地理信息科學(xué)

地理信息科學(xué)――天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)馬藹乃（北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所）一、空間科學(xué)與航天技術(shù)1957年蘇聯(lián)向太空發(fā)射成功第一顆人造衛(wèi)星以來，空間科學(xué)與航天技術(shù)（SpaceScienceand10g皿1英丫）有了飛速的發(fā)展。外層空間的自然環(huán)境不僅限于物理，實(shí)際上還有化學(xué)、生命、以及人類如何在外層空間環(huán)境中生存的問題。因此，我們提出了外層空間圈的概念，它對地理科學(xué)是一個(gè)嶄新的圈層概念。空間科學(xué)一外層空間圈空間科學(xué)研究的實(shí)際上是外層空間的自然環(huán)境，空間物理是空間科學(xué)中的基礎(chǔ)理論研究。利用空間環(huán)境中的高真空、超潔凈、在飛行器中獲得的微重力等特殊條件（即空間資源），研究各種材料，生產(chǎn)出地面上不可能生產(chǎn)的產(chǎn)品，如玻璃金屬、超薄膜、某些生物制品、培育良種等。更為重要的是利用外層空間圈的高度資源，對地進(jìn)行觀測（EOS）。遙感衛(wèi)星、遙測衛(wèi)星、定位衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星（包括中繼衛(wèi)星）對地進(jìn)行軍事偵察與民用監(jiān)測。當(dāng)人造衛(wèi)星進(jìn)入太空之后的空間自然環(huán)境，就變成既有空間自然環(huán)境，又有空間人工環(huán)境了，而且對于外層空間來說，人類只能生存在太空中的人工環(huán)境之中，即便是人類走出太空艙，也需要生活在人工制造的小環(huán)境一一太空服之中。正如人類要在海洋中生活，可以制造潛水艇，當(dāng)人類從潛水艇走出來，探索海洋時(shí)，需要穿上潛水服一樣，只是太空服比潛水服更加密封而已。在地球上，無論是陸地還是海洋，都已既是自然環(huán)境又是人工環(huán)境了，所以諾貝爾獎獲得者司馬賀（Simon）對應(yīng)與自然科學(xué)提出了人工科學(xué)的命題［3］，研究自然環(huán)境用自然科學(xué)，研究人工環(huán)境用人工科學(xué)。司馬賀指出人工科學(xué)是復(fù)雜性科學(xué)，這從另一個(gè)側(cè)面指出了，包括自然環(huán)境與人工環(huán)境的地理科學(xué)是復(fù)雜性科學(xué)。研究外層空間圈，不僅需要研究自然科學(xué)的空間物理，更為重要的是研究自然與人工結(jié)合的外層空間環(huán)境，并且毫不例外地需要用復(fù)雜性科學(xué)的觀念來研究外層空間圈。航天技術(shù)一人造衛(wèi)星至2005年之初，全世界大約已經(jīng)有6000顆以上的航天器送入了太空，其中大部分是人造衛(wèi)星。全球平均每年發(fā)射120個(gè)各種類型的航天器（包括探空火箭、人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、人造行星等）。航天技術(shù)所獲得的信息包括：（1）遙感信息遙感分成像過程與解譯過程兩部分［17］，成像過程是物理現(xiàn)象過程，是唯一的、確定性的過程；解譯過程是地理現(xiàn)象的認(rèn)知過程，是復(fù)雜的不確定性的過程。遙感信息是數(shù)據(jù)信息、圖像信息、光譜信息三者結(jié)合的數(shù)圖譜信息，這在科學(xué)歷史上是前所未有的信息，人們經(jīng)過40多年的研究，在成像光譜儀器上的研究，取得了長足的進(jìn)步，美國在遙感衛(wèi)星EO-1上，已經(jīng)獲得了220個(gè)波段的影像數(shù)據(jù)；而在信息識別、提取、分類、解譯等方面仍然處于初級階段，圖像處理系統(tǒng)的軟件功能，主要還是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的模式識別方法；遙感反演模型仍然是以簡化的物理數(shù)學(xué)方程的方法；只有遙感信息模型［18］，才是集演繹邏輯、歸納邏輯、類比邏輯為一體的；物理方程、統(tǒng)計(jì)方程、模糊方程、灰色方程、分形方程為一體的辯證的復(fù)雜性模型。遙感信息為地理信息提供了原數(shù)據(jù)、原圖像、原光譜的信息，為建立遙感信息模型奠定了基礎(chǔ)，如果沒有遙感信息的發(fā)展，就沒有建立地理信息科學(xué)的基礎(chǔ)，也就沒有建立地理科學(xué)的基礎(chǔ)。（2）遙測信息如果說遙感信息是獲得平面二維和立體三維圖像信息的技術(shù)，那么，遙測信息是在遙感之前就已經(jīng)成熟的技術(shù)，獲得的是地面實(shí)測的、隨時(shí)間變化的一維信息。例如，氣象臺站所測的天氣數(shù)據(jù)、水文臺站所測的水情數(shù)據(jù)、地震臺站所測的地球物理數(shù)據(jù)等。