1.2 地理信息科学的兴起

    地理信息科学是一门非常年轻的学科，它继承了地理学、地图学、测绘科学等学科发展的成果。随着航空航天等技术的发展，尤其是遥感的出现，不仅拓展了测绘成图、地理信息获取的手段，而且成果可广泛用于国民经济各行各业。最近几十年，随着计算机与通信技术等现代科学技术的迅速发展，地理信息的时代到来了。地理学进人了定量化、模型化时代。这些，最终推动了地理信息科学这门新的学科的诞生与发展。

1.2.1地理学发展的内在需求

1.全球化问题的需求

第二次世界大战以后，随着科学技术的进步，全球经济发展促进了工业化和信息化，但同时也带来一系列令人关注的全球性问题，如人口膨胀、资源短缺、环境恶化等（图1.31 )。全球化的格局促使人类必须以全球视角来研究和解决面临的问题。

    为了应对各种全球性问题、实现可持续发展，就需要观测和研究全球资源环境状况，提出应对策略并对策略实施进行不断监控和修正。而地理学的相关理论和技术为解决这些问题提供了强有力的手段。地理信息分析处理、全球性对地观测等技术被广泛应用（图1.32）。

例如，面对日益严峻的全球气候变暖问题，通过对地观测卫星，可以对地球进行监测，根据卫星图像可以反映出全球变暖引起的陆地景观变化情况。

图1.33的卫星照片显示了2014年9月17日的北极海冰范围，也是一年当中的最小面积。图片中红线标示的区域是1981年至2010年间北极海冰平均最小面积范围。与常年同期平均值相比．2014年9月北极海冰面积明显缩减。

2.现代地理学发展的需求

    现代地理学研究的定量化，能够用精确判断来补充定性的文字描述的不足；以抽象的、反映本质的数学模型去刻画具体的、庞杂的各种地理现象；以对过程的模拟和预测来代替对现状的分析和说明；以合理的趋势推导和反馈机制分析代替简单的因果关系分析；以最新的定量化技术革新地理学的传统研究方法。

    现代地理学研究的着眼点不是个别事物的规律，而是现象之间的联系。在全球化的进程下，人类越来越强烈地改变着自然结构和构建着新的社会结构，因此，紧紧把握“人一地”关系，显得更加重要。

    现代地理学已经形成了空间思维模式和从定性到定量分析的研究范式。20世纪60年代发展的定量研究方法和技术可以对全球地理信息进行空间分析；地球科学的集成化趋势推动了数据的集成、知识的集成、方法和技术的集成，为地球系统科学和地理信息科学的产生和发展奠定了基础。

    全球化背景下的现代地理学正面向全球变化和区域可持续发展，以人地相互作用为重点，注重格局与过程的相互作用研究，以地理信息技术和模型模拟方法来表达地理现象的空间分异格局和演化过程，揭示地理要素间相互作用的机制。

1.2.2计算机科学技术发展带来的机遇

1.数据库技术

    20世纪50年代以前，处于人工管理数据阶段，之后由于各种数据、信息量的大幅度增加，逐渐对处理数据、管理数据有了更大的需求。伴随着日算机应用的深人发展，数据库技术应运而生（图1.34），出现了统一管理数据的专门软件系统—数据库管理系统（DBMS）（图1.35）。

