地理信息系统

**地理資訊系統**（英語：**G**eographic **I**nformation **S**ystem，縮寫：**GIS**）是一門綜合性學科，結合地理學與地圖學，已經廣泛的應用在不同的領域，是用於輸入、儲存、查詢、分析和顯示地理資料的電腦系統，可以分為以下五部分：

* 人員，是 GIS 中最重要的組成部分。開發人員必須定義 GIS 中被執行的各種任務，開發處理程式。熟練的操作人員通常可以克服 GIS 軟體功能的不足，但是相反的情況就不成立。最好的軟體也無法彌補操作人員對 GIS 的一無所知所帶來的副作用。
* 資料，精確可用的資料可以影響到查詢和分析的結果。
* 硬體，硬體的效能影響到處理速度，使用是否方便及可能的輸出方式。
* 軟體，不僅包含 GIS 軟體，還包括各種資料庫，繪圖、統計、影像處理及其它程式。
* 過程，GIS 要求明確定義，一致的方法來生成正確的可驗證的結果。

GIS 屬於資訊系統的一類，不同在於它能運作和處理地理參照資料。**地理參照資料**描述地球表面（包括大氣層和較淺的地表下空間）空間要素的位置和屬性，在 GIS 中的兩種地理資料成分：空間資料，與空間要素幾何特性有關；屬性資料，提供空間要素的資訊。

地理資訊系統（GIS）與全球定位系統（GPS）、遙測（RS）合稱 3S。

一個地理資訊系統是一種具有資訊系統空間專業形式的資料管理系統。在嚴格的意義上，這是一個具有集中、儲存、操作、和顯示地理參考資訊的電腦系統。例如，根據在資料庫中的位置對資料進行辨識。實習者通常也認為整個 GIS 系統包括操作人員以及輸入系統的資料。

地理資訊系統技術能夠應用於科學調查、資源管理、財產管理、發展規劃、繪圖和路線規劃。例如，一個 GIS 系統能使應急計劃者在自然災害的情況下比較容易地計算出應急反應時間，或利用 GIS 系統來發現那些需要保護的濕地。

## 發展的歷史

### 源流

* 18 世紀，地形圖繪製的現代勘測技術得以實現，同時還出現了專題繪圖的早期版本，例如：科學方面或人口普查資料。約翰・斯諾在 1854 年，用點來代表個例，描繪了倫敦的霍亂疫情，這可能是最早使用地理方法的疫情圖。他對霍亂分佈的研究指向了疾病的來源 ---- 一個位於霍亂疫情爆發中心區域百老匯街的被污染的公共水泵。約翰・斯諾將泵斷開，終止了疫情爆發。
* 20 世紀初期將圖片分成層的「相片石印術」得以發展。它允許地圖被分成各圖層，例如一個層表示植被，而另一層表示水。這技術特別用於印刷輪廓 - 繪製，這是一個勞力集中的任務，但它們有一個單獨的圖層意味著他們可以不被其他圖層上的工作混淆。這項工作最初是在玻璃板上繪製，後來，塑料薄膜被引入，具有更輕、使用較少的儲存空間、柔韌等優勢。當所有的圖層完成，再由一個巨型處理攝像機結合成一個圖像。彩色印刷引進後，層的概念也被用於建立每種顏色單獨的印版。儘管後來層的使用成為當代地理資訊系統的主要典型特徵之一，剛才所描述的攝影過程本身並不被認為是一個地理資訊系統 - 因為這個地圖只有圖像而沒有附加的屬性資料庫。
* 60 年代早期，在核武器研究的推動下，計算機硬體的發展導致通用計算機「繪圖」的應用。

