地球信息科學(xué)概論第1章

地球信息科學(xué)概論本章內(nèi)容1.地球信息科學(xué)2.研究內(nèi)容3.研究方法4.應(yīng)用舉例本章內(nèi)容1.地球信息科學(xué)2.研究內(nèi)容3.研究方法4.應(yīng)用舉例1.地球信息科學(xué)地球信息科學(xué)是一門由地球科學(xué)（簡稱地學(xué)）與現(xiàn)代信息科學(xué)技術(shù)交叉、融合、集成在一起的新興學(xué)科；

是研究人類活動參與下的地球系統(tǒng)內(nèi)信息流的科學(xué)。即不僅研究地表信息流，還要研究涉及大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈及圈層之間界面形成、演化和相互作用的信息流。兩大學(xué)科（1）地球科學(xué)：有關(guān)地球的組成、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)現(xiàn)象及其成因、運動發(fā)展規(guī)律。（2）信息科學(xué)與技術(shù)：有關(guān)地球信息的獲取、表達、處理、分析、成果展現(xiàn)及傳播等。1.1地球科學(xué)一、地球科學(xué)（EarthScience，ES地學(xué)）地學(xué)是對以地球為研究對象的學(xué)科的統(tǒng)稱；（1）地球科學(xué)是系統(tǒng)研究地球物質(zhì)的組成、運動、時空演化及其形成機制的學(xué)問。——中國地質(zhì)大學(xué)1.1地球科學(xué)（2）地球科學(xué)是以地球系統(tǒng)(包括大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈和日地空間)的過程與變化及其相互作用為研究對象的基礎(chǔ)學(xué)科。二、地球科學(xué)包括的學(xué)科地質(zhì)學(xué)（礦物學(xué)、巖石學(xué)、古生物地層學(xué)、沉積學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)）地球物理學(xué)大氣科學(xué)海洋學(xué)水文學(xué)氣象學(xué)自然地理學(xué)地形學(xué)土壤學(xué)大地測量學(xué)環(huán)境科學(xué)地球化學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)等另外，地球科學(xué)也可看作是行星科學(xué)的一個分支。1.1地球科學(xué)1.2信息科學(xué)與技術(shù)一、信息科學(xué)（InformationScience,IS）研究對象：信息研究內(nèi)容：信息的運動規(guī)律和應(yīng)用方法研究工具：計算機等技術(shù)研究目標(biāo)：擴展人類的信息功能信息科學(xué)是借助于計算機等技術(shù)，研究信息的運動規(guī)律和應(yīng)用方法，從而擴展人類信息功能的一門新興的綜合性學(xué)科。信息科學(xué)由信息論、控制論、計算機科學(xué)、仿生學(xué)、系統(tǒng)工程與人工智能等學(xué)科互相滲透、互相結(jié)合而形成的。1.2信息科學(xué)與技術(shù)二、信息技術(shù)（InformationTechnology，簡稱IT）信息技術(shù)是用于管理和處理信息所采用的各種技術(shù)的總稱。它主要應(yīng)用計算機科學(xué)和通信技術(shù)來設(shè)計、開發(fā)、安裝和實施信息系統(tǒng)及應(yīng)用軟件。它也常被稱為信息和通信技術(shù)（InformationandCommunicationsTechnology,ICT）。主要包括傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)。1.3關(guān)系地球信息科學(xué)與技術(shù)是信息科學(xué)與技術(shù)在地球科學(xué)中具體應(yīng)用與實現(xiàn)；是信息科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分（子集）。本章內(nèi)容1.地球信息科學(xué)2.研究內(nèi)容3.研究方法4.應(yīng)用舉例2.地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容2.1實例：羅驍兵——天池80年后可能消失，新疆人工造林“搶救”天池（2004-05-05）據(jù)中國科學(xué)院成都山地研究所的測算，自1992年以來，天池南岸已向湖心推進18米，湖水深度由10年前的平均100米降至目前的80米；南岸100多畝草場已經(jīng)沙化，幾乎變成不毛之地。按照目前的萎縮速度推算，天池可能在80年后消失。如何提出可行的整治方案？從地球信息科學(xué)的角度：1.在空間上，要界定影響湖水水位變化的所有地學(xué)實體的范圍，如地表水的流域歸屬、地下水的補償渠道、流域內(nèi)植被的分布狀況、蓄水能力以及水面下降和湖岸沙化之間的關(guān)系；2.在時間上，要界定原生態(tài)的水域面積、位置和形態(tài)，歷年的水位變遷數(shù)據(jù)、湖面水位恢復(fù)的近期和遠期期望值；3.在社會經(jīng)濟方面，要界定可能影響湖面水位變遷的人為因子，如人口、行政單元、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、作物各類等。4.研究區(qū)邊界確定及模型研究研究區(qū)邊界：采用當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)尺度的水文地質(zhì)單元；影響因素：地形、地貌、水文、氣象（自然條件）和土地利用現(xiàn)狀的變遷等（人為因素）模型建立：根據(jù)研究區(qū)邊界、影響因素，基于水文地質(zhì)的自然規(guī)律建立過程模擬模型計算機模擬：編制或借助已有的有關(guān)地表水和地下水的計算機軟件，對湖面水位的變遷進行不同時空尺度的模擬，查明湖面萎縮的進程和真實原因，然后提出不同的調(diào)控對策5.再經(jīng)過計算機模擬后，選取合理的規(guī)劃方案并付諸實施。2.地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容2.2地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容一、地球信息的時空認知及其不確定性與可預(yù)見性地球信息的時空認知理論；基于地學(xué)問題或過程不確定性的原始數(shù)據(jù)全方位采集模式；分布式多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析、集成及預(yù)測模型的構(gòu)建。二、地球信息的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、分類與表達地學(xué)對象的空間屬性、時間屬性和拓撲屬性；地球信息的整體性、多樣性和相關(guān)性；多尺度地球信息的分布式管理和定制表達。2.地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容三、地球信息流的形成機理地球系統(tǒng)各圈層間信息物理構(gòu)成、傳輸機制、及其演化規(guī)律，基于具體的地學(xué)問題或過程，逐步完善相關(guān)的信息圖譜。地學(xué)信息圖譜是指按照地學(xué)本身的規(guī)則分析綜合后提取出來的能夠反映地物某種時空規(guī)律的信息處理與顯示方法,它的表現(xiàn)形式可以是地圖、圖表、曲線或圖像。四、地球信息的動態(tài)模擬模擬不同時空尺度物質(zhì)流、能量流和人流相互作用的關(guān)系的時空轉(zhuǎn)換特征2.地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容五、地球信息的獲取與處理的應(yīng)用基礎(chǔ)理論六、面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ徒⑵?、針對具體問題或過程的信息全方位共享八、全過程動態(tài)模擬和地學(xué)可視化2.地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容2.3地球信息科學(xué)的支撐技術(shù)3S技術(shù)及信息、地學(xué)相關(guān)技術(shù)3S技術(shù)遙感（RemoteSensing,RS）全球定位系統(tǒng)(GlobePositioningSystem,GPS)地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,GIS)信息、地學(xué)相關(guān)技術(shù)地球物理探測技術(shù)：地震、磁法、電法、重力等地球化學(xué)探測技術(shù)：水、土、氣相關(guān)的地球化學(xué)探測技術(shù)現(xiàn)代信息技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、科學(xué)計算可視化技術(shù)、分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)解析技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等。2.地球信息科學(xué)的研究內(nèi)容2.4地球信息科學(xué)特點地球信息科學(xué)并不是一般意義上的3S或多S集成；不是地學(xué)信息的數(shù)字化、可視化；也不是面向特定專業(yè)的信息管理系統(tǒng)或決策支持系統(tǒng)，而是面向具體地學(xué)問題、地學(xué)過程的信息流動機理研究；建立一種跨時空、跨學(xué)科的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整合機制，實現(xiàn)相關(guān)信息的全方位共享；是針對地學(xué)問題、地學(xué)過程的多源信息的深入分析、高度集成和全過程的動態(tài)模擬。主要研究手段是針對不同尺度地學(xué)問題、地學(xué)過程的全程動態(tài)模擬和地學(xué)可視化。本章內(nèi)容1.地球信息科學(xué)2.研究內(nèi)容3.研究方法4.應(yīng)用舉例3.地球信息科學(xué)的研究方法3.1信息獲取一、專題屬性信息根據(jù)具體地學(xué)問題及解決問題的具體方法采用不同的獲取方式。例1：通過鉆孔獲取地下煤層的賦存狀況地學(xué)問題：了解煤層的賦存狀況解決方法：鉆探獲取方式：鉆孔巖芯編錄獲取到的專題屬性信息：鉆孔所在位置的地層種類、各層的巖性、煤層上覆地層厚度、煤層的厚度、煤類、煤質(zhì)、煤中夾矸層數(shù)；