將各種臺站實(shí)測的物理模擬量，按一定的步距采樣，離散成數(shù)據(jù)，即所謂的A/D轉(zhuǎn)化，形成數(shù)據(jù)流，通過地面天線發(fā)送到衛(wèi)星上去，將分散在各地的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DataCollectedSystem），經(jīng)過衛(wèi)星的傳輸，再集中返回到地面上的接收站，將這些數(shù)據(jù)集中，按照一定的規(guī)則整編成規(guī)范的資料，提供用戶使用。（3）定位信息遙感信息與遙測信息大部分是屬性信息，地球上的各種屬性都是在一定的位置上的，關(guān)于位置信息，就需要由定位信息來確定。定位系統(tǒng)［20］是從導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展而來的，美國發(fā)射了24顆，分6個(gè)軌道，離地面22000Km高空的全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem：GPS），俄國設(shè)計(jì)了24顆，分3個(gè)軌道，近26000Km高空的全球定位系統(tǒng)（GLONASS），歐空局15國，中國作為第16國參加設(shè)計(jì)了伽利略GALILEO全球定位衛(wèi)星系統(tǒng)。中國在21世紀(jì)開始發(fā)射局部地區(qū)的北斗定位衛(wèi)星（E70°-140°，N5°-55°），而中國的北斗定位衛(wèi)星的用戶是主動式接收。（4）衛(wèi)星通訊隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，天地通訊一體化，遙感、遙測、定位需要聯(lián)合起來應(yīng)用，因此衛(wèi)星通訊問題提到日程上來了。通過通訊系統(tǒng)，將航天技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)系了起來。成熟的遙感信息模型，例如土壤的含水量遙感信息模型，從地面計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過衛(wèi)星通訊發(fā)射到遙感衛(wèi)星上去，當(dāng)遙感衛(wèi)星過境時(shí)，將計(jì)算好的結(jié)果直接傳輸?shù)降孛嫔蟻?，成為真正?shí)時(shí)的動態(tài)監(jiān)測。因此衛(wèi)星通訊越來越重要了，是整個(gè)太空信息網(wǎng)絡(luò)（SpaceInformationNetworkInfrastructure:SINI）的基礎(chǔ)。二、計(jì)算機(jī)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從1946年第一臺電子計(jì)算機(jī)問世以來，20世紀(jì)50年代的計(jì)算機(jī)主要是完成科學(xué)計(jì)算的任務(wù)，60年代發(fā)展了數(shù)據(jù)庫（DataBase：DB），70年代發(fā)展了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputeAidedDesign：CAD),80年代發(fā)展了地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem:GIS),90年代發(fā)展了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，互連網(wǎng)(Internet)與內(nèi)聯(lián)網(wǎng)(Intranet),21世紀(jì)以來發(fā)展了網(wǎng)上的協(xié)同工作(CooperatedNetworks)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，方興未艾，信息化快速地改變著世界。計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)建立在馮諾依曼理論基礎(chǔ)上(即二進(jìn)制串行計(jì)算)的計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)從最初的科學(xué)計(jì)算(ScienceComputing)，發(fā)展到現(xiàn)在的5大計(jì)算技術(shù)“MMOON”，即多處理器并行計(jì)算(MultiprocessorsParallelComputing)>多媒體計(jì)算(MultimediaComputing)>面向?qū)ο笥?jì)算(ObjectOrientedComputing)>開放系統(tǒng)計(jì)算(OpenSystemComputing)>網(wǎng)絡(luò)計(jì)算(NetworkComputing)。計(jì)算機(jī)的計(jì)算技術(shù)，始終是引領(lǐng)計(jì)算機(jī)硬件、軟件發(fā)展的主要動力。數(shù)據(jù)庫技術(shù)從計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，可見計(jì)算機(jī)中的計(jì)算已經(jīng)不僅僅是數(shù)字的計(jì)算，而是涉及到研究對象的邏輯計(jì)算，物理存儲的問題。