1.4 地球空間信息科學理論基礎與技術體系

推動地球空間信息科學發展的動力有兩個方面：一是現代航天、計算機、通信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；二是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。具體表現為：地球空間信息科學理論框架逐步完善、地球空間信息技術體系初步建立、應用領域進一步擴大及產業部門逐步形成。地球空間信息科學的理論框架和技術體系如圖1.4所示。

1.4.1 地球空間信息科學理論基礎

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布及變化規律，其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、表達與可視化等理論基礎。

1.空間信息表示

（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布的基礎。地球參考坐標系對地球體的定向是基于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；另一方面，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以及區域地球動力學效應問題，是地球空間信息科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征、定性特征、關系特征和時間特征，它的獲取主要依賴于航空、航天遙感等手段。各種遙感儀器所感受的信號，取決于錯綜復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。地球空間信息標準化主要包括空間數據采集、存貯與交換格式標準，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）地球空間信息認知

認知（cognition）是指對客觀事物的特征及事物間聯系的反映，其對象是有關問題、資料等具體的信息，其過程是對這些信息進行的編碼、儲存、提取、應用等具體操作。地球空間信息認知的物理過程的基本思想是：① 借鑒物理學中的場來描述數據間的相互作用；② 借鑒物理學中的原子模型來表示概念；③ 借鑒物理學中的粒度來描述知識的層次結構；④ 借鑒物理學中的狀態空間轉換思想形成知識的狀態空間轉換框架。

地球空間信息以地球空間中各個相互聯系、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、空間聯系以及制約關系等均具有可識別性；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。

空間認知可以分為空間特征感知、空間對象認知和空間格局認知三個層次。空間格局是基于空間對象的分類和推理，而空間特征又是空間對象識別與分類的基礎，空間對象是空間格局認知的基本單位，空間特征則是空間對象認知的基本單位。在每個層次上，都需要在不同的時間獲取對象的空間信息，只是認知的尺度不同而已。

時空數據的認知過程具有時空特性、尺度特性、不確定特性以及可視特性等。時空聚類是指對具有時空特性的空間對象進行聚類，挖掘出具有時空相似特性的時空模式。時空聚類的認知過程可以簡單理解為：首先通過對時空數據的空間特性、時間特性以及時空關聯特性的分析，形成一個多層次的聚類結構；然后結合領域知識確定一個最佳的聚類尺度；最后分析各聚類模式與相關信息的關聯模式。

時空聚類的認知就是在進行聚類分析時，根據數據對象之間的聯系和區別，將其歸并為若干類，使得同一類中所有元素之間比較相似，而不同類中的元素之間相對來說差別較大。因此，時空聚類將海量多維數據經過聚類進行概念抽取，根據提取出的概念進行推理，由低層概念得到高層概念，逐步了解地理事物的本身性質。時空聚類的尺度特性認知就是指盡管通過遙感影像獲取的原始時空數據反映了許多細節信息，但是并非是每種細節信息都是需要的。在時空聚類中，人們往往更加關注一些大尺度、較高層次的信息，這體現了時空聚類的尺度特性。

（4）地球空間信息不確定性

地球空間信息的不確定性源于空間數據的獲取、存儲、傳輸、查詢、分析等空間信息的處理過程。客觀世界的復雜性、人類認知能力的局限性、數據獲取方法與計算設備的水平對數據質量的限制、空間分析處理方法與模型表達的多樣性等造成了不確定性的普遍存在。地球空間信息是在對地理現象的觀察、量測基礎上的抽象和近似描述，且它們可能隨著時間發生變化，故也帶來一定的不確定性，從而使得地球空間信息的管理非常復雜、困難。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、空間關系的不確定性、時域的不確定性、邏輯上的不一致性和數據的不完整性。

