第1章 地球信息科學的產(chǎn)生及發(fā)展

第一章地球信息科學的產(chǎn)生與發(fā)展地球信息科學引論授課人：張喜旺TheCollegeofEnvironmentandPlanningofHenanUniversity河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院E-mail：zxiwang@163.com主要內(nèi)容1地球信息科學的形成基礎2地球信息科學的形成和發(fā)展歷程學科基礎技術基礎社會需求基礎萌芽階段形成階段發(fā)展階段

1地球信息科學的形成基礎地球信息科學是在信息時代的召喚下，經(jīng)過許多學科的交叉、滲透和融合以及現(xiàn)代技術的高度集成而形成的，具有堅實的學科基礎和技術基礎以及鮮明的時代背景。

1地球信息科學的形成基礎1.1學科基礎地圖學地球科學信息科學系統(tǒng)科學……地球信息科學地球信息科學是地球科學的分支學科，脫胎于地圖學，形成與眾多學科的交叉領域。

1.1學科基礎（1）地圖學地圖學是一門古老的學科，主要研究用圖像或符號的形式表示地球空間信息的方法和技術以及這種信息的傳播和轉換的規(guī)律。

另外，地圖是地球科學的第二語言，具有公式化、抽象化、符號化等基本性質和形象直觀性、地理方位性、幾何精確性等基本特點，以及信息傳輸、信息載負、地圖模擬、地圖認知等基本功能，這些都與地球信息科學的主要技術——GIS的部分特點和功能相一致。地圖隨著時代的變化在不斷變換。

1.1學科基礎（1）地圖學原始地圖古代地圖近代地圖

1.1學科基礎（1）地圖學現(xiàn)代地圖

1.1學科基礎（1）地圖學地圖制圖地圖測繪與地圖編制全數(shù)字化計算機制圖地球信息獲取大地測量自動遙感遙測技術體系地球信息處理圖形顯示信息存儲、分析、模擬、預測和共享地球信息科學是在地圖學的現(xiàn)代化過程中形成的。

1.1學科基礎（2）地球科學地球科學是一個龐雜的學科體系，以地球系統(tǒng)(包括大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和日地空間)的過程與變化及其相互作用為研究對象的基礎學科。主要包括地理學(含土壤學與遙感)、地質學、地球物理學、地球化學、大氣科學、海洋科學和空間物理學以及新的交叉學科（地球系統(tǒng)科學、地球信息科學）等分支學科。地球科學是一個大題目，縱橫幾萬里，上下數(shù)億年，幾乎輻射到自然科學的其他各個領域。

1.1學科基礎（2）地球科學地球的結構地球的外部結構地球的內(nèi)部結構

1.1學科基礎（2）地球科學地球信息科學脫胎于地圖學，而地圖學是地球科學的一個技術性學科分支，是地球科學的第二語言。脫胎于地圖學的地球信息科學也從地球科學的其他分支學科汲取豐富的營養(yǎng)。地球信息科學與其他地球科學分支都是研究地球系統(tǒng)的科學。

1.1學科基礎（2）地球科學地球信息科學借鑒其他分支學科的思維模式和研究范式；地球信息科學主要研究地球系統(tǒng)的空間信息結構和信息流，以地球系統(tǒng)物質、能量結構和流動的理論和研究方法為學科基礎；地球科學的集成化發(fā)展趨勢為地球信息科學的產(chǎn)生和發(fā)展奠定了堅實的基礎。

1.1學科基礎（3）信息科學信息科學是研究信息及其運動規(guī)律的科學，研究內(nèi)容包括：信息的基本概念與本質；信息的數(shù)值量度方法；信息的提取、識別、變換、傳遞、存儲、檢索、處理、再生、表示、控制等過程的一般規(guī)律；利用信息流描述系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的方法和原理；人類學習知識，處理知識，利用知識的機制以及智能的一般規(guī)律。

1.1學科基礎（3）信息科學地球信息科學是信息科學的一個分支，它主要研究地球空間信息，信息科學的快速發(fā)展是推動其形成和發(fā)展的直接動力，其中現(xiàn)代地球空間信息技術的作用尤其重要。