### 產生

* 1967 年，世界上第一個真正投入應用的地理資訊系統由聯邦林業和農村發展部在加拿大安大略省的渥太華研發。羅傑・湯姆林森博士開發的這個系統被稱為加拿大地理資訊系統（ CGIS），用於儲存、分析和利用加拿大土地統計局（CLI，使用的 1：50000 比例尺，利用關於土壤、農業、休閒、野生動物、水禽、林業和土地利用的地理資訊，以確定加拿大農村的土地能力。）收集的數據，並增設了等級分類因素來進行分析.CGIS 是「計算機製圖」應用的改進版，它提供了覆蓋、資料數字化 / 掃描功能。它支援一個橫跨大陸的國家坐標系統，將線編碼為具有真實的嵌入拓撲結構的「弧」，並在單獨的檔案中儲存屬性和區位資訊。由於這一結果，湯姆林森被稱為「地理資訊系統之父「，尤其是因為他在促進收斂地理數據的空間分析中對覆蓋的應用.CGIS 一直持續到 20 世紀 70 年代才完成，耗時太長，因此在其發展初期，不能與如鷹這樣的銷售各種商業地圖應用軟體的供應商競爭.CGIS 一直使用到 20 世紀 90 年代，並在加拿大建立了一個龐大的數字化的土地資源資料庫。它被開發為基於大型機的系統以支援一個在聯邦和省的資源規劃和管理。其能力是大陸範圍內的複雜數據分析.CGIS 未被應用於商業。微型計算機硬體的發展使得象 ESRI 和 CARIS 那樣的供應商成功地兼併了大多數的 CGIS 特徵，並把對空間和屬性資訊的分離的第一種世代方法與對組織的屬性數據的第二種世代方法引入資料庫結構。

### 發展

* 20 世紀 80 年代和 90 年代產業成長刺激了應用了 GIS 的 UNIX 工作站和個人計算機飛速增長。至 20 世紀末，在各種系統中迅速增長使得其在相關的少量平台已經得到了鞏固和規範。並且使用者開始提出了在網際網路上檢視 GIS 數據的概念，這要求數據的格式和傳輸標準化。

## GIS 中使用的技術

### 從不同來源得到相關資訊

如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的相片聯絡起來，就可以判斷出哪塊濕地在一年的某些時候會乾涸。一個 GIS 系統就能夠進行這樣的分析，它能夠將不同來源的資訊以不同的形式應用。對於源資料的基本要求是確定變數的位置。位置可能由經度、緯度和海拔的 x，y，z 坐標來標註，或是由其他地理編碼系統比如 ZIP 碼，又或是高速公路英里標誌來表示。任何可以定位存放的變數都能被回饋到 GIS。一些政府機構和非政府組織正在生產製作能夠直接存取 GIS 的電腦資料庫。可以將地圖中不同類型的資料格式輸入 GIS。GIS 系統同時能將不是地圖形式的數字資訊轉換可辨識利用的形式。例如，通過分析由遙測生成的數字衛星圖像，可以生成一個與地圖類似的有關植被覆蓋的數字資訊層。

同樣，人口調查或水文表格資料也可在 GIS 系統中被轉換成作為主題資訊層的地圖形式。

### 資料展現

GIS 資料以數字資料的形式表現了現實世界客觀物件（公路、土地利用、海拔）。現實世界客觀物件可被劃分為兩個抽象概念：離散物件（如房屋）和連續的物件領域（如降雨量或海拔）。這二種抽象體在 GIS 系統中儲存資料主要的二種方法為：柵格（網格）和向量。

柵格（網格）資料由存放唯一值儲存單元的行和列組成。它與柵格（網格）圖像是類似的，除了使用合適的顏色之外，各個單元記錄的數值也可能是一個分類組（例如土地使用狀況）、一個連續的值（例如降雨量）或是當資料不是可用時記錄的一個空值。柵格資料集的解析度取決於地面單位的網格寬度。通常儲存單元代表地面的方形區域，但也可以用來代表其它形狀。柵格資料既可以用來代表一塊區域，也可以用來表示一個實物。

向量資料利用了幾何圖形例如點、線（一系列點坐標），或是面（形狀決定於線）來表現客觀物件。例如，在住房細分中以多邊形來代表物產邊界，以點來精確表示位置。向量同樣可以用來表示具有連續變化性的領域。利用等高線和不規則三角形格網（TIN）來表示海拔或其他連續變化的值。TIN 的記錄對於這些連接成一個由三角形構成的不規則網格的點進行評估。三角形所在的面代表地形表面。