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)⑶構(gòu)成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)⑹，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從簡單的列表結(jié)構(gòu)，發(fā)展到樹結(jié)構(gòu)(二叉樹、四叉樹、八叉樹)、圖形結(jié)構(gòu)、圖像結(jié)構(gòu)等，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是獨(dú)立的，數(shù)據(jù)庫管理是用軟件去進(jìn)行管理這些數(shù)據(jù)。當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫技術(shù)已經(jīng)是多媒體［7］的數(shù)據(jù)庫了，集數(shù)據(jù)(Data)、知識(Knowledge)、圖形(Graphics)、圖像(Images)、動畫(AnimatedCartoon)、聲音(SoundorVoice)等為一體，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)(1012-15bytes)的組織、存儲與計(jì)算、并行計(jì)算。數(shù)據(jù)庫發(fā)展的方向是使各種不同的用戶，根據(jù)專業(yè)邏輯能夠創(chuàng)造自身所需要的數(shù)據(jù)庫。.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即通常稱為CAD技術(shù)。CAD主要用于工程設(shè)計(jì)方面，因?yàn)楣こ讨杏玫降膱D形絕大部分是規(guī)則圖形，可以事先用公式計(jì)算好圖形的規(guī)格，例如一個(gè)圓的定義，只需給出圓心位置與半徑，就可以自動生成，依次類推，各種規(guī)則圖形都可以自動生成。即便是復(fù)雜一些的高層大樓、水庫的水壩、交通中的橋梁等等，最后都可以分解成簡單圖形，因此，在力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算的基礎(chǔ)上，各類建筑的造型都能夠用CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。地理信息系統(tǒng)技術(shù)前面已經(jīng)提到地理信息系統(tǒng)是在數(shù)據(jù)庫與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)上建立起來的。德國西門子公司早期提供的地理信息系統(tǒng)(GIS)就是由一個(gè)自動計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(AutoCAD)和一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(Oracle數(shù)據(jù)庫)，中間用一個(gè)指針聯(lián)系而組成的。地理信息系統(tǒng)將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)聯(lián)系了起來，這是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然，之所以稱為地理信息系統(tǒng)是因?yàn)樽钤绲膭?chuàng)始人無論是英國的T.Coppock教授、還是加拿大的R.Tomlinson教授都是地理學(xué)家。AutoMapping沒有成功，而在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，改造了CAD的規(guī)則圖形，對任意形狀的圖形，以拓?fù)?Topo)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)建立的圖形庫(GraphicBase)，用一個(gè)簡單數(shù)據(jù)庫作為屬性庫(AttributeBase)，用指針(Pointer)將屬性指出在圖形上的位置，從而將屬性與圖形聯(lián)系起來，完成了地理信息系統(tǒng)［9-10］。地理信息系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、數(shù)據(jù)庫（DB）和計(jì)算機(jī)技術(shù)（CT）的發(fā)展，也將進(jìn)一步發(fā)展為多處理器并行計(jì)算、多媒體計(jì)算、面向?qū)ο笥?jì)算、開放系統(tǒng)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的MMOON型地理信息系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與協(xié)同技術(shù)幾臺計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)的概念，1969年已經(jīng)誕生在加利福尼亞大學(xué)洛杉機(jī)分校計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中，直到1991年美國參議院文件中首次提出“信息高速公路"（InformationSuperhighway）的概念，1996年又進(jìn)一步提出“國家信息基礎(chǔ)實(shí)施”（NationalInformationInfrastructure），即眾所周知的NIL用有線與無線通訊網(wǎng)絡(luò)，天地信息一體化地將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（InternetandIntranet）、電視網(wǎng)絡(luò)、電話網(wǎng)絡(luò)連接起來，三網(wǎng)并一網(wǎng)，為全社會的個(gè)人提供日常生產(chǎn)、生活各個(gè)方面的便利。