地理信息科学学科领域界定再思考.doc

地理信息科学学科领域界定再思考刘 妙 龙 ,周 琳( 同济大学测量与国土信息工程系 ,上海 200092)摘要 :地理信息科学形成与发展已十多年 ,该文介绍 、分析 、论证了 Goodchild 关于地理信息科学是“信息科学有关 地理信息的一个分支学科”定义的准确性 ;通过对地理信息科学的发展 ,信息科学的学科界定 、认知问题 、研究主题 等国内外的一些研究工作与成果的重新思考 、分析与研究 ,较为详细地讨论了地理信息科学的重要研究主题 ,界定 了地理信息科学的学科领域 ,旨在为推动地理信息学科的发展做贡献 。关键词 :信息科学 ;地理信息科学 ;学科界定中图分类号 : P208文献标识码 :A文章编号 :1672 - 0504 (2004) 03 - 0001 - 05地理信息科学 ( GI - Science) 是当今最为活跃的学术领域 ,在某种程度上讲 ,它是一种地球新科学1( Eart hs New Science) 。但在其出现之初 ,无论是学 术界还是 GIS 产业界 ,对其可能的影响程度并不清 楚 。作为多学科领域的学科延拓与集成 , 地理信息 科学对于科学 、技术与社会的影响正在不断 突 显 。 但在学术界 ,仍有不少学者将地理信息科学仅仅看 作是地理信息系统的同义名字 ,而不是一个严密的科学与智能领域 。地理信息科学出现十多年后 , 本 文旨在对学科的一些概念与认知问题作深入探索 , 对学科领域与智能范围界定的几种主张进行讨论与 评述 ,推动地理信息科学的发展 。理关系与地理类型而发展和利用新的理论 、方法 、技术和资料 。将地理资料转换成有用的信息是地理信 息科学的核心”3 。1999 年初 ,美国国家科学基金委员会 ( N SF) 的 一个工作组 ,在其向委员会的报告中提出了地理信 息 ( GI) 科学的一个“完整”定义 “: 地理信息 ( GI) 科学 是一为追求重新定义地理概念和在地理信息系统中 成功应用的基本研究领域 。地理信息科学研究地理信息系 统 对 于 社 会 与 公 众 的 影 响 , 研 究 社 会 对 于 GIS 的影响 。地理信息科学将深入研究以空间信息 为主要研究对象的一些传统科学 , 如地理学 、地图 学 、大地测量学中的最基本命题 ,同时将结合在认知 与信息科学中的一些最新发展 ; 它也将与某些较为 专门的研究领域 ,如计算机科学 、统计学 、数学 、心理学等相互交叠 ,并继续对这些领域的发展作出贡献 ; 它将支持在政治科学 、人类学领域的研究 ,在地理信 息和社会的研究中利用这些领域的知识”。NSF 并没有完全采用这样一个定义来设定地理 信息科学的基本研究领域 。十余年来 ,北美 、西欧 、澳大利亚等很多西方国家 ,或许还应包括中国 ,出现了 这样一种趋势 ,试图利用“地理信息科学”这一术语来 泛指几乎任何一种涉及“地理信息系统”理论与应用 的学术研究工作 。地理信息科学作为一个正在发展 中的新学科领域 ,具有显著的学科深度与广度 ; 作为一个多学科的集成领域 ,它不是一个简单的 GIS 教育 与应用的新名词 。数十年来 , GIS 已被广泛应用而成 为科学研究的重要工具 ,但它还不是 GI 科学的全体 ; 利用 GIS 工具进行的研究 ,对于科学是重要的 ,对于 发现与 GIS 相关的科学研究是重要的 ,但它也并不是地理信息科学1什么是地理信息科学 ? 国际最为知名的地理信息科学家 , Goo dchild M F 在 20 世纪 90 年代初提出 地理信息科学新学科的论文中2 ,明确将其定义为 “信息科学有关地理信息的一个分支学科”, 通过枚 举地理信息科学主要研究命题的方式 ,勾画了地理信息科学的学科领域与范围 。1994 年底 , 一 批 知 名 的 美 国 GIS 学 者 , 在 Col2 o rado 学术会议期间 ,提议建立一个新的 GIS 联合组 织 ,并试图对已经开始蓬勃发展的 GIS 新学科领域 作出界定 。