地理信息科学 ppt课件.ppt

地理信息科学导论,欧业宁/13517776058,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： Geographical Information SystemESRI (Environmental system research institute) 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,地理信息科学产生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(Geographical Information Science)，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(Geomat ics)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(Geographic Information Science)地球信息科学(Geo-Information Science) 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”(IJ GIS)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”（Geographical Information Science）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（Geographical Information Science）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。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Goodch ild 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。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。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:地理信息的本质、结构、描述、分类和表达;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;地球信息的空间认知及其不确定性与可预见性; 地理信息运动过程中人的感应与行为机制; 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：空间关系；空间数据模型；空间认知；空间推理；地理信息机理；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：数据的获取和集成；分布式计算；地理信息的认知和表达；空间分析；地理信息基础设施建设；地理数据的不确定性及其对地理信息系统操作的影响；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（The US based University Consortium of Geographical Information Science，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：空间资料采集与综合；地理资料与各种基于GIS的活动中的不确定性；GIS环境中的空间分析；空间信息基础设施的未来；地理信息互操作；分布式计算；GIS与社会；比例尺；地理信息认知；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( uncertainty) 主要指数据的误差。但随着现代测量技术的迅速发展, 以及地理空间数据信息来源的多源化, 考虑误差的范围也从数字上扩大到概念上, 数据不确定性主要指数据 真实值不能被肯定的程度。从这个意义看, 数据不确定性可以看作是一种广义误差,但它比误差更具有包容性与抽象性, 既包含随机误差, 也包含系统误差; 既包含可度量的误差, 又包含不可度量的误差。因此, 数据的随机性、模糊性、未确定性等均可视为不确定性的研究内容。本课题的研究目标是推断地理数据中的误差, 并研究这种误差如何在以地理信息系统( GIS) 为基础的数据分析中传播。研究减少地理数据误差的战略, 研究GIS在日常应用中存在的误差标准。,3)GIS环境中的空间分析,随着空间分析技术本身的发展,特别是以高性能计算为基础的地理计算学的形成与发展,已使空间分析的方法论发生了根本的变革,它必将使GI 科学的空间分析功能产生质的变革。新的遥感卫星正在提供地球环境的数据, 其容量之大是前所未有的, 而且人口统计资源、社会资源和经济资源也成为可用的数据资源, 如果能够有效地使用这些巨大的数据组, 就必须设计空间分析的新方法, 而且这些新方法最好是为丰富的数据环境设计。研究分析空间、时空数据和模型的各种方法、技术和途径。,4)空间信息基础设施的未来,本课题研究的目标是将各种空间参考信息合并到各种解决问题的领域, 为教育、政府和企业这样的不同目标服务。