地理信息科学理论与技术.pptx

地理信息科学理论与技术,内容,上篇：地理信息科学的理论与方法一、地理信息科学的提出二、地球系统理论的发展三、地理信息科学的孕育和发展四、几个重要概念的解释五、地理信息科学的特征六、地理信息科学基本框架七、地理信息科学的方法论,内容,八、GIS的时空观九、社会科学的空间表达观十、GIS中时间维和空间数据库十一、空间数据概括和多重表达十二、空间可视化表达十三、数据质量问题十四、上篇总结,内容,下篇：地理信息科学的技术一、地理信息共享平台技术二、地图缓存与瓦片地图、数据压缩三、富客户端（RIA）技术四、地理数据尺度转换技术五、地理数据库的更新技术,主要参考书：1、地理信息科学的理论与方法王会让著 2、地理信息科学方法论齐清文著其他参考资料：1、期刊文献资料 2、会议资料,上篇：地理信息科学的理论与方法,一、地理信息科学的提出 1、地理信息科学与地理学密不可分。地理学是研究地球表面地理环境的结构分布、发展变化的规律性以及人-地关系的学科。已经经历了近代地理学和现代地理学两个发展阶段。地理学是研究地理环境的科学。地理环境可以划分为：自然环境、经济环境和社会文化环境。,上篇：地理信息科学的理论与方法,按照研究的对象，地理学的分类：自然地理学、人文地理学、系统地理学、区域地理学、历史地理学和应用地理学。自然地理学研究自然环境或其组成要素的特征、分异、及其变化发展的规律。人文地理学研究人-地关系的规律性。系统地理学研究地理环境或人-地关系的整体或某一地理要素的结构、分布及其发展变化的规律性。,上篇：地理信息科学的理论与方法,区域地理学以一个区域为研究对象，探讨各类地理要素之间的关系，以揭示区域特点、区域差异和区域关系。历史地理学研究历史时期地理现象和人地关系的地理分布、演变及其发展规律。应用地理学研究某一特殊问题的地理因素、分布、演变规律及其规则，具有边缘学科的性质。如环境地理学、医学地理学、经济地理学、行为地理学等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,地理学发展的三个阶段:第一阶段是地理学定量分析为特点（Geometry）；第二阶段以图形学为特点，注重数量的空间关系（Graphics），进一步因大地测量、遥感、摄影测量、GPS的融入，发展到Geomatics；第三阶段开始引入GIS，借助GIS来研究地理问题。以至于产生“地理信息科学”的概念。,上篇：地理信息科学的理论与方法,随着信息技术的发展，地理学的概念、内涵、研究对象、学科特点发生了重大变化。取得了一系列重大研究成就。如地域分异规律和区域系统研究、地表自然过程的综合研究、人-地系统与区域发展研究、GIS的建立和应用研究等。现代地理学正从静态的定性描述，向动态的定量分析，由理论向实践，由宏观向微观发展。从发展来看，需要把握地理空间认知模型、地理概念的计算机实现和信息社会的地理学三大战略领域。,上篇：地理信息科学的理论与方法,地理科学更加注重与现代科学技术的融合。如高分辨率的对地观测系统、高灵敏度和高准确度的分析测试系统、不同条件下的实验模拟系统等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,20世纪中叶以后，地理学的理论框架体系和地理学的计量化有了很大的发展。如学者提出的计量地理学、理论地理学、系统地理学、应用地理学、实验地理学等。钱学森提出的地球表层学或地理科学，主张用“定性-定量-定性”的综合集成方法，研究复杂、开放的巨型系统地球系统。,上篇：地理信息科学的理论与方法,2、地理信息科学的提出来自三种观点：（1）地理信息科学是信息社会的地理学思想，地理计算或地理信息处理，强调使用计算机完成地理数值模拟和地学符号推理，辅助人类完成地理空间决策。地理科学是研究地理信息的出发点,也是地理信息研究的归宿。,上篇：地理信息科学的理论与方法,（2）地理信息科学是面向地理空间数据处理的信息科学分支,从信息科学概念出发,地理信息科学的定义为地理信息的收集、加工、存储、传输和利用的科学。（3）地理信息是人类对地理空间的认知，地理信息科学是人们直接或间接地(借助计算机等)认识地理空间后形成的知识体系。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析的过程中逐步完善形成了地理信息科学技术体系。地理信息科学是一门从信息流的角度，研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其时空变化规律的科学。