浅析地理信息系统学科体系结构

浅析地理信息系统学科体系结构朱华华①②，雷浩川①②，韩健③①（①中国测绘科学研究院，北京 100039； ②兰州交通大学数理与软件工程学院，兰州 730070；③中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京 100083）摘 要：本文首先分析本学科与地理学、测绘学、计算机科学、数学等相关学科的关系；根据地理空间数据的存在方式，提出了基于数据存在方式的地理信息系统分层架构体系；分析了GIS基础理论、系统集成、行业应用三个主要层面的研究内容。

最后，结合新世纪大众化、网络化的特点，给出地理信息系统专业的展望。

关键词： 地理信息系统；GIS；学科体系；地理学；测绘学；计算机科学1 引言在过去20年间，地理信息系统（Geographical Information System, GIS）学科得到了突飞猛进的发展，成为地学类发展最快的学科之一。

从地理信息科学到地理信息服务，从地理信息工程到地理信息系统，地理信息类专业百花齐放，争奇斗艳，社会无处不受到地理信息的影响。

地理信息系统源于地理学，又不同于传统的地理学，属于地理技术类学科，在从地理学吸取精华的同时，还利用测绘学、遥感学、计算机科学、数学、管理学等多个学科作为实现的工具，结合各应用领域，建立基于地图可视化的GIS信息分析与决策系统。

与地理信息系统学科研究内容接近的学科较多，包括地图学、地图制图学、地理信息工程、地理信息科学、空间信息科学以及地球信息科学等，且地理与空间、信息与数据等概念也易混淆，下面首先给出此类概念辨析，然后综合分析给出地理信息系统的定义。

地理信息系统首先是一个信息系统，与其他信息系统的区别是其处理的数据是经过地理编码，地理空间数据与地理属性数据是其信息检索与分析的重要内容；它既是一门多学科结合的新兴交叉性学科，还是一门技术性很强的学科；它是用计算机软硬件系统来表现其外观，内涵是由计算机算法以及地理数据共同组织而成的地理空间信息模型。

地理信息系统兼具“工具”、“资源”和“学科”三大属性，其“工具”属性是指为人们采用数字形式表示和分析现实空间世界提供了一系列空间操作和分析方法；“资源”属性是指将单一分散的数据资源累集成起来，成为研究和解决空间问题所需的综合信息资源;“学科”属性是指它有着相对独特的研究对象和技术体系，正在逐步地发展形成一门关于地理空间信息处理分析的科学与技术[1]。

GIS的基础是地理科学和测绘科学，它的技术支撑是计算机技术，它的应用领域是地理、规划与管理等许多行业[3]。

综述之，地理信息系统是结合地理学、地图学、测绘科学、计算机科学及数学等多个学科，运用遥感、GPS、计算机及网络通信等现代技术手段，对地理空间数据进行采集、存储、显示、管理、分析与挖掘，并从中获取信息与知识的一门交叉性、综合性学科。

本文首先分析和研究与其它相关学科的关系；提出了基于数据存在方式的GIS分层架构体系；结合各相关学科和技术，分析了GIS基础理论、系统集成、行业应用三个主要层面的研究内容；最后阐述了本学科在新世纪的发展展望。

2 GIS与相关学科之间的关系地理信息系统是一门20世纪60年代迅速发展起来的以地理科学为主导的，多学科融合的新兴交叉性边缘性科学，它主要以地理实体为研究对象，既是一门学科，还是一门技术。

作为传统科学与现代技术相结合的产物，它的核心是空间分析，地理信息系统为各种涉及到空间分析的学科提供了新的研究方法，而这些学科的发展也不同程度地构成了地理信息系统的技术与方法。

地理学是一门研究人类生活空间布局的学科，地理学的计量化、信息化使其成为一门现代科学，地理学的多个分支学科，如人文地理学、经济地理学、自然地理学、计量地理学及地图学都与GIS有密切的相依关系，成为GIS理论的基石；一些GIS应用学科，如农林、水文、土壤、交通、城市规划、国防、应急管理、地矿、大气、海洋、天文等，成为GIS研究的主要对象。

