第2章地球信息科學的緣起發(fā)展及應用課件

1、第二章3S技術與地球信息科學第二章3S技術與地球信息科學2內容提要第一節(jié)地球信息科學的誕生第二節(jié)地球信息科學的應用2內容提要第一節(jié)地球信息科學的誕生3第一節(jié) 地球信息科學的誕生一、地球信息科學產生的背景1、地球信息科學是地球系統(tǒng)科學發(fā)展的客觀需求，地球系統(tǒng)科學為地球信息科學奠定了科學基礎。地球科學:研究地球及其各圈層起源、演化、結構、運動與變化規(guī)律。其發(fā)展已有幾百年的歷史。由于20世紀人類對地球環(huán)境影響的加深，產生了環(huán)境污染、溫室效應、氣候異常、植被破壞、土地荒漠化等一系列重大而緊迫的全球環(huán)境問題。這些問題涉及地球各部分的相互作用。3第一節(jié) 地球信息科學的誕生因此，20世紀80年代國際地學界提

2、出了地球系統(tǒng)科學的概念，將大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈、智慧圈作為地球系統(tǒng)，強調研究發(fā)生在該系統(tǒng)中主導全球變化相互作用的物理、化學和生物學過程，特別是人類活動誘發(fā)的全球變化，其目的是揭示全球變化的規(guī)律，提高人類認識和預測全球變化的能力。 因此，20世紀80年代國際地學界提出了地球系統(tǒng)科學的概念，將空間技術和計算機技術的發(fā)展，特別是衛(wèi)星遙感(RS)的對地觀測為地球系統(tǒng)科學的研究提供了重要手段。地球系統(tǒng)科學所提出的研究途徑包括四個步驟：觀測數(shù)據(jù)的采集；觀測資料的分析和解釋；概念和數(shù)值模式的建立；模式的驗證，并以此作變化趨勢的預測。核心是建立：地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫地球信息系統(tǒng)空間技術和計算機技術的發(fā)展，特

3、別是衛(wèi)星遙感(RS)的對地觀測6 2. 現(xiàn)代信息技術、空間技術和3S技術的發(fā)展與集成，為地球信息科學奠定了技術基礎第二次信息革命：20世紀70年代以后，以微電子技術、計算機技術、信息技術、空間技術和現(xiàn)代數(shù)字通訊技術相結合，使人類全面進入信息時代。網(wǎng)絡技術是這次革命的標志。 信息技術和空間技術不僅推動了地球科學和地球系統(tǒng)科學的前進，而且極大地推動了3S技術的發(fā)展。6 2. 現(xiàn)代信息技術、空間技術和3S技術的發(fā)展與集成，為地7GPS從根本上改變了空間定位的傳統(tǒng)方法，不僅能適時快速定位，而且能夠測定三維坐標與動態(tài)坐標，精度達到米級和厘米級，為測繪、RS、GIS的快速定位創(chuàng)造了條件，而且與電子地圖相結

4、合，在飛機、艦船與車輛的導航系統(tǒng)中被廣泛應用。7GPS從根本上改變了空間定位的傳統(tǒng)方法，不僅能適時快速定位RS技術已發(fā)展到多平臺、多光譜與高光譜、多頻率雷達、全天候、高分辨率(高空間分辨率與高光譜分辨率)的多源信息流與多維時空動態(tài)分析。俄羅斯COSMOS衛(wèi)星SPIN-2影像(2米分辨率)早于20世紀80年代覆蓋全球很大范圍，其中10米分辨率影像可測繪1：5萬地形圖。 RS技術已發(fā)展到多平臺、多光譜與高光譜、多頻率雷達、全天候、9RS為地圖編制適時提供多種類、多時相、大范圍極其豐富的信息來源，為提高地圖質量、加快成圖速度、擴大制圖范圍提供了條件。GIS是在計算機地圖制圖基礎上發(fā)展起來的，它為地圖

