1.3 地理信息科学与相关学科的关系

地理信息科学最显著的特征是空间特性，不仅可以有效地管理具有空间特性的各类地理数据，提供地理问题求解的技术支持，还可以对地理环境管理和地理工程实践开展快速和可重复的测试分析和模拟分析，进行辅助规划决策。

地理信息科学是一门前沿学科、交叉学科，是在地理学、测绘学等学科基础上，不断应用现代制图、数据库、图形学等新技术，广泛服务于科学研究、城市管理、资源开发、环境监测、生态保护、国防建设等领域（图1.62），是当前计算机应用领域与信息产业中最具活力、最有发展前景的学科。

1.3.1地理信息科学与地理学

1.地理学学科体系

地理学是研究地理空间与其所容纳事物和现象的学科，关注的是空间分布的现象、区域的空间范围、人们的空间行为、地球表面各个地方之间的空间关系，以及那些行为和关系后面的时空过程。目前，国内外还没有一个公认的地理学体系。传统的地理学可分为自然地理学、人文地理学和地理信息科学三个分支，如图1.63所示。

自然地理学研究岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的空间分布特征与发生发展规律，主要分支学科包括地貌学、气象学与气候学、土壤地理学、生物地理学、综合自然地理学等。

    人文地理学研究人文社会地理环境，是地理学一个内容丰富、信息量很大且更新较快的重要分支，主要内容涉及经济地理学、城市地理学、人口地理学、旅游地理学、文化地理学等。

    地理信息科学是研究地理信息的产生、传输与转换机制，以及地理信息系统运行规律的学科，包括地理信息采集、处理、存储、加工、分析、制图及利用的技术和方法，主要内容涉及地图学、地理信息系统、定位导航系统和遥感科学技术等。

    在我国本科教育阶段，地理学下设了地理科学、自然地理与资源环境、人文地理与城乡规划、地理信息科学四个专业；在研究生教育阶段，地理学下设有自然地理学、人文地理学、地图学与地理信息系统三个二级学科。

2.地理学其他分支对地理信息科学的影响

    地理学其他分支学科的发展推动了地理信息科学的发展。

    （1）继承了地理学空间思维模式和从定性到定量分析的研究范式。地球表面的一切地理现象及地理事件发生在地理空间。20世纪70年代后空间的概念开始在地理界提出来（图1.64），开启了人们对地理空间的深人认识阶段。地理空间是地理学的核心概念，是地理学视角的第三维，包括绝对空间与相对空间。地理空间思维就是通过对地理事物的观察和分析，在头脑中确定它们的空间位置、空间分布以及与其他事物之间的相互关系，从而揭示其地理特征（图1.65）。

地理学研究同时也经历了从定性描述到定量研究的过程。19世纪德国地理学家洪堡把自然界作为互相联系、互相影响的一个整体，对不同地域不同环境的现象进行比较研究，创立地理比较法。早期的地理比较法仅限于直观的地理比较，即通过地理考察搜集大量第一手资料，以定性描述为主的地理考察、地理探险和与之相联系的地图是地理学研究的基本手段和方法（图1.66）。随着数学、计算机技术与地面观测技术等的不断发展，现代地理学开启了定量化研究范式，以量化或模拟方法揭示地理现象发生、发展的内在机制及运动规律，从而为地理系统的预测及优化调控提供科学依据。

（2）定量方法和技术有力支持了地理信息科学的空间分析。空间分析是GIS的核心和灵魂，其源于20世纪60年代地理学的计量革命。从初始的定量分析（主要是统计）点、线、面的空间分布模式，到后来的强调地理空间本身的特征、空间决策过程和复杂空间系统的时空演化过程分析，这些地理学定量方法与技术有力地支持了空间分析的发展（图1.67）。

    同时，地理学是GIS的理论依托，为地理信息科学提供了有关空间分析的基本观点与方法。如要回答污染的工业和危险废物处理设施最好配置在何处这一地理问题，需要对污染的空间特征和人类与其环境（作为地点的函数）之间的动力学机制作细致的分析。

3.地理信息科学的地位和贡献

    地理信息科学对现代地理学具有特殊意义，是地理学研究的技术支撑和首要工具。

    （1）遥感技术、定位导航技术是地理学研究获取数据的重要手段和途径。随着航空航天遥感成果广泛应用于地理学研究，极大丰富了地理数据来源，有力支持了对各种地理现象的分析模拟，遥感技术已经成为地理学研究的重要手段和方法。图1.68所示为北冰洋考察综合观测系统。

    （2）地理信息系统技术是地理信息管理、分析、传输、可视化和有效利用的不可或缺的工具。

地理学通过采用GIS方法，以应对各种现象、过程和事件研究的特殊挑战，已经成为地理学发展新的生长点。例如，四川汶川“5·12”地震后发生的山体滑坡，阻塞河道形成大型堰塞湖，水位不断上升，如遇余震、暴雨可能会发生对上下游百姓造成巨大威胁的溃决。“抗震救灾指挥部”会同水利部等部门，采用福卫2号、SPOT5、中巴资源卫星等多种数据积极开展了灾区主要滑坡、堰塞湖动态遥感监测分析，并对具有溃堰型险情的堰塞湖进行了重点跟踪监测，从而为制定堰塞湖工程排险方案与减灾决策提供了科学依据。

