空间信息导论概论

1、李世华2012.2第一章 概论纳米技术纳米技术生物技术生物技术空间信息技术空间信息技术三大新三大新技术技术全球定全球定位系统位系统地理信地理信息系统息系统计算机计算机技术技术全球定全球定位系统位系统全球定全球定位系统位系统通讯技通讯技术术全球定全球定位系统位系统遥感遥感一、数据与信息二、空间数据与空间信息二、从现实世界到数字世界7/2/20224 数据是指那些未经加工的数据是指那些未经加工的事实或是着重对一种特定事实或是着重对一种特定现象的客观描述，它是客现象的客观描述，它是客观事物的性质、属性、位观事物的性质、属性、位置，以及相互关系的抽象置，以及相互关系的抽象表示，是构成信息和知识表示，是

2、构成信息和知识的原始材料。的原始材料。壹、贰、叁壹、贰、叁一、二、三一、二、三One, two, three1，2，3，7/2/20225数值型数值型字符型字符型图表图表音频音频视频视频竹简竹简石雕石雕泥板泥板羊皮纸羊皮纸纸张纸张计算机计算机 Byte-KBMBGBTBPBEBYB7/2/20228人工管理阶段人工管理阶段文件系统阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据库系统阶段高级数据库技术阶段高级数据库技术阶段7/2/20229 英文信息（英文信息（informationinformation）一词的含义是情报、）一词的含义是情报、资料、消息、报道、知识的意思，所以长期以来资料、消息、报道、知识

3、的意思，所以长期以来人们就把信息看做是消息的同义语，简单地把信人们就把信息看做是消息的同义语，简单地把信息定义为能够带来新内容、新知识的消息。息定义为能够带来新内容、新知识的消息。7/2/202210普遍性普遍性无限性无限性相对性相对性传递性传递性变换性变换性有序性有序性动态性动态性无损耗性无损耗性7/2/202211信息是有用的、经过加工的数据。信息是有用的、经过加工的数据。数据是描述客观事实、概念的一组文字、数字或符号数据是描述客观事实、概念的一组文字、数字或符号 等，它是信息的素材，是信息的载体和表达形式。等，它是信息的素材，是信息的载体和表达形式。根据不同的目的，可以从原始数据中得到不

4、同的信息。根据不同的目的，可以从原始数据中得到不同的信息。7/2/202213地理空间数据指以地球表面空间位置为参照的自地理空间数据指以地球表面空间位置为参照的自然、社会、人文、经济数据，可以是图形、图像、然、社会、人文、经济数据，可以是图形、图像、文字表格和数字等。文字表格和数字等。它所表达的信息就是空间信息，反映了空间实体它所表达的信息就是空间信息，反映了空间实体的位置以及与该实体相关联的各种附加属性的性的位置以及与该实体相关联的各种附加属性的性质、关系、变化趋势和传播特性等的总和。质、关系、变化趋势和传播特性等的总和。在实际应用中，人们不刻意区分空间数据与空间在实际应用中，人们不刻意区分

5、空间数据与空间信息，将二者等同起来。信息，将二者等同起来。7/2/202214空间信息具有空间信息具有定位、定性、时间和空间关系定位、定性、时间和空间关系等特性。等特性。定位是指在已知的坐标系里空间目标都具有唯一的定位是指在已知的坐标系里空间目标都具有唯一的空间位置；空间位置；定性是指有关空间目标的自然属性，它与目标的地定性是指有关空间目标的自然属性，它与目标的地理位置密切相关；理位置密切相关；时间是指空间目标是随时间的变化而变化；时间是指空间目标是随时间的变化而变化；空间关系通常用拓扑关系表示。空间关系通常用拓扑关系表示。 7/2/2022157/2/202216空间性空间性空间性是空间信息

6、的最空间性是空间信息的最主要的特征，是区别于其主要的特征，是区别于其他信息的一个显著的标志。他信息的一个显著的标志。空间性表示了空间实体的空间性表示了空间实体的地理位置、几何特性以及地理位置、几何特性以及实体间的拓扑关系，从而实体间的拓扑关系，从而形成了空间物体的位置、形成了空间物体的位置、形态及由此产生的一系列形态及由此产生的一系列特性。特性。7/2/202217时间性时间性空间数空间数据的时间性据的时间性是指空间数是指空间数据的空间特据的空间特性和属性随性和属性随时间变化的时间变化的动态特征，动态特征，即时序性。即时序性。7/2/202218非语义性非语义性语义是反映人类思维过程和客观实际

