地理信息科学研究进展

地理信息科学研究进展摘要：本文论述从地理信息系统到地理信息科学发展的相关概念、活动、以及近年发生的重要事例。讨论地理信息科学的主要研究内容、发展阶段特征与趋势，认为地理信息科学的基本思想、核心框架理论与学科定位等仍在不断的探索之中，仍需要在地理科学、地球系统科学等的大框架下，基于天地人机网络一体化信息系统，以数字地球与虚拟地理环境建设为目标，结合实验遥感、实验地理学等来构建与发展。从地球表层系统的人-地关系视角，提出了发展面向“人”地理信息科学的科学问题。最后，对于地理信息科学与遥感(信息)科学的集成与未来发展进行了思考。关键词：地理信息科学，地球信息科学,数字地球TheResearchprogressofGeographicinformationscienceAbstract：Thispaperdiscussesfromthegeographicinformationsystemtothedevelopmentofgeographicinformationsciencerelatedconcept,activities,andimportantcaseshappenedinrecentyears.Discussthemainresearchingcontentsofgeographicinformationscience,developmentcharacteristicsandtrends,thinkofgeographicinformationscience,thebasicideaofcoreframeworktheoryandsubjectorientationandsooncontinuestoexplore,stillneedingeographyscience,earthsystemscienceundertheframeworkofman-machineintegrationofnetworkinformationsystembasedonheavenandearth,accordingtotheconstructionofdigitalearthandvirtualgeographicalenvironmentasthegoal,combinedwithexperimentofremotesensing,geographyandsoontobuildanddevelopment.Fromtheperspectiveofearthsurfacesystem-relation,putforwardthedevelopmentofpeopleorientedgeographicalinformationsciencescientificquestions.Finally,forgeographicalinformationscienceandremotesensing(information)integrationandthefuturedevelopmentofscientificthinking.Keywords：Geographicinformationscience;Theearthinformationscience;Digitalearth1引言1990年Goochild提出“SpatialInofrmationScience”，1992年在国际杂志IJGISystem上发表“Geographicalinformationscience”，从而标志着地理信息科学作为一个学科正式成立，自此关于地理信息科学理论、方法的研究与相关活动，在国际上也逐渐展开、活跃，例如1996年国际杂志IJGISystem改名IJGIScience，美国国家科学基金委从1997年2月到2000年2月资助了地理信息科学相关的Varenius研究项目。在相关国际会议上，地理信息科学国际会议系列（InternationalConferenceonGIScience），从2000年开始每两年一次，至今已举行了5次，这个会议是目前比较重要的关于地理信息科学理论最新研究交流的学术活动；另外相关的还有空间信息理论国际会议COSIT(ConferenceonSpatialInformationTheory)系列，国际地理学会（IGU）地理信息科学专业委员会组织的空间数据处理国际会议系列（InternationalSymposiumforSpatialDataHandling）等。2地理信息科学概念与研究内容国内外关于地理信息理论以及地理信息科学的相关研究，在概念上同时主要还采用地球信息科学（Geo-informationScience,或Geoinformatics,或Geomatics）或者地球空间信息科学、空间信息科学（Geo-SpatialInformationScience，SpatailInformationSystem）等。虽然在很多场合，地理信息科学与地球信息科学可以互相通用，但是，地理信息科学的研究背景主要来自地理信息系统以及地理学、地图学等领域，而地球信息科学主要来自于地球系统科学与信息科学的结合与集成，从而在研究内容、研究特征上仍有一定的差异，例如，马蔼乃认为地球系统科学以及地球信息科学研究地球圈层及其相互作用，主要归属于自然科学，而地理科学以及地理信息科学面对的是地球表层环境的人地关系复杂巨系统，是属于自然科学与社会科学的桥梁科学。对于空间信息科学与地理信息信息科学两个概念，Longley等认为“地理”比“空间”具有更多的丰富涵义，因此，采用地理信息科学的叫法。美国地理信息与分析国家中心NCGIA（NationalCenterforGeographicInformationandAnalysis）从1988年成立以来，启动了21个关于GIS的研究动议（ResearchInitiatives），如地理信息应用与价值、多表达、空间关系语言等，影响很大，目前很多研究仍顺着这个项目设立的方向在继续开展。