地理信息科学

浅谈地理信息科学资源与环境科学学院地理信息科学地理信息科学是1992年由Goodchild在国际杂志IJGIS上发表的“Geographicalinformationscience”提出，从而标志着地理信息科学作为一个学科正式成立。与地理信息系统相比，地理信息科学更加侧重于将地理信息将视作为一门科学，主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题。它以信息流的手段研究地球系统内部的物质流、能量流和人流的运动状态和方式。地理信息科学由三部分组成，“地理信息学”是其理论研究的主体，“地理信息技术”是其研究手段，“全球变化和区域可持续发展”是其主要应用领域。2020年1月16日资源环境与科学学院2地理信息科学发展2004年1月“NATURE”刊登了文章“MapOpportunities”，并提出地学技术（Geotechnology）与纳米技术和生物技术一起成为当今最为重要的新兴和最具发展前景的三大技术领域。Google公司在2005年推出GoogleEarth系统，2006年2月“NATURE”刊登了文章“TheWeb-WideWorld”讨论GoogleEarth以及地理信息系统的未来发展。这两篇论文的发表，对地理信息科学的相关领域影响甚大。2020年1月16日资源环境与科学学院3主要研究方向地理信息科学主要研究方向有：1.地理空间认知2.时空GIS3.分布式计算技术4.地理信息可视化5.地理信息服务6.空间信息集成与共享7.数字城市2020年1月16日资源环境与科学学院4地理空间认知2020年1月16日资源环境与科学学院5地理空间认知有关空间认知（spatialcognition）研究最早可以追述到1948年由Tolman撰写的论文《鼠脑与人脑中的认知地图》，Tolman在该篇论文中首次提出了“cognitivemaps”。地理学对于空间认知的研究则直接源于地理学在20世纪60年代末到70年代初开始的针对人类行为方式的研究。2020年1月16日资源环境与科学学院6地理空间认知的发展在20世纪90年代中期，随着地理信息系统技术研究的深入以及社会化广泛应用，人们开始关注：GIS对于地理空间表达的合理性，如地理空间理解、地图结构表达和空间语言理解；GIS对于地理建模分析的科学性，如地理对象建模、空间尺度分析和空间决策过程；GIS对于地理信息系统技术的智能性，如人机交互界面、地理数据共享和地理信息系统互操作。由此推动空间认知研究进入了一个比较活跃的历史时期。2020年1月16日资源环境与科学学院7地理空间认知的研究内容地理空间认知（geospatialcognition）研究人们可以活动于其中的空间，而不是室内空间、桌面空间甚至抽象的欧氏空间。研究的地理对象除了空间分布特征外，还具有丰富的地理语义，即空间属性和非空间属性在知识加工过程中是密不可分的。主要关注地理空间参照、地理概念、关系、不确定性、以及认知相关的空间知识表达（如自然语言形式和可视化图表式）和行为（如寻路和导航）等主题。空间认知的主体是人而不是机器，认知的对象是大脑而不是实在，认知的模式是大脑与客观实在之间的相互作用。2020年1月16日资源环境与科学学院8机遇和挑战目前，对于空间的认知的研究还非常有限，有待于心理学、语言学、地球科学和哲学等多学科的交叉研究。如何将人类对于空间的认知模型和语义模型转化为数学或逻辑模型，将人类对于时空推理的概念和方法融合在地理信息系统中，是实现基于朴素地理学的智能化GIS的关键。2020年1月16日资源环境与科学学院9时空GIS2020年1月16日资源环境与科学学院10时空GIS时空GIS是一种采集、存储、管理、分析与显示地理实体随时间变化信息的计算机系统(简称TGIS)。不但包含传统地理信息系统的空间特性，而且涵盖时间特性；它不但反映事物和现象的存在状态，而且表达其发展变化过程及规律。