1 地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

1、l只有將所有的地球科學(xué)提供的信息 結(jié)合我們才可以寄希望于確定的(真 理)。 摘自韋格納1929年版大陸飄移學(xué)說序言 目錄目錄 l地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 l地球信息機理 l地球信息圖譜理論 l數(shù)字地球 l數(shù)字海底 l地球信息管理 l地球信息可視化 l地球信息分析與挖掘 l地球信息應(yīng)用模型 第一章第一章 地球信息科學(xué)的產(chǎn)地球信息科學(xué)的產(chǎn) 生與發(fā)展生與發(fā)展 張曉東 2005.8 地球信息科學(xué)的定義地球信息科學(xué)的定義 l地球信息科學(xué)的研究對象是地球，是地球上的智慧圈（人類 圈）或稱信息圈。 l地球信息科學(xué)是一個以人口、資源、環(huán)境為服務(wù)對象的科學(xué)。 其任務(wù)是以信息流調(diào)控人流-物流和能量流的人地關(guān)系。

2、l地球信息科學(xué)是以服務(wù)和平與發(fā)展為目標(biāo)?！皵?shù)字地球”戰(zhàn) 略是一把雙刃劍。 地球信息科學(xué)的科學(xué)體系地球信息科學(xué)的科學(xué)體系 1 地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 l1.1 地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ) l1.2 地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程 l1.3 地球信息科學(xué)的學(xué)科特點和研究內(nèi)容 11 地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ) l1.1.1 學(xué)科基礎(chǔ) l1.1.2 技術(shù)基礎(chǔ) l1.1.3 社會需求 1.1.1 學(xué)科基礎(chǔ)學(xué)科基礎(chǔ) l地球信息科學(xué)是地球科學(xué)的一個分支學(xué)科，脫胎于地 圖學(xué)，形成于眾多學(xué)科的交叉邊緣領(lǐng)域，地圖學(xué)、地 球科學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)等對地球信息科學(xué)的形 成和發(fā)展

3、貢獻(xiàn)很大。 地圖學(xué)地圖學(xué) l地圖是地球科學(xué)的第二語言，它具有公式化、抽象化、符 號化等基本性質(zhì)和形象直觀性、地理方位性、幾何精確性 等基本特點以及信息傳輸、信息載負(fù)、地圖模擬和地圖認(rèn) 知等基本功能，這些特點與地球信息科學(xué)的主要技術(shù) 地理信息系統(tǒng)中的部分特點和功能相一致。 l地圖學(xué)的發(fā)展：目前，地圖學(xué)實現(xiàn)了地圖測繪和地圖編制 由傳統(tǒng)手工方式向全數(shù)字化計算機制圖與自動制版一體化 的變革，地圖信息獲取技術(shù)逐漸由大地測量走向自動遙感 技術(shù)體系，地球信息處理逐漸由圖形顯示向信息儲存、分 析、模擬、預(yù)測和共享等方向擴展，并出現(xiàn)數(shù)字地圖，電 子地圖等新的形式，一批地圖進(jìn)入Internet，開始全球共 享。

4、l中國電子地圖：圖形天下 地球科學(xué)地球科學(xué) l地球科學(xué)是研究地球系統(tǒng)的科學(xué)，地球信息科學(xué)和地球科學(xué)研 究對象同構(gòu)。地球科學(xué)已經(jīng)形成的思維模式和研究范式可以為 地球信息科學(xué)所用。 l地球信息科學(xué)主要研究地球系統(tǒng)中的空間信息結(jié)構(gòu)和信息流， 任何信息結(jié)構(gòu)和流動的理論和研究方法都是地球信息科學(xué)的重 要組成部分。 l近幾十年來，在全球性環(huán)境問題和資源問題的驅(qū)使下，關(guān)于全 球變化和可持續(xù)發(fā)展的研究取得了長足的進(jìn)步，地球科學(xué)的發(fā) 展出現(xiàn)了集成化的趨勢，學(xué)科的集成建立了地球各圈層之間的 聯(lián)系，使地球科學(xué)的綜合性和復(fù)雜性更加突出，推動了數(shù)據(jù)的 集成、知識的集成、方法和技術(shù)的集成，為地球信息科學(xué)的產(chǎn) 生和發(fā)展奠定

