地理信息科学

地理信息科学总论地理信息科学总论大纲•授课人：马金辉、刘勇、颉耀文•第一讲地理信息科学及其优先研究领域•第二讲空间分析理论基础•第三讲空间数据库•第四讲空间数据挖掘与知识发现•第五讲地理信息可视化续•第六讲遥感影像信息分析的基本理论、方法和目的•第七讲遥感数据基本特征•第八讲遥感信息机理•第九讲遥感影像分类与模式识别•第十讲定量遥感续•第十一讲地理空间数学基础•第十二讲地图制图基本原理•第十三讲地图分析与应用•第十四讲全球导航定位系统•第十五讲“3S”集成方法与应用第一讲地理信息科学及其优先发展领域第一节地理信息科学的概念第二节地理信息科学的优先研究领域第一节地理信息科学的概念一、地理信息系统二、地理信息科学三、地理信息科学的学科体系一、GIS的定义GIS：GeographicalInformationSystemESRI(Environmentalsystemresearchinstitute)的定义：地理信息系统是计算机硬件、软件、地理数据和人的有机组合，用来有效地获取、存储、更新、处理、分析和显示所有与地理（空间）有关的各类信息。黄杏元的定义地理信息系统既是管理和分析空间数据的应用工程技术，又是跨越地球科学、信息科学和空间科学的应用基础学科。其技术系统由计算机硬件、软件和相关的方法过程所组成，用以支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。张超的定义以地理空间数据库为基础，在计算机软、硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、分析、模拟和显示；并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策而建立起来的计算机技术系统。二、地理信息科学的概念1.地理信息科学产生2.地理信息科学的定义1、地理信息科学的产生地理信息科学(GeographicalInformationScience)，80年代中期作为测绘、遥感和地理信息系统及其相关研究领域和机构的称谓出现。如，加拿大Laval大学(1986年)和荷兰国际航空摄影与地学学院(ITC)(1989年)相继成立以“地理信息科学”命名的系或专业。我国武汉测绘科技术大学也在1988年创建了地理信息工程专业。地理信息科学作为一门新兴学科的正式术语较早出现在Laurini(劳里尼)和Goodchild等人的有关文献之中。相类似但又不相同的科学名词•地球信息技术(Geomatics)•地球信息机理(Geo-Informatics)•图像测量学(Iconicmetry)、•图像信息(Iconic-Informatics)、•地理信息科学(GeographicInformationScience)•地球信息科学(Geo-InformationScience)等。1）、地理信息科学产生和发展的技术驱动因素•地理信息科学的提出是地理信息系统技术及应用发展到相当水平后的必然要求,它是在人不再满足于仅仅利用计算机技术来对地理信息进行可视化表达及其空间查询,而强调地理信息系统的空间分析和模拟能力时产生的;•它在注重地理信息技术发展的同时,还注意到了与地理数据、地理信息有关的其他一些理论问题,如地理数据的不确定性、地理信息的认知、社会对于地理信息技术运用于实践的认可等。•地理信息科学在地理信息技术研究的同时,还指出了对于支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。2）、地理信息科学产生的科学背景•本世纪50年代末,随着数学和统计方法的引入,地理学经历了的数量革命。但数量革命只不过以数学语言或定量模型描述地表现象的形态法则,并没有从根本上改变经典地理学的认知模式和透视力度,它所刻画的地表模型仍然只是一个具有总体分布特征和简单相互关系的地理对象集合。•定量革命以后,一部分研究者转向物质流、能量流和人流本身的机制研究。