譚超專題二：地球空間信息機(jī)理的研究進(jìn)展

1、專題二：地球空間信息機(jī)理的研究進(jìn)展 - 空間關(guān)系 地球信息科學(xué)是一門新興學(xué)科,在形成過程中,長期以地球信息技術(shù)研究為主,近年來地球信息工程領(lǐng)域的研究日漸突出,地球信息理論領(lǐng)域的研究較薄弱。目前,在地球信息轉(zhuǎn)變機(jī)理、地球空間認(rèn)知、地球信息的表達(dá)、地球信息的不確定性、地球空間關(guān)系、地球空間尺度以及地球信息共享中的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和立法等方面已形成一些亟待深入研究的前沿問題。下面就地球空間信息機(jī)理的各個方面進(jìn)行簡要說明：1、 空間關(guān)系 1、空間關(guān)系的內(nèi)涵2002年，曹菡提出空間關(guān)系是指空間實體之間的一些具有空間特性的關(guān)系，它反映了實體內(nèi)部或?qū)嶓w與實體之間的空間存在關(guān)系。主要由空間實體的兩個幾何特征位置和形

2、狀所決定1。2003年，俞士汶提出空間關(guān)系是空間目標(biāo)相互作用的結(jié)果2。在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種顧及0維、1維、2維空間目標(biāo)的空間關(guān)系語義描述方法3。2004年，付強(qiáng)認(rèn)為空間關(guān)系是由地理空間對象的幾何特征而引起的并與地理空間對象的空間特性有關(guān)的關(guān)系，即空間關(guān)系是地理空間實體之間存在的并且具有一些空間特征的關(guān)系4。2006年，杜世宏提出空間關(guān)系可以是由空間現(xiàn)象引起的集合特征（空間現(xiàn)象的地理位置與形狀）引起的空間關(guān)系，如距離、方位、連通性、相似性等，也可以是由空間現(xiàn)象的幾何特征和非幾何特征（包括度量屬性，如高程值、坡度值、氣溫值等；名稱屬性，如地名、物體名稱）共同引起的空間關(guān)系，如空間分布現(xiàn)象

3、的統(tǒng)計相關(guān)、空間自相關(guān)、空間相互作用、空間依賴等，還一種是完全由空間現(xiàn)象的非幾何屬性所導(dǎo)致的空間關(guān)系5。 2009年，張克定6認(rèn)為空間關(guān)系并不是存在于客觀世界的自然之物，而是人類的主觀識解使然。這說明，事物是客觀存在的，但事物之間的空間關(guān)系( 包括其他關(guān)系) 則是人通過觀察、感知、識解而賦予事物的。2009年，李松提出空間關(guān)系是指地理實體之間存在的一些具有空間特性的關(guān)系，如拓?fù)潢P(guān)系、方向關(guān)系和距離關(guān)系等，是空間數(shù)據(jù)組織、查詢、分析和推理的基礎(chǔ)7。2012年，馬雷雷提出空間關(guān)系是空間信息的重要特征之一，是地理信息系統(tǒng)中空間數(shù)據(jù)組織、查詢、分析和推理的基礎(chǔ)，它貫穿與地理信息系統(tǒng)的表達(dá)、生產(chǎn)、分析、

4、管理、決策和應(yīng)用等各個階段8。 2、空間關(guān)系研究內(nèi)容空間關(guān)系的研究主要集中在空間關(guān)系認(rèn)知、空間關(guān)系表達(dá)、空間關(guān)系推理、空間關(guān)系分析處理和空間關(guān)系應(yīng)用等方面。有兩個截然不同而又相互補(bǔ)充的觀點(diǎn)：一個從數(shù)學(xué)角度研究空間關(guān)系，另一個從語言和認(rèn)知的角度研究空間hi按關(guān)系。數(shù)學(xué)觀從數(shù)學(xué)的角度出發(fā)，嚴(yán)密的定義了空間關(guān)系定義模型及其推理，如時空關(guān)系的代數(shù)表達(dá)模型；而語言和認(rèn)知觀點(diǎn)則主要從人類語言的角度出發(fā)，認(rèn)知和描述空間關(guān)系，探討如何建立一個有好而自然的人機(jī)接口，如自然語言空間關(guān)系。（1）空間關(guān)系認(rèn)知：主要是研究空間關(guān)系與人們認(rèn)知之間的關(guān)系。認(rèn)知對空間關(guān)系的影響表現(xiàn)在對空間關(guān)系概念劃分的影響、自然語言空間關(guān)系