5、了堅實的基礎(chǔ)。 系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)科學(xué) l系統(tǒng)思想和系統(tǒng)方法的應(yīng)用使地球科學(xué)的思維模式和 研究范式發(fā)生了明顯的變化，并通過不斷完善而形成 現(xiàn)代地球科學(xué)思維模式和研究范式 l由于系統(tǒng)科學(xué)的影響，許多地球分支學(xué)科都把研究對 象看作一個系統(tǒng)。例如生態(tài)系統(tǒng)。 l地球系統(tǒng)科學(xué)用系統(tǒng)科學(xué)的觀點和方法探討地球系統(tǒng) 中各層次子系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系及各種過程之間的耦 合，擴展了地球信息科學(xué)的研究范疇，加快了地球信 息研究的發(fā)展步伐。 l系統(tǒng)工程為地球信息工程的設(shè)計和建設(shè)提供了最優(yōu)化 的運作程序和實施方案。 地球科學(xué)地球科學(xué)+系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)=地球系統(tǒng)科學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué) 信息科學(xué)信息科學(xué) l信息科學(xué)主要研究信息的采集、表示

6、、傳遞、 再生、調(diào)節(jié)、組織、認(rèn)識等內(nèi)容。 l地球信息科學(xué)是信息科學(xué)的一個分支，主要研 究地球空間信息。 信息的定義信息的定義 l信息是用以消除不確定的東西。 香農(nóng)（Shannan）信息論的創(chuàng)始人1948 年 信息的三個屬性信息的三個屬性 l信息是認(rèn)識主體所感受的或所表達(dá)的事物存在和運 動變化狀態(tài)的一種基本形式。 l信息不能以游離形式存在，它的存儲和傳遞必須以 物質(zhì)為載體。 l信息可以被復(fù)制，不遵循守恒定律。 信息的分類信息的分類 l語法信息 信息如何表達(dá) l語義信息 信息的實際含義 l語用信息 信息的效用和價值 例： 語法信息：請給我一杯水好嗎？ 語義信息：他渴了，想要一杯水。 語用信息：如果

7、根本沒有水，這條信息無任何價值；該條信息時 效性不超過10分鐘。 信息的傳遞信息的傳遞 影響信息傳遞的因素 l信源與信宿必須具有共同的語言基礎(chǔ) l信宿的個體差異 1.信道噪聲 信息論的主要研究內(nèi)容信息論的主要研究內(nèi)容 l通信系統(tǒng)的統(tǒng)計理論研究 信息的度量、信息傳輸?shù)乃俾?、信道傳輸能?l信息統(tǒng)計特征研究 文字、語音、圖片等的統(tǒng)計特征 l信息接受器官的研究 人的視覺和聽覺等感官、大腦的感受和記憶 l編碼理論和技術(shù) 編碼的原則：有效、快速、抗干擾、安全 l提高信息傳輸速率的研究 l抗干擾 l噪聲與信號 11 地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ) l1.1.1 學(xué)科基礎(chǔ) l1.1.2 技術(shù)基

8、礎(chǔ) l1.1.3 社會需求 1.1.2 技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ) l地球信息科學(xué)是一個技術(shù)驅(qū)動型學(xué)科，現(xiàn)代空間技術(shù)、 通信技術(shù)、計算機技術(shù)、地球科學(xué)技術(shù)等對他的產(chǎn)生 和發(fā)展都有明顯的推動作用。 l其中：遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、信息傳 輸、系統(tǒng)集成、空間分析和模擬技術(shù)具有最直接的支 持作用。 遙感遙感RS l遙感 remote sensing 遙遠(yuǎn)的感知 l遙感是指遠(yuǎn)離目標(biāo)、不與目標(biāo)直接接觸的情況下，利用 目標(biāo)的電磁波信息識別、量測和分析目標(biāo)性質(zhì)的技術(shù)。 l遙感技術(shù)通過觀測電磁波，從而判讀和分析地表的目 標(biāo)以及現(xiàn)象，其中利用了地物的電磁波特性。 l太陽是一個重要的電磁波源，太陽光的47%在地表

9、被吸 收掉，18%被云層吸收掉，剩余的35%被反射回太空。 遙感技術(shù)的特點遙感技術(shù)的特點 廣、快、精、深 l廣 視閾遼闊，便于宏觀分析。 l快 瞬時成像，及時傳輸，快速處理 l精 遙感影像逼真，信息豐富，能進(jìn)行定性、定量分 析，以及制作專題地圖。 l深 電磁波有一定的穿透性 幾種常用的遙感衛(wèi)星及其遙感器參數(shù)幾種常用的遙感衛(wèi)星及其遙感器參數(shù) 主要的陸地衛(wèi)星包括主要的陸地衛(wèi)星包括 l美國的陸地衛(wèi)星系列（Landsat） l法國的SPOT衛(wèi)星 l中國的資源一號衛(wèi)星 l其他陸地衛(wèi)星 Landsat系列衛(wèi)星 l 1972年7月23日美國發(fā)射第一顆地球資源衛(wèi)星ERTS-1； l 1975年發(fā)射ERTS-2

