12第十二章-地球信息科學(xué)和數(shù)字地球

1、第12章 地球信息科學(xué)和數(shù)字地球,12.1GIS和社會 12.2地球信息科學(xué) 12.3數(shù)字地球,2,12.1GIS與社會,12.1.1GIS的社會化 GIS技術(shù)在公眾生活中被廣泛使用，形成GIS產(chǎn)業(yè)；相應(yīng)的政策法規(guī)規(guī)范產(chǎn)業(yè)運(yùn)行；教育為GIS應(yīng)用提供專業(yè)人才。在GIS技術(shù)影響社會的同時，一些社會因素也影響著GIS的發(fā)展。,3,實驗室的GIS到社會化的GIS 實驗室的GISGIS發(fā)展初期，它只是一門被少數(shù)科研人員所掌握的

2、技術(shù)，他們利用各種GIS工具軟件，甚至自己編寫程序，處理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)專業(yè)模型，得到服務(wù)于其研究工作的結(jié)果；GIS學(xué)者主要進(jìn)行算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面的研究；一般公眾無法意識到GIS技術(shù)可能的應(yīng)用領(lǐng)域以及對社會生活帶來的影響,4,企業(yè)化GIS 計算機(jī)計算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的成熟，許多機(jī)構(gòu)開始應(yīng)用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行空間信息的管理，進(jìn)而實現(xiàn)空間決策支持，以提高工作效率，減少企業(yè)運(yùn)行成本。,5,企業(yè)化GIS應(yīng)用初

3、期，其應(yīng)用主要集中于一些經(jīng)常要處理和使用空間數(shù)據(jù)的部門，包括土地，市政設(shè)施管理等，這些部門的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)具有“強(qiáng)”的空間分布特性，如地塊數(shù)據(jù)，管網(wǎng)數(shù)據(jù)等，采用GIS對其業(yè)務(wù)進(jìn)行管理是“自然”的需求。,6,社會化的GIS 隨信息技術(shù)應(yīng)用的普及，許多其他領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)開始采用GIS：商場采用GIS分析不同區(qū)域客戶的購物傾向；無線通信部門利用GIS確定其發(fā)射臺站的覆蓋范圍和覆蓋效率；交通部門使用GIS分析交通流量。在上述機(jī)構(gòu)中，空間數(shù)據(jù)只是

4、信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一部分，如客戶、雇員數(shù)據(jù)，具有“弱”的空間分布特性，GIS與其它系統(tǒng)集成在一起，服務(wù)于其業(yè)務(wù)。,7,8,GIS社會化的影響GIS社會化、“全球化”、“大眾化”等，它們描述了GIS社會化的不同側(cè)面。“大眾化”是GIS社會化的主要方面，指GIS技術(shù)已經(jīng)融入到人們的日常生活中，潛移默化的改變著人們的生活方式。汽車導(dǎo)航、野外探險和旅游、銀行信用卡管理、商家經(jīng)營分析、保險賠償分析等，人們生活的各個方面，GIS都可在其中發(fā)揮作

5、用。,9,影響GIS發(fā)展的因素 數(shù)字計算技術(shù)GIS的發(fā)展與計算機(jī)技術(shù)發(fā)展有著密切的聯(lián)系，計算機(jī)技術(shù)的演化路徑影響著GIS的發(fā)展；社會的發(fā)展各個機(jī)構(gòu)能夠有效的組織和管理生產(chǎn)以及有效的分發(fā)貨物和服務(wù)，計算機(jī)技術(shù)，包括GIS技術(shù)，是實現(xiàn)這些目標(biāo)的主要途徑。,11.1.2社會對GIS發(fā)展的影響,10,影響GIS發(fā)展的因素 社會特別是軍事部門，對于全球定位需求的緊迫程度；私營企業(yè)主導(dǎo)GIS開發(fā)的程度；潛在的客戶希望采用GIS解決的問

6、題和他們預(yù)期的付出；影響數(shù)據(jù)可用性和成本的因素；利用地理學(xué)對GIS的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行評估。,11,,11.2.1地球信息科學(xué)相關(guān)概念 地理信息科學(xué)（Geographical Information Science），地球測量（Geomatics，），地球信息學(xué)（Geo-Informatics），地球信息科學(xué)（Geo-information Science）等，這些概念提出的時間還都不長，其含義存在交叉，目前國內(nèi)對其確切的譯名有些也存