具體來說，地球空間信息的不確定性來源于空間現象自身存在的不穩定性（即空間特征和空間過程在空間、專題和時間內容上的不確定性）、空間表達的不確定性（即空間定義的不一致性必然導致空間現象表達的不確定性，不合理的表達必然導致空間現象表達的不確定性）、空間信息獲取的不確定性（即空間信息的獲取可以通過各種直接和非直接途徑采集，其間會受到量測設備固有的精度范圍、量測技術及方案、人的分辨能力和外界的影響，即通過各種儀器觀測的數據總是存在一定的誤差等）、空間分析的不確定性（即借助網絡分析、疊加分析以及緩沖區分析等空間分析手段，通過對原始數據模型的觀察和實驗，用戶可以獲得新的知識和發現，并以此作為空間行為的決策依據。然而，因為空間信息總是受到不同類型的不確定性的影響，而這些不確定性又通過空間分析傳播，必然導致空間分析的不精確）以及計算設備引入的不確定性、運算過程帶來的不確定性、近似技術帶來的不確定性以及異源數據融合的不確定性等其他相關的不確定性。

2.空間信息處理

（1）地球空間信息時空變化

地球及其環境是一個時空變化的巨系統，其特征之一是在時間-空間尺度上演化（或變化）的不同現象，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征和規律，并加以形式化描述，形成規范化的理論基礎，使地球科學由空間特征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。

（2）地球空間信息解譯與反演

地球空間信息的解譯與反演涉及范圍廣泛的地球學科。空間信息解譯與反演就是通過對地球空間信息的定性解譯和定量反演，揭示和展現地理系統現今狀態和時空變化規律。透過現象深入到本質地回答地球科學面臨的資源、環境和災害諸多重大科學問題，是地球空間信息科學的最終科學目標。隨著地球空間信息技術的進步、傳感器數目的增加以及空間分辨的提高，空間信息數據量猛增，人們可以從地球空間信息中獲取更有用的數據和信息，包括資源調查、自然災害觀測、大氣氣象預報、農作物面積計算等。為了更充分有效地分析和處理這些數據，需要及時、準確、可靠的空間信息解譯系統，不同的空間信息應用的場合，對空間信息解譯與反演也有著不同要求。

空間信息解譯與反演是統計模式識別（pattern recognition，PR）技術在地球空間信息領域中的具體應用。統計模式識別的關鍵是提取待識別的一組統計特征值，然后按照一定準則做出決策，從而對空間信息進行挖掘與識別。空間信息解譯與反演是以計算機系統為支撐環境，利用PR技術與AI技術相結合，根據空間信息中目標地物的各種特征（如顏色、形狀、紋理與空間位置等），結合專家知識庫中目標地物的解譯經驗和成像規律等知識進行分析和推理，實現對空間信息的理解，完成對空間信息的解譯。目前，交互式空間信息解譯系統主要基于空間信息處理軟件或信息處理軟件解譯，如基ArcView，ARC/INFO，Coreldraw以及GISMAP等軟件平臺的交互解譯，也有基于自主開發平臺的空間信息解譯。這些解譯系統難以對小型目標給出準確的表達，而且需要大量的人工干預才能得到比較精細的解譯結果。由于人機交互解譯充分借助解譯專家的地學知識和經驗知識，因此相對常規的目視解譯、自動解譯、基于知識的解譯在效率和精度上都有極大的優越性。

（3）地球空間信息表達與可視化

地球空間信息表達與可視化包括科學計算可視化（visualization in scientific computing）、空間數據可視化（spatial data visualization）以及國際上通用的信息可視化（information visualization）三個方面。科學計算可視化指空間數據場的可視化，人們需要首先在計算過程、數據處理流程中了解數據的變化，然后通過圖形、圖像、圖表以及其他可視化手段來檢查、分析處理結果數據。空間數據可視化技術是指運用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換為圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。隨著網絡技術的發展，地球空間信息表達與可視化進一步提出了信息可視化的要求，同時為了使發現知識的過程和結果易于理解和在發現知識過程中進行人機交互，也要發展發現空間知識的可視化方法。由于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，主要涉及空間數據庫的多尺度（多比例尺）表示、數字地圖自動綜合、圖形可視化、動態仿真和虛擬現實等。地球空間信息可視化技術的核心是為使用者提供空間信息直觀的、可交互、可視化環境，其本質特征是空間信息可視化的位置特征、交互性、多維性和多樣性。

