第七章 地理数据处理与地理信息系统（180-220）

地理信息是人类各种活动所必需的基础信息，是人类在长期生产实践过程中对地理对象与地理现象的抽象描述与表达。自人类文明萌芽以来，就不断探索着地理信息采集、存储、分析、表达、传输、应用的技术与方法，从早期不精确象形文字的描述，到后来利用严密数学法则的地图记录，到以现代科学技术为基础的GIS数字化表达，再到实时动态多维场景，逐步形成了一个现代学科领域—地理信息系统。本章重点介绍地理现象认知、分析、表达的基本概念和方法，地理信息系统的数据存储、管理、分析与表达，以及典型地学与大众应用。

    随着遥感对地观测、物联网数据获取、实验室样品分析、地理模型模拟、大数据挖掘等技术方法的广泛应用，地理数据呈现爆炸式增长。地理信息通过几何图形、代数方程、信息图谱等多种描述手段实现对地理对象和地理现象的空间定位、几何形态、属性特征、要素关系、演化过程和语义特征的描述，地理信息的内涵得到极大丰富。

    对多源、异构、海量地理数据进行高效存储、管理，并进行专业化处理或大数据分析，从而挖掘出地理现象的内在规律，这是地理信息技术需要长期面对和不断解决的重要问题。随着计算机科学与技术的快速发展和地理信息对地理规律描述与表达机制理解的深人，以计算机硬件、网络、软件为支撑的地理信息系统成为地理数据采集、加工、处理、管理、分析、表达、传输、发布的综合性技术系统。

人们常常将地理信息系统比喻为人的大脑，将遥感技术和空间定位技术比喻为人的两只眼睛（一只眼获取目标的位置信息，另一只眼获取目标的几何信息、物理信息等）。由此可见，地理信息系统在地理信息技术中占据着极其重要的位置。

7.1 人脑的作用与电脑的意义

从电脑问世至今70多年的发展史来看，它的应用范围越来越广，存储和处理信息的能力也越来越大。早期的电脑能进行数值计算、处理文字和图像，进行数据管理等。特别是20世纪50年代以来，在控制论和信息论的推动之下一人们又进一步研制了包括模拟人的触觉、视觉、听觉、味觉直至大脑功能在内的控制系统，即智能机器人。电脑也开始能够部分模拟人脑的某些功能。

7.1.1人脑的结构和功能

    人类大脑既是人类思维活动的核心，也是人类信息存储的载体。根据脑组织沟纹的位置可以区分大脑的不同区域，每个区域功能都不同。大脑皮层的四个主要区域及其负责的功能分别为：枕叶—视觉能力、顶叶—触觉和空间能力、颖叶—听觉和综合感知能力、额叶（有两个部分，一是运动皮层，协调肢体运动，二是前额皮层，其功能是理解、记忆、判断）。

人类很多行为都需要大脑整合存储各种感觉信息才能完成，如思考数学题、识谱弹琴、在键盘上打字等，这些都是需要人脑进行多个阶段过程信息的感知和整合才能完成的行为。当外界环境中的刺激作用于视觉、听觉、嗅觉等人的感觉器官之后，包括感觉器官将外部刺激转化为神经冲动传向大脑，并给大脑带来信号，大脑再进行加工。这些外部输人在中枢神经系统进行汇总，和来自别的脑区的信息（如记忆）整合，最后形成了我们对外部世界的认知。当代认知心理学家们认为，信息必须以一定的方式进行编码，然后人脑对这种编码进行译码，才能被人识别。例如，人们读书时，字词是外部刺激，经感受器（视网膜）转换以后，由光刺激模式转换为神经冲动的特定模式（编码），这是由物理形式转化为生理形式的信息。视神经的冲动模式由大脑破译（译码），就形成了特定感受，并在大脑中以视觉代码（或称视觉码）的方式储存下来．这是由生理形式转化为心理形式的信息。同样道理，我们在大脑中除了视觉码之外，还有听觉码、嗅觉码、肤觉码等（图7.1）。