5、的特征和表現(xiàn)等方面。（2）空間關(guān)系表達(dá)：主要目的是建立空間對象與所對應(yīng)的空間關(guān)系之間的映射。通過該映射, 任意空間對象間的空間關(guān)系都可以用一個詞語或句子來表達(dá)。這是一個多對一的映射,即一對空間對象只能用一個關(guān)系來描述。不同的空間關(guān)系可以采用不同的方法, 但映射的結(jié)果必須與認(rèn)知概念接近, 還必須考慮到空間關(guān)系的形式化和可推理等特征。（3）空間關(guān)系推理：空間關(guān)系推理是空間關(guān)系應(yīng)用的一個重要方面, 是繼空間關(guān)系表達(dá)后的另一個研究熱點(diǎn)?？臻g關(guān)系推理可以分為定量推理和定性推理。定性推理在一定程度上比定量方法更接近認(rèn)知, 更容易讓人們接受, 因而成為空間推理的主要方法?？臻g關(guān)系推理是建在空間關(guān)系表達(dá)基礎(chǔ)上

6、的, 推理輸入、過程和結(jié)果都受空間關(guān)系表達(dá)的影響, 因而不同的空間表達(dá)方法有不同的推理方法和結(jié)果。2009年李松提出空間關(guān)系的研究可分為空間關(guān)系的語義問題、空間關(guān)系描述、空間關(guān)系表達(dá)、空間關(guān)系推理和基于空間關(guān)系的查詢分析等。 3、空間關(guān)系類型 空間關(guān)系表達(dá)了空間數(shù)據(jù)之間的一種約束，其中距離關(guān)系對空間數(shù)據(jù)的約束最為強(qiáng)烈，而方向關(guān)系次之，拓?fù)潢P(guān)系最弱。通常，距離關(guān)系屬于定量關(guān)系，拓?fù)渑c方向關(guān)系則屬于定性關(guān)系，但是定性關(guān)系與定性關(guān)系不是絕對的，而是可以相互轉(zhuǎn)化的，在分析復(fù)雜的空間關(guān)系時，定性的方法和定來那個的方法往往需要聯(lián)合使用。（1）1991年，Egenhofer9等人提出可以將空間關(guān)系分為如下幾

7、種類型：拓?fù)潢P(guān)系：表示臨近和關(guān)聯(lián)程度，例如地理實體（行政區(qū)劃）之間的鄰接、相離、包含、相交等關(guān)系；方向關(guān)系：例如東、西、南、北、東南、西南、西北、東北、上、下、左、右等；順序關(guān)系：例如在.之內(nèi)、在.之外、在.中間；距離關(guān)系：表示地理空間目標(biāo)要素間的關(guān)系(依據(jù)某種度量)例如地理空間目標(biāo)之間的距離遠(yuǎn)近、親疏程度等；模糊關(guān)系：例如接近、貼近、疏遠(yuǎn)等。（2）1992年，王家耀院士王家耀等.普通地圖制圖綜合原理M.北京：測繪出版社，1992.提出傳統(tǒng)的空間關(guān)系主要包含拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系和度量關(guān)系三種關(guān)系類型。拓?fù)潢P(guān)系：拓?fù)渥儞Q后始終保持不變的空間關(guān)系，例如相交、相鄰、相離、包含于、包含、內(nèi)切等；方位關(guān)系

