□孫淑麗（河南省遙感測繪院）

一、引言

在地球表層上的地理信息是地球信息的基礎(chǔ)信息，正是地理信息的空間定位和空間關(guān)聯(lián)性起到了連接地質(zhì)信息、海洋信息和大氣信息的作用，使得地質(zhì)信息、海洋信息和大氣信息得以通過地理信息組合成為地球信息。要想研究得到關(guān)于地球的知識，首先必須有獲取地球信息的技術(shù)，得到表征地球上的物質(zhì)、能量或者是人的各種屬性數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)或信息；第二，需要對所獲取的數(shù)據(jù)進行綜合分析;第三,數(shù)據(jù)或信息需要從一個地方傳到另一個地方,因此信息傳播技術(shù)也是地球信息技術(shù)的重要組成部分；第四，但光有傳播還不行，我們還需要對數(shù)據(jù)進一步分析，上升到信息，而之后還要變成知識，變成知識以后人就可以根據(jù)這個進行決策，包括決策地球的能量或者是人類怎么發(fā)展。具體來說，地球信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，計算機計算和模擬，還有現(xiàn)在的虛擬技術(shù)，都是地球信息技術(shù)的組成部分。本文就空間信息獲取3S技術(shù)、地球信息科學及其相互關(guān)系、趨勢及應用等進行了討論。

二、3S技術(shù)及其集成

（一）3S技術(shù)的介紹

GIS，即地理信息系統(tǒng)，它是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有支持空間數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析、建摸和顯示的功能，并可解決復雜的規(guī)劃和管理問題。GIS的操作對象主要是賦有地理坐標的空間數(shù)據(jù)及相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和拓撲數(shù)據(jù)，這是GIS區(qū)別于其他信息的根本標志，也是它的技術(shù)難點。GIS的優(yōu)勢核心在于它的數(shù)據(jù)綜合、地理建模和空間分析的能力，在于它集空間數(shù)據(jù)的獲取、管理、分析、建模和顯示于一體的數(shù)據(jù)流程。它在3S的集成應用中充當大管家的作用，來管理通過RS（遙感技術(shù)）和GPS（全球定位技術(shù)）獲取的空間數(shù)據(jù)和通過各種途徑得來的屬性數(shù)據(jù)。

RS也就是遙感技術(shù)，它是在不接觸目標或自然現(xiàn)象而進行遙遠感知的一種探測技術(shù)，狹義上是指在高空和外層空間的各種平臺上，運用各種傳感器（如攝影儀、掃描儀和雷達等）獲取地表信息，通過數(shù)據(jù)的傳輸和處理，來研究地面物體形狀、大小、位置、性質(zhì)及環(huán)境相互關(guān)系的現(xiàn)代化技術(shù)科學。遙感信息的應用分析已從單一遙感資料向多時相、多數(shù)據(jù)源的融合與分析，從靜態(tài)分析向動態(tài)監(jiān)測過渡，從對資源與環(huán)境的定性調(diào)查向計算機輔助的定量自動制圖過渡，從對各種現(xiàn)象的表面描述向軟件分析和計量探索過渡。近年來，由于航空遙感具有的快速機動性和高分辨率的顯著特點使之成為遙感發(fā)展的重要方面。

GPS即全球定位系統(tǒng)，其是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電測時定位、導航系統(tǒng)，有分布在與赤道夾角為55度的6個軌道上的24顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，可為航天、航空、陸地、海洋等方面的用戶提供不同精度的在線或離線的空間定位數(shù)據(jù)。GPS定位系統(tǒng)通常由空間導航衛(wèi)星、地面監(jiān)控站組和用戶設(shè)備三部分組成。用GPS同時測定三維坐標的方法將測繪定位技術(shù)從陸地和近海擴展到整個海洋和外層空間，從靜態(tài)擴展到動態(tài)，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事后處理擴展到實時 (準實時)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，從而大大拓寬它的應用范圍和在各行各業(yè)中的作用。

（二）3S集成

在實際應用中GIS、RS和GPS并不是孤立發(fā)生作用，在空間信息管理上它們相互之間相互關(guān)聯(lián)且又各具特色，均可獨立完成自身的功能，所以在現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展、資源合理規(guī)劃利用、城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理、自然災害動態(tài)檢測與防治中發(fā)揮著重要的作用。