1.1學科基礎（4）系統(tǒng)科學系統(tǒng)科學以系統(tǒng)為研究對象，主要研究系統(tǒng)的類型、結構、性質和運動規(guī)律。系統(tǒng)科學理論和方法的引入和應用極大地推動了地球科學的發(fā)展。

1.1學科基礎（4）系統(tǒng)科學系統(tǒng)科學從以下幾個方面影響地球科學的發(fā)展：1.系統(tǒng)思想和系統(tǒng)方法的應用影響地球科學思維模式和研究范式；2.由于系統(tǒng)科學的影響，許多地球科學分支學科都把研究對象看作一個系統(tǒng)；3.系統(tǒng)科學的觀點和方法極大的發(fā)展了地球系統(tǒng)信息流的研究領域，加快了地球信息研究的發(fā)展步伐；4.系統(tǒng)工程為地球信息工程的設計和建設提供了最優(yōu)化的運作程序和實施方案。

1地球信息科學的形成基礎1.2技術基礎地球信息科學是一門技術驅動性學科，一系列現(xiàn)代信息技術為地球科學提供了全新的研究手段，導致地球科學的研究范圍、內(nèi)容、性質和方法發(fā)生了巨大變化，標志著地球科學的一場革命，為地球信息科學的產(chǎn)生和發(fā)展鋪平了道路。

1地球信息科學的形成基礎1.2技術基礎遙感技術全球定位系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)信息傳輸技術集成技術空間分析與模擬技術……地球信息科學

1.1技術基礎（1）遙感遙感是指在遠離目標，不與目標接觸的情況下，利用目標的電磁波信號識別、量測和分析目標性質的技術。遙感是目前能在全球范圍進行快速觀測的唯一手段。

1.2技術基礎（1）遙感遙感技術系統(tǒng)

1.2技術基礎（1）遙感遙感平臺與波段星載機載車載

1.1技術基礎（1）遙感遙感具有強大的信息獲取與處理能力，為地球科學的發(fā)展和人類社會的進步提供了巨大的信息資源潛力，是人類有可能將地球大氣圈、水圈、生物圈及巖石圈作為一個完整的、開放的系統(tǒng)來研究?？梢哉f，遙感技術促進了地球信息科學的產(chǎn)生。

1.1技術基礎（2）全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)是一套用來確定地球空間位置的空間技術體系，主要包括地面控制部分（主控站、地面天線、監(jiān)測站、和通訊輔助系統(tǒng)組成）、空間衛(wèi)星部分（由6個軌道平面上的24顆衛(wèi)星組成）和用戶部分（有GPS接收機和衛(wèi)星天線組成）。

1.2技術基礎（2）全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)的組成

1.1技術基礎（2）全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的建設和運行，目前已經(jīng)發(fā)展成為多領域、多模式、多用途、的國際性高新技術體系和產(chǎn)業(yè)，可以實現(xiàn)全天侯和全球性的高精度無線導航、定位和定時，用途十分廣泛。

1.2技術基礎（2）全球定位系統(tǒng)在地球科學中，GPS主要用于大氣物理觀測、地球物理和資源探測、工程測量、地殼變形和運動監(jiān)測、市政規(guī)劃控制、水文地質測量以及海平面升降監(jiān)測等地球系統(tǒng)觀測領域，是地球信息獲取技術體系的重要組成部分，對地球信息科學的形成有重要的支撐作用。

1.2技術基礎（3）地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)是20世紀60年代在計算機科學、地理學、測量學和地圖學等多門學科的基礎上發(fā)展起來的地理空間信息技術系統(tǒng)，其核心是計算機技術，基本技術是數(shù)據(jù)庫、地圖可視化及空間分析技術。

1.2技術基礎（3）地理信息系統(tǒng)

1.2技術基礎（3）地理信息系統(tǒng)近年來，地理信息系統(tǒng)在理論化、共享化和實用化的發(fā)展趨勢中，形成了由理論、技術、工程和應用四個層次組成的研究體系，遠遠超出了地理信息系統(tǒng)所能涵蓋的技術研究領域，由此形成地球信息科學的研究領域。

