机处理这类信息是地理信息系统产生和发展的原动力。GIS技术在国防、城市规划、交通运输、环境监测和保护等领域的成功应用，极大地刺激了GIS技术的发展，使之成为世界各国激烈竞争的高科技热点之一，国家科委将其列入“九五”重中之重科技攻关项目。

GIS是计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科综合的技术。要给出GIS的准确定义是困难的，因为GIS涉及的面太广，站在不同的角度，给出的定义就不同。通常可以从4种不同的途径定义。

（1）面向功能的定义：GIS是采集、存储、检查、操作、分析和显示地理数据的系统。

（2）面向应用的定义：根据应用领域的不同，将GIS分为各类应用系统，如土地信息、城市信息系统、仓库规划信息系统等。

（3）工具箱定义方式：GIS是一组用来采集、存储、变换和显示空间数据的工具的集合。

（4）基于数据库的定义：GIS是这样一类数据库系统，它的数据有空间次序，并且提供一个对数据进行操作的操作集合，用来回答对数据库中空间实体的查询。

我们认为，虽然GIS是一门多学科综合的边缘学科，有多种定义方式，但其核心是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析。因此，可以这样定义：GIS是处理地理数据的输入、输出、管理、查询、分析和辅助决策的计算机系统。

GIS研究内容非常广泛，主要有输入、存储、地理数据的操作和分析、输出四个方面的内容。目前，GIS总体上主要呈现网络化、开放性、虚拟现实、集成化、空间多维性等发展趋势。

（一）输入

地理数据如何有效地输入到GIS中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，常用的方法是数字化和扫描。数字化是先对地图进行数字化处理，再把处理完成后的地理数据输入GIS。数字化的主要问题是低效率和高代价。扫描输入则是直接把地图通过扫描仪输入GIS。它面临另一个问题，扫描得到的栅格数据如何变换成GIS数据库通常要求的点、线、面、拓扑关系属性等形式，就这一领域目前的研究进展而言，全自动的智能地图识别在短期内没有实现的可能。因而，矢量化方法中，交互式的地图识别是一种较为现实的途径，在GIS输入中常采用交互式的地图识别的方法，即GIS中的地图数据和图形可以通过友好的人机界面进行交互修改和补充。

目前GIS的输入正在越来越多地借助非地图形式，遥感就是其中的一种形式，它已经成为GIS的重要数据来源，与地图数据不同的是遥感数据输入GIS较为容易，遥感数据获取手段近年来得到了迅猛发展。航空航天遥感传感器数据获取技术趋向三多和三高，三多是指多平台、多传感器、多角度，三高是指高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率。作为遥感的平台有地球同步轨道卫星（35 000千米）、太阳同步卫星（600～1 000千米）、太空飞船（200～300千米）、航天飞机（240～350千米）、探空火箭（200～1000千米），还有高、中、低空飞机，升空气球，无人飞机等；传感器有光学相机、全景相机、激光扫描仪、光电扫描仪、面阵扫描仪、微波散射计雷达测高仪、激光扫描仪和合成孔径雷达等，这些平台让我们几乎覆盖了所有可透过大气窗口的电磁波段。但如果通过对遥感图像的解释来采集和编译地理信息，则是一件较为困难的事情。因此，GIS中开始大量融入图像处理技术，许多成熟的GIS产品，如MAPGIS中都具有功能齐全的图像处理子系统。

地理数据采集的另一项主要进展是GPS（全球导航定位系统）技术，GPS可以准确、快速地定位在地球表面的任何地点，可为GIS提供准确的地理数据。全球定位系统（Global Positioning System）由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成，如图4-8所示。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、传感器和计算机，监控站的任务主要是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站对地面监控部实行全面控制，主控站主要任务是收集各个监控站对GPS卫星的观测数据，利用这些数据计算每一颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把导航数据及主控站发出的指令注入卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

图4-8　GPS卫星系统

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，对其硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓。目前已普及到国民经济的各部门，并开始逐步深入人们的日常生活，使人们在日常生活中也能运用到这项技术。

