人類生活在地球上，80%以上的信息與地球上的空間位置有關。GIS的出現是信息技術及其應用發展到一定程度的必然產物。地理信息系統萌芽于上世紀的60年代。1962年，加拿大的Roger F. Tomlinson提出利用數字計算機處理和分析大量的土地利用地圖數據，并建議加拿大土地調查局建立加拿大地理信息系統（CGIS），以實現專題地圖的疊加、面積量算、自然資源的管理和規劃等；與此同時，美國的Duane F. Marble在美國西北大學研究利用數字計算機研制數據處理軟件系統，以支持大規模城市交通研究，并提出建立地理信息系統的思想。70年代是地理信息系統走向實用的發展期。美國、加拿大、英國、西德、瑞典和日本等國對GIS的研究均投入了大量人力、物力和財力。到1972年CGIS全面投入運行與使用，成為世界上第一個運行型的地理信息系統；在此期間美國地質調查局發展了50多個地理信息系統，用于獲取和處理地質、地理、地形和水資源信息；1974年日本國土地理院開始建立數字國土信息系統，存儲、處理和檢索測量數據、航空像片信息、行政區劃、土地利用、地形地質等信息；瑞典在中央、區域和城市三級建立了許多信息系統，如土地測量信息系統、斯德哥爾摩地理信息系統、城市規劃信息系統等。但由于當時的GIS系統多數運行在小型機上，涉及的計算機軟硬件、外部設備及GIS軟件本身的價格都相當昂貴，限制了GIS的應用范圍。
80年代是GIS的推廣應用階段，由于計算機技術的飛速發展，在性能大幅度提高的同時，價格迅速下降，特別是工作站和個人計算機的出現與完善，使GIS的應用領域與范圍不斷擴大。GIS與衛星遙感技術相結合，開始用于全球性問題的研究，如全球變化和全球監測、全球沙漠化、全球可居住區評價、厄爾尼諾現象及酸雨、核擴散及核廢料等(李德仁，1994)；從土地利用、城市規劃等宏觀管理應用，深入到各個領域解決工程問題，如環境與資源評價、工程選址、設施管理、緊急事件響應等。在這一時期，出現了一大批代表性的GIS軟件，如ARC／INFO、GENAMAP、SPANS、MAPINPO、ERDAS、Microstation等，其中ARC／INFO已經愈來愈多地為世界各國地質調查部門所采用，并在區域地質調查、區域礦產資源與環境評價、礦產資源與礦權管理中發揮越來越重要作用。
90年代為GIS的用戶時代，隨著地理信息產業的建立和數字化信息產品在全世界的普及，GIS成為了一個產業，投入使用的GIS系統，每2～3年就翻一番，GIS市場的增長也很快。目前，GIS的應用在走向區域化和全球化的同時，己滲透到各行各業，涉及千家萬戶，成為人們生產、生活、學習和工作中不可缺少的工具和助手。與此同時，GIS也從單機、二維、封閉向開放、網絡(包括Web GIS)、多維的方向發展。
我國地理信息系統方面的工作始于80年代初。地理信息系統進入發展階段的標志是第七個五年計劃的開始，地理信息系統研究作為政府行為，正式列入國家科技攻關計劃，開始了有計劃、有組織、有目標的科學研究、應用實驗和工程建設工作。許多部門同時展開了地理信息系統研究與開發工作。1994年中國GIS協會在北京成立，標志中國GIS行業已形成一定規模。九五期間，國家將地理信息系統的研究應用作為重中之重的項目予以支持，1996年，為支持國產GIS軟件的發展，原國家科委開始組織軟件評測，并組織應用示范工程。這一系列的舉措極大的促進了國產GIS軟件的發展與GIS的應用。1998年，國產軟件打破國外軟件的壟斷，在國內市場的占有率達25%。同年，在抽樣調查25個省市19個行業的1000多個單位中，全部使用了地理信息系統(秦其明、袁勝元，2001)。地理信息系統在資源調查、評價、管理和監測，在城市的管理、規劃和市政工程、行政管理與空間決策、災害的評估與預測、地籍管理及土地利用，在交通、農業、公安等諸多領域得到了廣泛的應用。
2. 地理信息系統的組成
GIS的應用系統由五個主要部分構成，即硬件、軟件、數據、人員和方法。
2.1 硬件
硬件是指操作GIS所需的一切計算機資源。目前的GIS軟件可以在很多類型的硬件上運行，從中央計算機服務器到桌面計算機，從單機到網絡環境。一個典型的GIS硬件系統除計算機外，還包括數字化儀、掃描儀、繪圖儀、磁帶機等外部設備。根據硬件配置規模的不同可分為簡單型、基本型、網絡型。圖1是典型的網絡型GIS硬件配置(修文群，1999)，圖2是一個典型的基本型GIS硬件配置，它是一般用戶最常用的配置。
2.2 軟件
軟件是指GIS運行所必須的各種程序。主要包括計算機系統軟件和地理信息系統軟件兩部分。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。主要的軟件部件有：輸入和處理地理信息的工具；數據庫管理系統工具；支持地理查詢、分析和可視化顯示的工具；容易使用這些工具的圖形用戶界面(GUI)。