下图是地理信息系统与相关学科的关系。

图1 地理信息系统与相关学科的关系如图1所示，与地理信息系统相关的学科很多，目前国内研究的学校也很多，他们分别从各自的角度对本学科进行研究，主要基于地理学、测绘学、地质学（地球科学）、计算机、数学及与地理学有关联的相关学科的研究，或侧重理论研究、或侧重工程应用、或侧重系统集成、或侧重地学建模与空间分析、或侧重三维显示等。

地理信息科学百家争鸣，百花齐放，地理信息系统学科正突飞猛进的向前发展。

3 基于数据存在方式的地理信息系统分层架构地理信息系统学科体系复杂，各学科从各自的角度分别对地理信息系统给出基于本学科的定义，有认为是地理系统、制图系统、计算机系统、空间分析与决策系统等不同的理解。

应该说，地理信息系统是以地理数据为中心，从原始的数据采集到最终的信息决策和知识发现，地理数据贯穿始终，而GIS就是将数据变为信息与知识的系统。

图2 地理信息系统中数据变换由图2可知，地理信息系统就像一个神奇的宝盒，将地理数据转换为人类所需要的信息与知识。

数据的存在方式就是地理数据在地理信息系统中说处于的阶段及被系统使用的方式，从数据采集、数据预处理、数据存储、数据可视化直至数据的挖掘。

下表是基于数据存在方式的地理信息系统分层架构及相关的学科与技术。

分层 数据存在方式 主要学科、技术数据挖掘 地理建模、空间分析、知识发现、专家系统、神经网络、表现层模式识别、统计分析等数据可视化 地图制图学、软件工程、数据库、人机交互学、图学、程序设计、分布式网络、通信技术、艺术设计等 数据层 数据存储 计算机科学、数据库技术等数据预处理 物理学、电磁学、数学、地统计学（空间统计学）等 物理层 数据采集 测绘学、遥感学、统计资料、GPS、摄影测量等表1 地理信息系统中数据的分层存在方式及相关学科、技术从表1可知，数据在地理信息系统中存在的方式主要分为5类3层，分别是物理层、数据层与表现层，地理数据被分为数据采集、预处理、存储、可视化及数据挖掘等5种存在方式。

