地理信息系統是以計算機軟硬件系統為基礎的空間信息系統，是計算機技術和地理信息技術相結合的產物。它是現代科學技術發展的產物，是一門包括地理學、測量學、計算機和數學在內的綜合技術。在各學科理論和技術的支持下，地理信息系統(GIS)能夠高效地采集、存儲、管理、計算、分析、顯示和描述地球表面(包括大氣)與地理分布相關的數據，在地理研究中發揮著重要作用。

概念

地理信息系統(Geographic information system，GIS)是指以計算機硬件為依托，結合軟件開發系統，以地理概念空間為采集范圍，對一定時期內的海量地理數據進行匯總和整合，并據此做出決策的重要地理研究工具和重要技術手段。該系統通過將地理信息與存儲在計算機數據庫中的位置相關信息相結合，實現了對空間數據信息的綜合分析，幫助人們更高效地處理空間數據，獲取有效信息。借助GIS，不僅可以得到某一點的準確地理位置，還可以模擬出該點附近區域的道路長度、湖泊面積、城市建筑物等信息，并通過三維可視化等技術繪制成地圖，實現空間信息的直觀展示。

GIS的重要進步是其數據分層技術，即根據數據存儲和數據使用的要求，將一組具有一定邏輯聯系的地理要素按其屬性劃分為不同的組，使之成為一個層的分層原理和結果。通過分層，某一點的所有相關空間信息都會被過濾歸類為不同層次類型的數據，不同身份的用戶可以根據需要進行設置。地理信息系統會根據他們的需求添加相關的分層數據信息，實現精準服務。它以地理研究和決策為目的，是一個人機交互的空間決策支持系統。

特性

地理信息系統是以計算機軟件開發和硬件支持為基礎，結合地理信息技術，具有許多不同于傳統地學信息系統的特點。計算機系統支持:GIS建立在計算機系統架構之上，由若干個相互關聯的子系統組成，包括數據采集子系統、數據管理子系統、數據處理與分析子系統、圖像處理子系統、數據產品輸出子系統等。隨著計算機網絡技術的發展和信息共享的需求，地理信息系統逐漸向網絡地理信息系統發展。以地理空間數據為操作對象:地理信息系統的主要數據源是地理空間數據，按照地理坐標進行編碼，實現其定位、定性和定量描述。它是分布式的，可以幫助實現空間數據三個基本特征的統一:空間位置、屬性和時態。

計算機硬件系統：計算機硬件系統是計算機系統中有形物理設備的總稱，是地理信息系統的物理外殼。硬件系統包括計算機主機；數字化儀、掃描儀、鍵盤、通信端口和其他數據輸入設備；數據存儲設備，如軟盤、硬盤、磁帶、光盤和相應的驅動設備；和數據輸出設備，例如監視器、繪圖儀和打印機。這些硬件都是實現GIS軟件運行所需的計算機資源。地理信息系統(GIS)支持在單機或網絡環境下運行，可以在中央計算機服務器、臺式計算機等各種類型的硬件系統上運行。

計算機軟件系統：計算機軟件系統包含GIS操作所需的各種程序，由計算機系統軟件、地理信息系統軟件和應用分析模型庫三部分組成。計算機系統軟件通常包括操作系統、匯編程序、編譯程序、診斷程序等。地理信息系統軟件提供存儲、分析和顯示地理信息的功能和工具，如GIS工具系統或GIS開發專用軟件包、數據庫管理系統、CAD(計算機輔助設計)、圖像處理系統等。應用分析模型庫是系統開發人員或用戶根據實際應用需求編寫的解決實際問題的具體應用分析程序。

GIS可以利用現有的計算機模型，結合應用目的，制定相應的可行方案，應用于地理調查、城市建設、安全體系建設等領域，對于資源清查、災害評估與預防、物流調度、交通管制等具有積極意義。計算機軟件系統可以實現地理信息的輸入和處理，支持地理查詢、分析和可視化顯示，便于實現各種功能和用途，簡化應用界面，供用戶學習和使用。

地理空間數據：地理空間數據是GIS應用系統最基本的組成部分，也是GIS的操作對象。這類數據包括基于地球表面空間位置的自然、社會、人文、經濟數據，可以用地圖、圖像、表格、文檔等多種形式表示。地理空間數據是地理信息系統通過模型抽象表達的現實世界的實質性內容。數據來源包括室內數字化和野外采集，以及從其他數據轉換而來。數據包括空間數據和屬性數據，空間數據可以用柵格和矢量兩種形式表示。空間數據顯示地理空間實體的位置、大小、形狀、方向和幾何拓撲關系。