,上篇：地理信息科学的理论与方法,3、GIS与地理学的关系（1）地理学与GIS密不可分，两者形成完美结合。地理学的进一步研究，需要GIS的支持。GIS软件的开发需要对地理问题的深入认识。两者的结合，互相促进了二者的发展。地理信息科学的理论体系、研究方法、学科地位的建立和完善，有利于地理学家对瞬时信息进行定性分析、空间信息的定位分析、时间信息的趋势分析、环境信息的综合分析。,上篇：地理信息科学的理论与方法,（2）地理信息的虚拟分析与研究得以发展 网络GIS和虚拟现实技术的发展和结合，使数据量巨大、结构复杂的图形、图像、音频、视频等多源数据的处理与传输成为现实。在地学理论的研究中，上述技术和理论的完善，可使地理学家通过所建立的虚拟境界，亲自感受和认知复杂的，关于地质。地貌、水文、气象、土壤、植被等的空间关系和物理关系，深化对其内部关系和机理的认识。,上篇：地理信息科学的理论与方法,（3）数值模拟和定量化研究不断加强 RS、GIS、GPS等研究手段，和分形学、混沌学、神经网络等研究方法论的发展，使人们从非线形角度，均质性和异质性、稳定性和变异性、渐变性和突变性等角度出发，用数学模型、计算机动态模拟技术，从更加量化和动态的深度，去刻画和阐明区域地理要素及其综合属性、地理过程等成为可能。人们对地理现象和地理过程的数值模拟和定量化研究的进展，使人们对地理系统的认识更加深刻。,9.14,上篇：地理信息科学的理论与方法,二、地球系统理论的发展 根据陈述彭院士对地球系统的理论研究，地球系统的理论基础有3个：（1）地球系统的非均衡性理论。是地球系统信息流形成的基础。（2）地球系统的耗散结构理论。（3）地球系统的引力场理论。后两个是形成地球系统信息流的热力和动力。共同形成信息流的过程。,上篇：地理信息科学的理论与方法,由于地球系统中普遍存在着物质和能量的分布不均衡现象，以及由这种不均衡现象产生的位能、势能和压强差的存在，因此，就产生了物质的扩张、滚动、流动、蠕动及坠落过程和能量的辐射、传导和扩散过程。即形成了物质和能量流。信息流就贯穿于这个物质和能量流的整个过程。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在地理系统中，物质和能量流的流量、流速、和流向，取决它们在时空分布的非均衡程度。即它们的高与低、多与少、强与弱之差。即位能、势能、动能及压强之差。在信息科学中，与物质和能量相伴而生、相伴而存在的信息，是物质和能量在时空分布的不均衡特征造成的。信息流又是物质和能量的时空分布的不均衡的性质、特征和状态的表征。因此，信息是物质和能量状态的标志。,上篇：地理信息科学的理论与方法,研究地球系统离不开信息，研究系统的结构、功能离不开信息。系统各部分之间的联系往往是通过信息流来实现物质和能量的交换。信息流的时空特征，特别是畅通程度，是衡量一个系统结构化程度和系统发展水平的有效尺度。信息本身是无形的。它既不同于物质，也不同于能量。但一经形成，必然依附于载体而存在，使无形成为有形。这就是在生活中，信息常常以文字、符号、图形、图像、声音等为载体表现出来。,上篇：地理信息科学的理论与方法,地球系统理论是地球科学、信息科学、系统科学和非线形科学等多种理论的综合和融合的结果。,上篇：地理信息科学的理论与方法,三、地理信息科学的孕育和发展1、客观实践的需求促进了地理信息科学的形成和发展。地理学是研究地理环境的科学，即研究地球表面这一部分的人类环境。可以分为自然环境、经济环境和社会文化环境。它们在地域上和结构上相互相互重叠、相互联系构成统一的一个地理环境整体。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在地理学的发展过程中，信息科学、系统科学的理论与方法不断与其某个领域的研究对象、研究方法、研究内容相结合，使传统地理学的概念和内涵不断发生变化。系统论认为：现实世界归根到底是由某些规模大小不同、复杂程度各异、等级层次有别、彼此交互重叠、并且相互转化的系统所组成的一个有序的网络系统。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在该系统中，运用系统理论和方法，揭示各种地理要素的耦合关系，及各种物质、能量和信息之间的传递模式和过程，成为我们探索一切的现象或过程的特征和规律的重要依据。信息论认为：采用各种手段（RS,GPS）获取关于地球表面的大气圈、岩石圈、水圈、生物圈以及社会、生态和环境的各种信息，不仅是它所反映的地理要素地质、地貌、水文、土壤、植被、社会、生态的综合，而且也是不同领域的专家，从不同角度，运用不同的方法，提取各自相关的专题信息，并进行信息机理的研究与分析，达到正确认识客观对象的桥梁。