对地球信息科学的思考

对地球信息科学的思考周成虎鲁学军(中国科学院地理研究所，北京100101)提要作为地球科学一个重要分支的地球信息科学，在近10多年来已得到人们的广泛关注与高度重视。本文以信息科学为基础分析信息流的意义及其与物质流和能量流的关系，阐述地球信息科学在地球科学中的地位及其内涵，并从地球信息机理、地球信息技术以及地球信息科学的应用三方面论述地球信息科学研究的主要内容。关键词信息流地球信息科学地球信息机理对地观测系统地理信息系统信息高速公路地球信息科学(Geo-InformationScience)是90年代新兴的地球科学研究的前沿领域，是在卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统、数字传输网络等一系列现代信息技术的高度集成以及信息科学与地球系统科学的交叉基础之上所形成的科学体系。虽然其理论与方法还处于初步发展阶段，其学科体系尚未完善，但它已得到国内外科技界的普遍关注。近10年来，为了加强对于资源开发与环境保护的系统调控和协调发展，许多国家都在积极发展地球信息科学，以之作为全球变化研究与区域规划、管理与决策分析的现代化科技手段。本文拟从地球信息科学的起源、主要研究内容等方面来探讨地球信息科学的内涵及其研究框架。一孔之见，以期抛砖引玉。2地球信息科学的缘起1.1地球信息科学产生的技术背景作为一个现代的科学术语，地球信息科学的出现还不到10年。作为一门新兴的交叉学科，人们对其的认识又有多重含义，并出现了许多相类似但又不相同的科学名词，如地球信息技术(Geomatics)、地球信息机理(Geo-Informatics)、图像测量学(Iconicmetry)、图像信息(Iconic-Informatics)、地理信息科学(GeographicInformationScience)、地球信息科学(Geo-InformationScience)等。这些新的科学名词的出现，都与现代信息技术，如遥感、数字通讯网络、地理信息系统等的发展密切相关。法国大地测量与摄影测量学者BernardDubussion于1975年首先将地球信息技术(法文名为Geomatique)用于科学文献。Gagnon将其定义为利用各种手段，通过一切途径来获取和管理有关空间基础信息的空间数据部分的科学技术领域［1］；Groot将其定义为：研究空间信息的结构与性质、信息的获取、分类与合格化以及存贮、处理、描绘、传播和确保其优化使用的基础设施科学技术［2］。这里，地球信息技术被狭义地定义为用于获取有关地球状况与特征的数据信息的技术科学，为地球科学与测量学的交叉学科。这点从一些学科设置的改名也可得到证实。例如加拿大的拉瓦尔(Laval)大学、卡尔加里(Calgary)大学将其与测绘有关的系名改为地球信息技术工程学系；同时加拿大矿产资源能源部的测绘局也于1994年6月改名为加拿大地球信息技术工程署(GeomaticsCanada)。荷兰国际航测与地学院(ITC)于1989年成立了地球信息专业，包括航天航空数据获取与摄影测量、数字遥感、地图制图和数据库与计算机图形技术等部分。王之卓教授从学科发展的高度提出使用图像信息学(IconicInformatics)来概括目前所有与测绘有关的一些学科，如摄影测量、地图制图、遥感技术等，并认为地球信息机理(Geo-Informatics)所概括内容比图像信息学更广［3］。地理信息系统技术的应用大大提高了人类处理和分析大量有关地球资源、环境、社会与经济数据的能力，而地理信息系统技术及其应用的进一步发展则必须以地球信息机理理论为基础。陈述彭在论述地理信息系统发展时强调了对于地球信息基础理论的研究，并指出地球信息基础理论的实质内容：地理信息系统已不仅仅限于物质流与能量流的信息载体，而且包括研究地学信息流程的动力学机理与时空特征、地学信息传输机理及其不确定性(多解)与可预见性等；并认为：Geo-Informatics不同于Geomatics，在于这个Info还包括很多地学规律，其分析模型必须以地学为基础［4］。