利用柵格或向量資料模型來表達現實既有優點也有缺點。柵格資料設定在面內所有的點上都記錄同一個值，而向量格式只在需要的地方儲存資料，這就使得前者所需的儲存的空間大於後者。對於柵格資料可以很輕易地實現覆蓋的操作，而對於向量資料來說要困難得多。向量資料可以像在傳統地圖上的向量圖形一樣被顯示出來，而柵格資料在以圖象顯示時顯示物件的邊界將呈現模糊狀。

除了以幾何向量坐標或是柵格單元位置來表達的空間資料外，另外的非空間資料也可以被儲存。在向量資料中，這些附加資料為客觀物件的屬性。例如，一個森林資源的多邊形可能包含一個識別碼值及有關樹木種類的資訊。在柵格資料中單元值可儲存屬性資訊，但同樣可以作為與其他表格中記錄相關的識別碼。

### 資料採集

資料採集 —— 向系統內輸入資料 —— 它占據了 GIS 從業者的大部分時間。有多種方法向 GIS 中輸入資料，在其中它以數字格式儲存。

印在紙或聚酯薄膜地圖上的現有資料可以被數位化或掃描來產生數字資料。數位化儀從地圖中產生向量資料作為運算子軌跡點、線和多邊形的邊界。掃描地圖可以產生能被進一步處理生成向量資料的光柵資料。

測量資料可以從測量器械上的數字資料收集系統中被直接輸入到 GIS 中。從全球定位系統（GPS）—— 另一種測量工具中得到的位置，也可以被直接輸入到 GIS 中。
遙測資料同樣在資料收集中發揮著重要作用，並由附在平台上的多個感測器組成。感測器包括攝錄影機、數字掃描器和雷射雷達，而平台則通常由航空器和衛星構成。現在大部分數字資料來源於圖片判讀和航空相片。軟拷貝工作站用來數位化直接從數位影像的立體象對中得到的特徵。這些系統允許資料以二維或三維捕捉，它們的海拔直接從用照相測量法原理的立體象對中測量得到。現今，類比航空相片先被掃描然後再輸入到軟拷貝系統，但隨著高品質的數字攝錄影機越來越便宜，這一步也就可被省略了。衛星遙測是空間資料的另一個重要來源。這裡衛星使用不同的感測器包來被動地測量從主動感測器如雷達發射出去的電磁波頻譜或無線電波的部分的反射係數。遙測收集可以進一步處理來標識感興趣的物件和類例如土地覆蓋的光柵資料。

除了收集和輸入空間資料之外，屬性資料也要輸入到 GIS 中。對於向量資料，這包括關於表現在系統中的物件的附加資訊。

輸入資料到 GIS 中後，通常還要編輯，來消除錯誤，或進一步處理。對於向量資料必須要「拓撲正確」才能進行一些進階分析。比如說，在公路網中，線必須與交叉點處的結點相連。像反衝或過沖的錯誤也必須消除。對於掃描的地圖，源地圖上的污點可能需要從生成的光柵中消除。例如，污物的斑點可能會把兩條本不該相連的線連在一起。

### 資料操作

GIS 可以通過執行資料重構來把資料轉換成不同的格式。例如，GIS 可以通過在具有相同分類的所有單元周圍生成線，同時決定單元的空間關係，如鄰接和包含，來將衛星圖像轉換成向量結構。

