GIS简史及趋势

从20世纪60年代至今，我们可以看到GIS的发展史依赖于计算机技术的发展，尤其是计算机图形学、空间数据库与网络技术的发展。近50年来，国内、外发展的速度、应用状况是不同的。发达国家（美国、加拿大、英国、德国等）比较早掀起GIS热浪，目前在GIS技术和应用方面比较成熟。发展中的国家（中国、印度等）虽起步晚，但后劲很大。

一、世界GIS发展简史

GIS起源于20世纪60年代，计算机发明后很快在地图制图得到应用，最早的机器制图作品 Atlas of British Flora于20世纪60年代末问世,它是基于穿孔卡片计算机,后由针式打印机取代。地图学家Bertin则在IBMSelectric 打字机上设计了可缩放的地图符号。

最早的GIS概念是由加拿大的汤姆林森（RogerF.Tomlinson）和美国的马波（Duane F.Marble）在不同地方、从不同角度提出的。汤姆林森在斯巴达空军部门（Spartan Air Services ）工作时,与农业部门的技术管理人员合作对地图数字化产生了兴趣，并在1966年与IBM合作在恢复农业和管理部门（Agricultural Rehabilitation  andDevelopment Administration ，简称ARDA)完成了加拿大地理信息系统（Canada Geographic Information System,简称CGIS）并将其投入使用。该系统是第一个真正意义上的GIS,存储了1000多幅地图, 覆盖了加拿大国土,实现了专题地图的叠加、面积量算、自然资源的管理和规划等。对GIS技术发展有三个方面的突出贡献:① 实现了滚筒式扫描进行航片数字化；② 建立了高效率的Morton码索引机制；③对区域边界的表达采用拓扑结点/链式编码。美国学者马波(Marble)在美国西北大学研究利用数字计算机研制数据处理软件系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立地理信息系统的思想。从GIS的发展历史来看，几乎每十年GIS都有一个大的飞跃。

1. 20世纪60年代——开拓发展阶段

20世纪60年代，主要探索GIS的思想和技术方法，关注的是：什么是GIS？GIS能干什么？突破难点是“机助制图、量算分析”。标志性成果有CGIS问世，哈佛大学的计算机制图与空间分析实验室于1964年建立，两年后推出了机助制图软件包 SYMAP，美国人口调查局的研究人员提出了关于空间数据组织的双重独立编码方案DIME。一批公司企业在20世纪60年代末诞生，包括ESRI、Intergraph、Laser-Scan等。

在这一时期，针对GIS一些具体功能的软件技术有了较大进展，主要表面在：①栅格-矢量转换技术、自动拓扑编码以及多边形中拓扑误差检测等得到发展；②具有属性数据的单张或部分图幅可以与其它图幅或部分在图边自动拼接；③采用命令语言建立空间数据管理系统，可以实现属性再分类、分解线段、合并多边形、改变比例尺、量测面积、按属性搜索、输出表格和报告以及多边形叠加处理等。这一时期的软件主要是针对当时的主机和外设开发的，算法较粗糙，图形功能较为有限。

2. 20世纪70年代——巩固阶段

20世纪70年代，是地理信息系统走向实用的发展期。这一时期由于计算机硬件和软件技术的发展以及在自然资源和环境数据处理的应用，促进了GIS的迅速发展。特别是硬盘的使用，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朝着实用方向发展。关于 GIS的理论技术问题引起学者重视，在国际地理联合会IGU组织建立了GIS专业委员会，学术期刊Computer and Geosciences 于1974年创刊，序列学术会议AutoCarto成为讨论机助制图的有影响的国际会议。1973年英国军械测绘局开始全国地图的数字化建库，而美国地质调查局USGS则于1980年完成了全国1∶200万地图的数字化建库。

美国、加拿大、英国、西德、瑞典和日本等国对GIS的研究均投入了大量人力、物力和财力。到1972年CGIS全面投入运行与使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统。在此期间美国地质调查局发展了50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；1974年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存储、处理和检索测量数据、航空像片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息；瑞典在中央、区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。但由于当时的GIS系统多数运行在小型机上，涉及的计算机软硬件、外部设备及GIS软件本身的价格都相当昂贵，限制了GIS的应用范围。