8、：主要指空間幾何對象在空間中的順序，東、西、南、北、前、后、左、右等；度量關(guān)系：即傳統(tǒng)意義上的度量關(guān)系，是指能利用某種具體尺度描述地理空間對象的度量關(guān)系。（3）2006年，杜世宏等人認(rèn)為空間關(guān)系是指由空間對象的幾何特征性引起的空間關(guān)系，主要包括距離關(guān)系、方位關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系和空間關(guān)系相似性等空間關(guān)系極其應(yīng)用。（4）2009年，李松認(rèn)為拓?fù)潢P(guān)系是指在拓?fù)渥儞Q下的拓?fù)洳蛔兞?，即在拓?fù)渥儞Q（旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等）下保持不變的空間關(guān)系；空間方向關(guān)系是在一定的參考框架下，以一個空間對象目標(biāo)到另一個空間對象目標(biāo)的指向。因而，空間方向關(guān)系的定義必須包含三個要素：參考框架、參考目標(biāo)和源目標(biāo)；距離關(guān)系是度量關(guān)系的一

9、個主要方面，它是指用度量空間中的某種度量尺度來描述目標(biāo)之間的關(guān)系，如目標(biāo)間距離、遠(yuǎn)近等。在距離關(guān)系方面，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在空間數(shù)據(jù)的空間查詢放面。 4、空間關(guān)系的特征 空間關(guān)系受空間對象、空間數(shù)據(jù)組織、空間認(rèn)知等影響, 具有尺度、認(rèn)知、層次、不確定性、形式化等幾個特征。 （1）空間關(guān)系的尺度特征 空間關(guān)系研究的主體是空間對象之間的各種關(guān)系, 而空間對象是具有尺度特征的, 因而空間關(guān)系也具有尺度特征。 （2）空間關(guān)系的認(rèn)知特征 空間關(guān)系是人類對地理現(xiàn)象或環(huán)境的認(rèn)知概念在 GIS 中的直接反映, 因此與人類的認(rèn)知密切相關(guān)。GIS 是一個輔助人類進(jìn)行決策的工具, 要達(dá)到這一目標(biāo), GIS 必須

10、能夠接受人類對地理現(xiàn)象或環(huán)境的認(rèn)知和表達(dá), 能正確理解用戶輸入的概念, 并且能把處理的結(jié)果按照符合認(rèn)知要求的形式輸出。（3）空間關(guān)系的層次特征空間關(guān)系的層次特征表現(xiàn)在兩個方面, 一個是由空間關(guān)系語義引起的層次性; 另一個是由空間對象的層次性引起的?？臻g關(guān)系的語義層次主要體現(xiàn)在語義分辨率上?？臻g對象的層次性可以是自然形成的( 如交通網(wǎng)層次樹、水系層次樹等) , 也可以是經(jīng)過分類和聚類形成的( 聚類和分類算法形成的各個類別和聚類之間的層次關(guān)系) 。 （4）空間關(guān)系的不確定性特征 空間關(guān)系的不確定性表現(xiàn)出了空間關(guān)系的復(fù)雜性, 是現(xiàn)實世界中地理現(xiàn)象或環(huán)境復(fù)雜性在 GIS 中的具體表現(xiàn)?？臻g方向關(guān)系的不

11、確定性可以由下面的幾個因素引起: A 、人們的認(rèn)知所具有的不確定性。不同的人對方向關(guān)系有不同的理解, 特別是人對空間關(guān)系的認(rèn)識是具有模糊性的。 B、空間數(shù)據(jù)具有的不確定性導(dǎo)致空間關(guān)系是不確定的。 C、 空間關(guān)系在分析處理及應(yīng)用中也會具有不確定性, 如數(shù)據(jù)集模糊匹配等。這種不確定性是對不確定性數(shù)據(jù)進(jìn)行分析所需要的, 也可能是由分析處理過程本身所決定的。 （5）空間關(guān)系的時間特征 有些空間對象的空間位置和范圍是隨著時間變化的, 如地塊的分割、合并, 火災(zāi)區(qū)域的蔓延, 魚群的遷移等, 這種隨時間變化的對象稱為時空對象。（6）空間關(guān)系是形式化的、可推理的 一個空間關(guān)系表達(dá)模型必須是形式化的, 以方便在

