第二章 地理信息科学内涵（35-59）

地理信息科学是研究地理信息如何产生、传输与转换，地理信息系统运行规律的学科是空间科学与航天技术、计算机科学与网络技术、地球系统科学与信息技术相结合的产物，是信息科学的重要组成部分，也是地理学中信息地理学的重要组成部分。地理信息科学的形成与发展是生产实践的需要，是由技术工具的进步和科学本身的发展所驱动的。本章重点介绍地理信息科学的基本概念、科学内涵、学科体系等若干基本问题。

2.1地理信息科学基本概念  

2.1.1地理与地理学

1.地理

对地理现象的观察和描述源于人类生存的需要和好奇心的驱使。即使是原始人类，仍然需要观察和了解自己生活领地内的山川草木，同样对领地外远方的情况充满好奇。地理的概念就是在这些观察和描述不断积累的过程中产生的。

地理，顾名思义是关于地球的道理。

“地理”一词最早出现在公元前4世纪成文的《易经*系辞》(图2.1)，里面有“仰以观于天文，俯以察于地理”的文句。东汉思想家王充(图2.2)在《论衡》中对地理的解释是:“天有日月星辰谓之文，地有山川陵谷谓之理”。这时的地理就是关于地表道理的意思。

图2.1《易经。系辞》                                       图2.2王充

古希腊学者埃拉托色尼(Eratosthenes，约公元前275--前193年，图2.3)，首先使 用了“geographein”一词。在希腊文里，“geographein”的意思是“对地球的描述”，由 geo和graphein组成。英文的“geography'(地理学)即由此演化而来。

           图2.3埃拉托色尼和他绘制的世界地图（据保罗·克拉瓦尔，2015）

埃拉托色尼出生于希腊在非洲北部的殖民地昔勒尼（cyrene,在今利比亚）。由于他在测量学和地理学方面的杰出贡献，被西方地理学家推崇为“地理学之父”。他第一个创用了西文“地理学”这个词汇，并用它作为《地理学概论》的书名。

据《辞海》地理词条，地理有三层含义:①山川土地之形势;②地址或位置;③地球表面各种自然现象和人文现象以及它们之间的相互联系和区域分异。可见第三层含义与现代地理学内涵相同。

2.地理学

地球是人类的家，人类一直都十分关心自己赖以生存和发展的地球表面的状况，从而萌生出各种地理概念。随着人类社会的发展，地理知识的积累，逐步形成了一门研究自然界和人与自然界关系的科学，即地理学。简而言之，地理学就是研究人与地理环境关系的学科，目的是为了更好地开发和保护地球表面的自然资源，协调自然与人类的关系。

地理学是一门研究地球表层自然要素、人文要素、信息要素相互作用、关系及其时空规律的科学，具有跨越自然科学、社会科学和工程技术科学的性质，以综合性和区域性为其特色（图2.4）。

地理学具有自然科学传统，不断提出新的科学问题，遵循从观测、度量、实验、假设、 证实（或证伪）到理论概括、逻辑推导和实践检验，并不断反馈、往复的科学方法链；注重实地调查和直接的现实经历；依赖精确观测、实验分析、制图、遥感技术和地理信息系统等科学手段。

地理学紧密联系社会科学，关注社会和人类活动，力图揭示不断变化着的经济、社会和政治关系，特别注重这些关系的空间组织、空间结构和演化过程，采用多样的社会科学理论和方法。

地理学充满人文关怀，在历史和现实的背景中，在物质和精神的领域内，关注人对地理环境的感觉、情感、经验、体验、信仰、价值、思想和创造性。

地理学是一门既古老又年轻的学科。自远古至18世纪末，是古代地理学时期，主要以描述性记载地理知识为主。从19世纪初到20世纪50年代，是近代地理学时期，其标志是德国洪堡的《宇宙》和李特尔的《地学通论》两书的问世。从20世纪60年代至今是现代地理学时期，其标志是地理数量方法、理论地理学的诞生和计算机制图、地理信息系统、卫星遥感等应用的出现。