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在全球范围内，随着区域开发、环境保护和大型工程项目的建设需要，大量观测站网的布设，航空航天遥感技术获取数据能力的不断增强，为其提供了大量的数据资源。同时，由于自然科学、社会科学、技术科学、管理科学的交叉与融合，直接导致了规划、决策和管理部门工作方式的迅速改变。,上篇：地理信息科学的理论与方法,如：20世纪50年代，定性文字描述和定量统计图表的信息表达方式广为使用；20世纪60年代，专题地图的制作蔚然成风，但周期长，更新困难。20世纪80年代，出现了以计算机为主题，并得到遥感、系统工程支持的信息系统。成为规划、决策和管理的现代化保证。由于计算机科学的发展，以及它在摄影测量、遥感、地图制图等方面的应用，是人们能够以数字的方式，采集、存储和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。并希望通过计算机对数据的分析，直接为管理和决策服务。,上篇：地理信息科学的理论与方法,面对全球化的问题，如全球经济一体化、全球气候变化、区域自然地理过程、重大灾害监测与预警、人类社会的可持续性发展等重大问题，要找到科学合理的解决方案，就必须应用有效的理论和方法，来获取、处理和分析多种来源的多种信息。这促使了地理信息科学的产生和发展。,上篇：地理信息科学的理论与方法,2、科学技术的进步使地理信息科学成为一个学科成为现实。（1）科学思想的变革 科学思想是人类对客观世界的理性认识的核心内容，是科学理论中的精华和指导性的观点，也是人类的根本思维方式。人类的思想从本能到直觉、理智、抽象思维，形成直观的、经验的、因果的、概率的、系统的以及非线性等绚丽多彩的科学思想。,9.21,上篇：地理信息科学的理论与方法,在当代自然科学领域，人们主要研究自然界的可逆性和不可逆性、对称性和非对称性、决定性和随机性、简单性和复杂性、进化和退化、稳定和不稳定、平衡和非平衡、有序和无序等一系列范畴。先后产生了系统理论、信息理论、控制理论、耗散结构理论、协同理论、突变理论、分形理论以及混沌理论等一系列学科。,上篇：地理信息科学的理论与方法,对于球系统，或地理系统，在以往的研究中，由于受到认识能力的限制，人们只能处理一些简单的线性问题，对于非线性的复杂问题，在数学上则很难有其解。实际上，地球系统是非线性的，研究其特征，研究它不仅对于模型构建和实际应用具有指导意义，而且是地理信息科学的重要理论基础之一。,上篇：地理信息科学的理论与方法,当今，信息是推动世界经济发展和社会全面进步的关键因素。科学的宇宙观和哲学思想不断完善的年代。对地球环境的认识，需要新的理论做指导。,上篇：地理信息科学的理论与方法,2、科学技术本身的推动力 在地理信息科学的发展中，计算机科学、制图学、遥感科学在人类认识客观世界当中发挥了重要作用。自然界复杂多样，人们为了认识世界，把自然界划分为不同的领域，并在实践中不断完善和发展。受到各个时期生产力发展水平的约束，人们的认识水平也受到各种限制。在这个认识的过程中，人们总是要借助各种理论和技术来达到认识客观世界的目的。,上篇：地理信息科学的理论与方法,为此，人们发明了众多的科学工具，形成了各种理论体系和方法体系。20世纪90年代的科技发展是20世纪科技发展的缩影。在基础科学研究方面，有一系列重大发明。如在复杂的非线性现象研究方面，实现了时间序列混沌的控制实验，目前还在实验用混沌信号隐藏机密信息的信号传输方法；多种高精度仪器的发明和使用，得到了微观结构清晰的图像，如扫描隧道显微镜、皮秒和飞秒（10-13秒）激光脉冲仪、飞秒时间分辨仪、核磁共振等。使对自然物质的时空认识达到原子和飞秒水平。,上篇：地理信息科学的理论与方法,电子信息科学的发展，如人工智能计算机、人工神经网络计算机、光子计算机、网络计算机、超导计算机、生物计算机等的研制，多媒体、计算机网络和虚拟现实技术的发展，把计算机与通信技术推到了一个新的高度。美国时代周刊把虚拟现实技术列为“改变未来的十大技术”之一。这些都使传统的模拟方式和思维方式发生重大改变。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在科学技术的发展中，长远看，离开了海洋开发和与空间开发的可持续性发展，人类社会的可持续性发展将是一纸空谈。联合国将1998年定位“国际海洋年”。反映了人类探索海洋和太空的迫切愿望。航空航天技术的发展，拉开了这一探索的序幕。