这一时期地图数字化输入技术有了一定的进展，采用人机对话交互方式，提高了工作效率，同时扫描输入技术系统也开始出现。图形功能扩展不大，数据管理能力也较差。

3.20世纪80年代——突破阶段

20世纪80年代是GIS的推广应用阶段，由于计算机技术的飞速发展，在性能大幅度提高的同时，价格迅速下降，特别是图形工作站和个人计算机的性价比大为提高，使GIS的应用领域与范围不断扩大。GIS技术在以下几个方面有了很大的突破：(1)栅格扫描输入处理方面，大大提高了数据输入的效率；(2)数据存储与运算方面，GIS处理的数据量与复杂程度大为提高，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也明显增加；(3)数据输出方面，GIS软件支持多种形式的图形输出；(4)在地理信息管理方面，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。

在这一时期，由于RS和GIS等集成技术的发展，为解决全球性问题（如：全球沙漠化、全球可居住地评、核扩散问题等）提供了便利，同时在这一时期，出现了一大批代表性的GIS软件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MapInfo、ERDAS、MicroStation等。这一时期GIS学术研究异常活跃，IGU组织的关于空间数据处理的SDH学术会议于1984年在瑞士发起，以后每两年召开一次，一致持续至今，成为本领域有重要影响的GIS学术会议。关于GIS研究的重要学术期刊International Journal ofGeographic Information System于1987年创刊，荷兰学者Burrough出版了第一本GIS教材Principles of GeogtraphicInformatin Systems。美国建立了NCGIA研究中心，英国成立了GIS协会。

4.20世纪90年代至今——社会网络化阶段

这个时期，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，GIS成为了一个产业，投入使用的GIS系统，每2～3年就翻一番，GIS市场的增长也很快。目前，GIS的应用在走向区域化和全球化的同时，己渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。90年代，在GIS领域发起了一场关于GIS是一门技术还是一门科学的大讨论，有关学者开始从更高层次思考GIS的学科内涵与外延，一些相关的学术组织、期刊名称也将GISsyetm改为 GIScience。 由于网络技术以及面向对象软件方法论和支撑技术的成熟，为GIS注入了新的活力，同时大量的应用要求促使GIS软件技术的快速发展，开始具备作为应用集成平台的能力。

这个时期，GIS具有以下特点：(1)仍然以图层为处理的基础，新的处理模式正在酝酿与探索之中；(2)引入了Internet技术，开始向以数据为中心的方向过渡，实现了较低层次的(浏览型或简单查询型)的B/S结构；(3)开放程度大幅度增加，组件化技术已成为GIS的一个主要方向，实现了跨平台运行。(4)逐渐重视元数据问题，空间数据共享、服务共享和GIS系统互连技术不断发展；(5)实现了空间数据与属性数据的一体化存储和初步一体化查询，提高了空间数据的操纵能力；(6) 对GIS集成技术进一步研究。重点主要在空间信息分析的新模式和新方法，空间关系和数据模型，人工智能引入等；（7）应用领域迅速扩大，应用深度不断提高，开始具有初步的分析决策能力。

21世纪是信息时代，网络化，WebGIS得到进一步发展。GIS进入信息化服务阶段，研究的问题不再局限于原理、方法、技术问题，还涉入到社会化应用中的管理、信息标准、产业政策等软科学研究，地理信息产业在网络技术推动下逐渐走向成熟。

GIS总的发展简史概括见表1.10。

表1.10 GIS发展历史

                             

时期	特征	标志
20世纪60年代，GIS的开拓期	注重空间数据的地学处理	美国的DIME   加拿大的GRDSR
20世纪70年代，GIS的巩固发展期	注重于空间地理信息的管理	诞生了80多个GIS软件（ESRI成立于1969年）
20世纪80年代，GIS的大发展时期	注重于空间决策支持分析	美国成立NCGIA   中国成立了资源与环境信息系统国家重点实验室
20世纪90年代至今，GIS的用户时代	逐步向实用化、业务化、规模化和专业化的方向发展	GIS进入信息高速公路计划和数字地球构想

 