时空GIS是在前者研究的基础上，才慢慢发展起来的一个新兴领域，也是未来GIS的发展方向。2020年1月16日资源环境与科学学院11时空GIS的应用现状与发展现实世界处于永恒变化之中，当今社会面临的诸如土地的演化、环境的污染、海岸带的变迁、人口的急剧增长、城市的扩展与城市化趋势、骚乱的发生和扩散、传染病及火灾的传播等问题，无不与时间概念紧密相关。解决这些问题的关键是建立时空GIS。利用时空分析工具和技术来模拟和分析这些动态的过程和信息，探究和发掘隐含于其中的信息和规律，以便为相关部门提供相应的辅助决策信息。2020年1月16日资源环境与科学学院12时空GIS的应用1、地学分析方面：建立时空GIS，实现对这些大型时空数据的组织、管理和分析应用。2、地籍测量方面：可用于土地利用变化的统计、监测和预报，为政府部门的决策提供支持依据。3、海洋现象方面：对不同时期海洋线的观测数据进行研究分析，揭示海洋线的整个历史演变过程。4、国防建设方面：进行国家疆界与国界沿革的跟踪管理、军事作战态势推演和作战模拟仿真。5、其它方面：在农业、林业、地质、水利、能源、气象、旅游、海洋、电力、通讯、交通、军事以及城市规划与管理、土地管理、资源与环境评价等各行业都具有广泛的应用前景。2020年1月16日资源环境与科学学院13时空GIS发展面临的难题1、现实世界的复杂性增加了系统建立的难度。2、需要与传统GIS接轨和兼容的困难。3、现实世界语义理解与共享的困难。4、海量数据的管理和存取的困扰。5、缺乏合适的时空数据模型和数据结构。6、实用时空数据库的开发与建立的困难。7、有待强大时空GIS数据查询语言的开发。2020年1月16日资源环境与科学学院14时空GIS发展迄今为止时空GIS已得到了专家学者们的广泛关注，并做了大量卓有成效的工作，但目前所看到的各种方法中，针对具体的应用领域(如土地利用动态监测等)展开研究和应用的较多。如何结合GIS应用领域的特点，对目前具有代表性的TGIS理论研究成果进行总结分析，从中选择具有实际可操作的模型，并进行必要的扩展，研究综合型时空GIS的数据模型和建立框架，为时空GIS的应用奠定理论基础，具有非常现实的意义。2020年1月16日资源环境与科学学院15云GIS2020年1月16日资源环境与科学学院16云GIS初探-飞向云端的GIS从发电机到发电厂2020年1月16日资源环境与科学学院17云GIS的特点简单设置迅速部署（预部署的GIS）减少基础设施投入减少维护和更新、升级投入按需付费数据、应用共享经济效益2020年1月16日资源环境与科学学院18ArcGIS云平台2020年1月16日资源环境与科学学院19云GIS面临的机遇与挑战数据的保密性数据的安全问题是最重要的问题。服务的延续性和可获取性数据隔离数据集成和共享需要建立一个标准或者规范数据传输瓶颈传输速度影响着云GIS的发展进程；但是随着高速网络的不断发展，这一瓶颈将会很快得到突破。2020年1月16日资源环境与科学学院20应用实例1-CloudGIS2020年1月16日资源环境与科学学院21应用实例2组织和共享GIS项目创建和编辑空间数据与属性数据互操作设置图层样式查看属性信息GIS空间分析2020年1月16日资源环境与科学学院22发布与共享WMS与TMS服务在谷歌地图上发布数据移动终端应用实例32020年1月16日资源环境与科学学院23地理信息可视化2020年1月16日资源环境与科学学院24地理信息可视化地理信息可视化是指通过可视化交互手段，将地理信息数据、空间分析模型进行显示和理解的过程。地理信息的可视化的研究内容包括：2维可视化（平面），2.5维可视化（地形可视化），3维可视化（地学实体可视化）以及多维可视化（时间维和其它专题维）。地理信息二维可视化方面的研究上已经取得了很好的效果。目前，研究重点主要集中在二维以上的可视化研究。