10、，改名Landsat-2； l 1978年發(fā)射Landsat-3； l 1982年在Landsat1-3的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計并發(fā)射Landsat-4； l 1984年發(fā)射Landsat-5； l 1993年發(fā)射Landsat-6衛(wèi)星，上天后由于故障隕落； l 1999年發(fā)射Landsat-7。 Landsat系列衛(wèi)星的運行特點是近圓形、近極地、與太陽同步、 可重復(fù)軌道等。目前，只有Landsat-5和Landsat-7仍在運轉(zhuǎn)工 作。 SPOT系列衛(wèi)星 由瑞典、比利時等國參加，由法國國家空間研究中心設(shè)計制造。 l1986年發(fā)射第一顆SPOT-1； l1989年發(fā)射SPOT-2； l1993年發(fā)射S

11、POT-3； l1996年發(fā)射SPOT-4； SPOT系列衛(wèi)星的軌道是太陽同步圓形近極地軌道， 軌道高度832km、運行周期101.4min、軌道傾角98.7、 重復(fù)周期26天(369圈)。 我國第一顆地球資源遙感衛(wèi)星我國第一顆地球資源遙感衛(wèi)星 l1999年10月14日，我國第一顆地球資源遙感衛(wèi)星 資源一號衛(wèi)星（又稱中巴地球資源衛(wèi)星， China- Brazil Earth Resource Satellite，CBERS ）在太原衛(wèi) 星發(fā)射中心成功發(fā)射。 l資源一號衛(wèi)星的軌道是太陽同步極地軌道，高度 778km，傾角98.5；運行周期100.26min；重復(fù)時間 26天（373圈）。所攜帶的

12、傳感器最高空間分辨率是 19.5m。 海洋衛(wèi)星 l主要用于觀察海況，研究海面形態(tài)、海面溫度、風(fēng)場、海冰、 大氣含水量等。1978年6月26日美國發(fā)射了世界上第一顆海洋 衛(wèi)星Seasat 1。雖然這顆衛(wèi)星因為電源故障只工作了105天， 但卻開創(chuàng)了海洋遙感和微波遙感的新階段。 l由于海洋具有面積大、反射強、海水透明差異明顯、海面特殊 等特點，使得海洋遙感需要高空和空間平臺、以微波為主，同 時結(jié)合激光、聲波等。主要的海洋衛(wèi)星包括： l 美國的Seasat 1、 “雨云”7號（Nimbus-7） l 日本的海洋觀測衛(wèi)星MOS1 l 歐洲空間局的ERS系列 l 加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星RADARSAT 全球氣象

13、衛(wèi)星主要有全球氣象衛(wèi)星主要有 l 靜止衛(wèi)星：日本（GMS）、美國（SMS/GOES）、歐洲空 間局（Meteosat）、俄羅斯（COMS）、中國（風(fēng)云1號， 1988、1990年） l 極地衛(wèi)星：美國（NOAA系列）、俄羅斯（Meteop系列）、 中國（風(fēng)云2號，1997年） 遙感的作用遙感的作用 l遙感技術(shù)強大的信息獲取和處理能力為地球科學(xué)的發(fā)展 和人類社會的進(jìn)步提供了大量的信息，它使人類有可能 將地球大氣圈、水圈、生物圈及巖石圈作為一個完整的、 開放的、非線性的系統(tǒng)，以系統(tǒng)科學(xué)和信息科學(xué)的思想 和理論為指導(dǎo)，以現(xiàn)代科學(xué)方法和高新技術(shù)為手段，全 面地、綜合地、系統(tǒng)地研究地球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動力機

14、制， 分析地球系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流和信息流，探討各個物 質(zhì)圈層之間的相互作用、各種過程之間的耦合關(guān)系以及 各種信息的形成和轉(zhuǎn)換機制，這些都是地球科學(xué)和地球 信息科學(xué)研究的內(nèi)容。 IKONOS衛(wèi)星衛(wèi)星 世界上第一顆用于圖像拍攝的商業(yè)衛(wèi)星世界上第一顆用于圖像拍攝的商業(yè)衛(wèi)星 IKONOS衛(wèi)星衛(wèi)星 戰(zhàn)火下的巴格達(dá)戰(zhàn)火下的巴格達(dá)2003 年年4月月 1 日拍攝。日拍攝。 從圖像里可以看到，底格里斯河經(jīng)過城市的中心，在美英聯(lián)軍從圖像里可以看到，底格里斯河經(jīng)過城市的中心，在美英聯(lián)軍 炸彈攻擊和來自伊拉克人燃燒油渠抵御造成的火災(zāi)損害。炸彈攻擊和來自伊拉克人燃燒油渠抵御造成的火災(zāi)損害。 2003年加州森林火災(zāi)年