根據地球空間的特點與實際應用的需要，地球空間信息可視化的完整過程應包括數據組織與調度、靜態可視化、過程模擬、探索性分析等。其中，數據組織與調度主要解決適合于海量空間數據的簡化模式、快速調度的問題；靜態可視化主要解決運用符號系統反映空間數據的數量特征、質量特征和關系特征的問題；過程模擬主要對空間數據處理、維護、分析和使用過程提供可視化引導、跟蹤、監控手段；探索性分析則通過交互式建模分析可視化和多維分析可視化為空間知識提供可視化技術支撐。隨著空間技術的進步和各種應用的深入使用，多分辨率、多時態空間信息大量涌現，與之緊密相關的非空間數據也日益豐富，從而對海量空間信息的綜合應用提出了挑戰，對空間信息可視化技術的需求日益迫切，要求也越來越高。通過對空間信息可視化的現狀分析，不難發現時空數據組織、空間信息可視化、網上海量空間數據可視化、空間數據處理與分析過程可視化等方面仍是今后發展和應用主要目標。同時，信息技術的發展也要求空間信息可視化的概念、本質特征、基本過程等相關理論有相應的發展。相應地，時空數據模型研究、利用數據庫管理技術實現網上海量空間信息可視化、空間信息處理與分析過程可視化、空間知識可視化分析技術、空間信息可視化平臺建立與集成等技術將成為研究的重點。

1.4.2 地球空間信息科學技術體系

地球空間信息科學的技術體系是指貫穿地球空間信息采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的一組完整的技術方法的總和。它是實現地球空間信息從采集到應用的技術保證，并能在自動化、時效性、詳細程度、可靠性等方面滿足人們的需要。地球空間是地球空間信息科學的重要組成部分；它的建立依賴于地球空間信息科學基礎理論及其相關科學技術的發展，其中包括航空航天遙感、空間定位、地理信息系統以及空間數據基礎設施建設等方面。

1.航空航天遙感技術

近年來，遙感技術有了質的飛躍，進入一個全新的階段，突出表現在：傳感器向多波段、多角度發展，時間、空間、頻率分辨率不斷提高；發展靈活方便、投資少收益快的小衛星群計劃等方面。同時也迫切需要發展相適應的數據處理、信息提取的理論方法和關鍵技術。具體內容包括：（1） 在闡明電磁波與復雜環境相互作用機理的基礎上，建立相應的數學物理模型，以突破傳統的統計相關分析模式；（2） 發展遙感的數值仿真理論和方法，在更深層次的背景下，理解和詮釋定量遙感信息所能表達的豐富內涵；（3） 緊密結合地學分析的需求，綜合應用計算機視覺、信號處理等領域的最新成果，發展完善諸如地物目標提取識別、地形三維信息處理、信息壓縮與融合等關鍵技術，充分發掘頻率、極化、振幅、相位以及幾何特性等多方面的信息。遙感信息的應用分析已從單一遙感資料向多時相、多數據源的復合分析過渡，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分析過渡，從對各種現象的表面描述向軟件分析和計量探索過渡。國外已有或正在研制地面分辨率為1~3 m的航天遙感系統，如俄羅斯將原保密的分辨率為2 m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。衛星遙感所具有的快速機動性和高分辨率等顯著特點使之成為遙感發展的重要方面，圖1.5所示為衛星遙感技術示意圖。

當代遙感的發展主要表現在其多傳感器技術、高分辨率特點和多時相特征。

（1）多傳感器技術。當代遙感技術已能全面覆蓋大氣窗口的所有部分。光學遙感包含可見光、近紅外和短波紅外區域。熱紅外遙感的波長為8~14 mm，微波遙感觀測目標物電磁波的輻射和散射，分被動微波遙感和主動微波遙感，波長范圍為1 mm~100 cm.

（2）高分辨率特點，全面體現在空間分辨率、波譜分辨率和輻射分辨率等三個方面，即：長線陣CCD成像掃描儀可以達到1~2 m的空間分辨率；成像光譜儀的光譜細分可以達到5~6 nm的水平；熱紅外輻射計的溫度分辨率可以從0.5 K提高到0.3 K，乃至0.1 K.

