1、第二章第二章3S3S技术与地球信息科学技术与地球信息科学2内容提要内容提要第一节第一节地球信息科学的诞生地球信息科学的诞生第二节第二节地球信息科学的应用地球信息科学的应用3第一节第一节 地球信息科学的诞生地球信息科学的诞生 一、地球信息科学产生的背景一、地球信息科学产生的背景 1、地球信息科学是地球系统科学发展的客观需求，、地球信息科学是地球系统科学发展的客观需求，地球系统科学为地球信息科学奠定了地球系统科学为地球信息科学奠定了科学基础科学基础。地球科学地球科学:研究研究地地球球及及其其各各圈圈层层起起源、源、演化演化、结构、结构、运动与变化规律。其发展已有几百年的历史。运动与变化规律。其发展
2、已有几百年的历史。由于由于20世纪人类对地球环境影响的加深，产生了环世纪人类对地球环境影响的加深，产生了环境污染、温室效应、气候异常、植被破坏、土地荒境污染、温室效应、气候异常、植被破坏、土地荒漠化等一系列重大而紧迫的全球环境问题。这些漠化等一系列重大而紧迫的全球环境问题。这些问问题题涉及地球各部分的相互作用。涉及地球各部分的相互作用。因此，因此，20世纪世纪80年代国际地学界提出了地球系统科年代国际地学界提出了地球系统科学的概念，将大气圈、水圈、岩石圈、生物圈、智学的概念，将大气圈、水圈、岩石圈、生物圈、智慧圈作为地球系统，强调研究发生在该系统中主导慧圈作为地球系统，强调研究发生在该系统中主
3、导全球变化相互作用的物理、化学和生物学过程，特全球变化相互作用的物理、化学和生物学过程，特别是人类活动诱发的全球变化，其目的是揭示全球别是人类活动诱发的全球变化，其目的是揭示全球变化的规律，提高人类认识和预测全球变化的能力变化的规律，提高人类认识和预测全球变化的能力。空间技术和计算机技术的发展，特别是卫星遥感空间技术和计算机技术的发展，特别是卫星遥感(RS)的对地的对地观测为地球系统科学的研究提供了重要手段。地球系统科学观测为地球系统科学的研究提供了重要手段。地球系统科学所提出的研究途径包括四个步骤：所提出的研究途径包括四个步骤：观测数据的采集；观测数据的采集；观测资料的分析和解释；观测资料的
4、分析和解释；概念和数值模式的建立；概念和数值模式的建立；模式的验证，模式的验证，并以此作变化趋势的预测。并以此作变化趋势的预测。核心是建立：核心是建立：地球系统数据库地球系统数据库 地球信息系统地球信息系统6 2.现代信息技术、空间技术和现代信息技术、空间技术和3S技术的发展与集成，技术的发展与集成，为地球信息科学奠定了为地球信息科学奠定了技术基础技术基础 第二次信息革命：第二次信息革命：20世纪世纪70年代以后，以微电子技年代以后，以微电子技术、计算机技术、信息技术、空间技术和现代数字术、计算机技术、信息技术、空间技术和现代数字通讯技术相结合，使人类全面进入信息时代。网络通讯技术相结合，使人
5、类全面进入信息时代。网络技术是这次革命的标志。技术是这次革命的标志。信息技术和空间技术不仅推动了地球科学和地球系信息技术和空间技术不仅推动了地球科学和地球系统科学的前进，而且极大地推动了统科学的前进，而且极大地推动了3S技术的发展。技术的发展。7 GPS从根本上改变了空间定位的传统方法，不仅能从根本上改变了空间定位的传统方法，不仅能适时快速定位，而且能够测定三维坐标与动态坐标，适时快速定位，而且能够测定三维坐标与动态坐标，精度达到米级和厘米级，为测绘、精度达到米级和厘米级，为测绘、RS、GIS的快速的快速定位创造了条件，而且与电子地图相结合，在飞机、定位创造了条件，而且与电子地图相结合，在飞机