专家们对这个新生组织的名字进行了激烈的争论 ,几乎是对名称中的每一个字 ,通过投票表 决的方式 ,最终一致同意将该新组织命名为“地理信 息科学大学联盟 ( U C GIS) ”,并为新的组织与学科领 域界定了一个大家所能接受的解释性“间接”定义 : “大学地理信息科学联盟致力于为理解地理过程 、地收稿日期 :2004 - 04 - 12 ; 修订日期 :2004 - 04 - 26基金项目 :国家自然科学基金资助项目“大城市形态生成扩展理论与模型的实证研究”( 49971031)作者简介 :刘妙龙 (1944 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,从事 GIS 理论 、方法及应用领域的教学与研究 。E - mail : liuml mail. tongji. edu. cnGI 科学本身 。当然 ,毫无疑义 ,利用 GIS 进行的研究有可能为 GI 科学的讨论揭示重要的研究命题 ,有可 能对 GI 科学的研究进程作出贡献 。学科选定了名词 ,名词就应反映学科的内涵与 本质 。显然 ,从名词的直观词义看 ,地理信息科学应是信息科学的一个分支 。一个好的信息科学定义 ,必然能演绎出 GI 科学的确切定义 ; 牛津英语词典(Oxfo rd English Dictio nary) 对信息有多个定义解释 , 最接近于 GI 科学描述 、处理与研究对象的“信息”的 定义是 “: 信息是通信的知识 ,涉及某些被通报或谈 论的特殊的事实 、对象或事件 ; 与资料相反 , 信息是 智力 、新闻 、说明 、解释等”; 对“信息科学”的定义则 是 “: 信息科学是与信息 ,尤其是与技术的 、或是科学 的对象的信息进行存储 、检索和传播的过程相关联 的知识的分支”。从哲学思维与认知的角度 ,当一个智能主体的智 力行为指向现实世界中的一个对象或事物时 ,信息就 会产生 ;信息是智力行为内容的关键部分 ,尤其是智 力行为内容的概念部分或可转换 、通讯与传布部分 , 是概念化 、智能体 、认知过程的联系与媒介 。而信息 科学 ,则是研究“在自然与人工系统中信息的特性与 行为 ,研究信息从一个主体到其它主体的转换 ,转换 过程 、形式 、机制”的科学 。将“地理”这个单词作为限 定词设置于“信息”的前面 ,显然这是对地理信息科学学 科研究领域的合理定义 。地理信息科学的内容和学科 体系 ,从根本上说是信息科学分支的范畴 , Goodchild 对 地理信息科学的这一定义 ,是对学科最为贴切的界定 。息科学的形成与发展至关重要 。2 . 2 领域的命名GIS 发展历程中 ,曾经广为流行的“地理信息与 分析”这一将 GIS 的构成要素与来自于地理学的空 间分析传统组合而成的复合词语 ,一度是学科发展的见证 。1990 年 , Goo dchild 在瑞士苏黎世举行的第 四次空间资料处理学术大会上 ,对 GIS 研究的优先 领域作了一次名为“空间信息科学”的关键演讲 。经 过修改后的文章定名为“地理信息科学”,发表在“国 际地 理 信 息 科 学”( IJ GIS) 杂 志 上 。文 章 的 名 称 由“空间”改变为“地理”, 杂志名称也从“地理 信 息 系 统”改为“地理信息科学”, Goo dchild 并没有对这种 变换进行专门的讨论 ; 在他对地理信息科学作出是 “信息科学有关地理信息的一个分支学科”的定义基 础上 ,对其所命名为“地理信息科学”的学科内容在 8个标题下进行了讨论 ,分别是 : 1) 资料采集与测度 ;2) 资料获取 ;3) 空间统计学 ; 4) 资料模拟与空间资料 理论 ;5) 资料结构 、算法与处理 ; 6 ) 显 示 ; 7 ) 分 析 工 具 ;8) 制度 、管理与伦理学问题 。