短短半个世纪，空间科学技术在通信、定位导航、气象预报、资源利用、灾害监测、军事和天体研究方面得到了广泛应用，成为影响国民经济发展，标志综合国力的重要领域。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在卫星领域，对地观测系统成为人类认识地球资源与环境的重要工具和技术支撑。海洋科学也在不断的发展。不但包括探索海洋的物理、化学、生物和地质过程的海洋物理学、海洋化学、海洋生物学、海洋地质学等基础研究，还包括了海洋资源开发利用和军事活动的应用研究。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在地理信息科学方面，20世纪70年代，美国经济学家马克波拉特发表了著名的信息经济论，打破了过去划分产业结构广泛使用的科林克拉克学派的第一、第二和第三产业的三分法，提出了以农业、工业、服务业、信息业四大产业结构的划分方法。在这种理论的指导下，一些发达国家纷纷以波拉特的理论和计量方法，分析和评价本国的信息化程度，进而提出各自的发展战略。这些理论，为地理信息科学的发展提供了理论依据。,上篇：地理信息科学的理论与方法,3、现代科学思想和技术成就推动地理信息科学的不断完善。信息科学是研究客观世界及其信息资源的理论，研究人类、生物和计算机如何获取、识别、转换、存储、传递、再生成和控制掌握各种信息的规律、以及人工智能的科学。在信息科学的体系中，理论基础是信息论和控制论。把信息科学的理论和方法，用于研究地理现象和地理过程，形成了地理信息科学新的领域。遥感卫星和计算机的发展，为研究复杂的地理系统提供了丰富的信息资源，以及跨越时空的分析模型和预测预报的信息处理手段。,上篇：地理信息科学的理论与方法,信息基础技术、信息系统技术和信息应用技术是现代信息技术包含的三个层次。计算机语言（面向对象）、计算机操作系统、计算机网路是是该领域的重要事件。以计算机为核心，数字化、网络化、智能化和可视化为特征的信息化发展，是地理信息科学发展的重要理论和技术支撑。,上篇：地理信息科学的理论与方法,认知科学在地理信息科学的形成和发展中起到了无可替代的作用。它是研究人、动物和机器的智能本质和规律的科学。研究内容包括：知觉、学习、记忆、推理、语言理解、知识获得、情感和系统为意识的高级心里现象；是心理学、计算机科学、人工智能、语言学和神经科学等基础科学和哲学交叉的高度跨学科的新兴学科。认知心理学和人工智能是其核心学科。,上篇：地理信息科学的理论与方法,认知科学作为研究人类的认识和智力本质和规律的前沿科学，得到了广泛的认同。具有创新意义的认知思维、认知理念及认知模式的发展，对于人们认识和理解复杂的地理系统、地理环境和地理信息具有重要作用。这方面的研究成果，对于国家信息基础设施、数字地球、数字城市都具有非常的意义。,上篇：地理信息科学的理论与方法,地理信息科学由Goodchild于1992年提出以来，其基础理论和方法的研究，受到广泛关注。主要研究利用计算机技术对地理信息的处理、存储、提取以及管理和分析过程中一系列的基本问题。如地理数据的获取、地理信息的认知和表达、地理信息空间分析、地理信息基础设施以及地理信息系统的社会实践等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,四、几个重要概念的解释 1、物质信息 在地理信息科学的研究中，对地理系统中的地理现象或地理过程所包含的物质信息的识别、采集、量测、提取、分析、存储、检索、显示、更新、管理、综合、处理及应用的把握，具有重要的理论和时间意义。物质信息是指地理实体的物质成分、结构、形状、时间和空间分布的性质、特征和状态的表征或一切知识。反映物质信息流的空间数据流如下图：,上篇：地理信息科学的理论与方法,2、能量信息 能量的分配与转换在地理系统中具有重要意义。在物质循环过程中，没有能量的支配是不可想象的。在能量不平衡的条件下，产生了诸如地壳运动、生物演替的客观规律。能量信息反映的是有关地理实体的能量特征，如重力、磁力、电磁波谱、声学等的性质、特征和状态的表征或一切知识。这是物理勘探和遥感的研究对象。在地理信息科学中，也具有重要应用，如地理过程的驱动力、地理系统内各子系统的耦合关系的分析、地理现象的信息建模和动态分析等。,9.28,上篇：地理信息科学的理论与方法,3、地理系统（地球系统、地理空间）地理系统，指某一个特定时间和特定空间的，由两个以上相互区别又相互联系、相互制约的地理要素或过程所组成的，并具有特定的功能和行为，与外界环境相互作用，并能自动调节和具有自组织功能的整体。,上篇：地理信息科学的理论与方法,这里提到的地理要素，是指：资源、环境、经济和社会等。