环境信息学-化学反应工程网络课程课件.ppt

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1、环境信息学Environmental Informatics,为什么要讲环境信息学？,环境管理信息系统(EMIS)在环境信息学中(EI)的地位研究环境信息学的目的意义环境信息的作用 环境信息学面临的问题环境信息学的主要内容,环境管理信息系统在环境信息学中的地位,环境信息学,环境信息系统,环境管理信息系统,环境信息学概论,环境信息学是怎样一门学科？,环境信息学的产生背景解决环境问题过程中的信息反馈环境信息学的研究对象信息学环境信息学环境信息学的形成环境信息学的核心：环境信息处理系统环境信息学各主题与环境信息处理系统组成部分的关系环境信息学包括那些研究内容,环境信息学的产生背景可持续发展战略的要求

2、,世界面临的很多环境问题随着世界人口的飞速增长与消费的加剧，全球的社会发展与环境状况变得危机四伏。水资源紧缺、沙漠化、热带雨林的减少，特别是大城市的飞速发展都是全球人口增长与消费加剧的结果。可持续发展战略1992年联合国环境与发展大会提出可持续发展战略，这就意味着现代人的生活与消费不能危及后代的生活水准。环境信息学是可持续发展战略的必然要求可持续发展是一个非常重要的概念，但操作起来非常困难，很难具体实施。在可持续发展决策与实施过程中，信息将是改变态度，做决定性行动的重要依据,环境信息学的产生背景环境保护工作的需要,无论是环境保护工作，还是环境管理，以及环境科学研究都是建立在对广泛且可靠的环境信

3、息的有效利用基础之上的。提高环境信息的质量与可达性，以及环境信息的收集与有效处理适当技术是环境管理、规划与预案决策等的基础。近年来，一门被称作环境信息学的应用信息学分支逐渐发展起来。环境信息学所涉及的问题包括综合的环境信息的收集、存储、恢复与处理技术的研究与开发等。,环境信息学的产生背景计算机技术发展与渗透的发展的必然,随着计算机、互联网技术的飞速发展，计算机不断向各种应用领域渗透，并与各应用领域交叉渗透，逐渐在各领域形成交叉学科：信息学，即计算机应用学科，包括：环境领域的环境信息学（Environmental Informatics）水信息学（Hydroinformatics）认知领域的认知

4、信息学（Cognitive Informatics）能源领域的能源信息学（Energy Informatics）生物信息学,环境信息学的产生背景计算机科学在环境领域的应用,信息技术已成为获取环境保护所需的环境信息，并对之进行管理与加工处理的根本手段。计算机科学或就称之为信息学，它作为信息与知识处理的方法学基础，是各交叉学科研究的核心。应用信息学（或称应用计算机科学）不仅提供了大量优秀的信息处理技术与工具，同时应用于复杂而多面的环境领域，在方法学方面得到进一步拓展。到目前为止，计算机在环境保护中的应用仍缺乏概念上全面的科学基础。这不仅是计算机应用科学的事情，同时各交叉学科也需做出相应贡献，诸如地

5、理学、生物科学、环境工程学、经济学、法学、测量技术、管理科学等。,在解决环境问题过程中的信息反馈处理流程图,水 空气 景观 土壤 噪音 废弃物辐射 化学物 食品 健康,环境信息,利用数据库、模型、专家系统、图象处理与可视化等工具处理环境信息，得到有价值的决策支持信息,公众、行政部门、政策与工业部门,改善环境的相对措施,环境压力,人与环境,信息学与环境信息学,环境信息学的研究对象,数据(DATA)与信息(INFORMATION)数据是个抽象的概念，包括任何一种文字、字符、数字，它是对客观物体的直接描述与测量，可以反映客观事物的性质、属性以及关系等；信息是通过数据形式表示的，加载在数据之上，赋予数

