第1章 地球信息科学的产生及发展

第一章地球信息科学的产生与发展地球信息科学引论授课人：张喜旺TheCollegeofEnvironmentandPlanningofHenanUniversity河南大学环境与规划学院E-mail：zxiwang@163.com主要内容1地球信息科学的形成基础2地球信息科学的形成和发展历程学科基础技术基础社会需求基础萌芽阶段形成阶段发展阶段

1地球信息科学的形成基础地球信息科学是在信息时代的召唤下，经过许多学科的交叉、渗透和融合以及现代技术的高度集成而形成的，具有坚实的学科基础和技术基础以及鲜明的时代背景。

1地球信息科学的形成基础1.1学科基础地图学地球科学信息科学系统科学……地球信息科学地球信息科学是地球科学的分支学科，脱胎于地图学，形成与众多学科的交叉领域。

1.1学科基础（1）地图学地图学是一门古老的学科，主要研究用图像或符号的形式表示地球空间信息的方法和技术以及这种信息的传播和转换的规律。

另外，地图是地球科学的第二语言，具有公式化、抽象化、符号化等基本性质和形象直观性、地理方位性、几何精确性等基本特点，以及信息传输、信息载负、地图模拟、地图认知等基本功能，这些都与地球信息科学的主要技术——GIS的部分特点和功能相一致。地图随着时代的变化在不断变换。

1.1学科基础（1）地图学原始地图古代地图近代地图

1.1学科基础（1）地图学现代地图

1.1学科基础（1）地图学地图制图地图测绘与地图编制全数字化计算机制图地球信息获取大地测量自动遥感遥测技术体系地球信息处理图形显示信息存储、分析、模拟、预测和共享地球信息科学是在地图学的现代化过程中形成的。

1.1学科基础（2）地球科学地球科学是一个庞杂的学科体系，以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。主要包括地理学(含土壤学与遥感)、地质学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学和空间物理学以及新的交叉学科（地球系统科学、地球信息科学）等分支学科。地球科学是一个大题目，纵横几万里，上下数亿年，几乎辐射到自然科学的其他各个领域。

1.1学科基础（2）地球科学地球的结构地球的外部结构地球的内部结构

1.1学科基础（2）地球科学地球信息科学脱胎于地图学，而地图学是地球科学的一个技术性学科分支，是地球科学的第二语言。脱胎于地图学的地球信息科学也从地球科学的其他分支学科汲取丰富的营养。地球信息科学与其他地球科学分支都是研究地球系统的科学。

1.1学科基础（2）地球科学地球信息科学借鉴其他分支学科的思维模式和研究范式；地球信息科学主要研究地球系统的空间信息结构和信息流，以地球系统物质、能量结构和流动的理论和研究方法为学科基础；地球科学的集成化发展趋势为地球信息科学的产生和发展奠定了坚实的基础。

1.1学科基础（3）信息科学信息科学是研究信息及其运动规律的科学，研究内容包括：信息的基本概念与本质；信息的数值量度方法；信息的提取、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、控制等过程的一般规律；利用信息流描述系统和优化系统的方法和原理；人类学习知识，处理知识，利用知识的机制以及智能的一般规律。

1.1学科基础（3）信息科学地球信息科学是信息科学的一个分支，它主要研究地球空间信息，信息科学的快速发展是推动其形成和发展的直接动力，其中现代地球空间信息技术的作用尤其重要。

1.1学科基础（4）系统科学系统科学以系统为研究对象，主要研究系统的类型、结构、性质和运动规律。系统科学理论和方法的引入和应用极大地推动了地球科学的发展。

1.1学科基础（4）系统科学系统科学从以下几个方面影响地球科学的发展：1.系统思想和系统方法的应用影响地球科学思维模式和研究范式；2.由于系统科学的影响，许多地球科学分支学科都把研究对象看作一个系统；3.系统科学的观点和方法极大的发展了地球系统信息流的研究领域，加快了地球信息研究的发展步伐；4.系统工程为地球信息工程的设计和建设提供了最优化的运作程序和实施方案。

1地球信息科学的形成基础1.2技术基础地球信息科学是一门技术驱动性学科，一系列现代信息技术为地球科学提供了全新的研究手段，导致地球科学的研究范围、内容、性质和方法发生了巨大变化，标志着地球科学的一场革命，为地球信息科学的产生和发展铺平了道路。

