無處不在的地理信息

張豐 姜雨岐

提到地理信息，首先進(jìn)入我們腦海的或許是墻上的那張地圖，或許是兒時(shí)愛不釋手的地球儀，或許是旅行前精心策劃的出游路線，又或許是VR游戲中讓人身臨其境的城市街景。那么到底什么是地理信息，它與我們又有什么關(guān)系？

地理信息是地球表層地理現(xiàn)象和事物（或地理環(huán)境的要素、物質(zhì)）的數(shù)量、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、分布特征、聯(lián)系和規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像和圖形等以及一切相關(guān)知識的總稱。廣義地說，一切與地理位置相關(guān)的信息都可稱為地理信息。與其他信息相比，它包含了更多維的結(jié)構(gòu)，蘊(yùn)含了更多的知識，已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS），作為一種特定的空間信息系統(tǒng)，是在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的支持下，對整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。人類利用GIS可以將地球以數(shù)字化的形式展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)從地理信息到知識服務(wù)的飛躍。

地理信息不僅應(yīng)用在物體與人類的定位上，還被廣泛地應(yīng)用到動(dòng)物遷徙、動(dòng)物行動(dòng)與人類活動(dòng)的關(guān)系研究中。我們可以在“遠(yuǎn)在天邊，近在咫尺”的“地球村”中暢游;可以從衛(wèi)星遙感影像中欣賞南極風(fēng)貌;還可以借助電子地圖到歷屆世界杯決賽場館中漫游。這些都是網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)帶給我們的驚喜，也是地理信息的魔力。

下面就讓我們從具體應(yīng)用場景出發(fā)，通過不同角度探尋地理信息的內(nèi)涵，揭開地理信息的神秘面紗。

為了保障孩子的安全，父母給他們佩戴了具有定位功能的可穿戴設(shè)備，以便及時(shí)準(zhǔn)確地掌握他們的位置信息。

打車出行時(shí)，我們只需在打車軟件中輸入起點(diǎn)與終點(diǎn)，軟件就會(huì)自動(dòng)匹配離你最近的車，并根據(jù)實(shí)時(shí)的路況信息規(guī)劃路線，利用綜合定位方式精確地記錄行車路線。

為研究動(dòng)物行為，加拿大研究人員利用動(dòng)畫展示了2012年5月至7月期間，8頭成年灰熊在加拿大阿爾伯塔省中西部地區(qū)內(nèi)的移動(dòng)軌跡。研究人員每小時(shí)記錄一次它們的位置，以熱力圖的形式展現(xiàn)，圖中彩色斑點(diǎn)的大小代表熊的位置密度。我們從中可以看出，灰熊是如何在森林中覓食、休息、互動(dòng)的通過對它們移動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)的空間分析，就能進(jìn)一步輔助森林的管理。

不難看出，定位是地理信息應(yīng)用最主要的方式。我國應(yīng)用較為廣泛的是全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）由美國國防部研制建立，能為全球用戶提供三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息，低成本、高精度，是衛(wèi)星通信技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用典范。

近年來，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，簡稱BDS）逐漸成熟，已獲得聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)的認(rèn)定。BDS空間部分計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星和3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。

那么BDS、GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)定位功能的呢？首先，定位系統(tǒng)根據(jù)后方交會(huì)定位原理，結(jié)合3顆衛(wèi)星到用戶終端的距離信息，采用三維距離公式列出3個(gè)方程，解算出用戶終端的位置信息。其次，考慮到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，還需引入第4顆衛(wèi)星，從而得到觀測點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）及時(shí)鐘差。為提高定位精度，減少衛(wèi)星鐘的影響，還可使用差分技術(shù)。通過在地面上建立基準(zhǔn)站，將已知的精確坐標(biāo)與通過導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的坐標(biāo)相比較，得到并發(fā)布修正數(shù)。最后，用戶終端依靠此修正數(shù)，就可以將自己的導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行再次修正，從而提高精度。

綜合衛(wèi)星定位、基站定位、WIFI定位、傳感器定位等定位技術(shù)，我們就能形成一套精細(xì)高效的定位系統(tǒng)，為物體、事件、行為等增加準(zhǔn)確的位置標(biāo)簽。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈乩硇畔⒑?，將發(fā)揮更大的用處。比如我們可以通過智能手表記錄活動(dòng)范圍，在外賣平臺查看配送員的實(shí)時(shí)位置，在社交平臺知曉附近的人或者事件，戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)記錄運(yùn)行軌跡等。這些習(xí)以為常的場景都離不開定位技術(shù)提供的地理信息。

不再忙亂的春運(yùn)

在上述的例子中，我們關(guān)注的對象大都是獨(dú)立的個(gè)體。那么，我們是否可以把視角放到一個(gè)群體、一座城市乃至更大的范圍，把記錄的時(shí)間頻率縮減成每分每秒的實(shí)時(shí)記錄，從而獲取越來越豐富、精細(xì)、復(fù)雜的地理信息呢？

在大數(shù)據(jù)的浪潮中，如何充分發(fā)揮地理信息的作用一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、現(xiàn)代測繪、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息也進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。關(guān)于地理信息應(yīng)用的研究也開啟了新的篇章。

如今，GIS已廣泛應(yīng)用于眾多與生活息息相關(guān)的領(lǐng)域中，如資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)以及統(tǒng)計(jì)、商業(yè)、金融等領(lǐng)域。

在上文的打車案例中，“阿里城市大腦”發(fā)揮了重要作用。它利用交通監(jiān)控，動(dòng)態(tài)地調(diào)控每一個(gè)信號燈，減少擁堵，從而使乘客能以最快的速度到達(dá)目的地。結(jié)束行程后，通過對出行行為的分析，向人們推薦更為滿意的出行方式。

提到地理信息大數(shù)據(jù)，大家難免會(huì)想到“春運(yùn)”。在地理信息大數(shù)據(jù)的支持下，我們不但可以看到個(gè)體的行為信息，而且可以對大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，得到單條信息無法顯示的結(jié)果，如“百度遷徙”。

百度公司在春運(yùn)期間推出了“百度地圖春節(jié)人口遷徙大數(shù)據(jù)”（簡稱“百度遷徙”），以“人群遷徙”為主題對大數(shù)據(jù)進(jìn)行了可視化處理。“百度遷徙”利用百度地圖LBS（基于地理位置的服務(wù)）開放平臺、百度天眼，對地理信息大數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，然后采用創(chuàng)新的可視化呈現(xiàn)方式，全程、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、直觀地展現(xiàn)了人口大遷徙的軌跡與特征。尤其是全國范圍內(nèi)的春運(yùn)出行模式，為鐵路、航空資源的調(diào)控，城市的未來發(fā)展規(guī)劃提供了有力支持，也賦予科學(xué)研究新的觀察視角和方法工具。

智慧化的未來

地理信息無所不在，它關(guān)系到我們生活的方方面面。為了應(yīng)對地理信息大數(shù)據(jù)，我們需要不斷發(fā)展適用于地理信息特性的云存儲、高性能計(jì)算、時(shí)空數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，將地理信息廣泛應(yīng)用到政府決策、城市規(guī)劃、 環(huán)境監(jiān)測、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)、公安指揮、資源管理、房地產(chǎn)管理、基礎(chǔ)設(shè)施管理等諸多領(lǐng)域。

地理信息涉及的專業(yè)知識與關(guān)鍵技術(shù)覆蓋了眾多學(xué)科與領(lǐng)域。在大數(shù)據(jù)的時(shí)代浪潮中，在政策的支持下，未來地理信息將更加完善，在人類社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用，讓我們的生活變得更加智慧、便捷！