6、据某种语义（Semantics），即对数据含义的某种解释，信息表示了错综复杂的耦合数据之间的联系；信息的表示不唯一。环境信息环境信息是对环境的数据表示，即具有一定语义的环境数据。环境信息的语义异构（Semantics Heterogeneity）问题,环境信息的作用,环境信息贯穿整个环境科学与工程领域，无论科研，还是环境管理决策，离开环境信息的支持，都将寸步难行。环境管理的依据排污收费城市定量考核EIA等等环境决策的依据环境功能区划与规划重大环境政策的制定等等环境工程设计、验收的依据环境科学研究的基础,“信息学”经常被认为与计算机科学是同意词。信息学这一主题比计算机系统的含义更广泛，它是各种信

7、息技术应用的总和。除了工程方面，信息学被视计算机系统为嵌入到组织与社会中的应用。对于应用信息学，信息学的各个分支在信息技术（Information Technology）与各种应用领域架起一道桥梁。,信息学（INFORMATICS）,信息学（INFORMATICS）,信息技术,真实世界问题的需求,信息学,信息技术解决问题的潜能,应用领域：水科学医药生命科学环境科学,如图所示为应用信息学的中介作用。信息学一方面分析所给定应用领域的现实世界的问题，同时定义需求。另一方面，信息学还为应用领域提供利用信息技术解决问题的潜能。,环境信息学（Environmental Informatics）,信息学与环

8、境科学相互融合，环境信息学逐步形成。然而与生物信息学、医药信息学有所不同，环境科学本身就是一门交叉学科，其理论基础来自物理学、化学、生物学、生态学、社会学、经济学、管理学、公共管理、法律、医药等学科。环境信息学的主要任务是为这些交叉学科提供信息存储、处理与通讯的基础平台，这一任务是非常重要而且困难的，需要集成来自各环境领域的各种数据、信息与知识，并进行整合。,信息技术,真实世界环境问题的需求,环境信息学,信息技术解决环境问题的潜能,物理学、化学、生物学、生态学、社会学、经济学、管理学、公共管理、法律、医药与工程技术等学科,环境信息学（Environmental Informatics）,环境信

9、息学的各种方法或研究主题,环境信息学的核心环境信息处理系统,环境信息学的核心-环境信息处理系统,环境信息处理系统的应用范围很广，它可根据信息处理的特性划分，包括；监测与控制系统传统的信息系统计算评估与分析系统规划与决策支持系统集成环境信息系统等。,环境信息处理的基础-环境监测与控制系统,监测系统服务于水、大气、土壤、噪音与辐射等监测（包括环境遥感）的自动化，以及基础数据的分析：时间系列数据的统计；环境对象的分类；污染物的识别等。过程控制一方面直接用于环境技术，诸如空气排放控制、污水与污泥排放控制，以及重复利用过程等；另一方面用于生产过程自动化，减少对环境保护的间接影响（诸如节能与降低污染物的排

10、放等）。监测与控制系统经常需要处理一些模糊信息，诸如利用模糊逻辑与人工智能等技术。,环境信息处理的主体-环境信息系统,环境信息系统，既指对各种环境信息（包括原始监测数据、环境对象描述信息；这些环境信息有结构化，又有半结构化与不正式的文档），进行输入、存储、组织、集成、恢复与表示的计算机系统。在管理这些信息的过程中空间与时间概念往往起着非常重要的作用。各种软件工具，包括地理信息系统，超媒体系统等都需要与这些需求相结合。,环境信息处理的主要功能评估、模拟与分析系统,评估、模拟与分析系统是指利用复杂的统计数学分析方法与模拟技术，对环境数据进行处理的过程，包括各种环境情景的模拟与预测。这些系统的可能应

11、用包括环境影响因子的标识，不同规划方案可能影响的来源的分析（诸如风险识别，以及时间与空间尺度的排污负荷预测等）。,环境信息处理的主要功能规划与决策支持系统,规划与决策支持系统利用计算机技术加工处理基础环境信息，形成高层决策信息，以此提供各种环境决策，包括不同替代方案的评价，环境影响分析，处理有毒有害物，水资源管理，技术风险评价等。对于工业应用，目前正在开发所谓计算机辅助环境信息管理系统，它为环境管理系统提供信息处理平台。这一系统在“生态管理与审计计划”(EUEco-management and Audit Scheme)中起着非常重要的作用。,环境信息处理系统的集成集成环境信息系统,集成环境信