1.2技術基礎（4）信息傳輸技術信息傳輸技術推動了開放地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)的形成和發(fā)展，促進了地球空間信息和信息技術共享，加快了地球信息科學的形成與發(fā)展步伐；信息圈的規(guī)劃和設計以及信息圈中的信息流也為地球信息科學的工程領域增加了新的研究內(nèi)容。

1.2技術基礎（5）模擬模擬是通過對客觀實體觀測、類比、分析、概括、抽象而建立與客觀實體物理、化學、生物、力學以及時間和空間同構的模型的技術體系。計算機技術、數(shù)學方法以及系統(tǒng)科學理論和方法的引入使地學中的模擬技術快速發(fā)展，一方面推動了地球科學的快速發(fā)展，另一方面也促進了地球信息科學的形成。

1.2技術基礎（6）計算機集成技術計算機集成技術是現(xiàn)代地球信息科學中最主要的技術之一，它的出現(xiàn)和發(fā)展對地球信息科學的產(chǎn)生和發(fā)展有巨大的推動作用。集成技術主要包括數(shù)據(jù)集成、地球信息系統(tǒng)集成和地球信息技術體系集成。

數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成是對多個數(shù)據(jù)集進行全部或部分的調整、轉化、疊加和合成等操作。數(shù)據(jù)經(jīng)過操作后仍保持原來數(shù)據(jù)的特征，如果經(jīng)過操作后產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)，則稱為數(shù)據(jù)融合。

數(shù)據(jù)集成的目的是形成充分兼容的空間、時間和屬性上無縫的數(shù)據(jù)庫。它既包括對柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等異類數(shù)據(jù)的集成，也包括對遙感、地面觀測和社會統(tǒng)計等異源數(shù)據(jù)的集成，還包括對不同尺度數(shù)據(jù)的集成。

地球信息系統(tǒng)集成地球信息系統(tǒng)集成既包括地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫、地圖可視化技術系統(tǒng)和空間分析系統(tǒng)等模塊的集成，也包括地理信息系統(tǒng)與應用模型庫系統(tǒng)的集成，還包括不同地理信息系統(tǒng)之間的集成。地理信息系統(tǒng)中各個模塊的集成是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)中的基本技術，它不但推動了現(xiàn)代地圖學理論、方法和技術的發(fā)展，而且還促進了地理信息系統(tǒng)功能由計算機輔助制圖向地球空間信息管理、空間分析和模擬以及輔助決策的方向轉變。地理信息系統(tǒng)與應用模型庫系統(tǒng)的集成一方面進一步深化了地理信息系統(tǒng)的理論研究，另一方面組成了一個較為完整的地球科學研究系統(tǒng)，形成了地球信息科學的核心技術體系。隨著網(wǎng)絡技術和互操作技術的推進，開放式地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)相繼問世，它們的發(fā)展極大地推動了地理信息系統(tǒng)的工程化趨勢，拓展了地球信息科學工程和應用層次的研究領域。

地球信息技術體系的集成地球信息技術體系集成是根據(jù)地球系統(tǒng)中信息流的特征，按照應用目的的要求，把相應的地球空間信息技術有機地整合成一個完整的技術系統(tǒng)，該系統(tǒng)可稱為地球信息技術集成系統(tǒng)，具有技術有機結合、通信在線連接、數(shù)據(jù)實時處理和系統(tǒng)完整協(xié)調的特點。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展及其相互間的滲透，以地理信息系統(tǒng)為核心的技術集成化程度越來越高，為解決區(qū)域范圍更廣、復雜性更高的現(xiàn)代地學問題提供了新的分析方法和技術保證，同時，這些現(xiàn)代信息技術的綜合發(fā)展及其應用的日益深化，最終促使了“地球信息科學”的產(chǎn)生。

1.3社會需求基礎在現(xiàn)代信息社會，數(shù)量龐大、類型繁多的地球空間信息需要專門的學科和技術給予研究，地球科學和信息科學在交叉和融合的過程中所形成的一系列地球信息技術不斷集成和融合，形成了完整的地球信息科學學科體系。地球科學研究的各個環(huán)節(jié)都需要地球信息技術支持；地球系統(tǒng)科學的發(fā)展也需要建立地球信息科學；社會和經(jīng)濟的發(fā)展中有關地球科學問題的研究需要以地球信息科學為基礎，并以現(xiàn)代信息技術為手段。

