本世紀中葉，計算機的發明與應用標志著第一次信息革命的開始，人類社會隨之進入信息時代。信息的巨大物化力量使得它逐漸成為一種重要的社會資源和社會動力源，從而引起社會職能、模式、結構、價值及人們工作、生活方式的變革，人們工作的重點從單獨的物質生產轉移到對信息的采集、處理、分析和利用上來。另外，由于社會的進步，人們開始覺悟到對賴以生存的地球資源的利用，不能是簡單地掠奪，而應將開發和保護結合起來進行科學管理和充分利用。于是興起國土規劃、各種資源清查、環境監測等大型工程。然而，面對這些大型工程所獲取的海量資源環境信息，傳統的調查報表、統計圖表和手工制圖的方式已遠遠不能滿足時代需求，如何利用計算機有效地處理相關信息是地理信息系統產生和發展的原動力。
一、國際GIS發展狀況:
介紹地理信息系統在國際上發展的四個階段：探索時期、發展時期、成熟階段和全面應用階段。
二、我國GIS發展狀況:
介紹我國地理信息系統主要經歷了準備階段、試驗階段、發展階段和產業化階段。
三、當代GIS發展動態:
介紹當代地理信息系統技術上的幾個熱門研究領域：面向對象技術與GIS，真三維GIS和時空GIS，GIS應用模型，InternetGIS，GIS與專家系統和GIS與虛擬現實技術的結合。
1963年，加拿大測量學家R.Tomlinson首先提出地理信息系統這一術語之后，隨著技術的進步、社會的需求、有關組織機構的建立，GIS呈“星火燎原”之勢在全世界迅速發展起來。概括起來，GIS的發展可分為以下幾個階段。
由于40年代和50年代計算機科學、地圖學和航空攝影測量技術的發展，逐漸產生利用計算機匯總各種來源的數據，借助計算機處理和分析這些數據，最后通過計算機輸出一系列結果，作為輔助決策的有用信息，這就產生了最早地理信息系統的基本框架。
在50年代末60年代>初，計算機獲得廣泛應用以后，很快就被應用于空間數據的存儲與管理。計算機分析地圖內容并提供信息，是從自然資源的管理和土地規劃任務開始的，在這個基礎上誕生了世界上第一個地理信息系統——加拿大地理信息系(CGIS)。受計算機發展水平的限制，當時的地理信息系統的特征是存儲能力小，磁帶存取速度慢。機助制圖能力較強，地學分析功能較簡單，實現了手扶跟蹤數字化方法，可以完成地圖數據的拓撲編輯，分幅數據的自動拼接，開創了格網單元的操作方法，發展了許多基于格網的系統。所有這些處理空間數據的主要技術，奠定了地理信息系統發展的基礎。另外，紛紛成立的許多有關GIS的組織和機構對傳播和發展地理信息系統也起了重要的指導作用。
在這期間，計算機發展到第三代，內存容量大增，運算速度達到10－６秒級，特別是大容量直接存取設備——磁盤的使用，為地理數據的錄入、儲存、檢索、輸出提供了強有力的手段。用戶屏幕和圖形、圖像卡的發展增強了人機對話和高質量圖形顯示功能，促使GIS朝著實用化方向發展。
例如，從1970年至1976年，美國地質調查所就建成了50多個信息系統，分別作為處理地理、地質和水資源等領域空間信息的工具。其他一些發達國家，如加拿大、聯邦德國、瑞典等國，也先后發展了自己的地理信息系統。同時，一些商業公司開始活躍，GIS軟件在市場上受到歡迎，同時管理問題也開始受到重視。據IGU統計，在70年代約有300多個系統投入使用，其中較完整的系統軟件就有80個之多。1980年，美國地質調查局出版了《空間數據處理計算機軟件》的報告，基本總結了1979年以前世界各國GIS的發展概況。此外，D.F.Marble等擬訂了處理空間數據的計算機軟件登錄的標準格式，對全部軟件作了系統的分類，提出GIS發展研究的重點是空間數據處理的算法、數據結構和數據庫管理這三方面。同時，許多大學(如美國紐約州立大學等)開始注意培養GIS方面的人才，創建了GIS實驗室。因此，地理信息系統這一技術受到了政府部門、商業公司和大學的普遍重視，成為引人注目的領域。
3、80年代是GIS在理論、方法和技術上取得突破與趨向成熟的階段。