12、空間數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行空間關(guān)系查詢;它必須是可推理的, 以方便能夠從已知的關(guān)系推理出未知的關(guān)系; 它必須是可比較的, 以能夠?qū)臻g關(guān)系進(jìn)行比較, 定義空間關(guān)系之間的相似性。這是一個空間關(guān)系表達(dá)和推理模型所具備的基本特征。 5、空間關(guān)系應(yīng)用空間關(guān)系可以在一定程度上對地理現(xiàn)象及其環(huán)境間的關(guān)系進(jìn)行描述, 因而在空間數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)理解中有著重要應(yīng)用, 其應(yīng)用范圍主要包括以下幾個方面：（1） 空間查詢語言 查詢語言是一種從空間數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)的有力工具, 而空間數(shù)據(jù)檢索是空間數(shù)據(jù)管理、提取、顯示、分析等GIS 功能的基礎(chǔ)。然而, 傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)化查詢語言( SQL) 不能處理空間數(shù)據(jù), 因此設(shè)計和實施

13、空間查詢語言是非常必要的。由于空間數(shù)據(jù)的特殊性, 空間查詢語言的設(shè)計和實施比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢語言復(fù)雜得多。已經(jīng)提出的空間查詢語言有結(jié)構(gòu)化空間查詢語言、自然空間查詢語言、可視化空間查詢語言以及基于草圖的空間查詢語言等。（2）空間數(shù)據(jù)檢索空間查詢語言只是一個用戶和GIS 進(jìn)行交流的接口規(guī)范,真正的數(shù)據(jù)檢索策略和方法是非常復(fù)雜的, 包括數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)、空間關(guān)系匹配與空間數(shù)據(jù)搜索策略等。Papadias描述了用于一維間隔關(guān)系表達(dá)的一個二進(jìn)制串編碼及其相似性度量,并把編碼擴(kuò)展到了多粒度和多維空間, 用于表達(dá)空間對象的空間關(guān)系10。在此基礎(chǔ)上研究了基于時空關(guān)系的對象檢索、空間并查詢、結(jié)構(gòu)查詢、對象時間序列的動態(tài)

14、查詢等問題。（3） 在空間數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用 空間數(shù)據(jù)挖掘是從空間數(shù)據(jù)庫中抽取隱含的知識、空間關(guān)系沒有明顯存在于空間數(shù)據(jù)庫中的其他模式11?？臻g關(guān)系在數(shù)據(jù)挖掘中可以用來表達(dá)挖掘到的知識和規(guī)則, 以及用于提取與挖掘任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)和簡化挖掘算法等。（4）在空間場景相似性評價中應(yīng)用空間場景的相似性包含了場景幾何結(jié)構(gòu)相似性及語義相似性?？臻g關(guān)系用來捕獲空間對象分布,通過多分辨率模型, 允許從不同尺度和不同層次分析拓?fù)洹⒎较蚝途嚯x關(guān)系, 從而度量空間結(jié)構(gòu)相似性, 而語義相似性通過特征類的語義網(wǎng)來評價12。一個復(fù)雜空間場景中的多個不同類型對象間存在多類型和多層次空間關(guān)系。這些復(fù)雜關(guān)系可用基本的拓?fù)?、方向和?/p>

15、離關(guān)系的組合來描述, 因而場景相似性用拓?fù)?、方向、距離相似性的組合來度量。 6、空間關(guān)系的研究現(xiàn)狀與展望空間關(guān)系理論的研究與發(fā)展正日益受到空間數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)(GIS)、人工智能和計算機(jī)視覺等相關(guān)領(lǐng)域研究者的重視?？臻g關(guān)系的表示和分類對于在空間數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行空間檢索、空間定位、空間存儲以及空間推理等都是非常重要的。國內(nèi)外學(xué)者對空間關(guān)系的研究主要集中在拓?fù)潢P(guān)系、方向關(guān)系和距離關(guān)系等方面，取得了一系列的研究成果，為空間數(shù)據(jù)的組織、查詢、分析和推理奠定了堅實的基礎(chǔ)。 但是在研究內(nèi)容和范圍上仍需進(jìn)一步發(fā)展。這是因為, 一方面, GIS 本身的理論、技術(shù)和需求使得空間關(guān)系向多維、不確定性和多層次空間關(guān)

