1.3 地球空間信息科學

地球空間信息科學相對應的法文為géomatique，英文名稱為geomatics。這一術語最早由法國學者伯納德·杜比森（Bernard Dubussion）創(chuàng)造，是由大地測量學（法語：géodésie，英語：geodesy）和地理信息科學（法語：géoinformatique，英語：geoinformatics）兩詞結合而成。這一術語最早在加拿大的大學開始使用，作為一些與測繪有關的院系名稱。與傳統(tǒng)的測繪學相比，地球空間信息科學除了包含現代測繪學的所有內容，還增加了利用計算機技術在空間數據和信息處理過程的應用。

地球空間信息科學的核心是采用信息科學的思維方法，以現代技術手段對地球表層進行觀測，并對獲取的地理空間信息進行處理、分析、存貯和可視化表現。這些特點標志著地球空間信息學是一門綜合的學科，它不僅涉及地表物體的特征信息和空間定位描述，涉及地理空間信息的量化傳輸機理、信息表達以及信息反演等科學問題，同時還涉及測繪學、地理學、空間科學、信息科學等多個學科領域。地球空間信息科學的成果目前已經廣泛應用于環(huán)境、資源、災害、農業(yè)和城市發(fā)展等領域，為各行各業(yè)提供準確實時的空間信息和空間數據。

1.3.1 地球空間信息科學的形成

地球作為人類賴以生存的最基本的物質基礎，與社會可持續(xù)發(fā)展密切相關。人與自然的協(xié)調發(fā)展是社會可持續(xù)發(fā)展的最基本條件，在認識自然、改造自然的過程中必須正確處理人與自然的關系，如合理利用資源，提高資源的利用效率，統(tǒng)籌規(guī)劃國土資源的開發(fā)和整治，控制環(huán)境污染，改善生態(tài)環(huán)境等。隨著社會和技術的迅速發(fā)展，人類改造自然的能力不斷增強，人類活動引起的全球變化日益成為關注的焦點。從最近幾個世紀的歷史看，人類活動對地球生態(tài)的影響主要是向變壞的方面發(fā)展。世界人口的急劇增加造成了資源的大量消耗，生態(tài)環(huán)境的惡化也成為有目共睹的事實。概括地講，人口、資源、環(huán)境和災害是當今人類社會發(fā)展所面臨的重大問題。

地球及其環(huán)境是一個復雜的巨系統(tǒng)，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，并以現代信息技術為手段，從而建立了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，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理系統(tǒng)各圈層物質要素存在的空間分布和時序變化及其相互作用信息的總體。地球空間信息科學作為信息科學和地球科學的交叉學科，它與區(qū)域乃至全球變化研究緊密相連，是現代地球科學為解決社會可持續(xù)發(fā)展問題的一個基礎性環(huán)節(jié)。

空間定位技術、航空與航天遙感、地理信息系統(tǒng)（GIS）和互聯網等現代信息技術的發(fā)展及其相互滲透，逐漸形成了以地球空間信息系統(tǒng)為核心的集成化技術系統(tǒng)。近30年來，這些現代空間信息技術的綜合應用有了飛速的發(fā)展，使得人們能夠快速及時和連續(xù)不斷地獲得有關地球表層及其環(huán)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。自1975年法國大地測量與攝影測量學家Bernard Dubussion首次將法文géomatique用于科學文獻以來，各國學者對這一科學術語給出了許多定義。例如，加拿大學者Groot將其定義為研究空間信息的結構與性質、對信息進行獲取、分類與規(guī)格化以及存貯、處理、描繪、傳播和確保其優(yōu)化使用的基礎設施。澳大利亞學者Trinder的定義是：用以表示量測、分析、管理、存儲和顯示基于地球數據（即通常所說的空間數據）的描述和位置的集成方法；它的應用覆蓋所有依賴空間數據的學科，包括環(huán)境研究、規(guī)劃、工程學、導航、地質學與地球物理學、海洋學、國土開發(fā)、土地經營和旅游學。西班牙國家團體給出的定義是：包括所有用計算機處理地理信息的各種科學與技術。它覆蓋了大地測量、地形學、遙感、攝影測量、地理信息系統(tǒng)、土地信息系統(tǒng)（land information system，LIS）、自動測圖和市政工程管理（automated mapping/facilities management，AM/FM）、重力測量、地震學、水文學、地籍學和其他地球科學。國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）于1996年給出的定義是：地球空間信息科學是一個十分活躍的學科領域，它是以系統(tǒng)方式集成所有獲取并管理空間數據的方法，這些方法是空間信息產生和管理過程中所進行的科學的、管理的、法律的和技術的操作的一部分。這些學科包括但不限于地圖制圖、控制測量、數字制圖、大地測量、地理信息系統(tǒng)、水文學、土地信息管理、土地測量、礦山測量、攝影測量與遙感。我國學者王之卓院士、陳述彭院士也給出類似的定義。

