1、第二章3S技術(shù)與地球信息科學第二章3S技術(shù)與地球信息科學2內(nèi)容提要第一節(jié)地球信息科學的誕生第二節(jié)地球信息科學的應(yīng)用2內(nèi)容提要第一節(jié)地球信息科學的誕生3第一節(jié) 地球信息科學的誕生一、地球信息科學產(chǎn)生的背景1、地球信息科學是地球系統(tǒng)科學發(fā)展的客觀需求，地球系統(tǒng)科學為地球信息科學奠定了科學基礎(chǔ)。地球科學:研究地球及其各圈層起源、演化、結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律。其發(fā)展已有幾百年的歷史。由于20世紀人類對地球環(huán)境影響的加深，產(chǎn)生了環(huán)境污染、溫室效應(yīng)、氣候異常、植被破壞、土地荒漠化等一系列重大而緊迫的全球環(huán)境問題。這些問題涉及地球各部分的相互作用。3第一節(jié) 地球信息科學的誕生因此，20世紀80年代國際地學界提

2、出了地球系統(tǒng)科學的概念，將大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈、智慧圈作為地球系統(tǒng)，強調(diào)研究發(fā)生在該系統(tǒng)中主導全球變化相互作用的物理、化學和生物學過程，特別是人類活動誘發(fā)的全球變化，其目的是揭示全球變化的規(guī)律，提高人類認識和預(yù)測全球變化的能力。 因此，20世紀80年代國際地學界提出了地球系統(tǒng)科學的概念，將空間技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感(RS)的對地觀測為地球系統(tǒng)科學的研究提供了重要手段。地球系統(tǒng)科學所提出的研究途徑包括四個步驟：觀測數(shù)據(jù)的采集；觀測資料的分析和解釋；概念和數(shù)值模式的建立；模式的驗證，并以此作變化趨勢的預(yù)測。核心是建立：地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫地球信息系統(tǒng)空間技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，特

3、別是衛(wèi)星遙感(RS)的對地觀測6 2. 現(xiàn)代信息技術(shù)、空間技術(shù)和3S技術(shù)的發(fā)展與集成，為地球信息科學奠定了技術(shù)基礎(chǔ)第二次信息革命：20世紀70年代以后，以微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、空間技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)字通訊技術(shù)相結(jié)合，使人類全面進入信息時代。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是這次革命的標志。 信息技術(shù)和空間技術(shù)不僅推動了地球科學和地球系統(tǒng)科學的前進，而且極大地推動了3S技術(shù)的發(fā)展。6 2. 現(xiàn)代信息技術(shù)、空間技術(shù)和3S技術(shù)的發(fā)展與集成，為地7GPS從根本上改變了空間定位的傳統(tǒng)方法，不僅能適時快速定位，而且能夠測定三維坐標與動態(tài)坐標，精度達到米級和厘米級，為測繪、RS、GIS的快速定位創(chuàng)造了條件，而且與電子地圖相結(jié)

4、合，在飛機、艦船與車輛的導航系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。7GPS從根本上改變了空間定位的傳統(tǒng)方法，不僅能適時快速定位RS技術(shù)已發(fā)展到多平臺、多光譜與高光譜、多頻率雷達、全天候、高分辨率(高空間分辨率與高光譜分辨率)的多源信息流與多維時空動態(tài)分析。俄羅斯COSMOS衛(wèi)星SPIN-2影像(2米分辨率)早于20世紀80年代覆蓋全球很大范圍，其中10米分辨率影像可測繪1：5萬地形圖。 RS技術(shù)已發(fā)展到多平臺、多光譜與高光譜、多頻率雷達、全天候、9RS為地圖編制適時提供多種類、多時相、大范圍極其豐富的信息來源，為提高地圖質(zhì)量、加快成圖速度、擴大制圖范圍提供了條件。GIS是在計算機地圖制圖基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它為地圖