通過相鄰鉆孔煤層的屬性信息的分析，可以判斷煤層的賦存狀況。3.地球信息科學(xué)的研究方法二、空間信息地表：RS、GPS、測量等地下：在獲得地表空間信息的基礎(chǔ)上，通過特定的方法間接獲取例2：例1中鉆孔的孔口坐標(biāo)通過測量方法得到；煤層在地下的位置通過孔口坐標(biāo)及鉆孔深度、鉆孔彎曲參數(shù)換算得到。3.地球信息科學(xué)的研究方法3.2信息的處理通過可視化或數(shù)值模擬來實現(xiàn)一、空間信息GIS、自動制圖系統(tǒng)等3.地球信息科學(xué)的研究方法二、非空間信息專業(yè)數(shù)學(xué)模型+GIS3.地球信息科學(xué)的研究方法三、信息處理流程為了滿足應(yīng)用需要，必須先對原始信息進行適當(dāng)整理、處理與加工，最大限度地去除干擾噪聲，突出有效信息；同時根據(jù)不同信源的特點和優(yōu)勢對多源信息進行綜合分析與復(fù)合，達到較為準(zhǔn)確地認識地球目標(biāo)對象的目的。3.地球信息科學(xué)的研究方法地球信息的處理流程信息準(zhǔn)備現(xiàn)有地圖文本信息遙感信息航空像片野外觀測地學(xué)專題數(shù)據(jù)已有數(shù)據(jù)信息輸入跟蹤、掃描鍵盤輸入磁盤機輸入磁帶機輸入解析測圖儀數(shù)據(jù)篩選導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理與更新圖形：變換、編輯、整飾、拓撲建立、三維造型、渲染圖像：幾何處理、輻射校正、圖像增強、分類處理屬性：修改編輯、預(yù)處理、數(shù)據(jù)變換（數(shù)據(jù)模型）、數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計多源數(shù)據(jù)復(fù)合數(shù)據(jù)輸出屏幕：數(shù)據(jù)、圖表、圖形磁盤：數(shù)據(jù)文件(文字、數(shù)據(jù)、圖表、圖形)打印機：文字報告、圖表、圖形繪圖儀：二維、三維圖形其他空間分析與查詢地形分析、疊置分析、緩沖分析、網(wǎng)絡(luò)分析…位置查詢、屬性查詢、拓撲查詢…空間數(shù)據(jù)庫位置數(shù)據(jù)拓撲數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)圖1-1地球信息的處理與加工流程3.地球信息科學(xué)的研究方法地球信息的處理與加工流程如下：1.