摘 要：在详尽阐述了地理信息系统(GIS)技术的发展历程及应用现状基础上，探讨了GIS技术在地学中的作用和意义。
关键词：地理信息系统 地球科学
地理信息系统的发展及应用现状地理信息系统(简称GIS)是20世纪60年代发展起来的一门融计算机技术、测绘科学、遥感、应用数学、信息科学、地球科学于一身的综合和集成的信息技术，为采集、测量、存储、分析、管理、显示、传播和应用与地理有关的数据提供了有效手段，是用于获取、处理、分析、访问、表示和在不同用户、不同系统和不同地点之间传输数字化空间信息的系统。它作为计算机信息系统的一类，属于计算机软件的范畴。GIS的基本特征是以计算机为运行平台，空间数据参与运算，为各类应用目的服务。因此，GIS可以用来作为一个以空间信息为主线，将其它各种与空间位置有关的信息结合在一起，为应用服务的集成框架。这一技术自问世以来得到了迅速发展和广泛应用，并在全球范围内形成了地理信息产业。由于世界上大多数信息都与其产生、代表、包含的地点有关，GIS的用途十分广泛，不仅涉及国民经济的许多领域，如交通、能源、农林、水利、测绘、地矿、环境、航空、国土资源综合利用等等，而且与国防安全密切相关。在未来“数字地球”的建设中，GIS将起十分重要的作用。研究GIS的理论与技术，开发GIS软件产品以及推进和深化GIS各类应用已经成为国内外科技界和产业界的一大热点，意义十分重大。
1.1 地理信息系统的基本内涵
GIS的理论基础主要有2个支撑点，一是地球科学，二是信息科学。前者涉及地物空间信息及其关系信息的获取、分类模型及语义表示中的理论问题和实践问题；后者则涉及信息的组织、存储、处理、可视化表示及传输中的理论问题和实践问题。GIS的技术基础包括遥感技术、定位技术和信息技术。GIS软件可以分为三个层次：①基础软件平台将空间信息的获取、组织、存储、编辑、处理、分析、表示和传输，以及属性数据存储处理及与空间实体的关系中最具共性和最通用的功能抽取出来，组成GIS基础软件平台。它以计算机硬件和系统软件为基础；②应用软件开发平台将某一领域中带共性的通用处理功能抽取出来，组成该领域的GIS应用开发平台。作为GIS知识和领域知识的结合体，它可以满足领域内的一些基本需求，为该领域内的GIS应用软件开发提供支持，提高开发效率和质量；③应用软件系统指针对特定应用任务开发的GIS应用软件，应该满足用户的功能、性能要求。
1.2 GIS基础软件平台简介
GIS基础软件平台是衡量一个国家GIS研究发展和软件水平的主要标志。(1)地理信息系统基础软件的基本组成分为两部分：①核心部分包括对空间数据和属性数据进行组织、存储、编辑、计算、分析、表示和传输的功能软件和应用模型接口处理软件。GIS系统的基础部分是空间数据库和属性数据库，它们分别存放空间数据和属性数据。②外围部分主要包括数据获取、制图出版软件。这部分既可以作为基础软件的一部分打包，也可以作为独立的软件销售。空间数据的获取途径既可以从现有的地图得到，也可以从野外实地测量得到。(2)GIS软件系统体系结构的发展阶段：阶段1：主机型。即以一台主机为基础，将应用系统的全部程序放在主机上，主机连接若干个智能或非智能终端。GIS系统由于要处理图形，所以采用图形终端。对于一个应用软件，应该包括4部分处理逻辑：表示逻辑、应用逻辑、数据操纵逻辑和数据库逻辑。阶段2：共享设备型。即在网络之上实现对设备的整体共享，最典型的是文件服务器。通过网络，一个文件服务器连接若干个工作站，实现文件一级共享。阶段3：主从分布型。即通常指的是Client/Sever结构。Sever端接收来自Client端的服务请求，将服务结果回送Client，大大减少了网上的传输量。这里，表示逻辑显然是分布在Client端上，数据操纵逻辑和数据库逻辑显然是分布在Sever端上。阶段4：对等分布型。这种结构消除了主从的区别。当一台计算机需要其它机器的服务时，它就是Client，当它为其它机器服务时，它就是Server。在数据的分布性上有明显的优势。GIS应用领域不断扩大，其应用研究也不断深入，新的应用将集中体现空间分析与模拟。由于重视对GIS人才的培养，GIS的用户数量每年以2～6倍的速度增长，呈现社会化应用趋向；由于GIS具备良好的实用性和适用性，它正朝着应用社会化、应用环境网络化、集成化和应用模型多样化迅速迈进。
2.GIS在地学中的作用与意义
