地理信息科学理论与技术课件.ppt

1、 地理学是研究地理环境的科学。地理环境可以划分为：自然环境、经济环境和社会文化环境。按照研究的对象，地理学的分类： 自然地理学、人文地理学、系统地理学、区域地理学、历史地理学和应用地理学。 自然地理学研究自然环境或其组成要素的特征、分异、及其变化发展的规律。 人文地理学研究人-地关系的规律性。 系统地理学研究地理环境或人-地关系的整体或某一地理要素的结构、分布及其发展变化的规律性。地理信息科学是信息社会的地理学思想，地理计算或地理信息处理，强调使用计算机完成地理数值模拟和地学符号推理，辅助人类完成地理空间决策。地理科学是研究地理信息的出发点,也是地理信息研究的归宿。地理信息科学是面向地理空间数

2、据处理的信息科学分支,从信息科学概念出发,地理信息科学的定义为地理信息的收集、加工、存储、传输和利用的科学。 （3）地理信息是人类对地理空间的认知，地理信息科学是人们直接或间接地(借助计算机等)认识地理空间后形成的知识体系。 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的过程中逐步完善形成了地理信息科学技术体系。 地理信息科学是一门从信息流的角度，研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其时空变化规律的科学。9.149.219.28Q10.12地理信息科学理论体系和应用领域地理信息科学中的信息10.1910.2611.9n地理信息本体论在总体上继承了科学哲学中的自然观的思路，反

3、映地理信息的特征、本质、信息机理、功能等同时又在认识论和方法论的指导下阐述了地理信息的认识论和方法论本质。n地理信息科学方法是以系统论、信息化、控制论、耗散结构论、协同论、超循环理论、分形与混沌理论、虚拟现实等信息系统科学理论为指导，在以地理信息为对象的研究活动中总结出来的信息系统整体思维方式。n它体现了4个方面的整合：（1）即在研究对象及其联系上，实现了地理单元个体、地理系统连续整体、信息系统整体之间的共生、相互转化、嵌套与整合；（2）在地理本体和媒体中介上，实现了地理对象之间的质量、能量和信息的共生、相互转化和整合；（3）在地理历时性变化上，实现了量变、质变和序变等几种变化态的共生、相互转

4、化和整合：（4）在地理共时联系上，实现单一地理对象和现象、多样化的地理对象和现象、多样统一的地理对象和现象共存、相互转化、嵌套与整合。n把地理信息的科学方法分为“图形-图像思维方法”、“数学模型方法”、“地学信息图谱方法”、“智能分析与计算方法”、“模拟和仿真方法”、“综合集成方法”6类。n它们分别对应于地理信息科学中的特有的地图、图形图表和遥感图像的识别与思维，结构化问题的数学模型建模与分析方法。中国科学家独创的形一数一理一体化的图谱方法。非结构化问题的知识推理与计算方法，以及数值模拟、虚拟仿真，各种方法的集成等研究方法。n图形-图像思维方法又分为一般图形图像思维方法、地图思维方法和遥感图像

5、思维方法3个子方法；n数学模型方法则分为空间分布与格局、地理空间过程、地理时空演化、空间优化和决策4个数学模型子方法；n地学信息图谱方法包括地理形态和空间格局图谱、地理过程信息图谱、地理行为信息图谱、综合地学信息图谱4个子方法；n智能分析与计算方法又分为地理知识推理、地理空间决策、地理知识发现和挖掘、神经网络空间分析4个子方法；n模拟和仿真方法则包括地理信息模拟、地理信息仿真和地理信息虚拟现实3个子方法；n综合集成方法包括还原与整体集成、定性与定量集成、归纳与演绎集成、逻辑思维与非逻辑思维集成、复杂性科学集成5个子方法。n地理信息技术方法分为“地理信息采集和监测技术”、“地理信息管理技术”、“

6、地理信息处理、分析和模拟技术”、“地理信息表达技术”、“地理信息服务技术”、“地理信息网格技术”、“地理信息5S集成技术”7类。n它们分别对应于地理信息科学领域内的信息获取与动态监测、信息管理、表达、服务、网格计算与服务、多种技术系统集成等技术方法。n地理信息采集和监测技术方法包括基于GPS的精确空间定位和信息获取、基于遥感的地理对象动态监测、对地观测、陆地和海洋定点监测、社会经济数据采集和统计5种子方法；n地理信息管理技术方法分为地理对象时空数据模型、地理对象的数据库管理、海基地理数据的分布式管理3种子方法；n地理信息处理、分析和模拟技术方法则包括地理信息处理、基于位置的空间定位(LBS)、