Goodchild于1992年提出地理信息科学(GeographicinformationScience)的概念［5］。地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本问题，如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等［6，7］。地理信息科学的提出是地理信息系统技术及应用发展到相当水平后的必然要求，它是在人们不再满足于仅仅利用计算机技术来对地理信息进行可视化表达及其空间查询，而强调地理信息系统的空间分析和模拟能力时产生的；它在注重地理信息技术发展的同时，还注意到了与地理数据、地理信息有关的其他一些理论问题，如地理数据的不确定性、地理信息的认知以及社会对于地理信息技术运用于实践的认可等。由此可见，地理信息科学在地理信息技术研究的同时，还指出了对于支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。随着遥感、全球定位系统、因持网(Internet)和地理信息系统等现代信息技术的发展及其相互间的渗透，逐渐形成了以地理信息系统为核心的集成化技术系统，为解决区域范围更广、复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证；同时，这些现代信息技术的综合发展及其应用的日益深广，最终促使了“地理信息科学”的产生。1.2地理信息科学发展的应用背景全球变化与区域可持续发展研究已经使得现代地球科学问题的研究发生了“质”和“量”的变化。首先，现代地理科学问题的研究具有“综合性、统一性”，“综合性”表现在地球科学问题的研究日益要求多学科、多部门之间的攻关协作，“统一性”则表现在地球科学问题的研究既需要现代化技术手段的支持又需要基础科学理论的指导；其次，现代地球科学问题既强调对于不同时空尺度下的固体地球系统、流体地球系统和生物地球系统过程以及这些系统之间相互作用机制的理解与模拟，以揭示全球变化规律，又强调对于包括人类在内的由岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈等各相态物质相互作用组成的地球表层系统的区域系统的研究，以揭示人类活动与资源、环境相互作用的关系。图1地理信息系统在地球队系统科学研究中的作用Fig1TheroleofGISintheEarthSystemScience(After“EarthSystemScience”)美国国家航空和宇航管理局(NASA)在《地球系统科学》报告［8］中指出：认识地球系统和全球变化战略的重要组成部分是要在最广泛的意义上致力于数据和信息的管理，发展地理信息系统是其中心问题。没有地理信息系统就没有地球系统科学，其设计应适应地球系统本身的多变性和复杂性。因此，从地球系统科学的高度来认识和理解地理信息系统，更有利于我们把握地理信息技术体系发展的框架。图1表示了地理信息系统在地球系统科学研究中的作用［8］，由图可见，地理信息系统在获取地球观测数据以后，能够支持三项功能，并完成它们之间的转换，即从“分析和解释”到“概念化和数值模拟”，再到“预测和验证”的转换，由此实现地球系统科学的研究工作。人类社会步入信息时代，有关地球科学问题的研究需要以信息科学为基础，并以现代信息技术为手段，否则就不能适应新的社会生产力发展水平。地球信息科学，作为地球科学的一个重要分支学科，将为地球科学问题的全球变化与区域可持续发展研究提供理论指导与技术方法的支持。而全球变化与区域可持续发展的应用研究也将极大地推动地球信息科学的发展。2地球信息科学的含义2.1地球信息及其与数据、知识的关系地球信息是地球系统内部物质流、能量流和人流的一种运动状态和方式，它包括两部分，一部分是有关物质流、能量流和人流的运动状态，即对于它们在地球空间上所表现出来的区位特征，包括位置、形状和属性特征的描述；另一部分是有关物质流、能量流和人流的运动方式，即对于它们的区位特征在时间上所呈现的运动过程和变化规律的解释。