    现代地理学正面向地球系统科学、全球变化和区域可持续发展，以人地相互作用为重点，以综合的观点和学科交叉的方式研究不同尺度地域综合体的形成演变规律，以地理信息技术、地理模拟技术、泛在大数据分析方法来揭示和表达地理现象的时空分异格局、演化规律

及地理要素间相互作用的机制（图2.5）。不断发展的空间定位系统、遥感遥测技术和地理信息系统已贯穿解决地理学问题的各个环节，已经融人地理学研究的重要内容中，实现了地理现象的可表达、可观测、可计舅、可服务。

2.1.2地理科学、地球系统科学与未来地理学

1.地理科学

    始于20世纪50年代的计量革命是西方地理学的一次地理学研究方法的革新。地理学家们把数学统计仿．法应用在人文地理学研究中，其他学科的定律、规律也用来研究人文地理问题，使人文地理从定性分析走向定量分析，揭示了人文现象的相互关系、相互作用的空间规律性。

    1953年Schaefer发表的《地理学中的例外论：一个方法论的检视》是地理学扬弃传统区域学派向科学化发展的肇始性文献，揭开了“计量革命”的序幕。计量地理学的发展历程大致经历了：计量／数学革命（20世纪60～70年代）--行为革命（70年代）--" GIS革命（80年代）---地理计算（90年代初）。计量革命导致了地理信息技术革命的到来，而随着信息通信技术（ICT）的快速发展，以海量数据、大数据、泛在数据为标志的数据时代、信息时代到来了，又催生了信息地理学的发展。

    由于资源的掠夺性开发、生态环境急剧恶化，人类社会的可持续发展面临巨大挑战，造成地理综合与区域协调发展的需求日益旺盛，加之地理信息技术使得其他学科的科学家，包括考古学家、经济学家、天体物理学家、流行病学家、生物学家、地质学家、景观建筑师和计算机科学家越来越多地在他们的工作中应用地理学的概念和工具，这些概念和工具的集合又产生了跨学科的地理科学（geographical sciences )（表2.1）。

我国著名科学家钱学森在1986提出了‘地理科学”的概念。他认为地理科学应当是与自然科学、社会科学、数学科学等井歹」的大科学。当代一些地理学者认为地理学正在发展成为地理科学。地理科学与地理学的区别在于地理科学超出了传统地理学的范畴，成为一门跨学科的科学，有自然科学、人文科学与技术科学的特征。

2.地球系统科学

    地球系统科学〔earth system science）的概念最早是由美国国家航空航天局（NASA）于1983年提出的。地球系统科学理论构建主要源于地球科学、科学技术与可持续发展三大背景和挑战。20世纪80年代中期以来，地球科学发展迅猛，科学家明确提出地球物理过程与生物过程相互作用的观点，进而形成了地球系统的思想。

    地球系统指由大气圈、水圈、陆圈（岩石圈、地慢、地核）和生物圈（包括人类）组成的有机整体（图2.6）。地球系统科学就是研究组成地球系统的子系统及其之间的相互联系、相互作用的运转机制，地球系统变化的规律和控制这些变化的机理，从而为全球环境变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。地球系统科学研究的空间范围从地心到地球外层空间，时间尺度从几天到数亿年。

    地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度，来研究地球系统的整体行为，使得人类能更好地认识自身赖以生存的环境，更有效地防治和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。地球系统科学在现代技术，尤其是空间技术和计算机发展后出现，致力于对地球的整体探索。它以地球科学许多分支学科的大跨度交叉渗透，与生命科学、化学、物理学、数学、信息科学以及社会科学的紧密结合为特征。其特点是时空尺度大，综合性强，涉及范围广，可以支持地球生态环境的动态监测和有效预测。