12、息系统与上面所提到的各种类型系统息息相关，是上述各种系统根据不同目的综合集成。目前，集成环境信息系统越来越向分布式系统发展。建立这些系统需要信息处理过程的各种概念的综合。这种概念的综合与其他信息技术的应用一样重要，同样为环境信息学提出了特有的挑战。,环境信息学的各种方法或研究主题与各种环境信息处理系统间的关系,数据库系统与地理信息系统,模型模拟技术,基于知识的系统与专家系统,计算机绘图与科学可视化,用户界面设计与软件人体工程学,人工神经元网络与连接者模型,数据、方法与模型的集成,监测与控制,信息系统,评估模拟分析,集成环境信息,规划与决策支持,强关联,弱关联,一般,环境信息学面临的典型问题,环

13、境信息的特点环境信息有很多不同的信息源，诸如关于环境法与环境项目的文本信息，来自环境监测网络的量化信息，关于化学物质的结构化信息，来自环境技术的带有格式的工程数据等。环境数据通常带有空间特征，即与空间的点或区域关联。数据对象的多维性，只能利用复杂的几何对象（例如多边形与曲线）描述。环境信息学所涉及的主要内容包括定量数据的处理与相关统计分析方法，以及模糊、不确定与不完全信息的处理方法。对于分布式异构环境信息数据库，要提供一种用户易于获取的方法，诸如用户指导手册或元数据。环境信息通常只能从不同主题所特有的预先建好的初级数据库演绎而来，然后再以适当的方法合并。,环境信息学（Environmental

14、 Informatics）,环境信息学的典型问题是：异构、分布式数据库，元数据库，几何数据结构与运算法则，以及现代地理信息系统的应用；基于知识的系统在处理不确定环境知识问题过程中非常重要；基于系统体系结构的方法对统计与数学环境分析与模型方法非常有用；除此以外，还有一些相关学科，诸如遥感、监测技术与生态系统分析等。,环境信息学的研究内容,环境信息学是一崭新的计算机科学应用研究与技术领域，它包括如下计算机科学在处理环境信息与解决环境问题过程中的各个过程：数据库系统、模型与模拟软件、基于知识的系统与专家系统、计算机制图与环境信息可视化、用户界面与人体工程学、人工神经元网络，以及网络集成规范等。,环境

15、信息学的主要研究内容,环境信息学的主要研究内容,环境监测是环境信息学的基础，环境监测应理解为广义的环境监测，它既包括常规的区域大气、水、土壤环境监测，同时还包括全球尺度的监测，以及3S技术，特别是遥感技术在环境监测中的应用。,任何综合的信息系统的开发过程中，数据库技术均起着非常重要的作用。特别是环境信息系统，它存储、维护与处理大量不同格式的环境监测数据、法律文本与文献资料等。环境数据库具有自己的需求与特点，必须引用一些功能强大的新技术，诸如面向对象的数据库管理系统，空间与时间相互依存的数据的模拟技术，以及处理模糊查询与不精确数据的概率推理技术等。元数据库的作用将越来越大，元数据库包含有什么样的

16、环境信息可用，在哪儿以及如何能够获取等信息。,环境信息学的主要研究内容,环境信息系统是环境信息学研究的主体，95%以上的环境信息与空间有关，具有空间数据处理特征。空间分析技术地理信息系统（GIS）中空间信息表示方法与处理技术（诸如叠图分析）问题的识别（诸如多边形叠图过程中的非精确推理技术）空间查询语言与空间数据交换格式。,环境信息学的主要研究内容,环境信息学的主要研究内容,环境信息在环境监测、模拟、规划与工程领域应用的环境数据可视化的典型案例。它主要包括地理信息系统技术与用户界面设计技术。专家系统是环境信息学的重要组成部分。其中协作专家系统是一个崭新的研究领域，非常适合处理综合的环境问题。,环

