2.2地理信息科学的性质与研究对象一

2.2.1地理信息科学的性质

    地理信息科学是自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合而形成的前沿学科、交叉学科、高新技术学科。“地理信息科学”是其理论研究的主体，“地理信息技术”是研究手段，“全球变化和区域可持续发展”是地理信息科学与技术的主要应用领域，而“大众与普适应用”是地理信息科学发展的重要推手。地理信息科学的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，为地理科学的发展和提升开辟了一个崭新的天地。

1.地理信息科学是前沿学科

    地理学是研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其形成演化的特征、结构、格局、过程、地域分异与人地关系等的学科，是地理信息科学研究和解决的主体对象，也是地理信息科学的主体学科之一。从技术的视角，地理信息科学则是信息技术与现代地理学相结合的产物，采用计算机建模和模拟技术实现地理环境与过程的虚拟，以便对地理现象进行直叉见科学的分析，并提供决策依据。

    案例1：利用地理信息技术和方法监测干旱区绿洲土地覆盖变化（图2.19）。生态环境管理和研究人员可利用遥感卫星，借助地理信息系统技术将绿洲不同时期的土地覆盖数据叠合在一起，实现不同时期土地覆盖类型边界的叠加，进而对比分析绿洲土地覆盖变化的过程、规模、方向等，为绿洲生态保护和建设提供决策服务。

案例2：一张电子地图解读四千年陨石足迹（图2.20) 0 2013年2月巧日中午12时30分左右，俄罗斯车里雅宾斯克州发生天体坠落事件。陨石从天而降，坠落在俄罗斯车里雅宾斯克州，这一自然现象引发了全世界对陨石的关注。于是，专门做地理软件的Vizzuality及CartoDH创始人德拉托雷（Javierde la Torre）在其网站上发布了一张电子地图。这张电子地图记录了从公元前2300年到现在4000多年中的陨石光临地球的足迹。

案例3:物流订单轨迹（图2.21）。爱网购的你，想知道订单到哪了吗？距离虽然不远，但是前进的路线很曲折啊！

2.地理信息科学是交叉学科

    地理信息科学是在信息科学与技术、空间科学与技术和地球系统科学的基础上，借助测绘技术、计算机技术、通信技术、互联网技术等对地理信息进行采集、存储、分析和显示的交叉性、综合型学科。

    随着工业生产飞速发展和人口不断增加，人类对于各种自然资源的需求量越来越大。然而，由于自然条件的限制，极其丰富的自然资源到现在还“沉睡”在人迹未至的深山密林、茫茫沙漠和浩瀚大洋之中，这就要求我们采用有效的方法去勘测那些资源。借助空间科学技术，用人造卫星去勘测地球资源就是一种有效的方法。

    案例4:如果要对人类生活的地球表层系统，如水资源、植被、土壤等开展评估和长时序、大范围监测，就离不开遥感卫星数据的支持。遥感数据的获取离不开各种人造卫星（图2.22）和传感器。图2.23是利用人造卫星对地探测的示意图。

   由于地球的空间广域性，形成时间的悠久性和组成要素的复杂性，分门别类的研究尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地认识地球，传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用的观点去研究、认识地球，显得十分重要，于是产生了地球系统科学。它要求对人类生活的地球以综合、系统的视角来认识和研究。

    案例5：地理信息科学离不开地球系统科学（图2.24）。长江是我国第一大河流，长江流域旱情、洪涝等灾情的监测涉及气象学、水文学、海洋学、地理学、地质学、生态学等众多学科，因此需要利用系统的、综合的思想对其进行监测研究，而地球系统科学和地理信息科学在理论、技术和方法上符合这一要求，已经得到关注和应用。

    地理信息科学可利用现代网络和计算机技术，通过现代化通信手段获取、存储、分析、发布各类地理信息，提供查找、交换、分发以及加工、处理等增值服务。总之，它类似于一个由信息用户、信息生产者、信息营销者共同组成的网络化地理信息“超级市场”。

