古往今來，幾乎人類所有活動都是發生在地球上，都與地球表面位置（即地理空間位置）息息相關，隨著計算機技術的日益發展和普及，地理信息系統（Geography Information System，GIS）以及在此基礎上發展起來的“數字地球”、“數字城市”在人們的生產和生活中起著越來越重要的作用。

GIS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，開發處理程序。 熟練的操作人員通常可以克服GIS軟件功能的不足，但是相反的情況就不成立。最好的軟件也無法彌補操作人員對GIS的一無所知所帶來的負作用。

數據，精確的可用的數據可以影響到查詢和分析的結果。

硬件，硬件的性能影響到軟件對數據的處理速度，使用是否方便及可能的輸出方式。

軟件，不僅包含GIS軟件，還包括各種數據庫，繪圖、統計、影像處理及其它程序。

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屬于信息系統的一類，不同在于它能運作和處理地理參照數據。地理參照數據描述地球表面(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中的兩種地理數據成分：空間數據，與空間要素幾何特性有關；屬性數據，提供空間要素的信息。

地理信息系統（GIS）與全球定位系統(GPS)、遙感系統(RS)合稱3S系統。

地理信息系統(GIS) 是一種具有信息系統空間專業形式的數據管理系統。在嚴格的意義上, 這是一個具有集中、存儲、操作、和顯示地理參考信息的計算機系統。例如，根據在數據庫中的位置對數據進行識別。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數據。

地理信息系統（GIS）技術能夠應用于科學調查、資源管理、財產管理、發展規劃、繪圖和路線規劃。例如，一個地理信息系統(GIS)能使應急計劃者在自然災害的情況下較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不受污染的濕地。

地理數據和地理信息

什么是信息（Information）？1948年，美國數學家、信息論的創始人香農（Claude Elwood Shannon）在題為《通訊的數學理論》的論文中指出：“信息是用來消除隨機不定性的東西”； 1948年，美國著名數學家、控制論的創始人維納（Norbert Wiener）在《控制論》一書中，指出：“信息就是信息，既非物質，也非能量。” 狹義信息論將信息定義為“兩次不定性之差”，即指人們獲得信息前后對事物認識的差別；廣義信 息論認為，信息是指主體（人、生物或機器）與外部客體（環境、其他人、生物或機器）之間相互聯系的一種形式，是主體與客體之間的一切有用的消息或知識。我們認為信息是通過某些介質向人們（或系統）提供關于現實世界新的事實的知識，它來源于數據且不隨載體變化而變化，它具有客觀性、實用性、傳輸性和共享性的特點。

信息與數據既有區別，又有聯系。數據是定性、定量描述某一目標的原始資料，包括文字、數字、符號、語言、圖像、影像等，它具有可識別性、可存儲性、可擴充性、可壓縮性、可傳遞性及可轉換性等特點。信息與數據是不可分離的，信息來源于數據，數據是信息的載體。數據是客觀對象的表示，而信息則是數據中包含的意義，是數據的內容和解釋。對數據進行處理（運算、排序、編碼、分類、增強等）就是為了得到數據中包含的信息。數據包含原始事實，信息是數據處理的結果，是把數據處理成有意義的和有用的形式。

地理信息作為一種特殊的信息，它同樣來源于地理數據。地理數據是各種地理特征和現象間關系的符號化表示，是指表征地理環境中要素的數量、質量、分布特征及其規律的數字、文字、圖像等的總和。地理數據主要包括空間位置數據、屬性特征數據及時域特征數據三個部分。空間位置數據描述地理對象所在的位置，這種位置既包括地理要素的絕對位置（如大地經緯度坐標），也包括地理要素間的相對位置關系（如空間上的相鄰、包含等）。屬性數據有時又稱非空間數據，是描述特定地理要素特征的定性或定量指標，如公路的等級、寬度、起點、終點等。時域特征數據是記錄地理數據采集或地理現象發生的時刻或時段。時域特征數據對環境模擬分析非常重要，正受到地理信息系統學界越來越多的重視。空間位置、屬性及時域特征構成了地理空間分析的三大基本要素。