二、中国GIS发展简史

我国地理信息系统方面的工作始于20世纪80年代初。地理信息系统进入发展阶段的标志是第七个五年计划的开始，地理信息系统研究作为政府行为，正式列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。许多部门同时展开了地理信息系统研究与开发工作。1994年中国GIS协会在北京成立，标志中国GIS行业已形成一定规模。九五期间，国家将地理信息系统的研究应用作为重中之重的项目予以支持，1996年，为支持国产GIS软件的发展，原国家科委开始组织软件评测，并组织应用示范工程。这一系列的举措极大的促进了国产GIS软件的发展与GIS的应用。1998年，国产软件打破国外软件的垄断，在国内市场的占有率达25%。地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测，在城市的管理、规划和市政工程、行政管理与空间决策、灾害的评估与预测、地籍管理及土地利用，在交通、农业、公安等诸多领域得到了广泛的应用。在GIS教育方面，在20世纪80年代中后期，国内只有部分师范院校在研究生和本科生教学中开设地理信息系统课程。1997年，国家学位委员会对原有学科进行合并、调整，在地理学一级学科中增加了“地图学与地理信息系统”（理学）、在测绘科学与技术一级学科中增加了“地图制图学与地理信息工程”（工学）两个二级学科，随后，许多师范院校纷纷开设本科地理信息系统专业，发展十分迅速。根据统计截止2007年，全国已有40余所高等师范院校开办了地理信息系统专业，为相关部门培养和输送GIS 人才。发展简史概况为：

1．20世纪70年代——GIS准备阶段

中国一些知名人士、GIS先驱看到GIS的广阔应用前景和GIS的重要性，进行了积极呼吁，为GIS在我国的发展奠定了理论基础，并做了一些可行性GIS实验。

2．20世纪80年代——GIS试验起步阶段

在这期间，我国科研人员在GIS理论探索、规范探讨、软件开发、系统建立等方面取得了突破和进展，并进行了一些典型试验专题、试验软件开发工作。

3．20世纪90年代——GIS发展阶段

自从1978年我国改革开放以来，沿海、沿江经济开发区的发展，土地的有偿使用和外资的引进，急需GIS为之服务，这也推动了GIS在我国的全面发展。

4.1996年以来至今——GIS产业化、网络化阶段

近十年以来，我国经济信息化的基础设施和重大信息工程已纳入国家计划，一批国家级和地方级的GIS相继建立并投入运行，一批专业遥感基地已建立，并进入了产业化运行，一批综合运用“3S”技术的重点项目已实施，并在自然灾害监测和国土资源调查中发挥作用。在高等院校开设了与GIS相关的新专业，培养了一大批从事GIS研究与开发的高层次人才，具有我国自主版权的GIS基础软件的研制逐步进入了产业化轨道，等等，这些都标志着我国GIS产业已进入新的发展阶段。21世纪，中国信息产业、标准化等已重视与世界接轨，网络GIS、3S技术及应用将得到进一步发展。

至于遥感与全球定位系统，我国未来几年将实施的五大航天工程，将建立长期稳定的对地观测系统体系、协调配套全国遥感应用体系；并分布建立满足应用的卫星导航系统及应用产业。启动实施高分辨率对地观测系统工程系统，开展立体测图卫星等关键技术研究，形成全天候、全天时、不同分辨率、稳定的地球观测系统（EOS），实现对陆地、大气、海洋的立体观测和动态监测。将统筹发展遥感地面系统和业务应用系统；整合地面系统和业务应用的实施，初步实现社会公益领域的数据共享；建立卫星辐射校正场等定量化应用的实施，初步实现社会公益领域的数据共享；建立卫星环境应用和减灾机构，形成若干重要业务应用系统。为构建数字地球及地学应用做贡献。

三、全球GIS发展趋势

近几年来，GIS无论是在理论上还是应用上都处在一个飞速发展的阶段。本章上述已提及GIS已成为交叉综合学科和跨领域的决策工具，当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展规律方向迈进。从单机、二维、封闭向网络(包括Web GIS)、多维、开放的方向发展。总的表现为：① GIS已成为一门综合性技术和交叉学科，② GIS产业化的蓬勃发展；③ GIS网络化已构成当今社会的热点。

1.软、硬件发展

新技术的发展与突破，在为GIS带来发展机遇的同时也对GIS的理论和技术提出了挑战和新的要求。作为GIS的支撑技术，IT领域的软硬件向着云计算、高性能和智能化方向发展，将促使GIS的系统构架迈向并行化处理的高度共享的云计算模式。推动GIS朝着图形处理的三维可视化、系统开发的专业化、系统的网络化设计等方面发展。

2.数据资源日益丰富，共享机制健全

在“大数据”时代，新一代通信技术、新媒体技术、传感器技术的发展极大地丰富了地理时空数据获取手段，不同时空分辨率的数据从各种天空地传感器获得并普适存在。另一方面，人文社会领域的位置相关数据通过社交网、VGI数据以及LBS系统源源不断汇聚，构成了GIS庞大的新型数据资源。通过空间分析、数据挖掘开发利用该数据资源，成为大数据时代的GIS发展的迫切需求

