第1章 地球信息科學(xué)的產(chǎn)生及發(fā)展

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

1地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)地球信息科學(xué)是在信息時(shí)代的召喚下，經(jīng)過許多學(xué)科的交叉、滲透和融合以及現(xiàn)代技術(shù)的高度集成而形成的，具有堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)以及鮮明的時(shí)代背景。

1地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)1.1學(xué)科基礎(chǔ)地圖學(xué)地球科學(xué)信息科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)……地球信息科學(xué)地球信息科學(xué)是地球科學(xué)的分支學(xué)科，脫胎于地圖學(xué)，形成與眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（1）地圖學(xué)地圖學(xué)是一門古老的學(xué)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(shù)以及這種信息的傳播和轉(zhuǎn)換的規(guī)律。

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

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（1）地圖學(xué)原始地圖古代地圖近代地圖

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（1）地圖學(xué)現(xiàn)代地圖

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

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（2）地球科學(xué)地球科學(xué)是一個(gè)龐雜的學(xué)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(chǔ)學(xué)科。主要包括地理學(xué)(含土壤學(xué)與遙感)、地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、地球化學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)和空間物理學(xué)以及新的交叉學(xué)科（地球系統(tǒng)科學(xué)、地球信息科學(xué)）等分支學(xué)科。地球科學(xué)是一個(gè)大題目，縱橫幾萬里，上下數(shù)億年，幾乎輻射到自然科學(xué)的其他各個(gè)領(lǐng)域。

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（2）地球科學(xué)地球的結(jié)構(gòu)地球的外部結(jié)構(gòu)地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（2）地球科學(xué)地球信息科學(xué)脫胎于地圖學(xué)，而地圖學(xué)是地球科學(xué)的一個(gè)技術(shù)性學(xué)科分支，是地球科學(xué)的第二語言。脫胎于地圖學(xué)的地球信息科學(xué)也從地球科學(xué)的其他分支學(xué)科汲取豐富的營養(yǎng)。地球信息科學(xué)與其他地球科學(xué)分支都是研究地球系統(tǒng)的科學(xué)。

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

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（3）信息科學(xué)信息科學(xué)是研究信息及其運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，研究內(nèi)容包括：信息的基本概念與本質(zhì)；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(xué)習(xí)知識，處理知識，利用知識的機(jī)制以及智能的一般規(guī)律。

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（3）信息科學(xué)地球信息科學(xué)是信息科學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究地球空間信息，信息科學(xué)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(shù)的作用尤其重要。

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（4）系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)以系統(tǒng)為研究對象，主要研究系統(tǒng)的類型、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律。系統(tǒng)科學(xué)理論和方法的引入和應(yīng)用極大地推動了地球科學(xué)的發(fā)展。

1.1學(xué)科基礎(chǔ)（4）系統(tǒng)科學(xué)系統(tǒng)科學(xué)從以下幾個(gè)方面影響地球科學(xué)的發(fā)展：1.系統(tǒng)思想和系統(tǒng)方法的應(yīng)用影響地球科學(xué)思維模式和研究范式；2.由于系統(tǒng)科學(xué)的影響，許多地球科學(xué)分支學(xué)科都把研究對象看作一個(gè)系統(tǒng)；3.系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法極大的發(fā)展了地球系統(tǒng)信息流的研究領(lǐng)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(shè)計(jì)和建設(shè)提供了最優(yōu)化的運(yùn)作程序和實(shí)施方案。

1地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)1.2技術(shù)基礎(chǔ)地球信息科學(xué)是一門技術(shù)驅(qū)動性學(xué)科，一系列現(xiàn)代信息技術(shù)為地球科學(xué)提供了全新的研究手段，導(dǎo)致地球科學(xué)的研究范圍、內(nèi)容、性質(zhì)和方法發(fā)生了巨大變化，標(biāo)志著地球科學(xué)的一場革命，為地球信息科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展鋪平了道路。

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

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

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（1）遙感遙感技術(shù)系統(tǒng)

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（1）遙感遙感平臺與波段星載機(jī)載車載

1.1技術(shù)基礎(chǔ)（1）遙感遙感具有強(qiáng)大的信息獲取與處理能力，為地球科學(xué)的發(fā)展和人類社會的進(jìn)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(gè)完整的、開放的系統(tǒng)來研究?？梢哉f，遙感技術(shù)促進(jìn)了地球信息科學(xué)的產(chǎn)生。