由于大規模和超大規模集成電路的問世，推出了第四代計算機，特別是微型計算機和遠程通訊傳輸設備的出現，為計算機的普及應用創造了條件，加上計算機網絡的建立，使地理信息的傳輸效率得到極大的提高。另外，軟件開發工具的廣泛應用和數據庫技術的推廣，推動了GIS的數據處理能力，空間分析功能，人機交互對話，地圖的輸入、編輯和輸出技術的進一步發展，并逐漸走向成熟。地理信息系統的應用從解決基礎設施的規劃(如道路、輸電線等)轉向更加復雜的區域開發問題。
例如,土地的規劃利用、城市發展戰略研究、人口的規劃和安置等，地理因素成為投資標準決策不可缺少的依據。這個時期，GIS已跨越國界，開始用于解決全球性問題，如全球的沙漠化、全球可居住區的評價、ALNINO現象及酸雨、核擴散等對世界環境潛在的影響等。因此，國際著名的GIS專家R.F.Tomlinson認為，如果70年代是GIS發展的鞏固時期，那么，80年代是國際GIS發展具有突破性的時期。
90年代以來，隨著地理信息產業的建立和地球數字化產品的普及應用，GIS的發展進入用戶時代。這個期間，社會對GIS的認識普遍提高，需求大幅度增加，GIS已成為許多機構(特別是政府決策部門)必備的工作系統。國家級乃至全球級的地理信息系統已成為公眾關注的問題，地理信息系統已被列入“信息高速公路”計劃，也是美國前副總統戈爾提出的“數字地球”戰略的重要組成部分。
90年代，GIS開發和研究主要集中在下列一些方向：空間信息分析的新模式和新方法；空間信息應用模型；GIS的效益評價；三維、四維空間數據結構和數據模型；人工智能和專家系統的引入；網絡GIS；虛擬現實技術與GIS的結合等。
我國地理信息系統的發展起步較晚，但發展較快，大體可分為下列幾個階段。
70年代初，我國開始探討計算機在測量、地圖制圖和遙感領域的應用。例如，1972年開始研制制圖自動化系統，1974年引進美國地球資源衛星圖像，開展了衛星圖像的處理和信息解譯工作，隨后召開了各種區域性遙感技術規劃會議，先后開展了多項環境衛星系列數據與圖像的接收、處理和應用的試驗，如京津唐地區紅外遙感試驗、新疆哈密地區航空遙感實驗等。此外，還開展了全國范圍的航空攝影測量與地形制圖，為我國地理信息系統數據庫的建立打下了堅實的物質基礎，并于1977年誕生我國第一張全要素數字地圖。所有這些都為我國地理信息系統的研制和開發做了物質和技術準備，為GIS的發展開辟了道路。
80年代，隨著計算機技術的發展和我國對“信息革命”的熱烈響應，地理信息系統這一新技術在我國正式進入全面試驗階段。我國在GIS理論探索、規范探討、實驗技術、軟件開發、系統建立、人才培養、典型試驗和專題試驗等方面都取得了實質性的進展。在典型試驗中主要研究建立數據規范和標準、空間數據庫建立、數據處理和分析算法以及系統分析軟件和應用軟件的開發等。在專題試驗和應用方面，探索地理信息系統的設計與應用，包括人口、資源、環境與經濟等廣泛專題的試驗和應用。建成的區域性系統有1∶100萬國土基本信息系統和全國土地信息系統、1∶400萬全國資源和環境信息系統、1∶250萬水土保持信息系統等，專題信息系統如黃土高原信息系統、洪水災害預報與分析系統、礦產資源數據庫等。一些用于輔助城市規劃的各種小型信息系統在城市建設和規劃部門獲得了認可。此外，國際GIS學術會議多次在我國舉行，有關高校開設了地理信息系統課程，這一切均為GIS的進一步發展和實際應用打下了基礎。
從1986年到1995年前后，我國GIS隨著社會主義市場經濟的發展走上了全面發展道路。由于沿海、沿江經濟開發區的發展，土地的有償使用和外資的引進，急需GIS為之服務，推動了GIS的發展和應用。GIS研究作為政府行為，正式列入國家科技攻關項目，開始有計劃、有組織、有目標地進行理論研究和應用建設。同時，全國許多行業部門和部分省市積極發展各自專業GIS和區域GIS，上海、北京、深圳、海口、三亞、常州等大中城市都在積極建設城市GIS。
1996年以來，我國GIS技術在技術研究、成果應用、人才培養、軟件開發等方面進展迅速，并力圖將GIS從初步發展時期的研究實驗、局部應用推向實用化、集成化、工程化，為國民經濟發展提供輔助分析和決策依據。GIS在研究和應用過程中走向產業化道路，成為國民經濟建設普遍使用的工具，并在各行各業發揮重大作用。