16、系描述與推理方向發(fā)展; 另一方面, 盡管空間關(guān)系在 GIS 領(lǐng)域得到了最充分的發(fā)展, 但是其他一些學(xué)科, 如智能機(jī)器人、計算機(jī)視覺和圖像理解、遙感圖像智能解譯等領(lǐng)域也越來越重視空間關(guān)系的作用。在空間關(guān)系的研究和發(fā)展中, 需要進(jìn)一步研究以下幾個方面： （1）三維空間關(guān)系?，F(xiàn)實世界是一個三維模型,而現(xiàn)有的 GIS 中所存儲的數(shù)據(jù)和提供分析功能基本上都是二維的, 對三維數(shù)據(jù)的建模和分析很有限。同樣, 對空間關(guān)系的研究也是集中在二維方面, 對三維空間關(guān)系的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, 特別是三維目標(biāo)間方向關(guān)系和鄰近關(guān)系的認(rèn)知和描述。(2) 不確定空間關(guān)系。由于現(xiàn)實世界中的很多現(xiàn)象復(fù)雜多變, 受數(shù)據(jù)采集方式、人們的認(rèn)

17、識以及GIS 中描述方式的影響, GIS 所描述的空間關(guān)系與真實目標(biāo)間以及與人們認(rèn)知中的空間關(guān)系間總存在差異, 即空間關(guān)系是不確定的, 如何描述和處理不確定空間關(guān)系, 特別是把不確定空間關(guān)系應(yīng)用到 GIS的空間分析等應(yīng)用中是一個新的研究方向。 (3) 復(fù)雜目標(biāo)間的多層次空間關(guān)系推理。目前空間關(guān)系的研究主要集中在簡單目標(biāo)和 2 個對象間空間關(guān)系的描述和推理問題。而缺乏對復(fù)雜目標(biāo)( 多個簡單目標(biāo)組成的復(fù)雜目標(biāo)) 空間關(guān)系描述和推理的研究。復(fù)雜目標(biāo)間的空間關(guān)系是多層次的, 包括簡單對象與簡單對象、復(fù)雜對象與簡單對象、復(fù)雜對象間的空間關(guān)系, 這種多層次空間關(guān)系的描述、推理和傳遞機(jī)制, 都需要進(jìn)一步研究

18、。 (4) 遙感圖像空間關(guān)系的抽取、描述與推理。目標(biāo)空間關(guān)系的描述和推理主要是基于矢量目標(biāo)的,很少研究柵格目標(biāo)間的空間關(guān)系。圖像目標(biāo)間也存在同樣的空間關(guān)系, 對于圖像理解和語義描述是非常重要的。但是, GIS 中矢量目標(biāo)是已存在的, 而遙感圖像中的柵格目標(biāo)及其空間關(guān)系需要抽取才能獲得。因此如何把矢量目標(biāo)間的空間關(guān)系描述和推理應(yīng)用于圖像目標(biāo), 如何從圖像上抽取和管理大量目標(biāo)間的空間關(guān)系, 如何在遙感圖像匹配、檢索和識別中的應(yīng)用也是一個難題。 (5) 空間關(guān)系的應(yīng)用。目前對空間關(guān)系的研究主要集中在基礎(chǔ)理論方面, 應(yīng)用方面的研究則集中在空間查詢語言方面。空間關(guān)系是對目標(biāo)及其所處的環(huán)境間依賴關(guān)系的一種

19、語義和關(guān)系建模, 因而還有更重要的應(yīng)用需要進(jìn)行研究和試驗。如空間關(guān)系在矢量數(shù)據(jù)和遙感圖像的匹配、遙感圖像和遙感圖像的匹配、矢量與矢量的匹配, 以及在遙感圖像識別、檢索、配準(zhǔn)等領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用?；诳臻g關(guān)系的匹配與已有匹配方法在效果和效率的差異、優(yōu)略及其改進(jìn)都有待進(jìn)一步研究。2、 基準(zhǔn) 1、基準(zhǔn)的定義1999年，李德仁提出地球空間信息基準(zhǔn)是確定一切地球空間信息幾何形態(tài)和時空分布的基礎(chǔ) 。到了2012年，崔鐵軍又提出地球空間信息基準(zhǔn)就是一組用于描述其他量的量，是確定一切地球空間信息幾何形態(tài)和時空分布的基礎(chǔ)。鐵鐵軍在李德仁院士的基礎(chǔ)上又增加了地球空間信息基準(zhǔn)就是一組用于描述其他量的量這一信息。