我國學者李德仁院士綜合了地球空間信息科學的含義，給出如下定義：地球空間信息科學是以全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感等空間信息技術為主要內容，并以計算機技術和通信技術為主要技術支撐，用于采集、量測、分析、存貯、管理、顯示、傳播和應用與地球和空間分布有關數據的一門綜合和集成的信息科學和技術。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。

地球空間信息科學不僅體現多學科的交叉與滲透，而且強調計算機技術的應用。地球空間信息科學不局限于數據的采集，而是強調對地球空間數據和信息從采集、處理、量測、分析、管理、存儲到顯示和發(fā)布的全過程。這些特點標志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采集到利用各種星載、機載和船載傳感器實現對地球表面及其環(huán)境的幾何、物理等數據的采集；從單純提供靜態(tài)測量數據和資料到實時/準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(yè)數據進行綜合分析，其應用已擴展到與空間分布有關的諸多方面，例如，環(huán)境監(jiān)測與分析、資源調查與開發(fā)、災害監(jiān)測與評估、現代化農業(yè)、城市發(fā)展以及智能交通等。

1.3.2 如何正確理解地球空間信息科學

地球空間信息科學的產生與發(fā)展是當代地球科學發(fā)展的必然產物，它從許多方面改變或提高了人們觀察地球的能力，如觀察方法、準確性、全面性等，為人們做出正確的判斷和決策提供大量可靠的信息，必將成為信息科學的主流，并以超出人們想象的速度向前發(fā)展。空間科學技術和信息科學技術的發(fā)展為地球科學注入了新的研究思路、途徑和活力，無論從深度和廣度上都極大地推動了地球科學的發(fā)展和研究的深化。但是，地球空間信息科學的理論與方法還處于發(fā)展階段，尚未建立完整的地球空間信息科學理論體系，一系列基于“3S”（RS，GIS，GNSS的統(tǒng)稱）技術及其集成的地球空間信息采集、存儲、處理、表示、傳播的方法也有待于發(fā)展。

地球空間信息科學作為一門新興的交叉學科，由于人們對它的認識又各不相同，出現了許多相互類似，但又不完全一致的科學名詞，如地球信息機理（geoinformatics）、圖像測量學（iconicmetry）、圖像信息學（iconic informatics）、地理信息科學（geographic information science）、地球信息科學（geoinformation science）等。這些新科學名詞的出現，無一不與現代信息技術，如數字通信、RS、GIS以及互聯網的發(fā)展密切相關。

地球空間信息科學與地理空間信息科學在學科定義和內涵上存在重疊。有人認為它們是對同一個學科內容，從不同角度給出的科學名詞。前者是從測繪的角度理解，是地球科學與測繪科學、信息科學的交叉學科；后者是從地理科學的角度理解，是地理科學與信息科學的交叉學科。地球空間信息科學包含了對于地球表層系統(tǒng)中空間信息的檢測、辨識、表達、度量、綜合、提取、變換、存儲、檢索、處理、分析、決策、顯示、控制以及整個信息系統(tǒng)的優(yōu)化等技術，而這些技術的理論支撐分別來自于信息論、控制論、系統(tǒng)論以及人工智能（artificial intelligence，AI）等領域。