15、加州森林火災(zāi) l攝于2003 年10月 28 日，圖像中呈現(xiàn) 的是 2003年加州發(fā)生野火危及加州的 旅游渡假勝地矛頭湖的情況。因為衛(wèi) 星錯誤的使用近紅外線的輕光譜，所 有圖片中呈現(xiàn)紅色區(qū)域?qū)嶋H上綠色的 植物。 已經(jīng)被野火燃燒的圖像表演植 物的被區(qū)域變黑的。在洛杉磯和圣地 牙哥附近的火災(zāi)發(fā)生后，加州林業(yè)和 火災(zāi)保護(hù)部門 (CDF)為了取得火災(zāi)的 最詳細(xì)信息， IKONOS衛(wèi)星被指令到 該地區(qū)上空拍攝了一系列圖片。衛(wèi)星 到達(dá)該區(qū)域后幾乎即時傳送了這些圖 像，作為該地區(qū)火災(zāi)指揮調(diào)度發(fā)揮了 重要作用。這些圖片還可以用來估定 而且測量損害植樹和其他的類型土地 掩護(hù)、火災(zāi)模型、災(zāi)禍準(zhǔn)備、保險和 危險管理

16、。從而使災(zāi)害控制達(dá)到新的 水平。 火山的威力火山的威力 l 攝于2003 年9月13日，該地區(qū)地 名為Mount St. Helens，是在位于 美國華盛頓西南部面積達(dá)110,000 英畝國家火山紀(jì)念公園。1980 年5 月18日，該火山由一次達(dá)5.1級的 地震影響，引起了爆發(fā)。巨大的巖 漿流形成高達(dá)400.5米從2950米的 火山口噴瀉而下，在15分鐘內(nèi)，噴 入大氣內(nèi)大約火山煙塵達(dá)24,000公 米，火山灰多達(dá)1,000 噸，在九小 時的爆發(fā)期間，被記錄歷史的山崩 使大量石塊，碎片埋葬了山的北面 平均深度達(dá)到45.7米湖泊，并造成 Toutle河的北面巨大倒塌?；鹕絿?發(fā)的巨大破壞力盡顯！這

17、自然的威 力附近的森林毀滅形成了近596平 方公里的火山，如今，這個地方形 成了像月亮一樣的風(fēng)景。植被從此 災(zāi)禍后逐漸恢復(fù)。此圖像可能用來 研究火山后對生態(tài)環(huán)境的影響和和 監(jiān)視植物生長情況。 Fritzler 谷物迷宮谷物迷宮科羅拉多州科羅拉多州 迷宮的畫面是根據(jù)迷宮的畫面是根據(jù)“二戰(zhàn)二戰(zhàn)”期間最著期間最著 名的戰(zhàn)爭攝影作品名的戰(zhàn)爭攝影作品美國海軍在美國海軍在Iwo Jima戰(zhàn)役中升起美國國旗的照戰(zhàn)役中升起美國國旗的照 片設(shè)計而成的。片設(shè)計而成的。 手掌島手掌島迪拜迪拜阿聯(lián)酋阿聯(lián)酋 這個人造島嶼瀕臨波斯灣的迪拜海岸，由這個人造島嶼瀕臨波斯灣的迪拜海岸，由8000萬立方米的泥土建成，萬立方米的泥

18、土建成， 而那些泥土是從附近的海峽到酋長國的而那些泥土是從附近的海峽到酋長國的Jebel Ali港范圍內(nèi)挖出的。港范圍內(nèi)挖出的。 Enoki隧道隧道niigata日本日本 這是一次山崩前后的兩張圖片。這是一次山崩前后的兩張圖片。 這一天，剛好是一系列強烈地震襲擊日本北部，距離東京以北這一天，剛好是一系列強烈地震襲擊日本北部，距離東京以北 約約250公里的公里的Niigata的蒞日。圖像展示了的蒞日。圖像展示了Enoki隧道旁的一次隧道旁的一次 山崩，伴隨著泥土，沙石和樹木，涌蓋了整條河道。山崩，伴隨著泥土，沙石和樹木，涌蓋了整條河道。 曲頸狀國家公園曲頸狀國家公園猶他州猶他州美國美國 這是原始

19、的曲頸狀國家公園的特寫，該公園那這是原始的曲頸狀國家公園的特寫，該公園那1000英尺深的裂英尺深的裂 痕是由堆積于痕是由堆積于San Juan河的淤泥在硬巖石上河的淤泥在硬巖石上“雕刻雕刻”而成。而成。 三峽大壩 青島市青島市 長江口長江口 黃河三角洲黃河三角洲 天安門天安門 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GPS l全球定位系統(tǒng)(GPS, Global Positioning System)是利用人造地 球衛(wèi)星進(jìn)行點位測量導(dǎo)航技術(shù)的一種，其全稱是導(dǎo)航衛(wèi)星測時 和測距/全球定位系統(tǒng)（ Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Position Sy