20、2、基準(zhǔn)的內(nèi)容李德仁院士在1999年提出的定義中提到地球空間信息的基準(zhǔn)包括幾何基準(zhǔn)、物理基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)。隨著時間的發(fā)展，崔鐵軍提出其內(nèi)容包括國家統(tǒng)一的大地空間坐標(biāo)基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、深度基準(zhǔn)和重力基準(zhǔn)等。下面就崔鐵軍提出的內(nèi)容進(jìn)行簡要說明： （1）大地空間坐標(biāo)基準(zhǔn)：大地空間坐標(biāo)基準(zhǔn)規(guī)定了大地測量起算基準(zhǔn)的定義及其相應(yīng)的大地測量常數(shù)。 北京54坐標(biāo)系為參心大地坐標(biāo)系，大地上的一點(diǎn)可用經(jīng)度L54、緯度M54和大地高H54定位，是以克拉索夫斯基橢球為基礎(chǔ)，經(jīng)局部平差后產(chǎn)生的坐標(biāo)系。 西安80坐標(biāo)系采用1975年IUGG大會推薦的一組數(shù)據(jù),大地原點(diǎn)設(shè)在我國中部的陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)，經(jīng)過整體平差的坐標(biāo)系。

21、2000中國大地坐標(biāo)系，又稱之為2000國家大地坐標(biāo)系,是我國新一代大地坐標(biāo)系, 自2008年7月1日起，中國全面啟用2000國家大地坐標(biāo)系。 （2）高程基準(zhǔn)：高程基準(zhǔn)定義了陸地上高程測量的起算點(diǎn)，這個固定點(diǎn)稱為水準(zhǔn)原點(diǎn)。 1956年黃海高程基準(zhǔn)：利用19501956年青島驗潮站平均海面高度計算出國家水準(zhǔn)原點(diǎn)高出黃海平均海面72.289m，從而建立了1956年黃海高程基準(zhǔn)。缺點(diǎn)：驗潮資料和精密水準(zhǔn)測量少等多種原因，致使該基準(zhǔn)問題較多。 1985國家高程基準(zhǔn)：采用青島水準(zhǔn)原點(diǎn)和根據(jù)青島驗潮站1952年到1979年的驗潮數(shù)據(jù)確定的黃海平均海水面所定義的高程基準(zhǔn)。其水準(zhǔn)原點(diǎn)起算高程為72.260m。

22、1985年國家高程基準(zhǔn)已于1987年5月開始啟用，1956年黃海高程系同時廢止。 （3）深度基準(zhǔn)：通常取在當(dāng)?shù)仄骄Ｋ嬉韵律疃鹊奈恢?，因為不同海水面的平均海面不同，所以深度基?zhǔn)對于海水面的偏差因地而異。深度基準(zhǔn)面通常取在當(dāng)?shù)囟嗄昶骄Ｃ嫦律疃葹長的位置。 （4）重力基準(zhǔn)：就是標(biāo)定一個國家或地區(qū)的重力值標(biāo)準(zhǔn)。 1957年國家重力基本網(wǎng)：中國于19561957年建立了全國范圍的第一個國家重力基準(zhǔn)，稱為1957年國家重力基本網(wǎng)，該網(wǎng)由21個基本點(diǎn)和82個一等點(diǎn)組成。2000國家重力基準(zhǔn)：是我國重力測量基準(zhǔn)，我國于1999年至2002年完成建設(shè)，它由259個點(diǎn)組成，其中基準(zhǔn)點(diǎn)21個、基本點(diǎn)126個、

