地球信息科学

一．地理信息系统到地理信息科学地球信息科学是在上世纪八九十年代形成的，随着信息技术、通信技术、航天遥感、导航定位技术的发展，在本世纪地球空间信息学将形成海陆空天一体化的传感器网络并与全球信息网格相集成，从而实现自动化、智能化和实时化地回答何时（When）、何地（Where）、何目标（WhatObject）发生了何种变化（WhatChange），并且把这些时空信息（即4W）随时随地提供给每个人，服务到每件事（4A服务-Anyone,AnythingAnytimeandAnywhere）。1.地球信息科学的学科体系地球空间信息基础理论u遥感信息机理u地理时空认知u地理信息表达、分析u地理信息尺度、不确定性空间数据基础设施u区域农业u区域工业u区域经济u区域社会地球空间信息科学u理论u技术u应用u气候变化u自然灾害u人类活动u环境生态空间信息共享u图象处理系统u地理信息系统u空间辅助决策系统模型分析与辅助决策u遥感技术u全球定位系统信息获取可持续发展全球变化地球空间信息基础理论u遥感信息机理u地理时空认知u地理信息表达、分析u地理信息尺度、不确定性u遥感信息机理u地理时空认知u地理信息表达、分析u地理信息尺度、不确定性空间数据基础设施u区域农业u区域工业u区域经济u区域社会地球空间信息科学u理论u技术u应用u气候变化u自然灾害u人类活动u环境生态空间信息共享u图象处理系统u地理信息系统u空间辅助决策系统模型分析与辅助决策u遥感技术u全球定位系统信息获取可持续发展全球变化2.地球信息科学的特点™在空间上是观测地球的整体；™在时间上是长期的；™在时序上是连续的；™在时相上是同步的、协调的；™在技术上是遥感、地理信息系统、全球定位系统及其相关技术的集成。3.地球信息科学的理论基础™地球空间认知理论™地球空间信息标准™地球空间信息时空变化™地球空间信息基准™地球空间信息不确定性™地球空间信息表达和可视化4.地球信息科学的技术体系™空间定位技术™遥感技术™地理信息系统技术™通讯技术5.地球空间信息科学的优先发展领域(1)、Ontologyandrepresentation实体论与表达1)Ontologyofthegeographicdomain地理实体论实体论研究客观世界存在的是什么，有可能存在什么，为什么能存在？试图提供一种能维系现实世界中符号（实例）与类型（种类）相一致的正式理论，探索它们之间的相互关系和将他们实施转换的过程。地理信息科学实体论研究：地理信息和地理概念。provideaconsistentformaltheoryoftokens(instances)andtypes(kinds)intherealworld,theirrelationships,andtheprocessesthatmodifythem2)Formalrepresentationofgeographicinformation地理现象的表达找到能抓住地理现象本质的数字（学）公式，通过基于GIS的资料表达、模拟与挖掘，完成地理现象与实体的有效表达。findingdigitalformalismsthatcancapturetheessenceofgeographicphenomena(2)、Computation计算3)Qualitativespatialreasoning定量空间推理空间关系与空间位置的推理是人工智能和GI领域重要的研究主题4)Computationalgeometry计算几何学计算几何学是地理空间对象和关系定量表达的基础5)Efficientindexing,retrieval,andsearchingeographicdatabases空间数据库中的有效变址、检索与搜索6)Spatialstatistics空间统计学7)Othergeocomputationtopics地理计算¾dataminingandknowledgediscover¾Heuristics¾fuzzycomputation¾Fractals¾neuralnetworks¾artificialintelligence¾artificialimmunesystem¾geneticalgorithms¾cellularautomata¾antalgorithms¾parallelcomputing¾gridcomputing(3)、Cognition认知8)地理对象认知模型：人类对地理现象的感知、学习、记忆、推理和通信的完成过程。Cognitivemodelsofgeographicphenomena(humanperception,learning,memory,reasoningandcommunicationofandaboutgeographicphenomena)9)人类与地理信息和技术的相互作用HumaninteractionwithgeographicinformationandtechnologyGIS的可应用性公众参与问题可否被分解成一般意义上的人机相互作用问题(4)、Applications,institutions,andsociety应用，组织与社会10)Acquisitionofgeographicdata---Geomatics地理资料获取11)Qualityofgeographicinformation地理信息质量12)Spatialanalysis空间分析13)Geographicinformation,institutions,andsociety地理信息应用，组织与社会(5)、Crosscuttingresearchthemes14)Time15)Scale二、技术进展(一)、信息化社会的特点1、信息化社会1）e战略主要是指采用信息通信技术，实施信息化、数字化的经济社会发展战略计划。“e战略”中的“e”是”electronic”的字头，指“电子化”。如电子政府（e-Government）、电子商务（e-Business）等。