7、地理时空分析建模、地理信息智能分析和计算、虚拟地理环境5种子方法；n地理信息表达技术方法则由地图表达、地图及数据库概括和派生、地理信息多维动态可视化、地理信息研究成果展示4种子方法组成；n地理信息服务技术方法分为地理数据服务、地理信息和知识服务、地图服务、地理空间辅助决策服务4种子方法；n地理信息网格技术又分为地理信息网格计算、网格资源定位绑定和调度、空间信息网格在线分析处理、智能化信息网格共享与服务4种子方法；n地理信息5S集成技术方法包括多源空间数据集成、跨平台的系统集成、应用模型与GIS系统的集成、基于分布式计算的集成、GISRSGPS-DSSMIS集成5种子方法。地理信息人机交互服务地

8、理模型/信息管理服务地理工作流/任务管理服务地理信息处理服务地理信息处理服务空间处理地理信息处理服务专题处理地理信息处理服务时间处理地理信息处理服务元数据处理地理信息通讯服务地理信息系统管理服务服务的分类：社会服务地理信息平台基础地理信息平台政务地理信息平台社会服务地理信息平台基础平台政 务地理信息平台服务范围及用户量社会服务地理信息平台基础地理信息平台政务地理信息平台三大平台建设2 2社会服务地理信息平台基础地理信息平台政务地理信息平台2 2 地理空间资源层地理空间资源层资源访问协议资源访问协议、接口接口标准服务协议标准服务协议、接口接口地理空间服务层地理空间服务层注注册册服服务务服务质量服

9、务质量知识服务知识服务组合服务组合服务智能搜索服务智能搜索服务地理空间应用层地理空间应用层可视化环境可视化环境应用工具应用工具传感器服务传感器服务数据服务数据服务分发服务分发服务处理服务处理服务可视化服务可视化服务应用开发环境应用开发环境数据资源数据资源存储资源存储资源网络资源网络资源计算资源计算资源传感器资源传感器资源地地理理空空间间信信息息与与服服务务标标准准体体系系地地理理空空间间信信息息安安全全体体系系横向互联，纵向贯通地理空间服务网络的逻辑流程地理空间服务网络的逻辑流程用户需求用户需求( (数据、信息、知识数据、信息、知识) )空间数据资源空间数据资源处理资源处理资源数据注册数据注册

10、数据获取服务数据获取服务组合服务组合服务传感器资源传感器资源注册服注册服务中心务中心知识发现服务知识发现服务处理服务处理服务传感器规划服务传感器规划服务传感器注册传感器注册地学知识资源地学知识资源处理注册处理注册计算资源计算资源网络资源网络资源存储资源存储资源知识注册知识注册可可视视化化服服务务服服务务质质量量评评价价空间信息资源空间信息资源空间信息注册空间信息注册联邦式联邦式完全复制式完全复制式收割式收割式实现方案实现方案IBMAribaMicrosoftotherotherUDDI. orgqueriesCSW客户端OGC/CSWCSW数据库CSW服务器CSW客户端CSW 请求 响应Har

11、vest 请求响应远程本地收割时间触发注册-发现-绑定的SOA思想最新的技术帮助实现服务的访问最新的技术帮助实现服务的访问 ArcGIS API for JavaScript ArcGIS JavaScript Ext. for the Google Maps API ArcGIS JavaScript Ext. for Microsoft Virtual Earth ArcGIS API for Flex ArcGIS API for SilverLight(9.3.1)nArcGIS Server ADFs .NET ADF Java ADF ArcGIS Server开发方式一个洪水淹没

12、的计算实例服务链建立服务链建立服务链运行服务链运行服务查询服务查询服务注册服务注册运行结果运行结果将一个已经设计好的处理服务模块1在网络上注册服务服务1 1注册注册服务服务2 2注册注册将一个已经设计好的处理服务模块2在网络上注册服务查询服务查询在注册服务中心查询得到处理服务的软件模块根据项目要求和已有处理模块建立抽象服务链服务链建立服务链建立服务链运行服务链运行将抽象服务链映射成BPEL执行服务链计算机根据服务链自动计算得到的结果运行结果运行结果而如今而如今 已缓存（静态）的地图已缓存（静态）的地图 超快超快 漂亮漂亮1010年前年前 WebWeb上都是动态绘制地图上都是动态绘制地图 绘制缓