GPS发展的重要趋势是与全球定位系统（GPS）和遥感（RS）的集成，从而构成实时的、动态的GIS。GPS为GIS的快速定位和更新提供手段，遥感技术的多谱段、多时相、多传感器和多分辨率的特点，为GIS不断注入“燃料”，反过来又可利用GIS支持从遥感影像数据中自动提取语义和非语义信息。

（二）存储(www.daowen.com)

地理数据存储是GIS中最低层和最基本的技术，它直接影响其他高层功能的实现效率，从而影响整个GIS的性能。基于微机平台的MAPGIS能够快速、高效地处理多达上万幅的海量地图库，较好地解决了地理数据的存储问题。在GIS中，人们将复杂的地表现象抽象，GIS数据以数字数据的形式表现了现实世界的客观对象（公路、土地利用、海拔）。用数学表达分为四大类：数字线划数据、影像数据、数字高程模型和地物的属性数据。现实世界中的客观对象可被划分为两个抽象概念：离散对象（如房屋）和连续的对象领域（如降雨量或海拔）。这两种抽象体在GIS系统中存储数据主要的两种方法为：栅格（网格）和矢量。地理数据示例如图4-9所示。

图4-9　地理数据示例

GIS对数据的存储采用了分层技术，即根据地图的某些特征，把它分成若干层，整张地图是所有层叠加的结果。在与用户的交换过程中只处理涉及的层，而不是整幅地图，大大提高了GIS数据存储速度，因而能够对用户的要求做出快速反应。GIS通过执行数据重构来把数据转换成不同的格式。例如，GIS可以通过在具有相同分类的所有单元周围生成线，同时确定了单元的空间关系，如邻接和包含，将卫星图像转换成向量结构的数据。由于数字化的数据以不同的方法收集和存储，两种数据可能会不完全兼容。因此，GIS必须能够将地理数据从一种结构转换到另一种结构。

（三）地理数据的操作和分析

GIS中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段，对图形数据（点、线、面）和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可以借鉴CAD和通用数据库中的成熟技术，有所不同的是，GIS中图形数据与属性数据紧密结合在一起，形成对地物的描述，对其中一类数据的操作势必影响到一致性和操作效率，这是GIS数据操作的主要问题。

GIS的分析功能，即空间分析，是GIS得以广泛应用的重要原因之一。通过GIS提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据得出隐含的重要结论，这对许多应用领域是至关重要的。GIS的空间分析分为矢量数据空间分析和栅格数据空间分析两类。仓库参谋人员在GIS中的地图上划定一个范围，就可以得到该范围内仓库物资库存情况等信息，为仓库参谋人员的决策分析提供依据。

（四）输出

将用户查询的结果或者是数据分析的结果以文本、图形、多媒体、虚拟现实等合适的形式输出，是GIS问题求解过程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。对于一些对输出精度要求高的领域，高质量的输出功能对GIS是必不可少的。这方面的技术主要包括：数据校正、编辑、图形整饰、误差消除、坐标变换、出版印刷等。其中，地图图形输出是地理信息系统产品的主要表现形式。

1.空间信息输出系统

一般地理信息系统软件都为用户提供三种图形、图像输出方式以及数据属性报表输出。

2.屏幕显示

屏幕显示方式主要用于系统与用户交互时的快速显示，是比较廉价的输出产品，需以屏幕摄影方式制作硬拷贝来保存资料，可用于日常的空间信息管理和小型科研成果输出。其优点是代价低、速度快，色彩鲜艳，且可以动态刷新；缺点是非永久性输出，关机后无法保留，而且幅面小、精度低、比例不准确，不宜作为正式输出设备。但值得注意的是，目前也往往将屏幕上所显示的图形采用屏幕拷贝的方式记录下来，以在其他软件支持下直接使用。

3.矢量绘图

矢量绘图仪制图用来绘制高精度的、比较正规的大图幅图形的产品。矢量制图通常采用矢量数据方式输入，根据坐标数据和属性数据将其符号化，然后通过制图指令驱动制图设备。

4.打印输出

喷墨打印机，特别是高品质的激光打印机已经成为当前地理信息系统地图产品的主要输出设备。打印输出可利用行式打印机、点阵打印机、喷墨打印机及激光打印机四种打印机。如图4-10所示。