2 . 3 地理信息科学大学联盟1994 年底 , U C GIS 建立 。在 1997 年的代表大 会上 , U C GIS 提出了亟待开展研究的 10 个优先领 域 :1) 空间资料获取与综合 ; 2) 分布式计算 ; 3) 地理 表达扩展 ;4) 地理信息认知 ; 5) 地理信息互操作 ; 6) 比例尺 ;7) GIS 环境下的空间分析 ; 8) 空间信息基础设施的未来 ;9) 空间资料与基于 GIS 分析中的不确 定性 ;10) GIS 与社会 。U C GIS 研究优先领域中的 4 个论题并没有出现在 Goo dchild 的论题中 “, 空间信 息基础设施的未来”是一个高度应用性的论题 , 迭 现了科学与工程的紧密结合 ,在其它一些学科界定研究中 归 并 在“ GIS 与 社 会”的 分 类 体 系 下 ;“互 操 作 、分布式计算与比例尺”是 3 个基础研究的论题 , 比例尺是尺度 ,更是一个理论与概念性的问题 ,而互 操作与分布式计算显然是一些科学计算上的问题 。2 . 4 瓦伦纽斯项目1995 年 ,N C GIA 向 N SF 提交了一份命名为“推 进地理信息科学”的研究建议4 ,5 ,将新形成的 GI 科 学定义为基于 3 个基础研究领域的一门学科 ,分别 是 :1) 地理空间的认知模型 ; 2) 地理概念表达的计算 方法 ;3) 信息社会的地理学 。瓦伦纽斯“三角形”颇不平衡 ,但建议与完成的研究报告详尽勾画了地理 信息科学的当今研究水平 ,为学科勾画了研究前沿 与未来发展走向 ,是西欧北美地理信息科学家最为 权威的研究成果 。2地理信息科学的历史2 . 1 N C GIA 的研究议题地理信息系统的历史 ,其本身就是一个值得研 究的论 题 。地 理 信 息 系 统 与 计 算 机 制 图 学 紧 密 联 系 ,自 20 世纪 60 年代 、甚至更早的初始阶段以来 , 地理信息系统 、计算机制图学的理论 、概念 、计算 、设 计与开发取得了巨大发展 ; 80 年代中期 , 美国 N SF开始资助一些科学与技术研究中心 ,开展对 GIS 的 理论与应用研究 ; 委员会地理学与区域科学规划部 主任 Ro n Abler 教授对美国国家地理信息与分析中 心 ( N C GIA) 提出并设定了应当考虑并全力开展的 5 个研究主题 :1) 空间分析与空间统计学 ; 2) 空间关系与数据库结构 ; 3) 人工智能与专家系统 ; 4) 可视化 ;5) 社会 、经济与制度问题 。从历史的角度看 ,这 5 个 研究主题应是正在呈现的新地球科学 地理信息 科学学科范围的第一次界定 ,这一界定对于地理信等概念框架下进行处理 ,它们共同构筑了地理信息科学中几何计算的理论与应用构架 。3 . 2 . 3 空间数据库中的有效变址 、检索与搜索 多 维资料的有效变址是计算机科学中一个重要的研究 问题 。2 维 、215 维 、3 维地理信息构成的空间数据库 ,变址问题颇为重要 。早期 GIS 中所使用的 Mo r2地理信息科学学科领域界定3地理信息科学学科领域的界定 , 将重要研究主题进行罗列与分析应是一种有效的构筑途径 。这些 研究主题的研究有些较为成熟或完全 ,有的正在发展之中 ,它们相互紧密联系 ,共同构成新的地理信息 科学学科体系6 - 10 。地理信息科学的整个学科体 系可分解为 5 个领域共 15 个研究主题 。3 . 1 实体论与表达3. 1. 1 地理实体论 实体论研究客观世界存在的是 什么 ,有可能存在什么 ,为什么能存在 ? 地理信息科学的实体论研究为科学家们所使用和研究 ,也是广大公众所使用的地理信息和地理概念 。实体论试图提 供一种能维系现实世界中符号 (实例) 与类型 (种类) 相 一致的正式理论 ,探索它们之间的相互关系和将它们实施转换的过程 。地理实体论成为 UCGIS 所确认的最为 重要的研究主题之一 ,正是学科地理基础的体现 。