3.未来地理学

    地球系统是一个由物理、化学、生物、人文、社会、经济等互相作用，过程叠加的复杂系统，对其研究必须从系统科学的视角，采用地理综合的方法进行。2012年6月在里约热内卢联合国可持续发展大会上由国际科学理事会和国际社会科学理事会发起，正式启动被称为“未来地球”（Future Earth）的大型科学计划。该计划旨在打破学科壁垒，加强自然科学与社会科学的联系与融合，为全球、区域和各国应对全球环境变化提供必要的科学知识、技术方法和手段，支撑全球和区域可持续发展。未来地球科学计划（2014-2023）以“可持续性路线图”为宗旨，重点关注全球环境变化，以及其中的自然和社会驱动等方面相互作用的关系，打破目前的学科壁垒，重组现有的国际科研项目与资助体制，填补全球变化研究和实践的鸿沟，使自然科学与社会科学研究成果更积极地服务于可持续发展。

    未来地球将要回答的关键科学问题是：全球环境变化的原因和机制，如何预测未来环境变化，如何评价人类发展对物种多样性的影响，如何降低环境变化风险，如何增强环境恢复力，探词保障未来地球繁荣发展的思路。该计划围绕三个主题展开研究，即动态星球、全球发展、可持续性转变。

2.1.3地理空间、地球空间与空间科学

1.空间

    空间是一切我们所观察的事物和一切正在发生的事物在人类头脑中出现的形象，即三维表象。在三维表象里，各种事物之间具有前后、左右、上下的相对位置和沿某方向的长度，这些是人们定位和行动的基础。

“空间”的概念涉及物理学、夭文学、哲学、数学和地理学等领域。空间范畴既可以广阔到宇宙空间，也可以微观到分子原子空间。

北宋文学家苏轼《题西林壁》“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。”描述的就是在不同空间位置沂看到的不同三维表象（图2.7）。

    刻舟求剑是《吕氏春秋·察今》中记述的一则寓言，说的是楚国有人坐船渡河时，不慎把剑掉人江中，他在舟上刻下记号，说：“这是我把剑掉下的地方。”当舟停驶时，他才从有记号的地方跳人河中找剑，遍寻不获。这则寓言形象地描述了哲学意义上的空间（图2.8）。

2.地球空间

    地球空间如果作为专有名词，是指靠近地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域，位于大气层中平流层顶以上的空间。它不同于紧靠地面、产生各种天气过程的低层大气，因为地球空间的气体是部分或完全电离的；也不同于行星际空间，因为地球空间的物质主要源于地球，是地球大气的一部分，是空间大气科学研究的空间范围。

而泛指的地球空间是指固体球体及其包围它的水体和大气，可分为内部空间和外部空间。地球内部空间为一同心状圈层构造，从地心到地表依次为地核、地慢和地壳，它们之间的分界面分别是古登堡面和莫霍面（图2.9）。

    地球外部空间由大气圈、水圈、生物圈、岩石圈四个圈层构成，也有大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、冰冻圈、岩石圈六个圈层的分类。

    大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。大气圈没有确切的上界，在2000一160000千米的高空仍有稀薄的气体和基本粒子。在地下，土壤和某些岩石中也会有少量空气，它们也是大气圈的组成部分。

    大气圈由对流层、平流层、中间层、高层大气层组成。此外，大气圈还有两个特殊的层，即臭氧层和电离层（图2.10）。

水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，是一个连续但不很规则的圈层。在大气圈、水圈、岩石圈的相互作用下，形成了地表径流系统。

    生物圈是指地球上有生物生活的岩石圈的上层部分、大气圈的下层部分和水圈的全部，构成了地球上一个独特的圈层。生物构成了生物圈的主体，而生物圈则渗透于其他圈层之中，形成了一个特殊的结构。

    土壤圈处于地球大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间的界面上，是地球各圈层中最活跃、最富生命力的圈层之一。土壤圈是一个运动的、开放的物质与能量系统，与地理环境不断地进行物质和能量的交换和转化。土壤圈是非生物的无机界与生物有机界联系的中心环节，在对人类的生存发展、自然环境的影响等方面都有重要的地位和功能。

    冰冻圈处于地球大气圈、水圈、生物圈和岩石圈之间的界面上，由冰雪和冻土组成，分布在海洋上的是海冰和积雪，分布在陆地上是冰盖、冰川、积雪和冻土。它是地球环境的重要组成部分，对全球气候变化十分敏感，又一定程度上影响地球环境的变化。