因此，地球信息实质上反映了人类对于地球系统运动规律的认识，它是人类保育地球系统的基础。地球信息所覆盖的空间范围上至电离层，下至莫霍面，其中在地球表层上的地理信息是地球信息的基础信息。正是地理信息的空间定位和空间关联性起到了连接地质信息、海洋信息和大气信息的作用，使得地质信息、海洋信息和大气信息得以通过地理信息而组合成为地球信息；而有关地理信息的处理技术——地理信息技术的数据获取、存储、空间分析和信息查询则为地球信息的模拟、分析和预测奠定了基础。我们知道，信息论作为应用统计方法研究通信系统中信息传递和信息处理问题的科学，它规定信息是减少可能事件出现的不确定性的量度，信息量等于消除的不确定性的数量。对于认识主体(人、生物或机器系统)来说，如果他(它)在接受信息后，一点确定性都消除不了，那么信息量最小(等于零)，若所有的不确定性都消除了，则信息量为最大［9］。当卫星传感器采集到地球系统的有关数据后，在没有应用有关地球信息的分析方法(如地球信息的各种统计方法)去处理它们时，这些有关地球系统信息的符号记录对于“人”这个认识主体来说，其所包含的信息量等于零；当在卫星地面台站对传感器所获得的数据进行预处理后，这些数据就转化为可被人利用的各种数据格式的地球信息，但此时，它们所包含的信息量仍然是有限的；这些信息进入地理信息系统后，在信息处理过程中，它们的信息含量将逐渐增高，信息的使用价值随之增大；特别是当它们经过各种专题地理信息系统的处理后，它们的信息含量将大幅度地提高，信息的使用价值增值更快；经过地理信息系统处理后的信息再进入各种专题的空间辅助决策支持系统，信息又可以进一步地转化为更高级的信息形态——知识。这里的“知识”是有关某一空间问题解决的“目的、计划和策略信息”，即有关某一空间问题解决的“方案”。因此，这里的“知识”不是描述和解释地球系统运动规律的知识，而是从人的需要出发，用于指导人类保育地球实践活动的知识，可称之为“方案知识”。方案知识的信息量最高，使用价值也最大。地球数据、地球信息和方案知识三者之间不是截然分开的，它们之间具有一定程度的重合性，这意味着地球数据的一部分(如地球专题数据)可以是地球信息的一部分，而地球信息的一部分(如地球专题信息)可以是方案知识的一部分。2.2地球系统信息流从数据到信息再到知识这一过程必须以物质和能量为载体，表现为数据的传输需要数字传输网络的支持，当数据转化为信息，直至目标、计划和策略信息时，则需要地理信息系统、空间辅助决策支持系统的支持，而信息的传输则需要因特网的支持。正是由于数字传输网络、地理信息系统、空间辅助决策支持系统和因特网的支持，实现了从数据流到信息流再到知识流的“流变过程”。由于数据、信息和知识之间的内在联系，一般所说的“信息流”包括了从数据流到信息流再到知识流的全过程。由于地球系统信息流是有关地球物质流、能量流和人流的性质、特征和状态的表征与知识，它依附于物质流、能量流和人流而存在，即以物质流、能量流和人流为载体，因此，可以通过研究地球系统信息流来认识和理解地球物质流、能量流和人流的运动规律，并通过对于地球系统信息流的模拟来获得对于物质流、能量流和人流调控的科学依据(图2)。图2物质流、能量流、人流与信息各自所包含的内容Fig2Thecontentsoftheflowofmatieral,energy,peopleandinformation地球系统科学主要研究地球系统内物质流、能量流、人流循环的发生与发展过程。地球系统的物质流是指物质资源在空间与时间上的重新分配，能量流指各种能量的传输，而人流则预示着社会的发展和变迁。它们形成的根本动力在于地球系统中物质、能量和人流分布不均而产生的位能、势能和压力差。通过对物质流、能量流的研究，我们能够深刻地理解诸如全球大气环境模式、大洋环流、海陆水汽交换等各种自然现象过程；通过对人流的研究，我们可以认识社会、经济和政治的发展趋势和规律。图2表达了物质流、能量流、人流和信息流它们各自所包含的内容。显然，认识信息流与物质流、能量流和人流的相互关系有助于理