1.1技術(shù)基礎(chǔ)（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(shù)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(gè)軌道平面上的24顆衛(wèi)星組成）和用戶部分（有GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成）。

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（2）全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)的組成

1.1技術(shù)基礎(chǔ)（2）全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的建設(shè)和運(yùn)行，目前已經(jīng)發(fā)展成為多領(lǐng)域、多模式、多用途、的國際性高新技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)全天侯和全球性的高精度無線導(dǎo)航、定位和定時(shí)，用途十分廣泛。

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（2）全球定位系統(tǒng)在地球科學(xué)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(yùn)動監(jiān)測、市政規(guī)劃控制、水文地質(zhì)測量以及海平面升降監(jiān)測等地球系統(tǒng)觀測領(lǐng)域，是地球信息獲取技術(shù)體系的重要組成部分，對地球信息科學(xué)的形成有重要的支撐作用。

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

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（3）地理信息系統(tǒng)

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（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(shí)用化的發(fā)展趨勢中，形成了由理論、技術(shù)、工程和應(yīng)用四個(gè)層次組成的研究體系，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地理信息系統(tǒng)所能涵蓋的技術(shù)研究領(lǐng)域，由此形成地球信息科學(xué)的研究領(lǐng)域。

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（4）信息傳輸技術(shù)信息傳輸技術(shù)推動了開放地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的形成和發(fā)展，促進(jìn)了地球空間信息和信息技術(shù)共享，加快了地球信息科學(xué)的形成與發(fā)展步伐；信息圈的規(guī)劃和設(shè)計(jì)以及信息圈中的信息流也為地球信息科學(xué)的工程領(lǐng)域增加了新的研究內(nèi)容。

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（5）模擬模擬是通過對客觀實(shí)體觀測、類比、分析、概括、抽象而建立與客觀實(shí)體物理、化學(xué)、生物、力學(xué)以及時(shí)間和空間同構(gòu)的模型的技術(shù)體系。計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)方法以及系統(tǒng)科學(xué)理論和方法的引入使地學(xué)中的模擬技術(shù)快速發(fā)展，一方面推動了地球科學(xué)的快速發(fā)展，另一方面也促進(jìn)了地球信息科學(xué)的形成。

1.2技術(shù)基礎(chǔ)（6）計(jì)算機(jī)集成技術(shù)計(jì)算機(jī)集成技術(shù)是現(xiàn)代地球信息科學(xué)中最主要的技術(shù)之一，它的出現(xiàn)和發(fā)展對地球信息科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展有巨大的推動作用。集成技術(shù)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(shù)體系集成。

數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成是對多個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行全部或部分的調(diào)整、轉(zhuǎn)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(shí)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(jì)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(jì)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(shù)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(yīng)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(gè)模塊的集成是現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)中的基本技術(shù)，它不但推動了現(xiàn)代地圖學(xué)理論、方法和技術(shù)的發(fā)展，而且還促進(jìn)了地理信息系統(tǒng)功能由計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)變。地理信息系統(tǒng)與應(yīng)用模型庫系統(tǒng)的集成一方面進(jìn)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(gè)較為完整的地球科學(xué)研究系統(tǒng)，形成了地球信息科學(xué)的核心技術(shù)體系。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和互操作技術(shù)的推進(jìn)，開放式地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)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(xué)工程和應(yīng)用層次的研究領(lǐng)域。

地球信息技術(shù)體系的集成地球信息技術(shù)體系集成是根據(jù)地球系統(tǒng)中信息流的特征，按照應(yīng)用目的的要求，把相應(yīng)的地球空間信息技術(shù)有機(jī)地整合成一個(gè)完整的技術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可稱為地球信息技術(shù)集成系統(tǒng)，具有技術(shù)有機(jī)結(jié)合、通信在線連接、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和系統(tǒng)完整協(xié)調(diào)的特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)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(shù)集成化程度越來越高，為解決區(qū)域范圍更廣、復(fù)雜性更高的現(xiàn)代地學(xué)問題提供了新的分析方法和技術(shù)保證，同時(shí)，這些現(xiàn)代信息技術(shù)的綜合發(fā)展及其應(yīng)用的日益深化，最終促使了“地球信息科學(xué)”的產(chǎn)生。