23、基本點(diǎn)引點(diǎn)112個。重力系統(tǒng)采用GRS80橢球常數(shù)及相應(yīng)重力場。 (5) 時間基準(zhǔn)：空間信息的時間基準(zhǔn)是時間系統(tǒng)和時間系統(tǒng)框架,任何一種時間系統(tǒng)都必須建立在某個頻率基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,所以時間系統(tǒng)又稱為時間頻率基準(zhǔn)。時間系統(tǒng)框架是在某一區(qū)域或全球范圍內(nèi),通過守時、授時和時間頻率測量技術(shù),以實現(xiàn)和維護(hù)統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。 3、 標(biāo)準(zhǔn) 地球信息標(biāo)準(zhǔn)時數(shù)字地球空間信息產(chǎn)生和應(yīng)用的依據(jù)。為解決地球空間信息領(lǐng)域的各種技術(shù)矛盾，地球空間信息的標(biāo)準(zhǔn)化就顯得十分重要。地球空間信息的標(biāo)準(zhǔn)化時信息資源共享的基礎(chǔ)。在不同部門、不同系統(tǒng)、不同地區(qū)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，離不開地球空間信息的標(biāo)準(zhǔn)化。地球空間信息的標(biāo)準(zhǔn)化對于建設(shè)國家空間

24、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和構(gòu)建“數(shù)字地球”等都非常重要。地球空間信息標(biāo)準(zhǔn)包括元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分之一，也是構(gòu)建“數(shù)字地球”的重要支撐技術(shù)之一。4、 不確定性 1、不確定性的定義不確定性概念早在20世紀(jì)70年代的電子測量和計量學(xué)文獻(xiàn)中出現(xiàn)過,當(dāng)時的不確定性是誤差的同義詞,可以任意選用, 較多的還是采用誤差這一簡潔的概念。不確定性是一個比誤差更廣義、更抽象的概念,它可以看作一種廣義的誤差,既包含隨機(jī)誤差,也包含系統(tǒng)誤差和粗差,還包含可度量和不可度量的誤差,以及數(shù)值上和概念上的誤差。一般而言,不確定性是指空間事物、現(xiàn)象的特征和過程不能被準(zhǔn)確確定的程度，通常表現(xiàn)為隨機(jī)性和模糊性。從信息論

25、的角度看,不確定性具有多方面的含義,數(shù)據(jù)的誤差、數(shù)據(jù)和概念的模糊性以及不完整性都可以看作是不確定性的內(nèi)容。 2、空間信息不確定性的來源 （1）空間現(xiàn)象自身存在的不穩(wěn)定性:包括空間特征和空間過程在空間、專題和時間內(nèi)容上的不確定性。（2）空間表達(dá)的不確定性:作為空間科學(xué),GIS的空間概念和它的空間數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是GIS的基本理論問題。它影響并決定了一系列理論和技術(shù)問題,也涉及了空間信息基礎(chǔ)設(shè)施,并影響整個空間信息獲取、處理與應(yīng)用服務(wù)的基本技術(shù)框架。(3)空間信息獲取的不確定性:空間信息獲取可以通過各種直接和非直接途徑采集,受到量測設(shè)備固有的精度范圍、量測技術(shù)及方案以及人的分辨能力和外界的影響, 通過各種

26、儀器觀測的數(shù)據(jù)總是存在一定的誤差等。(4)空間分析的不確定性:利用GIS空間分析功能如網(wǎng)絡(luò)分析、疊加分析以及緩沖區(qū)分析等, 通過對原始數(shù)據(jù)模型的觀察和實驗,用戶可以獲得新的知識和發(fā)現(xiàn),并以此作為空間行為的決策依據(jù),然而由于空間信息總是受到不同類型的不確定性的影響,而這些不確定性又通過空間分析傳播,必然導(dǎo)致空間分析的不精確。(5)其他相關(guān)的不確定性: 包括計算設(shè)備引入的不確定性、運(yùn)算過程帶來的不確定性、近似技術(shù)帶來的不確定性以及異源數(shù)據(jù)融合的不確定性等。 3、空間信息不確定性的類型空間信息的不確定性泛指空間數(shù)據(jù)所具有的誤差、不精確性、模糊性和含混性, 一般可分為位置不確定性、屬性不確定性、時間不