•是经典地理学的继承与发展——二是科学融合与地理综合思潮的逻辑扩展（地理科学的综合性和统一性）注重地球表层物质与能量的迁移和转化研究,如对地球物理过程、生物地球化学过程等的研究,进而形成规范、系统的生态环境研究。考虑区域对生产要素流动的影响,注重人的需求,着重揭示隐藏在人文现象背后的各种利益机制，包括城市与区域经济研究，空间经济学、空间经济模拟。继承地理学悠久的描述传统,吸纳数量革命的科学成果,在信息科学和技术的平台上向着揭示地表信息机理的方向前进,形成了地理信息科学。2、地理信息科学的概念•1990年，Goodchild在瑞士苏黎世举行的第四次空间资料处理学术大会上，对GIS研究的优先领域作了一次名为“空间信息科学”的关键演讲。经过修改后的文章定名为“地理信息科学”，发表在“国际地理信息科学”(IJGIS)杂志上。第一次提出“地理信息科学”的概念（1992年）。•“地理信息科学”（GeographicalInformationScience）的概念，将其定义为:•信息科学有关地理信息的一个分支。NSF的定义（1999）•地理信息(GI)科学是一为追求重新定义地理概念和在地理信息系统中成功应用的基本研究领域。•地理信息科学将深入研究以空间信息为主要研究对象的一些传统科学，如地理学、地图学、大地测量学中的最基本命题，同时将结合在认知与信息科学中的一些最新发展；•将与某些较为专门的研究领域，如计算机科学、统计学、数学、心理学、政治科学、人类学等相互交叠，在地理信息和社会应用研究中利用这些领域的知识；•研究地理信息系统对于社会与公众的影响,研究社会对于GIS的影响。我国学者的定义地理信息科学（GeographicalInformationScience）是一门从信息流的角度研究地球表层人地关系系统的地理学科。其目的在于揭示地理信息发生、采集、传输、表达和应用的机理,研制开发各种地理信息技术系统,为人地系统的认知、研究与调控提供科学依据和手段,促进人地系统的持续发展。地理信息流-物质流-能量流-人流•地理信息是地球系统内部物质流、能量流和人流的一种运动状态和运动方式；•由于地球系统信息流依附于物质流、能量流和人流而存在,即以物质流、能量流和人流为载体,因此,可以通过研究地球系统信息流来认识和理解地球物质流、能量流和人流的运动规律,并通过对于地球系统信息流的模拟来获得对于物质流、能量流和人流调控的科学依据3、学科性质地理信息科学是研究地理信息，特别是数字化的地理信息及其应用的理论、技术的多学科的领域。其发展和地理学、地图学、大地测量学、计算机科学、信息科学、数学、统计学、感知科学的研究领域相交，和他们的发展紧密相关(图1)。三、地理信息科学的学科体系目前不同的学者对地理信息科学的研究内容和体系存在不同看法。1.一种从地理信息科学的技术驱动和应用驱动出发,强调围绕地理信息技术系统来定义和把握地理信息科学。如Goodchild认为地理信息科学是关于围绕地理信息系统技术的应用,防碍其成功实施,或对其潜在能力的理解中出现的一般性问题的研究,是地理信息系统技术背后的科学,它所要解决的是蕴涵在地理信息系统之中的一整套科学问题。2.另一种观点更多地强调地球信息机理的研究,指出地球系统是一个各圈层之间通过物质流、能量流与信息流相互作用、相互联系的复杂巨系统,要求注重研究信息流的地球动力学机制与时空特性。3.还有的学者认为地理信息科学的研究内容应包括地理信息机理、全球定位系统理论与应用研究、遥感理论与技术研究、地理信息系统理论与技术、“3S”集成理论、技术与应用等几个部分。地球信息机理地球信息的结构特征、性质与表达；地球圈层间信息传输机理及过程；地学信息传输的不确定性与预测性；地球信息流的动力学机制等等地球系统科学物质流能量流信息流地理信息科学理论技术应用地球信息技术信息获取/监测信息模拟信息传播/建设区域可持续发展区域农业区域工业区域经济区域社会全球变化气候变化、自然灾害人类活动、环境生态对地观测系统遥感技术全球定位系统地面台站网络信息模拟系统地理信息系统空间辅助决策系统信息基础设施建设因特网信息高速公路地理信息科学的科学体系（据陈述彭等，2000）地理信息科学的科学体系1）．