5、深層次開發(fā)，編制與應(yīng)用綜合評價地圖、動態(tài)變化地圖、三維立體地圖、預(yù)測預(yù)報地圖與規(guī)劃決策地圖提供方法與技術(shù)的支撐。9RS為地圖編制適時提供多種類、多時相、大范圍極其豐富的信息10GIS作為獲取、存儲、模擬、處理、檢索、分析與顯示地理空間信息的綜合技術(shù)系統(tǒng)，成為多層次、多功能的區(qū)域綜合與空間分析的工具，已廣泛應(yīng)用于各個部門與各個領(lǐng)域。已形成包括硬件設(shè)施、軟件開發(fā)與信息服務(wù)在內(nèi)的、具有相當規(guī)模的地理信息產(chǎn)業(yè)。10GIS作為獲取、存儲、模擬、處理、檢索、分析與顯示地理空11GPS、RS、GIS與地圖學有著共同的應(yīng)用范圍，在應(yīng)用中各自發(fā)揮本身的特點和優(yōu)勢并且四者相互結(jié)合與綜合集成。這種結(jié)合與集成，不僅有

6、利于各自的發(fā)展，而且促進了更高層次的地球信息科學的誕生，并為地球信息科學奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。11GPS、RS、GIS與地圖學有著共同的應(yīng)用范圍，在應(yīng)用中123. 全球變化與人類所面臨的資源、環(huán)境等全球性問題及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展促進了地球信息科學的建立和發(fā)展（需求）全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，以及人類社會所面臨的資源短缺、環(huán)境惡化、災(zāi)害頻繁等緊迫問題，都要求研究和揭示地球表層動態(tài)機制與全球氣候、環(huán)境變化規(guī)律，揭示人與自然的相互關(guān)系，并尋求人口、資源、環(huán)境與發(fā)展相互協(xié)調(diào)的途徑。而這些問題的解決涉及物質(zhì)流、能量流與信息流之間的相互關(guān)系，尤其是信息流對物質(zhì)流、能量流的調(diào)控作用，這種客觀的需求，也是促進地球信息科

7、學誕生的背景之一。 123. 全球變化與人類所面臨的資源、環(huán)境等全球性問題及區(qū)域13二、地球信息科學的誕生 雖然20世紀70年代以來，GPS、RS、GIS都在高新技術(shù)基礎(chǔ)上獲得了迅速發(fā)展，并各自發(fā)揮著重要作用。但是地球系統(tǒng)科學、全球變化和人地關(guān)系的深入研究，以及為解決經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策、環(huán)境治理、防災(zāi)減災(zāi)等實際問題，都必須要地球科學和地球系統(tǒng)科學同空間定位的GPS、獲取信息的 RS、處理信息的GIS和圖形表達的地圖學相結(jié)合，形成綜合集成的科學技術(shù)體系。 /v_show/id_XOTgwODY3ODA=.html 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,

8、12, 1313二、地球信息科學的誕生141990年加拿大克靈頓大學在著名地圖學與GIS專家、國際地圖學協(xié)會前主席泰勒教授主持下建立了地球信息科學(Geoinformatics)中心。20世紀90年代初加拿大將獲取、管理、分析空間與地理信息的各學科(地質(zhì)、測繪、RS、地圖學、GIS等)有機地結(jié)合起來統(tǒng)稱地球信息科學(Geomatics)，為資源管理、基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)和環(huán)境監(jiān)測提供技術(shù)保證和支撐條件，并且成立了包括政府部門、科研單位、高等院校和私人公司在內(nèi)的地球信息科學協(xié)會。141990年加拿大克靈頓大學在著名地圖學與GIS專家、國際加拿大、俄羅斯、捷克、澳大利亞、日本等國將測量與地圖學系或?qū)I(yè)也改

9、名為Geo-informatics系和專業(yè)。加拿大、德國、英國等國家還出版了Geomatics或Geoinformatics或Geoinformation Science學術(shù)期刊，并多次召開了地球信息科學為主題的國際學術(shù)會議，例如1994年3月和1995年5月在香港召開了Geoinformatics國際會議。由此，一門新興學科地球信息科學在國際上迅速興起。 加拿大、俄羅斯、捷克、澳大利亞、日本等國將測量與地圖學系或?qū)?6三、地球信息科學與數(shù)字地球的結(jié)合1998年美國時任副總統(tǒng)戈爾提出的“數(shù)字地球?qū)?l世紀人類星球的理解”的報告，引起了世界各國的關(guān)注。戈爾提出：“我們需要一個數(shù)字地球，一個多種分