1地球信息科学的形成基础1.2技术基础遥感技术全球定位系统地理信息系统信息传输技术集成技术空间分析与模拟技术……地球信息科学

1.1技术基础（1）遥感遥感是指在远离目标，不与目标接触的情况下，利用目标的电磁波信号识别、量测和分析目标性质的技术。遥感是目前能在全球范围进行快速观测的唯一手段。

1.2技术基础（1）遥感遥感技术系统

1.2技术基础（1）遥感遥感平台与波段星载机载车载

1.1技术基础（1）遥感遥感具有强大的信息获取与处理能力，为地球科学的发展和人类社会的进步提供了巨大的信息资源潜力，是人类有可能将地球大气圈、水圈、生物圈及岩石圈作为一个完整的、开放的系统来研究。可以说，遥感技术促进了地球信息科学的产生。

1.1技术基础（2）全球定位系统全球定位系统是一套用来确定地球空间位置的空间技术体系，主要包括地面控制部分（主控站、地面天线、监测站、和通讯辅助系统组成）、空间卫星部分（由6个轨道平面上的24颗卫星组成）和用户部分（有GPS接收机和卫星天线组成）。

1.2技术基础（2）全球定位系统全球定位系统的组成

1.1技术基础（2）全球定位系统全球定位系统经过几十年的建设和运行，目前已经发展成为多领域、多模式、多用途、的国际性高新技术体系和产业，可以实现全天侯和全球性的高精度无线导航、定位和定时，用途十分广泛。

1.2技术基础（2）全球定位系统在地球科学中，GPS主要用于大气物理观测、地球物理和资源探测、工程测量、地壳变形和运动监测、市政规划控制、水文地质测量以及海平面升降监测等地球系统观测领域，是地球信息获取技术体系的重要组成部分，对地球信息科学的形成有重要的支撑作用。

1.2技术基础（3）地理信息系统地理信息系统是20世纪60年代在计算机科学、地理学、测量学和地图学等多门学科的基础上发展起来的地理空间信息技术系统，其核心是计算机技术，基本技术是数据库、地图可视化及空间分析技术。

1.2技术基础（3）地理信息系统

1.2技术基础（3）地理信息系统近年来，地理信息系统在理论化、共享化和实用化的发展趋势中，形成了由理论、技术、工程和应用四个层次组成的研究体系，远远超出了地理信息系统所能涵盖的技术研究领域，由此形成地球信息科学的研究领域。

1.2技术基础（4）信息传输技术信息传输技术推动了开放地理信息系统和网络地理信息系统的形成和发展，促进了地球空间信息和信息技术共享，加快了地球信息科学的形成与发展步伐；信息圈的规划和设计以及信息圈中的信息流也为地球信息科学的工程领域增加了新的研究内容。

1.2技术基础（5）模拟模拟是通过对客观实体观测、类比、分析、概括、抽象而建立与客观实体物理、化学、生物、力学以及时间和空间同构的模型的技术体系。计算机技术、数学方法以及系统科学理论和方法的引入使地学中的模拟技术快速发展，一方面推动了地球科学的快速发展，另一方面也促进了地球信息科学的形成。

1.2技术基础（6）计算机集成技术计算机集成技术是现代地球信息科学中最主要的技术之一，它的出现和发展对地球信息科学的产生和发展有巨大的推动作用。集成技术主要包括数据集成、地球信息系统集成和地球信息技术体系集成。

数据集成

数据集成是对多个数据集进行全部或部分的调整、转化、叠加和合成等操作。数据经过操作后仍保持原来数据的特征，如果经过操作后产生了新的数据，则称为数据融合。

数据集成的目的是形成充分兼容的空间、时间和属性上无缝的数据库。它既包括对栅格数据、矢量数据和统计数据等异类数据的集成，也包括对遥感、地面观测和社会统计等异源数据的集成，还包括对不同尺度数据的集成。

地球信息系统集成地球信息系统集成既包括地理信息系统中的数据库、地图可视化技术系统和空间分析系统等模块的集成，也包括地理信息系统与应用模型库系统的集成，还包括不同地理信息系统之间的集成。地理信息系统中各个模块的集成是现代地理信息系统中的基本技术，它不但推动了现代地图学理论、方法和技术的发展，而且还促进了地理信息系统功能由计算机辅助制图向地球空间信息管理、空间分析和模拟以及辅助决策的方向转变。地理信息系统与应用模型库系统的集成一方面进一步深化了地理信息系统的理论研究，另一方面组成了一个较为完整的地球科学研究系统，形成了地球信息科学的核心技术体系。随着网络技术和互操作技术的推进，开放式地理信息系统和网络地理信息系统相继问世，它们的发展极大地推动了地理信息系统的工程化趋势，拓展了地球信息科学工程和应用层次的研究领域。