与人类听觉、视觉等感知密切相关的语音、图像信息，在当今社会、经济和国家安全等领域中越来越重要。这类信息可被人类的感觉器官直接感知并被人脑加工和理解，也可用计算机对这些信息进行处理，但与计算机的逻辑运算和思维能力相比，人脑对信息的分析处理能力无论是逻辑推理还是思维运算上都非常强大。

7.1.2电脑的结构和功能

    人脑经感官接收到外界的复杂信息后会自动将其分类和过滤，电脑的“感官”即输人端所能接受的信息不仅有限而且数量相对小得多，它对外界信息输人的限制主要由计算机程序确定。计算机程序语言是数字化形式的，在CPU（中央处理器）中必须有识别这些数字化指令的硬件设备，否则程序无法运行。计算机的文本、图像信息也是数字化信息，因此计．算机必须有足够强大的软件完成转化和识别工作，这些数字化信息才有意义，否则计算机对这些信息也无能为力。

1.硬件、软件、网络结构

    1)硬件系统

1946年美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（John von Neumann）提出关于计算机组成和工作方式的基本设想，确立了现代计算机的基本结构，并第一次提出“存储程序”的概念。计算机的物理装置，即计算机硬件（computer hardware )系统指计算机系统中由电子、机械和光电元件等组成的各种物理装置的总称，是看得见、摸得着的一些实实在在的有形实体。计算机硬件的功能是输人并存储程序和数据，以及执行程序把数据加工成可以利用的形式。在用户需要的情况下，以用户要求的方式进行数据的输出。硬件是整个系统运行的物理平台，计算机的性能，如运算速度、存储容量、计算精度、可靠性等，很大程度上取决于硬件的配置（图7.2）。

2）软件系统

所谓计算机软件系统（computer software）是指运行、管理和维护计算机而编制的各种程序、数据和文档的总称，程序是完成某一任务的指令或语句的有序集合；数据是程序处理的对象和处理的结果；文档是描述程序操作及使用的相关资料。计算机软件是计算机硬件与用户之间的一座桥梁。

常用的计算机软件包括操作系统、应用软件、编程软件等。操作系统管理计算机的硬件设备，使应用软件能方便、高效地使用这些设备。常见的有：Windows、MacOS,Linux、UNIX等。应用软件是和系统软件相对应的，是用户可以使用的各种程序设计语言，以及用各种程序设计语言编制的应用程序的集合，分为应用软件包和用户程序，如Office办公软件、学习软件、游戏软件、驱动程序、图像处理软件等实用软件。编程软件指专用于编写程序代码的专业软件，如Visual Studio等。

 3）网络结构

网络或计算机通信网络是指将各个孤立的设备进行连接，通过信息交换实现人与人、人与计算机、计算机与计算机之间通信的网络。

网络按照地理位置划分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）和个人网；按照传输介质划分为有线网、光纤网和无线网；按照拓扑结构划分为星型网络、环形网络和总线型网络结构。

互联网（Internet）是由遍布全球的各种网络系统、主机系统，通过统一的协议TCP/IP联结在一起所组成的世界性计算机网络系统。WWW（World Wide Web）是Internet一种最有活力的服务形式，也称为Web服务。访问WWW资源需要使用一种称为“浏览器”的客户端程序（图7.3）。

2.存储功能

    计算机存储数据的功能主要是实现将所有需要计算机加工的数据都保存在计算机的存储介质上，包括计算机运行所需的系统文件数据。计算机存储数据主要通过文件存储和数据库存储进行。

    文件系统是操作系统的重要组成部分，用来管理和存储大量的文件信息，负责对文件的存储空间进行分配和管理，并对存人其中的文件进行保护和检索，同时为用户提供包括文件创建、删除、命名、读写、访问控制等一系列功能。例如， KML文件是一种基于XML语法与格式的、用于描述和保存地理信息（如点、线、图像、多边形和模型等）的编码规范，可以被Google Earth和Google Maps识别并显示（图7.4）。KMZ文件是压缩过的KML文件，它不仅能包含KML文本，也能包含其他类型的文件。