或者地质、地貌、气候。土壤、植被、水文、经济与社会等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,Q,上篇：地理信息科学的理论与方法,对地理系统的认识，有助于明确地理现象或地理过程的客观特征，有助于辨识、获取、分析和利用地理系统中的物质信息、能量信息，揭示地理信息的客观规律。为地理过程的建模提供理论、方法和实践的依据。自然界的物质系统有不同的划分依据：,上篇：地理信息科学的理论与方法,系统论认为，现实世界正是由这些规模大小不同、复杂程度各异、等级层次有别、彼此交错重叠、又相互转换的的系统组成的网络系统。通过对系统的认识，来揭示现实世界的客观特征。,上篇：地理信息科学的理论与方法,4、耦合耦合是指一定时空尺度上，自然、社会、人文和经济等要素之间的关系。对各种要素之间耦合关系的研究，是进一步研究和探索物质流、能量流和信息流的重要途径。如资源与环境的耦合（土地资源与水热资源的耦合，气候与地形的耦合），资源、环境与社会、经济的耦合（山地-绿洲-荒漠系统耦合）等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,一些耦合关系，恰恰是揭示地理信息科学关键过程的重要切入点。如地理系统中各种自然界面的耦合、大气-海洋界面的耦合、海洋-陆地界面的耦合、大气-陆地界面的耦合等。耦合关系构成了地理系统多姿多彩的特征。,上篇：地理信息科学的理论与方法,5、虚拟现实虚拟现实也成虚拟环境或人工实现。是指利用计算机技术生成一个逼真的、具有视觉、听觉、触觉等效果的，可交互的动态环境。运用三维立体显示器、数据手套等，形成一个数字化、网络化、虚拟化的立体环境。为人类模拟、可视化地理环境，分析地理关系等提供了有效的工具和方法。,上篇：地理信息科学的理论与方法,五、地理信息科学的特征 1、学科关系（1）经典地理学及其分支科学的研究对象及理论是其研究对象和理论基础；（2）信息科学的院里和方法是其方法论的源泉；（3）GIS、RS、GPS、VR、网络传输、模式识别等是产生和发展的动力；,上篇：地理信息科学的理论与方法,（4）资源科学、环境科学、生态科学是其重要应用领域，地球资源环境研究是核心；（5）计算机科学、图形图像学、测绘与制图学的理论和方法是其表达和描述的工具；（6）建立数字地球、数字城市的理论与方法是其快速发展的推动力。,上篇：地理信息科学的理论与方法,2、地理信息科学的内容和方法（1）阐明地理系统各要素及其过程的发生、演变及其发展规律。（2）探索地理信息形成、传递的机理和模式。包括地理信息的性质、特征、分类、规范标准和编码体系，地理信息时空结构、尺度转换、地理信息机理理论，地理信息的获取、处理、分析方法和手段，地理信息传递过程和误差机理，信息的反演理论和度量等。同时还应包括地理信息在区域资源开发、环境保护和社会经济发展之间的关系研究等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,（3）探索地理系统稳定性的机制及其安全问题。如自然灾害监测与预警、资源承载力和环境容量等。（4）挖掘新技术、新方法在地理信息科学方面的应用领域和应用途径。包括地理信息技术的集成，地理信息系统分析的理论和方法，3S技术和地面监测系统信息复合应用的理论和方法，3D可视化及动态模拟方法，VR和多维信息的环境构造等。（5）开拓信息服务产业。包括GIS系统的设计与开发，资源与环境管理系统的模式、地理信息服务网络建设，GIS功能软件的开发，地理信息的共享模式等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,六、地理信息科学基本框架1、基础理论体系主要是地理信息机理的研究。主要通过研究地理信息的结构、性质、分类与表达、地理信息传输过程及机制、地理信息的空间认知机理、以及地理信息的获取、处理、分析理论等。2、方法体系主要体现在：空间数据的分类方法及其编码，投影坐标转换，数据采集方法，元数据描述方法，空间信息建模及决策支持方法等。,10.12,上篇：地理信息科学的理论与方法,GIS将来源于地理系统的数据流经过空间信息分析，将数据流转换为信息流，完成了对地理系统的认知过程。空间决策系统对来源于GIS的信息流进行决策分析，将信息流转化为知识流，模拟了对地理系统的调控过程。策略、方案实施则将认知行为转化为可操作的调控行为。,上篇：地理信息科学的理论与方法,3、技术体系 地理信息的获取技术、地理信息模拟技术、地理信息建模技术、地理信息分析技术、决策支持技术等是核心。