地球空間信息學

地球空間信息學(Geo-Spatial Information Science——Geomatics)是以全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、遙感(RS)等空間信息技術為主要內容，並以計算機技術和通訊技術為主要技術支撐，用於採集、量測、分析、存儲、管理、顯示、傳播和應用與地球和空間分佈有關的數據的一門綜合和集成的信息科學和技術。

地球空間信息學是以“3S”技術為代表，包括通訊技術、計算機技術的新興學科。它是地球科學的一個前沿領域，是地球信息科學的重要組成部分，是數字地球的基礎。

將測量學、攝影測量學、遙感圖像處理、地圖製圖、土地信息系統以及計算機科學形成的地球空間信息學（Geo Information Science）。利用各種手段，通過一切途徑來獲取和管理有關空間基礎信息的空間數據部分的科學技術領域。

以全球定位系統(GPS)、航空航天遙感(RS)、地理信息系統科學，只能以地球的數學這種形式來為地球信息科學提供空間基礎數據。地球空間信息學是地球信息科學的組成部分。

隨著社會和經濟的迅速發展，人類活動引起的全球變化日益成為人們關注的焦點。從最近幾個世紀的歷史看，人類活動對生態環境的影響主要是向變壞的方向發展。隨著世界人口的急劇增加，造成資源的大量消耗、生態環境惡化也成為有目共睹的事實。地球及其環境是一個複雜的巨系統，為了解決上述問題，要求以整體的觀點認識地球。隨著人類社會步入信息時代，有關地球科學問題的研究需要以信息科學為基礎，並以現代信息技術為手段，建立地球信息的科學體系。地球空間信息科學，作為地球信息科學的一個重要分支學科，將為地球科學問題的研究提供數學基礎、空間信息框架和信息處理的技術方法。地球空間信息廣義上指各種空載、星載、車載和地面測地遙感技術所獲取的地球系統各圈層物質要素存在的空間分佈和時序變化及其相互作用的信息的總體。“地球空間信息科學”作為信息科學和地球科學的邊緣交叉學科，它與區域乃至全球變化研究緊密相連，是現代地球科學解決社會可持續發展問題的一個基礎性環節。空間定位技術、航空和航天遙感、地理信息系統和網際網路等現代信息技術的發展及其相互間的滲透，逐漸形成了地球空間信息的集成化技術系統。近二三十年來，這些現代空間信息技術的綜合應用有了飛速發展，使得人們能夠快速及時和連續不斷地獲得有關地球表層及其環境的大量幾何與物理信息，形成地球空間數據流和信息流，從而促成了“地球空間信息科學”的產生。地球空間信息科學不僅包含現代測繪科學的所有內容，而且體現了多學科的交叉與滲透，並特彆強調計算機技術的應用。地球空間信息科學不局限於數據的採集，而是強調對地球空間數據和信息從採集、處理、量測、分析、管理、存儲，到顯示和發布的全過程。這些特點標誌著測繪學科從單一學科走向多學科的交叉；從利用地面測量儀器進行局部地面數據的採集到利用各種星載、機載和艦載感測器實現對地球表面及其環境的幾何、物理等數據的採集；從單純提供靜態測量數據和資料到實時/准實時地提供隨時空變化的地球空間信息。將空間數據和其他專業數據進行綜合分析，其應用已擴展到與空間分佈有關的諸多方面，如：環境監測與分析、資源調查與開發、災害監測與評估、現代化農業、城市發展、智能交通等。推動地球空間信息科學發展的動力有兩個方面：一方面現代航天、計算機和通訊技術的飛速發展為地球空間信息科學的發展提供了強有力的技術支持；另一方面全球變化和社會可持續發展日益成為人們關注的焦點，而作為其主要支撐技術的地球空間信息科學必然成為優先發展的領域。表現為：地球空間信息科學理論框架逐步完善，技術體系初步建立，應用領域進一步擴大，產業部門逐步形成。

地球空間信息科學理論框架的核心是地球空間信息機理。地球空間信息機理作為形成地球空間信息科學的重要理論支撐，通過對地球圈層間信息傳輸過程與物理機制的研究，揭示地球幾何形態和空間分佈及變化規律。主要內容包括：地球空間信息的基準、標準、時空變化、認知、不確定性、解譯與反演、表達與可視化等基礎理論問題。

(1)地球空間信息基準。

地球空間信息基準包括幾何基準、物理基準和時間基準，是確定一切地球空間信息幾何形態和時空分佈的基礎。地球參考坐標系軸向對地球體的定向是基於地球自轉運動定義的，地球動力過程使地球自轉矢量以各種周期不斷變化；另外，作為參考框架的地面基準站又受到全球板塊和區域地殼運動的影響。因此，區域定位參考框架與全球參考框架的連接和區域地球動力學效應問題，是地球空間信息學和地球動力學交叉研究的基本問題。