地球科學研究的各個環(huán)節(jié)全球性的研究對象需要全球性的實時觀測系統(tǒng)；在現(xiàn)代地球科學中，數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)象解釋一方面需要根據(jù)研究目的，對數(shù)據(jù)進行篩選、分類、處理，由于涉及的數(shù)據(jù)量往往非常大，數(shù)據(jù)處理工作常常需要地理信息系統(tǒng)技術的支持；現(xiàn)代地球科學的研究對象往往是非常復雜的巨系統(tǒng)，模型的建立和方程的求解是非常困難的；結果的驗證和預報一方面需要大量的觀測數(shù)據(jù)，并進行對比分析，另一方面需要大量計算；

1.3社會需求基礎在現(xiàn)代信息社會，數(shù)量龐大、類型繁多的地球空間信息需要專門的學科和技術給予研究，地球科學和信息科學在交叉和融合的過程中所形成的一系列地球信息技術不斷集成和融合，形成了完整的地球信息科學學科體系。地球科學研究的各個環(huán)節(jié)都需要地球信息技術支持；地球系統(tǒng)科學的發(fā)展也需要建立地球信息科學；社會和經(jīng)濟的發(fā)展中有關地球科學問題的研究需要以地球信息科學為基礎，并以現(xiàn)代信息技術為手段。主要內(nèi)容1地球信息科學的形成基礎2地球信息科學的形成和發(fā)展歷程學科基礎技術基礎社會需求基礎萌芽階段形成階段發(fā)展階段

2地球信息科學的形成與發(fā)展歷程地球信息科學萌芽于地圖學，形成于地球信息技術的集成、融合、拓展和分化過程之中，并在地球信息技術發(fā)展以及社會和科學推動下，在地球科學、信息科學和系統(tǒng)科學的交叉領域取得了迅速發(fā)展。近50年來，經(jīng)歷了萌芽、形成和發(fā)展階段。

2地球信息科學的形成與發(fā)展歷程2.1學科萌芽階段20世紀50-70年代早期，地球信息科學的萌芽主要表現(xiàn)在三個方面：一批早期的地理信息系統(tǒng)相繼建立；地理信息系統(tǒng)商業(yè)軟件的研制開始起步；許多與GIS有關的組織和機構紛紛建立。

2地球信息科學的形成與發(fā)展歷程2.1學科萌芽階段處于萌芽階段的現(xiàn)代地球信息科學具有五個明顯的特點：基本上是個技術領域；功能主要為計算機輔助制圖，地學分析功能極為簡單；地理信息系統(tǒng)處于獨立開發(fā)狀態(tài)；研究重點集中在空間信息數(shù)字技術和制圖自動化技術；發(fā)展速度極大地依賴于計算機技術的進步。

2地球信息科學的形成與發(fā)展歷程2.2學科形成階段20世紀70年代中期到90年代初期，隨著計算機技術和數(shù)據(jù)庫技術的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)對地理空間數(shù)據(jù)的處理速度與能力取得突破性進展。地球信息技術的發(fā)展出現(xiàn)了集成化、理論化、工程化、社會化、智能化等發(fā)展趨勢，地球信息科學的研究內(nèi)容、技術和方法以及應用領域都發(fā)生了巨大變化，學科體系逐步形成。

2地球信息科學的形成與發(fā)展歷程2.2學科形成階段

研究內(nèi)容的變化主要表現(xiàn)為研究領域的分化。隨著信息源、信息量、信息技術以及信息系統(tǒng)的迅速增加以及信息集成、系統(tǒng)集成和技術體系集成的快速推進，一方面地球信息技術出現(xiàn)了理論化的發(fā)展趨勢；另一方面地球信息技術出現(xiàn)了工程化的趨勢，他們推動了地球信息科學學科體系的形成步伐。

2地球信息科學的形成與發(fā)展歷程2.2學科形成階段地球信息技術的發(fā)展表現(xiàn)在許多方面：信息獲取技術的進步；衛(wèi)星遙感技術，全球定位系統(tǒng)……信息集成技術的進步；遙感影像自動識別，空間分析技術，專業(yè)應用模型……地理信息系統(tǒng)功能的進步。

地理信息系統(tǒng)的