对地理信息科学发展的思考

1. 2010年高校GIS论坛 对地理信息科学发展的思考 周成虎 研究员 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室 2010年11月20日 北京

2. 五十年地理信息系统发展历程 地理信息服务 地理信息科学 地理信息系统技术 位置服务 网格GIS 虚拟环境 时空认知 地理本体 系统模拟 WebGIS 系列化软件 专业应用系统 大型数据库 网络化发展 公众服务 混合数据模型 空间综合分析 专业化软件 资源环境应用 地图数据输入 地图数据管理 空间数据统计 自动化制图 科学体系 专业应用 巩固发展 起步发展 1960’s 1980’s 1990’s 1970’s 2000’s

3. 地理信息系统已发展成为一个由地理信息科学、地理信息技术和地理信息工程组成的综合科学技术体系。地理信息系统已发展成为一个由地理信息科学、地理信息技术和地理信息工程组成的综合科学技术体系。 经济社会发展 地理信息工程 地理信息科学 地理信息技术 技术发展创新 科学基础创新

4. 国际G IS知名学者, 美国加州大学(Sante Barbara 分校) Goodchilde教授在《地理信息科学发展》（1992）一文中指出: G IS 的技术层导引(Technology-driven)和应用导引(Application-driven) 两大特点丝毫不影响G IS 的研究特性和逐步形成它作为一门科学的作用。恰恰相反, 正是由于这两个动力而使这个边缘交叉学科逐步发展成为一门新兴的科学—地理信息科学(Science of Geographic Information)。

5. 地球测量学与图像信息学 • 法国大地测量与摄影测量学者 Bernard Dubussion于1975年首先将地球测量学(Geomatics) (法文名为Geomatique)用于科学文献。 • Gagnon将其定义为利用各种手段，通过一切途径来获取和管理空间基础信息设施中有关空间数据部分的科学技术领域；这里，地球信息技术被狭义地定义为用于获取有关地球状况与特征的空间数据的技术科学，是地球科学与测量学的交叉学科。 • 王之卓先生在20世纪80年代初从学科发展的高度提出使用图像信息学(Iconic Informatics)来概括目前所有与测绘有关的一些学科，如摄影测量、地图制图、遥感技术等，并认为地球信息机理(Geoinformatics)所概括内容比图像信息学更广。

6. 遥感信息科学 • 遥感信息科学（Remote Sensing Information Science）起源于20世纪80年代末期。 • 遥感信息科学，将地球作为一个整体系统来研究地物各部分的波谱信息，并通过研究不同地物电磁波谱的变化以及电磁波和地球各组成要素之间的相互作用，来模拟、反演和揭示地球表层上不同尺度范围内的各种地学现象及其变化过程，以推断地球资源的状况，预测环境的变迁。

7. 陈述彭（2002）：地球信息科学的畅想 • 人类能够自由地脱离地球来观察宇宙，监测地球。构建包容地球系统中所有圈层的崭新的“信息圈”:上至电离层，下至莫霍面,上下2 000 km，能够反馈观测数据，交流动态信息，人类开始用信息流来调控人流、能流及物流，这个崭新的世界又被称为“人类圈”或“智慧圈”。 • 宏观的“地球信息科学”一定会像微观的“生物信息科学”一样兴旺发达起来。 • 《地域研究与开发》，21（3）：6-7.

8. 李德仁(2004)：地球空间信息学的机遇 • 地球空间信息科学是在20 世纪80 、90 年代形成的。 • 地球空间信息科学研究的范畴包括时空信息获取的天地一体化和全球化，时空信息加工与处理的自动化、智能化与实时化，时空信息管理和分发的网格化，时空信息服务的大众化等四方面。 武汉大学学报-信息版，29（9）：753-756

9. 第88次香山会议-地理信息科学 • 1997年12月17-27日，我国第一次举行了以“地理信息科学”为主题香山科学会议（第88次）。 • 会议由陈述彭院士、潘云鹤教授和钱祥麟教授担任执行主席。马宗晋、马俊如、李德仁、陈芳允和来自地理学、地质学、信息科学、计算机科学、无线电电子学等领域内的近40名专家学者参加了会议。 • 这是一次多学科大跨度地探讨有关地理信息科学发展的讨论会。这次会议主要围绕着地理信息科学的应用基础研究开展了实质性的讨论，并从技术、产业角度升华到科学的高度，促进地球科学及其相邻学科的创新和发展，讨论了地理信息科学的研究体系，优先研究领域，以及生长点等重大学科问题。