（3）多時相特征。隨著小衛星群計劃的推行，可以用多顆小衛星，實現每2~3 d對地表重復采樣一次，從而獲得高分辨率成像光譜儀數據。多波段、多極化方式的雷達衛星，將能解決陰雨多霧情況下的全天候和全天時對地觀測，衛星遙感與機載、車載遙感技術的有機結合，是實現多時相遙感數據獲取的有力保證。

2.空間定位技術

全球導航衛星系統（GNSS）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。經過我國測繪等部門近20年的使用，GNSS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。

GNSS定位的基本原理是以高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。目前GNSS系統提供的定位精度優于10 m，而為得到更高的定位精度，通常采用差分GNSS技術，也就是將一臺GNSS接收機安置在基準站上進行觀測，根據基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛星的距離改正數，并由基準站實時將這一數據發送出去；用戶接收機在進行GNSS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

差分GNSS分為兩大類：

（1）偽距差分。在基準站上，觀測所有衛星，根據基準站已知坐標和各衛星的坐標，先求出每顆衛星每一時刻到基準站的真實距離，再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用戶接收機，提高定位精度。這種差分可得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標差分”。偽距差分是應用最廣的一種差分。

（2）載波相位差分，又稱實時動態（real time kinematic，RTK），是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法，也就是將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差，解算坐標。載波相位差分可使定位精度達到厘米級，大量應用于動態需要高精度位置的領域。

GNSS的廣泛應用迫切需要解決許多新的理論與關鍵技術，如天地一體GNSS定位服務系統理論與運行模式研究；全國范圍的電離層和對流層延遲改正模型研究；超長距離廣域差分實時定位系統的關鍵技術研究；米級精度實時GNSS衛星軌道定軌研究；GNSS數據實時壓縮算法及數據通信技術，特別是網絡通信及調頻副載波通信技術應用研究；高動態GNSS整周模糊度解算；高精度GNSS觀測實時數據處理模型；GNSS實時數據壓縮與通信；GPS、GLONASS、北斗及GALILEO系統兼容方式研究；GNSS與衛星通信集成技術研究等。20世紀90年代以來，GNSS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GNSS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域與廣域差分，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、厘米級乃至毫米級，從而大大拓寬它的應用范圍和在各行各業中的作用。隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，GNSS的應用領域正在不斷地拓展，目前已遍及國民經濟各種部門，開始逐步深入人們的日常生活。

3.遙感圖像處理技術

遙感圖像處理是指對遙感圖像進行輻射校正、幾何糾正、圖像整飾、投影變換、鑲嵌、特征提取、分類以及各種專題處理等一系列操作，以求達到預期目的的技術。遙感圖像處理可分為兩類：一類是利用光學、照相和電子學的方法對遙感模擬圖像（照片、底片）進行處理，簡稱為光學處理（或模擬處理），包括一般的照相處理、光學的幾何糾正、分層疊加曝光、相關掩模處理、假彩色合成、電子灰度分割和物理光學處理等；另一類是利用計算機對遙感數字圖像進行一系列操作，從而獲得某種預期結果的技術，稱為遙感數字圖像處理，主要包括圖像恢復、數據壓縮、影像增強和信息提取等。

遙感圖像處理系統是具有圖像輸入、輸出設備和圖像處理軟件的計算機系統，能夠對來自遙感衛星地面站、遙感飛機等遙感平臺的遙感圖像資料，結合各種地圖和其他地面實況，通過計算機進行校正、增強、分類，提取出解譯人員所需要的專題信息，并在高分辨力彩色顯示器上顯示出來，或利用各種硬拷貝輸出裝置制成圖片，用繪圖儀繪成專題圖，供有關專業人員分析和研究。遙感圖像處理技術發展很快，在各種新設備和新技術中效果比較顯著的有：

（1）圖像顯示處理器，又稱圖像計算機。它是在圖像顯示器中增加各種專用圖像處理硬件，把許多原來完全由主機軟件處理的功能，在顯示處理器中變成由專用的硬件參與完成，圖像處理的速度可達到實時或近實時的程度，使用戶能夠及時修改處理方案或參數，直到取得滿意的結果。

（2）并行處理技術。在遙感圖像處理系統中，采用陣列機或專用的圖像高速處理加速器，用以輔助主機并行地進行某些圖像運算。

（3）分布處理技術。利用多臺計算機聯成網絡，彼此分工，同時對圖像進行處理，在處理速度、效果和價格上往往優于用一臺價格昂貴的大型計算機處理。光學-計算機混合處理系統也是遙感圖像處理系統的一個發展方向。