    岩石圈主要由地壳和中上地慢的顶部组成，从固体地球表面向下一直延伸到软流圈。岩石圈厚度不均，平均厚度约为100千米。岩石圈跨越了地球内部和外部空间。因为岩石圈及其表面形态与现代地球物理学、地球动力学有着密切的关系，所以，岩石圈是现代地球科

学中研究得最多、最详细、最彻底的固体地球部分。

因此，地球空间并不能简单地等同于地球内部空间和地球内部空间之和。

在地理学中，还经常出现地球表层空间这个名词，它是指是由岩石圈、大气圈、水圈、生物圈和人类圈所构成的地表自然社会综合体，是人类圈与地球相互作用的复合物质系统，是地球圈层结构中的特定部分，是地球表层系统科学研究的空间范围。

3.地理空间

狭义的地理空间（geographical space）是指人类赖以生存的地球表层具有一定厚度的连续空间域，又称地理圈（人地关系系统），是地理学研究的空间范围。

广义的地理空间是物质、能量、信息的数量及行为在地理范畴中的广延性存在形式，特指地理现象的形态、结构、过程、关系与功能的分布方式和分布格局，同时在“暂时”时间的延续（抽象意义上的静止态），是‘决照场景”或“断片图景”。地理空间的研究是地理学的基本核心之一。

4.空间科学

空间科学（space science）是指利用航天器研究发生在日地空间、行星际空间乃至整个宇宙空间的物理、天文、化学及生命等自然现象及其规律的科学。空间科学以航天技术为基础，包括空间飞行、空间探测和空间开发等几个方面。空间科学研究旨在揭示宇宙奥秘及其给人类生活带来的影响。空间科学在通信、导航、对地观测、气象观测、遥感等方面的应用已取得了丰硕成果。

2.1.4信息、地理信息与信息科学

1.信息

信息指音信、消息、通信系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。信息是一个高度概括的抽象概念，因其表现形式的多样性而定义有所不同。

可以认为信息是现实世界的虚体，是物质存在方式、运动状态、属性特征和能量转换的反映。人通过获得、识别自然界和社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。

信息论创始人香农于1948年和1949年分别发表了《通信的数学理论》和《在噪声中的通信》两篇著名论文，提出了信息嫡的数学公式，量化描述了信息的传输和提取问题，创立了信息论，认为“信息是用来消除随机不确定性的东西”。

控制论创始人维纳于1948年出版了《控制论》一书，明确提出控制论的两个基本概念—信息和反馈，揭示了信息与控制规律，创立了控制论，认为“信息是人们在适应外部世界，并使这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行互相交换的内容和名称”。

2.信息科学

    信息科学（information science )是研究信息运动规律和应用方法的科学，是由信息论、控制论、计算机理论、人工智能理论和系统论相互渗透、相互结合而成的一门新兴综合性科学。其支柱为信息论、系统论和控制论。

普利高津（1917-2003年，图2.11）在20世纪40年代热力学研究中，证明了著名的最小嫡定理。经过20多年远离平衡态的热力学研究，他认为一个远离平衡态的非线性的开放系统通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阂值时，通过涨落，系统可能发生突变，由原来的混饨无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称为“耗散结构”（dissipative stmcture）。

20世纪70年代德国物理学家哈肯（1927-，图2.12）提出了协同的概念，发表了《协同学导论》，认为远离平衡态的开放系统在与外界有物质或能量交换的情况下，需要通过自己内部协同作用，自发地出现时间、空间和功能上的有序结构，建立了协同论。

    20世纪60年代末法国数学家托姆（1923-2002年．图2.13)发表了《形态发生动力学》一文，阐述突变论的基本思想。他在1969年发表的《生物学中的拓扑模型》为突变论莫定了基础。1972年他又出版专著《结构稳定与形态发生》系统地阐述了突变论，用形象而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程。

    信息科学研究内容包括：阐明信息的概念和本质（哲学信息论），探讨信息的度量和变换（基本信息论），研究信息的提取方法（识别信息论），澄清信息的传递规律（通信理论），探明信息的处理机制（智能理论），探究信息的再生理论（决策理论），阐明信息的调节原则（控制理论），完善信息的组织理论（系统理论）。