20、stem ）。它是由美國軍方組織研 制建立，從1973年開始實施，到1994年完成，可實現(xiàn)地球上任 何地方，任何時刻的自動定位。 l其它的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)有俄羅斯的GLONASS。 l全球定位系統(tǒng)是一套用來確定地球空間位置的空間技術(shù)體系， 主要包括地面控制部分（主控站、地面天線、監(jiān)測站和通訊輔 助系統(tǒng)）、空間衛(wèi)星部分（分布在6個軌道平面上的24顆衛(wèi)星） 和用戶裝置部分（GPS接收機）。 l可以實現(xiàn)全天候和全球性的高精度無線電導(dǎo)航、定位和定時。 GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) GPS 提供兩中級別的服務(wù) l標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)：(Standard Positioning Service -SPS)用于普

21、通 的公共用戶。 l編碼精確定位服務(wù)：(Precise Positioning Service -PPS)主要 傾向與美國國防部的用戶。 l SPS 信號的精度被有意識的降低級別用于保護(hù)美國國家安全利 益，這種處理就稱為選擇性服務(wù)政策( Selective Availability - SA), 即SA政策，主要用于限制系統(tǒng)的最大能力。 SPS 的精度 指標(biāo)羅列如下（包含了 SA 的影響） SPS 提供的精度范圍： (用于地理形狀的精讀定位，地球地理坐標(biāo)測量)： 100 米(2 drms) 水平精度 156 米 (2 Sigma) 垂直精度 300 米(99.99% prob.) 水平 340

22、 納秒時間(95% prob.)。 l到2000年5月1日午夜，選擇SA已經(jīng)設(shè)置為0,取消了SA政策。 GPS誤差和糾正誤差和糾正 l雖然測距誤差和人為誤差給GPS的民用帶來了很大的障礙， 但是可以通過差分技術(shù)差分技術(shù)來糾正。差分技術(shù)的原理就是通過2 臺或多臺GPS接收機，在一個或多個已知位置安置一臺或多 臺GPS接收機作為基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號，其他一臺GPS接收 機作為未知位置的定位設(shè)備，通過它們的同步觀測值之差便 可以消除常數(shù)的系統(tǒng)誤差。這種定位方式稱為相對相對GPS定位定位。 l 靜態(tài)差分：利用基準(zhǔn)站和定位設(shè)備之間的同步觀測值進(jìn)行誤 差消除的過程是在測量后進(jìn)行的。 l 動態(tài)差分：誤差

23、消除的過程是利用通信設(shè)備在測量的同時進(jìn) 行的。 GPS在地球科學(xué)中的應(yīng)用在地球科學(xué)中的應(yīng)用 l主要用于大氣物理觀測、地球物理和資源勘探、工程 測量、地殼變形和運動監(jiān)測、市政規(guī)劃控制、水文地 質(zhì)測量以及海平面升降檢測等地球系統(tǒng)觀測領(lǐng)域等。 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)GIS l地理信息系統(tǒng)是一種決策支持系統(tǒng)，它具有信息系統(tǒng)的各種特 點。地理信息系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的主要區(qū)別在于其存儲和處 理的信息是經(jīng)過地理編碼的，地理位置及與該位置有關(guān)的地物 屬性信息成為信息檢索的重要部分。 l目前，地理信息系統(tǒng)研究已經(jīng)形成了由理論、技術(shù)、工程和應(yīng) 用四個層次的研究體系，他遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地理信息系統(tǒng)所能涵蓋 的研究領(lǐng)域，

24、因此又被稱為地理信息科學(xué)，形成了地球信息科 學(xué)的核心研究領(lǐng)域。 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)GIS 計算機 空間分析 地 圖 可 視 化 數(shù)據(jù)庫 應(yīng)用系統(tǒng) 地理信息系統(tǒng)的組成 信息傳輸技術(shù)信息傳輸技術(shù) l信息傳輸網(wǎng)絡(luò)通過地球空間信息傳播和互操作技術(shù)， 打破了單個地理信息系統(tǒng)的封閉運作模式，推動了開 放地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的形成和發(fā)展， 促進(jìn)了地球空間信息和信息技術(shù)共享，加快了地球信 息科學(xué)的形成和發(fā)展步伐。 l信息圈的規(guī)劃和設(shè)計以及信息圈中的信息流也為地球 信息科學(xué)的工程領(lǐng)域增加了新的研究內(nèi)容。 lInternet 模擬技術(shù)模擬技術(shù) l模型技術(shù) l地球系統(tǒng)中的信息流、物質(zhì)流和能量流相互聯(lián)