圖像處理軟件通常包括專用的圖像操作系統和應用軟件兩大部分。圖像操作系統通常建立在主機操作系統之上，以便應用軟件的使用和對各種圖像任務、文件、設備的有效管理。應用軟件包括為用戶進行圖像處理所用的軟件，它直接體現圖像處理的功能，在圖像處理系統中占有重要地位。常見的遙感圖像處理軟件有eCongnition，ENVI，ERDAS，PCI等，功能組成如圖1.6所示，通常包括數據處理工具、信息提取工具、綜合分析工具和專題制圖工具。遙感數字圖像處理往往與多光譜掃描儀和專題制圖儀圖像數據的應用聯系在一起，處理方式靈活，重復性好，處理速度快，可以得到高像質和高幾何精度的圖像，容易滿足特殊的應用要求，因而得到廣泛的應用。

4.地理信息系統技術

地理信息系統有時又稱為地學信息系統。它是一種特定的、十分重要的空間信息系統，是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。隨著GIS的發展，也有稱GIS為“地理信息科學”（geographic information science），還有稱GIS為“地理信息服務”（geographic information service）.GIS是一門綜合性學科，結合了地理學與地圖學以及遙感和計算機科學，已經廣泛地應用在不同的領域。GIS是一種基于計算機的工具，它可以對空間信息進行分析和處理（簡而言之，是對地球上存在的現象和發生的事件進行成圖和分析），是把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數據庫操作（例如查詢和統計分析等）集成在一起。

GIS由系統硬件、系統軟件、空間數據庫、用戶和方法等五個主要元素所構成，如圖1.7所示。

（1）系統硬件。GIS所操作的計算機，由主機、外設和網絡組成，用于存儲、處理、傳輸和顯示空間數據。GIS軟件目前可以在很多類型的硬件上運行，從中央計算機服務器到桌面計算機，從單機到網絡環境。

（2）系統軟件。由系統管理軟件、數據庫軟件和基礎GIS軟件組成，用于執行GIS功能的數據采集、存儲、管理、處理、分析、建模和輸出等操作功能和工具。主要軟件部分包括輸入和處理地理信息的工具、數據庫管理系統（data base management system，DBMS）、支持地理查詢、分析和視覺化的工具以及容易使用這些工具的圖形用戶界面（graphic user interface，GUI）.

（3）空間數據庫。由數據庫實體和數據庫管理系統組成，用于空間數據的存儲、管理、查詢、檢索和更新等。地理數據和相關的表格數據可以自己采集或者從商業數據提供者處購買。GIS將把空間數據和其他數據源的數據集成在一起，使用通用的或者專用的數據庫管理系統，來管理空間數據。

（4）用戶。GIS的用戶范圍包括設計、系統開發、維護的技術專家及管理者和使用人員。

（5）方法。成功的GIS系統具有好的設計計劃和特定的事務規律。而對每家公司來說具體的操作實踐又是獨特的。

隨著“智慧地球”這一概念的提出和人們對其認識的不斷加深，國內學術界目前提出了新一代GIS的概念，其主要特征包括：① 支持“智慧地球”和“智慧城市”概念的實現，從二維向多維發展，從靜態數據處理向動態發展，具有時序數據處理能力。② 基于網絡的分布式數據管理及計算、Web-GIS和B/S體系結構，用戶可以實現遠程空間數據調用、檢索、查詢、分析，具有聯機事務管理（on-line transaction processing，OLTP）和聯機分析（on-line analysis processing，OLAP）管理能力。③ 面向空間實體及其相互關系的數據組織和融合，具有矢量和遙感影像數據互動等多源數據的裝載與融合能力，多尺度比例尺數據無縫融合、互動。④ 具有統一的海量數據存儲、查詢和分析處理能力，以及基于空間數據的數據挖掘和強大的模型支持能力。⑤ 具有與其他計算機信息系統的整體集成能力。例如與管理信息系統（management information system，MIS）、企業資源計劃（enterprise resource planning，ERP）、辦公自動化（office automation，OA）等各種企業信息化系統的無縫集成；又如微型、嵌入式GIS與各種掌上終端設備集成，像個人數字助理（personal digital assistant，PDA）、手機、GNSS接收設備等。⑥ 具有虛擬現實表達及自適應可視化能力，針對不同的用戶出現不同的用戶界面及地圖和虛擬現實效果。