    数据库系统是由数据库及数据库管理软件组成的系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。数据库就是存放各种数据的仓库。Microsoft Access就是利用数据库中的各种对象进行记录和分析各种数据的数据库软件。

    例如，利用Access软件创建的学籍管理系统（图7.5），可以对学生数据进行记录、整理，如新生登记；添加新课程：对于教学中新开设的课程进行添加和编辑；查询：设计多种形式的查询，快速查找到所需的记录；针对一门课程，列出每个同学的成绩等相关操作。

3.计算功能

    计算机广泛地应用于科学和工程技术方面的计算，这是计算机应用的一个基本方面，也是我们比较熟悉的。如卫星轨迹的计算，导弹发射的各项参数的计算，房屋抗震强度的计算等。用计算机对数据及时地加以记录、整理和计算，加工成人们所要求的形式，是计算机的数据处理功能。数据处理与数值计算相比较，它的主要特点是原始数据多，处理量大，时间性强，但计算公式并不复杂。

在计算机应用普及的今天，计算机已经不再只是进行科学计算的工具，它更多地应用在数据处理方面，如进行文字录人、排版、制版和打印，比传统铅字打印速度快、效率高并且使用更加方便。用计算机通信即通过局域网或广域网进行数据交换，可以方便地发送与接收数据报表和图文传真。

4.信息传输

    计算机通信正沿着数字化、宽带化、高速化、智能化、综合化、网络化的方向迅速发展。例如，由通信网络与多媒体联机数据库和计算机组成的一体化网络信息高速公路，向人们提供语音、数据、图形图像等快速通信，可以实现信息资源高速度共享。通信业务种类不断增加，传统已有的电话、传真等基础通信业务发展到数据、图形图像、可视电话、会议电视、多媒体等通信业务，社交网络、物联网、车联网等新概念陆续出现。

    社交网络在当代社会生活中扮演着越来越重要的角色。社交网络的出现，不仅改变了我们的信息获取方式，也改变了信息本身的传播方式。例如，当下国内流行的社交网络QQ、微信等，还有国外的Facebook、Twitter等。

    物联网是新一代信息技术的另一重要组成部分，其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，同时其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，人与物品之间，以及人与人之间进行信息交换和通信。

    车联网（Intemet of vehicles）就是一类物联网，它是由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络。通过卫星定位、激光传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇聚到中央处理器；通过计算机技术，这些大量车辆的信息可以被分析和处理，从而计算出不同车辆的最佳路线、及时汇报路况和安排信号灯周期（图7.6）。

7.1.3人机协同

    自1946年世界上第一台数字计算机诞生以来，计算机为扩展人的能力提供了巨大的帮助。作为计算机系统的一个重要组成部分，人机交互一直伴随着计算机的发展而发展。人机交互的发展过程，也是人适应计算机到计算机适应人的发展过程。

    最原始的人机交互方式是鼠标与键盘。鼠标的出现，使人们更流畅地进行人机交互。与键盘中的方向键相比，它显然更加符合人的自然习惯。这是人机交互的第一次革命。键盘与鼠标的人机交互组合，从PC时代一直延续到互联网时代，并无太大改变，直到智能手机和多点触摸的出现。迅速普及的多点触摸技术，是人机交互史上的第二次革命。

    当前，虚拟现实、移动计算、普适训算等新技术发展迅速，对人机交互技术提出了新的挑战和更高的要求，同时也提供了许多新的机遇。在这一阶段，自然的人机交互方式得到了一定的发展，其主要特点是基于语音、手势、姿势、视线跟踪、表情等输人手段的多通道交互式，目的是使人能以声音、动作、表情等自然方式进行交互操作。

在自然和谐的人机交互的发展过程中，人们除了致力于研究开发友好的逼真三维的用户界面和基于多通道的自然交互方式，还发明了大量的新的交互设备，例如，麻省理工的Sutherland 1968年开发了头盔式立体显示器，为现代虚拟显示技术奠定了基础；1982年VPL公司开发了第一  副数据手套，用于如指示等简单手势的输人。借助于这些设备人们能够多通道的和计算机模拟的虚拟世界打交道（图7.7）。