用戶時代地理信息系統包括管理者和用戶：由于GIS是一個動態的、客觀的模型，它需要專業人員來組織、管理、維護和更新數據，以保證GIS相關服務的正常提供。因此，地理信息系統的管理者不僅要對地理信息系統的技術和功能有足夠的了解，還要有組織和管理的能力。管理團隊由各類技術人員組成，高層人員專注于系統的正常運行、編程、數據處理、模型建立、系統功能開發等。低層技術人員負責數據輸入、結果輸出和檢查。

實現基本技術：地理信息系統功能的實現需要計算機軟硬件系統的支持，地理信息數據的采集、處理、分析和輸出也是維持地理信息系統正常運行的重要環節。

數據采集和輸入：地理信息系統的數據獲取主要是通過對外部原始數據進行加工整理的過程。在這個過程中，GIS會把要使用的數據轉換成計算機可以識別的形式，即可以應用于實踐的形式。通過這個過程，許多外部數據可以系統地存儲在數據庫中。

按照形式，GIS需要的數據可以分為兩類，即空間數據和屬性數據。空間數據以圖形的形式存在，一般通過鍵盤輸入或相關儀器掃描入數據庫。屬性數據是一種詳細描述空間實體特征的數據形式，通常的輸入方式是鍵盤輸入。

數據存儲和管理：地理信息系統中存儲的數據需要按邏輯順序排列，以便用戶靈活高效地訪問數據。數據存儲最常用的方式是GIS分層技術。這種技術將地圖分為幾層，通過不同的關鍵詞對數據進行過濾，然后將關鍵詞與地圖的不同圖層進行組合，這些圖層可以疊加還原出一張完整的地圖。用戶可以通過設置不同的關鍵字來搜索相關地圖圖層所包含的數據信息，系統可以根據圖層的關鍵特征進行操作，實現精準服務。

數據處理和分析：GIS的數據處理包括兩個方面:一是檢查和糾正輸入數據的質量，包括編輯圖形數據和屬性數據，檢查圖形數據和屬性數據的對應關系，糾正空間數據的錯誤；二是完成輸入的圖形數據，以滿足GIS的各種應用需求，如矢量數據的壓縮與平滑、拓撲關系的建立、矢量柵格數據的相互轉換、地圖切割與拼接等。

數據顯示和輸出：地理信息系統的數據顯示和輸出是實現與用戶直接連接的紐帶。在這個環節中，通過圖文融合、三維可視化等技術，將用戶需要的圖形、數據報表、文字報表、數學數據等以用戶能夠識別的形式靈活展示。用戶可以選擇電腦顯示器、打印機、繪圖儀、照排機等。作為接收和呈現結果的輸出設備。

開發關鍵技術：在地理信息系統的開發中，經常使用數據庫管理、數據可視化、組件開發等相關技術來實現GIS在更多場景下的垂直細化功能。

圖文一體化技術：圖文一體化技術主要是為了有效解決地理信息系統設計過程中各種數據的集成管理問題，如實體屬性數據、聲音、視頻、數據、圖形數據等不同的多媒體數據。常用的有基于文件關系數據庫的數據管理和基于對象關系數據庫的數據管理。基于文件關系數據庫的數據管理模式主要是利用文件系統管理存儲圖形數據庫，通過關系數據庫存儲屬性數據和多媒體數據。數據關聯的重要核心是屬性數據。應用多媒體數據通過二進制方法將信息數據存儲在數據庫中，并將與關鍵字段相關的數據添加到屬性數據庫中，將兩者與屬性數據關聯起來作為連接點，可以促進與空間數據庫的連接。基于對象關系數據庫的數據管理是基于一個能夠為大型二進制對象類型提供強有力支持的數據庫。這種數據庫管理為不同的數據提供了一致的訪問接口，不僅可以共享數據信息，還可以將空間信息與多種信息連接起來，包括屬性和多媒體信息，從而實現統一管理和維護，形成圖文并茂的良好效果。