3 . 1 . 2 地理现象表达 地理现象的正确表达 ,指的 是对现象概念化的说明 ,它应能为不同的使用者所接 受与使用 ,因而需要有能够支撑将一种资料关系自动转换成另一种关系 ,从一个实体域转换到其它实体 域 ,在科学计算上能对对象进行追溯 、确认 、分类等的 方法 。显然 ,地理现象的表达在数字领域内首先是类 型或种类 ,通过资料转换成为对应于现实地理空间对 象的数字表征 ,为此需寻找能够抓住地理现象本质的数字 (学) 公式 ,通过基于 GIS 的资料表达 、模拟与挖 掘 ,完成地理现象与实体的有效表达 。3 . 2 计算3. 2. 1 定性空间推理 作为广义意义上的计算 ,空间 关系与空间位置的推理是人工智能领域重要的研究主题 ,也是 GI 科学中的重要领域 。空间关系的认知模型 与语言模型显然涉及诸如接触 、包容这样的定性拓扑原 理 。对于空间对象不相交的空间关系 ,可用距离和方向 等来表征 ;空间对象接触或叠置时 ,空间关系可用在点 集理论基础之上拓展的多种相交图式来表达 。3 . 2 . 2 计算几何学 计算几何学是地理空间对象 和关系定量表达的基础 ,几何问题的计算与求解是 早期的计算机机助制图学和 GIS 中的重要内容 。欧 氏几何学不可能在一个精确度限定的数字环境内 , 以一种直接的方式实施几何计算 ; 线形简化和地图综合的很多问题 ,有赖于 GI 科学中的计算几何学 , 尽管这些问题也与比例尺的尺度问题相关 ; 至于一 些与邻近性相关的计算几何问题 , 可在 Vo ro noi 算 法 、泰森 ( Thiessen) 多边形或邻近 ( Pro ximal) 多边形to n 矩阵方法 ,图形 、图像处理中的四叉树 、八叉树 、B 树 , R 树和 K 树等规律表达 ,为变址 、检索 、搜索等复杂问题的有效解决提供了基础 。3 . 2 . 4 空间统计学 空间统计学是与地理信息科 学具有密切联系的重要研究领域 。空间信息的特殊性体现于空间自相关或空间相依性的无处不在 。空间统计学为研究与处理空间自相关提供了有用的统 计方法 ,如空间自相关的测度和以空间单位资料为 基础进行统计 分 析 时 空 间 自 相 关 作 用 的 控 制 方 法等 。空间统计学也是 GIS 数据质量与控制研究的有 用工具 。当然 ,作为具有相对独立性的空间统计学 , 与地理信息科学的其它领域相对分离 。3 . 2 . 5 地理计算 地理计算是 GI 科学的重要组成 部分 ,像用于基于栅格的空间分析综合概念框架的地图代数 ,已不再是在空间信息不同表达方式基础 之上实施的标准 GIS 运算 ,本质上它是一种在相近 性和局部运算基础上将地学计算问题概念化的不同方法 , 或许需在并行计算环境下才可以有效 运 行 。高性能计算支持下的分形城市 、细胞自动机 、基于主体的城市演化模拟等地理计算新发展 ,正在构成 GI 科学的科学计算与模拟的新学科领域 ,成为新世纪 GI 科学的研究与开发应用热点 。3 . 3 认知3 . 3 . 1 地理对象认知模型 认知模型涉及人类对 地理现象的感知 、学习 、记忆 、推理和通信的完整过程 。人类对地理环境认知过程的研究 , 作为一种获取对空间关系 、地理本体论的认识 ,理解与改进 GIS 的人机相互作用的方法而成为 GI 科学的重要研究 主题 。包括研究地理科学领域认知问题在内的整个人类空间认知问题研究 ,是 GI 科学有关领域研究的 基础 。在瓦伦纽斯项目实施期间 ,N C GIA 有一批知 名学者对地理空间公共意义上概念的公式化表达和 地理现象的认知模型等作出了重要贡献 。3 . 3 . 2 人类与地理信息和技术的相互作用 地理信息系统包括界面设计和公众参与在内的人机相互 作用问题研究是 GI 科学研究体系的一部分 ,它的重 要性一方面取决于 GIS 的可应用性与公众参与问题 是否可以被分 解 成 一 般 意 义 上 的 人 机 相 互 作 用 问题 ,这里涉及 GI 科学的对象理念与工程技术设计 ;另一方面也取决于地理对象的认知与概念问题 。