6、、舰船与车辆的导航系统中被广泛应用。舰船与车辆的导航系统中被广泛应用。RS技术已发展到多平台、多光谱与高光谱、多频率技术已发展到多平台、多光谱与高光谱、多频率雷达、全天候、高分辨率雷达、全天候、高分辨率(高空间分辨率与高光谱分高空间分辨率与高光谱分辨率辨率)的多源信息流与多维时空动态分析。俄罗斯的多源信息流与多维时空动态分析。俄罗斯COSMOS卫星卫星SPIN-2影像影像(2米分辨率米分辨率)早于早于20世纪世纪80年代覆盖全球很大范围，其中年代覆盖全球很大范围，其中10米分辨率影像可米分辨率影像可测绘测绘1：5万地形图。万地形图。9 RS为地图编制适时提供多种类、多时相、大范围极为地图编制适
7、时提供多种类、多时相、大范围极其丰富的信息来源，为提高地图质量、加快成图速其丰富的信息来源，为提高地图质量、加快成图速度、扩大制图范围提供了条件。度、扩大制图范围提供了条件。GIS是在计算机地图制图基础上发展起来的，它为是在计算机地图制图基础上发展起来的，它为地图深层次开发，编制与应用综合评价地图、动态地图深层次开发，编制与应用综合评价地图、动态变化地图、三维立体地图、预测预报地图与规划决变化地图、三维立体地图、预测预报地图与规划决策地图提供方法与技术的支撑。策地图提供方法与技术的支撑。10 GIS作为获取、存储、模拟、处理、检索、分作为获取、存储、模拟、处理、检索、分析与显示地理空间信息的综
8、合技术系统，成为析与显示地理空间信息的综合技术系统，成为多层次、多功能的区域综合与空间分析的工具，多层次、多功能的区域综合与空间分析的工具，已广泛应用于各个部门与各个领域。已形成包已广泛应用于各个部门与各个领域。已形成包括硬件设施、软件开发与信息服务在内的、具括硬件设施、软件开发与信息服务在内的、具有相当规模的地理信息产业。有相当规模的地理信息产业。11 GPS、RS、GIS与地图学有着共同的应用范围，在与地图学有着共同的应用范围，在应用中各自发挥本身的特点和优势并且四者相互结应用中各自发挥本身的特点和优势并且四者相互结合与综合集成。这种结合与集成，不仅有利于各自合与综合集成。这种结合与集成，
9、不仅有利于各自的发展，而且促进了更高层次的地球信息科学的诞的发展，而且促进了更高层次的地球信息科学的诞生，并为地球信息科学奠定了技术基础。生，并为地球信息科学奠定了技术基础。123.全球变化与人类所面临的资源、环境等全球性问题及区域可全球变化与人类所面临的资源、环境等全球性问题及区域可持续发展促进了地球信息科学的建立和发展（需求）持续发展促进了地球信息科学的建立和发展（需求）全球变化与区域可持续发展，以及人类社会所面临的资源短全球变化与区域可持续发展，以及人类社会所面临的资源短缺、环境恶化、灾害频繁等紧迫问题，都要求研究和揭示地缺、环境恶化、灾害频繁等紧迫问题，都要求研究和揭示地球表层动态机制
10、与全球气候、环境变化规律，揭示人与自然球表层动态机制与全球气候、环境变化规律，揭示人与自然的相互关系，并寻求人口、资源、环境与发展相互协调的途的相互关系，并寻求人口、资源、环境与发展相互协调的途径。而这些问题的解决涉及物质流、能量流与信息流之间的径。而这些问题的解决涉及物质流、能量流与信息流之间的相互关系，尤其是信息流对物质流、能量流的调控作用，这相互关系，尤其是信息流对物质流、能量流的调控作用，这种客观的需求，也是促进地球信息科学诞生的背景之一。种客观的需求，也是促进地球信息科学诞生的背景之一。13 二、地球信息科学的诞生二、地球信息科学的诞生 虽然虽然20世纪世纪70年代以来，年代以来，G
