地理信息系統是計算機科學、地理學、測量學和地圖學等多門學科的交叉，它是以地理空間數據庫為基礎，采用地理模型分析方法實時提供多種空間的和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。
從表現形式來看，GIS表現為計算機軟硬件系統，其核心是管理、計算、分析地理坐標位置信息及相關位置上屬性信息的數據庫系統。它表達的是空間位置及所有與位置相關的信息，所以，GIS又是地球空間實體的再現和綜合，其信息的基本表達形式是各種二維或三維電子地圖。因此，GIS也可簡單定義為“用於采集、模擬、處理、檢索、分析和表達地理空間數據的計算機信息系統”。
（壹）GIS發展簡史
GIS最早起源於20世紀60年代“要把地圖變成數字形式的地圖，便於計算機處理分析”這樣的目的。1963年，加拿大測量學家R.F.Tomlinson首先提出了GIS這壹術語，並建成世界上第壹個GIS（加拿大地理信息系統，CGIS），用於自然資源的管理和規劃。那時的GIS註重於空間數據的地學處理。
20世紀70年代以後，隨著計算機軟、硬件水平的提高，以及政府部門在自然資源管理、規劃和環境保護等方面對空間信息進行分析、處理的需求，GIS得到了鞏固和發展。
進入20世紀80年代，GIS的應用領域迅速擴大，商業化的軟件開始進入市場，其應用從基礎信息管理與規劃轉向空間決策支持分析，地理信息產業的雛形開始形成。
20世紀90年代以後，伴隨著計算機技術和網絡技術的迅猛發展，GIS的應用也日趨深化和廣泛，在國土資源、農業、氣象、環境、城市規劃等領域成為常備的工作系統。尤其是1998年“數字地球”的概念被提出以後，GIS在全球得到了空前迅速的發展，廣泛應用於各個領域，產生了巨大的經濟和社會效益。
我國GIS的發展自20世紀80年代初開始，以1980年中國科學院遙感應用研究所成立全國第壹個GIS研究室為標誌，經歷了準備(1980～1985年)、發展(1985～1995年)、產業化(1996年以後)3個階段。尤其是近年來，國內出現了不少優秀的GIS軟件。
（二）GIS的最新發展
1.日趨與計算機信息技術融合
近年來隨著計算機軟、硬件技術和通信技術的高速發展，GIS技術也得到了迅速的發展和更廣泛的應用，並日趨與主流IT技術融合，成為信息技術發展的壹個新方向。
GIS發展的動力壹方面來自於日益廣泛的應用領域對GIS不斷提高的要求；另壹方面，計算機科學的飛速發展為GIS提供了先進的工具和手段。許多計算機領域的新技術，如面向對象技術、三維技術、圖像處理和人工智能技術都可以直接應用到GIS中；同時，由於空間技術的迅猛發展，特別是遙感技術的發展，提供了地球空間環境中不同時相的數據，使GIS的作用日漸突出，GIS不斷升級並能提供存儲、處理和分析海量地理數據的環境。
組件式GIS技術的發展使之可以與其他計算機信息系統無縫集成、跨語言使用，並提供了無限擴展的數據可視化表達形式。
2.動態、多源、多維、網絡化
最新GIS技術將逐漸擺脫先前的主要處理靜態的、二維的、數字式的地圖技術的約束，而從傳統的靜態地圖、電子地圖發展到能對空間信息進行可視化和動態分析、動態模擬，支持動態的、可視化的、交互的環境來處理、分析、顯示多維和多源地理空間數據。其中，可視化仿真技術能使人們在三維圖形世界中直接對具有形態的信息進行實時交互操作；虛擬現實技術以三維圖形為主，結合網絡、多媒體、立體視覺、新型傳感技術，能創造壹個讓人身臨其境的虛擬的數字地球或數字城市。
先進的對地觀測技術、互操作技術、海量數據存儲和壓縮技術、網絡技術、分布式技術、面向對象技術、空間數據倉庫、數據挖掘等技術的發展都為GIS的發展和創新創造了新的手段。
（三）第四代GIS技術
隨著計算機硬件性能的提高以及面向對象、網絡和數據挖掘等主流IT技術的發展，在科技部有關部門的倡導下，目前國內學術界又提出了第四代GIS技術的概念。第四代GIS技術將主要有如下特點：
（1）支持“數字地球”或“數字城市”概念的實現，從二維向多維發展，從靜態數據處理向動態數據處理發展，具有時序數據處理能力。
（2）基於網絡的分布式數據管理及計算、WebGIS和B/S體系結構，用戶可以實現遠程空間數據調用、檢索、查詢、分析，具有聯機事務管理（OLTP）和聯機分析（OLAP）管理能力。
（3）面向空間實體及其相互關系的數據組織和融合，具有矢量和遙感影像數據互動等多源數據的裝載與融合能力，可實現多尺度比例尺數據無縫融合與互動。