13、慢绘制缓慢 制图美观差制图美观差数据瓦片的编码数据瓦片的编码四叉树索引四叉树索引 文件系统文件系统Oracle栅格地图、栅格地图、DEM 、影像数据的检索与调度、影像数据的检索与调度其他系统其他系统Oracle Spatial服务器服务器客户端客户端本机文件缓存系统本机文件缓存系统 尺度问题在地理学、生态学和水文科学等众多领域都具有非常重要的地位。 解决地理数据的尺度转换问题成为目前地理信息科学及相关研究中的热点和难点问题之一。 在地理信息科学领域，“尺度转换”和“最适合尺度选择”问题一直是研究人员关注的热点问题；由于地理信息科学对计算单元的严格要求，Goodchild认为尺度是地理信息科学中

14、最重要的问题，甚至提出“尺度科学”的概念。在自然灾害灾情空问预报、环境流行病学以及土地利用与土地覆被变化等众多人文与自然综合研究的领域，由于数据来源的不同，尤其是这些数据依附的空间单元尺度的不同，使得数据融合成为难题。n尺度指的是经历时间的长短或在空间上涵盖范围的大小，即通常所指尺度有时间和空间两方面的含义。Thompson早在1917年就指出，“尺度的影响，不仅仅是尺度本身，而是与其周围的环境紧密联系”。 尺度转换是将数据或信息从一个尺度转换到另一个尺度的过程，可以是向上尺度转换，也可以是向下尺度转换。 可以这样定义上述的两种尺度转换： 从较小尺度观测结果获得较大尺度信息的向上尺度转换过程称

15、为尺度扩展； 从大尺度上的信息分解到更小的尺度向下尺度转换的过程称为尺度收缩。n尺度问题是目前地图学研究中难点和热点问题之一。制图综合是其中非常重要的一个焦点问题。n毋河海教授在讨论地图综合的基础理论问题和技术方法问题时，认为地图综合过程的综合算子可以归为两类：信息变换类和图形再现类。n陈军教授讨论了应用Voronoi图理论改善空问地图数据概括问题，认为Voronoi图在制图综合中应用大致可归纳为：基于凸壳的综合、基于骨架线的综合、基于邻域的综合等三个方面。n由于数字地图综合问题未能取得突破性进展，有学者指出解决多重表达和协同更新问题是目前解决地理空间框架数据的多尺度问题的重要手段。n多比例尺

16、问题是地图学研究中和尺度有关的另外一个重要领域。多比例尺问题即无级比例尺空间数据压缩与复现。n对于矢量数据多比例尺的数据组织与表示方法主要有三种： （1）建立同一数据库的多个比例尺版本； （2）用面向对象方法、语义数据模型等技术来支持空间数据的多级表达； （3）通过地图自动综合来自动生成同一数据库的多个版本。n尹连旺等根据地理要素的空间属性特征和重要程度，提出了复合指数开方根模型，试图解决不同地理环境条件、不同地物要素信息综合的问题。n李德仁院士等提出以空间信息多级网格为基础的解决全球地理信息多尺度表示和数据组织问题的新思想。 遥感图像处理研究中，尺度问题同样非常重要。遥感中的尺度问题主要体现

17、在三个方面： （1）遥感信息和遥感模型的尺度效应问题； （2）选取合适空间分辨率的遥感数据； （3）遥感信息的尺度转换问题。nWoodcock和Strahlerts，研究了尺度因子与遥感分类精度的关系，推动了遥感信息的尺度效应问题研究；n在遥感信息的尺度转换方法研究中，Xia认为傅立叶变换(fourier transform)、变异函数 (variograms)、小波理论和分形理论是主要的描述和处理尺度变换的方法，并详细介绍了分形理论在尺度转换的应用。其后，分形理论在遥感图像尺度转换中的研究不断深入。n20世纪80年代发展起来的小波理论和方法和基于粗神经网络的多传感器数据融合也在遥感数据的尺度

18、研究领域也表现出一定的优势。n地理信息科学中，社会经济数据和自然环境数据常常具有不同的地理单元，即“可变更面元”问题(MAUP)。n处理此问题的根本即空间单元转换问题。可以描述为“地理空间单元间属性数据的转换过程”。MAUP可以理解为“由于对连续的地理现象的空间单元的人为划分，并在此基础上产生的人为的空间格局。nMAUP主要研究聚集(aggregation)，而对于拆分(disaggregation)研究较少。聚集主要解决属性数据从小区域向大区域转换问题，与前述尺度扩展（upscaling)含义相同。拆分则指从较大区域向较小区域的数据转换，与前述尺度收缩(downscaling)对应，或是不同边界区域间数据转换。n在地理数据属性特征的尺度转换研究领域，地理信息科学研究者提出的面域插值方法是解决此问题的主要方法之一。同时，在社会经济科学领域，“小区域统计学”也发展了一套相关的理论和方法，试图解决统计单元的变更问题。小区域统计学(Small Area Statistics)以居民地为例