11、PS、RS、GIS都在高新都在高新技术基础上获得了迅速发展，并各自发挥着重要作技术基础上获得了迅速发展，并各自发挥着重要作用。但是地球系统科学、全球变化和人地关系的深用。但是地球系统科学、全球变化和人地关系的深入研究，以及为解决经济与社会可持续发展的规划入研究，以及为解决经济与社会可持续发展的规划决策、环境治理、防灾减灾等实际问题，都必须要决策、环境治理、防灾减灾等实际问题，都必须要地球科学和地球系统科学同空间定位的地球科学和地球系统科学同空间定位的GPS、获取、获取信息的信息的 RS、处理信息的、处理信息的GIS和图形表达的地图学相和图形表达的地图学相结合，形成综合集成的科学技术体系。结合，
12、形成综合集成的科学技术体系。http:/ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,1314 1990年加拿大克灵顿大学在著名地图学与年加拿大克灵顿大学在著名地图学与GIS专家、专家、国际地图学协会前主席泰勒教授主持下建立了地球国际地图学协会前主席泰勒教授主持下建立了地球信息科学信息科学(Geoinformatics)中心。中心。20世纪世纪90年代初加拿大将获取、管理、分析空间与年代初加拿大将获取、管理、分析空间与地理信息的各学科地理信息的各学科(地质、测绘、地质、测绘、RS、地图学、地图学、GIS等等)有机地结合起来统称地球信息科学有机地结合起来统称地球信息科学(Geomati
13、cs)，为，为资源管理、基础设施开发和环境监测提供技术保证资源管理、基础设施开发和环境监测提供技术保证和支撑条件，并且成立了包括政府部门、科研单位、和支撑条件，并且成立了包括政府部门、科研单位、高等院校和私人公司在内的地球信息科学协会。高等院校和私人公司在内的地球信息科学协会。加拿大、俄罗斯、捷克、澳大利亚、日本等国将测加拿大、俄罗斯、捷克、澳大利亚、日本等国将测量与地图学系或专业也改名为量与地图学系或专业也改名为Geo-informatics系和系和专业。专业。加拿大、德国、英国等国家还出版了加拿大、德国、英国等国家还出版了Geomatics或或Geoinformatics或或Geoinfo
14、rmation Science学术期刊，学术期刊，并多次召开了地球信息科学为主题的国际学术会议，并多次召开了地球信息科学为主题的国际学术会议，例 如例 如 1 9 9 4 年年 3 月 和月 和 1 9 9 5 年年 5 月 在 香 港 召 开 了月 在 香 港 召 开 了Geoinformatics国际会议。国际会议。由此，一门新兴学科由此，一门新兴学科地球信息科学地球信息科学在国际上迅在国际上迅速兴起。速兴起。16三、地球信息科学与数字地球的结合三、地球信息科学与数字地球的结合 1998年美国时任副总统戈尔提出的年美国时任副总统戈尔提出的“数字地球数字地球对对2l世世纪人类星球的理解纪人类
15、星球的理解”的报告，引起了世界各国的关注。的报告，引起了世界各国的关注。戈尔提出：戈尔提出：“我们需要一个数字地球，一个多种分辨率我们需要一个数字地球，一个多种分辨率、三维表达的地球，可以在其上添加许多与我们所处的、三维表达的地球，可以在其上添加许多与我们所处的星球有关的地学数据星球有关的地学数据”，“可以把关于我们社会和人类可以把关于我们社会和人类星球的原始数据转换成可理解的信息。这种数据不仅包星球的原始数据转换成可理解的信息。这种数据不仅包括地球的高分辨率卫星影像、数字地图，也包括经济社括地球的高分辨率卫星影像、数字地图，也包括经济社会和人口的信息会和人口的信息”。17 经济与科技的全球化