由於數字資料以不同的方法收集和儲存，兩種資料來源可能會不完全相容。因此 GIS 必須能夠將地理資料從一種結構轉換到另一種結構。

### 投影系統，坐標系統與轉換

財產所有權地圖與土壤分布圖可能以不同的比例尺顯示資料。GIS 中的地圖資料必須能被操作以使其與從其它地圖獲得的資料對齊或相配合。在數字資料被分析前，它們可能得經過其它一些將它們整合進 GIS 的處理，比如，投影與坐標變換。地球可以用多種模型來表示，對於地球表面上的任一給定點，各個模型都可能給出一套不同的坐標（如緯度，經度，海拔）。最簡單的模型是假定地球是一個理想的球體。隨著地球的更多測量逐漸累積，地球的模型也變得越來越複雜，越來越精確。事實上，有些模型應用於地球的不同區域以提供更高的精確度（如北美坐標系統，1983-NAD83 - 只適合在美國使用，而在歐洲卻不適用）。

投影是製作地圖的基礎部分，它是從地球的一種模型中轉換資訊的數學方法，它將三維的彎曲表面轉換成二維的媒介（比如紙或電腦螢幕）。不同類型的地圖要採用不同的投影投影系統，因為每種投影系統有其自身的合適的用途。比如一種可以精確反映大陸形狀的投影會歪曲大陸的相對尺寸（翻譯的是英文的維基百科）

### GIS 空間分析

空間分析能力是 GIS 的主要功能，也是 GIS 與電腦製圖軟體相區別的主要特徵。空間分析是從空間物體的空間位置、聯絡等方面去研究空間事物，以及對空間事物做出定量的描述。一般地講，它只回答 What（是什麼？）、Where（在哪裡？）、How（怎麼樣？）等問題，但並不（能）回答 Why（為什麼？）。空間分析需要複雜的數學工具，其中最主要的是空間統計學、圖論、拓撲學、計算幾何等，其主要任務是對空間構成進行描述和分析，以達到取得、描述和認知空間資料；理解和解釋地理圖案的背景過程；空間過程的類比和預測；調控地理空間上發生的事件等目的。

空間分析技術與許多學科有聯絡，地理學、經濟學、區域科學、大氣、地球物理、水文等專門學科為其提供知識和機理。

除了 GIS 軟體捆綁空間分析模組外，目前也有一些專用的空間分析軟體，如 GISLIB、SIM、PPA、Fragstats、GeoDa、SatScan、Geodetector 等。

#### 資料建模

將濕地地圖與在機場、電視台和學校等不同地方記錄的降雨量關聯起來是很困難的。然而，GIS 能夠描述
地表、地下和大氣的二維三維特徵。

例如，GIS 能夠將反應降雨量的雨量線迅速製圖。

這樣的圖稱為雨量線圖。通過有限數量的點的量測可以估計出整個地表的特徵，這樣的方法已經很成熟。一張二維雨量線圖可以和 GIS 中相同區域的其它圖層進行疊加分析。

#### 拓撲建模

在過去的 35 年，在濕地邊上有沒有任何加油站或工廠經營過？有沒有任何滿足在 2 英里內且高出濕地的條件的這類設施？GIS 可以辨識並分析這種在數位化空間資料中的空間關係。這些拓撲關係允許進行複雜的空間建模和分析。地理實體間的拓撲關係包括連接（什麼和什麼相連）、包含（什麼在什麼之中）、還有鄰近（兩者之間的遠近）。

#### 網路建模

如果所有在濕地附近的工廠同時向河中排放化學物質，那麼排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量？GIS 能類比出污染物沿線性網路（河流）的擴散的路徑。諸如坡度、速度限值、管道直徑之類的數值可以納入這個模型使得類比得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。

## GIS 軟體

地理資訊只是一堆數字紀錄，需要有合適的軟體去把它表示出來；與此同時，地理資訊資料庫的建立，亦有賴合適軟體的幫助，把地理數據資訊化。現時在工商界方面的市場普遍被兩大地理資訊系統巨頭 ESRI 及 Mapinfo 所壟斷，但他們亦能夠提供一套整全的地理資訊系統，以供客戶使用。政府及軍方機構往往用到特別打造的軟體，例如開源的 GRASS 或其他專門的系統，以配合他們的特殊需要。雖然現時有不少自由的閱覽 GIS 資料的工具，一般大眾可以輕易取得的地理資訊，還得依靠 Google Earth 或微軟的 Virtual Earth 之類的系統。這些系統所提供的資料更往往過於地域中心，例如：你可以清楚找到一個位於美國偏遠小鎮的停車位，但卻不能看得清楚一條位於首爾江南區的大街。