在互聯(lián)網(wǎng)（Internet）上傳遞信息、交換信息，進(jìn)一步必然導(dǎo)致需要協(xié)同工作的需要，因此進(jìn)入本世紀(jì)以來，網(wǎng)上協(xié)同工作CooperatedNetworks）的需求越來越強(qiáng)烈，人們需要在不同地方共同商討同一件事情、共同設(shè)計(jì)同一架飛機(jī)、共同指揮同一場戰(zhàn)役、共同研究一項(xiàng)發(fā)明等等，由此應(yīng)運(yùn)而生地產(chǎn)生了像Webex這樣的商業(yè)信息服務(wù)平臺［1，Webex可以提供計(jì)算機(jī)網(wǎng)上協(xié)同工作的功能。計(jì)算機(jī)從科學(xué)計(jì)算到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及協(xié)同工作的發(fā)展，經(jīng)過了70年的歷程，人類正在向著信息社會闊步前進(jìn)，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更是地理信息科學(xué)的主要技術(shù)支撐之一，計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是航天技術(shù)的主要支撐之一。三、地理科學(xué)與信息技術(shù)地理科學(xué)與信息技術(shù)結(jié)合，形成地理信息科學(xué)。地理信息的信息源來自兩個(gè)方面，一是來自衛(wèi)星，二是來自地面。在地理信息科學(xué)中主要有遙感信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、地理專家信息系統(tǒng)、地理系統(tǒng)工程管理信息系統(tǒng)、地理系統(tǒng)工程輔助決策信息系統(tǒng)等。（1）遙感信息系統(tǒng)遙感信息系統(tǒng)包括遙感圖像處理系統(tǒng)、遙感影像計(jì)算機(jī)目視解譯系統(tǒng)、遙感影像群判讀系統(tǒng)、遙感信息模型系統(tǒng)等。（2）地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)包括一般地理信息系統(tǒng)、電子地圖信息系統(tǒng)、地理測繪信息系統(tǒng)、地質(zhì)灰色地理信息系統(tǒng)、人口地理信息系統(tǒng)、城市地理信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)實(shí)施地理信息系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)地理信息系統(tǒng)、資源地理信息系統(tǒng)、環(huán)境地理信息系統(tǒng)、生態(tài)地理信息系統(tǒng)、災(zāi)害地理信息系統(tǒng)等。（3）地理專家信息系統(tǒng)將人工智能引入地理信息系統(tǒng)，從而達(dá)到地理專家信息系統(tǒng)。除了地理信息系統(tǒng)外，增加地理知識庫、地理邏輯庫，構(gòu)成地理專家信息系統(tǒng)。地理專家信息系統(tǒng)包括一般地理專家信息系統(tǒng)、人口地理專家信息系統(tǒng)、城市地理專家信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)實(shí)施地理專家信息系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)地理專家信息系統(tǒng)、資源地理專家信息系統(tǒng)、環(huán)境地理專家信息系統(tǒng)、生態(tài)地理專家信息系統(tǒng)、災(zāi)害地理專家信息系統(tǒng)等。

（4）地理系統(tǒng)工程管理信息系統(tǒng)包括地理系統(tǒng)工程一般管理信息系統(tǒng)、人口管理信息系統(tǒng)、城市管理信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)實(shí)施管理信息系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)管理信息系統(tǒng)、資源管理信息系統(tǒng)、環(huán)境管理信息系統(tǒng)、生態(tài)管理信息系統(tǒng)、災(zāi)害管理信息系統(tǒng)等。