地球信息技术体系的集成地球信息技术体系集成是根据地球系统中信息流的特征，按照应用目的的要求，把相应的地球空间信息技术有机地整合成一个完整的技术系统，该系统可称为地球信息技术集成系统，具有技术有机结合、通信在线连接、数据实时处理和系统完整协调的特点。随着现代信息技术的发展及其相互间的渗透，以地理信息系统为核心的技术集成化程度越来越高，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化，最终促使了“地球信息科学”的产生。

1.3社会需求基础在现代信息社会，数量庞大、类型繁多的地球空间信息需要专门的学科和技术给予研究，地球科学和信息科学在交叉和融合的过程中所形成的一系列地球信息技术不断集成和融合，形成了完整的地球信息科学学科体系。地球科学研究的各个环节都需要地球信息技术支持；地球系统科学的发展也需要建立地球信息科学；社会和经济的发展中有关地球科学问题的研究需要以地球信息科学为基础，并以现代信息技术为手段。

地球科学研究的各个环节全球性的研究对象需要全球性的实时观测系统；在现代地球科学中，数据分析和现象解释一方面需要根据研究目的，对数据进行筛选、分类、处理，由于涉及的数据量往往非常大，数据处理工作常常需要地理信息系统技术的支持；现代地球科学的研究对象往往是非常复杂的巨系统，模型的建立和方程的求解是非常困难的；结果的验证和预报一方面需要大量的观测数据，并进行对比分析，另一方面需要大量计算；

1.3社会需求基础在现代信息社会，数量庞大、类型繁多的地球空间信息需要专门的学科和技术给予研究，地球科学和信息科学在交叉和融合的过程中所形成的一系列地球信息技术不断集成和融合，形成了完整的地球信息科学学科体系。地球科学研究的各个环节都需要地球信息技术支持；地球系统科学的发展也需要建立地球信息科学；社会和经济的发展中有关地球科学问题的研究需要以地球信息科学为基础，并以现代信息技术为手段。主要内容1地球信息科学的形成基础2地球信息科学的形成和发展历程学科基础技术基础社会需求基础萌芽阶段形成阶段发展阶段

2地球信息科学的形成与发展历程地球信息科学萌芽于地图学，形成于地球信息技术的集成、融合、拓展和分化过程之中，并在地球信息技术发展以及社会和科学推动下，在地球科学、信息科学和系统科学的交叉领域取得了迅速发展。近50年来，经历了萌芽、形成和发展阶段。

2地球信息科学的形成与发展历程2.1学科萌芽阶段20世纪50-70年代早期，地球信息科学的萌芽主要表现在三个方面：一批早期的地理信息系统相继建立；地理信息系统商业软件的研制开始起步；许多与GIS有关的组织和机构纷纷建立。

2地球信息科学的形成与发展历程2.1学科萌芽阶段处于萌芽阶段的现代地球信息科学具有五个明显的特点：基本上是个技术领域；功能主要为计算机辅助制图，地学分析功能极为简单；地理信息系统处于独立开发状态；研究重点集中在空间信息数字技术和制图自动化技术；发展速度极大地依赖于计算机技术的进步。

2地球信息科学的形成与发展历程2.2学科形成阶段20世纪70年代中期到90年代初期，随着计算机技术和数据库技术的快速发展，地理信息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。地球信息技术的发展出现了集成化、理论化、工程化、社会化、智能化等发展趋势，地球信息科学的研究内容、技术和方法以及应用领域都发生了巨大变化，学科体系逐步形成。

2地球信息科学的形成与发展历程2.2学科形成阶段

研究内容的变化主要表现为研究领域的分化。随着信息源、信息量、信息技术以及信息系统的迅速增加以及信息集成、系统集成和技术体系集成的快速推进，一方面地球信息技术出现了理论化的发展趋势；另一方面地球信息技术出现了工程化的趋势，他们推动了地球信息科学学科体系的形成步伐。

2地球信息科学的形成与发展历程2.2学科形成阶段地球信息技术的发展表现在许多方面：信息获取技术的进步；卫星遥感技术，全球定位系统……信息集成技术的进步；遥感影像自动识别，空间分析技术，专业应用模型……地理信息系统功能的进步。

地理信息系统的