### 背景

### 網際網路連結編程介面

在網際網路服務普及的今天，不少地理資訊系統都提供編程介面，讓使用者通過這些介面及其系統建立各自的地理資訊資訊頁面。這些編程介面，有利用 VBA 或 JavaScript 的。讓使用者很容易就可以取得衛星圖片或地圖的連結頁面，甚至加上行車路線或地理位置等資訊。

### 移動 GIS

通過與行動裝置的結合，地理資訊系統可以為使用者提供即時的地理資訊。一般汽車上的導航裝置都是結合了衛星定位裝置（GPS）和地理資訊系統（GIS）的複合系統；在香港曾經很流行的地圖王，則是一套可以安裝在 PDA 或手提電話上的即時地圖系統。

#### 汽車導航

汽車導航系統是地理資訊系統的一個特例，它除了一般的地理資訊系統的內容以外，還包括了各條道路的行車及相關資訊的資料庫。這個資料庫利用向量表示行車的路線、方向、路段等資訊，又利用網路拓撲的概念來決定最佳行走路線。地理資料檔案（GDF）是為導航系統描述地圖資料的 ISO 標準。汽車導航系統組合了地圖匹配、GPS 定位和來計算車輛的位置。地圖資源資料庫也用於航跡規劃、導航，並可能還有主動安全系統、輔助駕駛及位置定位服務（Location Based Services, LBS）等進階功能。汽車導航系統的資料庫應用了地圖資料庫管理。

### 開源 GIS 軟體

#### gvSIG

gvSIG 是一個基於 JAVA 的桌面地理資訊系統，同時也是開發地理資訊系統一個強有力的工具。它包含許多功能如空間資料分析，地圖編輯，Map 設計等。gvSIG 得到了西班牙一些政府和公司的參與並基於 GNU/GPL 許可證發布。gvSIG 能夠很好得工作在 Windows 和 Linux 平台之上。gvSIG 支援其它 GIS 系統經常使用到的一些空間資料標準格式（shapefile,DXF,DWG,DGN,ECW,MrSID,TIFF,JPG2000, KML, GML 等）。gvSIG 遵循 OGC（Open Geospatial Consortium）標準，這意味著它能夠讀取本地資料也能夠通過 WMS、WFS、WCS 讀取遠端資料。

#### QGIS

QGIS（原稱 Quantum GIS）是一個自由軟體的桌面 GIS 軟體。它提供資料的顯示、編輯和分析功能。詳見 QGIS

## GIS 的發展

許多學科受益於地理資訊系統技術。活躍的地理資訊系統市場導致了 GIS 組件的硬體和軟體的低成本和持續改進。這些發展反過來推動這項技術在科學、政府、企業和產業等方面更廣泛的應用，應用包括房地產、公共衛生、犯罪地圖、國防、可持續發展、自然資源、景觀建築、考古學、社群規劃、運輸和物流。地理資訊系統也分化出定位服務（LBS）。LBS 使用 GPS 通過所在地與固定基站的關係用行動裝置顯示其位置（最近的餐廳，加油站，消防栓），行動裝置（朋友，孩子，一輛警車）或回傳他們的位置到一個中央伺服器顯示或作其他處理。隨著 GPS 功能與日益強大的移動電子（手機、pda、筆記型電腦）整合，這些服務繼續發展。