16、发展趋势，全球资源短缺与环经济与科技的全球化发展趋势，全球资源短缺与环境恶化，全球可持续发展的共同愿望正成为境恶化，全球可持续发展的共同愿望正成为“数字数字地球地球”发展的强大动力。空间科学技术与信息科学发展的强大动力。空间科学技术与信息科学技术的飞速发展，又为技术的飞速发展，又为“数字地球数字地球”的发展准备了的发展准备了良好的技术条件。良好的技术条件。我国政府和科技界正积极推进国家信息化和国家信我国政府和科技界正积极推进国家信息化和国家信息基础设施的建设，我国政府有关部门已研究和制息基础设施的建设，我国政府有关部门已研究和制定定“数字中国数字中国”的发展战略与措施，推进的发展战略与措施，推
17、进“数字地数字地球球”的发展。的发展。18 中国各省、市对数字地球战略也都非常重视，现已中国各省、市对数字地球战略也都非常重视，现已有近有近20个省区建立了个省区建立了“数字省区数字省区”，近，近200个大、个大、中城市及长江、黄河等大河流域都提出并正在实施中城市及长江、黄河等大河流域都提出并正在实施“数字省区数字省区”、“数字城市数字城市”、“数字流域数字流域”、“数字社区数字社区”的宏伟计划，各项空间信息基础设施的宏伟计划，各项空间信息基础设施建设、电子政务、电子商务，以及在各部门的应用建设、电子政务、电子商务，以及在各部门的应用均已取得较大进展和明显成效。其中均已取得较大进展和明显成效。
18、其中“数字福建数字福建”已经建成，已经建成，“数字北京数字北京”在建设过程中就开始发挥在建设过程中就开始发挥了重要作用。了重要作用。19 地球信息科学为数字地球战略的发展提供了理论、地球信息科学为数字地球战略的发展提供了理论、方法与技术的支持。反过来方法与技术的支持。反过来数字地球数字地球战略战略又为地球又为地球信息科学的发展提供了新的机遇，对地球信息科学信息科学的发展提供了新的机遇，对地球信息科学的发展起着重要的促进作用。的发展起着重要的促进作用。20第二节第二节 地球信息科学的应用地球信息科学的应用 21世纪是世纪是信息化信息化和知识经济的世纪和知识经济的世纪(Knowledge Econ
19、omy是指建立在知识和信息的生产、分配和使用是指建立在知识和信息的生产、分配和使用之上的经济之上的经济)，无疑地球信息科学必将得到进一，无疑地球信息科学必将得到进一步发展，将成为地球科学更完善的科学技术支步发展，将成为地球科学更完善的科学技术支撑体系。地球信息科学应用非常广泛。撑体系。地球信息科学应用非常广泛。21一、资源清查与管理一、资源清查与管理 在勘测、调查各类资源的基础上，利用在勘测、调查各类资源的基础上，利用RS技术可技术可分别建立矿产、土地、水、生物等各类资源数据库分别建立矿产、土地、水、生物等各类资源数据库及其相应的及其相应的GIS，将为资源的合理开发利用与合理，将为资源的合理开
20、发利用与合理调配提供科学依据，并实现对资源的数字化、现代调配提供科学依据，并实现对资源的数字化、现代化化科学管理科学管理。国土资源国土资源辅助辅助管理管理 22二、经济与社会可持续发展的规划决策与管理二、经济与社会可持续发展的规划决策与管理 在在21世纪的信息社会与世纪的信息社会与知识经济知识经济时代，对经济与社时代，对经济与社会的管理必须科学化与现代化，因此有必要逐步建会的管理必须科学化与现代化，因此有必要逐步建立国家、省、县三级经济与社会可持续发展规划决立国家、省、县三级经济与社会可持续发展规划决策管理信息系统。策管理信息系统。应根据各地区资源、人口、环境的特点和经济、社应根据各地区资源、