10. 虽然地理信息科学已经历了近20年发展，但到目前为止，尚未能够取得令人满意的成果，尚未能象生物信息学那样辉煌。虽然地理信息科学已经历了近20年发展，但到目前为止，尚未能够取得令人满意的成果，尚未能象生物信息学那样辉煌。 以下我从三方面讲述个人对此理解和认识。

11. 1 什么是地理信息科学研究的基本科学问题？

12. 地理信息过程研究体系 地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本问题。 • 数据的获取和集成 • 分布式计算 • 地理信息的认知和表达 • 空间分析 • 地理信息基础设施建设 • 地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响 • 地理信息系统的社会实践等。 M Goodchild, 1992

13. 地理信息理论的若干思考 7) 变化发现与空间数据库的更新 8) 空间知识发现 9) 数据的可交换性、安全性与保密性 10) 人机交互界面 11) 成本与效益 12) 系统安装运行 1) 空间数据在计算机中的表示 2) 地理空间数据的采集 3) 数据的精度 4) 大容量数据的存取问题 5) 数据分析 6) 空间数据的表达与显示 李德仁，1997，武汉测绘空间大学学报，22(2):93-95

14. “地球空间信息机理”的科学思想 • 物质流与能量流的信息载体研究：主要是跨学科的多层次、多功能的区域综合与空间分析方法与工具 • 地理信息本体的研究：地球圈层之间的信息传输机理及其增益与衰减规律，地球空间信息的时空特性及其不确定性（多解）与可预见性（多维），地球空间信息的复合、模拟、仿真与动态变换，以及制定对地观测与数字模拟的特定技术手段与分析方法。 陈述彭：1994年，国家自然科学基金委员会的 “学科前沿、优先领域国际讨论会”

15. 地理信息科学六类基础研究问题 • 地理信息信源理论：地理空间认知，地理信息本体，自然信息源和社会信息源本质等。 • 地理空间信息获取与传输：时空信息基准，地理信息传输机理与増衰规律、地理空间信息不确定性等。 • 地理信息存储与分析处理：地理信息标准、压缩与检索、变换与处理等。 • 地理空间模式信息处理：地理信息分类、空间内插、模式识别等。 • 地理信息知识处理：地理知识的表达与获取、空间推理与建模、的知识信息处理系统等。 • 地理空间决策和控制：地理空间决策的判断、控制，控制系统、管理信息系统和决策支持系统的建立等。

16. 2 地理空间分析模型研究的新发展点在何处？

17. 对空间分析的思考？ 地理和历史是我们了解世界的核心 所有的现象都在时间中存在而有历史学 所有的现象都在空间中存在而有地理学 《重新发现地理学》,p28 地理学是分析地表现象随地点不同而变化的学科； 用地理解释地表的工作，往往称为空间分析 《空间经济分析》,p3 Spatial analysis embraces a whole cluster of techniques and models which apply formal, usually quantitative, systems in which the prime variables of interest vary significantly across space. 《Spatial Analysis: modelling in a GIS environment》,p1

18. 空间和空间分析在地理学中有特殊的地位和重要性！空间和空间分析在地理学中有特殊的地位和重要性！ 但面临的问题是：空间分析的范围过于广泛，而使其难以形成核心体系。

19. （一）面向海量数据的 地理时空特征挖掘

20. 问题所在 • 随着现代信息获取技术和共享技术的发展，我们需要处理和分析的地理数据越来越多。经典统计难以满足相关样本的数据分析； • 如何从海量的地理时空数据中，提取出有效的信息和时空特征，则是地理信息科学研究的重要面题； • 空间数据挖掘则是当前的前沿研究方向。

21. 出发点：两点假设 • 从地理过程的空间表现形式出发，可以将其归纳总结为点过程、线过程和面过程。 • 从时空数据的特征出发，可以将地理数据集分为特征数据与背景数据，且特征数据与背景数据在统计概念上，服从不同的统计分布规律。

22. （二）面向模型的地理空间分析研究

23. 地图 影像 GIS的数据源从 传统GIS 新一代GIS 点－线－面 像 素 曲面空间 平 面 空 间 地理格网模型研究案例分析

24. 地球是一个不规则的椭球体，理论上是无法展开为一个没有变形的平面，因而也不可能构建一个无缝的正方形格网系统。地球是一个不规则的椭球体，理论上是无法展开为一个没有变形的平面，因而也不可能构建一个无缝的正方形格网系统。 能否构建基于曲面空间的格网系统？ 问题所在