5、深層次開發(fā)，編制與應用綜合評價地圖、動態(tài)變化地圖、三維立體地圖、預測預報地圖與規(guī)劃決策地圖提供方法與技術的支撐。9RS為地圖編制適時提供多種類、多時相、大范圍極其豐富的信息10GIS作為獲取、存儲、模擬、處理、檢索、分析與顯示地理空間信息的綜合技術系統(tǒng)，成為多層次、多功能的區(qū)域綜合與空間分析的工具，已廣泛應用于各個部門與各個領域。已形成包括硬件設施、軟件開發(fā)與信息服務在內的、具有相當規(guī)模的地理信息產業(yè)。10GIS作為獲取、存儲、模擬、處理、檢索、分析與顯示地理空11GPS、RS、GIS與地圖學有著共同的應用范圍，在應用中各自發(fā)揮本身的特點和優(yōu)勢并且四者相互結合與綜合集成。這種結合與集成，不僅有

6、利于各自的發(fā)展，而且促進了更高層次的地球信息科學的誕生，并為地球信息科學奠定了技術基礎。11GPS、RS、GIS與地圖學有著共同的應用范圍，在應用中123. 全球變化與人類所面臨的資源、環(huán)境等全球性問題及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展促進了地球信息科學的建立和發(fā)展（需求）全球變化與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，以及人類社會所面臨的資源短缺、環(huán)境惡化、災害頻繁等緊迫問題，都要求研究和揭示地球表層動態(tài)機制與全球氣候、環(huán)境變化規(guī)律，揭示人與自然的相互關系，并尋求人口、資源、環(huán)境與發(fā)展相互協(xié)調的途徑。而這些問題的解決涉及物質流、能量流與信息流之間的相互關系，尤其是信息流對物質流、能量流的調控作用，這種客觀的需求，也是促進地球信息科

7、學誕生的背景之一。 123. 全球變化與人類所面臨的資源、環(huán)境等全球性問題及區(qū)域13二、地球信息科學的誕生 雖然20世紀70年代以來，GPS、RS、GIS都在高新技術基礎上獲得了迅速發(fā)展，并各自發(fā)揮著重要作用。但是地球系統(tǒng)科學、全球變化和人地關系的深入研究，以及為解決經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策、環(huán)境治理、防災減災等實際問題，都必須要地球科學和地球系統(tǒng)科學同空間定位的GPS、獲取信息的 RS、處理信息的GIS和圖形表達的地圖學相結合，形成綜合集成的科學技術體系。 /v_show/id_XOTgwODY3ODA=.html 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11,

8、12, 1313二、地球信息科學的誕生141990年加拿大克靈頓大學在著名地圖學與GIS專家、國際地圖學協(xié)會前主席泰勒教授主持下建立了地球信息科學(Geoinformatics)中心。20世紀90年代初加拿大將獲取、管理、分析空間與地理信息的各學科(地質、測繪、RS、地圖學、GIS等)有機地結合起來統(tǒng)稱地球信息科學(Geomatics)，為資源管理、基礎設施開發(fā)和環(huán)境監(jiān)測提供技術保證和支撐條件，并且成立了包括政府部門、科研單位、高等院校和私人公司在內的地球信息科學協(xié)會。141990年加拿大克靈頓大學在著名地圖學與GIS專家、國際加拿大、俄羅斯、捷克、澳大利亞、日本等國將測量與地圖學系或專業(yè)也改

9、名為Geo-informatics系和專業(yè)。加拿大、德國、英國等國家還出版了Geomatics或Geoinformatics或Geoinformation Science學術期刊，并多次召開了地球信息科學為主題的國際學術會議，例如1994年3月和1995年5月在香港召開了Geoinformatics國際會議。由此，一門新興學科地球信息科學在國際上迅速興起。 加拿大、俄羅斯、捷克、澳大利亞、日本等國將測量與地圖學系或專16三、地球信息科學與數(shù)字地球的結合1998年美國時任副總統(tǒng)戈爾提出的“數(shù)字地球對2l世紀人類星球的理解”的報告，引起了世界各國的關注。戈爾提出：“我們需要一個數(shù)字地球，一個多種分