21、人口、环境的特点和经济、社会基础，建立相应的数据库与各具特色的指标体系会基础，建立相应的数据库与各具特色的指标体系，为协调人地关系和经济与社会发展规划决策提供，为协调人地关系和经济与社会发展规划决策提供科学依据，从而实现现代化科学管理。科学依据，从而实现现代化科学管理。23 三、城市规划与现代化管理三、城市规划与现代化管理 21世纪我国城市必将进一步迅速发展，随着城市现世纪我国城市必将进一步迅速发展，随着城市现代化建设与管理的加强，各大中城市建立城市代化建设与管理的加强，各大中城市建立城市GIS将是必然趋势。目前已在广州、上海、北京、天津将是必然趋势。目前已在广州、上海、北京、天津、重庆、深圳
22、、洛阳、常州、南京、厦门等城市建、重庆、深圳、洛阳、常州、南京、厦门等城市建立了城市立了城市GIS，并在城市规划与管理方面积累了不，并在城市规划与管理方面积累了不少经验。广州、中山、深圳已建成的城市规划少经验。广州、中山、深圳已建成的城市规划管管理自动化理自动化GIS，受到政府各部门干部群众和国内外，受到政府各部门干部群众和国内外专家的欢迎与好评。专家的欢迎与好评。24 数字城市数字城市主要包括：主要包括：城镇设施数字化：在统一标准与规范的基础上，实现城市城镇设施数字化：在统一标准与规范的基础上，实现城市基础设施、交通设施等数字化与分布式数据库管理；基础设施、交通设施等数字化与分布式数据库管理
23、；城镇网络化：包括三网连结城镇网络化：包括三网连结(电话网、有线电视网与电话网、有线电视网与Internet)，分布式数据库与互操作平台，数据共享平台等；，分布式数据库与互操作平台，数据共享平台等；城镇智能化：包括网上商务、网上金融、网上教育、网上城镇智能化：包括网上商务、网上金融、网上教育、网上医院、网上政务等；医院、网上政务等；数字城镇管理信息系统：包括数据组织与数据转换、数据数字城镇管理信息系统：包括数据组织与数据转换、数据库管理、决策模型管理、通讯网络系统及其管理、信息安全库管理、决策模型管理、通讯网络系统及其管理、信息安全保障机制等。保障机制等。25四、农业规划决策与生产管理四、农业
24、规划决策与生产管理 地球信息科学为农业服务，主要是发展农业信息技地球信息科学为农业服务，主要是发展农业信息技术或称术或称“信息农业信息农业”，包括农业信息采集与农业信，包括农业信息采集与农业信息网络化、农业生产智能化管理与计算机控制，即息网络化、农业生产智能化管理与计算机控制，即包括农业信息咨询和包括农业信息咨询和宏观宏观规划与决策，规划与决策，微观微观生产管生产管理与田间生产计算机控制两个层次。理与田间生产计算机控制两个层次。宏观管理服务主要为国家与省、县进行农业规划、宏观管理服务主要为国家与省、县进行农业规划、年度计划、生产布局年度计划、生产布局(播种面积、作物估产播种面积、作物估产)、产
25、前、产前产后服务计划产后服务计划(种子、化肥、农药等生产资料供应；种子、化肥、农药等生产资料供应；农产品市场需求、农产品收购、储运等信息农产品市场需求、农产品收购、储运等信息)、咨询、咨询与监督管理等。县以上农业管理部门均可以建立农与监督管理等。县以上农业管理部门均可以建立农业信息系统，实现农业信息网络化。业信息系统，实现农业信息网络化。27微观信息服务，主要指对精细农业的田间管理。微观信息服务，主要指对精细农业的田间管理。有条件的可建立精细农业管理信息系统，通过遥有条件的可建立精细农业管理信息系统，通过遥感手段获取土壤等信息，并通过机载遥感和空间感手段获取土壤等信息，并通过机载遥感和空间定位