“e”化即“电子化”，通常被表述为客观世界的任何对象实体、现象、规律或过程，经数字编码后可以输入计算机，进行各种运算、管理和虚拟表达，可通过无线或有线通讯网络传输的信息技术的普及化或社会化的过程。2）“u战略”（ubiquitous，意指无所不在的、泛在的）。u取代“e”用来表述21世纪将是信息技术应用无所不在、信息化泛在的信息社会。从“e”到“u”，是整个信息化战略框架的深刻转变。“u战略”是面向经济社会的信息化大融合，它要实现的是“泛在”的社会信息化目标，它将使信息化无所不在的、无所不包、无所不能。2.无线数字城市信息化从e战略到u战略的发展过程，主要集中表现在城市信息化或数字城市的发展方面，其中u-城市（又称“无线数字城市”）简称“无线城市”，已成为城市信息化的大趋势.无线城市是指将城市的基本要素（包括基础地理、基础设施和基本动能等）经数字化后，由计算机和信息通信网络（尤其是无线网络）进行分析、管理.(二)、时空数据获取特点时空信息获取的天地一体化和全球化时空信息加工与处理的自动化、智能化与实时化时空信息管理和分发的网格化时空信息服务的大众化(三)遥感技术1.遥感技术的主要发展趋势（1）概念摄影测量（photogrammetry，150年前）→遥感（remotesensing，40年前）→摄影测量与遥感（remotesensing&photogrammetry，20年前）→遥感科学与技术（remotesensingscienceandtechnology，当代）狭义地，遥感科学与技术属于对地观测（Earthobservation）体系的组成部分（2）平台与观测技术的发展从单一传感器、单一平台、单一观测技术→多传感器、多平台、多角度，三高（高分辨率、高光谱、高时相）方向发展；民用空间分辨率可高达0.62m，军用的高达10cm；光谱分辨率可达nm级；小卫星群的重访周期为1－3天；机载、星载SAR卫星日益普及，提供全天候、全天时的观测能力。（3）定位技术的发展（ｗｈｅｒｅ）目标定位是遥感技术需要解决的根本任务之一，传统的定位技术需大量ＧＣＰ和精确配准；利用DGPS与INS惯导系统，可以获得航空航天影像传感器的位置与姿态，实现定点摄影和无地面控制的高精度对地观测和三维重建；将DGPS、INS和LIDAR集成，可实现无地面控制的实时三维测量；（4）处理技术的发展从影像中提取地物目标，解决其属性和语义（what)是遥感的另一个重要任务；目标识别从传统的目视判读到目前常用的人机交互判读，正在向自动化和智能化方向发展；影像识别和分类不再限于统计分类，基于结构和纹理的分析方法正被引入；影像融合技术、数据压缩技术继续成熟；大规模影像库的建设带来影像检索技术和无缝影像库的发展；空间数据挖掘用于遥感图象解译．（5）遥感应用领域的拓展传统的遥感民用领域从资源调查开始（MSS），但随着遥感数据向三高方向发展，应用领域越来越广；利用多时相影像发现土地利用变化、军事上的打击效果评估，农业作物估产、林业资源调查、自然灾害监测、全球和局部环境监测；利用高分辨率影像提取城市交通道路网络；高光谱遥感在精准农业中的应用。2.小卫星的优势™开发周期短，研制快，造价低；从设计、制造、发射、在轨运行全过程一般只需1—2年。™发射快；可以运用多种运载和发射工具。™由于小卫星的低成本，易形成星座，提高连续覆盖或立体观测能力；小卫星获取信息的周期短，方便了空间信息的获取与使用。™飞行轨道低，实现高分辨率遥感成像。3.无人驾驶飞行器无人驾驶飞行器是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人驾驶飞行器结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的侦察、空中救援指挥和遥感监测。4.全球综合对地观测系统（GEOSS）♦2002年约翰内斯堡世界可持续发展峰会，强调了有关地球状况协调观测的迫切要求；♦2003年5月在法国埃斐昂举行的八国首脑峰会确认地球观测应该是优先的活动；5.美国的地球观测计划20世纪80年代，美国宇航局（NASA），地球系统科学（earthsystemscience,ESS）1999，NASA，地球观测系统（earthobservingsystem，EOS）（四）地球信息系统1.GIS前沿问题包括：（1）基于对等计算机制的空间信息分布式协同计算机理研究；（2）面向社会化的综合解析研究；（3）空间信息分布式协同计算支撑平台技术研究；（4）空间信息处理系统的自动测试研究；（5）网络环境下的GIS全局空间索引技术研究；（6）基于网络的空间信息处理事务研究；（7）网络环境下空间数据一致性问题研究；（8）空间服务的负载均衡与容错研究等。2.GIS中通过数据库存储与管理遥感影像数据的主要模式有哪些？（1）纯关系型数据库的存储管理。通过二进制大对象（BinaryLargebject,BLOB）存储整个栅格数据文件，未定义栅格数据类型，每次需将数据加载到内存进行处理，该模式针对不同应用需要重新设计存储模式，数据与应用高度耦合，且数据处理效率低下（2）在客户端为关系型数据库扩充地理栅格数据模型的存储管理方式。内部数据仍通过BLOB存储，但在客户端自定义了地理栅格数据类型来统一数据访问接口，从而形成一套可复用的栅格数据模型，为用户屏蔽了数据库存储的复杂性，避免了数据存储模式的重复设计，是现在较常见的地理栅格数据解决方案，针对该模式存在许多基于不同平台和方法的实现，但此方式过多依赖应用程序接口和特定的客户端交互平台，部署起来复杂且缺乏灵活性。（3）从对象关系数据库内部扩充地理栅格数据类型和GeoSQL函数的存储管理方式。此方式在DBMS服务器端扩充栅格数据类型并定义GeoSQL函数而非API以控制数据访问，不需要额外的客户端便可通过SQL方便地操纵栅格数据。由于GeoSQL基于OGC的新的空间查询语言扩展规范，通过GeoSQL来操纵地理栅格数据在DBMS中的存储和管理的研究和实现还很少