随着地学工作的不断深入，地学研究的难度逐渐增加，以往单一的研究方法已难见成效。越来越多的人认识到，只有将地学领域的不同研究方法(地质、地球物理、地球化学和遥感等)得到的信息进行综合分析研究，才是提高效果的根本出路。近年来计算机技术的进步特别是GIS技术的发展使这一可能变成现实。地理信息系统(GIS)是输入、存储、检索、分析和显示与地理位置有关的各种特征信息的计算机辅助系统，地学专家可以把各种相关的空间或非空间信息送入GIS进行管理，进行各种综合分析研究，这样就可能对许多重大信息，如能源和矿产潜力、环境灾害评价等提出新的认识和作出科学决策。20世纪80年代以来，发达国家将GIS技术和卫星遥感(RS)技术用于土地管理、环境监测、矿产资源调查与管理等各个方面，取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。
近年来，国际上许多国家开始将GIS技术和人工智能技术结合起来，开展IDSS的新领域研究，并取得了一定的进展。目前国外的GIS软件主要都是在工作站上开发的，数据结构以单一类型为主。在国内，自20世纪80年代以来，中科院地理所、北京大学、武汉大学(原测绘科技大学)、测绘研究所等单位相继开始GIS技术研究、软件开发和在土地利用、环境监测、地图制图等领域试验建立应用系统。到20世纪90年代，地理信息系统的应用开发在各个领域都已蓬蓬勃勃地开展起来。但就目前而言，国内研制的产品化程度较高的GIS软件还非常少，绝大多数应用系统仍使用国外软件。我国幅员辽阔，环境复杂，各行业对地学信息的需求多种多样，要建立适合我国地学研究的GIS系统，拓宽GIS系统的应用领域，这就需要大力开展GIS技术研究。基于经济建设和社会发展对开发GIS软件的迫切需求，中国地质大学在其独立研发成功的“MAP CAD”的基础上，详细分析国内外著名GIS软件，结合中国国情，在数据结构、空间数据分析、属性数据管理、输入输出等方面均立足于高起点，并在应用方面结合生产科研实例，对MAPGIS软件不断进行改进，使软件研制自始至终保持在国际先进水平。
下面概述一下MAPGIS在地球科学及相临学科应用的几个具体领域：
(1)自然资源管理方面：包括自然资源的分布状况、自然资源数量统计、自然资源查询、资源评价、预测与决策分析、资源合理开发利用、资源动态监测等。
(2)土地管理方面：包括地籍调查和管理、土地规划、土地利用现状调查与管理、土地评价、土地承载力计算和分析、土地类型划分、房地产评估和管理、土地信息查询、土地潜力分析、人地关系状况分析、土地利用预测与决策分析等。
(3)农业和土壤方面：包括农作物结构优化和合理布局、农作物估产、决定投资方向和规模，找出最佳投入产出比、收获规划、病虫害防治、土壤类型的分布及规律、土壤侵蚀、土壤演变规律等。
(4)地质水文方面：包括地形地貌的发生、发展和演变规律、地下岩石和地下水分布规律、水域分布和分析、洪水预测及防护、水质水量检测等。
(5)生态景观管理方面：包括景观设计与制图、生态演替模拟、景观生态结构分析、景观生态评价等。
(6)环境保护方面：包括环境质量专题制图、环境质量现状分析、环境质量预测分析、环境质量动态模拟等。
(7)水利方面：包括基本建设规划、测量、土方挖填、坡度和坡向分析、坝址设计、库容分析、洪水淹没分析、小流域治理等。
(8)测绘方面：包括大地测量、地图管理、地图制作等。
(9)地球科学学旅游方面：包括室内地图游览、旅游咨询、天然公园规划、景观布局、旅游景点的统一管理等。此外，地理信息系统还被应用于海洋、气象、石油、教育、航空运输、物业管理等许多领域。现在，地理信息系统已成为科学管理、科学规划、科学预测和科学决策等的重要工具。
3.应用型地理信息系统对专业人员的素质要求
鉴于专业知识和理论在应用型GIS系统中扮演着重要角色，其专业人员应具备宽阔的知识面和快速的知识更新能力。因此，应用型GIS系统专业人员不仅要掌握数学、物理、计算机科学等方面的基本理论和基本知识，掌握GIS和地图学的基本理论和基本实验技能，以及GIS技术开发的基本原理和基本方法，同时还要了解相邻专业、交叉专业如地理学、资源环境与城乡规划管理、测绘工程的一般原理和方法，了解GIS的理论前沿、应用前景和最新发展动态，以及地理信息产业的发展状况。只有不断扩充和更新自身的知识储备，GIS系统专业人员才有能力面对激烈的人才市场中的机遇与挑战，才能在今天的信息社会中拥有一席之地。