Unit 1 地理信息科学与技术概述

第1单元地理信息科学与技术概述Unit1IntroductionofGeographicalInformationScienceandTechnology1.重新认识GIS2.地理信息科学与技术的产生与发展3.地理信息系统的概念、组成与基本功能4.地理信息系统的发展与应用1.重新认识GISChapter1NewUnderstandingGIS1.1地理信息(Geographicinformationscience，GI)(1)GI的基本概念有关地理空间实体或现象的性质、特征和状态的表征与一切有用信息的总称。地理数据是地理信息的具体表达。★定期和适时地采集、识别、转换、存储、传输、显示、控制应用地理信息是现代地理学的重要任务。(2)GI的基本特征①空间特征又称几何特征，拓扑特征。描述事物或现象所在空间位置以及空间相互关系。②属性特征描述事物或现象的性质和数量特征。③时间特征描述事物或现象随时间的变化。★地理空间位置、属性特征、时序特征是地理信息的重要内涵，也是地理空间分析的三大要素。(3)GI的获取、传输与表达①获取将现有地图、实测成果、遥感数据、实体纹理、文本资料、统计数据、多媒体资料和已有系统数据等信息转换成可以处理与接受的数据形式。②传输传输是地理信息获取、表达和应用的纽带。地图是人类最早的空间信息传播工具；现代空间信息传输还包括图像、视频、音频、三维仿真和虚拟现实等。③表达通过各种类型的地图表达，实现从制图的客观地理环境到用户认知地理环境之间的信息传递。(4)GI的时空尺度★度量客体或过程空间维和时间维大小程度的量。GI的时空尺度的特性●对应性；●协调性；●规律性；●不可推绎性(unscaling)：指在一个尺度上定义的格局或变异性会随着观测尺度的改变而改变，一种尺度上得到的概括性结论不能推广到另一种尺度上去。★地球系统过程的时空尺度(据ESSC，1988)★山地生态系统管理的尺度对应(据侯扶江等，2001)规划和实施主体空间尺度(m2)时间尺度举例国家间合作组织国家省县乡村农户＞10141012~10141010~1012108~1010106~108104~106100~10450年以上20年以上10~20年5~10年1~5年1~3年1年左右中亚山地生态系统祁连山水源林保护工程黑河上游水库建设金畅河疏浚工程乡放牧地布局村放牧地布局放牧地轮换计划1.2传统地理信息服务模式★地理信息服务是地理信息科学技术发展的最终目的。传统的地理信息服务模式：在商贸、军事、宗教、探险考察等活动中，收集地理信息，并整理、编绘成图，提供客户使用。特点：●模拟地图是地理信息服务的载体——静态，时间滞后，人工识别。●零散和非系统地获取地理信息——缺乏整体性、完备性和统一性。1.3当代地理信息服务模式模式一：以地图图形为中心的传统地理信息服务——传统服务模式。模式二：以数据为中心的初级地理信息服务——磁盘、光盘载体，静态，信息更新和共享困难。模式三：以业务为中心的中级地理信息服务——局域网，动态，信息共享有限制。模式四：以决策为中心的高级地理信息服务——互联网、移动网络平台，动态，信息共享，实时或准实时服务。★基于网络的信息分发服务系统1.4关于GIS的几种含义★Geographicinformationsystem，GIS——地理信息系统★Geographicinformationscience，GIS——地理信息科学★Geographicinformationservice，GIS——地理信息服务2.地理信息科学与技术的产生与发展Chapter2OriginandDevelopmentofGeographicInformationScienceandTechnology2.1科学与技术的含义技术是人类为实现社会需要而创造和发展起来的手段、方法和技能的总和。科学是一种最逼近真理的尽可能不包含自相矛盾的知识体系，是一项社会事业。(1)技术的特征★工艺技巧，劳动经验，信息知识，工具装备。