数据库技术是一种计算机辅助管理数据的方法，主要研究如何组织和存储数据，如何高效地获取和处理数据。

    数据库技术经历了层次和网状模型数据库系统、关系数据库系统和以面向对象模型为主要特征的三代数据库系统。

    层次模型数据库系统是将数据组织成有向有序的树结构，并用“一对多”的关系联结不同层次的数据库（图1.36）。

网状模型数据库系统指处理以记录类型为结点的网状数据模型的数据库，处理方法是将网状结构分解成若干棵二级丰飞结构，称为系（图1.37）。

关系模型数据库系统对应于一个关系模型的所有关系的集合称为关系数据库。在关系模型中，实体以及实体间的联系都是用关系来表示的（图1.38）。

    面向对象模型数据库系统是面向对象的程序设计技术与数据库技术相结合的产物。面向对象数据库系统的主要特点是具有面向对象技术的封装性和继承性，提高了软件的可重用性。

    数据库技术的目的就是处理海量信息和复杂的数据结构，而地理信息数据具有结构复杂、数量巨大的特点。作为高效的数据管理技术，数据库技术能够减少数据冗余，实现数据共享，更好的管理海量地理信息数据。因此，将数据库技术应用到地理信息领域，发展起了用于存储、检索、操作、分析和显示地理数据的地理信息系统数据库。

    传统意义上，地理信息数据包括两类。一是关于事物空间位置的数据，称为空间数据，也称地图数据、图形数据、图像数据；二是反映事物某些特性的数据，称为属性数据，也称文字数据、非空间数据。地理信息系统数据库也包括空间数据库和属性数据库。

    常用的属性数据模型就是前文提到的层次和网络数据模型和关系数据模型。而空间数据模型，是空间数据库设计的关键。空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互间联系的概念，主要分为概念模型、逻辑数据模型和物理数据模型。最常见的空间数据模型有矢量数据模型、栅格数据模型和面向对象的数据模型三大类。

2.图形图像处理技术

    图形图像作为人类感知世界的视觉基础，是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。而图形图像处理技术就是能够帮助人类更好的认识世界、获取信息的重要技术。

1964年美国喷气推进实验室利用计算机对“徘徊者7号”太空船送回的四千多张月球照片（图1.39）进行了处理，标志着计算机图形图像处理技术开始得到实际应用。

    计算机图形图像处理技术就是用计算机对图形图像进行分析，以达到所需结果的技术，一般指的是数字图形图像处理。数字图像处理技术就是将图像信号转换成数字信号并利用i蹲机或者谋种类型的数字处理硬件进行处理从而提高图像的司飞吏用性的技术（图1.40）。

    计算机科学技术发展应用另一个重要的内容是计算机图形图像处理技术。其主要作用有：提高图像的视觉感官质量，产生更适合人类视觉观察和识别的图像（图1.41）；提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，为训算机分析图像提供便利；提高信息传输效率，减少图像信息存储容量；信息可视化等。

随着计算机图形图像处理技术和遥感技术的发展、数字化仪和扫描仪的生产和运用以及数学算法的成熟，20世纪80年代末期，人们开始将其应用于地理信息系统，研究海图的自动读人，自动生成方法。

近些年来，计算机图形图像处理技术在地理信息技术领域的应用更加广泛。宇宙探测，需要计算机图形图像处理技术处理大量星体照片；航空遥感和卫星遥感图像需要用数字技术加工处理，并提取有用的信息（图1.42和图1.43 )。所有这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用计算机图形图像处理方法。

3.数据分析与计算技术

数据分析与计算是一种信息提取过程，是指用适当的方法对收集来的大量数据进行分析与计算，提取有用信息和形成结论而对数据加以详细研究和概括总结的过程。

根据美国国际数据公司（IDC）监测，人类产生的数据量正在呈指数级增长。因此，全球数据量的增加、数据结构的日趋复杂，对人们分析处理数据的能力提出了更高的要求。

随着计算机技术的飞速发展，利用计算机进行数据分析与计算在各个行业中得到了广泛的应用，并取得了非常显著的成效。例如，根据乘客购买车票信息，绘制某一时间的最热交通路线图，就能反映春运期间全国人口迁移与交通繁忙情况。图1.44就是腾讯发布的2018年2月16日全国最热交通路线局部示意图。