服务的内容包括: 提供分析研究、支持与政府代理机构及非政府组织有关的空间信息政策的研究和管理; 帮助决策者估价并了解他们的信息政策决定带来的可能后果并做出可变政策的选择; 改善公众和私人方面对空间信息政策和技术能够更好地为社会需求服务的理解。,5)地理信息互操作,人们已经研制出许多地理信息处理的平台和系统, 而各个系统的设计者又采用了不同的地理信息的表示方法。因此, 如果要在这些不同的平台、系统之间有效地汇集、交换数据或共享数据文件, 就需要有各系统间的有效通讯。地理信息表示方法的相互可操作性就是研究这个方面的问题。它涉及不相容的系统或各专用系统之间的数据交换及交换标准的研究, 以及地理数据的语义、次数据( 关于数据的信息) , 和以专门领域系统之间的通讯汇集语言为基础的专门知识的研究。,6)分布式计算,参加由于分布式计算而成为新的应用和服务, 同时也要考虑每一项的成本和利益。需要对分布式计算结构应用的效果以及它们提供给GIS及地理信息的机会进行研究。目的是要为提供一个联合不同专家的法律框架发挥关键性作用, 同时, 发展和软件销售商及其它机构的伙伴关系。,7)GIS与社会,地理信息系统( GIS) 正在成为空间数据的例行分析和显示工具, 而且广泛地用于制作土地用图、运输用图、运输分析( 确定有效地运输路线和紧急情况反应) 、地理分析( 设施位置分析) 、公用事业基础图制作( 精确的气、水和电的线路图制作) 等方面, 以及自然资源估价中的多种应用( 包括水质估计和野生生命习惯的研究) 。本课题是研究GIS 技术如何影响政治、经济、法律和社会的公共机构的结构, 这些结构又如何反过来影响GIS 的发展。,8)比例尺,这里所说的比例是指信息能被观测、表示、分析和通讯的详细程度。本题目的研究集中在: 更好地理解比例如何影响人类的感觉; 如何有效地和高效率地测量并按比例表示; 如何利用比例信息判断多用途数据的适度; 如何自动改变比例并以多种比例表示数据; 比例的改变如何影响信息内容和分析。,9)地理信息认知,空间认知就是研究空间信息的处理过程, 它主要包括对地理实体及其空间关系的理解和表示。地理实体的人在是指人们对物理空间或心理空间3维物体的大小、形状、方位和距离的信息加工过程。空间关系认知研究人们怎样认识自己赖以生存的环境,包括其中的诸事物、现象的相对位置、空间分布、依存关系, 以及它们的变化和规律。地理空间包括地理知觉、地理表象、地理概念化、地理知识的心理表征和地理空间推理。涉及人类对地理现象的感知、学习、记忆、推理和通信的完整过程。人类对地理环境认知过程的研究,作为一种获取对空间关系、地理本体论的认识,理解与改进GIS的人机相互作用的方法而成为GI 科学的重要研究主题。,10)地理表达的扩展,表示地理信息的方式是研究地球表面及空间现象的任何领域中的中心问题, 与空间分析及地理现象模型紧密相连, 本课题的研究目标是:扩展目前的二维数据表示和数据模型的能力, 以便能更有效地表示三维现象和时间现象( 即时间和空间的变化) ; 应用时空理论使地球传统的静态描述转化为对过程的多维动态描述和监测分析; 通过不同时间尺度和空间尺度的组合, 解决不同尺度下地理信息的衔接、共享、融合和变化检测等问题。,4、瓦伦纽斯项目定义的研究项目,1995 年,NCGIA 向NSF 提交了一份命名为“推进地理信息科学”的研究建议,将新形成的GI科学定义为基于3 个基础研究领域的一门学科,分别是:1) 地理空间的认知模型;2) 地理概念表达的计算方法;3) 信息社会的地理学。瓦伦纽斯“三角形”颇不平衡,但建议与完成的研究报告详尽勾画了地理信息科学的当今研究水平,为学科勾画了研究前沿与未来发展走向,是西欧北美地理信息科学家最为权威的研究成果。,5、我国学者刘妙龙提出的研究主题,我国学者刘妙龙等将地理信息科学的整个研究体系划分为5个领域15个主题：1 实体论与表达：地理实体论；地理现象的表达。2 计算：定性空间推理；计算几何学；空间数据库中的有效变址、检索与搜索；空间统计学；地理计算。3 认知：地理对象认知模型；人类与地理信息和技术的相互作用。4 应用、组织与社会：地理资料的获取；地理信息的质量；空间分析；地理信息、组织和社会。5 时间与空间：时间；空间尺度比例尺。,（）实体论与表达,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?实体论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它们实施转换的过程。地理现象表达：是对现象概念化的说明，它应能为不同的使用者所接受， 能够支撑将一种资料关系自动转换成另一种关系，从一个实体域转换到其它实体域，在科学计算上能对对象进行追溯、确认、分类等的方法。寻找能够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。,（）计算,定性空间推理空间关系与空间位置的推理是人工智能领域重要的研究主题，也是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。,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，几何问题的计算与求解是早期的计算机机助制图学和GIS 中的重要内容。欧氏几何学不可能在一个精确度限定的数字环境内，以一种直接的方式实施几何计算;线形简化和地图综合的很多问题，有赖于GI 科学中的计算几何学。