    地理信息科学侧重多学科的协调和合作。为了有利于学科间的合作，美国成立了一个大学和其他科研机构的非营利性组织—大学地理信息联合会（UCGIS），该联合会致力于通过对理论、方法、技术和资料的改进，推动对地理过程和空间关系的了解。由美国国家研究院地学、环境与资源委员会，地球科学与资源局重新发现地理学委员会共同编写的《重新发现地理学》指出：GIS对美国地理学复兴做出了重要贡献。

1.3.2地理信息科学与测绘学

1.测绘学学科体系

    测绘学包括大地测量、摄影测量、地图制图、工程测量、海洋测量等二级学科。我国本科教育阶段，测绘类下设有测绘工程、遥感科学与技术、导航工程、地理国情监测、地理空间信息工程五个专业。

大地测量学是研究建立和维护高精度测绘基准与测绘系统而进行的确定空间点位置、地球形状、重力场及其随时间和空间变化的理论和技术的学科（图1.69）。

摄影测量学是一门通过摄影手段，利用摄影测量系统对影像进行处理，在重建地表三维立体模型基础上进行测量（图1.70和图1.71），从而获得被测物体的位置、形状大小、属性等信息的学科。根据摄影平台的不同，可分为航空摄影测量、航天摄影测量和地面（或近景）摄影测量。

    地图制图是研究地图及其编制和应用的一门学科。主要任务是研究如何利用地图图形反映自然界和人类社会各种现象的空间分布、相互联系及其动态变化，包括地图投影、地图编制、地图整饰、地图制印等。

工程测量学主要研究在工程建设的各个阶段所进行的与地形及工程有关的信息采集、工程施工放样及设备安装（图1.72）、变形监测分析和预报等的理论、技术与方法，以及与测量和工程相关的信息管理、信息使用的技术与方法。

海洋测量学是专门研究海洋水体和海底测量及制图技术、方法和理论的科学。因为海上测站点是不断运动的，所以要采用与陆地上不同的方法和仪器设备。图1.73是利用机载激光雷达（Airbome LiDAR）探测海水深度的示意图。机载激光雷达向水面同时发射两束不同波长的激光脉冲，一束激光脉冲（图中红色）在水面被直接反射回来，另一束激光脉冲（图中绿色）则在到达水底后被反射回来，利用接收两束激光脉冲的时间差计算得到水的深度。

2.测绘学对地理信息科学的影响

近代测绘学在现代科学技术背景下的变革驱动了地理信息科学的产生和发展。

（1）航空摄影测量和航天技术结合产生了遥感科学与技术。20世纪60年代初，随着航空摄影测量与航夭技术的迅速发展，美国地理学家首先提出了“遥感”的概念，并得到广泛应用。例如，随着城市化的发展，出现了独特的城市气候特征“城市热岛”：在热红外遥感图像上（图1.74），城市中的气温（红色和黄色）明显高于郊区（绿色和蓝色），就像突出海面的岛屿。

（2）地面定位导航技术和航夭技术结合产生了卫星定位导航技术。卫星定位导航技术的本质是无线电定位技术的一种，是地面定位导航技术与航天技术结合的产物。

    地面无线电导航是通过装有无线电接收机的物体接收来自地面导航台发射的无线电信号，从而获得物体的方向、位置等有关参数。利用人造卫星搭载无线电导航信号发射装置，可以实现全球定位导航。目前国际上投人使用的卫星定位导航系统有我国的北斗系统（图1.75）、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的伽利略系统。

（3）地图制图技术和计算机制图、数据库、网络等技术结合产生了地理信息系统。地理信息系统的核心技术是利用计算机表达和管理地理空间对象及其属性，是地图制图技术和计算机制图、数据库、网络等技术发展的结合体（图1.76）。

3.地理信息科学对测绘学的影响

    测绘学是一门技术性较强的学科，它的形成与发展在很大程度上依赖于测绘技术方法、仪器工具和制图技术的创造和变革。随着计算机、卫星遥感等技术的发展，传统的测绘学科正从关注定位几何向完备的地理信息研究发展，即地理信息科学的发展推动了现代测绘学理论和技术的革命。

第一，地理信息科学为解决传统测绘技术面临的若干问题提供了理论和方法基础。例如，随着我国城镇化进程的不断深人，传统的城市地下管线测量与管理模式已根本无法满足当今人们对地下管网、管线大数据信息分析、表达、应用的实际需要。因此，采用虚拟仿真技术，融合地理信息、业务办公和辅助决策等地上、地下建筑规划管理模块于一体，提高管线工程规划设计、施工与管理的准确性和科学性，解决了地下管网测量数据的有效管理和应用的难题（图1.77）。