26、系统，适时获得田间土壤、作物长势等信息，定位系统，适时获得田间土壤、作物长势等信息，根据这些信息做出播种、施肥、浇水、除草等的根据这些信息做出播种、施肥、浇水、除草等的决策计划与实施方案，再通过农业电子地图、决策计划与实施方案，再通过农业电子地图、GPS定位系统指挥农业机械定位系统指挥农业机械自动作业自动作业。28五、五、灾害预测灾害预测与灾情评估与灾情评估 我国是世界上自然灾害种类最多、受灾面积最大我国是世界上自然灾害种类最多、受灾面积最大、受灾人口最多的国家。平均每年受灾死亡人口、受灾人口最多的国家。平均每年受灾死亡人口12000多人，多人，20世纪世纪90年代平均每年经济损失年代平均每年
27、经济损失1000亿元以上。我国政府和科技工作者都非常重亿元以上。我国政府和科技工作者都非常重视减灾防灾工作，特别是近视减灾防灾工作，特别是近30年来，在中国大部年来，在中国大部分地区和各主要专业部门初步建立了自然灾害监分地区和各主要专业部门初步建立了自然灾害监测网络，气象、地震、洪涝、海洋、农业病虫害测网络，气象、地震、洪涝、海洋、农业病虫害、森林火灾等灾害监测网已经建立，其监测、预、森林火灾等灾害监测网已经建立，其监测、预报水平不断提高。报水平不断提高。29六、环境污染与六、环境污染与生态变化监测生态变化监测 利用遥感技术对大气、水体、土壤污染进行监测利用遥感技术对大气、水体、土壤污染进行监
28、测与分析已在国内进行一定试验，对土地利用的变与分析已在国内进行一定试验，对土地利用的变化、河流与海岸线的变化、荒漠化扩展、冰川消化、河流与海岸线的变化、荒漠化扩展、冰川消融也进行过一定分析和研究。例如，通过对不同融也进行过一定分析和研究。例如，通过对不同年份黄河卫星影像的对比，可清楚显示黄河河道年份黄河卫星影像的对比，可清楚显示黄河河道变化范围与轨迹。但这些监测与研究仍不够系统变化范围与轨迹。但这些监测与研究仍不够系统和深入。和深入。30七、全球变化监测与研究七、全球变化监测与研究 全球变化问题全球变化问题引起了世界各国的关注，提出多项研引起了世界各国的关注，提出多项研究计划，包括美国的地球观
29、测究计划，包括美国的地球观测(EOS)计划。中国承计划。中国承担了全球变化研究的部分项目。日本也提出一项担了全球变化研究的部分项目。日本也提出一项“全球地图全球地图(Global Map)计划，包括对全球环境的监计划，包括对全球环境的监测、评价和管理。在国际地圈测、评价和管理。在国际地圈生物圈计划中，有生物圈计划中，有两个支撑计划：全球变化的数据与信息系统两个支撑计划：全球变化的数据与信息系统(DIS)，全球变化的分析、研究和培训系统全球变化的分析、研究和培训系统(START)。31 中国有关部门正在研究制定和实施符合中国国情的中国有关部门正在研究制定和实施符合中国国情的全球环境变化遥感监测与研究的实施方案、技术方全球环境变化遥感监测与研究的实施方案、技术方法和工作流程。特别是将对中国及亚太地区生态环法和工作流程。特别是将对中国及亚太地区生态环境的变化，包括土地利用、植被覆盖、荒漠化、城境的变化，包括土地利用、植被覆盖、荒漠化、城市化、水域面积等的变化进行定期监测，提供信息市化、水域面积等的变化进行定期监测，提供信息服务。服务。八、在军事方面的应用（1）军事信息化（2）北斗星在军事方面的应用（3）信息战时代GPS技术构筑立体战争新体系（4）21世纪信息战
