⑴ 資源與環境研究中的GIS
地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）是20世紀60年代以來隨著電子計算機技術的發展及其廣泛應用，在地理學中發展起來的一種新的工作手段和方法。該學科是介於信息科學、空間科學和地球科學之間的交叉學科，它是計算機科學、遙感技術、信息工程和現代化地理學理論與方法的有機結合，是它們應用的進一步延伸和發展，是地理學的又一新進展。
一、地理信息與地理信息系統
地理信息是指表徵地理系統諸要素的數量、質量、分布特徵、相互聯系和變化規律的數字、文字、圖像和圖形等的總稱。從地理數據到地理信息的發展，是人類認識地理事物的一次飛躍。地球表面的岩石圈、水圈、大氣圈和人類活動等是最大的地理信息源。地理科學的一個重要任務就是迅速地採集到地理空間的幾何信息、物理信息和人為信息，並適時地識別、轉換、存儲、傳輸、再生成、顯示、控制和應用這些信息。
地理信息屬於空間信息，其位置的識別是與數據聯系在一起的，這是地理信息區別於其他類型信息的最顯著的標志。地理信息的這種定位特徵，是通過經緯網或公路網建立的地理坐標來實現空間位置的識別；地理信息還具有多維結構的特徵，即在二維空間的基礎上實現多專題的第三維結構，而各個專題型實體型之間的聯系是通過屬性碼進行的，這就為地理系統各圈層之間的綜合研究提供了可能，也為地理系統多層次的分析和信息的傳輸與篩選提供了方便。地理信息的時序特徵十分明顯，因此可以按照時間尺度將地理信息劃分為超短期的（如台風、地震）、短期的（如江河洪水、秋季低溫）、中期的（如土地利用、作物估產）、長期的（如城市化、水土流失）、超長期的（如地殼變動、氣候變化）等。地理信息的這種動態變化的特徵，一方面要求地理信息的獲取要及時，並定期更新；另一方面要從其自然的變化過程中研究其變化規律，從而作出地理事物的預測與預報，為科學決策提供依據。認識地理信息的這種區域性、多層次性和動態性變化的特徵對建立地理信息系統，實現人口、資源、環境等的綜合具有重要意義。
地理信息系統是以地理空間資料庫為基礎，在計算機軟硬體的支持下，對空間相關數據進行採集、管理、操作、分析、模擬和顯示，並採用地理模型分析方法，適時提供多種空間和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務而建立起來的計算機技術系統。因此，地理信息系統具有以下三個方面的特徵：
（1）具有採集、管理、分析和輸出多種地理空間信息的能力。
（2）以地理研究和地理決策為目的，以地理模型方法為手段，具有空間分析、多要素綜合分析和動態預測的能力，並能產生高層次的地理信息。
（3）由計算機系統支持進行空間地理數據管理，並由計算機程序模擬常規的或專門的地理分析方法，作用於空間數據，產生有用信息，完成人類難以完成的任務；計算機系統的支持是GlS的重要特徵，它能使GIS得到快速、精確、綜合地對復雜的地理系統進行空間定位和動態分析。
二、GIS的組成部分
地理信息系統是一種計算機技術系統，它由信息輸入、存儲、數據的分析處理和信息的輸出等基本部分組成，並在計算機軟、硬體支持下運行工作。各種組成在GIS中所起的作用不同，可以分為五個組成部分：
（1）計算機硬體：指GIS所需要的基本設備。這些設備用來存儲、處理和顯示。對象主要是數字地圖或數字圖像數據。
（2）計算機軟體：包括機器運行所需的各種程序及有關資料，如操作系統、編譯程序、匯編程序、專用程序、GIS資料庫管理系統、各種分析程序及使用分冊、說明等。主要作用是完成各種GIS應有的操作。
（3）數據：GIS研究所需要的各種地理空間數據，包括數字化了的地圖數據、經過數字轉換的圖像數據、分析用的統計數據等等。
