4．地理信息系统 (GIS, Geographic Information System)。地理信息系统是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使GIS与其它信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

    GIS就是用来存储有关世界的信息，这些信息是可以通过地理关系连接在一起的所有主题层集合。这个简单却非常有力和通用的概念，对于解决许多真实世界的问题具有无价的作用，这些问题包括：跟踪传输工具、记录计划的详细资料，模拟全球的大气循环等。GIS的主要特点有：

地理参考系统：地理信息包含有明确的地理参照系统，例如经度和纬度坐标，或者是国家网格坐标。也可以包含间接的地理参照系统，例如地址、邮政编码、人口普查区名、森林位置识别、路名等。一种叫做地理编码的自动处理系统用来从间接的参照系统，如地址描述，转变成明确的地理参照系统，如多重定位。这些地理参考系统可以使你定位一些特征，例如商业活动、森林位置，也可以定位一些事件，例如地震，用于做地表分析。

    矢量和栅格模式：地理信息系统工作于两种不同的基本地理模式——矢量模式和栅格模式。

    在矢量模式中，关于点、线和多边形的信息被编码并以x、y坐标形式储存。一个点特征的定位，例如一个钻孔，可以被一个单一的x、y坐标所描述。线特征，例如公路和河流，可以被存储于一系列的点坐标。多边形特征，例如销售地域或河流聚集区域，可以被存储于一个闭合循环的坐标系。矢量模式非常有利于描述一些离散特征，但对连续变化的特征，例如土壤类型或赶往医院的开销等，就不太有用。

    栅格模式发展为连续特征的模式。栅格图象包含有网格单元，有点像扫描的地图或照片。不管是矢量模式还是栅格模式，用来存储地理数据，都有优点和缺陷。现代的GIS都可以处理这两种模式。

GIS的主要功能：一般来说，GIS有以下五个过程或任务： 输入、处理、管理、查询和分析、可视化。

输入：在地理数据用于GIS之前，数据必须转换成适当的数字格式。从图纸数据转换成计算机文件的过程叫做数字化。对于大型的项目，现代GIS技术可以通过扫描技术来使这个过程全部自动化，对于较小的项目，需要手工数字化（使用数字化桌）。 目前，许多地理数据已经是GIS兼容的数据格式。这些数据可以从数据提供商那里获得并直接装入GIS中。

处理：对于一个特殊的GIS项目来说，有可能需要将数据转换成或处理成某种形式以适应系统需要。例如，地理信息适用于不同的比例尺（街道中心线文件的比例尺也许是1:100,000；人口边界是1:50,000；邮政编码是1:10,000）。在这些信息被集成以前，必须转变成同一比例尺。这可以是为了显示的目的而做的临时变换，也可以是为了分析所做的永久变换。GIS技术提供了许多工具来处理空间数据和去除不必要的数据。

管理：对于小的GIS项目，把地理信息存储成简单的文件就足够了。但是，当数据量很大而且数据用户数很多时，最好使用一个数据库管理系统（DBMS），来帮助存储、组织和管理数据。一个数据库管理系统DBMS就是用来管理一个数据库—一个数据的完整收集——的计算机软件。有许多不同的DBMS设计，但在GIS中，关系数据库管理系统的设计是最有用的。在关系数据库系统设计中，概念上数据都被存储成一系列的表格。不同表格中的共同字段可以把它们连接起来。这个令人惊讶的简单设计被广泛地应用，主要是由于它的灵活性以及在使用GIS和不使用GIS时，都被广泛地采用。

查询和分析：一旦拥有一个包含地理信息的多功能的GIS系统，你可能开始提出像下面这样的一些简单问题：这个角落上的这块土地属于谁？两个地方之间的距离是多少？工业用地的边界在哪里？有关分析的问题可能是：适合于盖新房子的所有地点在哪里？生长橡树的最好的土壤类型是什么？如果我要在这里建一条高速公路，它将如何影响交通？GIS提供简单的鼠标点击查询功能和复杂的分析工具，为管理者和类似的分析家提供及时的信息。在分析地理数据用于寻找模式和趋势，或提出“如果……怎么样”设想时，GIS技术实际上正在被使用。现代的GIS具有许多有力的分析工具，但是以下两个特别重要：