三維可視化技術：GIS要輸出的空間數據信息需要三維可視化技術，以清晰、直觀、易懂的形式展現給用戶。因為空間體數據是真實的三維數據，可以看透空間坐標的各種值和空間屬性，可以直接用空間三維體的作用來代替數據完成相應的表達。三維可視化技術是多種技術融合的過程，為地理信息的深入調查提供了強有力的數據支持。地理信息系統的用戶可以利用三維可視化技術建立符合特定空間值的空間體模型。模型建立后，通過切片模型可以得到實際應用中需要的不同類型的數據。切片主要是指在一定的空間方向上根據空間數據進行投影，從而將不同的信息數據在同一空間中充分表達，進一步提高空間內部可視化的效果。

組件技術

組件技術主要是從面向對象技術發展而來的一種新的軟件工程技術，也可以說是面向對象技術的延伸和創新。通過組件的思想，將復雜的GIS功能按照不同的層次進行分解，劃分成不同的可以自行操作和管理的組件。這些組件是面向對象的、語言中立的和位置透明的。

OLE技術

通過OLE(對象鏈接和嵌入)技術，可以實現地圖對象和系統的集成。這種方法可以利用可視化技術制作一個商業界面，達到優化功能的目的。雖然它存在運行速度慢、對硬件要求高、只適合本地用戶等缺點，但利用該技術開發的軟件具有良好的用戶界面、強大的數據庫功能和數據處理功能、可靠性強、易于移植、后期工作人員維護方便等優點。

主要技術

空間數據方面：地理信息系統可以完成地理空間數據的輸入、編輯、存儲管理和可視化輸出功能。

數據輸入：在數據輸入方面，GIS可以接受各種形式和來源的信息，以各種方式實現數據輸入。如圖形數據輸入、柵格數據輸入、GPS測量數據輸入、屬性數據輸入等。地理信息系統可以利用數字化儀的手跟蹤數字化技術和掃描儀的掃描技術來完成空間數據的采集工作。

數據編輯和處理：在數據編輯和處理方面，地理信息系統主要通過編輯圖形和屬性來實現數據處理。屬性編輯與數據庫管理相結合；圖形編輯主要包括拓撲關系建立、圖形編輯、圖形整理、圖幅拼接、圖形變換、投影變換、糾錯等功能。

數據存儲和管理：在數據存儲管理方面，GIS主要提供空間和非空間數據的存儲、查詢、檢索、修改和更新能力。矢量數據結構、柵格數據結構和矢量柵格一體化數據結構是存儲GIS的主要數據結構。數據結構的選擇在很大程度上決定了系統能夠執行的功能。

視覺輸出：在可視化輸出方面，GIS通常通過人機交互來選擇顯示對象和形式。對于圖形數據，可以根據元素的信息密度進行放大或縮小。GIS不僅可以輸出全要素地圖，還可以根據用戶需求分層輸出各種專題圖、統計圖、圖表和數據。

空間查詢和分析：在空間查詢和分析方面，GIS可以實現空間查詢、空間檢索、空間拓撲疊置分析和空間模型分析。

空間查詢：空間查詢系統包括數據操作、數據查詢和檢索以及數據綜合分析。數據查詢和檢索主要是指根據應用搜索相關數據，搜索數據文件、數據庫或存儲設備，以找到和選擇用戶需要的有用信息和數據。

空間分析：空間分析功能涉及空間選擇、空間連接、組合分析、幾何測量等模塊。空間選擇模塊可以完成空間疊加分析、緩沖區分析和鄰近分析等空間操作。空間連接功能主要用于各種空間實體的綜合分析，按照空間位置關系連接不同圖層或同一圖層的元素，從而進行各種空間分析；空間合并的作用是將多個同類型的空間實體合并為一個空間實體，同時可以對空間實體的特征進行合并計算，一般用于空間實體的重分類；包括距離和面積的數值可以通過幾何計算來測量。最后，通過綜合分析功能，充分保證系統評估、管理和決策能力的正確實現。

空間決策支持：地理信息系統的空間決策支持功能利用各種手段形成數據處理和轉換，提取隱藏在空間數據中的關聯，從而發現現實事物之間的聯系，實現對應用空間系統的綜合分析。最后將結果以圖形和文字的形式展示給決策者，為他們對現實世界做出正確合理的決策提供信息支持。