自20世紀60年代世界上第一個GIS——加拿大地理信息系統(CGIS)問世以來，經過近40年的發展，GIS系統軟件和應用軟件日趨成熟和完善。過去，GIS往往被認為是一項專門技術，其應用主要限于測繪、制圖、資源和環境管理等領域。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的社會需求量增大，GIS應用日趨廣泛，甚至進入千家萬戶。應用需求促進發展，GIS已從一門技術發展為一門獨立的新興學科。下面就GIS當前的幾個熱門研究領域作一介紹。
GIS一般采用圖形和屬性分開管理的數據模型管理數據，即實體的圖形數據用拓撲文件存儲管理，屬性數據用關系數據庫管理，二者通過惟一標識符進行連接。這種數據模型具有的弱點使得人們開始尋求一種能統一管理圖形數據和屬性數據的數據模型。
面向對象技術將現實世界的實體都抽象為對象，利用四種數據抽象技術(分類、概括、聯合、聚集)可構建復雜的地理實體，利用繼承和傳播這兩種數據抽象工具將所有實體對象構建成一個分層結構。面向對象的方法為描述復雜的空間信息提供了一條適合于人類思維模式的直觀、結構清晰、組織有序的方法，面向對象數據模型成為較為理想的統一管理GIS空間數據的有效模型。因而，面向對象的技術在GIS中的應用，即面向對象的GIS，已成為GIS的發展方向。Smallworld GIS是目前面向對象GIS中最為典型的代表，一些傳統的GIS也開始部分采用面向對象的技術，如ARC/INFO 7.0,Intergraph的TIGRIS,SYSTEM 9,FACET系統等。
然而，面向對象的GIS仍存在一些有待進一步研究的問題。
GIS處理的是在地球三維空間上連續分布的空間數據。然而，目前絕大多數的GIS采用二維或2.5維來表示現實三維現象，通常將三維分量Z值當做一個屬性值，如DEM數據，這對于許多地學分析是非常不便的，甚至難以進行。例如，地質構造研究中的斷層處，在一固定位置會有不同的高程值，因而不能用二維或2.5維表示，而真三維數據結構能真正表示這種地質結構。近年來，計算機技術特別是計算機圖形學的發展，使得顯示和描述三維實體的幾何特征和屬性特征成為可能，因此真三維數據結構的研究，真三維GIS的應用成為GIS發展的一個熱點。(真三維GIS主要研究方向)
地理信息除具有空間特性外，還具有明顯的時序特征，即動態變化特征。在許多應用領域中，如環境監測、地震救援、天氣預報等，空間對象是隨時間變化的，描述和研究空間對象的時序特征在問題求解過程中起著十分重要的作用。由于受器件的限制和一些技術原因，傳統的地理信息系統只考慮地物的空間特性，忽略了其時間特性。近幾年提出的空間實時數據模型也僅能處理空間二維和時間一維，不能完全表示和分析不斷變化的三維世界，因而需要開發時空四維GIS。實現時空復合操作，將空間分析問題進一步拓展為時空分析范疇，已成為新一代GIS的重要研究課題。(時空GIS主要研究內容)
GIS強大的生命力在于與各種實際應用的結合。然而，通用GIS的數據管理、查詢和空間分析功能對于大多數的應用問題是遠遠不夠的，因為這些領域都有自己獨特的專用模型。根據某種應用目標或任務要求，從相應專業或學科出發，對客觀世界進行深入分析研究，并借助GIS技術的支持，建立GIS應用模型，是GIS解決實際問題的能力、效率及產生社會經濟效益的關鍵所在，因此日益受到重視。
為用戶提供建立專業應用模型的二次開發工具和環境是目前大多數GIS軟件解決GIS建模問題的一般方法，如ARC/INFO提供的二次開發的宏語言AML。這種方法的一個主要問題是它對于普通用戶而言過于困難。最好的方式是GIS本身能支持建立專業應用模型，這種GIS又稱為地理信息建模系統(Geographic Information Modelling System，簡稱GIMS)，它能支持面向用戶的空間分析模型的定義、生成和檢驗的環境，支持與用戶交互式的基于GIS的分析、建模和決策，GIMS是目前GIS研究的熱點問題之一，目前的GIS對用戶定義自己的專用模型的支持程度都是不夠的，離支持實現數據集定義、模型定義、模型生成和模型檢驗的全過程仍有相當大的距離。(通用GIS空間分析與各專業模型的主要途徑)