地理信息是地理數據中包含的意義，是關于地球表面特定位置的信息，是有關地理實體的性質、特征和運動狀態的表征和一切有用的知識。作為一種特殊的信息，地理信息除具備一般信息的基本特征外，還具有區域性、空間層次性和動態性特點。

當今社會，人們非常依賴計算機以及計算機處理過的信息。在計算機時代，信息系統部分或全部由計算機系統支持，因此，計算機硬件、軟件、數據和用戶是信息系統的四大要素。其中，計算機硬件包括各類計算機處理及終端設備；軟件是支持數據信息的采集、存貯加工、再現和回答用戶問題的計算機程序系統；數據則是系統分析與處理的對象，構成系統的應用基礎；用戶是信息系統所服務的對象。

從20世紀中葉開始，人們就開始開發出許多計算機信息系統，這些系統采用各種技術手段來處理地理信息，它包括：

○ 數字化技術：輸入地理數據，將數據轉換為數字化形式的技術；

○ 存儲技術：將這類信息以壓縮的格式存儲在磁盤、光盤、以及其他數字化存儲介質上的技術；

○ 空間分析技術：對地理數據進行空間分析，完成對地理數據的檢索、查詢，對地理數據的長度、面積、體積等的量算，完成最佳位置的選擇或最佳路徑的分析以及其他許多相關任務的方法；

○ 環境預測與模擬技術：在不同的情況下，對環境的變化進行預測模擬的方法；

○ 可視化技術：用數字、圖像、表格等形式顯示、表達地理信息的技術。

這類系統共同的名字就是地理信息系統（GIS , Geographic Information System），它是用于采集、存儲、處理、分析、檢索和顯示空間數據的計算機系統。與地圖相比，GIS具備的先天優勢是將數據的存儲與數據的表達進行分離，因此基于相同的基礎數據能夠產生出各種不同的產品。

由于不同的部門和不同的應用目的，GIS的定義也有所不同。當前對GIS的定義一般有四種觀點：即面向數據處理過程的定義、面向工具箱的定義、面向專題應用的定義和面向數據庫的定義。Goodchild把GIS定義為“采集、存貯、管理、分析和顯示有關地理現象信息的綜合技術系統”。Burrough認為“GIS是屬于從現實世界中采集、存儲、提取、轉換和顯示空間數據的一組有力的工具”，俄羅斯學者也把GIS定義為“一種解決各種復雜的地理相關問題，以及具有內部聯系的工具集合”。面向數據庫是定義則是在工具箱定義的基礎上，更加強調分析工具和數據庫間的連接，認為GIS是空間分析方法和數據管理系統的結合。面向專題應用的定義是在面向過程定義的基礎上，強調GIS所處理的數據類型，如土地利用GIS、交通GIS等；我們認為地理信息系統它是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。它和其他計算系統一樣包括計算機硬件、軟件、數據和用戶四大要素。只不過GIS中的所有數據都具有地理參照，也就是說，數據通過某個坐標系統與地球表面中的特定位置發生聯系。

地理信息系統簡稱GIS，多數人認為是Geographical Information System（地理信息系統），也有人認為是Geo-information System（地學信息系統）等等。人們對GIS理解在不斷深入，內涵在不斷拓展，“GIS”中，“S”的含義包含四層意思：

一是系統（System），是從技術層面的角度論述地理信息系統，即面向區域、資源、環境等規劃、管理和分析，是指處理地理數據的計算機技術系統，但更強調其對地理數據的管理和分析能力，地理信息系統從技術層面意味著幫助構建一個地理信息系統工具，如給現有地理信息系統增加新的功能或開發一個新的地理信息系統或利用現有地理信息系統工具解決一定的問題，如一個地理信息系統項目可能包括以下幾個階段：

（1）定義一個問題；

（2）獲取軟件或硬件；

（3）采集與獲取數據；

（4）建立數據庫；

（5）實施分析；

（6）解釋和展示結果。

這里的地理信息系統技術（Geographic information technologies）是指收集與處理地理信息的技術，包括全球定位系統（GPS）、遙感（Remote Sensing）和GIS。從這個含義看，GIS包含兩大任務，一是空間數據處理；二是GIS應用開發。

