3S技術(shù)與地球信息科學(xué)及應(yīng)用

□孫淑麗（河南省遙感測(cè)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(shí)，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(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析;第三,數(shù)據(jù)或信息需要從一個(gè)地方傳到另一個(gè)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，上升到信息，而之后還要變成知識(shí)，變成知識(shí)以后人就可以根據(jù)這個(gè)進(jìn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)計(jì)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(xué)及其相互關(guān)系、趨勢(shì)及應(yīng)用等進(jìn)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(jì)算機(jī)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(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。GIS的操作對(duì)象主要是賦有地理坐標(biāo)的空間數(shù)據(jù)及相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和拓?fù)鋽?shù)據(jù)，這是GIS區(qū)別于其他信息的根本標(biāo)志，也是它的技術(shù)難點(diǎn)。GIS的優(yōu)勢(shì)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(yīng)用中充當(dāng)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(biāo)或自然現(xiàn)象而進(jìn)行遙遠(yuǎn)感知的一種探測(cè)技術(shù)，狹義上是指在高空和外層空間的各種平臺(tái)上，運(yùn)用各種傳感器（如攝影儀、掃描儀和雷達(dá)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(xué)。遙感信息的應(yīng)用分析已從單一遙感資料向多時(shí)相、多數(shù)據(jù)源的融合與分析，從靜態(tài)分析向動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過渡，從對(duì)資源與環(huán)境的定性調(diào)查向計(jì)算機(jī)輔助的定量自動(dòng)制圖過渡，從對(duì)各種現(xiàn)象的表面描述向軟件分析和計(jì)量探索過渡。近年來，由于航空遙感具有的快速機(jī)動(dòng)性和高分辨率的顯著特點(diǎn)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(cè)時(shí)定位、導(dǎo)航系統(tǒng)，有分布在與赤道夾角為55度的6個(gè)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(dǎo)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(shí)測(cè)定三維坐標(biāo)的方法將測(cè)繪定位技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到整個(gè)海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展到實(shí)時(shí) (準(zhǔn)實(shí)時(shí))定位與導(dǎo)航，絕對(duì)和相對(duì)精度擴(kuò)展到米級(jí)、厘米級(jí)乃至亞毫米級(jí)，從而大大拓寬它的應(yīng)用范圍和在各行各業(yè)中的作用。

（二）3S集成

在實(shí)際應(yīng)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(dú)立完成自身的功能，所以在現(xiàn)代社會(huì)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(zāi)害動(dòng)態(tài)檢測(cè)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(qiáng)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(diǎn)、線、面來存儲(chǔ)。而空間分析采用柵格數(shù)據(jù)模型比較容易實(shí)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(jiǎn)便，算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單。而由矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，相當(dāng)麻煩，算法非常復(fù)雜。所以探索矢柵一體化的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)GIS與RS的一體化策略，要采用軟件接口方式實(shí)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(biāo)準(zhǔn)。更重要的是要使GIS能實(shí)時(shí)處理RS獲取目標(biāo)的信息，使其真正結(jié)合成一個(gè)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(huì)同DEM數(shù)據(jù)和處理后的遙感影像進(jìn)行計(jì)算。比如水利上利用RS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。加上時(shí)間維的3S技術(shù)應(yīng)用。三維尤其是實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)定位技術(shù)為用戶提供一種組合空間信息服務(wù)方式，通常采用實(shí)時(shí)集成的方式。在二者的集成系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)GPS的作用是提供所研究物體的動(dòng)態(tài)絕對(duì)位置，GIS的作用是把GPS獲取的動(dòng)態(tài)位置實(shí)時(shí)地在GIS的電子地圖上反映出來。通過二者在統(tǒng)一坐標(biāo)系下的集成，可以實(shí)時(shí)獲取所研究目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)于地形的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)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(tái)上獲取的遙感影像只是圖像坐標(biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)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(biāo)系基準(zhǔn)下的坐標(biāo)，必須利用GPS對(duì)遙感平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位求出遙感平臺(tái)上傳感器的坐標(biāo)（Xs，Ys，Zs）和姿態(tài)參數(shù)（φ，ω，κ）同時(shí)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(wù)。

（三）GIS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

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(jì)算機(jī)和Internet技術(shù)的不斷發(fā)展。GIS已經(jīng)從數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)共享的方式發(fā)展成為一種知識(shí)方法。GIS不僅僅是數(shù)據(jù)庫(kù)?；贕IS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(kù)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(shí)。