2020年1月16日资源环境与科学学院25二维可视化(GoogleMaps)2020年1月16日资源环境与科学学院262.5维可视化主要是指数字地面模型（DTM)的构建研究。目前研究的主要手段是借助于不规则三角网(TIN)和数字高程模型（DEM）。TIN适用于不规则地表，DEM适用于地势平坦地区，也可以进行结合使用。2020年1月16日资源环境与科学学院27三维可视化真正意义上的三维可视化主要用于描述地学实体的内部结构以及三维数据场。目前制约三维可视化发展的原因是其数据量大、绘制速度慢。目前，能够进行体绘制的方法较多，人们主要使用结构实体几何模型(CSG)、八叉树模型(Octree)、实体构模法以及类三棱柱(ATP)等模型来描述地学实体或者三维数据场。2020年1月16日资源环境与科学学院28增强虚拟现实增加虚拟现实是3D模型与动态影像融合，将多重实时数据与影像进行可视化和理解。视频案例2020年1月16日资源环境与科学学院29地理信息服务2020年1月16日资源环境与科学学院30地理信息服务GIS的应用模式正在由传统地理信息系统向地理信息服务转变，地理信息服务已成为信息服务业的重要组成部分。地理信息服务的关键是实现地理信息的标准化以及地理信息处理功能的通用性，只有在更高层次上不同应用及系统之间相互合作,实现互操作,才能真正达到地理信息共享的最终目的。2020年1月16日资源环境与科学学院31地理信息服务特征1、GIS提供的产品主要是地理信息,其次才是让用户享受服务所必须的软硬件。2、在实施部署的过程具有持续性特征,不同于一般GIS项目具有明确的期限。3、用户个体的不确定性和随机性。4、具有持续的经济收益或者社会效益。2020年1月16日资源环境与科学学院32地理信息服务的服务模式(一)基于MobileAgent的地理信息动态服务模式–实现分布式计算环境和移动环境下地理信息服务的动态构建，支持掌上电脑、PDA和手机等多类型客户终端。基于WebService的地理信息服务模式–具有良好的一致性、互操作性和实施性,可以比较好地解决GIS中数据共享、服务共享以及与其他系统的无缝集成的难题。2020年1月16日资源环境与科学学院33地理信息服务的服务模式(二)基于多协议集成的地理信息服务模式–包括集成客户端、分布式地理信息服务和数据源等三层。在客户端与服务的调用及服务间的调用中,都基于WebService规范,使用HTTP、SOAP协议进行通信。基于云计算技术的地理信息服务模式–构建思想就是综合利用云技术和Web服务技术,以云技术管理整个计算网络，网络内各节点以Web服务技术进行信息交换的技术构架。2020年1月16日资源环境与科学学院34地理信息服务的服务模式(三)基于多Agent结构的地理信息服务模式–由一组软件Agent构成，这些Agent既可以运行在同1台机器上,可以分布在网络的不同机器上。基于LBS的地理信息服务模式–主要针对车辆和个人,可以划分为监控和导航两大类。提供数字产品的方式–一种方式是专业的数字产品机构(如测绘部门)通过Internet提供4D产品；–另一种方式是向公众提供普及型产品——电子地图光盘。2020年1月16日资源环境与科学学院35地理信息集成与共享2020年1月16日资源环境与科学学院36地理信息集成与共享空间数据组织管理方式具有很大的差异性，表现在属性字段组织、空间索引、数据存储方式等方面。空间数据库在组织设计阶段就已经产生了概念化的异构。2020年1月16日资源环境与科学学院37地理信息的异构性数据内容和数据源空间数据模型表达机制空间数据格式空间参考信息空间数据存储方式支撑软件平台2020年1月16日资源环境与科学学院38地理数据库设计过程中产生的概念化异构2020年1月16日资源环境与科学学院39地理信息集成共享发展阶段2020年1月16日资源环境与科学学院40基于本体的空间信息共享集成基于本体获取、描述和表达空间信息领域的知识，实现不同个人、部门之间对空间