●技术研究的成果是新产品或新工艺，形式是专利。●技术研究成果能迅速产生直接的经济效益，因此成果需要严格保密，或得到保护。●取得工程专业的大学文凭就可以担任职业工程师。●工程师需要研究解决的通常是涉及面很广的一系列难题，为找到解决问题的方案，涉及的因素经常是五花八门的，从准备必要的科学知识，到材料选择、漂亮的外观设计、制造工艺、成本和资金，直至营销，接触的产品用户更多的是政府、公司和广大民众。(2)科学的特征★可重复性，创新精神。●科学研究成果是新知识，形式是论文。一句古老的格言很适合当代科学研究：不发表，就淘汰。●科学研究成果不能立刻产生直接的经济效益，利益是科学声誉(引用率)。●在现代科学领域，取得博士学位，才算取得了当科学家的证书。●科学家关注范围一般是很窄的特定课题，只需要了解其他人员在最近发表的科学论文，只需要关心由同行科学家所构成的那个圈内人数不多的“看不见的大学”。2.2地理信息技术的起源与发展★原始文明——水利假说原始文明在人类历史上多次独立、重复发生过。地理因素和灌溉农业技术共同作用，促成了专制国家的建立。在原始文明中，天文、数学、测绘、冶炼、书写、医学都有非常重要的发展，并应用到大型工程；在原始文明的国度里，知识以实用为归宿和目的，有非常强的功利性，并得到国家的支持。在实用和功利思想的引导下，人们只是把知识逐条记录下来，没有人对已有知识进行系统分析并将其概括为定理。直到工业革命以后，近代科学的不断发展，才使科学对技术的影响越来越大。★古、近代地理信息技术重要进展●尼罗河三角洲的土地测量(公元前3400年)；●黄河流域的地图测绘(公元前3000年)；●罗盘的发明与应用(公元前500年)；●17世纪，望远镜发明(荷兰人汉斯·里佩和意大利人伽利略)和三角测量法的创立(荷兰人斯涅耳)，在望远镜中加装十字丝(英国人加斯科因)；★望远镜与十字丝原理★古、近代地理信息技术重要进展●18世纪，经纬仪发明(英国人西森)，随后水准仪、平板仪出现，测量进入光学仪器时代；★光学测绘仪器时代★古、近代地理信息技术重要进展●18世纪，能够测定经度的钟表问世(英国人哈里森)，在海上准确测定地面点位置成为可能；★哈里森和他的钟表★古、近代地理信息技术重要进展●19世纪初，提出最小二乘准则，奠定了平差基础(法国人勒让德和德国人高斯)；●19世纪中，摄影术发明(法国人尼普斯、塔尔伯特和达盖尔)，空中摄影术出现(法国人塔尔纳乔昂)。★人类第一张航空像片Tournachon，巴黎，1858★地理信息技术的进展2.3地理信息科学的产生2.3.1萌芽阶段★二次文明——希腊科学和自然哲学兴起在埃及和美索不达米亚周边地区，在人类历史上这种文明仅仅在这里出现过一次。希腊文明强调知识的哲学内涵，研究脱离任何社会和经济目标；希腊科学悬空在社会的真空中，自然哲学家们进行的是毫无实用价值、似乎也毫无意义的个人研究。泰勒斯(公元前6世纪)是希腊科学和自然哲学的创始人，他提出：在学术成就上，实际测量问题的解决并不比特定问题的合理概括更为重要。★地理学萌芽于古希腊(公元前6世纪)，并分异为以数学为传统的地图学派(以阿那克西曼德为代表)和以文学为传统的描述地理学派(以赫卡泰为代表)。在古希腊很多学者眼里，地图就是对地球和世界的解释：借助于几何学和天文学，地图确定了地球在宇宙中的位置，并反映出有人居住的世界的形状“地理学”(geographie)名词出现于希腊化时代，被专用在地图学著作中。★爱奥尼亚地图学的进展●地球形状的研究(柏拉图，公元前5世纪)；●地球大小的研究(阿利斯塔克的日心说和费卡斯盘，埃拉托色尼借助费卡斯盘测定了地球的周长，公元前3世纪)；埃拉托色尼测定地球周长为252000希腊里，换算成公制为39600km；现代技术测定的地球周长为40030km。★爱奥尼亚地图学的进展●三角学原理与经纬网地图(希帕库，公元前2世纪)；●等角航线的发现和直交投影体系的建立(马林，公元2世纪)；●地图投影概念的提出和应用(托勒密，公元2世纪)。