GIS系統(tǒng)越來越相互關(guān)聯(lián)，地理知識(shí)正在網(wǎng)絡(luò)上共享。用戶可以在系統(tǒng)間共享和復(fù)制更新，InternetGIS將會(huì)更加成熟并被廣泛使用。日益增強(qiáng)的分布式GIS的功能將被看作是一個(gè)完整的GIS平臺(tái)的重要組成部分。GIS門戶將會(huì)有助于分布式GIS數(shù)據(jù)管理和使用。獨(dú)立GIS系統(tǒng)將會(huì)基于網(wǎng)絡(luò)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(shí)的框架。這些地理知識(shí)依然由許多獨(dú)立的GIS結(jié)點(diǎn)創(chuàng)建、維護(hù)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(yīng)用和管理地理知識(shí)。

三、以3S技術(shù)及其集成為技術(shù)手段的地球信息科學(xué)

（一）地球信息科學(xué)的概念

地球信息科學(xué)是地球系統(tǒng)科學(xué)、信息科學(xué)、地球信息技術(shù)交叉融合在一起的產(chǎn)物，它是橫斷學(xué)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)、方式。地球信息機(jī)理就是地球信息科學(xué)的理論基礎(chǔ)，它是一個(gè)主導(dǎo)。比如說用信息來表征地球的很多事情，這是一個(gè)研究的主體，那么地球信息是一個(gè)研究手段，它的主要應(yīng)用對(duì)象是全球變化跟區(qū)域發(fā)展，反映了人類對(duì)地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，人類保育地球的基礎(chǔ)。地球信息科學(xué)是一個(gè)新興的學(xué)科，可以說是地球科學(xué)系統(tǒng)里面的一個(gè)重要分支。

（二）地球信息科學(xué)的產(chǎn)生

與地球信息科學(xué)相關(guān)的學(xué)科，比如說地理學(xué)或者地球科學(xué)早就有了，包括地質(zhì)、地球物理、大氣科學(xué)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(luò)技術(shù)發(fā)展非常快。從技術(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(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，即國(guó)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(xué)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(xué)；就社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-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(xué)問題的研究發(fā)生了“質(zhì)”和“量”的變化，既需要“多學(xué)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(shí)空多維性、復(fù)雜多變性特征的一系列生態(tài)環(huán)境和人口-經(jīng)濟(jì)問題。

（三）地球信息科學(xué)的研究?jī)?nèi)容

1.地球信息機(jī)理。即地球信息科學(xué)的理論核心，對(duì)地球信息機(jī)理的研究包括：地球信息的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分類與表達(dá)；地球圈層間信息傳輸機(jī)制、物理過程及其增益與衰減以及信息流的形成機(jī)理；地球信息的空間認(rèn)知及其不確定性與可預(yù)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(shí)空轉(zhuǎn)換特征；地球信息獲取與處理的應(yīng)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(cè)運(yùn)行系統(tǒng)，已經(jīng)形成從航天觀測(cè)到深度觀測(cè)的多層次、立體對(duì)地觀測(cè)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(shí)施空間數(shù)據(jù)的傳遞和信息的傳播信息交換的網(wǎng)絡(luò)化與實(shí)時(shí)性，促進(jìn)了廣泛意義上的信息共享。

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

四、結(jié)論及應(yīng)用

地球信息科學(xué)是利用各領(lǐng)域傳統(tǒng)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，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?jǐn)z影測(cè)量逐漸介入地球信息科學(xué)中。遙感強(qiáng)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(qiáng)大的存儲(chǔ)、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(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

以RS、GIS和GPS為核心的地理信息科學(xué)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(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)體系是數(shù)字水利的核心，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水蝕、風(fēng)蝕等多種類型的土壤侵蝕區(qū)的侵蝕面積、數(shù)量和強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)行鹽堿地、沼澤地、風(fēng)沙地、山地侵蝕地等劣質(zhì)土地的面積調(diào)查與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，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(jìn)行大型水庫(kù)淹沒區(qū)實(shí)物量估算，庫(kù)區(qū)移民安置環(huán)境容量調(diào)查，灌溉區(qū)實(shí)際灌溉面積和有效灌溉面積調(diào)查，水庫(kù)淤積測(cè)量等等。

建設(shè)“信息社會(huì)”，迎接“信息時(shí)代”的到來。事實(shí)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(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起到越來越重要的作用。有了這個(gè)信息平臺(tái)，防洪減災(zāi)、水資源管理、水土保持、旱情監(jiān)測(cè)、灌溉面積調(diào)查，河道與河口動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)，水環(huán)境、水庫(kù)與湖泊蓄量監(jiān)測(cè)的工作都將會(huì)有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

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