有 一点可以肯定 , GIS 工具与 GI 科学将大大拓展人类 认知世界的能力与水平 。3 . 4 应用 、组织与社会3 . 4 . 1 地理资料获取 对地理空间位置与属性的 理论 、信息 、资料等的测度与应用研究构成了 GIS 研 究的主体 。GI 科学的建立与构成必须以测绘科学 理论 (坐标系统 、地球形态测度表达等) 为基础 ,而系 统一旦确定与建立 ,它就为地理世界的概念化 、地理客观世界的表达与转化提供了最直接的解释基础 。 当今最为先进的遥感遥测技术与 GPS 定位技术 ,成 为 GI 科学所研究与使用的所有地理资料和信息获 取的最为有效与最为先进的技术手段 ,它们能保证 资料的实时 、多源 、多尺度特点 ,成为 GI 科学研究的基础 。资料获取手段与技术的使用与研究 ,成为 GI科学学科体系的重要组成 。3 . 4 . 2 地理信息的质量 地理信息的质量 、精度与 误差研究是 GI 科学研究的重要部分 。可能由于在资 料获取时期的各种测度误差 ,或由于在 GIS 资料处理过程中的各种变换误差的导入而降低资料质量 。如 果认知 、实体论或表达方式不确切 ,说明与解释也有 可能发生误差 。资料质量的影响必须在模型灵敏度 、 拟合置信度等框架内首先作出确切评定 ,以保证 GIS 应用系统与 GI 科学的准确与有效 。3 . 4 . 3 空间分析 空间分析原是数量地理学的重要 命题 ,但它与地理信息科学联系密切 。曾经有学者提 出 ,空间分析仅仅是 GI 科学原则在环境与社会科学 中一些实际应用 ,空间分析的基础已为实体论 、表达 方法与空间统计学的有关论题所覆盖 。但是 ,随着空间分析技术本身的发展 ,特别是以高性能计算为基础 的地理计算学的形成与发展 ,已使空间分析的方法论 发生了根本的变革 ,它必将使 GI 科学的空间分析功 能产生质的变革 。在某种意义上讲 ,是将空间分析划 定为 GI 科学主题的一部分 ,或是 GI 科学应用论题的一部分 ,这样一种明确的划分可能并不重要 。注意与研究明显增加 ,对 GIS 研究的产品和分享 ,包括 GIS 和相关技术使用中所涉及的效率 、有效性 、社 会平等性 、公众参与 、公众权力等明显增加 ,推动了 GI 科学与 GIS 技术的大众化与社会化 。3 . 5 时间与空间3 . 5 . 1 时间 时间 、运动与演化是 GIS 应用最本质 的东西 ,但迄今的 GIS 软件为处理地理信息的时间 维所提供的工具非常有限 。GIS 实体论从一开始就 注重划分空间与时间 ,实际上妨碍了 GIS 的科学用 途与发展 。如果空间与时间真的可以独立处理与研究 ,那么时间将不可能是 GI 科学研究的重要主题 。事实是 ,时间是 GI 科学 研 究 的 一 个 完 全 的 组 成 部分 ,是一个跨越了大多数 GI 科学主题的研究课题 , 时间 空间综合集成地理信息系统研究的兴起与发 展是 GI 科学发展的必然需要与表现 。3 . 5 . 2 空间尺度 比例尺 比例尺对于 GI 科学有 多重的意义 。在地图制图学中 ,比例尺指的是地图 上的尺度大小与现实世界尺度大小的比值 。地图比 例尺与现实世界的几何形态相互作用 ,制图过程中 的地图分析与地图综合受到比例尺的制约与影响 ;尺度 ( 比例尺) 这个术语往往 与 表 示 物 理 过 程 的 规 模 、展布或特征长度相联系 。尺度的变化 、功能的变 化 、形状的变化紧密联系 ; 尺度又与分辨率相联系 , 可表示能够鉴别或表达 、显示或分析的最小实体的 大小 ;比例尺 ( 尺度) 及与其相关的科学问题对于以人类赖以生存的地球为整体研究对象的 GI 科学 ,重 要性自不可言 。