2.3 數據
數據是一個GIS應用系統的最基礎的組成部分。空間數據是GIS的操作對象，是現實世界經過模型抽象的實質性內容確良。圖3展示了GIS對現實世界的信息表達與分層。
一個GIS應用系統必須建立在準確合理的地理數據基礎上。數據來源包括室內數字化和野外采集，以及從其他數據的轉換。數據包括空間數據和屬性數據，空間數據的表達可以采用柵格和矢量兩種形式。空間數據表現了地理空間實體的位置、大小、形狀、方向以及幾何拓撲關系。
2.4 人員
人是地理信息系統中重要的構成要素，GIS不同于一幅地圖，它是一個動態的地理模型，僅有系統軟硬件和數據還不能構成完整的地理信息系統，需要人進行系統組織、管理、維護和數據更新、系統擴充完善以及應用程序開發，并采用空間分析模型提取多種信息。因此，GIS應用的關鍵是掌握實施GIS來解決現實問題的人員素質。這些人員既包括從事設計、開發和維護GIS系統的技術專家，也包括那些使用該系統并解決專業領域任務的領域專家。一個GIS系統的運行班子應有項目負責人、信息技術專家、應用專業領域技術專家、若干程序員和操作員組成。
2.5 方法
這里的方法主要是指空間信息的綜合分析方法，即常說的應用模型。它是在對專業領域的具體對象與過程進行大量研究的基礎上總結出的規律的表示。GIS應用就是利用這些模型對大量空間數據進行分析綜合來解決實際問題的。如基于GIS的礦產資源評價模型、災害評價模型等。
3. 地理信息系統的主要功能
一個GIS軟件系統應具備五項基本功能，即數據輸入、數據編輯、數據存貯與管理、空間查詢與空間分析、可視化表達與輸出。圖4是一個典型的GIS功能框圖。
3.1 數據輸入
數據輸入是建立地理數據庫必須的過程。數據輸入功能指將地圖數據、物化遙數據、統計數據和文字報告等輸入、轉換成計算機可處理的數字形式的各種功能。對多種形式、多種來源的信息，可實現多種方式的數據輸入，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。用于地理信息系統空間數據采集的主要技術有兩類，即使用數字化儀的手扶跟蹤數字化技術和使用掃描儀的掃描技術。手扶跟蹤數字化曾在相當長的時間內是空間數據采集的主要方式。掃描數據的自動化編輯與處理是空間數據采集技術研究的重點，隨著掃描儀技術性能的提高及掃描處理軟件的完善，掃描數字化技術的使用越來越普遍。
3.2 數據編輯與處理
數據編輯主要包括圖形編輯和屬性編輯。屬性編輯主要與數據庫管理結合在一起完成，圖形編輯主要包括拓撲關系建立、圖形編輯、圖形整飾、圖幅拼接、圖形變換、投影變換、誤差校正等功能。
3.3 數據的存儲與管理
數據的有效組織與管理，是GIS系統應用成功與否的關鍵。主要提供空間與非空間數據的存儲、查詢檢索、修改和更新的能力。矢量數據結構、光柵數據結構、矢柵一體化數據結構是存儲 GIS的主要數據結構。數據結構的選擇在相當程度上決定了系統所能執行的功能。 數據結構確定后，在空間數據的存儲與管理中，關鍵是確定應用系統空間與屬性數據庫的結構以及空間與屬性數據的連接。目前廣泛使用的GIS軟件大多數采用空間分區、專題分層的數據組織方法，用GIS管理空間數據，用關系數據庫管理屬性數據。圖5是一個典型的地學數據分層管理概念模型，其中展示了空間圖層及其屬性的連接。screen.width-333)this.width=screen.width-333" border=0>
3.4 空間查詢與分析
空間查詢與分析是GIS的核心，是GIS最重要的和最具有魅力的功能，也是GIS有別于其他信息系統的本質特征。地理信息系統的空間分析可分為三個層次的內容：
l 空間檢索：包括從空間位置檢索空間物體及其屬性、從屬性條件檢索空間物體；
l 空間拓撲疊加分析：實現空間特征（點、線、面或圖像）的相交、相減、合并等，以及特征屬性在空間上的連接；
l 空間模型分析：如數字地形高程分析、BUFFER分析、網絡分析、圖像分析、三維模型分析、多要素綜合分析及面向專業應用的各種特殊模型分析等。
3.5 可視化表達與輸出
中間處理過程和最終結果的可視化表達是GIS的重要功能之一。通常以人機交互方式來選擇顯示的對象與形式，對于圖形數據，根據要素的信息密集程度，可選擇放大或縮小顯示。GIS不僅可以輸出全要素地圖，也可以根據用戶需要，分層輸出各種專題圖、各類統計圖、圖表及數據等。
除上述五大功能外，還有用戶接口模塊，用于接收用戶的指令、程序或數據，是用戶和系統交互的工具，主要包括用戶界面、程序接口與數據接口。由于地理信息系統功能復雜，且用戶又往往為非計算機專業人員，用戶界面是地理信息系統應用的重要組成部分，使地理信息系統成為人機交互的開放式系統。