25、系，地 球系統(tǒng)和能量的模擬技術(shù)及模型是地球信息研究的基 礎(chǔ)。 l地理學(xué)的空間研究范式和分析技術(shù)以及地圖學(xué)的空間 符號模擬技術(shù)為地理信息系統(tǒng)的設(shè)計和建立提供了基 本的思路和框架。 l大量的地學(xué)應(yīng)用模型是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)的重要組成 部分。 11 地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ) l1.1.1 學(xué)科基礎(chǔ) l1.1.2 技術(shù)基礎(chǔ) l1.1.3 社會需求 1.1.3 社會需求社會需求 l人類的信息中有80%與地理位置和空間分布有關(guān)，這 種地球空間信息數(shù)量龐大，類型繁多，在人類生產(chǎn)和 生活中有十分廣泛的應(yīng)用，人們不僅需要對他們進(jìn)行 準(zhǔn)確地表示、精心的儲存、有序的管理、通暢的傳輸， 而且還需要篩

26、選、分類和轉(zhuǎn)換，使之更有利于人類應(yīng) 用。地球信息科學(xué)正是在這種召喚下形成的。 地球科學(xué)學(xué)科發(fā)展的需要地球科學(xué)學(xué)科發(fā)展的需要 l全球性的研究對象需要全球性的實時觀測系統(tǒng) l問題的綜合性要求對地球各圈層種不同時空尺度的結(jié)構(gòu)和過程進(jìn)行系統(tǒng) 觀測 l信息的積累需要根據(jù)地球系統(tǒng)中的信息結(jié)構(gòu)和信息流構(gòu)建適合于研究的 地球信息系統(tǒng) l觀測與研究的分離要求信息傳輸技術(shù)對信息共享給予支持。 l數(shù)據(jù)分析和解釋一方面需要根據(jù)研究目的，對不同來源、不同類型以及 不同分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、分類、處理，另一方面還需要地理信息系 統(tǒng)中的空間分析系統(tǒng)和專業(yè)應(yīng)用模型為之提供相應(yīng)的專業(yè)理論知識和技 術(shù)。 l現(xiàn)代地球科學(xué)的研究對象

27、往往是非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，模型的建立和方程 的求解是非常困難的，其中絕大多數(shù)模型必須在地理信息系統(tǒng)技術(shù)的支 持下建立，而且許多方程式非線性的，需要在地理信息系統(tǒng)的支持下采 用數(shù)值計算的方法進(jìn)行研究。 l結(jié)果的驗證和預(yù)報一方面需要大量的觀測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比分析，另一 方面還需要進(jìn)行大量的計算。 全球變化和可持續(xù)發(fā)展全球變化和可持續(xù)發(fā)展 l全球變化和可持續(xù)發(fā)展的研究推動了地球科學(xué)的集成 和融合，形成了地球系統(tǒng)科學(xué)。 l它既強調(diào)對于不同時空尺度下的固體地球系統(tǒng)、流體 地球系統(tǒng)和生物地球系統(tǒng)過程以及這些系統(tǒng)之間相互 作用機制的理解和模擬，以揭示全球變化規(guī)律。 l又強調(diào)對于包括人類在內(nèi)的由巖石圈、土壤圈、

28、水圈、 大氣圈和生物圈等各相態(tài)物質(zhì)相互作用組成的地球表 面系統(tǒng)的區(qū)域系統(tǒng)的研究，以揭示人類活動與資源、 環(huán)境相互作用的關(guān)系。 地球信息科學(xué)的發(fā)展需要地球信息科學(xué)的發(fā)展需要 l認(rèn)識地球系統(tǒng)和全球變化戰(zhàn)略的重要組成部分是要在 最廣泛的意義上致力于數(shù)據(jù)和信息的管理，發(fā)展地理 信息系統(tǒng)是其中心問題。 NASA報告 1 地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 l1.1 地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ) l1.2 地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程 l1.3 地球信息科學(xué)的學(xué)科特點和研究內(nèi)容 12 地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程 l1.2.1 萌芽階段 手工制圖-計算機輔助制圖 l1.