几何计算的理论与应用构架：一些与邻近性相关的计算几何问题， 可在Voronoi 算法、泰森( Thiessen) 多边形或邻近( Proximal) 多边形等,空间统计学,空间统计学是与地理信息科学具有密切联系的重要研究领域。空间信息的特殊性体现于空间自相关或空间相依性的无处不在。空间统计学为研究与处理空间自相关提供了有用的统计方法，如空间自相关的测度和以空间单位资料为基础进行统计分析时空间自相关作用的控制方法等。,地理计算,基于栅格的空间分析综合概念框架的地图代数，已不再是在空间信息不同表达方式基础之上实施的标准GIS 运算，本质上它是一种在相近性和局部运算基础上将地学计算问题概念化的不同方法，或许需在并行计算环境下才可以有效运行。高性能计算支持下的分形城市、细胞自动机、基于主体的城市演化模拟等地理计算新发展，正在构成GI科学的科学计算与模拟的新学科领域，成为新世纪GI 科学的研究与开发应用热点。,（3） 认知,认知模型涉及人类对地理现象的感知、学习、记忆、推理和通信的完整过程。人类对地理环境认知过程的研究，作为一种获取对空间关系、地理本体论的认识，理解与改进GIS的人机相互作用的方法而成为GI 科学的重要研究主题。,人类与地理信息和技术的相互作用,地理信息系统包括界面设计和公众参与在内的人机相互作用问题研究是GI 科学研究体系的一部分，它的重要性一方面取决于GIS 的可应用性与公众参与问题是否可以被分解成一般意义上的人机相互作用问题，这里涉及GI 科学的对象理念与工程技术设计;另一方面也取决于地理对象的认知与概念问题。将大大拓展人类认知世界的能力与水平。,（）应用、组织与社会,地理资料获取对地理空间位置与属性的理论、信息、资料等的测度与应用研究构成了GIS 研究的主体。遥感遥测技术与GPS 定位技术，成为GI 科学所研究与使用的所有地理资料和信息获取的最为有效与最为先进的技术手段，它们能保证资料的实时、多源、多尺度特点，成为GI 科学研究的基础。,地理信息的质量,地理信息的质量、精度与误差研究是GI 科学研究的重要部分。可能由于在资料获取时期的各种测度误差，或由于在GIS 资料处理过程中的各种变换误差的导入而降低资料质量。如果认知、实体论或表达方式不确切，说明与解释也有可能发生误差。资料质量的影响必须在模型灵敏度、拟合置信度等框架内首先作出确切评定，以保证GIS应用系统与GI 科学的准确与有效。,空间分析,空间分析仅仅是GI 科学在环境与社会科学中一些实际应用，空间分析的基础已为实体论、表达方法与空间统计学的有关论题所覆盖。但是，随着空间分析技术本身的发展，特别是以高性能计算为基础的地理计算学的形成与发展，已使空间分析的方法论发生了根本的变革，它必将使GI 科学的空间分析功能产生质的变革。,地理信息、组织与社会,GIS 技术的社会应用与影响是GIS 应用研究的主体。,（5）时间与空间,时间时间、运动与演化是GIS 应用最本质的东西，但迄今的GIS 软件为处理地理信息的时间维所提供的工具非常有限。 GIS 实体论从一开始就注重划分空间与时间，实际上妨碍了GIS 的科学用途与发展时间是GI 科学研究的一个完全的组成部分，是一个跨越了大多数GI 科学主题的研究课题，时间空间综合集成地理信息系统研究的兴起与发展是GI 科学发展的必然需要与表现。,空间尺度比例尺,尺度(比例尺) 这个术语往往与表示物理过程的规模、展布或特征长度相联系。尺度的变化、功能的变化、形状的变化紧密联系;尺度又与分辨率相联系，可表示能够鉴别或表达、显示或分析的最小实体的大小;,6、李德仁院士提出的地球空间信息学的七大理论问题,李德仁院士在空间信息系统的集成与实现一书中，扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题： 地球空间信息学的基准； 地球空间信息标准； 地球空间信息的时空变化理论； 地球空间信息的认知； 地球空间信息的不确定性； 地球空间信息的解译与反馈； 地球空间信息的表达与可视化。,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) 遥感信息机理;2) 地理空间认知;3) 地理空间尺度;4) 地理空间关系;5) 地理表示方法扩展;6) 地理信息不确定性;7)数据获取与集成;8) 地理可视化;,9) 空间分析方法与模型;10) 空间信息分布式计算;11) 互操作;12) 数据基础设置;13) 全球变化;14) 区域可持续发展。,在“基础研究”、“方法技术”与“应用研究”三个领域内提出了14 个研究主题,不同学者所提出的研究主题的比较,(1) 三者都提出了的研究主题有4 个,分别是:1) 资料获取；2) 表达(资料模拟) ；3) 空间分析；4) 围绕GIS的社会问题。后三个主题与NCGIA所建议的核心研究问题有很好对应关系。,不同学者所提出的研究主题的比较,(2)由二者提出了的研究主题中, 有3个在Goodchild的建议与刘妙龙所提出的论题中出现,但没有在UCGIS的建议中出现,分别是:1)计算几何学；2)空间数据库；3)空间统计学。实际上, Goodchild把这3个研究主题的前两个在“资料结构、算法与处理”这样一个综合命题下作了组合。另外有3个主题,在UCGIS和本文中出现,但Goodchild没有提及,分别是:1)本体论；2)认知；3) 资料质量。,