接近程度分析：在这片水域周围100米范围内有多少房子？这家商店附近10公里范围内共有多少消费者？在这口井周围500米范围内紫花苜蓿这种植物占多大面积？为了回答这些问题，GIS技术使用一个叫做缓冲的处理方法，来确定特征间的接近关系。

覆盖范围分析：不同数据层的综合方法叫做覆盖。简单的说，它可以是一个可视化操作，但是分析操作需要一个或多个物理连接起来的数据层。覆盖或空间连接，可以将税收数据与土地、斜坡、植被或土地所有者等集成在一起。

可视化：对于许多类型的地理操作，最终结果最好是以地图或图形来显示。图件对于存储和传递地理信息是非常有效的。制图者已经生产了上千年的地图，GIS为扩展这种制图艺术和科学提供了崭新的和激动人心的工具。地图显示可以集成在报告、三维观察、照片图像和例如多媒体的其它输出中。

    GIS与其它几种信息系统密切相关，但由于其处理和分析地理数据的能力使其与它们相区别。尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类，但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及GPS技术。

    桌面制图：桌面制图系统用地图来组织数据和用户交互。这种系统的主要目的是产生地图：地图就是数据库。大多数桌面制图系统只有及其有限的数据管理、空间分析以及个性化能力。桌面制图系统在桌面计算机上进行操作，例如PC机，Macintosh以及小型UNIX工作站。

    计算机辅助设计CAD：计算机辅助设计(CAD)系统促进了产生建筑物和基本建设的设计和规划。这种设计需要装配固有特征的组件来产生整个结构。这些系统需要一些规则来指明如何装配这些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系统已经扩展并可以支持地图设计，但管理和分析大型的地理数据库的工具很有限。

    遥感和GPS：遥感是一门使用传感器对地球进行测量的科学和技术，例如，飞机上的照相机，全球定位系统（GPS）接收器，或其它设备。这些传感器以图象的格式收集数据，并为利用、分析和可视化这些图象提供专门的功能。由于它缺乏强大的地理数据管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。

    DBMS数据库管理系统：数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据，其中包括地理数据。DBMS使存储和查找数据最优化，许多GIS为此而依靠它。相对于GIS，它们没有分析和可视化的工具。

   GIS的主要用途是：

    进行地理信息查询和分析：GIS搜索数据库并进行地理信息查询的能力，节约了许多公司数以百万计的美元。所以，GIS可以缩短回答客户请求的时间，找到适合于开发的土地，在粮食、土壤和天气之间找寻相关关系，电气线路故障定位，房地产经纪人可以用GIS在一定的区域内寻找满足下列条件的所有房屋：瓦盖的屋顶、五个房间，并可列出它们的所有特点。查询可以通过增加准则来进一步细化：房价必须每平方英尺少于100美元。还可以列出这些房屋离学校在一定的距离之内。

    改进机构集成：许多采用了GIS的机构发现其主要效益之一是改进了它们自己的机构和资源的管理。由于GIS具有将数据集合和地理信息链接起来的能力，促使它们之间共享和交流局部信息。通过产生可共享的数据库，一个部门可从另一个部门的工作中得到好处，这是由于数据只需采集一次，但应用多次。

    做出好的决定：一个古老的格言“好的信息导致好的决定”，对于GIS和其它信息系统来说都是正确的。然而，一个地理信息系统（GIS），并不是一个自动决策系统，而是一个查询、分析和支持作出决策处理的图件数据工具。GIS技术已经被用于帮助完成一些任务，例如：为计划调查提供信息，帮助解决领土争端，以最小化视觉干扰为原则设置路标。

    制图：图件在GIS中占有重要的一席之地。GIS的制图方法比传统的人工或自动绘图方法要灵活得多。她开始于数据库的创建。已经存在的纸张图件可以进行数字化，并可以把计算机兼容的信息转换到GIS中。以GIS为基础的图形数据库是可以延续的，比例尺也不受限制。图件可以以任何地点为中心，比例尺任意，使用突出效果的特殊字符有效地显示所选择的信息。地图集和地图丛书的特征可以用计算机程序编码，并与最终的数据库产品相比较。在其它GIS中使用的数字化产品还可以来自数据库的简单拷贝。在一个大的组织机构中，地形数据库可以被其它部门用作参考构架。