25. （三）面向领域问题的地理时空数据与模型集成分析（三）面向领域问题的地理时空数据与模型集成分析

26. 地理现象描述与表征分析 多源数据及空间化 领域问题空间解 领域问题 地理信息系统 领域问题 解析模型 地理现象运动变化机理分析

27. 空间查询检索 面向数据的地理时空数据挖掘 空间拓扑分析 面向模型的地理系统模型分析 空间统计计算 空间模拟模型 面向领域问题的地理时空数据与模型集成分析 空间决策分析 进一步丰富了地理时空分析的理论框架，突出了当代前沿研究方向，有助于促进地理信息科学的发展。

28. 网格环境 群体智慧 分布式开发体系与群体创新

29. 3 空间数据挖掘与知识发现

30. 李德仁院士：新地理信息时代 • 服务对象扩大：不仅包括专业用户，而且包括普通大众用户。 • 用户的多角色：用户既是数据使用者，也是数据提提供者；既是软件使用者，也是软件服务提供者。 • 现势数据主导：以网络技术为基础，实现整个传感器网络、专业人员和大众用户互动，使用户可获取地球上任意地点的现势图像。 •  按需测量和按需服务：地理空间信息服务数据从原来的地理信息产品发展到可量测的实景影像，并实现了可视、可查询、可量测和可挖掘。     

31. It is a breathtaking time in science as masses of data pour in, promising new insights. But how can we find meaning in these terabytes? • To search successfully for new science in large datasets, we must find unexpected patterns and interpret evidence in ways that frame new questions and suggest further explorations. • Old habits of representing data can fail to meet these challenges, preventing us from reaching beyond the familiar questions and answers. Nature, 2008,455:30

32. 科学范式的演化

33. Data-Intensive Scientific Discovery Paradigm • almost everything about science is changing because of the impact of information technology. • Experimental, theoretical, and computational science are all being affected by the data deluge, and a fourth, “data-intensive” science paradigm is emerging. The goal is to have a world in which all of the science literature is online, all of the science data is online, and they interoperate with each other. Lots of new tools are needed to make this happen.

34. 空间数据处理方法的新挑战 • 空间实体之间存在距离关系、方位关系以及拓扑关系等多种复杂关系，这些关系成为空间信息的表达、分析所必须解决的难题。 • 空间数据的之间存在相互制约和空间相关性导致独立同分布、以及过程随机的假设在空间知识发现的研究中往往不成立，经典统计理论无法适用。 • 空间信息具有时空耦合特征，时空度量之间的不可融合性一直以来成为空间知识发现研究的难点。 • 空间数据本身具有不确定性，在空间数据挖掘与知识发现处理的过程中也会带来一系列的不确定性，并且会不断传播与积累，从而产生一定的误差、偏差甚至是毫无意义的知识。

35. 国内外研究基本现状 1）1995年在加拿大召开的第一届知识发现和数据挖掘国际学术会议，标志着数据挖掘和知识发现这一研究邻域的正式确立。空间数据挖掘和知识发现由于其研究对象的特殊性也逐渐形成了的独立的分支。 2) 1999年3月，美国国家地理信息分析中心（NCGIA） 召开会议，旨在探讨从丰富的数据环境中发现地理知识的方法。北美的地球信息科学大学联盟在2003年的白皮书中也将空间知识发现列为优先研究的领域。 3) 我国空间数据挖掘研究起步于上世纪90年代初。在云理论模型、空间关联规则的提取、空间聚类和分类、空间回归等方面取得了不少进展。

36. 空间数据挖掘发展方向 • 空间知识发现的算法和模型中的空间相关性以及空间制约关系融入：例如：带空间限制规则的聚类、空间EM算法、地理加权回归等等； • 时空过程耦合下的知识发现方法：例如，利用了时空路径方法建立时空思维空间中空间实体之间的关系，并借助可达性和邻近性协助分析空间实体之间关系； • 多尺度空间数据挖掘研究：例如，从视觉角度、生命周期的角度出发，解决空间结构的稳定性问题； • 空间知识发现方法的效率和稳健性研究：例如，用于检测离群值的方法和可容忍噪声、离群值的稳健方法也成为热点之一； • 可视化分析方法和探索性分析成为空间信息知识发现的重要手段之一。

37. 解决的主要科学问题 （1）地学时空认知理论 （2）地学信息图谱分析方法 （3）海量空间数据的知识发现算法的稳健性研究； （4）可用于时空过程耦合条件下的知识发现方法； （5）空间知识在尺度空间下的表达和自动提取； （6）空间制约的机理及其分类； （7）地学知识的规则形式表达； （8）建立空间数据挖掘不确定性的综合度量模型