    案例6；防洪管理系统。通过网络和通信，可以实时监测某区域内洪水数据，并将其通过网络发布；公众通过网络可进行数据上传、下载，查看最新洪水预警等信息，还可对不同洪水量的地表庵没情况进行模型显示。

    案例7：水土流失监测与管理。通过建立水土流失指标与土壤、坡度、植被、降水等因子的函数关系，计算水土流失量、发生的空间位置，进而做出预测与预警。

3.地理倍息科学是高新技术学科

    地理信息科学以地球系统信息流为主要研究对象，融合了地理信息系统、全球定位系统、遥感技术、物联网技术等学科的理论与技术，这些技术系统都是基于当代高新技术学科的代表，并随着科学技术和社会进步而快速更新。

    案例8：地理信息科学与大数据（图2.25）。对大数据挖掘、分拣到最后，应该得到的信息内容不外乎时问、地点、人物、事物、事件、现象、场景等7类，而这7类信息又可利用地理信息的语义、位置、几何、过程、关系、数据加以描述。

    案例9：航空运输大数据分析（图2.26）。截至2012年1月，开源网站OPENFLIGHTS.ORG上记载了大约6万条直飞航班信息，这些航班穿梭在3000多个机场间，覆盖了500多条航线。通过数据分析技术，采用可视化方式展现世界各航空公司及其之间的联系，生成的图形看上去就像一个美丽的星云。这张基于数据可视化的Sigma图显示了服务城市相似的不同航空公司。图中的圆点或圆圈代表航空公司，连线的粗细和远近则反映两个航空公司之间的相似性；连线越粗或越短则代表两家航空公司服务的城市越相似。不同航空公司采用不同颜色的符号表示，图上色彩的分布直观地表现出了各航空公司所服务的主要地理区域。

    案例10:电话使用者的通话模式分析（图2.27）。现代社会，人们普遍使用手机并产生巨量数据，这些数据反映了我们每天的行为及活动。我们与其他人的每通电话及简讯都对应到我们的社会关系、商业活动以及更广泛的社群互动，并形成了许多复杂联结的通话圈。图2.27是根据移动电话使用者的通话模式资料制作的，每个点都代表一个使用者拨出的手机号码，越大的点就代表这个号码对外联系次数越多。每条两点之间的线都代表着从一个号码拨打到另一个号码。每个移动电话使用者都会有一种独特的通话模式，这种模式可以用来发展适合的话费方案并且可以用来定义或预测他／她的行为。举例来说，当一个使用者正要从现在的移动电话服务商转换到另一个服务商时，我们可以从网内及网外发现两个类似的通话模式。

    案例11：利用实时互联网数据与地理信息技术确定快递最优配送路线（图2.28）。快递已经成为信息化时代物流发展的标志，方便快捷。其重要的支撑技术就是地理信息系统的优化路径选择。

案例12:大气污染时空变化。利用实时采集的大气污染数据快速生成区域PM10。浓度空间分布图(图2.29)，引导人们进行自我防护。

2.2.2地理信息科学研究对象

1.地理信息科学研究对象

    地理信息科学的研究对象是地理信息。地理信息（geographic information）是地理数据所蕴含和表达的地理含义，是与地理环境要素有关的物质的数量、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；是关于地球表面或地理空间中地理对象或地理现象的描述，即对地理对象或现象的语义、位置、形状、过程、关系、属性等方面的表达（图2.30）。

    由于地理信息的内容涉及人口、资源、环境、社会、经济、军事等诸领域的各种地理要素及其变化，不仅是对广义人地关系的描述，也凝结着人类认识自然和社会的知识，是对地理空间各类要素的可视化表达。