對地觀測技術的發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展，使得人們具備了對整個地球表層系統(tǒng)進行長期、立體和實時的監(jiān)測能力，而GIS的發(fā)展使得通過對地球空間信息的處理、分析來發(fā)現和解決地球科學問題從而提供輔助決策方案成為可能。隨著RS，GIS，GNSS以及Internet等的發(fā)展及相互滲透，逐步形成一個以空間對地觀測和GIS為核心的集成化的地球空間信息技術系統(tǒng)，這就為解決區(qū)域范圍更廣、復雜性更高的現代地球科學問題提供了新的分析方法和技術保證。

綜上所述，地球空間信息科學是在信息科學和空間信息技術發(fā)展的支持下，以地球表層系統(tǒng)為研究對象，以地理系統(tǒng)科學、信息論、控制論、系統(tǒng)論和人工智能的基本理論為指導，運用多空間信息技術和數字信息技術，來獲取、存貯、處理、分析、顯示、表達和傳輸具有空間分布特征、時空尺度概念和空間定位含義的地球空間信息，以研究和揭示地球表層系統(tǒng)各組成部分之間的相互作用、時空特征和變化規(guī)律，為全球變化和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究服務。因此，地球空間信息科學的概念要比地理信息科學要廣，它不僅包含了現代測繪科學的全部內容，也包含了地理空間信息科學的主要內容，而且體現了多學科、技術和應用領域知識的交叉與滲透，如測繪學、地圖學、地理學、管理科學、系統(tǒng)科學、圖形圖像學、互聯網技術、通信技術、數據庫技術、計算機技術、虛擬現實與仿真技術等以及規(guī)劃、土地、資源、環(huán)境、軍事等領域。研究的重點與地球信息科學接近，但它更側重于技術、技術集成與應用，更強調“空間”的概念。

1.3.3 地球空間信息科學的本質

地球空間信息科學具有很強的綜合性、系統(tǒng)性和復雜性，在學科體系上由地球空間信息理論、地球空間信息技術和地球空間信息應用三大部分組成：（1）地球空間信息基礎理論，它通過對地球圈層間信息的形成、變化機制及其傳輸過程的研究，來揭示地球空間信息的發(fā)生機理；（2） 地球空間信息技術，包括空間數據的獲取和處理、空間信息模擬分析、空間信息輔助決策分析等；（3）地球空間信息應用，其范疇涵蓋了全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展兩大領域。

建立和發(fā)展地球空間信息科學的目的是要從空間信息流的角度來揭示、認識地球系統(tǒng)，特別是地球表層系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展和演化規(guī)律，相互作用和時空特征，以服務于資源、環(huán)境和人口的和諧以及區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

1.地球空間信息科學是基于空間信息流研究

人類認識外部世界的過程，實質上是不斷地獲得外部世界的信息并對這些信息進行加工處理的過程；而人類改造世界的過程，則是把經過加工處理所設定的目的、計劃和策略信息反作用于外部世界，即不斷按照方案知識來規(guī)范自己的行為和引導外部世界的發(fā)展。圖1.1形象地顯示了空間數據流到空間信息流，再到策略信息流應用的全過程。

地球表層系統(tǒng)物質流、能量流和人流（合稱“三大流”）的運動規(guī)律可以通過研究地球表層系統(tǒng)的空間信息流來認識和理解，圖1.2所示即為“三大流”的組成內容及空間信息流的具體內容。

2.地球空間信息科學是一門新興交叉學科

地球空間信息科學是一門交叉學科，是地球系統(tǒng)科學與面向地球空間研究領域的地理學、制圖學、大地測量學，面向人類心智、行為和語言的認知科學、環(huán)境心理學、語言學，面向信息計算的計算機科學、信息科學，面向信息應用的經濟學、社會學、政治學等諸多領域學科的交叉融合，如圖1.3所示。

3.地球空間信息科學是多種空間信息技術綜合集成

從信息技術角度來看，地球空間信息科學包含RS、GIS、GNSS、電子地圖、虛擬現實（virtual reality，VR）和一系列數字信息技術，如圖像處理、計算機掃描、計算機繪圖以及互聯網等的綜合與集成。