5.“3S”集成與數據通信技術

RS，GIS，GNSS是目前對地觀測系統中空間信息獲取、存儲管理、更新、分析和應用的三大支撐技術，是現代社會持續發展、資源合理規劃利用、城鄉規劃與管理、自然災害動態監測與防治等的重要技術手段，也是地學研究走向定量化的科學方法之一。RS，GIS，GNSS這三種對地觀測新技術的有機集成，將構成一個整體的、實時的和動態的對地觀測、分析和應用的運行系統。其中，需要重點研究“3S”集成系統的實時空間定位，多種數據源的一體化數據管理，語義、非語義信息的自動提取，“3S”集成系統中的數據通信與交換，可視化技術，基于客戶服務器的分布式網絡集成環境，“3S”集成系統的設計方法及計算機輔助軟件工程（computer aided software engineering，CASE）工具，基于GIS的航空、航天遙感影像全數字化智能系統及對GIS空間數據庫快速更新的方法，GIS與遙感圖像處理軟件的一體化等。

遙感數據是GIS的重要信息來源，GIS則可作為遙感圖像解譯的強有力的輔助工具。GIS作為圖像處理工具，可以進行幾何糾正和輻射糾正，圖像分類和感興趣區域的選取。“3S”集成的意義在于，“3S”結合應用，相互取長補短是自然的發展趨勢，三者之間的相互作用形成了“一個大腦，兩只眼睛”的框架，即RS和GNSS向GIS提供或更新區域信息以及空間定位，GIS進行相應的空間分析，可以從提供的大量數據中提取有用信息，并進行綜合集成，使之成為科學決策的依據。實際應用中，較為多見的是兩兩之間的結合。

另一方面，數據通信是通信技術和計算機技術相結合而產生的一種新的通訊方式。要在兩地間傳輸信息必須有傳輸信道，根據傳輸媒體的不同，有有線數據通信與無線數據通信之分。但它們都是通過傳輸信道將數據終端與計算機聯結起來，而使不同地點的數據終端實現軟、硬件和信息資源的共享。傳輸介質是指在網絡中傳輸信息的載體，常用的傳輸介質又分為有線傳輸介質和無線傳輸介質兩大類。數據通信是以“數據”為業務的通信系統，數據是預先約定好的具有某種含義的數字、字母或符號以及它們的組合。數據通信是20世紀50年代隨著計算機技術和通信技術的迅速發展，以及兩者之間的相互滲透與結合而興起的一種新的通信方式，它是計算機和通信相結合的產物。隨著計算機技術的廣泛普及與計算機遠程信息處理應用的發展，數據通信應運而生，它實現了計算機與計算機之間，計算機與終端之間的傳遞。由于不同業務需求的變化及通信技術的發展使得數據通信經過了不同的發展歷程。

數據通信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于數據通信技術的發展，在GNSS，GIS和RS技術發展過程中，高速度、大容量、高可靠性的數據通信是必不可少的。在世界范圍內通信技術目前正處于飛速發展階段，特別是寬帶通信、多媒體通信、衛星通信等新技術的應用以及迅速增長的需求，為數據通信技術的發展創造了良好的外部環境。

6.空間決策支持技術

決策支持系統是綜合利用各種數據、信息、知識、AI和模型技術，輔助高級決策解決半結構化或非結構化決策問題，也是以計算機處理為基礎的人機交互信息系統。在這種系統中，管理學、數學、數據庫和計算機等學科的最新成果得到了充分應用。空間決策支持系統中最主要的行為是空間決策支持，是應用空間分析的各種手段對空間數據進行處理變換，以提取出隱含于空間數據中的某些事實與關系，并以圖形和文字的形式直接地加以表達，為現實世界中的各種應用提供科學、合理的決策支持。空間決策支持通常有確定目標、建立模型、尋求空間分析手段以及結果評價等幾個過程。

（1）確定目標，即根據用戶的要求，確定用戶的最終實現目標，并對目標性質進行分類，確定目標的初步認識。

（2）建立模型，即建立分析的運作模型與定量模型。前者是指用戶實際運作過程的各種業務運作模型；后者是指參照用戶的實際工作模型，結合空間數據的空間特點，形成的各種定量分析模型。