27、確定性、邏輯不一致性和數(shù)據(jù)不完整性。 （1）位置不確定性。因為數(shù)字化地圖上各種要素的坐標(biāo)與實際物體的坐標(biāo)有一定的誤差。位置精度包括絕對或外部精度、相對或內(nèi)部精度、 像元位置精度、形狀準(zhǔn)確性、位置穩(wěn)定性、相對位置穩(wěn)定性。 （2）屬性不確定性。對數(shù)據(jù)屬性的定義, 由于人為或技術(shù)的原因,也往往會有誤差。例如,用遙感信息對農(nóng)業(yè)土地利用進(jìn)行分類,由于技術(shù)上的原因,分類的結(jié)果經(jīng)常會和實際有出入。 （3）邏輯不一致性。數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)之前, 因分類定義不嚴(yán)格而產(chǎn)生矛盾。邏輯一致性包含域一致性、格式一致性、拓?fù)湟恢滦浴?（4）數(shù)據(jù)不完整性。完整性是指各種信息是否遺漏或重復(fù),分類是否重復(fù)或缺項等等。由于數(shù)據(jù)是從不

28、同角度、用不同方法間接得到的,分類后可能會在空間上相互重疊或有空白區(qū)域,由于條件所限,常常無法肯定這些重疊區(qū)或空白區(qū)是哪一類。 （5）時間不確定性。即數(shù)據(jù)收集時間的差異。時間精度包括精確度、時間一致性、時間有效性。 5、 信息的解譯與反演遙感影像解譯就是對遙感圖像上的各種特征進(jìn)行綜合分析、比較、推理和判斷，最后提取出各種地物目標(biāo)信息的過程 。影像的解譯標(biāo)志,也稱判讀要素,它是遙感圖像上能直接反映和判別地物信息的影像特征。包括形狀、大小、陰影、色調(diào)、顏色、紋理、圖案、位置和布局。20世紀(jì)70年代，在遙感影像的解譯方面，主要是研究目視解譯。這是一種人工提取信息的方法，使用眼睛目視觀察(可以借助于一

29、些光學(xué)儀器)，憑借人的經(jīng)驗、知識和手頭的相關(guān)資料，通過人腦的分析、推理和判斷，提取有用的信息。這種方法既要圖像目視判讀者具有豐富的地學(xué)知識和目視判讀經(jīng)驗，又要花費(fèi)大量的時間，勞動強(qiáng)度大，信息獲取周期長，遙感圖像解譯質(zhì)量受目視判讀者的經(jīng)驗、對解譯區(qū)域的熟悉程度等各種因素制約，具有很大的主觀性。盡管如此，當(dāng)前，由于計算機(jī)自動識別的精度不夠高，目視判讀仍然是一種不可缺少而又行之有效的方法。20世紀(jì)80年代初，主要是研究利用統(tǒng)計模式識別方法對遙感影像進(jìn)行計算機(jī)自動識別。如利用最大似然法對遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；運(yùn)用光譜特征，對多波段衛(wèi)星影像進(jìn)行分類，從中獲取森林資源信息。這種方法的特點(diǎn)是根據(jù)影像中的地物

30、多光譜特征，對遙感影像中的地物進(jìn)行分類。20世紀(jì)80年代后期，D Goodenough MEhlers等人提出遙感與地理信息系統(tǒng)綜合解譯法，在國內(nèi)，一些研究者注意到地理數(shù)據(jù)、地學(xué)專題數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合，可以增加信息量，為遙感解譯增加了輔助性的背景數(shù)據(jù)，提高了分類精度。然而，由于遙感影像解譯的復(fù)雜性及地理數(shù)據(jù)的多樣性，如何有效地把地學(xué)信息與遙感信息結(jié)合起來，這個問題至今仍沒有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)描述。6、 信息表達(dá)與可視化可視化是將科學(xué)計算中產(chǎn)生的大量非直觀的、抽象的或者不可見得數(shù)據(jù)，借助計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理等技術(shù)，用幾何圖形、色彩、紋理、透明度、對比度及動畫技術(shù)為手段，以圖形圖像的形式，直觀、形象地表達(dá)出來，并進(jìn)行交互處理，這一技術(shù)正成為科學(xué)發(fā)現(xiàn)和工程設(shè)計以及決策的強(qiáng)有力工具。地球信息可視化就是地球信息科學(xué)中的可視化，簡稱地學(xué)可視化（Geo-Visualization或GViSC）。是指運(yùn)用地圖學(xué)、計算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)和地理信息技術(shù)，將地球信息輸入、處理、查詢、分析的數(shù)據(jù)及結(jié)果用地圖和圖像，以及