当然，还包括其他的相关技术，如建库、管理、更新和共享、服务、应用等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,4、应用体系,地理信息科学理论体系和应用领域,上篇：地理信息科学的理论与方法,七、地理信息科学的方法论1、信息方法 信息量的计算，香农信息量计算公式：如果一个信息源，可以产生的独立消息数为n，各消息的概率分别为 1,2,则信息量为H，K是常数。当对数取以2为底时，K=1。,上篇：地理信息科学的理论与方法,对遥感影像，使用平均信息量，即熵的概念。每个像元的信息量为：P(g)为像元亮度或灰度的概率。服从正态分布,.像元的平均信息量为：,地理信息科学中的信息,上篇：地理信息科学的理论与方法,地理系统中的信息流,上篇：地理信息科学的理论与方法,信息方法的流程,上篇：地理信息科学的理论与方法,2、地理系统的信息模型 目前，几乎所有的模型都是建立在理论基础之上。但在地理系统中，信息建模则不受理论框架的约束。它把侧重点放在依据现有数据而非现有理论模式的方向上。也就是说，综合考虑现有所有有用的信息，在不遗漏重要信息的前提下，逐步简约，建立一个客观的事实模型信息模型。,上篇：地理信息科学的理论与方法,3、模型研究的理论基础（1）模型和模型方法 在研究和解决现实问题的过程中，人们从“现象-过程”的本质出发，逐渐抽象和归纳出了一系列概念的、定量的模型。并逐步发展为模型方法。模型方法是科学研究中的一种不可或缺的方法。特别是动态研究的不断深入，模型方法的研究领域不断扩大。,上篇：地理信息科学的理论与方法,从自然科学、社会科学乃至思维科学，模型方法模型方法越来越多地被应用，并产生了巨大的生态效益、经济效益和社会效益。模型是指人们为了达到某种特定的目的，而对研究对象所做的一种简化的定性或定量的描述。这种描述可以借助具体的实物，也可通过抽象的形式来表达。通过研究模型，来揭示研究对象的形态、特征、本质和发展规律的方法，成为模型方法。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在地理信息科学的研究中，地理系统是其主要的研究对象。这是一个错综复杂的大系统。需要系统科学的理论和方法加以指导建模的行为。系统科学是一个庞大的学科群，包括如系统论、信息论、控制论、运筹学、协同学、耗散结构论等。这些成为地理系统建模的重要理论基础。,上篇：地理信息科学的理论与方法,在实际应用中，我们常常需要用与建模密切相关的理论和方法，来解决地理系统建模中的实际问题。其中，灰色系统理论、模糊系统理论、耗散结构理论、数量化理论等具有重要的实践意义。一般地理系统的建模多用以下几种模型：,上篇：地理信息科学的理论与方法,（2）模型研究中的一些发展 现代科学研究的三个发展方向：a、在空间尺度上，从宏观到微观、宇宙观领域；b、在时间尺度上，研究对象从现存的自然物，延伸到自然物的起源、和演化的全过程；c、在研究水平上，科学技术的综合趋势逐渐加强，出现“大学科”概念。,上篇：地理信息科学的理论与方法,模型的研究不在局限于静止的和单一的事物，而是研究那些运动变化过程或多元体系。目前，许多模型工作都是基于动态模型这一基本思路而进行的。时间成为事物发展不可缺少的坐标。GIS为期提供了数据源和模型开发平台。地理系统的模型构建是一项复杂的工作。涉及除了时空概念和动静概念以外的许多概念和内容。从时间域来讲，从数秒到亿年；从空间域来讲，从小区域到整个全球系统；从动静来讲，既有几十年的静态观测，也有瞬间的参数提取。,上篇：地理信息科学的理论与方法,建立新一代的区域空间动态模型是一项重要的科学议题。中科院在这方面做出了重要研究。如：以综合生物多样性为核心的“景观空间异质性动态模型”体系；以生态系统稳定性模型、连通性模型、和基于植被指数的土地生产力模型为核心的“土地利用变化过程模型”体系；以数据挖掘模型为核心的气候变化模型体系；以土地管理虚拟系统为核心的人类对土地覆盖变化的反映模型等。区域模型的建模过程：,上篇：地理信息科学的理论与方法,4、建模的理论依据（1）灰色系统理论（2）模糊系统理论（3）耗散结构理论（4）数量化理论,数量化理论,上篇：地理信息科学的理论与方法,5、地理模型及模拟方法（1）气候研究模型（2）水文研究模型（3）LUCC模型（4）GCM（Globe Coupled Model）模型（全球变化模型）（5）MODS模型（6）SPAC模型,10.26,上篇：地理信息科学的理论与方法,八、GIS的时空观 在GIS中有两大类特殊的概念，一是地理实体和地理现象，二是时空特征和时空关联特征。地理实体是相对永久存在的地理景观，地理现象是发生的偶然事件。