在传统的GIS中，空间数据是以二维形式存储并连接相应的属性数据。目前空间数据的表达趋势是基于金字塔和层次细节（Level OfDetail，简称 LOD）模型技术的多比例尺空间数据库。用不同的尺度表示时可自动显示相应比例尺或相应分辨率的数据，多比例尺数据集的跨度要比传统地图比例尺大，在显示不同比例尺数据时采用LOD或地图综合技术。真三维GIS的空间数据要存储三维坐标。动态GIS在土地变更调查、土地覆盖变化检测中已有较好的应用，真四维的时空GIS将有望从理论研究转入实用阶段。基于三库一体化的实时3D可视化技术发展势头很猛，已能在PC上实现GIS环境下的三维建筑室外室内漫游、信息查询、空间分析、剖面分析和阴影分析等。基于虚拟现实技术的真三维GIS将使人们在现实空间外，可以同时拥有一个Cyber空间。对于基于基础地理信息数据库建库关键技术和多级比例尺矢量、影像和数字高程模型三库一体化管理技术，已形成了相应的建库标准、作业规范和工艺流程。我国已经建设完成了1∶4000 000、1∶1000 000、1∶250 000、1∶50 000基础地理信息数据库，并逐步形成周期性的更新机制。大中城市的城市地理信息系统数据库建设和“数字城市”发展迅速。

3.GIS学科成熟

从对GIS概念的理解及内涵扩展，到GIS得到广泛应用，GIS学科目前已经成熟。前面已谈到，在“GIS”中“S”的含义包含两层意思：一是系统（System），是从技术层面论述地理信息系统，即面向区域、资源、环境等规划、管理和分析，是处理地理数据的计算机技术系统，但更强调其对地理数据的管理和分析能力；另一层则是科学（Science），是地理信息学科中共性的地理信息表达、建模、决策分析的理论方法与知识体系，常称之为地理信息科学。早期的国际地理信息系统杂志（International Journal ofGeographical Information System）现已改名为国际地理信息科学杂志（International Journal of Geographical InformationScience），美国测绘学会刊物地图学与地理信息系统（Cartography and Geographical Information System）也改名为地图学与地理信息科学（Cartography andGeographical Information Science）。GIS学科的成熟使得的GIS研究的范畴趋向完备，地理信息的理论方法、工程技术与服务管理几个方面都得到发展。经过近半个世纪的发展，地理信息系统软件及其应用系统从单机系统、单一用户发展到面向网络、跨部门、跨区域乃至全球化的大型系统，并与主流IT技术深度融合，提供智能化和大众化的地理信息服务，支撑数字地球和智慧地球的建立，地理信息科学已经形成较完整的学科体系。

4.GIS理论技术研究走向深入

GIS学科具有技术先行进而驱动科学理论发展的特点，从科学的认知观念探求地理信息系统的理论基础，逐渐成为近期研究的重点。地理信息科学的本质是从信息流的角度来揭示地球系统发生、发展及演化规律，从而实现资源、环境与社会的宏观调控。作为其理论核心的地理信息机理包括地理信息的本体特征、认知表达、可视化与传输等，是本学科的理论基础，目前的研究主要集中在以下几个方面：①地理信息的结构、性质、分类与表达；②地球圈层间信息传输机制、物理过程及其增益与衰减以及信息流的形成机理；③地球信息的空间认知和数据挖掘及其不确定性与可预见性；④地球信息模拟物质流、能量流和人流相互作用关系的时空转换特征；⑤地图语言与地图概括、多维动态可视化与智能化综合制图系统的理论、方法和应用研究；⑥地球信息获取与处理的应用基础理论等。这些将是地理信息科学理论研究的主要方面。

最新GIS技术将逐渐摆脱先前的主要处理静态的、二维的、数字式的地图技术的约束，而从传统的静态地图、电子地图发展到能对空间信息进行可视化和动态分析、动态模拟，支持动态、可视化、交互的环境来处理、分析、显示多维和多源地理空间数据。其中，可视化仿真技术能使人们在三维图形世界中直接对具有形态的信息进行实时交互操作。虚拟现实技术以三维图形为主，结合网络、多媒体、立体视觉、新型传感技术，能创造一个让人身临其境的虚拟数字地球或数字城市。先进的对地观测技术、互操作技术、海量数据存储和压缩技术、网络技术、分布式技术、面向对象技术、空间数据仓库、数据挖掘等技术的发展都为GIS的发展和创新提供了新的手段。