29、2.2 形成階段 從技術(shù)領(lǐng)域走向科學(xué)體系 l1.2.3 發(fā)展階段 從地理信息系統(tǒng)到地球信息科學(xué) 1.2.1 萌芽階段萌芽階段 手工制圖手工制圖-計算機輔助制圖計算機輔助制圖 l在該階段基本上是處于一個技術(shù)領(lǐng)域，理論和工程層面的研究 非常薄弱，其中地理信息系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫和機助制圖系統(tǒng)組 成。 l地理信息系統(tǒng)的功能主要是計算機輔助制圖，地學(xué)分析功能極 為簡單。 l地理信息系統(tǒng)處于獨立開發(fā)狀態(tài)，各個系統(tǒng)之間基本無任何聯(lián) 系，細(xì)細(xì)和系統(tǒng)的共享性極差。 l研究重點在空間信息數(shù)字化技術(shù)和制圖自動化技術(shù)。 12 地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程 l1.2.1 萌芽階段 手工制圖-計

30、算機輔助制圖 l1.2.2 形成階段 從技術(shù)領(lǐng)域走向科學(xué)體系 l1.2.3 發(fā)展階段 從地理信息系統(tǒng)到地球信息科學(xué) 1.2.2 形成階段形成階段 從技術(shù)領(lǐng)域走向科學(xué)從技術(shù)領(lǐng)域走向科學(xué) 體系體系 l有關(guān)地球信息結(jié)構(gòu)和信息流的理論問題不斷涌現(xiàn)，出 現(xiàn)了理論化的發(fā)展趨勢。 l新的信息獲取技術(shù)、信息集成技術(shù)以及地理信息集成 技術(shù)發(fā)展快速。 l出現(xiàn)了智能決策支持系統(tǒng)。 l地球信息技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)了工程化、社會化的趨勢。 （數(shù)字交通、數(shù)字校園等） 12 地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程 l1.2.1 萌芽階段 手工制圖-計算機輔助制圖 l1.2.2 形成階段 從技術(shù)領(lǐng)域走向科學(xué)體系

31、l1.2.3 發(fā)展階段 從地理信息系統(tǒng)到地球信息科學(xué) 1.2.3 發(fā)展階段發(fā)展階段 從地理信息系統(tǒng)到地從地理信息系統(tǒng)到地 球信息科學(xué)球信息科學(xué) l由于地球科學(xué)的融合和交叉以及地球系統(tǒng)科學(xué)的迅速 發(fā)展，地球信息科學(xué)開始形成。 l理論研究方面正在形成新的獨立學(xué)科。 l地球信息工程得到了快速發(fā)展。（數(shù)字地球、大型數(shù) 據(jù)平臺） l集成化和智能化的程度發(fā)生了明顯的變化。 地球信息科學(xué)發(fā)展方向地球信息科學(xué)發(fā)展方向 研究范疇研究范疇 l孤立-系統(tǒng)-網(wǎng)絡(luò) l傳統(tǒng)分析方法往往是對被研究的地質(zhì)體或地質(zhì)事件進(jìn)行靜態(tài)的、 孤立的研究，因而得出的結(jié)論只能是限制在一定的條件下才能成 立。 l80年代以來，系統(tǒng)分析法被廣泛

32、應(yīng)用，將被研究的地質(zhì)體或地質(zhì) 事件與其影響因素看作一個整體，一個系統(tǒng)，從系統(tǒng)整體出發(fā)研 究系統(tǒng)內(nèi)部各個組成部分之間的有機聯(lián)系，因而這是一種動態(tài)的、 綜合的研究方法，例如灰色系統(tǒng)理論、地球系統(tǒng)科學(xué)體系與人地 系統(tǒng)動力學(xué)等。 l現(xiàn)在看來，這種方法所研究的系統(tǒng)是一個有界的、相對封閉的體 系，忽略了系統(tǒng)內(nèi)、外的信息交換。受因特網(wǎng)啟發(fā)，未來的地學(xué) 信息研究，將會由系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，在動態(tài)的、相互聯(lián)系的、開 放的層面上開展對地學(xué)問題的深人研究。 基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)理論 l描述性-線性-非線性-復(fù)雜性 l傳統(tǒng)的地質(zhì)工作方法主要是對野外觀察、描述的地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行定 性的分析與歸納。在隨機干擾比較強的情況下，用這種方法很

33、難 揭示出蘊藏在地學(xué)信息中的規(guī)律性。 l后來人們借助于數(shù)學(xué)工具，在一系列假設(shè)前提下，將復(fù)雜的地學(xué) 問題進(jìn)行簡化處理，如線性回歸分析、線性判別分析等，取得了 很有價值的量化分析結(jié)果。 l非線性科學(xué)的興起，為地學(xué)信息科技的發(fā)展注入了新的話力，給 地學(xué)家解決用線性數(shù)學(xué)模型無法解決的地學(xué)過程中廣泛存在的非 線性動力學(xué)機制問題提供了強大的武器，在地學(xué)中逐漸形成非線 性研究分支方向和分支學(xué)科。 l系統(tǒng)論的觀點和方法。 發(fā)展方向發(fā)展方向 l概念化-數(shù)字化-智能化-網(wǎng)絡(luò)化 l過去的地質(zhì)工作通過定性分析取得概念化的成果。 l早期的數(shù)學(xué)地質(zhì)研究根據(jù)地質(zhì)概念模型構(gòu)成所研究地質(zhì)對象的數(shù) 學(xué)模型，編制計算機程序，結(jié)合所

