地理信息系统（Geographic Information System，GIS），美国联邦数字地图协调委员会(FICCDC)对其定义为：“是由计算机硬件、软件和不同和不同的方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的管理和规划问题。”

从组成上来看，地理信息系统是包含了计算机硬件、软件、地理空间数据、应用人员和应用模型的系统；从功能上来看，地理信息系统则是一个能够支持地理空间数据的采集、管理、处理、分析和显示的系统。简单来说，地理信息系统技术将各类具有空间位置参考的专题层信息结合在一起，通过这些信息可以更好地认识这个位置的地理空间特征。

随着科技的发展和应用的深入，地理信息系统演变成一门学科，其核心知识主要来自于地图学、地理学和计算机科学的交叉领域及其拓展，已经广泛应用在多个领域，如资源管理、城市规划与管理、环境保护等。GIS的概念在不断发展和演进。GIS从传统意义上的“地理信息系统”（Geographic Information System）拓展为“地理信息科学”（Geographic Information Science），和"地理信息服务"（Geographic Information service）等多个方面。地理信息科学是关于GIS的发展、使用和应用的理论，是信息时代的地理学，是古纳于地理信息的本质特征与运动规律的一门科学。地理信息主要研究地理学在应用计算技术对其信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论问题和技术问题。与地理信息系统相比，它更加侧重将地理信息系统看作一门学科，而不仅仅是一个技术实现。地理信息服务是指遵循服务体系的架构和标准，采用网络服务技术，基于地理信息互操作标准和规范，在网络环境下提供地理信息系统的数据、分析、可视化等功能的服务。

自20世纪60年代开始，地理信息系统从简单的空间数据存储、计算和绘图，到现在空间数据复杂分析与计算、过程建模、现象模拟以及广泛的日常应用，对人们的学习、工作和生活产生重大影响。纵观地理信息系统的发展，可将其分为一下几个阶段：

地理信息系统起始发展阶段。此前，地理信息系统的基本框架就已经产生：用计算机汇总/处理和分析各种来源的数据，并输出一系列的结果用来作为辅助决策的有用信息。后来随着计算机被应用用于空间数据的存储与管理，又逐渐实现了手段跟踪数字化方法/格网单元的操作方法等处理空间数据的主要技术，它们奠定了地理信息系统发展的基础。

地理信息系统发展巩固阶段。在这一阶段，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促进了地理信息系统朝实用的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界各地纷纷研制，美国、加拿大、英国、德国、瑞典和日本等国对地理信息系统的研究和开发均投入了大量人力、物力和财力。

地理信息系统推广应用阶段。由于计算机迅速发展，地理信息系统逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广应用，应用领域不断扩大；地理信息系统与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性问题的研究， 如全球变化和监测、沙漠化、可居住区评价、厄尔尼诺现象、酸雨、核扩散及核废料等。

地理信息系统蓬勃发展阶段。随着地理信息产业的简历和数字化信息产品在全世界的普及，地理信息系统已经称为确定性的产业，投入使用的地理信息系统，每2~3年翻一番，市场年增长率在35%以上，从事地理信息系统生产的企业超过1000家。地理信息系统渗透到各行各业，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。

地理信息系统的服务共享阶段。随着计算机软硬件技术、数据库技术、网络技术、多媒体技术等计算机技术的迅速发展，地理信息系统的应用领域也迅速进一步扩大。当前，地理信息系统正在走向完全Web化，逐渐成为以Web为中心的地理信息平台，它可以更加充分地利用Web服务、大数据、云，具有更快的计算能力、各种终端等软硬件优势，并结合影像、全球卫星导航系统（Global Navigation Satelite System,GNSS）、三维等数据，实现地理信息随时随地的访问、制图和分析等。

地理信息系统从功能开发和利用上看，可分为以下几种类型：

1.地理信息系统平台：具有数据输入、编辑、结构存储、处理、查询分析、输出、二次开发、数据交换等全套功能的地理信息系统软件产品。它独立性强大、规模大、功能全、费用高，是自地理信息系统出现以来的主流产品。主要包括大型系统、桌面系统和网络系统。

2.专业地理信息系统产品：专业地理信息系统产品（professional GIS）是地理信息系统平台厂商利用自身开发系统平台时简历的工具集，是针对某一专业领域和业务部门的工作流程而开发的独立的地理信息系统运行系统，旨在利用地理信息系统工具有针对性地解决具体的问题。

3.地理信息系统开发工具（GIS Developing toolkit）具有基本地理信息系统功能，以嵌入方式或通信方式，可供计算机系统开发工具（各种高级程序设计语言）进行用户话化开发的地理信息系统产品。

一个完整的地理信息系统，应包括对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其基本组成一般包括以下六个部分：计算机网络、计算机硬件、计算机软件（软件是包含程序的邮寄集合体），地理空间数据，应用分析模型，以及系统开发、管理和应用人员。

地理信息系统包含了处理地理空间信息的各种基础和高级功能，其基本功能包括对数据的采集、管理、处理、分析和输出。同时，地理信息系统依托这些基本功能，通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术和数据库集成技术等，更进一步演绎丰富的和深入应用的功能——高级功能，满足社会和用户的广泛需要，以信息为对象，地理信息系统的功能可分为以下几类：