从GIS（地理信息系统）诞生开始，地理信息行业的主要业务采集、检查、处理、建库和分发服务无一不是紧紧围绕数据进行的。可以说，数据是地理信息行业的灵魂，而运用数据分析与州算技术能够提升数据处理能力，高效、有针对性的提炼出所需要的信息，因而被广泛应用于地理信息领域，促进了地理信息产业的发展。

例如，路线规划，就是运用数据分析与计算技术，根据车辆定位和路网监控等数据，分析出路线情况，提示用户避开堵车区域并规划最优路径。图1.45是某导航系统通过道路数据分析制订的从兰州市区到机场的路线规划。

    21世纪以来，随着数据的爆发式增长，如何存储互联网时代所产生的海量数据，如何有效地利用分析这些数据，对数据分析与计算技术提出了新的挑战，大数据和云计算技术成为一个新的课题内容。

4.网络通信传输技术

    物质的本质是信息和能量，爱因斯坦的相对论将物质和能量统一起来，随着人们对物质能量和信息关系认识的不断深人，信息网络通信传输技术也在不断进步。

    工业革命以前人类经过漫长的演化，发展出来语言这种短距离、同时空的信息传播技能，稍后各地区人类在语言和绘画的基础上发明了文字，信息具有了长距离传输与隔代传输的功能；随着电磁理论的技术逐渐成熟，有线电报、传真、有线电话、广播等的出现，信息网络通信传输进入了模拟通信时代。

1960年，世界上第一颗通信卫星“回声1号”（图1.46）的升空，标志着信息网络通信传输技术翻开了新的一页。这一历史创举完成了卫星通信得以实现、光纤传输得以发明、数字通信开始实现的三大突破。

    随着计算机和互联网的发展，网络成为信息传输的主要方式，信息传输进人数字通信时代。第二代移动通信技术（2G）也开始采用数字信号，这使得数字通信取代模拟通信的趋势越发明显。如今，移动通信技术已经发展到了第五代（5G），2020年后5G将大规模投人商用。

    目前信息网络通信传输技术已广泛应用于地理信息技术中。移动网络的普及为地理信息技术提供了丰富的用户与数据；光传输的发展保障了海量地理数据进行实时有效的传输；随着遥感观测硬件设备性能的快速提升和信息网络通信传输技术的发展，对地高空间分辨率和高光谱分辨率的卫星图像拍摄以及大容量观测数据的传输不再是难点，对地观测数据的增长也十分迅速。

1.2.3空间科学技术发展的强劲驱动

1.空间科学技术

    空间科学技术以航天技术为基础，包括空间飞行、空间探测和空间开发等几个方面。它不仅能揭示宇宙奥秘，而且也给人类带来巨大的利益。第二次世界大战以后，随着火箭技术的发展，人类对太空的观测和研究更加活跃，空间科学技术得到了快速发展。

    1957年10月4日，苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星（图1.47），标志着人类终于得以挣脱地球的束缚，进人茫茫太空。

空间科学技术在实际应用方面已取得了很大进展，如通信、导航、测地、气象观测、遥感等方面，尤其是为地理信息科学的发展提供了强有力的工具。随着空间科学技术和来自外层空间的遥感、遥测、定位、通信信息海量的增加以及计算机技术的迅猛发展，进一步推动了地理信息科学的快速发展。

2.多层次的遥感平台

    遥感平台是搭载传感器的工具，可以使传感器从一定高度或距离对地面目标进行探测。随着空间科学技术的发展，具有不同技术性能、工作方式和经济效益的遥感平台，组成一个多层、立体化的现代化遥感信急获取系统。

地面遥感平台：与地面或水面接触，近距离遥感，高度一般在0--100m。主要是进行地物波谱测量、摄取实验地物细节的影像，为航空航天遥感服务。常见的地面遥感平台包括遥感车、遥感塔以及舰船等（图1.48）。

     航空遥感平台分为低空平台（高度<5km）、中空平台（高度5～10km）和高空平台（高度10～20km）。航空遥感平台具有飞行高度低、影像分辨率相对较高，灵活、不受地面条件限制，调查周期短、资料回收力硬等特点。常见的航空遥感平台包括各种飞机和气球等。

