一、GIS 的定义

GIS 是Geographic Information System 的简称，中文名为：地理信息系统。

它是在计算机软、硬件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

GIS 是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统，随着GIS 的发展，也有称GIS 为地理信息科学（Geographic Information Science）。近年来，也有称GIS 为”地理信息服务”（Geographic Information service）。

GIS 是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象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。

GIS 属于信息系统的一类，不同在于它能运作和处理地理参照数据。地理参照数据描述地球表面（包括大气层和较浅的地表下空间）空间要素的位置和属性，在GIS 中的两种地理数据成分：空间数据与空间要素几何特性；属性数据，提供空间要素的信息。

由于不同的部门和不同的应用目的，GIS 的定义也有所不同。当前对GIS的定义一般有四种观点：即面向数据处理过程的定义、面向工具箱的定义、面向专题应用的定义和面向数据库的定义。

1、面向数据处理过程的定义：Goodchild 把GIS 定义为采集、存贮、管理、分析和显示有关地理现象信息的综合技术系统。

2、面向工具箱的定义：Burrough 认为GIS 是属于从现实世界中采集、存储、提取、转换和显示空间数据的一组有力工具。俄罗斯学者也把GIS 定义为一种解决各种复杂地理相关问题，以及具有内部联系的工具集合。

3、面向数据库的定义：则是在工具箱定义的基础上，更加强调分析工具和数据库间的连接，认为GIS 是空间分析方法和数据管理系统的结合。

4、面向专题应用的定义：是在面向过程定义的基础上，强调GIS所处理数据类型，如土地利用GIS、交通GIS 等。

GIS 中的所有数据都具有地理参照，也就是说，数据通过某个坐标系统与地球表面中的特定位置发生联系。地理信息系统（GIS）与全球定位系统(GPS)、遥感系统(RS)合称3S系统。

二、GIS 的起源

古往今来，几乎人类所有活动都与地球表面位置（即地理空间位置）息息相关，随着计算机技术的日益发展和普及，地理信息系统（Geography Information System，GIS）以及在此基础上发展起来的数字地球、数字城市在人们的生产和生活中起着越来越重要的作用。

史前

15,000年前，在拉斯考克（Lascaux）附近的洞穴墙壁上，法国的Cro Magnon 猎人画下了他们所捕猎动物的图案。与这些动物图画相关的是一些描述迁移路线和轨迹线条和符号。这些早期记录符合了现代地理资讯系统的二元素结构：一个图形文件对应一个属性数据库。

18世纪

18世纪地形图绘制的现代勘测技术得以实现，同时还出现了专题绘图的早期版本，例如：科学方面或人口普查资料。约翰·斯诺在1854年，用点来代表个例，描绘了伦敦的霍乱疫情，这可能是最早使用地理方法的位置。 他对霍乱分布的研究指向了疾病的来源： 一个位于霍乱疫情爆发中心区域百老汇街的一个被污染的公共水泵。 约翰·斯诺将泵断开，最终终止了疫情爆发。

20世纪初期

20世纪初期将图片分成层的照片石印术得以发展。它允许地图被分成各图层，例如一个层表示植被和另一层表示水。这技术特别用于印刷轮廓-绘制，这是一个劳力集中的任务，但他们有一个单独的图层意味着他们可以不被其他图层上的工作混淆。这项工作最初是玻璃板上绘制，后来，塑料薄膜被引入，具有更轻，使用较少的存储空间，柔韧等等的优势。当所有的图层完成，再由一个巨型处理摄像机结合成一个图像。彩色印刷引进后，层的概念也被用于创建每种颜色单独的印版。尽管后来层的使用成为当代地理信息系统的主要典型特征之一，刚才所描述的摄影过程本身并不被认为是一个地理信息系统 – 因为这个地图只有图像而没有附加的属性数据库。

60年代

60年代早期，在核武器研究的推动下，计算机硬件的发展导致通用计算机绘图的应用。

1967年，世界上第一个真正投入应用的地理信息系统由联邦林业和农村发展部在加拿大安大略省的渥太华研发。罗杰·汤姆林森博士开发的这个系统被称为加拿大地理信息系统（CGIS） ，用于存储，分析和利用加拿大土地统计局（ CLI，使用的1:50,000比例尺，利用关于土壤、农业、休闲，野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息，以确定加拿大农村的土地能力。）收集的数据，并增设了等级分类因素来进行分析。

CGIS 是计算机制图应用的改进版，它提供了覆盖，资料数字化/扫描功能。它支持一个横跨大陆的国家坐标系统，将线编码为具有真实的嵌入拓扑结构的弧，并在单独的文件中存储属性和区位信息。由于这一结果，汤姆林森被人称为地理信息系统之父，尤其是因为他在促进收敛地理数据的空间分析中对覆盖的应用。

CGIS 一直持续到20世纪70年代才完成，但耗时太长，因此在其发展初期，不能与如Intergraph 这样的销售各种商业地图应用软件的供应商竞争。CGIS 一直使用到20世纪90年代，并在加拿大建立了一个庞大的数字化的土地资源数据库。它被开发为基于大型机的系统以支持一个在联邦和省的资源规划和管理。其能力是大陆范围内的复杂数据分析。CGIS 未被应用于商业 。微型计算机硬件的发展使得象ESRI和CARIS 那样的供应商成功地兼并了大多数的CGIS 特征，并结合了对空间和属性信息的分离的第一种世代方法与对组织的属性数据的第二种世代方法入数据库结构。20世纪80年代和90年代产业成长刺激了应用了GIS 的UNIX工作站和个人计算机飞速增长。至20世纪末，在各种系统中迅速增长使得其在相关的少量平台已经得到了巩固和规范。并且用户开始提出了在互联网上查看GIS 数据的概念，这要求数据的格式和传输标准化。