（4）具有統壹的海量數據存儲、查詢和分析處理能力及基於空間數據的數據挖掘和強大的模型支持能力。
（5）具有與其他計算機信息系統的整體集成能力。例如與MIS、ERP、OA等各種企業信息化系統的無縫集成；微型、嵌入式GIS與各種掌上終端設備集成，如PDA、手機、GPS接收設備等。
（6）具有虛擬現實表達及自適應可視化能力，針對不同的用戶出現不同的用戶界面及地圖和虛擬現實效果。
（四）GIS的應用
人類使用的信息中有80%與地理位置和空間分布有關，所以GIS具有非常廣泛的應用。目前，GIS已經比較成熟地應用於軍事、自然資源管理、土地和城市管理、電力、電信、石油和天然氣、城市規劃、交通運輸、環境監測和保護、110和120快速反應系統等。
今後，GIS的應用將在市場分析、企業客戶關系管理、銀行、保險、人口統計、房地產開發、個人位置服務等領域得到廣泛的應用，這些領域將是GIS產業發展的新的增長點。實際上，GIS的應用將加速度地深入人們的工作和生活的各個方面。GoogleEarth的流行就是GIS技術深入到日常生活每壹個角落的明證。
由於地理信息在人類生活和國民經濟中的重要作用，GIS在未來的幾十年中將保持高速發展的勢頭，成為IT高科技領域的核心技術。
近幾年來，隨著移動通信技術的發展，GIS的應用範圍迅速擴展到人們的日常生活中。集成GIS、GPS、GSM的技術已開始廣泛應用於車輛安全防範系統和調度系統，為人們提供車輛反劫防盜、報警、道路指引、醫療救護以及在此系統平臺基礎上擴展各種電子商務增值服務。
以醫療救護為例，當患者向監控中心請求急救時，監控中心可以從GIS電子地圖上查看到患者的具體位置，並同時搜索最近的急救車輛，讓最近的車輛前去接患者。患者進入救護車後，監控中心可以通過雙向通話功能，指導救護車上的醫生實施救護治療，同時通過GIS的最優路徑功能，給救護車指引道路，使其以最快的速度到達醫院或急救中心。而在救護車行進的過程中，患者的家屬可以通過互聯網立即上網查詢救護車的行進位置及患者的狀態信息。通過GIS，並結合GPS和GSM無線通信及網絡，使患者、家屬、救護車及醫生之間建立了無縫溝通體系，最終使患者能得到快速、及時的治療。
如果在車輛移動目標、家居固定點目標、重點保護單位甚至路燈上都安裝了GPS、GSM或其他無線通信設備，那麽我們在城市生活中，無論是開車、行走或者是在單位、在家裏，都可以通過由GIS、GPS、互聯網以及無線通信技術構成的綜合服務系統獲得急救、報警和各種商務服務，真正使我們處於立體的、全方位的數字化生活中，體驗數字空間高科技價值。
GIS、RS、GPS等構成的空間信息技術將是未來發展最快的、最激動人心的領域之壹，它結合通信及其他IT技術，為人類展現了壹種全新的工作和生活模式（A.R.Mermut,H.Eswaran，2001)。當利用最新的GIS技術把城市、國家乃至整個地球都高度濃縮到計算機屏幕上的時候，人類對自己的命運和未來就有了更充分的把握。
（五）GIS與土地管理
GIS早已不限於地理學研究和應用的領域，目前已與各行各業和我們的日常生活產生了千絲萬縷的聯系，更重要的是它的應用領域還在不斷擴大，甚至可觸及企業信息化的過程中。
GIS應用於土壤科學的研究，它是現實世界的壹個模型和模擬實現。土壤資源信息可以在GIS系統中進行存取、變換和對話式操作，作為土壤資源分類、評價、規劃、管理與利用決策的依據，為土壤資源可持續利用服務。GIS應用於土壤學研究的各個方面，包括：①土壤制圖技術及土壤采樣技術；②土壤侵蝕預測與評價；③土壤資源汙染與防治；④土壤養分流失評價；⑤土壤資源評價和管理；⑥作物生長模擬等。具體如1983年美國土壤保持局開發出農用土地評價和用地估計系統，系統中的農用土地評價包括土壤生產力的分等定級、土壤適宜性評價、土壤生產力潛力評價。1989年美國土壤保持局運用土壤信息系統保護土壤生態環境，控制土壤汙染。1990年土壤侵蝕預測模型在土壤信息系統中已經能夠成功運用，主要采用的分析手段有土壤侵蝕諾漠圖、微機軟件圖、小溪河岸侵蝕諾漠圖。
1.建立為農業生產服務的應用系統
如日本的農耕地土地資源信息系統，它包括了土壤信息系統、作物栽培試驗信息系統、農業氣象信息系統等子系統；保加利亞的計算機農業綜合管理系統從20世紀80年代初開始運行。