前者是静态的，后者是动态的。GIS需要对这两类概念进行完整表达，交叉研究。但就目前的GIS应用来讲，后者是有缺陷的。这是所谓的第一层次的概念。,上篇：地理信息科学的理论与方法,时空可用性观点是GIS关心的第二层次的概念 特别是地理实体和现象之间的时空关联性问题。即“何时何地”的问题。“何地”是地理学的经典问题，可有绝对位置或相对位置回答。但关于“何时”的时间维问题，远远超过简单的有关时钟和日期是“何时”的提问。这个问题可能更复杂，如何时变化、变化多块？同时发生了什么？什么先出现？等。,上篇：地理信息科学的理论与方法,时空观来源于传统的四门科学，即数学、物理学、哲学和地理学。GIS的时空观在此基础上增加了两个新观点，即认知论和社会文化观。作为信息技术的GIS，其目标不是为很多已经存在的应用增加新的时空方法或观点，而是帮助用户适当地表达手中工作的时空信息。由于GIS中同时存在多元时空观，事实让这个简单的要求变得非常复杂。,上篇：地理信息科学的理论与方法,对上述复杂问题的解释是：（1）对数据库建库者，受到对被量测地理实体或现象实际理解的限制；（2）数据库的数据模型是图形方式的，必须符合计算机对时空的理解；（3）数据库用户需要从系统表达的描述中，提取满足完成综合任务所需的信息；（4）相对其他任务而言，与社会文化相关的任务，哪类问题可以问，什么形式的答案可以接受。,上篇：地理信息科学的理论与方法,四个不同量化时空观与上述过程有关（1）经验主义观点（试图尽可能准确获取城市、湖泊、森林等的时空特点和其它性质）；（2）用点、线、面或像元的形式进行数字表达；（3）实验方式，用空间图形或其它认知设备，将地理图形和其它计算机生成的符号，转换成专家能理解的地理表达；（4）基于社会学观点，集中查询和确定所感兴趣的对象。,上篇：地理信息科学的理论与方法,从经验主义观点或实验观点，或社会观点，上述观点存在部分冲突。如：矢量GIS的点、线、面数据模型不能满足对地理实体或地理现象中存在的模糊性或不确定性进行表达的需要。另一方面，栅格数据模型中，描述的离散域观点与实验中的两个基本观点冲突，即地理空间是连续的，但空间却是由单个事物填充。,上篇：地理信息科学的理论与方法,时空集成问题 GIS中的动态现象和变化特征的表达需求是GIS进行时空集成的主要原因。关于研究地理动态现象的时间本质问题，是近几年才开始的研究。用地图观点表达变化的权威方法是“时间片”模型。即在给定的时间间隔内，按不同时刻生成具有时间标志的地图组成。这个结果在GIS中可以用一组独立有序的图谱，或时空合成图谱，或三维时空结构来表示。,上篇：地理信息科学的理论与方法,尽管“时间片”模型能满足很多研究的需要，但动态表达方法却中断了地理现象的连续性，可能错失时序中包含联系地理事件的偶然因素，并因此中断时刻间发生的事件。很多与时间无关的GIS模型取得了巨大的成功，但时空GIS仍然面临着一个前所未有的挑战。,上篇：地理信息科学的理论与方法,相对时空和非米制时空表达 很多地理现象是通过它与相关实体存在的关系进行定义的。这些关系可以是两个地方的液体流或人类或动物的迁移流，也可以是两个地方的关联影响、通信、可达性、潜在的相互作用等，或者两个地方的可识别的序列性质、类型、群落或差异性。上述关系可以认为是用相对空间定义的，相对空间也就是地理现象性质所依赖地理实体的相关关系结构。,上篇：地理信息科学的理论与方法,对GIS来说，很好地操作相对空间与操作网络空间一样，变得愈来愈重要。上述问题对GIS来讲，存在两个问题：（1）GIS空间来源于绝对空间，不能很好的表达其关联性。因为在绝对空间，地理编码化的位置局限于空间中有关联的有拓扑关系的点。而在相对空间里，则先根据地理实体的几何和拓扑完成一组任意关系点的定义。因此，哪些一致的关系可以在平面中进行描述，但在欧氏米制空间中容易产生混淆。,上篇：地理信息科学的理论与方法,一般地，绝对空间和相对空间的性质冲突影响了GIS对各种关系的表达，这就是为什么地理模型，特别是描述社会现象的地理模型与GIS得集成会有很多困难的原因。（2）大多数相对空间是n 维的（n为整数），这样的空间不仅不适合以地图为基础的GIS，也不适合类似的描述介质。,上篇：地理信息科学的理论与方法,精确时空的表达 与更一般的时空和相对时空表达所面临的挑战相比，GIS面临的挑战是其自身。在欧氏空间、地理参考系和地图观的基础上，GIS是一种精确表达时空的方法，包括时空的清晰描绘、时空内在相似对象的表达、连续变化属性域的表达。,上篇：地理信息科学的理论与方法,大多数地理实体和地理现象的表达不能归于精确或模糊两类表达中的一类。