下一层为上一层提供数据，上一层为下一层提供存储、显示、分析服务。

底层为物理层，通过测绘、统计资料等方法负责地理空间数据、属性数据及时态数据的采集和预处理，并为上一层提供有效的数据。

一般情况下，初始获取的空间数据年不能满足GIS的要求，要进行加工处理，如进行数据清理，检查，建立拓扑关系，数据格式转换，制作成符合要求的GIS数据。

中间层为数据层，使用计算机作为主要的存储手段，建立基于空间关系数据库的数据库管理系统。

目前，空间数据管理已经走出了文件管理的模式，从原来的GIS软件一般采用文件方法管理矢量图形数据，关系数据库管理系统管理属性数据。

目前主要的GIS软件都采用了商用关系数据库管理系统同时管理图形和属性数据[4]。

如国外的ARC/INFO, MapInfo等，国内的GEOSTAR, MAPGIS, SUPERMAP等。

许多关系数据库软件商自行开发了空间数据管理模块，如Oracle,DB2，Informix等都有自己的空间数据管理模块。

顶层为表现层，分为数据的可视化及空间数据挖掘两种方式。

数据的可视化将存储在计算机中的数据进行基于图形界面的显示，对地理数据进行管理与分析，最后进行空间数据挖掘，发现决策所需的信息与知识。

在功能上,可视化使现代地图的功能从“信息传输”向“数据分析和挖掘”方向延伸[5]。

地理数据是GIS 中的“血液”[6]，也是GIS 系统的灵魂和生命，数据组织和处理是GIS 应用系统建设中的关键环节。

从原始地理数据到最终的知识发现和决策支持，地理数据发生的本质的变化。

因此，数据的不同存在方式可以为我们提供区分GIS研究的侧重点，从下到上，数据始终存在，形成一个完整的数据采集、存储、分析的体系结构。

4 地理信息系统学科主要研究内容地理信息系统是在地理学研究和生产实践中应运而生的，利用现代科技手段，紧密结合地理与环境应用，建立空间分析与决策系统。

另外，应用的不断深入也使得地理信息系统学科得到不断完善，二者相辅相成，共同发展。

在地理信息系统的研究中，我们应该更注重一个“系统集成”的观念，对涉及到的许多技术可以进行“拿来主义”，或者进行对其改造而为我所有。

例如成熟的地理模型、遥感技术、三维图形开发技术、计算机算法、工程管理、数据库技术、面向对象技术、组建开发技术、分布式与网络技术、移动通信技术、嵌入式开发技术等等，都可以实现与本学科的无缝结合，最终融入地理信息系统的体系中。

那么有人会疑问，地理信息系统学科究竟研究什么内容呢？当然，GIS也有自己研究的内容。

主要包括基础理论、系统集成、行业应用等3个层次的研究：首先是关于地理信息的基础理论研究，包括空间关系理论、地理空间分析、空间认知、地理建模、地图学、制图理论、地理计算等；其次是关于系统集成的方法研究，融合3S技术、计算机信息技术，建立一个性能优异的地理信息系统；最后就是地理信息系统在各行业中的应用。

据陈述彭院士对地理信息系统学科的发展的分析，他认为：地理信息科学的三个战略领域(地理空间认知模型,地理概念的计算机实现,信息社会的地理学) 及地理信息科学的优先领域(分布式计算,地理信息的认知,地理信息的互操作,尺度效应,空间信息基础的未来,地理信息系统与社会,地理信息系统环境下的空间分析,空间数据的获取与集成,地理数据的不确定性)[7]。

因此，基于地理信息系统理论与系统集成的研究仍是其研究重点，最终实现信息化社会中人类社会与自然环境的协调发展。

5 结束语地理信息系统不能仅停留在具有存储、查询、检索等功能的数据信息载体阶段上，更重要的是充分发挥其模拟、评估、科学预测和目标决策的功能，使之成为提高现代化城市管理、规划和决策水平的有效手段[3]。

为解决复杂的空间决策问题，加强地理信息系统分析、模拟和推理方面的功能，需要在地理信息系统的基础上开发空间决策支持系统，使当前应用水平由数据获取、输入、存储、分析、输出的基础功能，向空间信息的知识表现和推理、自动学习的智能化决策工具发展。

地理信息系统学科经历了上世纪60年代的开拓发展、70年代的巩固、80年代的突破到90年代的初步社会化，在信息化、全球化的21世纪，地理信息系统应与社会更紧密地结合，运用现代网络与通信手段，全面提高社会大众的参与性，让地理信息系统从科学走向服务，成为社会日常生活不可或缺的重要组成部分。

参考文献[1] 陈军．论中国地理信息系统的发展方向[J][2] 邬伦、刘瑜等．地理信息系统—原理、方法和应用[M] 科学出版社2001[3] 蓝荣钦等．地理信息系统的发展现状和趋势[J] 地理空间信息 2004-2[4] 龚健雅．当代地理信息系统的发展趋势[J][5] 杨国清等．可视化与现代地图学的发展[J] 测绘通报 2004-6[6] 秦其明, 袁胜元．中国地理信息系统发展回顾[J] 测绘通报 2001[7] 陈述彭．地理科学的信息化与现代化[J] 中国科学院院刊 2001[8]李玉龙，朱华华．应用V oronoi图的点群范围自动识别[J]．工程图学学报，2007。