34、研究地質(zhì)對象的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行 計算，對計算結(jié)果進(jìn)行地質(zhì)解釋和應(yīng)用。 l隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展及計算機的廣泛普及，計算機已不再 僅僅是一種計算工具，而是被作為高級“參謀”或“助手”，代 替或協(xié)助地學(xué)家解決一些憑個人的經(jīng)驗、理解和記憶所不能完全 勝任的工作，或完成一些高技巧的煩瑣的手工勞動，如地學(xué)數(shù)據(jù) 管理系統(tǒng)、地質(zhì)專家系統(tǒng)、計算機地質(zhì)圖形學(xué)、資源與環(huán)境實時 監(jiān)測和評價預(yù)測系統(tǒng)等等。 l當(dāng)前，世界已經(jīng)進(jìn)入了計算機網(wǎng)絡(luò)時代，開通了信息高速公路， 為地學(xué)工作者提供了巨量的地學(xué)信息；建立基于因特網(wǎng)的“數(shù)字 地球”，用數(shù)字化手段統(tǒng)一地處理地球問題，最大限度地利用和 共享信息資源，已經(jīng)成為世界一些國家的戰(zhàn)略

35、目標(biāo)。 1 地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展地球信息科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展 l1.1 地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ) l1.2 地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程 l1.3 地球信息科學(xué)的學(xué)科特點和研究內(nèi)容 1.3 地球信息科學(xué)的學(xué)科特點和研究內(nèi)容地球信息科學(xué)的學(xué)科特點和研究內(nèi)容 l1.3.1 地球信息科學(xué)的基本概念 l1.3.2 地球信息科學(xué)的學(xué)科特點 l1.3.3 地球信息科學(xué)的研究對象 l1.3.4 地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域 1.3.1 地球信息科學(xué)的基本概念地球信息科學(xué)的基本概念 l地理信息科學(xué) Geographic Information Science lGeomatics l地球信息機理Geo-in

36、formatics l地球信息科學(xué)Geo-Information Science 地理地理信息科學(xué)信息科學(xué) Geographic Information Science lGoodchild于1992年提出地理信息科學(xué)（Geographic Information Science） l地理信息科學(xué)是研究地理信息中的信息流的科學(xué)，主 要研究在對地理信息進(jìn)行處理、存儲、提取以及管理 和分析過程中所提出的一系列基本問題，如數(shù)據(jù)的獲 取和集成、分布式計算、地理信息的認(rèn)知和表達(dá)、空 間分析、地理信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。 Geomatics lGeomatics最早在60年代末期出現(xiàn)在法國，含義為地球信息技術(shù)

37、。 l定義一： Geomatics為利用各種手段，通過一切途徑來獲取和管理有 關(guān)空間信息的空間數(shù)據(jù)部分的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。 l定義二： 研究空間信息的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、信息的獲取、分類與合格化以 及存儲、處理、描繪、傳播和確保其優(yōu)化使用的基礎(chǔ)設(shè)施科學(xué)技術(shù)。 lISO定義：它是指量測、分析、管理和顯示空間數(shù)據(jù)綜合集成方法的 科學(xué)技術(shù)。 l李德仁認(rèn)為Geomatics應(yīng)翻譯為 地球空間信息學(xué)。 地球信息機理地球信息機理Geo-informatics l地理學(xué)經(jīng)歷了幾何學(xué)和圖形學(xué)階段之后，目前已經(jīng)進(jìn) 入地球信息學(xué)或地球信息機理階段，其中地理信息系 統(tǒng)已不僅僅限于物質(zhì)流和能量流的信息載體，而且包 括研究地學(xué)信息流程的動力學(xué)機理與時空特征、地學(xué) 信息傳輸機制及其不確定性與可預(yù)見性等，并認(rèn)為 Geo-informatics包含很多地學(xué)規(guī)律，其分析模型必須 以地學(xué)為基礎(chǔ)。 陳述彭 地球信息科學(xué)地球信息科學(xué) Geo-Information Science l地球信息科學(xué)是20世紀(jì)90年代新興的地球科學(xué)研究的前沿 領(lǐng)域，是在衛(wèi)星遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、數(shù) 字傳輸網(wǎng)絡(luò)等一系列現(xiàn)代信息技術(shù)的高度集成以及