      体感交互是借助于用户的手势和身体语言与计算机进行互动的技术，打破了传统外设对人们身体的束缚，使得人们能够更加自然的和虚拟世界或增强现实世界打交道。当前最有代表性的就属微软开发的体感器Kinect（图7.8），Kinect可以无需任何手持设备即可完成三维人机交互，它通过捕捉用户的肢体运动，完成骨骼节点跟踪、动作捕捉、影像辨识、麦克风输人等，并将采集的数据输人到游戏机或PC来驱动虚拟模型的运动。这种自然体感人机交互摆脱了传统的鼠标键盘和复杂动作的捕捉设备，极大地降低了沉浸式虚拟实验系统的成本。

    2018年冬奥会闭幕式上的8分扫现场表演，中国首次以人〔智能（artifi-linteHigence,AI）形式，用人机互动的方式，完美诊释了2022年北京冬奥会“人文奥运”和“科技奥运”精神（图7.9）。全程人机协同表演，也成为百年奥运历史上的第一次。

7.1.4人脑与电脑之间的关系

    随着计算机软硬件计算能力的飞速发展，模拟人脑神经网络以实现智能这一研究思路再次活跃，类脑计算研究逐渐兴起。这些研究一方面在体系结构和底层功能上更多地借鉴了人脑，力图对人脑神经网络进行“逼真”模拟，另一方面在网络规模上也向人脑看齐。

    人脑是人类长期进化的产物，是一个有着高度信息处理能力的极复杂的系统，其处理信息的机制与传统计算机有着迥然不同的特点，如平行信息处理，神经元间信息的交互性传递，信息处理的高度可塑性等。根据这些特点，科学家们开始研发新的信息处理系统—新一代的人工智能系统，让计算机这种机器能够像人一样思考，图7.10所示为围棋人机大战场面。

    人工智能（AI)是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能有两条途径可以实现：一是跟人脑的工作原理毫不相关，即不考虑人脑的工作机制，仅从计算科学的角度来设计和考虑；二是受人脑的工作原理的启发，借鉴人脑处理信息实现智能的特点来推进人工智能的研究，即类脑人工智能。

    类脑人工智能的核心在于脑科学、计算科学、信息科学和医学等学科领域密集的交叉融合，它将有力地推进新的产业革命，甚至改变社会范式。不仅如此，它还将为人脑功能和结构研究提供有力的方法和手段，乃至提供崭新的思路。

    大脑是人类的神经中枢。作为人体最重要的器官之一，它承担着维系人类生存的基本任务。与此同时，几乎所有的高级神经活动都在脑部完成。如果将人体视为一台计算机，那么大脑就是运算核心。普通计算机可以通过外接硬盘、外接显卡、外接内存等方法提高性能，所以有科学家认为，这样的“改良”同样可以适用于人脑。这种观点最终推动了脑机接口研究。

脑机接口是指创建在人类或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间的直接连接通路（图7.10）。在该定义中，“脑”指的是有机生命形式的脑或神经系统，而并非仅仅是抽象的心智或情感。“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以是简单电路、硅芯片或外部设备。“接口”即“用于信息交换的中介物”。脑机接口是一门多学科交叉技术，核心的学科涉及认知科学、神经工程、神经科学等。

    脑机接口理论研究都在努力解决这两个问题中的一个或两个：第一，“从脑到机”，如何从大脑中获取正确的信息？第二，“从机到脑”，如何将正确的信息发送到大脑？目前来说，“从脑到机”已经取得一些研究成果，相比之下，“从机到脑”的研究要缓慢很多，原因是目前神经科学对于神经编码的具体方式还处于未知状态，而由“从机到脑”对神经编码知识的需求要远大于“从脑到机”。神经科学在单神经元的研究也算是逐渐明朗了，但大脑的各种神奇之处尚无法解释。