GIS與RS的集成主要表現(xiàn)為RS是GIS的重要的信息源，GIS是處理和分析空間數(shù)據(jù)的強有力的保證。此集成的關(guān)鍵技術(shù)是柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化問題，大多數(shù)GIS采用圖形矢量的形式，如以點、線、面來存儲。而空間分析采用柵格數(shù)據(jù)模型比較容易實現(xiàn)。集成中就牽涉到數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化的問題。在柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化矢量數(shù)據(jù)為比較簡便，算法相對比較簡單。而由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，相當麻煩，算法非常復雜。所以探索矢柵一體化的存儲的地理信息系統(tǒng)模式也是地理信息系統(tǒng)工程中不斷探討的問題。為實現(xiàn)GIS與RS的一體化策略，要采用軟件接口方式實現(xiàn)GIS和RS的數(shù)據(jù)交換，還要制定空間數(shù)據(jù)交換標準。更重要的是要使GIS能實時處理RS獲取目標的信息，使其真正結(jié)合成一個完整的系統(tǒng)。研究諸如氣候、植被、水資源、土壤類型等因素的空間分布，會同DEM數(shù)據(jù)和處理后的遙感影像進行計算。比如水利上利用RS動態(tài)監(jiān)測。加上時間維的3S技術(shù)應用。三維尤其是實時的三維3S系統(tǒng)即數(shù)字水利為各種水利信息提供了更為直觀的表現(xiàn)方式。

GIS與GPS的集成是利用GIS中的電子地圖結(jié)合GPS的實時定位技術(shù)為用戶提供一種組合空間信息服務方式，通常采用實時集成的方式。在二者的集成系統(tǒng)中動態(tài)GPS的作用是提供所研究物體的動態(tài)絕對位置，GIS的作用是把GPS獲取的動態(tài)位置實時地在GIS的電子地圖上反映出來。通過二者在統(tǒng)一坐標系下的集成，可以實時獲取所研究目標的運動特征，對于地形的實時動態(tài)變形監(jiān)測提供了更加有利條件。

RS與GPS的集成是利用GPS的精確定位來解決RS定位困難的問題，從空中的遙感平臺上獲取的遙感影像只是圖像坐標系統(tǒng)中的坐標系，要想讓遙感影像上的地物和地貌特征經(jīng)過解譯之后獲得與GIS中坐標系基準下的坐標，必須利用GPS對遙感平臺進行實時定位求出遙感平臺上傳感器的坐標（Xs，Ys，Zs）和姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）同時記錄下來。也就是全球定位系統(tǒng)GPS為空中飛行器提供定位服務。

（三）GIS技術(shù)的發(fā)展趨勢

GIS將不斷的發(fā)展和變化。它的發(fā)展不僅基于一系列基本的GIS的特性，而且還依賴于計算機和Internet技術(shù)的不斷發(fā)展。GIS已經(jīng)從數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)共享的方式發(fā)展成為一種知識方法。GIS不僅僅是數(shù)據(jù)庫。基于GIS數(shù)據(jù)集，GIS用戶的工作還要涉及到地圖和全球視圖，空間處理和工作流模型以及多領(lǐng)域的GIS數(shù)據(jù)庫模型（數(shù)據(jù)模型）。所有這些都可以通過元數(shù)據(jù)管理發(fā)布和共享地理知識。

GIS系統(tǒng)越來越相互關(guān)聯(lián)，地理知識正在網(wǎng)絡上共享。用戶可以在系統(tǒng)間共享和復制更新，InternetGIS將會更加成熟并被廣泛使用。日益增強的分布式GIS的功能將被看作是一個完整的GIS平臺的重要組成部分。GIS門戶將會有助于分布式GIS數(shù)據(jù)管理和使用。獨立GIS系統(tǒng)將會基于網(wǎng)絡以一種松散耦合的方式相互連接。Internet很快將成為統(tǒng)一訪問地理知識的框架。這些地理知識依然由許多獨立的GIS結(jié)點創(chuàng)建、維護和發(fā)布。除了GIS發(fā)布和數(shù)據(jù)共享之外，用戶還可以通過Internet來編輯、應用和管理地理知識。

三、以3S技術(shù)及其集成為技術(shù)手段的地球信息科學

（一）地球信息科學的概念

地球信息科學是地球系統(tǒng)科學、信息科學、地球信息技術(shù)交叉融合在一起的產(chǎn)物，它是橫斷學科，以信息流為手段，來研究地球系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)流、能量流、人流和運動狀態(tài)、方式。地球信息機理就是地球信息科學的理論基礎(chǔ)，它是一個主導。比如說用信息來表征地球的很多事情，這是一個研究的主體，那么地球信息是一個研究手段，它的主要應用對象是全球變化跟區(qū)域發(fā)展，反映了人類對地球運動規(guī)律的認識，人類保育地球的基礎(chǔ)。地球信息科學是一個新興的學科，可以說是地球科學系統(tǒng)里面的一個重要分支。