★托勒密绘制的地图在西方地图史上具有划时代的意义，一直影响到16世纪。2.3.2地理学和测绘学对地理信息科学的影响(1)近代地理学瓦伦纽斯(1622～1650)的《自然地理学》是近代地理学产生之前最有影响的地理著作，全书包括数理地理、气象学、水文地理和地形4个部分。19世纪上半叶，德国人洪堡和李特尔的研究奠定了近代地理学的基础；19世纪70年代进入近代地理学时代。★近代地理学是在地理大发现、地理科学见解和对地测绘工作的推动下发展形成的。19世纪末，德国人李希霍芬将地球表面分为4个圈层(岩石圈、大气圈、水圈和生物圈)，提出地理学是研究地球表面及其有成因联系的事物和现象的科学。(2)现代地理学★现代地理学是地理学发展的最新阶段，其发展可概括为地理学的理论化和数量化，发展过程包括：60年代的数量运动；70年代的行为研究；80年代的综合趋势；90年代以来的地球系统科学。现代地理学的特点表现在：①将人类居住的地球表面看作统一的复合系统，地理学本身的结构和体系已趋向于世界性的一元化；②对地理现象的解释由单纯的类型归纳，过渡到理论演绎、实验反馈和模式化的方法；③采用定性和定量相结合的方法，对纷纭复杂的地表机理进行确定性研究。★地球系统科学的研究方法对地观测、地理信息系统和地理信息网络等地理信息技术是地球系统科学研究的技术支撑平台。①地球系统观测：空间观测和地面观测；②分析与解释观测数据：根据地球科学知识和理论，对观测得到的数据进行必要的归类、换算、统计、对比、挖掘，去伪存真，为开展地球系统数值模拟提供依据；③建立概念模式和数值模式：建立能够描述地球系统存在状态和演化规律的数值模式，是地球系统科学理论研究的最主要内容，也是最困难的环节；④验证模式并开展未来变化预测。(3)测绘学★近代测绘学发展始于14世纪，是一门测绘地图的技艺和应用科学；也许称得上是近代的第一项科学技术。在近代科学与技术发展的推动下，以获取、处理、存储和传输地理信息为主要目的的现代测绘学逐渐形成了比较完整的学科体系。●大地测量学●摄影测量学●地图制图学●工程测量学●海洋测量学第二次世界大战之后，各国为保障地理信息能够系统、及时地收集并为军事提供服务，建立了庞大的政府机构专职此项工作，地理学在地理信息收集、处理、制图等工作中的地位大大下降。20世纪50~70年代，“即使教师力图在专业上跟上时代的进展，地理系的经费亦常常不足以提供现代化的技术和物质支持。……这自然会导致更少利用地图。”(美国威斯康星大学地理系教授PhillipMuehrcke，1981)★单纯的技术进展不能全部解决地理信息服务中的很多重要问题。20世纪80年代以来，随着遥感、全球定位系统、地理信息系统等技术的发展，地理学与测绘技术又越走越近。2.3.3地理信息科学的产生★现代意义的地理信息科学，是在空间技术(火箭、卫星、星载传感器等)、信息技术(信息处理、网络、通讯等)和地理科学、信息科学、系统科学等发展的背景下，从20世纪70年代逐渐萌芽并产生的，是地理信息获取、处理、存储、传输和应用理论在现代科学技术背景下的自然延伸。有关描述地理信息科学的不同名词：GeomaticsGeoinformaticsSpatialinformationscienceGeospatialinformationscienceGeographicInformationSicence3.地理信息系统的概念、组成与基本功能Chapter3Concept，componentsandbasicfunctionsofGIS3.1地理信息系统的概念★从技术角度的定义(狭义的GIS)地理信息系统(Geographicinformationsystem，GIS)是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机系统(陈述彭，2000)。★从科学角度的定义(广义的GIS)地理信息系统(Geographicinformationsystem，GIS)是集计算机科学、地理科学、测绘科