17、境信息学的主要研究内容,就神经元网络（Neural Nets）技术近年来逐步发展起来的一种功能强大的模拟技术，用于模拟那些由大量交互参数描述的复杂的非线性的环境过程。神经元网络分析方法被广泛用于光谱分析数据的分类，噪音数据处理，预测，复杂过程的诊断，过程控制等环境研究领域。遥感在环境观测、监测与保护过程中所起的作用越来越大。在遥感应用领域大量卫片与航片需要处理与解译，信息处理技术就是这一领域不可缺少的技术。,环境信息学的主要研究内容,随着互联网技术的飞速发展，环境信息获取渠道越来越多，国内外很多研究部门与政府部门均在网上发布大量环境信息以共环境科学研究之需。诸如国内的可持续发展信息共享网络等：

18、环境元数据标准化环境元信息系统句法方法语义方法,环境信息学的形成与发展,环境信息学的形成,自从80年代，环境信息学逐渐成熟起来。第一个环境信息学的研究机构成立于1986年，即德国应用科学研究院（Saarland State University for Applied Sciences HTW)的环境信息学研究所（Environmental Informatics Group EIG)。这个研究所长期致力于环境软件应用方面的研究工作，在环境软件系统（Environmental Software Systems ESS)与环境信息学等方面非常有名。自1987年，欧洲国家每年举办环境信息学年会。,

19、环境信息学的形成,2000年10月4-6日，在德国波恩召开了第14界环境保护信息学年会；2001年10月10日-12日，在瑞士苏黎世将召开第15次环境信息学年会；2002年9月25-27，在奥地利维也纳的维也纳技术学院召开第16次环境信息学年会。2003年9月23-26，在德国的COTTBOS技术学院召开了第17次环境信息学年会。“,环境信息学的形成,在德国与日本部分大学已设有环境信息学系值得注意的是环境信息学不只是开发信息技术解决环境问题的潜力与效益，而且正在考虑（或说试图避免）信息技术对环境产生的负面影响，也就是信息环境问题。,环境信息学的形成,目前，环境信息学已成为应用信息学中的完整组成

20、部分。它通过整合诸如数据库系统、地理信息系统、模型模拟技术、计算机制图、用户界面、神经元网络、知识处理与系统集成等研究领域，为在环境保护应用领域，应用计算机提供方法上支持与帮助。,环境信息学的发展历程,信息学的发展历程,数值处理,数据处理,知识处理,智能处理,第一阶段 40-50年代,第二阶段 50-70年代,第三阶段 70-80年代,第四阶段 90年代,信息学是一门应用计算机学科，它的发展与计算机应用技术的发展密不可分：,1、数值处理阶段,计算机主要用于物理信号处理和科学计算。50年代，西蒙提出了管理依赖于信息和决策的概念。此时计算机已应用于会计工作，并以较低的成本得到及时准确的信息。计算机

21、在管理信息系统中的应用只停留在数值的处理，尚未涉及数据的分析等高层次的功能。,2、数据处理阶段,电子数据处理系统（EDPS-electronic data processing system）数据更新系统（美国航空公司的SABRE预约定票系统：实现了数据的自动更新、调节、分配，并能查询）记帐系统（实现了电子记帐、快速对帐与查询功能）数据统计系统（应用于社会经济统计，解决了手工统计工作量大、效率低且不准确的矛盾）,2、数据处理阶段,管理信息系统的产生管理信息系统是在传统的EDPS的基础之上发展起来的。避免了EDPS在管理领域应用的一些弊端，在处理方法与手段方面有了长足的进步：SABRE系统中没有