三、GIS 的组成部分

GIS 可以分为以下五部分：

1、人员，是GIS 中最重要的组成部分。开发人员必须定义GIS 中被执行的各种任务，开发处理程序。 熟练的操作人员通常可以克服GIS 软件功能的不足，但是相反的情况就不成立。最好的软件也无法弥补操作人员对GIS 的一无所知所带来的负作用；

2、数据，精确的可用的数据可以影响到查询和分析的结果；

3、硬件，硬件的性能影响到软件对数据的处理速度，使用是否方便及可能的输出方式；

4、软件，不仅包含GIS 软件，还包括各种数据库，绘图、统计、影像处理及其它程序；

5、过程，GIS 要求明确定义，一致的方法来生成正确的可验证的结果。

四、地理空间数据

这里的地理空间数据主要是指基于文件的空间数据，即不包括数据库空间数据。GIS直接支持的空间数据类型主要包括矢量数据文件、3D模型、影像文件等。

• 矢量数据文件：SHP、SDC、File GDB、CAD、GeoJSON、XML等；
• 3D模型：3DMAX、SKP等；
• 影像文件（或被称为栅格文件）：TIF、TIFF、JPEG、GIF等。

介绍最常用的SHP矢量数据类型和TIFF影像文件。

1、SHP矢量数据

最普及的地理空间格式Esri（Arcmap的公司）的SHP（Shapefile）文件，可以毫不夸张地说，所有和地理空间有关软件都提供对SHP 文件的支持。因此，对于初学者而言，几乎可以忽略其他格式，只需要熟悉SHP 文件格式就能成为一名地理空间分析师。

SHP文件格式最显著特点是它由多个文件组成，有点类似CAD 文件。至少3种文件，至多可达15种不同的文件，其中.shp，.shx和.dbf 3种文件是每个有效SHP 文件所必须的。

• .shp：图形格式，用于保存元素的几何实体；
• .shx：图形索引格式，几何体位置索引，记录每一个几何体在shp 文件之中的位置，能够加快向前或向后搜索的效率；
• .dbf：属性数据格式，以dBase IV的数据表格式存储每个几何形状的属性数据。

点、线、面是GIS 中的三个空间实体，且点是最基本的实体。因为两个点可以组成一个线，多个点可以组成一个面，SHP文件可以表征点、线、面任何一种空间实体。

2、TIFF 影像文件

影像文件，又被称为栅格数据文件，是由若干行或列的单元或者像素组成的，每个单元代表一个数值。理解栅格数据最简单的方式就是将其看作图片，这也是它在软件中普遍的表现形式。但栅格数据不一定非要以图片形式存储，它们还可以是ASCII 文本文件或者数据库中的二进制的实体。

TIFF（标记化图片文件格式，The Tagged Image File Format）是地理空间最常用的栅格格式，且可以为如下后缀的任何一种：.tiff，.tif和.gtif。最近非常火的夜间灯光数据就是典型的TIFF数据，其后缀为.tif。栅格的每一个像素都包含了信息值，一般通过聚合某个区域内的像素信息值，就可以得出某个区域内的统计特征。

五、坐标系

GIS中最常见的坐标系主要有2类。

1、地理坐标系（Geographic coordinate system，GCS）

地理坐标系 (GCS) 使用三维球面来定义地球上的位置，使用经纬度进行表征。例如我们常见的地球坐标（谷歌地图）、火星坐标（高德地图）、百度坐标（百度地图）。地球坐标的就是WGS-84，火星坐标是GCJ-02、百度坐标是BD-09。当时我国为了防止测绘信息外泄，规定我国的地图测绘单位使用在WGS-84坐标系基础上加密而成的GCJ-02，而BD-09是在GCJ-02的基础上二次加密而成的。地球坐标、火星坐标以及百度坐标，这三种坐标本质上都属于地心坐标系。

除此之外，我国常用坐标系还有1954北京坐标系（GCS_Beijing_1954）、1980国家大地坐标系以及2000国家大地坐标系（CGCS2000），这些坐标系属于大地坐标系。

2、投影坐标系（Projected Coordinate System，PCS）

将球面坐标转化为平面坐标的过程称为投影。投影坐标系的实质是平面坐标系统，地图单位通常为米。投影坐标系在二维平面中进行定义。与地理坐标系不同，在二维空间范围内，投影坐标系的长度、角度和面积恒定。投影坐标系始终基于地理坐标系，即：投影坐标系=地理坐标系+投影算法函数。

我们国家的投影坐标系主要采用高斯-克吕格投影，分为6度和3度分带投影，1:2.5万－1:50万比例尺地形图采用经差6度分带，1:1万比例尺的地形图采用经差3度分带。具体分带法是：6度分带从本初子午线（prime meridian）开始，按经差6度为一个投影带自西向东划分，全球共分60个投影带，中国跨13-23带；3度投影带是从东经1度30分经线（1.5°）开始，按经差3度为一个投影带自西向东划分，全球共分120个投影带，中国跨25-45带。一般用的坐标系为：Beijing 1954。

此外，谷歌地图使用的谷歌墨卡托投影，代码是3857，也非常常见，是世界上最通用的投影坐标系。

参考文献：https://blog.csdn.net/yangyalun/article/details/88876918

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