地圖繪制：根據GIS的數據結構和繪圖儀的類型，用戶可以繪制矢量地圖或光柵地圖。用戶使用GIS平臺進行制圖時，制圖是基于已有的地理數據，制圖者只要注意數據規范和符號化規則，就能快速完成制圖。同時，GIS可以為用戶輸出全要素地圖，同時可以根據用戶需求分層次輸出各種專題地圖。在制圖過程中，繪圖儀還可以隨時繪制和修改任意地圖要素的細節，制作過程更加快捷，可以完成多個專題地圖的并行制作。如行政區劃圖、土地利用圖、道路交通圖等高級別的城市地圖。通過空間分析還可以得到一些地學分析的專題圖，如坡度圖、坡向圖、剖面圖等。

設備管理：通過GIS的設備管理功能，系統和所有相關功能可以同時運行。例如，在工程測量過程中，可以對問題數據進行檢修和處理。在該功能的應用過程中，可以通過確定工程測量范圍，根據時間情況選擇相應的設備來啟用模糊檢索功能。此外，GIS技術還具有圖形打印和表格標注功能，在一定程度上簡化了工程測量的流程，提高了工程測量的工作效率。

地理調查：利用地理信息系統可以收集相關數據，并基于這些數據建立和完善相應的地理信息數據庫。通過這種方法，可以更有效地對某一地區進行深入的地理分析，而這些數據也將有助于為具體的分析過程提供參考。通過對比數據，可以有效的呈現具體情況，比較相關的優缺點。

資源庫存：資源清查是地理信息系統的基本功能，通過信息采集使資源一目了然。通過對各種來源數據采集的分析判斷，形成統計覆蓋分析功能；此外，根據邊界和屬性條件，可以提取數據的有用信息，形成區域的各種組合，使現有資源得到快速再生。2018年，南充市借助地理信息系統相關技術，結合高分辨率遙感衛星圖、實地地面調查和入戶走訪，進一步掌握了草原資源、生態狀況、利用狀況、草原退化狀況、草原生態氣候、土壤狀況等方面情況。此次清查為南充市全面落實強牧惠牧政策，嚴格依法治草，提高草地精細化管理水平奠定了堅實基礎。

土地測量：通過地理信息系統的功能，可以滿足土地調查的需要，保證土地資源的合理利用和保護。地理信息可以為人類提供與土地相關的重要信息，在土地調查、土地登記、面積統計、資源評價和土地利用中發揮著重要作用。通過地理信息，可以形成土地的分項管理，確保土地產權清晰。在土地開發利用過程中，人們可以借助地理信息系統完成土地位置、不動產界址、土地名稱、總面積、土地類型、權責歸屬、地價、稅收政策、地理要素、設施建設等內容，可以幫助人們全面實現權責清晰。GIS為人們提供了可靠的地理信息支持，有利于維護社會穩定。此外，精確的地理信息數據完全可以滿足地籍數據操作，為用戶查詢提供方便，實現土地調查全過程的精確科學。

地質災害調查：利用GIS地理信息系統可以很好地完成地質災害預測、地質災害制圖、地質災害制圖分析等多項任務，在地質災害調查核實領域有著廣泛的應用和十分重要的作用。地理信息系統在地質災害調查領域的應用，可以輔助相關工作人員在預防、監測、應急救援和災后重建等方面做出相關決策，有助于制定地震防災減災的相關策略，從而有效減輕地質災害。在地質監測預報方面，地理信息系統可以有效劃分地質構造、地質分布、潛在震源、歷史地質、地質災害，實現地質災害的良好治理，預測地質災害的爆發；在地質災害損失預測分析方面，GIS的高精度數據采集和數據分析能力有助于解決傳統地質災害損失和風險預測中數據精度不足的問題；在地質災害調查實施方面，可以利用地理信息系統中的RS(遙感)功能，準確繪制災區的現場圖片，包括房屋、建筑物、河流、湖泊的位置，從而對地質災害區域進行有效監測。