（4）過程：GIS工作時，為了得到問題的解答而執行的一步一步的動作。不少系統在執行時，為了方便用戶使用目錄選擇方式，又稱作點「菜單」方式，作哪個動作就點哪項；也有的系統使用命令方式，根據用戶需要打入命令，由系統完成，可以一個命令做一個動作，也可以一個命令完成一系列動作，也就是命令過程。
（5）專家：了解GIS，知道怎樣使用系統，這是最重要的。有些系統不能被人完全了解，因而不能發揮出全部作用，更不能進一步發展系統。創造GIS的工作量很大，常以「人年」作為計量工作的單位。
三、GIS的類型
（1）專題地理信息系統：是具有有限目標和專業特點的地理信息系統。為特定的專門的目的服務，如水資源管理信息系統、礦產資源信息系統、農作物估產信息系統、草場資源管理信息系統、水土流失信息系統、環境管理信息系統等。
（2）區域地理信息系統：主要以區域綜合研究和全面信息服務為目標。可以有不同規模，如國家級的、地區或省級的、市級或縣級等為各不同級別行政區服務的區域信息系統，也可以按自然分區或流域為單位建立區域信息系統。區域信息系統如加拿大國家信息系統、美國橡樹嶺地區信息系統、聖地亞哥縣信息系統、中國黃河流域信息系統等。
（3）地理信息系統工具：它是一組具有圖形圖像數字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等地理信息系統基本功能的軟體包。它們或者是專門研究的，或者是在完成實用地理信息系統後抽去具體的區域或專題的地理空間數據後得到的。這些軟體適於用來作為地理信息系統支撐軟體，以建立專題或區域性的實用性地理信息系統，也可以作教學軟體。由於地理信息系統設計技術較高，而且重復編輯比較復雜的基礎軟體也造成人力的極大浪費，因此採用地理信息系統工具，無疑是建立實用地理信息系統的一條捷徑。
四、資源與環境研究中的GIS
進入21世紀，中國的GIS事業發展迅速，GIS的作用日益被大眾所認識，並蓬勃應用到各種領域中。人類正在進入以信息技術和空間技術應用為特徵的新型信息時代。作為新興技術科學的地理信息系統，從20世紀80年代末期以來已成為最活躍的信息產業之一。它涉及到GIS軟體、硬體、數據、遙感與航空攝影、制圖、野外數據採集、數據交換、系統集成和咨詢等內容。其中，軟體是GIS的技術核心，而從事軟體開發和系統集成的公司或機構則往往成為GIS產業的主體。
早期GIS主要應用於自動制圖、設施管理和土地信息系統（LIS），後來逐步擴展到資源與環境管理、森林清查、城市規劃、市政管理、災害監測與預測、科學研究和軍事戰略等眾多領域。隨著GIS技術的成熟，數據積累和應用環境的改善，它的應用范圍不斷擴展，應用程度不斷深化。GIS在資源與環境研究中的應用主要表現在以下幾個方面：
1.資源清查與管理
資源的清查、管理和分析是GIS應用中趨於成熟而重要的領域，包括土地資源、森林資源和礦產資源的清查、管理，土地利用規劃，野生動植物的保護等。資源清查是地理信息系統最基本的職能，這時系統的主要任務是將各種來源的數據匯集在一起，並通過系統的統計和覆蓋分析功能，按多種邊界和屬性條件，提供區域多種條件組合形式的資源統計和資源狀況分析，為資源的合理開發、利用和科學管理提供依據。
以土地利用類型為例，可以輸出不同土地類型的分布和面積，按不同高程帶劃分的土地利用類型、不同坡度區內的土地利用現狀、不同岩性引起的土地利用差異以及不同時期的土地利用變化等，為資源的合理利用、開發和科學管理提供依據。又如中國西南地區國土資源信息系統，設置了三個功能子系統，即資料庫系統、輔助決策系統、圖形系統。資源數據存儲了1500多項300多萬個。該系統提供了一系列資源分析與評價模型、資源預測預報及西南地區資源合理開發配置的資料。可繪制草場資源分布圖、礦產資源分布圖、各地縣產值統計圖、農作物產量統計圖、交通規劃圖、重大項目規劃圖等不同內容的專業圖件。
2.區域與城鎮規劃