理论地理信息科学地理信息科学的本质是揭示和模拟地理信息运动过程的内在机理,地球信息机理也是其理论研究的主体。其内容包括:1.地理信息的本质、结构、描述、分类和表达;2.地理信息传输机制、物理过程及其增益与衰减以及信息流的形成机理;3.地球信息的空间认知及其不确定性与可预见性;4.地理信息运动过程中人的感应与行为机制;5.地理信息运动机器模拟的一般性问题，如地球信息模拟物质流、能量流和人流相互作用关系的时空转换特征;2）．技术地理信息科学研究如何描述、处理地理信息的技术。技术系统是地理思维的物化和地理知识的载体,是地理信息运动机理研究的语言和手段,也是地理信息应用和建设的现代工具。地理信息技术是地理信息科学的研究手段。其内容包括:遥感全球定位系统地理信息系统空间信息基础设施等支撑技术的开发研究。3）．应用地理信息科学•在地理信息技术的支撑下,将地理信息应用于空间分析和空间规划,为全球变化和区域的持续发展决策服务,指导人类的实践活动。全球变化与区域可持续发展是其主要应用研究领域。其内容包括:(1)人口、资源、环境、经济和社会的区域规划与管理；(2)地理信息工程建设。•其根本目标在于将地理信息和地理信息技术应用于人类的科学决策,实现区域可持续发展。第二节、地理信息科学的研究领域和主题1、NCGIA针对地理信息科学的研究重点2、Goodchild提出的研究主题3、UCGIS提出的研究主题4、瓦伦纽斯项目定义的研究项目5、我国学者提出的研究主题6、李德仁院士提出的地球空间信息学的七大理论问题7、中国国家自然科学基金委员会在2001年11月出版的“地球空间信息科学”基金优先资助领域1、NCGIA针对地理信息科学的研究重点•80年代中期,美国国家自然科学基金委员会（NSF）支持成立了美国国家地理信息与分析中心（NCGIA）针对地理信息科学的研究重点：1.空间关系；2.空间数据模型；3.空间认知；4.空间推理；5.地理信息机理；6.地理信息不确定性等。空间关系和空间推理•空间关系与空间位置的推理是GI科学中的重要领域。空间关系的认知模型与语言模型涉及诸如接触、包容这样的定性拓扑原理。•对于空间对象不相交的空间关系,可用距离和方向等来表征;•空间对象接触或叠置时,空间关系可用在点集理论基础之上拓展的多种相交图式来表达。2、Goodchild提出的研究主题1992年，Goodchild在提出地理信息科学的概念时，提出了一系列基本理论问题和技术问题作为地理信息科学的研究主题，如：1.数据的获取和集成；2.分布式计算；3.地理信息的认知和表达；4.空间分析；5.地理信息基础设施建设；6.地理数据的不确定性及其对地理信息系统操作的影响；7.地理信息系统的社会实践等等。3、UCGIS提出的研究主题1997年，美国大学地理信息科学联合会（TheUSbasedUniversityConsortiumofGeographicalInformationScience，简称UCGIS，成立于1994年）提出了如下10个课题作为地理信息科学的研究主题：①空间资料采集与综合；②地理资料与各种基于GIS的活动中的不确定性；③GIS环境中的空间分析；④空间信息基础设施的未来；⑤地理信息互操作；⑥分布式计算；⑦GIS与社会；⑧比例尺；⑨地理信息认知；⑩地理表达的扩展等。1)空间资料采集与综合•每个新的数据集和每个所采集的新数据项,只有当它们能够正确地与其它所获得的数据相配合时才能够被正确地使用。数据的集成正日益表现出它的重要性。•两种不同类型的精度的存在造成了集成任务的复杂性；•数据集成的类似问题也发生在数据集之间的边界上。•融合（conflation）提供了一种技术,这种技术以对共同特征的认识为基础,能够实现地理数据集成自动化和对几何位置和属性类型的调整。许多不同类型的地理数据,从数字化地图到数字影像,都需要融合技术。2)地理资料与各种基于GIS的活动中的不确定性•空间数据不确定性(uncertain