10、辨率、三維表達的地球，可以在其上添加許多與我們所處的星球有關(guān)的地學數(shù)據(jù)”，“可以把關(guān)于我們社會和人類星球的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可理解的信息。這種數(shù)據(jù)不僅包括地球的高分辨率衛(wèi)星影像、數(shù)字地圖，也包括經(jīng)濟社會和人口的信息”。16三、地球信息科學與數(shù)字地球的結(jié)合17經(jīng)濟與科技的全球化發(fā)展趨勢，全球資源短缺與環(huán)境惡化，全球可持續(xù)發(fā)展的共同愿望正成為“數(shù)字地球”發(fā)展的強大動力。空間科學技術(shù)與信息科學技術(shù)的飛速發(fā)展，又為“數(shù)字地球”的發(fā)展準備了良好的技術(shù)條件。我國政府和科技界正積極推進國家信息化和國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，我國政府有關(guān)部門已研究和制定“數(shù)字中國”的發(fā)展戰(zhàn)略與措施，推進“數(shù)字地球”的發(fā)展。17經(jīng)濟與

11、科技的全球化發(fā)展趨勢，全球資源短缺與環(huán)境惡化，全球18 中國各省、市對數(shù)字地球戰(zhàn)略也都非常重視，現(xiàn)已有近20個省區(qū)建立了“數(shù)字省區(qū)”，近200個大、中城市及長江、黃河等大河流域都提出并正在實施“數(shù)字省區(qū)”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字流域”、“數(shù)字社區(qū)”的宏偉計劃，各項空間信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電子政務(wù)、電子商務(wù)，以及在各部門的應(yīng)用均已取得較大進展和明顯成效。其中“數(shù)字福建”已經(jīng)建成，“數(shù)字北京”在建設(shè)過程中就開始發(fā)揮了重要作用。18 中國各省、市對數(shù)字地球戰(zhàn)略也都非常重視，現(xiàn)已有近20個19地球信息科學為數(shù)字地球戰(zhàn)略的發(fā)展提供了理論、方法與技術(shù)的支持。反過來數(shù)字地球戰(zhàn)略又為地球信息科學的發(fā)展提供了新的機

12、遇，對地球信息科學的發(fā)展起著重要的促進作用。19地球信息科學為數(shù)字地球戰(zhàn)略的發(fā)展提供了理論、方法與技術(shù)的20第二節(jié) 地球信息科學的應(yīng)用21世紀是信息化和知識經(jīng)濟的世紀(Knowledge Economy是指建立在知識和信息的生產(chǎn)、分配和使用之上的經(jīng)濟) ，無疑地球信息科學必將得到進一步發(fā)展，將成為地球科學更完善的科學技術(shù)支撐體系。地球信息科學應(yīng)用非常廣泛。20第二節(jié) 地球信息科學的應(yīng)用21一、資源清查與管理 在勘測、調(diào)查各類資源的基礎(chǔ)上，利用RS技術(shù)可分別建立礦產(chǎn)、土地、水、生物等各類資源數(shù)據(jù)庫及其相應(yīng)的GIS，將為資源的合理開發(fā)利用與合理調(diào)配提供科學依據(jù)，并實現(xiàn)對資源的數(shù)字化、現(xiàn)代化科學管理

13、。國土資源輔助管理 21一、資源清查與管理 22二、經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策與管理在21世紀的信息社會與知識經(jīng)濟時代，對經(jīng)濟與社會的管理必須科學化與現(xiàn)代化，因此有必要逐步建立國家、省、縣三級經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃決策管理信息系統(tǒng)。應(yīng)根據(jù)各地區(qū)資源、人口、環(huán)境的特點和經(jīng)濟、社會基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫與各具特色的指標體系，為協(xié)調(diào)人地關(guān)系和經(jīng)濟與社會發(fā)展規(guī)劃決策提供科學依據(jù)，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化科學管理。22二、經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策與管理23 三、城市規(guī)劃與現(xiàn)代化管理21世紀我國城市必將進一步迅速發(fā)展，隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)與管理的加強，各大中城市建立城市GIS將是必然趨勢。目前已在廣州、上