    第二，地理信息科学为现代测绘技术及其集成化应用提供科学支持。例如，生态环境监测系统以GIS为框架（图1.78），综合利用遥感技术、GNSS等技术及各时期已有测绘成果档案，对各类资源、环境、生态、经济等要素进行动态监测，形成反映其空间分布及发展变化规律的监测数据，为政府、企业和社会各行业提供真实可靠和准确权威的信息。又如，为了达到灾后2小时内应急启动遥感监测，3小时内开始获取区域遥感数据，高分甘肃中心、航天泰坦等单位研发了空天地一体化对地观测资源数据库软件，形成了面向灾害应急任务的空天地异构对地观测资源协同规划、遥感影像辐射校正、无人机／框幅式影像／航空三线阵影像快速生成镶嵌正射影像、滑坡灾害信息提取等技术与方法（图1.79）。

1.3.3地理信息科学与地球系统科学

1.地球系统科学的任务和研究方法

    地球系统科学诞生于20世纪80年代。它是从行星角度出发，将地球大气圈、水圈、生物圈和固体地球看作一个相互联系的有机整体—理也球系统，综合研究该系统形成机制和变化规律，为区域可持续发展和全球变化研究提供理论依据和调控方法的学科。

地球系统科学的研究方法由四部分构成：地理现象观测、信息采集和数据积累；对观测数据资料进行分析和解释，从物理、化学和生物学规律出发，建立有关地球过程的定量关系；在前两项的基础上，建立概念模型和数值模型；对模型进行验证，并用它对未来的变化趋势进行统计预测和预报。地球系统科学的信息表达方式主要有可视化和虚拟现实技术。

2.地理信息科学是地球系统科学的技术支撑

    遥感、卫星定位导航和地理信息系统等地理信息技术，是地理现象观测、信息采集和地理建模不可或缺的方法和技术。地球系统科学是在人类面临生存环境危机、全球变化等严峻挑战的背景下产生和发展起来的，其研究对象具有多时空尺度、多学科领域以及复杂性和综合性强的特点，实现对资源环境变化的有效监测和预测，所采集、存储、处理的数据量都将极其巨大，因此，需要高新技术尤其是遥感技术、GNSS、电子地图技术、GIS等技术的支持。

同时，地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件及其变化过程十分复杂且呈非线性特征，时间和空间的跨度变化大小不等，差别很大。只有利用地理信息科学，才能突破实验和理论科学的限制，通过建模和模拟更加深人地探索地球现象的空间分异、演化过程、成因机制等规律。

1.3.4地理信息科学在其他学科领域的作用

1.对地球科学未来发展的作用

    地球科学的范围很广，涵盖地质学、海洋学、气象学和天文学等领域。地理信息科学能够实现空间数据与非空间数据的集成，实现不同来源、不同格式的数据集成，不同时间、不同边界的空间数据集成，为多领域海量数据综合分析提供技术平台，因此成为“未来地球战略”的核心技术。

    “未来地球计划”（Future Earth）（2014-2023）是由国际科学理事会和国际社会科学理事会发起，联合国教科文组织、联合国环境署等共同牵头组建的为期十年的大型科学计划，目的是为应对全球环境变化给各区域、国家和社会带来的挑战，加强自然科学与社会科学的沟通与合作，为全球可持续发展提供必要的理论知识、研究手段和方法。

2.对人文杜会科学发展的作用

    人文社会科学是相对于自然科学而言的知识体系，是人文科学与社会科学的统称，其任务是研究并阐述人类活动、社会现象及其发展规律。

    传统的人文学科研究以定性研究或调查研究为主，大多基于时间序列数据，忽视了空间观测值之间的相互联系和影响。近年来人文社会科学研究尤其是应用社会科学的定量化和空间化需要越来越突出，涉及多源的和大数据量的区域性比较研究和空间统计分析。

    地理信息科学理论与技术为人文社会科学研究提供了有力的技术支持。通过建立人文社会科学空间化研究平台，将各类人文社会信息进行综合和多方位展示，更有利于认识人文社会现象。随着地理信息科学应用的普及化，将会促进其他许多学科的发展及应用，包括房地产、旅游、公共卫生、预防犯罪、区域可持续发展、景观建筑、社区规划、运输和物流管理等。

3.对数字地球与数字城市发展的作用

    美国前副总统戈尔1998年在加利福尼亚科学中心开幕典礼上提出了“数字地球”的概念。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动的诸方面的问题，其中最基础的技术是"3S"技术以及相关集成。基于GIS系统可以实现对整个地球的无缝拼接，任意漫游和放大，同时利用三维数据通过人造视差，可以构造虚拟立体地球模型。

  “数字城市”（图1.80)源于数字地球的战略构想，是数字地球技术体系的集中体现，也是建设数字地球的关键和难点。

4.对智慧地球与智慧城市发展的作用

    智慧地球也称为智能地球，就是把传感器嵌人和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路等各种构筑物中，并利用泛在网普遍连接，形成所谓“物联网”，通过“物联网”和互联网，将数字地球与人类社会和物理系统进行整合。在智慧地球上，人们将会看到智慧的医疗、智慧的电网、智慧的油田、智慧的城市、智慧的企业等。

数字地球、数字城市是智慧地球、智慧城市建设的基础平台。地理信息科学在智慧地球和智慧城市建设中，同样起着重要的基础支撑作用。