7、在著爭論。,11.2地球信息科學(xué),12,地理信息科學(xué)1992年Goodchild提出；與地理信息系統(tǒng)相比，它更加側(cè)重于將地理信息視作為一門科學(xué)；主要研究在應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)對地理信息進(jìn)行處理、存儲、提取以及管理和分析過程中提出的一系列基本問題。,13,Geomatics（地球測量） 利用各種手段，通過一切途徑獲取和管理在空間基礎(chǔ)信息生產(chǎn)管理過程中的空間參考數(shù)據(jù)部分的科學(xué)與技術(shù)。包括大地測量、地籍測量、攝影測量與測深等傳統(tǒng)測繪領(lǐng)域以

8、及遙感和空間信息系統(tǒng)等新領(lǐng)域；認(rèn)為是測繪學(xué)應(yīng)現(xiàn)代社會對空間信息有極大需求這一特點(diǎn)提出的一個更全面、更綜合的學(xué)科體系。,14,地球信息科學(xué) 3S集成化技術(shù)系統(tǒng)，為解決區(qū)域范圍更廣，復(fù)雜性更高的現(xiàn)代地學(xué)問題提供新的分析方法和技術(shù)保證。全球變化（Global Change）和可持續(xù)發(fā)展（Sustanable Development）等方面的研究促成了地球信息科學(xué)的產(chǎn)生。,15,,研究機(jī)構(gòu)不斷出現(xiàn) NCGIA、UCGIS、Centr

9、e of Geo-Informatics 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室 測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實驗室 新的教育機(jī)構(gòu)不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的學(xué)科更新 ITC于1988年成立Geo-Informatics專業(yè)，Laval大學(xué)、Calgary大學(xué)Geomatic Engineering多種國際專業(yè)期刊出版，國際學(xué)術(shù)會議不斷召開 加拿大Geomatics、德國Geo-Informatics、英國Int. J

10、. of Geographical Information Science等,11.2.2地球信息科學(xué)的形成,16,17,,,,地球信息科學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科,,,地理學(xué)制圖學(xué)大地測量學(xué),地球科學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué),空間信息技術(shù)空間信息科學(xué)信息科學(xué)計算機(jī)科學(xué) 等,,經(jīng)濟(jì)學(xué),社會學(xué),政治學(xué),地球 空間 信息科學(xué),18,,基礎(chǔ)理論,應(yīng)用研究,技術(shù)方法,通過對地球圈層間信息的形成、變化機(jī)制及其傳輸過程的研究，來揭示地球空間

11、信息的機(jī)理,包括空間數(shù)據(jù)獲取和處理方法技術(shù)、空間信息模擬分析方法技術(shù)、 空間信息輔助決策分析方法技術(shù),分為全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展兩大應(yīng)用領(lǐng)域,學(xué) 科 體 系 的 認(rèn) 識,,,,11.2.3地球信息科學(xué)的研究體系,19,地球信息科學(xué)的科學(xué)體系,,地球空間信息基礎(chǔ)理論,,空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施,區(qū)域農(nóng)業(yè),區(qū)域工業(yè),區(qū)域經(jīng)濟(jì),區(qū)域社會,地球空間信息科學(xué),理論,技術(shù),應(yīng)用,氣候變化,自然災(zāi)害,人類活動,環(huán)境生態(tài),,空間信息共享,,圖像處理

12、系統(tǒng),地理信息系統(tǒng),空間輔助決策系統(tǒng),,模型分析與 輔助決策,,遙感技術(shù),全球定位系統(tǒng),,信息獲取,可持續(xù)發(fā)展,全球變化,,,,20,11.2.4地球信息科學(xué)的內(nèi)涵,深入研究：地球系統(tǒng)內(nèi)部多源信息的獲取、傳輸、處理、感受、響應(yīng)與反饋的信息機(jī)理與信息流過程；揭示：地球復(fù)雜、開放巨系統(tǒng)各圈層的相互作用與影響；闡明：人地系統(tǒng)、全球變化、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中的物質(zhì)流、能量流與信息流的全過程及其時空分布與變化規(guī)律；目的：為宏觀調(diào)控、規(guī)劃決策與

13、工程設(shè)計提供全方位的信息服務(wù)。,21,,全球變化監(jiān)測與研究環(huán)境污染與生態(tài)變化監(jiān)測災(zāi)害預(yù)測與災(zāi)情評估農(nóng)業(yè)規(guī)劃決策與生產(chǎn)管理經(jīng)濟(jì)與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策與管理城市規(guī)劃與現(xiàn)代化管理資源清查與管理,11.2.5地球信息科學(xué)的應(yīng)用前景,22,,11.3.1數(shù)字地球產(chǎn)生背景及概念 數(shù)字地球基本概念數(shù)字地球（Digital Earth,DE）的概念最早出現(xiàn)于1997年下半年，1998年戈爾在一次演講中將數(shù)字地球正式提出。,11.3數(shù)

