12第十二章地球信息科学和数字地球

第12章地球信息科学和数字地球12.1GIS和社会12.2地球信息科学12.3数字地球212.1GIS与社会12.1.1GIS的社会化GIS技术在公众生活中被广泛使用，形成GIS产业；相应的政策法规规范产业运行；教育为GIS应用提供专业人才。在GIS技术影响社会的同时，一些社会因素也影响着GIS的发展。3实验室的GIS到社会化的GIS实验室的GISGIS发展初期，它只是一门被少数科研人员所掌握的技术，他们利用各种GIS工具软件，甚至自己编写程序，处理空间数据，实现专业模型，得到服务于其研究工作的结果；GIS学者主要进行算法和数据结构方面的研究；一般公众无法意识到GIS技术可能的应用领域以及对社会生活带来的影响4企业化GIS计算机计算技术的发展和应用的普及，特别是网络技术和数据库技术的成熟，许多机构开始应用地理信息系统进行空间信息的管理，进而实现空间决策支持，以提高工作效率，减少企业运行成本。5企业化GIS应用初期，其应用主要集中于一些经常要处理和使用空间数据的部门，包括土地，市政设施管理等，这些部门的业务数据具有“强”的空间分布特性，如地块数据，管网数据等，采用GIS对其业务进行管理是“自然”的需求。6社会化的GIS随信息技术应用的普及，许多其他领域的机构开始采用GIS：商场采用GIS分析不同区域客户的购物倾向；无线通信部门利用GIS确定其发射台站的覆盖范围和覆盖效率；交通部门使用GIS分析交通流量。在上述机构中，空间数据只是信息系统中数据的一部分，如客户、雇员数据，具有“弱”的空间分布特性，GIS与其它系统集成在一起，服务于其业务。78GIS社会化的影响GIS社会化、“全球化”、“大众化”等，它们描述了GIS社会化的不同侧面。“大众化”是GIS社会化的主要方面，指GIS技术已经融入到人们的日常生活中，潜移默化的改变着人们的生活方式。汽车导航、野外探险和旅游、银行信用卡管理、商家经营分析、保险赔偿分析等，人们生活的各个方面，GIS都可在其中发挥作用。9影响GIS发展的因素数字计算技术GIS的发展与计算机技术发展有着密切的联系，计算机技术的演化路径影响着GIS的发展；社会的发展各个机构能够有效的组织和管理生产以及有效的分发货物和服务，计算机技术，包括GIS技术，是实现这些目标的主要途径。11.1.2社会对GIS发展的影响10影响GIS发展的因素社会特别是军事部门，对于全球定位需求的紧迫程度；私营企业主导GIS开发的程度；潜在的客户希望采用GIS解决的问题和他们预期的付出；影响数据可用性和成本的因素；利用地理学对GIS的开发和应用进行评估。1111.2.1地球信息科学相关概念地理信息科学（GeographicalInformationScience），地球测量（Geomatics，），地球信息学（Geo-Informatics），地球信息科学（Geo-informationScience）等，这些概念提出的时间还都不长，其含义存在交叉，目前国内对其确切的译名有些也存在着争论。11.2地球信息科学12地理信息科学1992年Goodchild提出；与地理信息系统相比，它更加侧重于将地理信息视作为一门科学；主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题。13Geomatics（地球测量）利用各种手段，通过一切途径获取和管理在空间基础信息生产管理过程中的空间参考数据部分的科学与技术。包括大地测量、地籍测量、摄影测量与测深等传统测绘领域以及遥感和空间信息系统等新领域；认为是测绘学应现代社会对空间信息有极大需求这一特点提出的一个更全面、更综合的学科体系。14地球信息科学3S集成化技术系统，为解决区域范围更广，复杂性更高的现代地学问题提供新的分析方法和技术保证。全球变化（GlobalChange）和可持续发展（SustanableDevelopment）等方面的研究促成了地球信息科学的产生。