城市與區域規劃中要處理許多不同性質和不同特點的問題，它涉及資源、環境、人口、交通、經濟、教育、文化和金融等多個地理變數和大量數據。地理信息系統的資料庫管理有利於將這些數據信息歸並到統一系統中，最後進行城市與區域多目標的開發和規劃，包括城鎮總體規劃、城市建設用地適宜性評價、環境質量評價、道路交通規劃、公共設施配置以及城市環境動態監測等。這些規劃功能的實現，是以地理信息系統的空間搜索方法、多元信息的疊加處理、空間分析方法和網路分析功能等作為保證的。中國大、中型城市很多，根據加快中心城市的規劃建設，加強城市建設決策科學化、現代化的要求，利用地理信息系統作為城市規劃、管理和分析的工具，具有十分重要的意義。
3.環境災害監測
利用GIS方法和多時相遙感數據，可以有效地用於森林火災的預測預報、洪水災情監測和災情損失的估算，為救災搶險和防洪決策提供及時准確的信息，例如據中國大興安嶺地區的研究，通過普查分析森林火災實況，統計分析十幾萬個氣象數據，從中篩選出氣溫、風速、降水、溫度等氣象要素、春秋兩季植被生長情況和積雪覆蓋程度等14個因子，用模糊數學方法建立數學模型，建立微機信息系統的多因子的綜合指標森林火險預報方法，對預報火險等級的准確率可達73%以上。又如黃河三角洲地區防洪減災信息系統，在ARC/INFO地理信息系統軟體支持下，藉助於大比例尺數字高程模型，加上各種專題地圖，如土地利用、水系、居民點、油井、工廠排放工程設施及社會經濟統計信息等，通過各種圖形疊加、操作、分析等功能，可以計算出若干個泄洪區域及其面積，比較不同泄洪區域內的土地利用、房屋、財產損失等，最後得出最佳的泄洪區域，並制定整個泄洪區域內的人員撤退、財產轉移和救災物資供應等的最佳運輸線路。
4.環境保護及管理
GIS技術也是進行環境評價、環境規劃管理的有力工具。其內容包括：環境監測和數據收集，建立基礎資料庫和環境動態資料庫，建立環境污染的有關模型，提供環境管理的統計數據和報表輸出，環境作用分析和環境質量評價，環境信息傳輸和制圖等。
環境管理涉及人類社會活動和經濟活動的一切領域，一個大中型城市每年收集和監測的環境數據可能多達100萬個，對如此大量的數據，應使其有效地為環境管理決策及其他用途服務。一個地方環境管理信息系統的功能有：為環境管理部門提供數據和信息系統存儲方法——基礎資料庫系統；提供環境管理的數據統計、報表和圖形編輯方法；建立環境污染的若干模型，為環境管理決策提供支持；提供環保部門辦公軟體；提供信息傳輸的方法和手段。
例如，上海市環境管理雅息系統具有如下主要特徵：①建立了動態資料庫，可存儲環境監測數據（如包括污染源和環境質量）和其他有關數據（如環境標准、水文、氣象等），對大多數環境管理功能來說，實現了數據共享；②面向環境質量管理，可以對環境質量狀況的統計、評價、預測、規劃以及其他管理提供支持；③為實現面向污染源的污染控制管理提供支持，可以實現排污收費、排污許可證制度的管理；④為便於用戶使用，系統設計一個界面友好的窗口菜單系統，使用方便，可以提供不同形式的輸出，包括屏幕顯示、表格列印、圖形繪制、磁碟輸出等，還預留了遠程通訊介面。
5.宏觀決策
GIS利用有效的資料庫，通過一系列決策模型的構建和比較分析，可為國家或區域的宏觀決策提供科學依據。例如GIS支持下的土地承載力的研究，可以解決土地資源與人口容量的規劃。中國在三峽地區研究中，通過利用地理信息系統和機助制圖的方法等多種功能建立了環境監測系統，為三峽宏觀決策提供了建庫前後環境變化的數量、速度和演變趨勢等可靠依據。又如，通過水土流失監測系統資料庫中的水土流失強度、地質岩性、坡度及其他資源與環境的相關數據進行分析研究，利用圖形疊置等功能和變化的規律模型，可以進行水土流失的預測，為水土保持方案的編制及實施生態環境治理等提供堅實的數據基礎，為宏觀決策提供依據。