（3）尋求空間分析手段，即結合以上分析結果，逐步分解細節，尋求空間分析手段，即對各種可能的分析手段進行分析，確定具有可行性的分析過程，尤其應注意空間數據的有效連接，最后形成分析結果，提交用戶使用。

（4）結果評價。空間分析結果的合理性，直接影響到決策支持的效果。

由于空間分析的手段直接融合了數據的空間定位能力，并能充分利用數據的現勢性特點，因此提供的決策支持將更加符合客觀現實，也更具有合理性。空間決策支持系統由空間決策支持、空間數據庫等相互依存、相互作用的若干元素構成，是完成對空間數據進行處理、分析和決策的有機整體，是在常規決策支持系統和地理信息系統相結合的基礎上，發展起來的新型信息系統。空間決策支持系統在國家社會、經濟生活中的應用十分廣泛，如應用于城市用地選址、最佳路徑選取、定位分析、資源分配和機場凈空分析等經常與空間數據發生關系的領域。以農業為例，空間決策支持系統組成如圖1.8所示。

7.空間數據基礎設施

空間數據基礎設施（spatial data infrastructure，SDI）是指對地理空間數據進行有效的采集、管理、訪問、分發、利用所必需的政策、技術、標準、基礎數據集和人力資源等基礎環境的總稱，通常主要由空間數據標準、基礎空間數據框架、空間數據交換網絡以及元數據等四部分組成。地球空間信息是通過數據來體現的，其自適應能力來自數據。不同來源的非均質數據既存在處理與存儲問題，還存在一種交互式運作能力問題。數據標準、數據采集與維護、多尺度與大范圍數據的銜接以及數據共享，均影響到信息利用的充分性、廣泛性，并能通過減少冗余數據的采集和集成來節省時間和經費；涉及數據政策與數據使用權限等問題。多尺度空間數據基礎設施作為一個提供基礎信息的可靠數據框架，以統一的大地坐標，按拓撲規則來組織，對使用數據的技術要求最小且穩定，并能在費用盡可能低的前提下快速滿足用戶需求和實現能力的變化。對于不同的用戶，將由不同種類和不同分辨率的空間數據支持其應用開發。

隨著全球化的推進，世界范圍內信息和技術的交流有力推動了全球一體化的進程。當前，政府和公眾以及其他領域對地理空間信息和服務的需求越發強烈，在這種趨勢下，作為信息化發展重要支撐的空間數據基礎設施已成為在全球范圍內組織和生產空間數據的熱點。SDI是集空間數據規范、技術、數據集于一體的有關空間數據生產、管理、處理的基礎設施，最初由加拿大地球信息學界于20世紀90年代初提出，其目標是加速空間信息標準化，減少各機構地理信息采集和處理的重復勞動，方便社會公眾對數據的獲取和使用，促進空間信息共享。根據美國聯邦地理數據委員會的定義，SDI主要內容包括機構體系、技術標準、基礎數據及空間數據交換網等四大部分，除此之外，人員也是SDI的重要構成。圖1.9展示了包括人員在內的SDI基本構成之間關系。

自20世紀90年代以來，世界許多國家先后開展了國家數據基礎設施的研究。根據地理區域及組織對象的不同，SDI可分為不同層次不同類型。最頂層的是全球空間數據基礎設施（global SDI，GSDI），其下是區域空間數據基礎設施（regional SDI，RSDI）、國家空間數據基礎設施（national SDI，NSDI）、州/省空間數據基礎設施（state/province SDI，SSDI）直至公司/部門空間數據基礎設施（corporate/department SDI，CSDI）等。區域空間數據基礎設施目前得到了迅速發展，正在形成以歐洲和亞太兩大地區為主的區域空間數據基礎設施（RSDI）.

我國信息化已經進入了全方位、高效益和深層次的發展階段，對我國經濟和社會發展的影響越來越深刻。NSDI建設是國家信息化建設的重要組成部分，也是當今世界發展的趨勢。我國國家地理空間信息基準框架工程是在21世紀初建立一個高精度、三維、動態、多功能的國家空間坐標基準框架，以及由GNSS、水準、重力等綜合技術確定的高精度、高分辨率似大地水準面。