7、的方面，是语义是反映人类思维过程和客观实际的方面，是人们对客观事物的反映，但并不完全等同于客观事人们对客观事物的反映，但并不完全等同于客观事物。通俗地讲，如果数据能够被人类所认识和理解，物。通俗地讲，如果数据能够被人类所认识和理解，并能够与具体的事物相对应，就说明数据是语义的。并能够与具体的事物相对应，就说明数据是语义的。7/2/202219返回返回3.空间信息在社会中的地位、作用及发展趋势空间信息在社会中的地位、作用及发展趋势人类社会经济生活中85%以上的信息与空间信息有关我国信息领域投资有30%左右为地理信息获取、加工处理及应用方面的投资有专家曾预测，未来5年，我国空间信息产业市场规模将达

8、1000亿元，带动相关产业增长达5000亿元以上，形成巨大的产业群经济效益。 7/2/202221现实世界是指客观存在的世界。现实世界是指客观存在的世界。对事物的定量描述在计算机中表达较为容易，如长度、身高、颜色等抽象的东西很难在计算机中表达，如可能性，情感、政治、社会关系地球系统也相当复杂人类认识世界的过程始终向前发展认识世界的过程也是人类认识技术手段和工具的进步过程地理信息系统（GIS）作为对地球空间数据进行采集、存储、检索、建模、分析和表示的计算机系统，既可以管理属性信息，也可以管理空间信息数字工程可以为大量信息的应用创建一个完全虚拟的数字世界，数据的一体化应用和一体化的存储都可在这个世

9、界中完成。 从现实世界从现实世界-概念世界概念世界-数字世界，再通过人数字世界，再通过人们改造自然的活动反馈到现实世界，三个阶段对们改造自然的活动反馈到现实世界，三个阶段对应地球信息科学的三个研究领域应地球信息科学的三个研究领域:地理认知模型的地理认知模型的研究、地理概念计算方法的研究及地理信息与社研究、地理概念计算方法的研究及地理信息与社会的研究。会的研究。地理概念形式表达地理时空思考地地理理信信息息科科学学三三个个领领域域地地理理信信息息流流地理认知模型研究地理概念计算方法研究地理信息与社会研究现实世界概念世界数字世界（GIS）应用领域信 息服 务与计算机实现 数字世界是一个虚拟了的现实世

10、界，是现实世界的数学模型，能够模拟现实世界的部分特征 数字世界不是对现实世界的完整表达 现实世界是一个时变系统，但数字世界对任何事物的表达都是离散的构造模型可对现实世界中的复杂系统进行简化和抽象模型就是抽象地模仿现实世界的事物，并有意识地忽略事物的某些特征7/2/202228场模型场模型要素模型要素模型层次模型层次模型 对于在一定空间内有连续分对于在一定空间内有连续分布特点的现象，适合用基于布特点的现象，适合用基于场的模型来进行转换。场的模型来进行转换。 场模型，也称作域（场模型，也称作域（field）模型，是把地理空间中的现模型，是把地理空间中的现象作为连续的变量或体来看象作为连续的变量或体

11、来看待，如大气污染程度、地表待，如大气污染程度、地表温度、土壤湿度、地形高度温度、土壤湿度、地形高度以及大面积空气和水域的流以及大面积空气和水域的流速和方向等。速和方向等。 根据应用的不同，场可以表根据应用的不同，场可以表现为二维或三维场现为二维或三维场（a） 规则分布的点规则分布的点（b） 不规则分布的点不规则分布的点（c）规则矩形区）规则矩形区（d） 不规则多边形区不规则多边形区（e） 不规则三角形区不规则三角形区（f） 等值线等值线用场模型对空间信息进行转换，首先要将信息空间分成多个可结构化表达的区域，即采样 主要针对个体空间对象主要针对个体空间对象的信息获取，该对象的信息获取，该对象必

