12第十二章-地球信息科學和數(shù)字地球

1、第12章 地球信息科學和數(shù)字地球,12.1GIS和社會 12.2地球信息科學 12.3數(shù)字地球,2,12.1GIS與社會,12.1.1GIS的社會化 GIS技術在公眾生活中被廣泛使用，形成GIS產(chǎn)業(yè)；相應的政策法規(guī)規(guī)范產(chǎn)業(yè)運行；教育為GIS應用提供專業(yè)人才。在GIS技術影響社會的同時，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，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，得到服務于其研究工作的結果；GIS學者主要進行算法和數(shù)據(jù)結構方面的研究；一般公眾無法意識到GIS技術可能的應用領域以及對社會生活帶來的影響,4,企業(yè)化GIS 計算機計算技術的發(fā)展和應用的普及，特別是網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)庫技術的成熟，許多機構開始應用地理信息系統(tǒng)進行空間信息的管理，進而實現(xiàn)空間決策支持，以提高工作效率，減少企業(yè)運行成本。,5,企業(yè)化GIS應用初

3、期，其應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，市政設施管理等，這些部門的業(yè)務數(shù)據(jù)具有“強”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)務進行管理是“自然”的需求。,6,社會化的GIS 隨信息技術應用的普及，許多其他領域的機構開始采用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。在上述機構中，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，服務于其業(yè)務。,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社會化的不同側面?！按蟊娀笔荊IS社會化的主要方面，指GIS技術已經(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GIS的發(fā)展與計算機技術發(fā)展有著密切的聯(lián)系，計算機技術的演化路徑影響著GIS的發(fā)展；社會的發(fā)展各個機構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，計算機技術，包括GIS技術，是實現(xiàn)這些目標的主要途徑。,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、題和他們預期的付出；影響數(shù)據(jù)可用性和成本的因素；利用地理學對GIS的開發(fā)和應用進行評估。,11,,11.2.1地球信息科學相關概念 地理信息科學（Geographical Information Science），地球測量（Geomatics，），地球信息學（Geo-Informatics），地球信息科學（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,12,地理信息科學1992年Goodchild提出；與地理信息系統(tǒng)相比，它更加側重于將地理信息視作為一門科學；主要研究在應用計算機技術對地理信息進行處理、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信息生產(chǎn)管理過程中的空間參考數(shù)據(jù)部分的科學與技術。包括大地測量、地籍測量、攝影測量與測深等傳統(tǒng)測繪領域以

8、及遙感和空間信息系統(tǒng)等新領域；認為是測繪學應現(xiàn)代社會對空間信息有極大需求這一特點提出的一個更全面、更綜合的學科體系。,14,地球信息科學 3S集成化技術系統(tǒng)，為解決區(qū)域范圍更廣，復雜性更高的現(xiàn)代地學問題提供新的分析方法和技術保證。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的產(chǎn)生。,15,,研究機構不斷出現(xiàn) NCGIA、UCGIS、Centr

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

10、. of Geographical Information Science等,11.2.2地球信息科學的形成,16,17,,,,地球信息科學是一門新興的交叉學科,,,地理學制圖學大地測量學,地球科學地球系統(tǒng)科學,空間信息技術空間信息科學信息科學計算機科學 等,,經(jīng)濟學,社會學,政治學,地球 空間 信息科學,18,,基礎理論,應用研究,技術方法,通過對地球圈層間信息的形成、變化機制及其傳輸過程的研究，來揭示地球空間

11、信息的機理,包括空間數(shù)據(jù)獲取和處理方法技術、空間信息模擬分析方法技術、 空間信息輔助決策分析方法技術,分為全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展兩大應用領域,學 科 體 系 的 認 識,,,,11.2.3地球信息科學的研究體系,19,地球信息科學的科學體系,,地球空間信息基礎理論,,空間數(shù)據(jù)基礎設施,區(qū)域農(nóng)業(yè),區(qū)域工業(yè),區(qū)域經(jīng)濟,區(qū)域社會,地球空間信息科學,理論,技術,應用,氣候變化,自然災害,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,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、響應與反饋的信息機理與信息流過程；揭示：地球復雜、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、工程設計提供全方位的信息服務。,21,,全球變化監(jiān)測與研究環(huán)境污染與生態(tài)變化監(jiān)測災害預測與災情評估農(nóng)業(yè)規(guī)劃決策與生產(chǎn)管理經(jīng)濟與社會可持續(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地球信息科學的應用前景,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)絡化、智能化和可視化的地球技術系統(tǒng)；實施數(shù)字地球計劃，需要政府、企業(yè)和學術界的共同協(xié)力參加。實施數(shù)字地球計劃是社會的行為，需要全社會的關心和支持；數(shù)字地球是一次新的技術革命，將改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，進一步促進科學技術的發(fā)展和推動社會經(jīng)濟的進步。,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技術發(fā)展成果的基礎上，有其深刻的