### OGC 標準

開放地理聯合會是一個參與一致行程以開發公開地理處理規格的 384 家公司、政府機構、大學和個人組成的國際行業聯合會。由 OpenGIS 規格定義的開放介面和協定，支援可互動操作的解決方案，網路、無線和定位服務和主流 IT。讓複雜的空間資訊和服務在各種應用可以被授權技術開發人員使用。開放地理聯合會協定包括網路地圖服務 WMS 和網路功能服務 WFS。地理資訊系統由 OGC 產品劃分為兩大類型，基於遵循 OGC 規格的完整準確的軟體。地理資訊系統技術標準促進 GIS 工具進行交流。相容的產品是符合 OpenGIS 規範的軟體產品。當一個產品經過測試，並通過 OGC 測試專案證明是相容的，這個產品就在這個地點上自動註冊為「相容」。現實軟體產品，即實現 OpenGIS 規格但還沒有通過相容測試的軟體產品。合規測試不可作用於所有的規格。開發者可以註冊他們的產品為實施草案或經核准的規範，而 OGC 有權審查和確認每個條目。

### WEB 地圖

近些年，地圖應用爆炸性的蔓延於網站，如 Google 地圖和 Bing 地圖。這些網站使公眾取得了大量的地理資料。他們中的一部分，像 Google 地圖和 OpenLayers，公布了 API 使得使用者能夠建立自訂的應用。這些工具包一般提供街道地圖 / 天線 / 衛星圖像、地理編碼、搜尋和路由的功能。其他出版網路上的地理資訊的應用包括 Cadcorp 的 GeognoSIS、ESRI 的 ArcIMS 伺服器、Google 地球、Google 融合表和開源的替代品 MapServer，Mapnik 和 GeoServer。

### 全球氣候變化、歷史及預測

地圖通常被用於探索地球和開發利用其資源。地理資訊系統技術，作為一個擴充的地圖科學，提高了工作效率和傳統地圖的分析能力。現在，當科學界辨識影響氣候變化的人為活動的環境後果時，地理資訊系統技術正在成為一個理解環境隨時間變化的影響基本的工具。地理資訊系統技術使各種來源的資料能夠與現有地圖和來自地球觀測衛星的最新資訊隨著氣候變化模型的輸出結合。這可以在複雜的自然系統幫助了解氣候變化帶來的影響。其中一個經典的例子就是對北極冰層融化的研究。一個地理資訊系統的結合衛星圖像的地圖形式的輸出讓研究人員以從所未有的方式檢視他們的研究物件。這些相片對於傳輸氣候變化效果給非科學工作者也是非常重要的

## 語意學

全球資訊網協會的語意網運動中出現的工具和技術被證明在資訊系統的資料整合問題中十分有用。相應地，這種技術已被提議作為一種促進 GIS 應用之間的互操作性和資料重用的手段，並啟用了新的分析機制。

本體是這種語意方法的關鍵組成部分，因為它們遵循一個在特定領域的概念和關係下被機器可讀的正式規範。反過來，這使得地理資訊系統專注於一個的資料的意義，而不是它的語法或結構。臨時本體是在 GIS 應用領域開發的，例如由英國地形測量局和美國太空總署噴射推進實驗室開發的 SWEET 本體開發得水文字體論。此外，簡單的本體和語意元資料標準正在由全球資訊網協會地理培育集團發表出來以便在網路上表述地理空間資料。

## 社會

隨著 GIS 在決策中的普及，學者們已經開始審議地理資訊系統的社會影響。有人認為，地理資訊的生產、分配、利用和表述的很大程度上與社會環境有關。其他相關議題包括著作權、隱私和審查的討論。較為樂觀的 GIS 社會應用是將它作為一個公眾參與的工具來應用。
就業方向大概分為：應用和開發。應用主要包括：gis 資料處理與分析，遙測圖像處理與分析以及測量等相關內容，開發主要可以分為：底層開發、二次開發、web 開發等，從某種角度上來說，GIS 開發只是電腦編程技術在該領域的具體表現。

## 參考文獻

## 參看

* 開放空間協會：Open Geospatial Consortium (OGC)
* 電子地圖
* 農業非點源污染模式
* gvSIG
* QGIS
* BNA
* GDAL

## 外部連結

* 國土資訊系統自然環境整合倉儲供應系統
* 國家基礎地理資訊中心
* GIS 時代（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 教育部地理資訊軟體及其應用工程研究中心