因为地理实体与地理现象本身几何几何特性间的区别是人为的，对此可以采用精确的或模糊的表达，并且对这些性质的相关知识也可以是准确的，或不准确的。愈来愈多的研究者正在用模糊集理论研究本身缺少明确界限的地理实体或地理现象。模糊性和不确定性的地理表达，特别是是两者共存时的表达，目前是一个活跃的研究领域。,上篇：地理信息科学的理论与方法,GIS如何能更好地表达时间和空间，已经直接或间接成为GIS发展的主要压力。从应用角度讲，要求更好的时空集成方法，有新的地理实体和地理现象的表达方法出现。,上篇：地理信息科学的理论与方法,九、社会科学的空间表达观 GIS是操纵空间对象的有力工具。GIS在社会经济领域中的应用一直受到国际GIS领域不断关注的领域。20世纪90年代的人口普查为该领域的进一步发展注入了新的活力。在社会经济领域，已经开发了一些专门的系统。这里讨论的问题是把社会经济现象作为空间对象进行概念化的相关研究。这里空间对象是具有空间位置以及空间上独立的属性特征的实体。,上篇：地理信息科学的理论与方法,社会经济现象地理坐标的确定 众所周知，社会经济现象研究的一个基本任务就是人口统计。人口数据通常通过地理区域与地理位置关联，如人口统计区、选区、地方行政区域或者规则正方形格网等。通常它们都可以作为统计社会经济数据的基本面积单元。因此将从个体（或样本、或总人口）得到的信息累加起来，就能得到每个基本面积单元的总和。,上篇：地理信息科学的理论与方法,把这些地理区域作为基本统计面积单元存在着一些困难。因为这些地理区域实际上是被“强加的”，而不是“自然的”单元。这意味着所量测现象的边界位置可能是任意的。这是因为：（1）区域可能被分成很多不同尺度的小区域，如英国可能被分成79个县，460个区域或10 000个选区。,上篇：地理信息科学的理论与方法,（2）在给定的尺度下，有设置这些区域单元的不同方法，每种方法都得到不同的、集成的独立数据。即使在基础人口总数没有变化的前提下，每种人口统计方法重新设置选区都会形成不同的分布特征区域。这称之为可修正面积单元问题。这个问题在空间数据分析方面一直是争论的主题。,上篇：地理信息科学的理论与方法,当设计人口统计系统时，认识到这个问题是相当重要的。面积大而人口稀少的区域，使用不规则边界的面积单元，在地图上表现社会经济现象会出现困难。,上篇：地理信息科学的理论与方法,另一种人口分析的方法是把人口与点关联起来。但这种方法很难精确确定个体或家庭的位置。在这种情况下，通常通过参考家庭地址来确定地理位置，如可以参考街道段、邮政编码或独立房地产位置。但这种方法表达的数据很难在GIS中进行可视化。如失业率这样的概念不能衡量个体现状特征，而是与整体累积的数据有关。用家庭地址做地理参考可能是不适当的。,上篇：地理信息科学的理论与方法,社会经济领域应用GIS的观点 在GIS中是否存在惟一“正确的”方式表达社会经济现象呢？答案几乎肯定是否定的。因为社会经济现象的最佳表达策略高度依赖于特定的应用。这意味着用户有深刻理解所选择和使用表达策略的责任。,上篇：地理信息科学的理论与方法,上述讨论的是社会学家关注的经济现象的GIS表达方式问题。GIS在社会经济领域应用的基本困难仍然是所关注对象的精确测量和最佳模型化问题两个方面。虽然存在很多人口和经济行为方面的计算机资源，但它们通常并不直接与可量测的地理位置相关。要把两者关联起来，GIS将面临技术。概念等方面的困难。选择地理参考问题，对后续的数据转换、数字对象的创建、可视化和输出都具有影响。,上篇：地理信息科学的理论与方法,十、GIS中时间维和空间数据库 很多年来，把时间与空间数据库集成起来，一直是GIS的研究热点。GIS过去所使用的时间表达方法是假设目前仅有一个现实世界存在。存储在空间数据库中的信息可能随着时间的推移而不断增加或者改变，但GIS没有对随着时间的变化或动态改变的信息进行维护的能力。最近，这种能力的局限性开始受到关注，其动力是GIS理论的发展和实际应用的需求。,上篇：地理信息科学的理论与方法,现在，GIS用户正面临着如何保留现时的地理数据库，而又不覆盖过去的数据信息的难题，这被称之为“删除的烦恼”。变化研究是世界上许多国家关注的问题。而这类问题需要分析其时间变化和剖析其变化模式，以洞悉其间的因果关系。在过去的几年里，为了提高有效的、灵活的数据存储和访问方法，扩展GIS与地理数据库的能力，特别是时间的表达能力，受到GIS研究者的关注。,上篇：地理信息科学的理论与方法,时空表达问题 使用时空模型时有两类基本问题：一是关于给定时间范围内的“全局状态”问题，二是关于位置或空间实体性质随时间如何变化的问题。这两类问题可以分别与时间静态视图和时间