14、字地球,23,數(shù)字地球概念的三個方面 數(shù)字化的三維顯示的虛擬地球，或信息化的地球，包括數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化的地球技術(shù)系統(tǒng)；實施數(shù)字地球計劃，需要政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的共同協(xié)力參加。實施數(shù)字地球計劃是社會的行為，需要全社會的關(guān)心和支持；數(shù)字地球是一次新的技術(shù)革命，將改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，進(jìn)一步促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和推動社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步。,24,數(shù)字地球產(chǎn)生的背景數(shù)字地球的提出是建立在人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展成果的基礎(chǔ)上，有其深刻的

15、科學(xué)、社會和經(jīng)濟(jì)背景。（1）科學(xué)背景理論基礎(chǔ)：地理信息科學(xué)，地球信息科學(xué)等一系列學(xué)科的發(fā)展；技術(shù)支持：對地觀測系統(tǒng)以及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展；推動作用：全球變化和可持續(xù)發(fā)展的研究。,25,（2）社會背景信息時代產(chǎn)生了信息社會、數(shù)字生存與數(shù)字經(jīng)濟(jì)，在全球化與地球村的背景下，社會對于全球信息的要求更加迫切。社會對全球信息的迫切需求為數(shù)字地球的誕生起催化作用。,26,,（3）經(jīng)濟(jì)背景美國提出數(shù)字地球這一戰(zhàn)略思想，從經(jīng)濟(jì)的角度來看，主要

16、是為了復(fù)蘇美國經(jīng)濟(jì)，刺激國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。美國近年來經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長、失業(yè)率下降得益于信息技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國政府要通過數(shù)字地球繼續(xù)把持信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。,27,11.3.2數(shù)字地球的基本框架與研究內(nèi)容,數(shù)字地球的學(xué)科性質(zhì)：由地球系統(tǒng)科學(xué)與信息科學(xué)技術(shù)高度綜合的學(xué)科，是位于兩者之間的邊緣學(xué)科。數(shù)字地球的研究對象：與地球有關(guān)的信息理論、信息技術(shù)及信息應(yīng)用模型。數(shù)字地球的研究方法：側(cè)重運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，包括遙感、遙測

17、、數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)、寬帶網(wǎng)及仿真與虛擬技術(shù)的綜合，包括信息化的全部過程。,（1）數(shù)字地球的特征與性質(zhì),28,數(shù)字地球的特色：為地球科學(xué)的知識創(chuàng)新與理論深化研究開創(chuàng)實踐條件，為信息科學(xué)技術(shù)的研究和開發(fā)提供科學(xué)試驗基地。數(shù)字地球的服務(wù)對象：為全球、全國、城市、區(qū)域、資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)、減災(zāi)、可持續(xù)發(fā)展、科技與教育、行政及管理等開展全面性的服務(wù)。,29,三個組成部分：基礎(chǔ)理論、技術(shù)體系和應(yīng)用領(lǐng)域。,（2）數(shù)字地球的基本框架,30,NSD

18、I：國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施NII：國家信息基礎(chǔ)設(shè)施 EOS:對地觀測系統(tǒng) GOIN：全球觀測信息網(wǎng)絡(luò),31,科學(xué)計算海量存儲寬帶網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取元數(shù)據(jù)互操作,11.3.3數(shù)字地球的核心技術(shù),32,高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的快速獲取技術(shù) 衛(wèi)星遙感是數(shù)字地球獲取數(shù)據(jù)的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陸地衛(wèi)星系列、海洋衛(wèi)星系列、氣象衛(wèi)星系列以及小衛(wèi)星系列，其分辨率從0.27米到4000米。高分辨率衛(wèi)星每天都要產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，

19、對這些數(shù)據(jù)自動的、快速的處理以及實時、準(zhǔn)確地提取信息是實現(xiàn)數(shù)字地球信息獲取的關(guān)鍵。,33,地球空間數(shù)據(jù)的存儲和處理 目前分布式數(shù)據(jù)存儲是海量數(shù)據(jù)管理的趨勢，可以避免集中式系統(tǒng)帶來的管理困難以及網(wǎng)絡(luò)擁塞；目前通常采用超大型計算機(jī)或者并行計算以實現(xiàn)快速處理。,34,超媒體空間信息系統(tǒng) 數(shù)字地球的主要任務(wù)之一是通過因特網(wǎng)實現(xiàn)信息的共享和發(fā)布，主要通過WebGIS技術(shù)實現(xiàn)。數(shù)字地球應(yīng)用中包含大量多媒體數(shù)據(jù)，也需要在因特網(wǎng)上發(fā)布，形成超媒