12、须以独立的方式或必须以独立的方式或者以与其他现象之间者以与其他现象之间关联的方式存在。关联的方式存在。基于要素的空间信息模型是把空间信息分解为对象或实体，然后向数字世界转换一个实体必须符合3个条件：可被识别，是否重要，可被描述基于要素的模型把信息空间看成许多对象的集合，而这些对象又具有自己的属性基于要素的模型中的实体通过不同的维度来获取属性，包括空间维、时间维、图形维和文本、数字维等 欧氏空间是一个特别的度量空间，它使得我们能够对其的拓扑性质，对包含了欧氏几何和非欧几何的流形的定义上发挥了作用 空间数据是对客观事物的位置描述，而非空间空间数据是对客观事物的位置描述，而非空间数据表现了事物间相互

13、区别、相互联系的方面。数据表现了事物间相互区别、相互联系的方面。对客观世界的认识、描述是一个逐步的过程，对客观世界的认识、描述是一个逐步的过程，可以有层次之分可以有层次之分概念模型是现实世界到数字世界的第一层抽象，是一个面向用户的模型概念模型必须具有抽象的真实性概念模型需要具有完整、精确的语义表达能力Entity-Relationship model（E-R模型）将现实世界的要素转换成实体、联系、属性等几个基本概念以及它们之间的基本关系，并且用一种较为简单的图表示，即E-R图实体：客观存在并相互区别的事物称为实体，可以是具体的人、事、物或抽象的概念属性：实体具有的某一特性称为属性，一个实体可以

14、由若干个属性来刻画联系：现实世界中事物间的关联称为联系最基本的概念是对象，是从现实世界中概念化的基本实体，是定义在实体上的一组属性和操作的集合，属性用来表示实体的特征，操作定义了实体的交互特性相互能区别的事物均可以视为对象逻辑模型的作用就是把概念世界中的数据类型转换为信息世界支持的数据类型，还要设计子模式对模式进行评价优化，同时还要考虑数据转换过程中的一致性、完整性问题逻辑模型在这个转换过程中起着承上启下的作用这一过程通常采用关系模型对数据进行组织 数字世界中的数据既能代表和体现信息模型，同数字世界中的数据既能代表和体现信息模型，同时又向机器世界前进了一步，便于用机器来进行时又向机器世界前进了

15、一步，便于用机器来进行处理。为了达到这一目的，需要对信息世界中的处理。为了达到这一目的，需要对信息世界中的有关信息进行加工、编码、格式化等具体处理，有关信息进行加工、编码、格式化等具体处理，转换为计算机能够接受的数据格式。转换为计算机能够接受的数据格式。物理模型解决了实体数据的存储问题，包括数据物理模型解决了实体数据的存储问题，包括数据类型、索引、约束等方面的定义类型、索引、约束等方面的定义数字世界的一个典型例子是数字地球数字地球数字地球，是美国副总统戈尔于1998年1月在加利福尼亚科学中心开幕典礼上发表的题为 “数字地球：认识二十一世纪我们所居住的星球” 演说时，提出的一个与GIS、网络、虚

16、拟现实等高新技术密切相关的概念。在戈尔的文章内，他将数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。 信息社会是人类社会的必经之路，信息化程度高低已经成为衡量一个国家生产力水平和综合国力的重要标志7/2/202246节省成本。以电子商务为例，建立在企业和社会节省成本。以电子商务为例，建立在企业和社会信息化基础之上的电子商务创造了一个浩瀚的全球电信息化基础之上的电子商务创造了一个浩瀚的全球电子虚拟市场，这是互联网的迅速发展所造就的继传统子虚拟市场，这是互联网的迅速发展所造就的继传统市场之后的又一巨大市场。市场之后的又一巨大市场。提高效率。政府机构各部门实行信息化改革之后，提高效率。政府机构各部门实行信息化改革之后，通过虚拟办公、电子邮件交换、远程连线会议，克服通过虚拟办公、电子邮件交换、远程连线会议，克服了了”文山会海文山会海”、”公文旅行公文旅行”等现象，大大提高了等现象，大大提高了推行政令的时效性和政府机构的工作效率。推行政令的时效性和政府机构的工作效率。7/2/202247避免危险。虚拟现实技术是指利用人工智能、计避免危险。虚拟现实技术是指利用人工智能、计算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电算机图形学、人机接口、多媒体、计算机网络及电子、机械、视听等高新技术，模拟人在特定环境中子、机械、视听等高