10、辨率、三維表達的地球，可以在其上添加許多與我們所處的星球有關的地學數(shù)據(jù)”，“可以把關于我們社會和人類星球的原始數(shù)據(jù)轉換成可理解的信息。這種數(shù)據(jù)不僅包括地球的高分辨率衛(wèi)星影像、數(shù)字地圖，也包括經(jīng)濟社會和人口的信息”。16三、地球信息科學與數(shù)字地球的結合17經(jīng)濟與科技的全球化發(fā)展趨勢，全球資源短缺與環(huán)境惡化，全球可持續(xù)發(fā)展的共同愿望正成為“數(shù)字地球”發(fā)展的強大動力?？臻g科學技術與信息科學技術的飛速發(fā)展，又為“數(shù)字地球”的發(fā)展準備了良好的技術條件。我國政府和科技界正積極推進國家信息化和國家信息基礎設施的建設，我國政府有關部門已研究和制定“數(shù)字中國”的發(fā)展戰(zhàn)略與措施，推進“數(shù)字地球”的發(fā)展。17經(jīng)濟與

11、科技的全球化發(fā)展趨勢，全球資源短缺與環(huán)境惡化，全球18 中國各省、市對數(shù)字地球戰(zhàn)略也都非常重視，現(xiàn)已有近20個省區(qū)建立了“數(shù)字省區(qū)”，近200個大、中城市及長江、黃河等大河流域都提出并正在實施“數(shù)字省區(qū)”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字流域”、“數(shù)字社區(qū)”的宏偉計劃，各項空間信息基礎設施建設、電子政務、電子商務，以及在各部門的應用均已取得較大進展和明顯成效。其中“數(shù)字福建”已經(jīng)建成，“數(shù)字北京”在建設過程中就開始發(fā)揮了重要作用。18 中國各省、市對數(shù)字地球戰(zhàn)略也都非常重視，現(xiàn)已有近20個19地球信息科學為數(shù)字地球戰(zhàn)略的發(fā)展提供了理論、方法與技術的支持。反過來數(shù)字地球戰(zhàn)略又為地球信息科學的發(fā)展提供了新的機

12、遇，對地球信息科學的發(fā)展起著重要的促進作用。19地球信息科學為數(shù)字地球戰(zhàn)略的發(fā)展提供了理論、方法與技術的20第二節(jié) 地球信息科學的應用21世紀是信息化和知識經(jīng)濟的世紀(Knowledge Economy是指建立在知識和信息的生產、分配和使用之上的經(jīng)濟) ，無疑地球信息科學必將得到進一步發(fā)展，將成為地球科學更完善的科學技術支撐體系。地球信息科學應用非常廣泛。20第二節(jié) 地球信息科學的應用21一、資源清查與管理 在勘測、調查各類資源的基礎上，利用RS技術可分別建立礦產、土地、水、生物等各類資源數(shù)據(jù)庫及其相應的GIS，將為資源的合理開發(fā)利用與合理調配提供科學依據(jù)，并實現(xiàn)對資源的數(shù)字化、現(xiàn)代化科學管理

13、。國土資源輔助管理 21一、資源清查與管理 22二、經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策與管理在21世紀的信息社會與知識經(jīng)濟時代，對經(jīng)濟與社會的管理必須科學化與現(xiàn)代化，因此有必要逐步建立國家、省、縣三級經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃決策管理信息系統(tǒng)。應根據(jù)各地區(qū)資源、人口、環(huán)境的特點和經(jīng)濟、社會基礎，建立相應的數(shù)據(jù)庫與各具特色的指標體系，為協(xié)調人地關系和經(jīng)濟與社會發(fā)展規(guī)劃決策提供科學依據(jù)，從而實現(xiàn)現(xiàn)代化科學管理。22二、經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃決策與管理23 三、城市規(guī)劃與現(xiàn)代化管理21世紀我國城市必將進一步迅速發(fā)展，隨著城市現(xiàn)代化建設與管理的加強，各大中城市建立城市GIS將是必然趨勢。目前已在廣州、上