20、體空間信息系統(tǒng)。大量的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，這需要高帶寬網(wǎng)絡(luò)解決該問題。,35,地理信息的分布式計算 地理信息具有分布特征，并且具有基礎(chǔ)性、共享性和綜合性，分布式計算可以使得地理信息應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域。,地理信息的分布計算服務(wù)包括：（1）地理信息的共享領(lǐng)域服務(wù)為社會各個領(lǐng)域的應(yīng)用提供地理信息服務(wù)，提供共享和集成的基礎(chǔ)。（2）空間查詢服務(wù) 包括通過元數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息檢索，屬性、幾何、空間關(guān)系等各個方面的查詢。,36,（3

21、）空間分析服務(wù) 實現(xiàn)空間信息提取，地理特征分析，圖像理解，圖像開發(fā)等服務(wù)。（4）空間制圖服務(wù) 包括空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)，地理注記服務(wù)，圖像處理服務(wù)，特征綜合服務(wù)，創(chuàng)建影像地圖服務(wù)等等，其目的是為了直觀的表現(xiàn)空間信息。（5）地理信息的特定任務(wù)服務(wù)為地理信息領(lǐng)域特定用戶提供有針對性的服務(wù)，主要為地理信息的獲取、地理信息的建立和維護(hù)服務(wù)（地理數(shù)據(jù)的管理服務(wù)）。,37,無比例尺數(shù)據(jù)庫 以一個大比例尺數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，在一定區(qū)域內(nèi)空間對

22、象的信息量隨比例尺變化自動增減，即可以由大比例尺空間數(shù)據(jù)自動生成較小比例尺的數(shù)據(jù)。無比例尺數(shù)據(jù)庫的技術(shù)關(guān)鍵是自動制圖綜合，在該領(lǐng)域目前已有許多研究，但是都難以達(dá)到令人滿意效果。,38,空間數(shù)據(jù)倉庫 概念：支持管理和決策過程的、面向主題的、集成的和隨時間變化的、持久的和具有空間坐標(biāo)的地理數(shù)據(jù)的集合?？臻g數(shù)據(jù)倉庫的目的：處理積累的海量空間數(shù)據(jù)，抽取有用信息，并提供決策支持。,39,,空間數(shù)據(jù)倉庫的主要任務(wù)求精過程：將來源、結(jié)構(gòu)、格式

23、不同的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、過濾與匹配、精化、標(biāo)明時間戳和確認(rèn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的處理；根據(jù)任務(wù)的需要，進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成與分割、概括與聚集、預(yù)測與推導(dǎo)、翻譯與格式化、轉(zhuǎn)換與再映象處理；進(jìn)行數(shù)據(jù)倉庫的建模、概括、聚集、調(diào)整與確認(rèn)及建立結(jié)構(gòu)化查詢等等。,40,空間數(shù)據(jù)融合(Fusion) 概念：多種數(shù)據(jù)合成后，不再保存原來的數(shù)據(jù)，而產(chǎn)生一種新的綜合數(shù)據(jù)，如假彩色合成影像。數(shù)字地球的多種數(shù)據(jù)融合，包括多種分辨率數(shù)據(jù)，多維數(shù)據(jù)以及不同類型數(shù)據(jù)的融合

24、，并且需要將融合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表現(xiàn)，通常是將數(shù)據(jù)疊加在數(shù)字高程模型上，形成三維立體景觀影像。,41,虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)生成一個逼真的，具有視覺、聽覺和觸覺等效果的可交互、動態(tài)的“世界”，人們可對該虛擬世界中的虛擬實體進(jìn)行操縱和考察；用戶與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的交互利用數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)頭盔、數(shù)據(jù)衣等進(jìn)行，而VR系統(tǒng)通過視覺描繪器，聽覺描繪器，觸覺描繪器使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。,虛擬現(xiàn)實(VR,Virtual Reality)

25、技術(shù),42,,在數(shù)字地球中采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以非常真實地表達(dá)現(xiàn)實地理區(qū)域，而用戶可以在所選擇的地理帶內(nèi)和外自由移動。GIS、虛擬現(xiàn)實及Web技術(shù)的結(jié)合方式：VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實造型語言)；利用VRML描述GIS信息，可以在因特網(wǎng)上發(fā)布空間三維數(shù)據(jù)供用戶瀏覽。,43,元數(shù)據(jù)（Metadata） 為保證信息不被誤用，需要通過Metadata對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的描述；數(shù)