15研究机构不断出现NCGIA、UCGIS、CentreofGeo-Informatics资源与环境信息系统国家重点实验室测绘遥感信息工程国家重点实验室新的教育机构不断出现，传统的学科更新ITC于1988年成立Geo-Informatics专业，Laval大学、Calgary大学GeomaticEngineering多种国际专业期刊出版，国际学术会议不断召开加拿大Geomatics、德国Geo-Informatics、英国Int.J.ofGeographicalInformationScience等11.2.2地球信息科学的形成16科学背景技术背景应用背景现代科学发展地球科学信息化地球信息科学的形成信息科学发展全球定位系统对地观测系统地理信息系统信息网络系统学科交叉集成技术全球变化研究区域可持续发展综合研究17地球信息科学是一门新兴的交叉学科地理学制图学大地测量学地球科学地球系统科学空间信息技术空间信息科学信息科学计算机科学等经济学社会学政治学地球空间信息科学18基础理论应用研究技术方法通过对地球圈层间信息的形成、变化机制及其传输过程的研究，来揭示地球空间信息的机理包括空间数据获取和处理方法技术、空间信息模拟分析方法技术、空间信息辅助决策分析方法技术分为全球变化与区域可持续发展两大应用领域学科体系的认识11.2.3地球信息科学的研究体系19地球信息科学的科学体系地球空间信息基础理论遥感信息机理地理时空认知地理信息表达与分析地理信息尺度、不确定性空间数据基础设施区域农业区域工业区域经济区域社会地球空间信息科学理论技术应用气候变化自然灾害人类活动环境生态空间信息共享图像处理系统地理信息系统空间辅助决策系统模型分析与辅助决策遥感技术全球定位系统信息获取可持续发展全球变化2011.2.4地球信息科学的内涵深入研究：地球系统内部多源信息的获取、传输、处理、感受、响应与反馈的信息机理与信息流过程；揭示：地球复杂、开放巨系统各圈层的相互作用与影响；阐明：人地系统、全球变化、区域可持续发展中的物质流、能量流与信息流的全过程及其时空分布与变化规律；目的：为宏观调控、规划决策与工程设计提供全方位的信息服务。21全球变化监测与研究环境污染与生态变化监测灾害预测与灾情评估农业规划决策与生产管理经济与社会可持续发展的规划决策与管理城市规划与现代化管理资源清查与管理11.2.5地球信息科学的应用前景2211.3.1数字地球产生背景及概念数字地球基本概念数字地球（DigitalEarth,DE）的概念最早出现于1997年下半年，1998年戈尔在一次演讲中将数字地球正式提出。11.3数字地球23数字地球概念的三个方面数字化的三维显示的虚拟地球，或信息化的地球，包括数字化、网络化、智能化和可视化的地球技术系统；实施数字地球计划，需要政府、企业和学术界的共同协力参加。实施数字地球计划是社会的行为，需要全社会的关心和支持；数字地球是一次新的技术革命，将改变人类的生产和生活方式，进一步促进科学技术的发展和推动社会经济的进步。24数字地球产生的背景数字地球的提出是建立在人类科学技术发展成果的基础上，有其深刻的科学、社会和经济背景。（1）科学背景理论基础：地理信息科学，地球信息科学等一系列学科的发展；技术支持：对地观测系统以及计算机网络的发展；推动作用：全球变化和可持续发展的研究。25（2）社会背景信息时代产生了信息社会、数字生存与数字经济，在全球化与地球村的背景下，社会对于全球信息的要求更加迫切。社会对全球信息的迫切需求为数字地球的诞生起催化作用。26（3）经济背景美国提出数字地球这一战略思想，从经济的角度来看，主要是为了复苏美国经济，刺激国内经济发展。美国近年来经济持续增长、失业率下降得益于信息技术及产业的发展，美国政府要通过数字地球继续把持信息技术和信息产业的制高点，推动经济发展。2711.3.2数字地球的基本框架与研究内容数字地球的学科性质：由地球系统科学与信息科学技术高度综合的学科，是位于两者之间的边缘学科。