地理科学前沿发展专题研究

地理信息科学的前沿领域摘要：地理信息科学研究的核心内容是地理信息形态的转变。地理信息科学的研究宗旨是通过对地理对象的监测、分析、模拟和预测来研究地理空间的物质流、能量流、人口流和信息流，并以信息流来调控物质流、能量流、人口流。地理信息科学的形成和发展已使地理研究从定性分析发展到定量分析，从而推动了地理科学的研究迈上合成化和智能化的轨道。关键字：地理信息技术遥感技术发展趋势一、前沿经过几十年发展，特别是近年来随着计算机技术的突飞猛进，地理信息系统也得到了长足的发展。地理信息系统已经不是一种单纯的技术，它已经上升到信息时代(Informationage)的产物，成为信息社会的一个基本内容。从地理信息系统到地理信息科学，1992年是个标志，Goochild在IJGISystem杂志上发表了Geographicalinformationscience，从而标志着地理信息科学作为一个学科正式成立。1996年国际杂志IJGISystem改名为IJGIScience。地理信息科学理论的建立将GIS的发展提升到了一个新的高度。随着网络的发展，针对系统相对独立、内部耦合度强、互操作性差、集成能力匮乏等不足，2000前后年出现了“地理信息服务”这一新技术，旨在实现网络环境下地理信息的集成应用，以满足普通民众对地理信息的需求。随着GoogleEarth、志愿者GIS（VGI）为代表的GIS社会化应用的蓬勃发展，GIS已经从真正意义上实现“专业化”向“大众化”与“社会化”的转变。GIS发展和计算机技术发展和后来到网络的发展，一直到数字地球的发展，是紧密相关的。林珲教授说GIS包括空间数据库、空间分析、可视化三大功能，后来把模型库和虚拟环境加进来，还包括一个网络支撑环境。从地图到地理信息系统与虚拟地理环境，是地理学语言的演变，这是从虚拟现实这个角度看GIS的发展。武汉大学朱庆教授总结了GIS技术的发展动态，认为GIS向多维、动态、一体化方向发展；GIS系统体系结构向开放式、网络化、信息栅格发展；软件实现向组件化、中间件、智能体方向发展；空间信息技术和通信进一步融合；数据获取向“3S集成”方向发展，尤其是SensorWeb的发展；数据存储管理向分布式存储及其互操作方向发展；数据处理向移动计算、普适计算和语义网方向发展；人机交互向自然的虚拟环境方向发展等。二、地理信息技术前沿领域2.1地理信息科学的发展范式。地理信息科学出现理论化和工程化以及学科交叉的态势。正在加强地理信息哲学和地球信息机理的理论研究，推动地理信息工程研究邻域的快速成长，加快理论化和工程化趋势。地理科学将与更多的学科交叉融合，进而形成更多的分支学科。地理信息技术呈现标准化、多维化、集成化、网络化、智能化和虚拟化的趋势。在地理信息及其技术产品的生产过程中，每一个环节都必须按事先取得共识的标准来进行，因此呼唤地理信息和技术的标准化趋势。把二维的GIS模型拓展到三维、四维。集成化包括信息集成、地理信息系统与专业模型库之间的集成、GIS之间的集成、信息生产中各个环节的集成以及3S技术集成等。网络化即利用internet技术在Web上发布数据。2.2地理信息本体特征及理论基础。地理研究的对象是“地理实体和现象”（本体）与“地理信息”（本体的映射）的统一，广义而言他们之间是原型与模型的关系。研究地理信息的本体特征，必须掌握地理信息机理。它是指地理信息从产生到被检测，到储存和管理，再到分析、评价、预测，再到综合应用的整个过程的信息流程，即从地理对象和现象的光谱和其他电磁波信息通过发射、反射或散射后被遥感探测器接收并形成遥感图像开始，到遥感图像数据的处理，到生成地理数据库，再到提取出地理系统的变化信息，到地理评价信息、地理预测信息、地理辅助决策方案，以及地理知识和知识库等各个环节中，地理信息的流动构成了有向的互动的信息转换、信息派生、信息叠加和融合，以及信息深挖掘层次和调控的机制。研究地理信息的本体特征、机理、和功能结构，要认清哪些地理信息或地理信息的哪些方面，能够被何种方法最有效率的掌握和调控。要从精度、抽象度和创意性三个维度认识地理信息的特性。2.3地理信息科学方法论。地理信息科学针对地理研究中的图形---图像问题、结构化问题、半结构化和非结构化问题、形-数-理一体化问题，顾及当前已经采用的计算机数值模拟和结构或功能仿真模式，采用图形-图像思维、数学模型、地理信息图谱、智能分析与计算、模拟和仿真、综合集成等科学方法，为人类研究和探究地理客体和现象本质规律提供了理念化和系统化的理念、方法和途径；同时，还针对地理信息科学研究过程的信息流和功能链，采用地理信息采集、检测、管理、处理、分析、模拟、表达、服务和地理信息网格，以及5S(遥感RS、地理信息系统GIS/全球定位系统GPS、管理信息系统MIS、空间决策支持系统SDSS)技术集成等技术方法，为人类改造和利用地理客体和环境提供系列化的工具、流程和工艺。2.4地理信息系统。时空数据模型：发展全关系型时空一体化的数据结构和数据模型，来反映多尺度时空动态变化；在已有的三层数据采样模型和高精度曲面模型的基础上进一步发展高效率的时空一体化曲面模型；集成精确空间拓扑关系与模糊空间关系模型；建立高可信地理空间数据库管系统软件，解决跨平台、分布式的企业级地理空间数据管理难题。