第六章 地理动态数据采集、传输与物联网技术（158-178）

地理动态数据是研究地理现象的时空分异规律和演化过程特征的数据基础。随着应用需求的变化和观测技术的进步，动态地理过程数据的获取方法与手段也在不断地发展。尤其进入21世纪后，对地理动态数据逐步实现多层次、立体化的获取，覆盖了从区域到全球，从要素到系统，从某一时刻点到全过程，从自然到人文的不同时空尺度、不同要素类型、不同属性特征、不同机理过程的数据和信息。在大数据时代背景下，各种传感器技术与通信技术飞速发展推动了物联网技术的诞生。在物体编码、自动识别技术和传感器技术等一系列技术的支持下，物联网对物质空间的观测逐渐迈向全面感知，实现对现实世界的透明管理、智能分析、优化决策和约束控制。本章重点介绍地理动态数据采集传输技术的发展，物联网的组成与功能，以及基于物联网系统的动态地理数据采集方法与技术。

6.1 地球系统监测与动态地理信息需求

6.1.1动态地理信息获取的需求

地理过程研究是地理学研究的重要内容。地理对象和地理现象都是随时间而不断发展和变化的，其变化过程也是有一定规律的。因此，要揭示地理现象的时空分异规律和演化过程特征就必须根据其特点获取其动态变化的数据。这些动态变化的数据一方面用于构建刻画地理规律的模型，另一方面用于对模型的验证。

地理对象和地理现象的复杂多样，决定了其随时间变化的过程数据也极为丰富。例如，地球物理学中的地球重力场、磁场、电场、地震等动态数据;地貌学中重力、风沙、流水、海岸、黄土等的侵蚀、搬运与堆积的地貌发育过程数据;气象气候学中的大气物理、化学特性以及大气现象的动态数据;水文学中水体的物理、化学、生物特性以及水文现象的动态数据;土壤学中土体的物理、化学、生物特性及其过程数据;生态学中生物群落的演替过程及环境变化特征数据;人文科学中各类社会、经济、文化现象的发展过程数据等。

6.1.2 地球观测与动态地理信息获取手段发展历程

随着需求的变化和技术的进步，动态地理过程数据的获取方法与手段也在不断地发展。        20世纪以来，人类的创举就是离开地球来观测地球。人们首先用气球，然后用飞机平台，采用摄影测量方法，从空中观测地球（图6.1），绘制地图。这一过程用了大约半个世纪的时间，实测了大约70%陆地面积的地形图。此后，利用声呐、地磁、重力、地震等探测手段（图6.2），加深了对地球形状及其物理、化学等特征的认识和了解，板块运动得到进一步验证（图6.3）。如今利用卫星遥感方法对地球进行系统观测，实现了地球全覆盖、地学分支领域全覆盖的数据获取，孕育了"数字地球"（图6.4）。遥感对地观测加深了对陆地、大气、海洋系统及其之间动力学机理的理解，不仅促进了地球系统科学的诞生（图6.5），而且有效提升了对自然灾害预测预报的能力，提高了对自然资源的勘探水平，促进了资源集约化利用和地理工程建设的科学化水平，推动了循环经济和可持续发展理论的进步。

21世纪，人类进人了空间时代和信息社会，对地球的观测朝着实现多层次立体化方向发展，空间站、卫星、飞机、飞艇、气球、塔、车辆、地面、海面、水下、地下等各类观测平台（图6.6）如雨后春笋不断涌现，星罗棋布。各类分析测试技术和传感器信息获取手段不断诞生，几乎达到无所不在，无所不能，不断获取着固体地球、大气、陆地、海洋等地球系统的各类信息，覆盖了从区域到全球，从要素到系统，从某一时刻点到全过程，从自然到人文的不同时空尺度、不同要素类型、不同属性特征、不同机理过程的数据和信息。

6.1.3网络及通信技术的进步

    从1845年无线电短波电码电报通信开始，到20世纪初的电缆通信、微波通信等机械式电传通信，再到20世纪60年代的卫星通信、光纤通信等计算机数据通信，直到今天的量子通信。通信技术的每一次发展都对科技进步、社会发展起到重大的推动作用，当然对动态地理数据的获取和信息的传输也起到了重要的支撑作用。

特别是以互联网（图6.7）、无线网（图6.8）为代表的现代通信技术，正在将全球的每个人、每个地物目标联系起来，将对地观测的各类平台联系起来，将实验分析的各种仪器设备联系起来，将数据资源、模型资源、计算资源联系起来，将各类通信资源整合起来，实现了无论何人（whoever）、无沦何时（whenever）、无论何地（wherever）、无论何事（whatever）、无论为谁（whomever）的"5W"无缝全覆盖和顺畅连接的构想。现代通信技术在网络覆盖上实现了“无处不在”、在内容、平台上实现了“无所不包”、在通信主体上实现了“无所不能”，使人类在任何时间（anytime）、任何地点（anywhere）和任何人（anyone）、任何物（anything）（"4A"）都能顺畅地通信。

数据获取技术日新月异，传感器技术飞速发展，通信技术不断突破，大数据时代悄然而至。这对地理现象时空分异格局、演化过程特征，以及要素间相互作用机制等地理规律认识的深人，对地球系统，特别是人地系统的运行机理的进一步探究提供了良好的数据支撑和技术支持，造就了“智慧地球，’（图6.9）的诞生，催生着“未来地球”的发展。

6.1.4人类交流方式的变化

    交流是与物质需求同样重要的人类最基本的需求。随着人类社会文明的进步，人类交流的符号与信息传递的载体都发生了翻天覆地的变化。信息交流内容的符号从原始社会所使用的手势、口头语言、结绳，到文明时代的文字，再到融合了声音、图形、影像、动画、视频、场景等信息表达形式。体现了人类交流的从静到动，从无声到有声，从抽象到具体的多媒体的发展过程，也印证了地理学语言从自然语言‘地图语言一地理信息系统语言一地理场景语言的发展过程。

    信息传递的载体，也从龟甲、竹木、帛布，到现代文明时代的纸张和工业文明时代的缩微胶片，再到数字化时代的电子载体，以及以电波、光信号为主的电磁通信、光纤通信等。由此造成了人们的交流方式正逐步从传统的“面对面”交流，“线下”交流，变成“线上”交流，以及“线上线下”交流。

    电报是一种最早用电的方式来传送信息的、可靠的即时远距离通信方式。而电话则是一种可以传送与接收声音的远程通信方式，与电报相比，它不需要编码，实现了人类直接通过语音进行远距离交流。

    当代网络技术的发展，使得人类交流的方式不断改进和增加。从最初的电子公告牌（BBS）、电子邮件（Email），到后来即时通信（QQ, MSN）、网络电话（VO1P），再发展到基于Web2.0的博客、微博、微信等社交网络媒体。而光纤通信技术的出现，使得信息传输容量进一步加大，传播耗时明显缩短，传输能力进一步提高。泛在网络和社交媒体日新月异的发展，使得图形、图像、视频，以及地图、场景、虚拟地理环境等海量信息能高效顺畅地进行传输，促进了各种信息，包括地理信息在网络中进行融合，不同交流语言的协同整合，使得我们每个人都是信息采集与传递的志愿者。

当今的智能手机，已经配置了相机、摄像机、麦克风、卫星定位接收器、加速度计、陀螺仪、磁感应器、距离传感器、光线传感器、重力传感器等模块，可以帮助人们随时、随地采集包括地理数据在内的各种数据，发送数据、整合数据与应用数据，使得手机成为重要的地理数据采集的传感器和地理信息应用终端。