(2)地球空間信息標準。地球空間信息具有定位特徵、定性特徵、關係特徵和時間特徵，它的獲取主要依賴於航空、航天遙感等手段。各種遙感儀器所感受的信號，取決於錯綜複雜的地球表面和大氣層對不同電磁波段的輻射與反射率。地球空間信息產業發展的前提是信息的標準化，它作為一種把地球空間信息的最新成果迅速地、強制性地轉化為生產力的重要手段，其標準化程度將決定以地球空間信息為基礎的信息產業的經濟效益和社會效益。主要包括：空間數據採集、存儲與交換格式標準、空間數據精度和質量標準、空間信息的分類與代碼、空間信息的安全、保密及技術服務標準等。(3)地球空間信息時空變化。地球及其環境是一個隨時空變化的巨系統，其特徵之一是在時間—空間尺度上演化和變化的不同現象，時空尺度的跨度可能有十幾個數量級。地球空間信息的時空變化理論，一方面從地球空間信息機理入手，揭示和掌握地球空間信息的時空變化特徵和規律，並加以形式化描述，形成規範化的理論基礎，使地球科學由空間特徵的靜態描述有效地轉向對過程的多維動態描述和監測分析；另一方面，針對不同的地學問題，進行時間優化與空間尺度的組合，以解決諸如不同尺度下信息的銜接、共享、融合和變化檢測等問題。(4)地球空間信息認知。地球空間信息以地球空間中各個相互聯繫、相互制約的元素為載體，在結構上具有圈層性，各元素之間的空間位置、空間形態、空間組織、空間層次、空間排列、空間格局、空間聯繫以及制約關係等均具可識別性。通過靜態上的形態分析、發生上的成因分析、動態上的過程分析、演化上的力學分析以及時序上的模擬分析來闡釋與推演地球形態，以達到對地球空間的客觀認知。(5)地球空間信息不確定性。由於地球空間信息是在對地理現象的觀測、量測基礎上的抽象和近似描述，因此存在不確定性，且它們可能隨時間發生變化，這使得地球空間信息的管理非常複雜、困難。同時，這些差異會對信息的處理、分析結果產生影響。地球空間信息的不確定性包括：類型的不確定性、空間位置的不確定性、空間關係的不確定性、時域的不確定性、邏輯上的不一致性和數據的不完整性。(6)地球空間信息解譯與反演。通過對地球空間信息的定性解譯和定量反演，揭示和展現地球系統現今狀態和時空變化規律。從現象到本質回答地球科學面臨的資源、環境和災害等諸多重大科學問題是地球空間信息科學的最終科學目標。地球空間信息的解譯與反演是涉及範圍廣泛的地球學科。(7)地球空間信息的表達與可視化。由於計算機中的地球空間數據和信息均以數字形式存儲，為了使人們更好地了解和利用這些信息，需要研究地球空間信息的表達與可視化技術方法。主要涉及到空間資料庫的多尺度（多比例尺）表示、數字地圖自動綜合、圖形可視化、動態模擬和虛擬現實等。技術體系地球空間信息科學的技術體系是指貫穿地球空間信息採集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的一系列技術方法所構成的一組完整的技術方法的總和。它是實現地球空間信息從採集到應用的技術保證，並能在自動化、時效性、詳細程度、可靠性等方面滿足人們的需要。地球空間信息科學的技術體系是地球空間信息科學的重要組成部分，它的建立依賴於地球空間信息科學基礎理論及其相關科學技術的發展，包括以下幾個大的方面：

(1)空間定位(GPS)技術。GPS作為一種全新的現代定位方法，已逐漸在越來越多的領域取代了常規光學和電子儀器。80年代以來，尤其是90年代以來，GPS衛星定位和導航技術與現代通信技術相結合，在空間定位技術方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標的方法將測繪定位技術從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態擴展到動態，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事後處理擴展到實時(准實時)定位與導航，絕對和相對精度擴展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬了它的應用範圍和在各行各業中的作用。(2)航空航天遙感(RS)技術。當代遙感的發展主要表現在它的多感測器、高解析度和多時相特徵。國外已有或正研製地面解析度為1～3m的航天遙感系統，俄羅斯也將原軍方保密的解析度為2m的間諜衛星影像公開出售。在影像處理技術方面，開始嘗試智能化專家系統。遙感信息的應用分析已從單一遙感資料向多時相、多數據源的複合分析過渡，從靜態分析向動態監測過渡，從對資源與環境的定性調查向計算機輔助的定量自動製圖過渡，從對各種現象的表面描述向軟體分析和計量探索過渡。近年來，由於航空遙感具有的快速機動性和高解析度的顯著特點使之成為遙感發展的重要方面。(3)地理信息系統(GIS)技術。隨著“數字地球”這一概念的提出和人們對它的認識的不斷加深，從二維向多維動態以及網路方向發展是地理信息系統發展的主要方向，也是地理信息系統理論發展和諸多領域的迫切需要，如資源、環境、城市等。在技術發展方面，一個發展是基於Client/Server結構，即用戶可在其終端上調用在伺服器上的數據和程序；另一個發展是通過網際網路路發展Internet GIS或Web-GIS，可以實現遠程尋找所需要的各種地理空間數據，包括圖形和圖像，而且可以進行各種地理空間分析，這種發展是通過現代通訊技術使GIS進一步與信息高速公路相接軌。(4)數據通訊技術。數據通訊技術是現代信息技術發展的重要基礎。地球空間信息技術的發展在很大程度上依賴於數據通訊技術的發展，在GPS、GIS和RS技術發展過程中，高速度、大容量、高可靠性的數據通訊是必不可少的。目前在世界範圍內通訊技術正處於發展階段，特別是寬頻通訊、多媒體通訊、衛星通訊等新技術的應用以及迅速增長的需求，為數據通訊技術的發展創造了良好的外部環境。