22、预测控制；记帐系统没有利用现有信息，进行成本核算、财务计划等辅助决策功能；,2、数据处理阶段,管理信息系统不同于EDPS的特点更加强调科学的管理方法和定量化管理模型的运用，强调优化作用；强调预测和控制作用；强调对信息的深层次开发；强调高效低成本的系统结构与数据处理模式；强调科学的、系统化开发方法。,3、知识处理阶段,70年代初，MIS暴露出很多问题；70年代学术界掀起一场“MIS为何失败？”的讨论，讨论中，一批学者提出DSS概念，这与当时计算机从传统的处理定量问题向处理定性问题转化分不开。知识处理技术的发展（知识表达、知识库、知识处理等），推动了信息系统从概念、结构到方法、技术的飞跃。决策支持

23、系统（DSS-Decision Support System）产生信息系统涉足管理领域中大量存在的定性问题四库（数据库、模型库、方法库与知识库）一体的管理信息系统模式正式形成。,3、知识处理阶段,DSS较MIS的特点强调DSS面向决策者；以解决半结构化的管理决策问题为主；强调决策过程中人的主导地位，信息系统只是对人（决策者）在决策过程中的工作起支持作用。,4、智能处理阶段,基于知识的智能处理是未来MIS的发展方向推理（根据规律推导出下一步可能的结果）联想（在某一条件触发人们对其他有关联的事实的联想）学习（知识的归纳、总结与积累）从知识处理到智能处理将会引起MIS的概念、结构、技术等方面的更大突

24、破，导致高度智能化的MIS的诞生。,环境信息学的发展趋势,环境信息学的发展趋势,电子商务-4E战略:电子沟通(E-communication),电子调研(E-research，网络在线信息服务),电子促进(E-marketing)和电子贸易(E-trade)其它方面的电子化（信息化）：电子科学（E-SCIENCE），电子政府（E-GOVERNMENT），电子环境（E-ENVIRONEMNT。,环境信息学的发展趋势,数据共享与异构数据库(HDB：Heterogeneous Databases)既使是一个经过信息规划的企业，随着时间的推移和人事变迁，以及数据库技术的发展和市场的变化，都可能采用异种

25、数据库；因此在网络环境下，异种数据库联合使用的要求将长期存在。异构数据库的联合使用技术，它的目标是对地理上分布的多个异质数据库，在尽可能少地影响其本地自治性的基础上，构造具有用户所需要的透明性的全局数据库，以支持对各数据库的全局应用及各异质数据库之间灵活的信息交换和共享。数据仓库（DataWarehouse）有效地管理运营过程中所产生的大量信息，获取决策信息；从大量的业务数据中探索业务活动的规律及运作趋势；要进行专业化的数据分析，涉及多维数据视图的概念，仅靠关系数据库就力不从心了。能够灵活地重新组织对用户呈现出多维数据视图的技术就是数据仓库。,环境信息学的发展趋势,数据挖掘（DATA MINI

26、NG）数据开采是近代数据库技术面对复杂应用而发展起来的新技术,也可以认为它是关系数据库联机分析的智能扩展。数据挖掘与数据查询不同。数据查询的问题和答案都是肯定的，而数据开采则是面对不确定的提问，回答隐藏在数据背后的未知问题。环境信息数据库是一个知识的海洋，怎样发现并提取隐藏其中的知识，如何展现历史事实，特别是各种活动与历史之间的相关特征，就要运用DM技术了。,环境信息学的发展趋势-智能代理(Intelligent Agent),在广泛使用C/S模式的环境下，系统规模迅速扩大，运行任务日渐繁重，维护管理越趋复杂，严重影响了工作效率。为解决这个问题，IA应运而生。IA的原理是能接受应用委托，根据应

27、用程序和数据库管理的需要，随机组合且自动执行指定任务，而用户不必关心应用程序、数据库在网络上处于什么位置、什么状态。,环境信息学的发展趋势智能代理(Intelligent Agent),IA具有以下特性:推理性：用户把任务交付后，IA能根据所需资源自动地做出判断，从而完成作业。学习性:能在执行中记忆过去运行的状态，不断增加自身对各种事件的处理能力。协同性：能根据系统资源状态，在系统承接的任务之间进行动态调整。移动性：在协调多项任务时，能从一个系统移至另一个系统，甚至可选择本地还是远程去执行。自主性：任务委托后，可以完全脱离用户，可根据某一事件或指定时间触发执行。,环境信息学的发展趋势,INTE