地理信息获取与处理

地理信息存储与管理

空间查询与分析

空间信息可视化

从学科的角度定义，地理信息系统属于工程技术学科，地理信息科学属于理科。地理信息系统的理论和技术是与多个学科和技术交叉发展产生的。因此，设计、开发地理信息系统与这些学科和技术密切相关。GIS与相关学科和技术的关系，如下图所示。其中地理学为研究人类环境、功能、演化以及人地关系提供了认知理论和方法。地图学为地理空间信息的表达提供猜题与传输工具。测量学、大地测量学、摄影测量与遥感等为获取地理信息提供了测绘学手段。应用数据（包括运筹学、拓扑学、概率论与数理统计等）为地理信息的计算提供了数学基础。系统工程为GIS的设计和系统集成提供方法论。计算机图形学、数据库原理、数据结构等为数据的处理、存储管理和表示提供技术和方法。软件工程、计算机语言为GIS软件设计提供方法与实现工具。计算机网络、现代通信技术为GIS提供网络和通信的支撑技术。人工智能、知识工程等为GIS提供智能处理与分析的方法和技术。管理科学为系统的开发和系统运行提供组织管理技术。

地理信息系统的应用领域非常的广泛，国内外大量的调研表明，85%-90%的政府机关部门都需要应用技术。地理信息系统应用的重点就是区域分析管理，通过对人文经济、自然资源及环境资源等各种地理空间数据和信息的管理和分析为政府区域性决策提供可靠的依据。目前己成功地应用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随我国经济建设的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、测绘学、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。

随着社会和科技的进步，用户必然会对 GIS 提出更高的要求。GIS 要满足时代要求，就必须与时俱进，大胆尝试新理论新技术，才能争取更大的成就。可以从以下几个方面寻求突破:

1 .移动 GIS

移动 GIS 主要由移动通信、GIS、定位系统和移动终端四个部分组成。移动终端是指在户外使用的可移动终端设备,包括便携计算机、PDA、手机和专用的GIS 嵌入设备等。移动 GIS 受限制小，使用灵活方便，拓展了地理信息服务的范围。移动 GIS 的出现大大拓宽了电子地图的应用领域，使得电子地图在人们生产生活中无处不在。目前全球热销的 IPhone，它不仅仅是一部移动电话，更是集电子邮件、网页浏览以及地图服务等众多功能于一身，正如其广告中宣称“有超过8 万个应用程序，几乎能做任何事情”。由此可见，GIS 在其中发挥的作用也不应仅限于地图服务，或许能够做的更多。

2 动态 GIS

当今世界瞬息万变，人们对信息动态实时获取的要求越来越高。比如天气预报，人们不仅会关注 24小时和 48 小时后的天气情况，而且也更希望得到 1小时后，甚至是半小时后的天气情况，因此，实时天气预报将更有意义。再比如交通路况信息，人们也不希望在发生交通拥堵后才得到消息，人们更希望能及时获得路况信息，从而避免拥堵，因此，动态交通信息就更有价值。随着各种传感器技术的不断提高，互联网尤其是无线网络的不断发展，使动态实时数据获取成为可能。GIS 应该利用好这些数据，为人们提供更及时准确的信息服务。

3 .多维 GIS

GIS 中的地理空间数据首先应该具备完善的三维信息，以描述事物的空间位置、形状和空间相互关系。目前，大多数 GIS 都是在 2 维和 2.5 维数据上进行操作，与真正的三维表示和分析还有很大差距。真正的三维 GIS 必须能够支持真三维数据模型，能够实现虚拟场景的三维可视化，还能够进行准确的三维分析。其次，GIS 中的地理空间数据还应该具备时间信息，以描述事物随时间的变化特征。时间、空间和属性是地理实体和地理现象本身固有的三个特征，是反映地理实体的状态和演变过程的重要组成部分。例如在地壳运动、环境监测、土地调查等应用领域中，事物会随时间发生变化，如果忽略时间因素，那么必然会影响分析结果的可靠性和准确性。多维 GIS 具备了空间和时间特征信息，能够分析时空因素对事物变换的影响，从而将 GIS 分析能力提升到更高水平。

4. 智能 GIS

目前大多数 GIS 应用还停留在数据管理和统计分析的阶段，缺乏多因素分析和启发式推理的能力，这也造成对事物判断、分析和决策的支持力不足。智能 GIS 利用了人工智能、专家系统、神经网络等理论和技术，模拟人类的学习过程和推理思维，对地理信息做出分析判断和决策。例如用智能 GIS 来管理城市交通，可以预测道路通行状况，分析最优路线，判断车辆违章，以及提供交通事故处理的辅助决策。如果用智能 GIS 进行环境灾害的预警预报，那么就能够预测暴雨可能造成的山体滑坡、泥石流等灾害，洪水对堤防大坝的影响，以及污染源泄漏的扩散范围和速度等等。智能 GIS 更贴近实际生活，可为人们提供更准确更丰富的分析结果，可以说智能化将为 GIS 插上腾飞的翅膀。

5 .云 GIS

GIS 操作的是地理空间数据，随着时间推移，数据量也会变得越来越庞大，数据之间的关系也越来越复杂，处理这些数据就需要强大的计算机处理能力。云计算是分布式计算、并行处理和网格计算的进一步发展，它是基于互联网的计算，能够向各种互联网应用提供硬件服务、基础架构服务、平台服务、软件服务、存储服务的系统。利用云 GIS，用户只需要一台笔记本或者一部手机，就可以通过网络来使用 GIS功能，这就使得 GIS 应用能够快速部署，容易扩展。2010 年 ESRI 公司已推出了支持云架构的 GIS 平台产品 ArcGIS 10，作为全球第一款真正支持云架构的GIS 平台产品，ArcGIS 10 可直接部署在云计算平台上，把对空间数据的管理、分析和处理功能送上云端，实现了 GIS 平台在云中的部署和服务模式。