后来美国又成立了地理信息科学大学联合会UCGIS（TheUniversityConsortiumforGeographicInformationScience），并于1996年提出了地理信息科学中的10个优先研究主题，包括空间数据获取与集成、分布式计算、地理表达扩展、地理信息认知、地理信息互操作、尺度、GIS环境下的空间分析、空间信息基础设施的未来、地理数据不确定性与基于GIS的分析、GIS与社会；后来在上述基础上又扩展了4个主题：地学空间数据挖掘与知识发现，地理信息科学的本体论基础，地理可视化，以及地理信息科学中远程获取的数据与信息。在国内，正如前面所述，与地理信息理论与学科相关的有“地球（空间）信息科学”和“地理信息科学”。陈述彭于1995年提出要发展地球信息科学的倡议，在1996年创办了学术期刊《地球信息科学》，并初步提出了地球信息科学的7大研究领域：地球信息科学基础理论，地球信息获取和处理技术，地球信息数字集成技术系统，地球科学信息共享，应用技术，中国特色的地球科学信息资源，以及地球信息科学技术的产业化政策。童庆禧与李德仁也都提倡发展地球空间信息科学。童庆禧认为地球空间信息科学的科学体系包括三个部分：地球空间信息基础理论，地球空间信息方法技术，以及地球空间信息应用范畴；李德仁认为地球空间信息学包括7个理论问题，即①地球空间信息的基准，包括几何、物理和时间基准；②地球空间信息标准；③地球空间信息的时空变化理论；④地球空间信息的认知；⑤地球空间信息的不确性；⑥地球空间信息的解译与反演；⑦地球空间信息的表达与可视化。综上所述，地理信息科学，作为一门学科存在，大家都是公认的。但是关于地理信息科学的思想、概念以及具体研究内容，从不同的背景与角度，仍然有不同的理解与看法。另外，地球信息科学、地球空间信息科学等概念的存在与发展，既是说明了地理信息科学概念产生与应用的某种背景与目标、同时也说明了当前地理信息科学这个学科具有的复杂性、可能存在的局限性与未来的发展性。3地理信息科学发展历程与理论前沿针对GIS从20世纪60年代初产生到现在的发展特征，Goodchild提出了GIS发展的三个阶段：第一个阶段是GIS作为地理学者的研究助手；第二个阶段GIS作为交流工具；第三个阶段，GIS作为扩展人类感觉地理现实的手段，这个阶段才刚刚浮现。Lees则认为地理信息科学发展的第一阶段主要与计算机科学有关，第二阶段发展重心则是从模拟（Analog)到数字空间数据，主要关注的的地学信息学（Geomatics)，第三阶段，即现在的发展特点主要是面向应用，而这也正是地理学家关心与从事的领域。从技术角度，GIS发展和计算机、网络、图形学、移动、网格、以及通信技术等的发展，是紧密相关的，形成了二维GIS、三维GIS、网络(Web)GIS、移动GIS、虚拟GIS、协同GIS、数字地球等。林珲等认为传统GIS主要包括空间数据库、空间分析、可视化三大功能，后来把模型库、虚拟环境、网络支撑环境加进来，就形成了虚拟地理环境，并认为从地图、到地理信息系统、到虚拟地理环境，是地理学语言的演变与发展。朱庆总结了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。但应该看到，GIS经过几十年的发展，从地理信息系统（GISystem）、到地理信息科学（GIScience）、到地理信息服务（GIService），地理信息技术、应用与产业得到了巨大的发展，地理信息科学、技术与应用的“产-学-研”体系也基本确立，并且在当前的GIS界，地理认知与地理本体、地学数据动态更新与分布式数据库、市民作为自发传感器（Citizensasvoluntarysensors）、自发地理信息（volunteeredgeographicinformation）、地学数据挖掘、地学不确定性分析、地统计与空间分析、地学时空过程建模、地学计算（GeoComputation）、地学模拟(GeoSimulation)、协同GIS与可视化、增强现实GIS、基于位置的地理信息服务、普适GIS、网格GIS、全球GIS、地学知识可视化与地学图解图谱、数字地球与虚拟地理环境、面向“人”GIS、社会GIS、社会关系网络、参与式GIS、空间综合社会人文学、公众GIS与地理教育等相关地理信息理论与技术研究活跃，取得了很大的进展。但是未来地理信息科学学科如何发展仍然面临着巨大的挑战，尤其是关于地理信息科学的核心理论框架体系，目前仍然缺乏清晰的理解，需要进一步地探索。下面从框架上讨论地理信息科学的理论研究发展状况，以及面向“人”地理信息科学的最新思想发展。4关于地理信息科学与遥感科学集成的思考随着航天/航空空间技术、传感器技术等的发展，以及全球环境变化、区域可持续发展、灾害响应与应急等研究与实践对于对地观测与空间信息技术等的巨大需求，遥感技术与应用发展迅速；同时，由于地球表层系统与多尺度地域人地系统的复杂性也导致了遥感信息机理、遥感定量分析、遥感信息到地学知识转换等研究的难度，从而使遥感学术界面临在理论、技术以及应用上的众多机遇与新的挑战，同时也表明了遥感处于一个新的繁荣发展与应用阶段。而在GIS领域，由于GIS技术的成熟、GoogleEarth的大众应用以及应用产业上规模的形成，虽然提出了地理信息科学的发展问题，但是近年来在GIS理论与方法上新思想、新概念等的创新与突破，不太活跃，进展缓慢。鉴于此，本文试求从地理信息科学与遥感科学集成上做一些思考，希望突破传统“3S”（RemoteSensing、GeographicInformationSystem、GlobalPositioningSystem）侧重于技