海洋漁業：地理信息系統(GIS)在海洋漁業中應用廣泛，涉及海洋漁業與環境的關系、近海漁業與環境、漁業管理系統建設、漁業形勢預報、漁業地圖繪制、海洋漁業數據采集、處理和分析等。借助GIS相關功能，可以實現漁船的動態跟蹤、軌跡回放、違章報警和安全報警。通過建立漁船監控和GIS監控航行軌跡系統，還可以實現漁船位置的實時監控，結合三證管理信息判斷漁船的違法行為；此外，基于GIS空間數據庫和空間決策支持系統，可以構建漁業資源預測預警輔助決策支持系統，為近海漁船實時監控奠定基礎。利用GIS的空間局部插值方法建立景觀分析模型，還可以繪制各種海洋動物的分布格局圖和其他相關的漁業圖。2015年，中國航天科技集團五院航天之星公司提出，依托統一的業務協同平臺和地理信息系統，構建全球數據模型，形成統一數據庫，實現省域業務“一張圖”管理，以全新理念構建智慧海洋與漁業整體解決方案。

考古實踐：利用地理信息系統本身的數據采集、處理和分析管理功能，將獲得的普通數據整理成符合考古研究需要的數據。比如空間定位功能可以賦予考古數據空間特征；還可以借助數字制圖功能繪制遺址分布圖、文物保護圖、文化傳播與遷移圖、聚落演變圖、文化與環境的關系圖等地圖。

城鄉規劃：城鄉規劃是地理信息系統在城市建設應用領域最重要的能力。通過地理信息的整合，可以提供直觀有效的數據，促進產業發展，實現良好的城鄉規劃。數據表現出許多不同性質和特點的問題，主要可以反映資源、環境、人口、交通、經濟、教育、文化、金融等可變信息。通過GIS數據庫的分析，可以使各種復雜的信息更加直觀，形成統一的格式和輸出，為城市建設和區域規劃提供多目標、多選擇。地理信息系統可以為城市總體規劃、城市建設用地適宜性評價、環境質量評價、道路交通規劃、公共設施配置和城市環境動態監測提供有價值的數據。為了保證城市良好的功能，需要地理信息的支持，利用地理信息系統的空間搜索方法和各種信息疊加處理分析軟件的評價，促進中心城市的科學規劃，加強城市管理能力。

地理信息系統

交通建設：地理信息在交通規劃中起著重要的作用，地理信息系統在交通領域的應用可以幫助人們進行合理的協調和規劃。地理信息系統(GIS)可以為交通部門提供正確的數據，通過編輯、繪圖顯示和測量，輸入、存儲、編輯和繪制交通顯示的數據，通過交通地理信息疊加、動態分段、地形分析和網格顯示，實現交通分流和路線優化。美國聯邦陸地公路管理辦公室利用GIS為公共道路服務組織提供更多的資源和資金。使用GIS在線服務工具可以監控道路信息，并為基礎設施投資計劃服務。與此同時，交通部網絡通過全國公路網系統顯示出存在結構問題的橋梁信息，以提醒國會和公眾橋梁的位置。

環境治理：地理信息系統在環境治理中的應用有助于實現環境污染的展示，提高環境數據信息監測的有效性。通過相關技術的運用，可以實現對大氣污染的動態監測，對大氣污染的位置、污染對象等因素進行全面系統的分析，提高環境污染治理的整體質量，適應現代大氣環境生態變革的需要；同時，該系統還可以對水環境進行監測，為水污染治理信息的數據處理和水資源信息的查詢提供參考，幫助人們實現水環境治理的最終目標。2018年南寧面臨黑臭水污染反彈嚴重的問題。市政府建立了全區水環境管理城市排水設施地理信息系統，利用現代信息技術，確保信息及時更新、實時共享，實現了全市黑臭水體信息“一張圖”。GIS在污水處理中的應用，幫助南寧順利完成了黑臭水體治理的攻堅戰。

電子政務：電子政務的信息特征主要是公文，涉及公文的起草、審批、審核、撰寫、分發、歸檔等多個環節。它需要通過電子文檔來模擬和再現傳統的辦公過程。許多政府部門的工作都會涉及到與地理空間相關的數據和信息，而地理信息系統中實時更新和準確的數據存儲為電子政務的順利辦公提供了信息基礎。同時，GIS與電子政務的集成還可以實現非空間數據的空間定位、空間分析和空間輔助決策。將日益成熟的GIS技術融入現代電子政務建設，可以有效實現城市基礎地理信息的數據共享、動態更新、實時查詢和發布，有效保證空間數據的現勢性，為企業和公眾，以及政府職能部門提供準確、及時、有效、權威的信息服務。2006年，我國完成了第一個全國產化的電子政務GIS系統，GIS軟件、操作系統、數據庫三大基礎部分全部實現國產化，為后續的數字政府建設提供了技術和平臺基礎。