3.空间信息与地理信息

    空间信息（spatial information )是反映实体与现象空间分布特征、空间结构、变化过程及空间信息形成演变过程中不同要素相互作用机制的信息。空间信息借助于空间信息载体进行传递。图形图像是表示空间信息的主要形式，点、线、面、体、像元、体素等是基本的图形图像元素。这些具有空间位置和几何形态的空间信息只有在特定的时空框架下，与语义、过程、关系、属性等信息结合起来才能完整地描述实体和现象。

    地理信息（geographic information）是具有地理空间和地理时间特性的信息，是一类空间信息。地理信息是指与地理空间位置及时间过程相关的信息，是对地理对象和地理现象进行描述的信息，是描述地理对象和地理现象的数量、质量、性质、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息与其他类型信息的根本区别，就在于它总是与某一地理区位及其区位的特定参考基准相联系。

    地理信息可以用于描述地球系统内所有自然、人文要素，涉及人口、资源、环境、社会、经济、军事等诸多领域。地理信息不仅可以用于描述人地关系，而且可以用于表达人类认识自然和社会的知识，对地理对象与地理现象的时空分布、时空结构、演化过程和地理要素间相互作用机制进行形式化表达。

地理信息除具备信息的一般特性外，还具有以下独特特性。

    1）区域性

    地理信息属于空间信息，是通过地理空间位置进行标识的。这是地理信息系统区别于其他类型信息最显著的标志，是地理信息的空间定位特征。区域性是指按照特定的经纬网、公里网或其他网格建立起来的空间框架，能够实现空间位置的识别，并可以按照指定的区域进行信息的合并或分解。

    2）动态性

    任何地理对象或地理现象都是随时间而变化的，具有时序特征，可以用随时间变化的函数加以表达。动态性不仅表示各种时间坐标及其转换关系，而且描述地理事物或地理现象在某一个时刻点的状态，或某一个时间片段、全生命周期的行为。

    3）多维性

    在统一的时间和空间框架下表达的自然地理要素，包括地质、地貌、土壤、水文、大气、生物等；人文地理要素，包括政治、经济、人口、社会、文化、语言、历史、城市、乡村等；以及描述各种社会现象的时间、地点、人物、事物、事件、现象和场景；这些不同层次等级的各类要素在统一时空框架下构成了多维和高维空间。对地理信息的处理就是通过降维、升维以及分析不同维度要素之间的关系来揭示地理规律。

    4）相似性与异质性

    空间距离造成了相邻的地理事物与地理现象相似，远离的相异，这是国际著名地理学家瓦尔多·托布勒提出的地理学第一定律，即空间相似性定律。同时空间也造成隔离，这种隔离促成了个性的形成和发展，由此繁衍出自然和人文景观的多样性和区域差异，这是国际著名GIS学者Michael Frank Goodchild提出的地理学第二定律，即空间异质性。地理学第一定律强调了地理同一性，地理学第二定律强调的是地理差异性，两种观点把矛盾对立统一根源归结为‘空间距离”。

    相似性与异质性是地理数据分析的地理学基础。利用空间变异函数、空间插值与地统计分析等理论和方法，有助于人们去揭示地理现象的时空分布特征和时空结构。

    5）不确定性

    不确定性是普遍存在的客观现象。地理信息的不确定性表现在很多方面，包括地理数据

空间位置、几何形态的测量误差，也包括地理对象在语义特征和概念模型（如概念界定与分

类）、变化过程、相互关系、作用类型、分析方法等方面存在的不确定因素。

    6）尺度特征

    人类对地理对象和地理现象的抽象表达具有时空尺度特征。尺度描述与地理对象和地理现象时空分布及演化过程密切相关的地理范围、单元大小、边界划分、变化周期等内容。    人类生存和社会活动所需的信息几乎全部与地理时空相关，地理信息是连接各种信息、形成时间和空间上连续分布的综合信息的基础。它既具确，社会公益性，又具有市场价值，是解决人口、资源、环境和灾害等全球性间题，促进人类可持续发展的基本信息手段（图2.14）。