4研究主题的比较将本文所讨论 、提出的地理信息科学的 15 个研究主题 ,与 Goodchild 在 1992 年提出的 GIS 研究主题 ,以及由 UCGIS 提出的优先研究领域进行比较 :(1) 三者都提出了的研究主题有 4 个 , 分别是 :1) 资料获取 ;2) 表达 ( 资料模拟) ; 3) 空间分析 ; 4) 围 绕 GI 的社会问题 。后三个主题与 N C GIA 所建议的核心研究问题有很好对应关系 。(2) 由 二 者 提 出 了 的 研 究 主 题 中 , 有 3 个 在 Goo dchild 的建议与本文所提出的论题中出现 ,但没 有在 U C GIS 的建议中出现 ,分别是 : 1) 计算几何学 ;2) 空 间 数 据 库 ; 3 ) 空 间 统 计 学 。实 际 上 , Goo dchild把这 3 个研究主题的前两个在“资料结构 、算法与处 理”这样一个综合命题下作了组合 。另外有 3 个主 题 ,在 U C GIS 和 本 文 中 出 现 , 但 Goo dchild 没 有 提 及 ,分别是 :1) 本体论 ; 2) 认知 ; 3) 资料质量 。“比例3 . 4 . 4地理信息 、组织与社会GIS 技术的社会应用与影响是 GIS 应用研究的主体 。80 年代前后 , GIS中的大多数技术创新都是出现在一些直接的应用层 面上 ,应用软件主要由研究机关 、学校或咨询部门的开发人员开发 ,很少直接由科学家发明 。80 年代是软 件与资料商业化的十年 ,更是 GIS 研究和发展学术化 的十年 。80 年代末以来 ,学术的注意力更多地转向了 技术与社会 ,对地理信息的经济 、社会 、法律诸方面的尺”是 U C GIS 提出的主题 ,但在本文中是作为时空交叉研究而提出 。“可视化与显示”是 Goo dchild 提 出的研究主题 ,最近 U C GIS 也把其确定为正在出现 的研究主题 ,本文在论述的各种模型与应用系统中 都会涉及表达的可视化问题 ,而没有将其单列 。(3) 仅仅出现在一个提议中的研究主题 。Goo d2 child 提议的所有研究主题 ,分别出现在其它一个或 两个提议中 ; 但 U C GIS 提议的研究主题 , 有 4 个更 具技术性的主题 ,并没有在其它两个提议中出现 ,分 别是 :1) 分布计算 ; 2) 地理信息互操作 ; 3) 空间信息基础设施的未来 ;4) 地统计资料挖掘和知识发现 。 本文提出了的 ,但没有出现在其它任何一个提议中的有 4 个研究主题 ,分别是 : 1) 人类与 GI 和技 术的相互作用 ;2) 定性统计推理 ; 3) 地理空间中的时 间 ;4) 其它地学计算论题 。“人机相互作用”主题 ,部分为 U C GIS 提出的论题所涵盖 , 但在 U C GIS 中已 转换为“认知”论题 ; 而“处理时间”,在 U C GIS 中已 为“地理表达的扩展”所包容 。型 ;10) 空间信息分布式计算 ; 11) 互操作 ; 12) 数据基础设置 ;13) 全球变化 ;14) 区域可持续发展 。国内外对 GI 科学在信息科学领域设定的研究具 有引人注目的相似性 ,这为地理信息科学应是信息科 学一个分支的学科界定提供了充分的证据 。当然 ,地理信息科学与地理学科具有天生的血缘亲密关系 ,它 们研究现实世界共同的对象 ,但很显然 ,地理信息科 学更多的是与本体论 、表达 、计算问题有关 ,而地理学 则侧重于企图解释与预测地理现象 。地理信息科学 具有显著的科学深度 ,它是信息科学的分支 ,更是一门综合的多学科领域 ,一门正在迅速发展中的新学 科 ,学科的成熟与发展必将造福于全人类 。参考文献 :L ON GL E Y P A , GOODCHIL D M F , MA GU IR E D J ,et al . 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