飞机是应用最广泛的航空遥感平台（图1.49）。近年来，由于无人机具有机动性较强、方便快捷、相对有人驾驶飞机来说也更加经济的特点，将无人机作为遥感平台进行测量和监侧也越来越普遍（图1.50）。

气球作为主要的航空遥感平台之一，价格低廉、操作简单，在收集地面遥感信息，以及局部大气信息等方面发挥了重要作用（图1.51）。

航天遥感平台（高度＞150km）主要包括火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、空间轨道站。航天遥感平台一般用于遥感试验（图1.52）。

    航天遥感平台观测范围大，可以发现地面大面积宏观的、整体的特征。航天遥感平台的工作效率高，且费用比航空遥感低廉，可以对地球进行周期性的重复观察，有利于对地球资源、环境、灾害进行动态监测。

3.多样化的传感器

传感器是一种检测装置，能感受到被测量目标的信息，并将感受到的信息输出。

传感器由收集器、探测器、处理器和输出器四部分组成。收集器收集地面目标辐射的电磁波能量；探测器将收集到的电磁辐射能转变为化学能或电能；处理器对转换后的信号进行各种处理；输出器是输出信息的装置。

按传感器工作的波段可以将其分为可见光传感器、红外传感器和微波传感器。

可见光传感器是指工作波段限于可见光（波长0.38～0.76um）波段的传感器。可见光传感器将可见光作为被测量对象，并转换成输出信号。利用可见光传感器可得到高空间分辨率的黑白全色或彩色影像，对判读识别地面地物和绘制地图有着重要意义。

专题制图仪（thematic mapper, TM）是美国陆地卫星4号和5号搭载的传感器，可获取7个波段图像，其中3个为可见光波段（图1.53）。陆地成像仪（operational land imager, OL）是美国陆地卫星8号搭载的传感器，可获取9个波段图像，包括TM传感器所有7个波段。

我国发射的“风云二号”气象卫星，上面搭载了多种传感器，每小时获取一次对地观测的可见光、红外线与水汽云图。图1.54是“风云二号”B星获取的第一幅可见光彩色合成图像。

    红外传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器。红外线又称红外光，波长760nm--lmm。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外传感器具有灵敏度高、反应快等优点。

    红外传感器常用于无接触温度测量，在医学、军事，尤其在遥感和空间技术方面得到广泛应用。例如，利用热红外卫星影像图对失火的澳大利亚维多利亚省东南部马瑞马力火场情况进行监测（图1.55）。又如，利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监测，即可实现大范围的天气预报（图1.56）。

    微波传感器是接受地球上各种地物发射或者反射的微波信号，以此识别、分析地物，提取地物信息的传感器。微波波长范围为Imm～lm。

    微波传感器可以分为主动微波传感器和被动微波传感器两类。主动微波传感器有真实孔径雷达、合成孔径雷达等；被动微波传感器主要为微波辐射计。微波传感器具有不接触、无损伤、连续、远距离、无毒害、不污染环境、成本较低等一系列优点，因此得到广泛应用。

我国2016年6月发射的“高分三号”合成孔径雷达（SAR）卫星（图1.57）上搭载的主动微波传感器，既可以探地，又可以观海，达到了“一星多用”的效果。

4.快速发展的传感网

    传感网的最初定义是由若干具有无线通信能力的传感器节点自身组织构成的网络（图1.58）。近年来，随着互联网技术的进步、多种接人网络以及智能计算技术的发展，现在的传感网是指以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务，以网络为信息传递载体，实现物与物（物与人、人与物）之间的信息交互，提供信息服务的智能网络信息系统，也可以称为物联网。

传感网实现了数据的采集、处理和传输三种功能，可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量翔实、可靠的信息，是融合物理世界和信息世界的重要一环。