（二）地球信息科學的產(chǎn)生

與地球信息科學相關(guān)的學科，比如說地理學或者地球科學早就有了，包括地質(zhì)、地球物理、大氣科學等早已經(jīng)發(fā)展起來了；到了80年代后期，全球定位系統(tǒng)出來了，而現(xiàn)在網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)展非?？臁募夹g(shù)角度來看，遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、計算機通信網(wǎng)絡，即國家信息基礎(chǔ)設(shè)施（NII）等一系列現(xiàn)代信息技術(shù)在全世界范圍的迅速發(fā)展，并日益成熟，迫切需要形成一門新的科學給予理論上的支持和技術(shù)上的概括，這就是地球信息科學；就社會-經(jīng)濟-科研綜合而言，全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究己經(jīng)使得現(xiàn)代地球科學問題的研究發(fā)生了“質(zhì)”和“量”的變化，既需要“多學科、多部門之間的攻關(guān)協(xié)作”，又需要“現(xiàn)代技術(shù)手段的支持”，沒有GIS、RS、GPS的支持，就難以解決具有區(qū)域性、時空多維性、復雜多變性特征的一系列生態(tài)環(huán)境和人口-經(jīng)濟問題。

（三）地球信息科學的研究內(nèi)容

1.地球信息機理。即地球信息科學的理論核心，對地球信息機理的研究包括：地球信息的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分類與表達；地球圈層間信息傳輸機制、物理過程及其增益與衰減以及信息流的形成機理；地球信息的空間認知及其不確定性與可預見性；地球信息模擬物質(zhì)流、能量流和人流相互作用關(guān)系的時空轉(zhuǎn)換特征；地球信息獲取與處理的應用基礎(chǔ)理論等。

2.地球信息技術(shù)。其包括地球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)、地球信息模擬技術(shù)與地球信息傳播技術(shù)三部分。地球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)是用以從外部世界獲得記錄地球性質(zhì)和狀態(tài)的地球數(shù)據(jù)。遙感、全球定位系統(tǒng)等地球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)形成覆蓋全球的檢測運行系統(tǒng)，已經(jīng)形成從航天觀測到深度觀測的多層次、立體對地觀測系統(tǒng)；地球信息模擬技術(shù)是用于將地球數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地球信息；地球信息傳播技術(shù)是用以實施空間數(shù)據(jù)的傳遞和信息的傳播信息交換的網(wǎng)絡化與實時性，促進了廣泛意義上的信息共享。

3.地球信息科學方法。信息論、控制論和系統(tǒng)論的結(jié)合導致了現(xiàn)代科學方法論的重大突破，促成了現(xiàn)代科學技術(shù)的巨大變化。

四、結(jié)論及應用

地球信息科學是利用各領(lǐng)域傳統(tǒng)學科的優(yōu)勢，把衛(wèi)星遙感、全球定位、地理信息系統(tǒng)和數(shù)字光攬及數(shù)字攝影測量逐漸介入地球信息科學中。遙感強大的信息采集和獲取能力，與全球定位系統(tǒng)快速、精確、全天候提供信息的能力及地理信息系統(tǒng)強大的存儲、分析、處理和輸出地理空間數(shù)據(jù)的能力結(jié)合在一起，正越來越多地應用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。

以RS、GIS和GPS為核心的地理信息科學為人類提供了連續(xù)的表面數(shù)據(jù)，保證數(shù)字水利具有準實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫體系是數(shù)字水利的核心，可實時監(jiān)測水蝕、風蝕等多種類型的土壤侵蝕區(qū)的侵蝕面積、數(shù)量和強度的動態(tài)變化，進行鹽堿地、沼澤地、風沙地、山地侵蝕地等劣質(zhì)土地的面積調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測，開展土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、耕地面積和灘涂面積調(diào)查，工程規(guī)劃與管理系統(tǒng)，可以進行大型水庫淹沒區(qū)實物量估算，庫區(qū)移民安置環(huán)境容量調(diào)查，灌溉區(qū)實際灌溉面積和有效灌溉面積調(diào)查，水庫淤積測量等等。

建設(shè)“信息社會”，迎接“信息時代”的到來。事實上，以GIS和GPS為核心的地理信息產(chǎn)業(yè)己經(jīng)形成，它將在國民經(jīng)濟建設(shè)中起到越來越重要的作用。有了這個信息平臺，防洪減災、水資源管理、水土保持、旱情監(jiān)測、灌溉面積調(diào)查，河道與河口動態(tài)變化監(jiān)測，水環(huán)境、水庫與湖泊蓄量監(jiān)測的工作都將會有一個質(zhì)的飛躍。

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