進入20世紀90年代，GIS在土壤學研究領域的應用方面繼續拓展，其作用和地位日益受到關註。從1994年開始的第15、16、17屆國際土壤大會上持續討論了土壤信息系統在持續農業和全球變化中的應用、土壤數據庫的結構和聯網等有關問題。同時，在應用上進壹步趨向農業實際生產，直接服務於農場管理和經營，如進行農業技術咨詢、牧場水源選點、作物生產管理、機械化施肥等方面。
中國的土壤工作者於20世紀80年代中期也開始進行土壤數據庫建立、土壤信息系統的研制和應用工作。1986年底，北京大學遙感中心等主持了土壤侵蝕信息系統研究，建立了區域土壤侵蝕信息系統，這是我國較早關於土壤信息系統方面的研究。1989年，南京土壤研究所用兩年時間研究了1∶50萬東北三江平原土壤信息系統土壤圖與數據庫的建立；1990年，又研究了1∶5萬江西紅壤生態站土壤信息系統土壤侵蝕圖；1991年，在“利用信息系統技術編制土壤退化圖”研究中，應用從土壤土地數據庫建立到土壤退化評價方法等壹系列現代信息系統技術，編制出了實驗區的土壤水蝕危害和風蝕評價圖；1992年，又基本完成了海南島土壤和土地利用信息庫及信息系統制圖工作。1991年，中國科學院沈陽應用生態研究所主持了“區域微機土壤信息系統的建立與應用”研究，在吉林省農安縣的試驗結果表明，這是壹個簡單但實用的土壤信息系統。1999年，胡月明等運用基本土壤數據庫建立了紅壤分類和評價的信息系統。
2.預測土壤空間變化及分布
由於GIS技術在土壤制圖中的深入應用，怎樣更準確地由有限的單個點位的土壤原始數據分析土壤屬性的空間分布成為關註的焦點。具體來說，由於土壤數據庫的信息來源於土壤分類、分色制圖及制圖的綜合，產生了土壤空間分異類型的位移，而現代GIS技術又要求大量信息源，因此許多土壤科學家將興趣集中到土壤空間變異性正確表達（即土壤圖在GIS中的正確表達）的研究上。
（1）地形分析。Morre、Bourennane、Gessier和Oden等的研究均表明，某地區土壤屬性與該地區的地形地貌特征和景觀位置有明顯的相關性，也就是與土壤的成土過程密切相關，可用下式表示：
中國耕地質量等級調查與評定（廣東卷）
式中：
Si——土壤屬性如土壤厚度、pH等；
i——由氣候、母質、地貌歷史、植被等因素決定的某地區海拔、坡度、坡形凹凸、水流長度和特定流域面積等原始地形數據可以通過壹定精度的DEM計算出，復合地形數據，可以依經驗判斷或根據描述下墊面的物理發生過程的方程式進行簡化。DEM可以由GIS技術生成，所以GIS的應用和地形分析可以提高土壤屬性空間分布預測的精度。
（2）地質統計學與GIS的結合。GIS在存儲、查詢和顯示地理數據方面發展得相當快，但在提供空間分析模塊方面則發展得較慢。由於缺少通用的空間分析模塊，使得GIS在解決某些空間問題中的應用受到很大的限制。
地質統計學是由南非礦山地質工程師D.G.Krige於1951年提出的，因此這壹理論也以“克裏格法”（Kriging）來命名，並由法國地質學家Dr.Matheron於1962年完善並創立。該學科在礦產儲量研究方面起到了巨大作用。這是壹種求最優、線形、無偏內插估計量值的方法（BLUE），在充分考慮信息樣品的形狀、大小及其與待估塊段相互間的空間分布位置等幾何特征以及品位的空間結構以後，利用變異函數（Varigram）為工具，對每壹樣品值分別賦予壹定的權系數，加權平均來估計塊段品位。
國內外土壤科學家已廣泛地應用克裏格法來預測非采樣點的土壤屬性，常用的方法有普通克裏格法（OK）、泛克裏格法（UK）、指示克裏格法（IK）、協同克裏格法（CK）、回歸克裏格法（RK）、點克裏格法（PK）、塊克裏格法（BK）等。他們的研究還表明，在應用克裏格法建立模型的時候，綜合應用土壤和土地信息，如土壤分類、參比地區土壤屬性、坡度、高程等，可以大大提高克裏格法的插值精度，還可以降低由於測定大量樣品而需要的成本，也可以減少由於樣品點太少而帶來的誤差。我國從20世紀80年代開始利用克裏格法研究土壤參數的空間變異性，2000年以後在這方面的報道已經越來越多。
近幾年來，壹些學者開始研究地質統計學和GIS之間的相互關系，並在GIS軟件中提供壹些空間分析功能。例如，美國聖巴巴拉NCGIA的SAN模型提供了在ArcGIS軟件中計算和顯示空間自相關和其他空間量的功能，二者的相互結合壹方面可以大大加強GIS的分析功能，使大量數據所隱含的空間信息得以表達，發揮更大的作用；另壹方面，也可以增強空間分析的能力。考慮到空間分析技術目前的發展十分迅速，新理論不斷出現，空間分析模塊已經成為GIS中的必選模塊。