    传感网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通。传感网的特征在于感知、互联和智能的叠加。因此，传感网由三个部分组成：感知层，识别物体、采集信息；网络层．信息传递和处理；应用层，与行业需求结合，实现广泛智能化（图 1.59）。

由传感器、通信网络和信息处理系统为主构成的传感网技术，具有实时数据采集、监督控制和信息共享与存储管理等功能（图1.60）。它使目前的网络技术的功能得到极大的拓展，使通过网络对各种环境、设施及内部运行等的实时监控成为可能。

传感网通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是传感网区别于其他网络的最独特的部分。1999年《商业周刊》将传感网技术列为21世纪最具影响的技术之一。

    随着传感器、软件、网络等关键技术的迅猛发展，传感网也迅速发展，已广泛应用于国防军事、环境监测、交通管理、地理信息科学等领域，具有巨大的应用价值。

1.2.4地理信息高新技术的形成

1.地理信息高新技术的定义、内涵、外延

    传统的地理信息技术由3S或3S+C（即地理信息系统GIS,遥感技术RS,全球导航卫星系统GNSS和卫星通信技术C）组成，是以从事地理信息资源生产和服务为主要任务的技术。

随着高新科技的发展，地理信息技术的外延更加广泛。地理信息高新技术不仅采用地理信息系统、遥感、卫星定位导航、测量等地理信息技术，更广泛利用了当前高新技术中最前沿、最尖端的技术．如航空航天、空间数据库、软件工程、高速通信、云计算、大数据、虚拟现实（图1.61）、人工智能等多个领域技术，对地理信息资源进行采集、加工、开发、应用。

2.地理信息高新技术的核心技术

地理信息高新技术的核心技术包括遥感技术、定位导航技术、电子地图技术、地理信息系统技术。

    遥感（remote sensing, RS )技术是指根据电磁波的理论，应用各种传感器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理，并最后成像，从而对各种地物和地理现象进行探测和识别的一种综合技术。它是20世纪60年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和计算机技术的发展而逐渐形成的综合性感测技术。

    定位导航技术，就是对地面、海洋、空中和外空间目标进行定位和导航的技术。定位导航技术涉及多学科，应用于多个领域，如航海、航天、航空，特别是军事领域。我国的北斗、美国的GPS都是常见的全球卫星定位导航系统。全球卫星定位导航系统，是具有在海、陆、空进行全方位、实时三维定位与导航功能的系统。在美国，GPS全球卫星定位技术、“阿波罗”飞船登月和航天飞机升空，共同被列为20世纪“三大航天工程”。

    电子地图技术是计算机技术与地图学相结合的产物。它是以地图数据库为基础，以数字形式存储于计算机外存储器上，并能在电子屏幕上实时显示地图的技术。电子地图技术是地理信息高新技术的关键技术。电子地图是地理信息系统的主要数据源，是地理信息系统中数据表达的主要方式。在地理信息系统中电子地图是联系用户和地理数据库的桥梁，常见电子地图有导航电子地图、城市电子地图、旅游电子地图等。

    地理信息系统（geographical information system，GIs )技术是指用于地理信息采集、加工、处理、存储、分析、表达、传输、分发的各类技术。随着训算机软硬件技术、数据库技术、网络技术、多媒体技术等计算机技术的迅速发展，GIs的应用领域也迅速扩大。当前，GIS正在走向完全网络化，逐渐成为以网络为中心的地理信息平台，更加充分地利用网络服务、大数据、云技术、更快的日算能力、各种终端等软硬件优势，并结合影像、GNSS、三维等数据，实现地理信息随时随地的访问、制图和分析等。

    随着计算机制图技术、遥感对地观测技术、全球导航卫星系统、地理信息系统与互联网技术等蓬勃兴起，高新技术在地理学研究中的应用已成为一种不可阻挡的潮流，是一种崭新的技术与手段。