14、海、北京、天津、重慶、深圳、洛陽、常州、南京、廈門等城市建立了城市GIS，并在城市規(guī)劃與管理方面積累了不少經(jīng)驗。廣州、中山、深圳已建成的城市規(guī)劃管理自動化GIS，受到政府各部門干部群眾和國內外專家的歡迎與好評。23 三、城市規(guī)劃與現(xiàn)代化管理24數(shù)字城市主要包括：城鎮(zhèn)設施數(shù)字化：在統(tǒng)一標準與規(guī)范的基礎上，實現(xiàn)城市基礎設施、交通設施等數(shù)字化與分布式數(shù)據(jù)庫管理；城鎮(zhèn)網(wǎng)絡化：包括三網(wǎng)連結(電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)與Internet)，分布式數(shù)據(jù)庫與互操作平臺，數(shù)據(jù)共享平臺等；城鎮(zhèn)智能化：包括網(wǎng)上商務、網(wǎng)上金融、網(wǎng)上教育、網(wǎng)上醫(yī)院、網(wǎng)上政務等；數(shù)字城鎮(zhèn)管理信息系統(tǒng)：包括數(shù)據(jù)組織與數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)庫管理、決策模型

15、管理、通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)及其管理、信息安全保障機制等。24數(shù)字城市主要包括：25四、農業(yè)規(guī)劃決策與生產管理地球信息科學為農業(yè)服務，主要是發(fā)展農業(yè)信息技術或稱“信息農業(yè)”，包括農業(yè)信息采集與農業(yè)信息網(wǎng)絡化、農業(yè)生產智能化管理與計算機控制，即包括農業(yè)信息咨詢和宏觀規(guī)劃與決策，微觀生產管理與田間生產計算機控制兩個層次。25四、農業(yè)規(guī)劃決策與生產管理宏觀管理服務主要為國家與省、縣進行農業(yè)規(guī)劃、年度計劃、生產布局(播種面積、作物估產)、產前產后服務計劃(種子、化肥、農藥等生產資料供應；農產品市場需求、農產品收購、儲運等信息)、咨詢與監(jiān)督管理等?？h以上農業(yè)管理部門均可以建立農業(yè)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)農業(yè)信息網(wǎng)絡化。宏觀

16、管理服務主要為國家與省、縣進行農業(yè)規(guī)劃、年度計劃、生產布27微觀信息服務，主要指對精細農業(yè)的田間管理。有條件的可建立精細農業(yè)管理信息系統(tǒng)，通過遙感手段獲取土壤等信息，并通過機載遙感和空間定位系統(tǒng)，適時獲得田間土壤、作物長勢等信息，根據(jù)這些信息做出播種、施肥、澆水、除草等的決策計劃與實施方案，再通過農業(yè)電子地圖、GPS定位系統(tǒng)指揮農業(yè)機械自動作業(yè)。27微觀信息服務，主要指對精細農業(yè)的田間管理。有條件的可建立28五、災害預測與災情評估我國是世界上自然災害種類最多、受災面積最大、受災人口最多的國家。平均每年受災死亡人口12000多人，20世紀90年代平均每年經(jīng)濟損失1000億元以上。我國政府和科技工

17、作者都非常重視減災防災工作，特別是近30年來，在中國大部分地區(qū)和各主要專業(yè)部門初步建立了自然災害監(jiān)測網(wǎng)絡，氣象、地震、洪澇、海洋、農業(yè)病蟲害、森林火災等災害監(jiān)測網(wǎng)已經(jīng)建立，其監(jiān)測、預報水平不斷提高。28五、災害預測與災情評估29六、環(huán)境污染與生態(tài)變化監(jiān)測利用遙感技術對大氣、水體、土壤污染進行監(jiān)測與分析已在國內進行一定試驗，對土地利用的變化、河流與海岸線的變化、荒漠化擴展、冰川消融也進行過一定分析和研究。例如，通過對不同年份黃河衛(wèi)星影像的對比，可清楚顯示黃河河道變化范圍與軌跡。但這些監(jiān)測與研究仍不夠系統(tǒng)和深入。29六、環(huán)境污染與生態(tài)變化監(jiān)測30七、全球變化監(jiān)測與研究全球變化問題引起了世界各國的關注，提出多項研究計劃，包括美國的地球觀測(EOS)計劃。中國承擔了全球變化研究的部分項目。日本也提出一項“全球地圖(Global Map)計劃，包括對全球環(huán)境的監(jiān)測、評價和管理。在國際地圈生物圈計劃中，有兩個支撐計劃