二是科學（Science），是廣義上的地理信息系統，常稱之為地理信息科學，是一個具有理論和技術的科學體系，意味著研究存在于GIS和其它地理信息技術后面的理論與觀念（GIScience）。

三是代表著服務（Service），隨著遙感等信息技術、互聯網技術、計算機技術等的應用和普及，地理信息系統已經從單純的技術型和研究型逐步向地理信息服務層面轉移，如導航需要催生了導航GIS的誕生，著名的搜索引擎Google也增加了Google Earth功能，GIS成為人們日常生活中的一部分。當同時論述GIS技術、GIS科學或GIS服務時，為避免混淆，一般用GIS表示技術，GIScience或GISci表示地理信息科學，GIService或GISer表示地理信息服務。

四是研究（Studies），即GIS= Geographic Information Studies，研究有關地理信息技術引起的社會問題（societal context），如法律問題（legal context），私人或機密主題，地理信息的經濟學問題等。

因此，地理信息系統（Geographic Information System,GIS）是一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達空間數據的信息系統，它既是表達、模擬現實空間世界和進行空間數據處理分析的“工具”，也可看作是人們用于解決空間問題的“資源”，同時還是一門關于空間信息處理分析的“科學技術“。

15,000年前，在拉斯考克（Lascaux）附近的洞穴墻壁上，法國的Cro Magnon獵人畫下了他們所捕獵動物的圖案。與這些動物圖畫相關的是一些描述遷移路線和軌跡線條和符號。這些早期記錄符合了現代地理資訊系統的二元素結構：一個圖形文件對應一個屬性數據庫。

18世紀地形圖繪制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位置。 他對霍亂分布的研究指向了疾病的來源----一個位于霍亂疫情爆發中心區域百老匯街的一個被污染的公共水泵。 約翰·斯諾將泵斷開，最終終止了疫情爆發。

20世紀初期將圖片分成層的“照片石印術”得以發展。它允許地圖被分成各圖層，例如一個層表示植被和另一層表示水。這技術特別用于印刷輪廓-繪制，這是一個勞力集中的任務，但他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。這項工作最初是玻璃板上繪制，后來，塑料薄膜被引入，具有更輕，使用較少的存儲空間，柔韌等等的優勢。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。彩色印刷引進后，層的概念也被用于創建每種顏色單獨的印版。盡管后來層的使用成為當代地理信息系統的主要典型特征之一，剛才所描述的攝影過程本身并不被認為是一個地理信息系統 - 因為這個地圖只有圖像而沒有附加的屬性數據庫。

60年代早期，在核武器研究的推動下，計算機硬件的發展導致通用計算機“繪圖”的應用。

1967年，世界上第一個真正投入應用的地理信息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。羅杰·湯姆林森博士開發的這個系統被稱為加拿大地理信息系統（CGIS ） ，用于存儲，分析和利用加拿大土地統計局（ CLI，使用的1:50,000比例尺，利用關于土壤、農業、休閑，野生動物、水禽、林業和土地利用的地理信息，以確定加拿大農村的土地能力。）收集的數據，并增設了等級分類因素來進行分析。

CGIS是“計算機制圖”應用的改進版，它提供了覆蓋，資料數字化/掃描功能。它支持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”，并在單獨的文件中存儲屬性和區位信息。由于這一結果，湯姆林森已經成為稱為“地理信息系統之父”，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，但耗時太長，因此在其發展初期，不能與如Intergraph這樣的銷售各種商業地圖應用軟件的供應商競爭。CGIS一直使用到20世紀90年代，并在加拿大建立了一個龐大的數字化的土地資源數據庫。它被開發為基于大型機的系統以支持一個在聯邦和省的資源規劃和管理。其能力是大陸范圍內的復雜數據分析。CGIS未被應用于商業 。微型計算機硬件的發展使得象ESRI和CARIS那樣的供應商成功地兼并了大多數的CGIS特征，并結合了對空間和屬性信息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入數據庫結構。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臺已經得到了鞏固和規范。并且用戶開始提出了在互聯網上查看GIS數據的概念，這要求數據的格式和傳輸標準化。