28、RNET/INTRANETSCADA(Supervisory Control And Data Acquisition）与自动控制MIS与GIS的完美结合：信息的可视化以地理信息系统为工具，将具有地理属性的信息进行可视化、地图化，然后根据地区的人均收入、人口统计等条件进行分析和专题图制作，使各种信息和分析结果一目了然。,环境信息学的发展趋势：,GPS接收机支持Windows或Windows NT空间数据库管理的客户/服务器体系结构由原来向用户提供系统转为提供控件OCX或Active X，用户可自组系统Internet/Intranet GIS（WEB GIS）Internet与部件对象模型(C

29、OM)技术相结合，将进一步发展基于分布式部件模型的Web GIS。空间数据库供应商在服务器上存储数据的同时，根据数据源的格式安装操纵该数据的控件。用户在网上可调用不同的控件和数据，在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析，完全实现远程异构数据的共享。,可视化MIS的发展,环境信息学面临的问题,环境信息的获取监测、遥感、统计环境信息的存储分类与编码元数据环境信息数据库环境信息共享环境元信息系统句法方法语义方法环境本体环境信息加工处理环境模拟与仿真环境规划环境信息挖掘等,环境信息的可视化3S（GIS、RS、GPS）虚拟现实人工智能知识工程智能控制基于知识的专家系统神经

30、元网络环境信息系统（MIS、DSS、GIS）信息环境问题,环境信息学计划涉及的内容,环境信息学的基本概念与方法信息的本质信息熵信息整序等环境信息共享信息分类与编码标准环境元数据环境元信息系统环境元数据标准环境元数据的协同工作能力句法异构与句法方法语义异构与语义方法,环境信息学计划涉及内容,主要环境信息的获取途径常规监测自动监测遥感监测统计等环境信息的遥感数据获取途径与ERDAS的基本操作遥感的基本概念遥感数据处理虚拟GIS等环境数据库的设计与实施方法（E/R图、SQL与数据库结构）,环境信息学计划涉及内容,DBMS（MS SQL SERVER）与ACCESS数据库管理系统等GIS的基本知识与常

31、用GIS软件的使用环境信息系统的设计模式与方法管理信息系统的结构系统生命周期传统的环境信息系统设计方法现代面向对象的环境信息系统设计方法UML自动控制（SCADA）数据处理方法（数据模拟与仿真方法）认识专家系统与决策支持系统在环境科学中的应用,参考书：,Environmental Informatics，Nicholas M Avouris，Kluwer Academic Publishers信息科学原理，钟义信，北京邮电大学出版社；#”李树平，水信息学概述，给水排水，第28卷 第4期，2002年；张爱军，浅谈环境信息学，环境科学动态，1998年第二期；信息环境论，岳剑波，书目文献出版社；信息

32、论与编码，陈云等，电子工业出版社；智能决策支持系统，黄梯云，电子工业出版社；GIS在环境科学与工程中的应用，李旭祥，电子工业出版社；,参考书：,管理信息系统，苏选良，电子工业出版社；智能协作信息技术，张维明，电子工业出版社；决策支持系统与数据仓库，Efrem G.Mallach，电子工业出版社；知识管理精要，Amrit Tiwana，电子工业出版社；医药信息学，秦惠基等，科学出版社；医学信息学，乔凤海，科学出版社；信息学概论，邹志仁，南京大学出版社。,参考期刊：,3S世界地球信息科学地理与地理信息科学遥感信息地球科学信息学报Environmental Modelling&SoftwareJournal of Environmental ManagementDecision Support SystemsInternational Journal of Medical InformaticsData&Knowledge EngineeringAdvances in Environmental ResearchEnvironmental SoftwareJournal of Hydroinformatics,