14、海、北京、天津、重慶、深圳、洛陽、常州、南京、廈門等城市建立了城市GIS，并在城市規(guī)劃與管理方面積累了不少經(jīng)驗。廣州、中山、深圳已建成的城市規(guī)劃管理自動化GIS，受到政府各部門干部群眾和國內(nèi)外專家的歡迎與好評。23 三、城市規(guī)劃與現(xiàn)代化管理24數(shù)字城市主要包括：城鎮(zhèn)設(shè)施數(shù)字化：在統(tǒng)一標準與規(guī)范的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施、交通設(shè)施等數(shù)字化與分布式數(shù)據(jù)庫管理；城鎮(zhèn)網(wǎng)絡(luò)化：包括三網(wǎng)連結(jié)(電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)與Internet)，分布式數(shù)據(jù)庫與互操作平臺，數(shù)據(jù)共享平臺等；城鎮(zhèn)智能化：包括網(wǎng)上商務(wù)、網(wǎng)上金融、網(wǎng)上教育、網(wǎng)上醫(yī)院、網(wǎng)上政務(wù)等；數(shù)字城鎮(zhèn)管理信息系統(tǒng)：包括數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫管理、決策模型

15、管理、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其管理、信息安全保障機制等。24數(shù)字城市主要包括：25四、農(nóng)業(yè)規(guī)劃決策與生產(chǎn)管理地球信息科學為農(nóng)業(yè)服務(wù)，主要是發(fā)展農(nóng)業(yè)信息技術(shù)或稱“信息農(nóng)業(yè)”，包括農(nóng)業(yè)信息采集與農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化管理與計算機控制，即包括農(nóng)業(yè)信息咨詢和宏觀規(guī)劃與決策，微觀生產(chǎn)管理與田間生產(chǎn)計算機控制兩個層次。25四、農(nóng)業(yè)規(guī)劃決策與生產(chǎn)管理宏觀管理服務(wù)主要為國家與省、縣進行農(nóng)業(yè)規(guī)劃、年度計劃、生產(chǎn)布局(播種面積、作物估產(chǎn))、產(chǎn)前產(chǎn)后服務(wù)計劃(種子、化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料供應(yīng)；農(nóng)產(chǎn)品市場需求、農(nóng)產(chǎn)品收購、儲運等信息)、咨詢與監(jiān)督管理等。縣以上農(nóng)業(yè)管理部門均可以建立農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)化。宏觀

16、管理服務(wù)主要為國家與省、縣進行農(nóng)業(yè)規(guī)劃、年度計劃、生產(chǎn)布27微觀信息服務(wù)，主要指對精細農(nóng)業(yè)的田間管理。有條件的可建立精細農(nóng)業(yè)管理信息系統(tǒng)，通過遙感手段獲取土壤等信息，并通過機載遙感和空間定位系統(tǒng)，適時獲得田間土壤、作物長勢等信息，根據(jù)這些信息做出播種、施肥、澆水、除草等的決策計劃與實施方案，再通過農(nóng)業(yè)電子地圖、GPS定位系統(tǒng)指揮農(nóng)業(yè)機械自動作業(yè)。27微觀信息服務(wù)，主要指對精細農(nóng)業(yè)的田間管理。有條件的可建立28五、災(zāi)害預(yù)測與災(zāi)情評估我國是世界上自然災(zāi)害種類最多、受災(zāi)面積最大、受災(zāi)人口最多的國家。平均每年受災(zāi)死亡人口12000多人，20世紀90年代平均每年經(jīng)濟損失1000億元以上。我國政府和科技工

17、作者都非常重視減災(zāi)防災(zāi)工作，特別是近30年來，在中國大部分地區(qū)和各主要專業(yè)部門初步建立了自然災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，氣象、地震、洪澇、海洋、農(nóng)業(yè)病蟲害、森林火災(zāi)等災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)已經(jīng)建立，其監(jiān)測、預(yù)報水平不斷提高。28五、災(zāi)害預(yù)測與災(zāi)情評估29六、環(huán)境污染與生態(tài)變化監(jiān)測利用遙感技術(shù)對大氣、水體、土壤污染進行監(jiān)測與分析已在國內(nèi)進行一定試驗，對土地利用的變化、河流與海岸線的變化、荒漠化擴展、冰川消融也進行過一定分析和研究。例如，通過對不同年份黃河衛(wèi)星影像的對比，可清楚顯示黃河河道變化范圍與軌跡。但這些監(jiān)測與研究仍不夠系統(tǒng)和深入。29六、環(huán)境污染與生態(tài)變化監(jiān)測30七、全球變化監(jiān)測與研究全球變化問題引起了世界各國的關(guān)注，提出多項研究計劃，包括美國的地球觀測(EOS)計劃。中國承擔了全球變化研究的部分項目。日本也提出一項“全球地圖(Global Map)計劃，包括對全球環(huán)境的監(jiān)測、評價和管理。在國際地圈生物圈計劃中，有兩個支撐計劃