2.1.5地理信息科学、地球信患科学与地球空间信息科学

1.地理信息科学

地理信息科学( geographic information～，GIScience）是国际著名GIs学者Michael Frank Goodchild（图2.15）在1992年首次提出的，他认为地理信息科学是“信息科学有关地理信息的一个分支学科”。地理信息科学主要研究地理学在应用计算机技术对其信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论问题和技术问题。与地理信息系统（geographic information system）相比，它更加侧重于将地理信息系统看作一门科学，而不仅仅是一个技术实现。

    美国国家科学基金委员会（NSF）的一个工作组认为地理信息科学是一门描述和表达地理概念，并将其应用于地理信息系统的学科。地理信息科学主要研究地理信息系统对于社会和公众的影响，研究社会对于地理信息系统的影响。

    闾国年等认为地理信息科学是研究地理信息产生、传输与转换规律，地理信息系统运行规律的一门学科是自然科学、技术科学、思维科学、经济学、社会科学的交叉学科，是在地理信息系统技术的基础上发展起来的高新技术学科。地理信息科学是信息科学的重要组成部分，也是信息地理学的重要组成部分。

    地理信息系统本质上是个技术系统，而地理信息科学的基本原理和应用实践中既隐含有特定的科学问题，又具有组织与社会属性。地理信息科学主要关注地理信息内涵、机制、过程及其数据模型的抽象描述，按照地理学定律、规律对地理数据结构及表达模型的设计和构建；地理信息系统主要关注技术及其在不同领域的应用；地理信息工程则关注特定应用领域、方向上地理信息解决方案的设计和工程实施。

    地理信息科学是地理信息系统发展到一定阶段的必然产物，它关注地理信息的基本和普遍的科学问题，重视地理信息系统应用所涉及的社会、经济、组织和管理问题，并从信息科学的普遍规律出发，深化地理信息系统的研究，推动地理信息系统向科学、工程方向不断发展。

2.地球信息科学

我国遥感与地理信息科学开创者陈述彭院士：（1920-2008年，图2.16)认为，地球信息科学（geo-information science,或geoinformatics）是一门交叉学科，是地球科学、系统科学、信息科学等的交叉和融合，是地球科学的一门新兴的重要分支科学，也是一门应用科学，它以信息流为手段研究地球系统的物质流、能量流和人流的运动状态和方式。它由三部分组成：地球信息机理，是其理论研究的主恢地球信息技术，是其研究手段；全球变化与区域可持续发展，是其主要应用研究领域。

人们通过对地球圈层间信息传输过程与物理机制的研究来揭示地球信息机理，它是形成地球信息科学的重要理论支撑（图2.17）；而以对地观测系统、地理信息系统、电子地图与信息高速公路所构成的以地理信息系统为核心的集成化技术体系，可以实现对地球信息的获取、分析与传播；全球变化与区域可持续发展则是地球信息科学的重要应用领域。

3.地球空间信息科学

我国著名测绘、遥感、地理信息学家李德仁院士（图2.18）认为：地球空间信息科学（geo-spatial information science, georatics）是测绘遥感科学与信息科学技术的交叉、渗透与融合．强调的是用各种手段、集成各种方法对地球及地球上的实体目标和人类活动进行时空数据采集、信息提取、网络管理、知识发现、空间感知认知和智能位置服务，是地球信息科学的一个重要分支学科，可为地球科学问题的研究提供空间信息框架、数学基础和信息处理的技术方法。地球空间信息科学通过多平台、多尺度、多分辨率、多时相的空、天、地对地观测、感知和认知手段改善和提高人们观察地球的能力，为人们全面精确判断与决策提供大量可靠的时空信息。

综上所述，地理信息科学、地球信息科学、地球空间信息科学是从信息科学、地理科学、地球系统科学的视角来研究地理信息的机理、规律及应用模式，它们之间的关系正如陈述彭院士所指出的那样—“大同小异，殊途同归”。