时空分析建模：针对多种地理对象和现象分别建立空间分析模型；将其集成并研发成空间分析模型软件和模型库；发展自然语言理解模型、空间统计模型、空间推理模型、元胞自动机，将空间分析模型应用到空间数据挖掘中，维空间分析的简易化，多因子集成化、智能化，解决空间定量分析、空间相关性、空间异质性格局等提供有效工具。高性能计算方法应用于地理空间计算：建立可扩展的高性能地学计算中间件平台，以此平台为基础面向不同的地学领域扩展具有不同专业特色的地学高性能计算中间件。地理信息网格：基于全球模型的新型栅格数据结构，解决传统空间信息技术在海量空间数据库、全球性问题或大区域研究中存在的空间数据表达能力有限、数据空间分布不均匀、不支持多分辨率表示和大尺度透视转换、建模困难、数据组织管理及处理过程复杂繁琐等问题，为全球性问题研究构建更理想的地理建模和计算机环境提供性的莅临和技术方法。提高空间信息服务性能：利用网格计算最新技术整合GIS服务，将空间数据节点构成虚拟组织，有效满足快速膨胀的空间数据分布式存储和访问，真正实现异构操作和海量数据传输。利用最新网络框架WSRF，对OGC服务进行改进，维空间信息服务增加状态属性，实现地图操作业务的长效持久机制；构建虚拟组织，利用MDS对服务进行注册管理和资源发现，实现网格资源的监测与发现。虚拟现实技术：首先进行三维实体构建，进而建立图形绘制和储存模型，根据不同行业的模型对象特点分别构建不同三维实体：结合不同业务流程，定义不同的接口集，采用开放集成的方式、插件式的组织，从而构建基于虚拟现实的三维GIS可视化信息系统，为地理学研究建立新的模拟和仿真技术方法。地理信息标准和规范：第一层是数据集的标准，包括空间数据的元数据标准、内容标准、语义标准、编码标准、质量标准、转换标准和符号可视化标准等。他们形成了空间数据的描述与转换标准体系，也是空间数据的分发服务和互操作标准的基础。第二层是地理数据分发服务标准，包括网络环境下元数据的发布模式、文件目录服务、数据的密集及用户权限管理、购买数据的申请与审批流程及电子支付、数据产品的制作传输与转换等内容。第三层是空间数据互操作的规范，他是异构系统之间使用函数实现对空间对象的实时操纵，获取不同系统之间的数据；又分为抽象规范和实现规范两个亚层次。第四层次是地理空间信息服务的标准，允许空间服务系统对用户提供透明的在线访问、个性化的数据、信息和知识服务。2.5遥感、对地观测系统和对地采集。在深入研究遥感的电磁波机理分析、模拟和模型化，以及建立遥感影像认知的同时，今后的发展方向是高空间分辨率、高时间分辨率和全天候遥感卫星的影像处理、信息智能化解译和提取、动态监测和信息分析利用，以及定量遥感深化模拟和应用。建立天-地-空一体化的对地观测体系：建立卫星航空近地面多种高度的遥感平台，建立各种成像手段、各种普段、各种分辨率、各种物理化学探测仪，大小卫星平台、高中低轨道相辅相成，形成全球性的、立体的、多维度的观测体系。定性、定位、定量和定时的了解遥感对象；全天候、全天时和全球观测的观测研究对象；获取高空间分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率遥感影像；大小卫星平台综合。航空航天遥感综合，技术发展和应用综合。建立陆地和海洋定点观测台站：形成陆地观测台站网海洋定点观测台站网，将周期的、动态的遥感监测手段和长期定点的观测相结合，从而获得从宏观到微观的多种变化信息。社会经济数据的采集和提取：社会经济最小统计单元的确定和获取是至关重要的一环。2.6基于全球导航卫星系统的位置服务。全球导航卫星系统GNSS又称天基系统，是基于全球导航卫星系统的位置服务技术，解决多种信息系统融合和多种物理手段以替换集成的问题。具体包括：室内外导航定位融合技术，城市行人导航定位难题。2.7地图学。制图综合：解决地理几何精确性与地理适应性、内容完整性和表达清晰性两对矛盾，解决方案是数学模型、知识推理和数字地图平台三位一体相互配合；研究制图综合机理，深入研究面向不同地理对象、地理区域的知识规则，并将其加入计算机知识库中；实现过程监控，建立制图综合的过程建立机制和软件，执行渐进式策略；面向的地理对象从二维地理现象发展到三维立体对象，包括DEM的综合、建筑物的综合等。多维动态可视化：自适应的空间信息可视化，海量空间信息的渐进式传输和可视化。数字地图：数字地图的数据管理、制图综合、可视化、编制与出版、产品体系、共享与版权保护，以及分析和应用等。图形-图像思维：重视不同阶段的图形-图像思维研究模式和成果形式的研究；研究其实现手段，包括人工目视方法，在数字地图系统、GIS和遥感等工具辅助下完成，以及用全自动技术来实现。地学信息图谱：以形-数-理一体化的方式研究并解决地理空间的时空格局问题。参考文献：[1]张超,等.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社,1995[2]边馥苓.地理信息系统原理与方法[M].北京:测绘出版社,1996[3]周芹芳,申曦,刘雄宇,.1989～2013年中国地理信息系统研究综述——基于CSCD的计量分析[J].云南地理环境研究,2014,(1).[4]盛宇,董志江.地理信息系统(GIS)发展现状及展望[J].科技创新与应用,2012,33:49.[5]李军政.地理信息技术的发展与应用[J].陕西地质,2004,01:93-100.