（5）地理系統(tǒng)工程輔助決策信息系統(tǒng)包括地理系統(tǒng)工程一般輔助決策信息系統(tǒng)、人口輔助決策信息系統(tǒng)、城市輔助決策信息系統(tǒng)、基礎(chǔ)實(shí)施輔助決策信息系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)輔助決策信息系統(tǒng)、資源輔助決策信息系統(tǒng)、環(huán)境輔助決策信息系統(tǒng)、生態(tài)輔助決策信息系統(tǒng)、災(zāi)害輔助決策信息系統(tǒng)等。綜上所述，構(gòu)成一個(gè)完整的復(fù)雜系統(tǒng)，就是天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中包括兩大子系統(tǒng)，即對地觀測子系統(tǒng)與人地信息子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖1。決策層(Policymaker)專家層（EXpert）波譜庫（）影像庫（IB）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）用戶User，圖形庫（GB/CA規(guī)劃模型決策層(Policymaker)專家層（EXpert）波譜庫（）影像庫（IB）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）用戶User，圖形庫（GB/CA規(guī)劃模型（PM）地面數(shù)據(jù)《，）管理層（Mana人地信息系統(tǒng)M&EIS管理信息系統(tǒng)MIS）地理系統(tǒng)工程,（GS地理系統(tǒng)工]遙感信息系統(tǒng)-rSis技術(shù)層（Technician）/助決策信息系■統(tǒng)-博弈模型（GM）屬性庫數(shù)據(jù)庫知識庫邏輯庫（AB） （DB）（KB）（LB）地理信息編碼模型（GICM[地理專家信■統(tǒng)（gEiS）-地理信息系統(tǒng)GIS遙感信息模型（RSIM）（MeB）一模型庫（MoB）圖1天地人機(jī)信息一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)Fig.1Space,Earth,Man,andComputerInformationIntegratedNetworkSystem小結(jié)：本文闡述了地理信息科學(xué)的背景，包括空間科學(xué)與航天技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、地理科學(xué)與信息技術(shù)三方面的高度交叉與綜合?！军c(diǎn)評】按照評論人的理解，在地理研究和教學(xué)中系統(tǒng)地用信息技術(shù)以及相關(guān)概念和方法取代傳統(tǒng)方法，所形成的新學(xué)科叫做信息地理學(xué)。作者在這方面有獨(dú)到的研究，本文給出了簡明而系統(tǒng)的闡述，但主要屬于技術(shù)層次的內(nèi)容，理論思想方面的提煉不足。用信息觀點(diǎn)考察地理現(xiàn)象，或集中考察地理系統(tǒng)中的信息運(yùn)動，用信息科學(xué)的語言闡述地理規(guī)律，建立地理科學(xué)的新理論體系叫做地理信息學(xué)。這方面的研究屬于地理科學(xué)有待開拓創(chuàng)新的領(lǐng)域，本文尚未涉足，我們期待作者在這方面做出突破性貢獻(xiàn)。（苗東升）參考文獻(xiàn)馬藹乃，地理科學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005錢學(xué)森，創(chuàng)建系統(tǒng)學(xué)[M].太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2001HerbertA.Simon.TheSciencesoftheArtificial[M]，武夷山譯，上海：上?？萍冀逃霭嫔纾?004王迪興，準(zhǔn)全息系統(tǒng)論與智能計(jì)算機(jī)[M]，北京：長征出版社，2004W..FordandW.Topp.DataStructureswithC++[M],北京：清華大學(xué)出版社（影?。?997J.UllmanandJ.Widom.AFirstCourseinDatabaseSystems[M],北京：清華大學(xué)出版社（影?。?998R.SteinmetzandK.Nahrstedt.MultimediaComputing，CommunicationsandApplicatins[M]，北京：清華大學(xué)出版社（影?。?997ShamTickoo.AutoCAD2000AProblemSolvingApproach[M],潘宏譯,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000吳立新、史文中，地理信息系統(tǒng)原理與算法[M]，北京：科學(xué)出版社，2003鄔倫、劉瑜等編煮著，地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用[M]，北京：科學(xué)出版社，2004D.E.Comer.InternetworkingwithTCP/IP，Vol.IPrinciples，Protocols，andArchitecture[M]，北京：清華大學(xué)出版社（影?。?998D.E.ComerandD.L.Stevens.InternetworkingwithTCP/IP