地理信息科学

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1、地理信息科学――天地人机信息一体化网络系统马蔼乃（北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所）一、空间科学与航天技术1957年苏联向太空发射成功第一颗人造卫星以来，空间科学与航天技术（SpaceScienceandTechnology）有了飞速的发展。外层空间的自然环境不仅限于物理，实际上还有化学、生命、以及人类如何在外层空间环境中生存的问题。因此，我们提出了外层空间圈的概念，它对地理科学是一个崭新的圈层概念。1.1空间科学—外层空间圈空间科学研究的实际上是外层空间的自然环境，空间物理是空间科学中的基础理论研究。利用空间环境中的高真空

2、、超洁净、在飞行器中获得的微重力等特殊条件（即空间资源），研究各种材料，生产出地面上不可能生产的产品，如玻璃金属、超薄膜、某些生物制品、培育良种等。更为重要的是利用外层空间圈的高度资源，对地进行观测（EOS）。遥感卫星、遥测卫星、定位卫星、通讯卫星（包括中继卫星）对地进行军事侦察与民用监测。当人造卫星进入太空之后的空间自然环境，就变成既有空间自然环境，又有空间人工环境了，而且对于外层空间来说，人类只能生存在太空中的人工环境之中，即便是人类走出太空舱，也需要生活在人工制造的小环境——太空服之中。正如人类要在海洋中生活，可以制造潜水艇，当人类从潜

3、水艇走出来，探索海洋时，需要穿上潜水服一样，只是太空服比潜水服更加密封而已。在地球上，无论是陆地还是海洋，都已既是自然环境又是人工环境了，所以诺贝尔奖获得者司马贺（Simon）对应与自然科学提出了人工科学的命题[3]，研究自然环境用自然科学，研究人工环境用人工科学。司马贺指出人工科学是复杂性科学，这从另一个侧面指出了，包括自然环境与人工环境的地理科学是复杂性科学。研究外层空间圈，不仅需要研究自然科学的空间物理，更为重要的是研究自然与人工结合的外层空间环境，并且毫不例外地需要用复杂性科学的观念来研究外层空间圈。1.2航天技术—人造卫星至2005

4、年之初，全世界大约已经有6000颗以上的航天器送入了太空，其中大部分是人造卫星。全球平均每年发射120个各种类型的航天器（包括探空火箭、人造卫星、航天飞机、人造行星等）。航天技术所获得的信息包括：（1）遥感信息遥感分成像过程与解译过程两部分[17]，成像过程是物理现象过程，是唯一的、确定性的过程；解译过程是地理现象的认知过程，是复杂的不确定性的过程。遥感信息是数据信息、图像信息、光谱信息三者结合的数图谱信息，这在科学历史上是前所未有的信息，人们经过40多年的研究，在成像光谱仪器上的研究，取得了长足的进步，美国在遥感卫星EO-1上，已经获得了2

5、20个波段的影像数据；而在信息识别、提取、分类、解译等方面仍然处于初级阶段，图像处理系统的软件功能，主要还是以数理统计为基础的模式识别方法；遥感反演模型仍然是以简化的物理数学方程的方法；只有遥感信息模型[18]，才是集演绎逻辑、归纳逻辑、类比逻辑为一体的；物理方程、统计方程、模糊方程、灰色方程、分形方程为一体的辩证的复杂性模型。遥感信息为地理信息提供了原数据、原图像、原光谱的信息，为建立遥感信息模型奠定了基础，如果没有遥感信息的发展，就没有建立地理信息科学的基础，也就没有建立地理科学的基础。（2）遥测信息如果说遥感信息是获得平面二维和立体三维

6、图像信息的技术，那么，遥测信息是在遥感之前就已经成熟的技术，获得的是地面实测的、随时间变化的一维信息。例如，气象台站所测的天气数据、水文台站所测的水情数据、地震台站所测的地球物理数据等。将各种台站实测的物理模拟量，按一定的步距采样，离散成数据，即所谓的A/D转化，形成数据流，通过地面天线发送到卫星上去，将分散在各地的数据，通过数据收集系统（DataCollectedSystem），经过卫星的传输，再集中返回到地面上的接收站，将这些数据集中，按照一定的规则整编成规范的资料，提供用户使用。（3）定位信息遥感信息与遥测信息大部分是属性信息，地球上的

7、各种属性都是在一定的位置上的，关于位置信息，就需要由定位信息来确定。定位系统[20]是从导航系统发展而来的，美国发射了24颗，分6个轨道，离地面22000Km高空的全球定位系统（GlobalPositioningSystem：GPS），俄国设计了24颗，分3个轨道，近26000Km高空的全球定位系统（GLONASS），欧空局15国，中国作为第16国参加设计了伽利略GALILEO全球定位卫星系统。中国在21世纪开始发射局部地区的北斗定位卫星（E70º-140º，N5º-55º），而中国的北斗定位卫星的用户是主动式接收。（4）卫星通讯随着计算机网

8、络技术的发展，天地通讯一体化，遥感、遥测、定位需要联合起来应用，因此卫星通讯问题提到日程上来了。通过通讯系统，将航天技术与计算机技术联系了起来。成熟的遥感信息模型，