2.地理信息科学研究内容

    地理信息科学的研究内容主要包括三个方面（图2.31）：①基础理论研究；②技术系统

研究；③应用方法研究。

    基础理论研究包括地理信息科学的概念，确定地理信息的定义和内涵；建立地理信息科学的理论体系；研究地理信息系统的构成、功能、特点和任务；总结地理信息科学的发展历史，探讨地理信息科学发展方向等。

    技术系统研究包括硬件设计与配置；地理空间数据结构及表示；输人与输出系统；空间数据库管理系统；用户界面与用户工具设计；工具型软件研制；三维可视化及动态显示；网络地理信息技术实现等。

    应用方法研究包括应用系统设计与实现方法；数据采集与校验；地理分析方法与专题分析模型；地理信息系统、空间定位系统、遥感技术、物联网技术的集成方法；地学领域专家系统与人工智能研究等内容。

    美国大学地理信息科学联盟（University Consortium of Geographical Information Science, UCGIS）于1996年提出了地理信息科学中的10个优先研究主题，包括空间数据获取与集成、

分布式计算、地理表达扩展、地理信息认知、地理信息互操作、尺度、GIS环境下的空间分析、空间信息基础设施的未来、地理数据不确定性与基于GIS的分析、GIS与社会；后来在上述基础上又扩展了4个主题：地学空间数据挖掘与知识发现，地理信息科学的本体论基础，地理可视化，以及地理信息科学中远程获取的数据与信息。

地理信息系统、空间分析和地理建模与模拟是地理信息科学研究的重要内容（图2.32）。

3.地理信息科学研究目标

    地理信息科学研究目标主要有三个方面：①深化地理信息理论基础研究；②推进技术系统发展；复功口强综合应用和服务能力。

    目前，地理信息科学的研究目标主要体现在以下重点应用领域。

    （1）地理信息内涵的地理学解读。从当前地理信息的空间和属性内涵解读，发展到以地理学视角的语义、位置、几何、过程、关系和属性内涵定义。

    （2）地理信息本质与形成转化机制。以地理要素及其相互间的物理、化学、生物、人文、杜会、经济等作用机制，揭示地理信息的形成、演化、特征，发展新的地理现象的观测方法、实验手段和数据采集技术，特别是遥感、遥测方法和数据处理技术，满足不同领域需求和特定地理数据的采集。

    （3）新型地理信息系统的数据模型。在时空框架的基础上，以刻画语义、位置、几何、过程、关系和属性地理信息6要素为目标，发展以几何与代数统一、时间与空间统一、表达与计算统一、高维统一的地理信息系统数据模型，替代现有地理信息系统的地图数据模型。

    （4）新型地理信息系统的数据结构。利用地理学第一、第二定律和地理学时空分异规律、地理要素相互作用机制，发展地理信息系统的数据结构，实现地理数据存储与索引的统一，既保证对地理对象和地理现象在时空中突变、渐变和不变的表达，又提升地理信息系统的运行效率。

   （5）地理场景的地理信息表达形式。地图是当前人们熟知的地理信息表达形式，但是随着地理信息的表现主体、表达技术、呈现内容、应用方式的变化，地理信息的表达正在向二维与三维、现实与虚拟、分级与连续、写真与写意、预制与实时、静态与动态相结合地理场景方向发展。

    （6）大数据挖掘和分析本质的界定。以多学科视角，从时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景7要素界定大数据挖掘和分析的多层级目标体系，以及以不同目标为核心的信息聚合方法。

    （7）地理信息技术在地球科学中的应用。地球系统科学以及“未来地球”都将地理信息技术作为其数据获取、分析的重要支撑技术，通过地理信息新技术的引领和驱动，实现人类对地球的更深人的认识，达到资源开发、环境保护、经济社会发展的可持续。

    （8）地理信息技术的大众化和普适性应用。地理信息技术已经成为当下新技术的重要组成部分，在人类的生产生活中起到了不可或缺的作用。地理场景因其由时间、地点、人物、事物、现象、事件等要素构成，决定其可以承载各种各样的信息，必将成为新媒体和人类交流的普适语言。