近年來，Internet技術的迅速發展與普及應用為GIS發展提供了新的機遇，它改變了地理信息的獲取、傳輸、發布、共享、應用和可視化等過程和方式，Internet已成為GIS新的操作平臺。Internet與GIS的結合即Internet GIS，利用Internet在Web上發布和出版空間數據，為用戶提供空間數據瀏覽、查詢、制作專題圖和分析的功能，已經成為GIS發展的必然趨勢。
Internet GIS的信息處理模式由傳統的集中式轉向客戶服務器模式，客戶機處理GIS應用軟件，服務器負責存儲和管理GIS空間數據庫，并響應客戶機對GIS應用功能的服務請求。由于Internet GIS分布式管理與互操作的要求，Internet GIS又有組件式GIS和Open GIS兩個研究熱點，但目前Internet GIS仍然存在著諸多不足。
專家系統研究的是利用計算機模擬人類專家的推理思維過程，系統根據知識庫中的知識，對輸入的原始事實進行復雜推理，并作出判斷和決策，從而起到人類專家的作用。
GIS經過近40年的發展已逐漸趨于成熟，但它的應用還主要停留在空間數據庫的建立與管理、空間實體查詢、空間疊置分析、緩沖區分析以及成果輸出上，由于缺乏知識處理和進行啟發式推理的能力，其決策支持功能仍很弱，還無法解決多層次、多因素、非線性變化的復雜地學問題。解決這類問題是一項具有一定創造性的過程，需要大量的人為經驗和專家知識。因此，將GIS和專家系統相結合，發展智能GIS或專家GIS，是解決復雜地學問題的重要途徑。目前，這方面的研究受到廣泛的重視并取得一些令人鼓舞的成果。
虛擬現實(Virtual Reality)是一種最有效地模擬人在自然環境中視、聽、動等行為的高級人機交互技術，是當代信息技術高速發展和集成的產物。從本質上說，虛擬現實就是一種先進的計算機用戶接口，通過計算機建立一種仿真數字環境，將數據轉換成圖像、聲音和觸摸感受，利用多種傳感設備使用戶“投入”到該環境中，用戶可以如同在真實世界那樣“處理”計算機系統所產生的虛擬物體。
將虛擬現實技術引入GIS將使GIS更具吸引力，采用虛擬現實中的可視化技術，在三維空間中模擬和重建逼真的、可操作的地理三維實體，GIS用戶在客觀世界的虛擬環境中將能更有效地管理、分析空間實體數據。因此，開發虛擬GIS已成為GIS發展的一大趨勢。
隨著虛擬技術的發展和虛擬現實硬件價格的降低，使得開發成本低廉的虛擬現實軟件包成為可能，如用戶可通過Virtual GIS軟件在三維環境中觀察和分析GIS數據。Koller D等開發的一個實時三維GIS可使用戶在編輯、分析復雜的地形數據庫時產生一種臨境感。
當前，GIS發展的動態除以上幾點外，GIS與GPS、RS的進一步集成，GIS與CAD的集成，并行處理技術在GIS中的應用等都是GIS研究和發展的熱點。GIS的這些發展并不是孤立的，而是相互影響，相互促進的，其目的都是為了讓GIS能更好地為人類管理和保護賴以生存的地球服務。
【文中詞匯解釋】
1967，成立美國城市和區域信息系統協會（URISA）。
1968，國際地理聯合會（IGU）成立了地理數據采集與處理委員會（CGDSP）
1969，成立美國信息系統全國協會（NASIS）。
這些組織相繼舉行了一系列GIS的國際研討會，對GIS技術的發展和傳播起到了重要的指導作用。
1)不利于空間數據的整體管理，以保證數據的一致性；
2)GIS的開放性和互操作性受限制；
3)數據共享和并行處理無保證。
1)大對象的操作仍受硬件條件的限制；
2)對象的獨立性與顆粒度問題；
3)矢量和柵格數據統一的、支持動態拓撲結構和復合對象表示的面向對象的數據結構問題。
主要包括：
1)三維數據結構的研究，包括數據的有效存儲、數據狀態的表示和數據的可視化；
2)三維數據的生成和管理；
3)地理數據的三維顯示，包括三維數據的空間操作和分析，表面處理，柵格圖像、全息圖像顯示，層次處理等。
時空GIS主要研究時空模型，時空數據的表示、存儲、操作、查詢和時空分析。
目前較常用的做法是在現有數據模型基礎上擴充，如在關系模型的元組中加入時間，在對象模型中引入時間屬性。在這種擴充的基礎上如何解決從表示到分析的一系列問題仍有待進一步的研究。