1.3社會需求基礎(chǔ)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(xué)科和技術(shù)給予研究，地球科學(xué)和信息科學(xué)在交叉和融合的過程中所形成的一系列地球信息技術(shù)不斷集成和融合，形成了完整的地球信息科學(xué)學(xué)科體系。地球科學(xué)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要地球信息技術(shù)支持；地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展也需要建立地球信息科學(xué)；社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中有關(guān)地球科學(xué)問題的研究需要以地球信息科學(xué)為基礎(chǔ)，并以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段。

地球科學(xué)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)全球性的研究對象需要全球性的實(shí)時(shí)觀測系統(tǒng)；在現(xiàn)代地球科學(xué)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(jìn)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(shù)的支持；現(xiàn)代地球科學(xué)的研究對象往往是非常復(fù)雜的巨系統(tǒng)，模型的建立和方程的求解是非常困難的；結(jié)果的驗(yàn)證和預(yù)報(bào)一方面需要大量的觀測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對比分析，另一方面需要大量計(jì)算；

1.3社會需求基礎(chǔ)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(xué)科和技術(shù)給予研究，地球科學(xué)和信息科學(xué)在交叉和融合的過程中所形成的一系列地球信息技術(shù)不斷集成和融合，形成了完整的地球信息科學(xué)學(xué)科體系。地球科學(xué)研究的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要地球信息技術(shù)支持；地球系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展也需要建立地球信息科學(xué)；社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中有關(guān)地球科學(xué)問題的研究需要以地球信息科學(xué)為基礎(chǔ)，并以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段。主要內(nèi)容1地球信息科學(xué)的形成基礎(chǔ)2地球信息科學(xué)的形成和發(fā)展歷程學(xué)科基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)社會需求基礎(chǔ)萌芽階段形成階段發(fā)展階段

2地球信息科學(xué)的形成與發(fā)展歷程地球信息科學(xué)萌芽于地圖學(xué)，形成于地球信息技術(shù)的集成、融合、拓展和分化過程之中，并在地球信息技術(shù)發(fā)展以及社會和科學(xué)推動下，在地球科學(xué)、信息科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)的交叉領(lǐng)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(xué)的形成與發(fā)展歷程2.1學(xué)科萌芽階段20世紀(jì)50-70年代早期，地球信息科學(xué)的萌芽主要表現(xiàn)在三個(gè)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(guān)的組織和機(jī)構(gòu)紛紛建立。

2地球信息科學(xué)的形成與發(fā)展歷程2.1學(xué)科萌芽階段處于萌芽階段的現(xiàn)代地球信息科學(xué)具有五個(gè)明顯的特點(diǎn)：基本上是個(gè)技術(shù)領(lǐng)域；功能主要為計(jì)算機(jī)輔助制圖，地學(xué)分析功能極為簡單；地理信息系統(tǒng)處于獨(dú)立開發(fā)狀態(tài)；研究重點(diǎn)集中在空間信息數(shù)字技術(shù)和制圖自動化技術(shù)；發(fā)展速度極大地依賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步。

2地球信息科學(xué)的形成與發(fā)展歷程2.2學(xué)科形成階段20世紀(jì)70年代中期到90年代初期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)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(jìn)展。地球信息技術(shù)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(xué)的研究內(nèi)容、技術(shù)和方法以及應(yīng)用領(lǐng)域都發(fā)生了巨大變化，學(xué)科體系逐步形成。

2地球信息科學(xué)的形成與發(fā)展歷程2.2學(xué)科形成階段

研究內(nèi)容的變化主要表現(xiàn)為研究領(lǐng)域的分化。隨著信息源、信息量、信息技術(shù)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(shù)體系集成的快速推進(jìn)，一方面地球信息技術(shù)出現(xiàn)了理論化的發(fā)展趨勢；另一方面地球信息技術(shù)出現(xiàn)了工程化的趨勢，他們推動了地球信息科學(xué)學(xué)科體系的形成步伐。

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

地理信息系統(tǒng)的