数字地球的研究对象：与地球有关的信息理论、信息技术及信息应用模型。数字地球的研究方法：侧重运用现代信息技术，包括遥感、遥测、数据库和信息系统、宽带网及仿真与虚拟技术的综合，包括信息化的全部过程。（1）数字地球的特征与性质28数字地球的特色：为地球科学的知识创新与理论深化研究开创实践条件，为信息科学技术的研究和开发提供科学试验基地。数字地球的服务对象：为全球、全国、城市、区域、资源、环境、社会、经济、减灾、可持续发展、科技与教育、行政及管理等开展全面性的服务。29三个组成部分：基础理论、技术体系和应用领域。（2）数字地球的基本框架30NSDI：国家空间信息基础设施NII：国家信息基础设施EOS:对地观测系统GOIN：全球观测信息网络31科学计算海量存储宽带网卫星数据获取元数据互操作11.3.3数字地球的核心技术32高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术卫星遥感是数字地球获取数据的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陆地卫星系列、海洋卫星系列、气象卫星系列以及小卫星系列，其分辨率从0.27米到4000米。高分辨率卫星每天都要产生大量的数据，对这些数据自动的、快速的处理以及实时、准确地提取信息是实现数字地球信息获取的关键。33地球空间数据的存储和处理目前分布式数据存储是海量数据管理的趋势，可以避免集中式系统带来的管理困难以及网络拥塞；目前通常采用超大型计算机或者并行计算以实现快速处理。34超媒体空间信息系统数字地球的主要任务之一是通过因特网实现信息的共享和发布，主要通过WebGIS技术实现。数字地球应用中包含大量多媒体数据，也需要在因特网上发布，形成超媒体空间信息系统。大量的数据在网络上传输，造成网络拥塞，这需要高带宽网络解决该问题。35地理信息的分布式计算地理信息具有分布特征，并且具有基础性、共享性和综合性，分布式计算可以使得地理信息应用于社会各个领域。地理信息的分布计算服务包括：（1）地理信息的共享领域服务为社会各个领域的应用提供地理信息服务，提供共享和集成的基础。（2）空间查询服务包括通过元数据实现信息检索，属性、几何、空间关系等各个方面的查询。36（3）空间分析服务实现空间信息提取，地理特征分析，图像理解，图像开发等服务。（4）空间制图服务包括空间坐标转换服务，地理注记服务，图像处理服务，特征综合服务，创建影像地图服务等等，其目的是为了直观的表现空间信息。（5）地理信息的特定任务服务为地理信息领域特定用户提供有针对性的服务，主要为地理信息的获取、地理信息的建立和维护服务（地理数据的管理服务）。37无比例尺数据库以一个大比例尺数据库为基础数据源，在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减，即可以由大比例尺空间数据自动生成较小比例尺的数据。无比例尺数据库的技术关键是自动制图综合，在该领域目前已有许多研究，但是都难以达到令人满意效果。38空间数据仓库概念：支持管理和决策过程的、面向主题的、集成的和随时间变化的、持久的和具有空间坐标的地理数据的集合。空间数据仓库的目的：处理积累的海量空间数据，抽取有用信息，并提供决策支持。39空间数据仓库的主要任务–求精过程：将来源、结构、格式不同的原始数据，进行标准化、过滤与匹配、精化、标明时间戳和确认数据质量的处理；–根据任务的需要，进行数据的集成与分割、概括与聚集、预测与推导、翻译与格式化、转换与再映象处理；–进行数据仓库的建模、概括、聚集、调整与确认及建立结构化查询等等。40空间数据融合(Fusion)概念：多种数据合成后，不再保存原来的数据，而产生一种新的综合数据，如假彩色合成影像。数字地球的多种数据融合，包括多种分辨率数据，多维数据以及不同类型数据的融合，并且需要将融合得到的数据进行可视化表现，通常是将数据叠加在数字高程模型上，形成三维立体景观影像。41虚拟现实技术概念运用计