15、科學、社會和經(jīng)濟背景。（1）科學背景理論基礎：地理信息科學，地球信息科學等一系列學科的發(fā)展；技術支持：對地觀測系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡的發(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，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)濟背景美國提出數(shù)字地球這一戰(zhàn)略思想，從經(jīng)濟的角度來看，主要

16、是為了復蘇美國經(jīng)濟，刺激國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展。美國近年來經(jīng)濟持續(xù)增長、失業(yè)率下降得益于信息技術及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國政府要通過數(shù)字地球繼續(xù)把持信息技術和信息產(chǎn)業(yè)的制高點，推動經(jīng)濟發(fā)展。,27,11.3.2數(shù)字地球的基本框架與研究內(nèi)容,數(shù)字地球的學科性質(zhì)：由地球系統(tǒng)科學與信息科學技術高度綜合的學科，是位于兩者之間的邊緣學科。數(shù)字地球的研究對象：與地球有關的信息理論、信息技術及信息應用模型。數(shù)字地球的研究方法：側重運用現(xiàn)代信息技術，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，為信息科學技術的研究和開發(fā)提供科學試驗基地。數(shù)字地球的服務對象：為全球、全國、城市、區(qū)域、資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟、減災、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。,29,三個組成部分：基礎理論、技術體系和應用領域。,（2）數(shù)字地球的基本框架,30,NSD

18、I：國家空間信息基礎設施NII：國家信息基礎設施 EOS:對地觀測系統(tǒng) GOIN：全球觀測信息網(wǎng)絡,31,科學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,32,高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的快速獲取技術 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、準確地提取信息是實現(xiàn)數(shù)字地球信息獲取的關鍵。,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)絡擁塞；目前通常采用超大型計算機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技術實現(xiàn)。數(shù)字地球應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)絡上傳輸，造成網(wǎng)絡擁塞，這需要高帶寬網(wǎng)絡解決該問題。,35,地理信息的分布式計算 地理信息具有分布特征，并且具有基礎性、共享性和綜合性，分布式計算可以使得地理信息應用于社會各個領域。,地理信息的分布計算服務包括：（1）地理信息的共享領域服務為社會各個領域的應用提供地理信息服務，提供共享和集成的基礎。（2）空間查詢服務 包括通過元數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息檢索，屬性、幾何、空間關系等各個方面的查詢。,36,（3

21、）空間分析服務 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。（4）空間制圖服務 包括空間坐標轉(zhuǎn)換服務，地理注記服務，圖像處理服務，特征綜合服務，創(chuàng)建影像地圖服務等等，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服務為地理信息領域特定用戶提供有針對性的服務，主要為地理信息的獲取、地理信息的建立和維護服務（地理數(shù)據(jù)的管理服務）。,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)庫的技術關鍵是自動制圖綜合，在該領域目前已有許多研究，但是都難以達到令人滿意效果。,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)倉庫的主要任務求精過程：將來源、結構、格式

23、不同的原始數(shù)據(jù)，進行標準化、過濾與匹配、精化、標明時間戳和確認數(shù)據(jù)質(zhì)量的處理；根據(jù)任務的需要，進行數(shù)據(jù)的集成與分割、概括與聚集、預測與推導、翻譯與格式化、轉(zhuǎn)換與再映象處理；進行數(shù)據(jù)倉庫的建模、概括、聚集、調(diào)整與確認及建立結構化查詢等等。,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)實技術概念運用計算機技術生成一個逼真的，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,42,,在數(shù)字地球中采用虛擬現(xiàn)實技術，可以非常真實地表達現(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技術的結合方式：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)進行詳細的描述；數(shù)