38. 4 地学信息图谱

39. 1、地学信息图谱的传统浅析 （1）易图学与地学图谱 易图指为解说《易经》内蕴而画出的各种图象。波尔认为：从太极图中可极易理解和表达对称、互补等基本物理规律。这种由象和数推演万物之理，形成了《易经》中独特的象数思维模式。 地学图谱利用图的形象表达能力，将大量数据进行归类合关，建立一系列的图形、图象来描述现象，以揭示机理、表达规律。这与易图思想颇有相似之处。 若能以海量空间数据为基础，借鉴易图学之精华，运用模式识别、大规模科学计算等现代科学方法，将科学的抽象思维与形象思维和定量的模式推理有机地结合在一起，开展地学信息图谱研究，有可能形成创新性的成果。

40. 2）几何学和解析几何学：数和形的结合 人们在实践中积累了十分丰富的各种平面、直线、方、圆、长、短、款、窄、厚、薄等概念，并且逐步认识了这些概念之间、概念的位置关系与数量关系之间的关系，建立了几何学。 平面解析几何在平面建立坐标系，从而确定出一点的坐标与一组有序的实数、一条曲线与带两个变量的代数方程将关系。 因此数学中提供了我们将数（座标、长度等）、形（点、线、面）和推理（函数、方程）结合起来的科学基础。 问题：如何能理解和运用这些数学知识？

41. 3）地学研究的图形方法 所有的地学家们都在研究和完善各自领域中图谱。地学先驱们的这些探索和创新，为我们开展地学信息图谱研究提供了一些理论与方法的指导。 如果能归纳出这些空间分析和图形思维的方法，从中提炼出较普遍而通用的图例、符号语言、图形、图解方法，作为空间思维的范例或规则，去面对未来，进行预测和预报。可以说，这是从事地球信息科学工作者的一种历史的必由之路，一种独特的空间思维方法。

42. 2、地学信息图谱的特征与类型 （1）地学图谱的特征 地学图谱是描述和认识复杂现象和问题的方法与手段，它试图将复杂的问题，通过多层面分布于二维平面或多维体上，建立起现象的图形思维模式，经过分析综合，同时反映事物和现象空间结构特征与时空序列变化规律；通过图形运算，建立起动态变化模型，开展预测与调控研究。 地学图谱的基本特征： 1)图是可感知的外部特征表现，谱则是内在、推演得出的规律； 2)图表现静态现象特征，而谱则表现为动态； 3)图表现空间单元特征，谱则表示事件发展之起点与过程； 4)图表达二维非线性源，谱则用一维表达规律，实现多维分析； 6)图描述复杂系统的初始与边界条件，而谱为运动变化规律描述的主导方程。

43. （2）地学信息图谱的特征 1）图形思维模式：继承了图谱的图形思维方式，并使计算机化 2）全数字化：信息图谱与传统图谱的差异在于全数字化的特 征。地学信息图谱的信息源、提取过程与表达方式都是以遥感、地理信息系统、全球定位系统和因特网技术为支撑的全数字化过程，具有严格的数学基础。 3）动态模拟分析：可通过图形运算对地理过程进行模拟，反演过去，模拟未来。尽管这种模拟很难与精确的预测相比，但仍具有重要的意义。

44. （3）地学信息图谱的功能 1）抽象：在地图学中，利用点、线、面来代表行政区划中的城市、河流和山脉、省界和国界，利用地形等高线来抽象实际的景观和地貌等等正是基于图谱的这一功能。 2）概括：在地学研究中利用概括发现知识或规则、定理 3）综合：综合是将不同的地学要素集中在一起，归纳出一种能够集中反映不同要素特征的划分体系。 4）叠加：将具有相同空间位置的不同地学要素集中叠放在一起，从中发现不同地学要素之间的相关以及不同信息。 5）高维可视化：高维可视化是采用一定的图谱方法将高维（大于3维）的数据在低于三维的空间内表达出来。 6）转化：将地学现象复杂的内在规律利用各种变换方法表达为其它类型的图谱。

45. 3、地学信息图谱研究的艰难 1）地学信息图谱是一个创新性的研究方向，是实现地学定性与定量分析结合的最佳途径，应继续努力。 2）地学信息图谱的提出和研究已有10多年。目前的研究还停留在一般性的概念认识和粗浅的空间分布、类型的图谱模式方面。 3）未能形成统一的、将地学上的数和形结合起来的数学基础，如分形几何学、黎曼几何、现代规范场论的应用。 4）在地球信息科学理论和方法上，还未能将图谱方法应用于信息的压缩、提取等方面，对进一步的科学预测尚未又进展。

46. 敬请批评指正！