另外，人們也在研究一種存儲和表示四維目標的四維數據模型，Cheng Tao等運用面向對象技術開發出一種面向對象空間實時模型用于處理四維GIS數據。
實現通用GIS空間分析功能與各種領域專用模型的結合主要有三種途徑：
1)松散耦合式，也稱為外部空間模型法。這種方法基本上將GIS當做一個空間數據庫看待，在GIS環境外部借助其他軟件或計算機高級語言建立專用模型，其與GIS之間采用數據通訊的方式聯系。
2)嵌入式，也稱為內部空間模型法。即在GIS中借助GIS的通用功能來實現應用領域的專用分析模型。
3)混合型空間模型法，是前兩種方法的結合，即盡可能利用GIS提供的功能，最大限度地減少用戶自行開發的工作量和難度，又保持外部空間模型法的靈活性。
1)組件式GIS，即將已有的巨型GIS分解為若干可互操作的自我管理、相互獨立的組件，包括數據管理組件、空間查詢組件、數據獲取組件、專題制圖組件和顯示組件等。它們建立在分布式的對象結構基礎之上，應用了最新的分布式技術如OMG的CORBA,Microsoft的OLE/COM以及SUN的Java技術。這些組件具有與平臺和操作系統無關性，GIS應用的開發者可以利用這些組件快速地組裝GIS應用軟件。
組件式GIS有效地減少了網絡傳輸的負擔，實現了獲取和管理多數據源數據，提供了分析地圖特征和查詢、空間分析、專題制圖等功能，并方便用戶二次開發。
2)Open GIS，即開放式地理信息系統，是為了使不同的GIS軟件之間具有良好的互操作性，以及在異構數據庫中實現信息共享的途徑。
由于Internet GIS用于發布分布式地理信息和處理與分析工具，使得Internet GIS必須使用已有的多種數據源和各種地理信息分析處理功能，即Internet GIS面臨地理信息的互操作性問題，因此，從數據的觀點看，Open GIS是未來Internet GIS技術發展的必然趨勢。
由用戶和開發商組成的聯盟——開放地理信息聯合會(Open GIS Consortium,OGC)已經成立，并研究制定了開放地理數據交互操作規程(Open Geodata Interoperability Specification,OGIS)。OGIS規范為開放系統地學處理奠定了基礎，使得GIS、遙感以及其他地學處理學科從專有的不兼容的數據格式和特定處理功能走向統一的網絡數據空間和軟件組件。然而，OGIS只是對Open GIS定義了抽象的互操作規程，具體如何實現將是21世紀GIS發展的任務。
目前Internet GIS仍然存在著諸多不足，主要表現在：
1)支持單一數據源而非多數據源的獲取，因而不能滿足日益增長的信息交互與Open GIS規范的需求；
2)數據集中而非分布式存放與管理，不利于信息的共享與更新；
3)缺乏統一的管理機制以實現大量分布式空間信息相互間的有機聯系；
4)缺乏豐富的空間信息表現手法以及與網絡資源特別是借助瀏覽器表達的能力；
5)空間信息獲取控制以及客戶與服務器端安全體系的建立不夠完善。
商品化的WebGIS還處于初級階段，提供的查詢和分析功能還不能滿足專業應用的需要，但它的出現已開始改變GIS傳統的數據輸出和地圖發布的方式，為地理信息的高度社會化共享提供了可能。
1)Gennert M.A.開發的原型網絡專家GIS用于土地資源管理，該系統由GIS完成位置分析工作，由基于規則知識庫的專家系統來評價，GIS與專家系統相結合，互為補充，組成專家GIS。
2)Sarasus、Wayne A.等討論了智能GIS用于鐵路與高速公路交叉口的安全管理與分析問題。
3)Lam David等建立了用于環境管理決策的GIS決策支持系統。此外還有專家GIS在地下水管理、地質勘探、地學分析和軍事指揮等領域的應用研究。
1)Gennert M.A.開發的原型網絡專家GIS用于土地資源管理，該系統由GIS完成位置分析工作，由基于規則知識庫的專家系統來評價，GIS與專家系統相結合，互為補充，組成專家GIS。
2)Sarasus、Wayne A.等討論了智能GIS用于鐵路與高速公路交叉口的安全管理與分析問題。
3)Lam David等建立了用于環境管理決策的GIS決策支持系統。此外還有專家GIS在地下水管理、地質勘探、地學分析和軍事指揮等領域的應用研究。