5．应用领域更为广阔

GIS是以应用为导向的空间信息技术，空间分析与辅助决策支持是GIS的高水平应用，它需要基于知识的智能系统。知识的获取是专家系统中最为困难的任务，随着各种类型数据库的建立，从数据库中挖掘知识已成为当今计算机界一个十分引人注目的课题。例如：从GIS空间数据库中发现的知识可以有效地支持遥感图像解释，从而解决“同物异谱和同谱异物”的问题；从属性数据库中挖掘的法则知识有利优化空间资源配置以及空间对象的重分类等。尽管数据挖掘和知识发现这一课题仍处于理论研究阶段，但随着数据库体的飞快增大和数据挖掘工具的深入研究，其应用前景是不可估量的。

随着计算机通信网络（包括有线与无线网）的大容量化和高速化，GIS已成为网络上的分布式导构系统。许多不同单位、不同组织维护管理的既独立又互联互用的联邦数据库，将提供全社会各行各业的应用需要。因此联邦数据库和互操作问题成为当前国际GIS联合攻关研究的一个热点。互操作意味着数据库数据的直接共享。目前，GIS功能模块的互操作与共享，以及多点之间的相同工作的研究已有明显的成效。未来的GIS用户将可能在网络上缴纳所选用数据和软件功能的使用费，而不必购买整个数据库和整套的GIS硬软件，这些成果产生的直接效果是：GIS应用将走向地学信息服务。

GIS技术日益与主流IT技术相融合，成为信息技术发展的一个新方向。GIS发展的动力一方面来自于日益广泛的应用领域对GIS不断提出的要求；另一方面，计算机科学的飞速发展为GIS提供了先进的工具和手段。许多计算机领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可直接应用到GIS中。同时，由于空间技术的迅猛发展，特别是遥感技术的发展，提供了地球空间环境中不同时相的数据，使GIS的作用日渐突出，GIS不断升级并能提供存储、处理和分析海量地理数据的环境。组件式GIS技术的发展，使之可以与其它计算机信息系统无缝集成、跨语言使用，并提供了无限扩展的数据可视化表达形式。

 

      6.GIS建设开发走上高效率的技术路线

随着GIS应用领域的不断扩大，它在自然资源管理、土地和城市管理、电力、电信、石油和天然气、城市规划、交通运输、环境监测和保护等方面发挥了主要作用，也产生了众多形式多样、专业领域不同的信息系统。如何针对各专业应用领域的特点寻求一套高效率、高质量的GIS建设路线，成为一个迫切需要解决的问题，解决的途径是引入系统工程的技术路线，通过系统工程的原理、方法研究GIS建设开发的方法、工具和管理模式。GIS工程的目标在于研究一套科学的工程方法，并与此相适应,发展一套可行的工具系统，解决GIS建设中的最优问题,即解决GIS系统的最优设计、最优控制和最优管理问题,力求通过最小的投入，最合理地配置资金、人力、物力而获得最佳的GIS产品。GIS工程自身遵循着一套科学的设计原理和方法, 研究发现这些原理与方法是本领域的重要课题。在广泛社会化应用驱动下地理信息标准成为研究的重点。在网络信息资源共享、系统互操作、空间数据融合等应用领域不断拓宽的发展驱动下，人们不断意识到只有软件、硬件和数据等要素进行必要的标准化才能实现更有效地使用GIS。地理信息的标准化包括地理信息的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软件和硬件系统等。

GIS从20世纪60年代兴起到今日广泛流行，我们可以把GIS应用特点概括为：① GIS应用领域不断扩大；② GIS应用研究不断深入；③ GIS应用社会化；④GIS应用全球化；⑤ GIS应用环境网络化、集成化；⑥ GIS应用模型多样化。⑦大数据时代GIS与云计算及应用。

关于云计算cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源，云计算实现了资源的高度共享，包括数据平台、软件资源、基础设施平台、硬件平台等。云是网络、互联网的一种比喻说法。过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。因此，云计算甚至可以让你体验每秒10万亿次的运算能力，拥有这么强大的计算能力可以模拟核爆炸、预测气候变化和市场发展趋势。用户通过电脑、笔记本、手机等方式接入数据中心，按自己的需求进行运算。云平台可以为终端用户提供持续、稳定的各种地理知识云服务，聚集全球各种地理数据挖掘算法和地理决策分析模型。围绕地理知识云服务的分布式协同机制，开发面向大数据的分布式时空数据挖掘和决策建模算法，研发服务质量评估模型及其约束下的动态时空知识服务组合技术，是未来地理信息系统软件技术的发展趋势。

总之，进入21世纪，GIS应用则向更深的层次发展，展现新的发展趋势。