空间信息系统原理01

2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲1空间信息系统原理

The

PrinciplesofSIS

2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲2第一讲绪论1、当前情况 2、发展历史3、组成和内容 4、学科基础5、应用领域 6、市场前景7、应用实例 8、系统平台2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲31、当前情况

自从前美国副总统戈尔在1998年1月31日在美国加州提出“数字地球”这个概念后，空间信息系统的研究和应用，都被涵盖在这个宏伟目标下了。

“数字XXXX”已成为一种潮流。可以说，“信息空间化”已经或即将是各行各业、各种应用的一种内在（迫切）需要。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲42、发展历史

广义地说，空间信息系统指的是地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）、遥感（RemoteSensing，RS）以及全球定位系统（GlobalPositionSystem，GPS）的综合和集成（即所谓的3S）。应该说，GIS是空间信息系统的核心。RS和GPS发展较晚，依赖的是航空技术和卫星技术，最初的目标是获取地表空间信息和空间定位，但随着GIS的发展，其应用已经大大拓展了。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲52、发展历史GIS的发展依赖于计算机技术的发展，尤其是计算机图形学的发展。GIS萌芽于20世纪60年代初，是由加拿大的RogerF.Tomlinson和美国的DuaneF.Marble在不同地方不同角度提出的。前者针对土地利用，在加拿大土地调查局建立了加拿大地理信息系统（CGIS）；后者则在美国西北大学研究大规模城市交通，并提出建立GIS软件系统的思想。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲6一切信息都可图形化2、发展历史地理信息系统之要义2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲7地理信息系统（GIS）是什么？空间数据属性数据空间数据和属性数据的综合体NameAddressTownSt.ZipGIS是GIS2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲82、发展历史

从GIS的发展历史来看，每十年都上一个台阶：

20世纪60年代：开拓发展阶段，机助制图、量算分析

70年代：巩固阶段，大容量、图形化人机交互

80年代：突破阶段，微机GIS软件产品、应用扩展

90年代：社会化阶段，空间信息产业、WebGIS

新世纪：空间信息基础设施、数字城市、数字地球2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲93、组成和内容

空间信息系统的任务是采集、存储、管理、分析和显示地球空间信息。它是以数字化的形式反映人类社会赖以生存的地球空间的现势和变迁的各种空间数据以及描述这些空间数据特征的属性，以模型化的方法来模拟地球空间对象的行为，在计算机软、硬件的支持下，以特定的格式支持输入/输出、存贮、显示以及进行地理空间信息查询、综合分析、辅助决策的有效工具。一句话，空间信息系统为人们提供了管理地理信息和开展空间分析的先进工具。

空间信息系统既是事务处理系统、管理信息系统，也是决策支持系统。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲103、组成和内容空间数据库操作管理分析数据模型界面表现数据获取通讯用户网络2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲113、组成和内容空间信息系统的硬件组成主机打印机显示器绘图仪存储设备扫描仪数字化仪解析测图仪测绘仪器遥感图象GPS网络2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲12空间数据库分析查询编辑输出数据输入用户交互3、组成和内容空间信息系统的软件组成2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲133、组成和内容空间信息系统内容体系空间信息系统2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲143、组成和内容

空间信息系统研究的内容和发展可以概括为：根据实际应用需求的发展，充分结合各基础学科的技术进展，一方面完善自身的理论和应用，另一方面也促进其基础科学的发展。如：空间信息的表达、多技术的融合、空间数据仓库和挖掘、多维可视化与虚拟地球环境、空间应用系统建设方法学，网络化、标准化、大众化、全球化，…2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲154、学科基础

空间信息系统已经形成了一门单独的学科，称为地理信息科学。

RS和GPS虽然包含在空间信息系统之中，但它们也都是一门单独的学科，当然也是地理信息科学的基础之一。研究人类赖以生存的空间的科学——地理学是空间信息科学的基础理论依托，它提供了有关空间分析的基本观点与方法。地图是记录地理信息的一种图形语言形式，从历史发展的角度来看，空间信息系统是脱胎于地图，因此，地图学理论和方法对地理信息科学有着重要的影响。计算机科学是空间信息系统得以发展的技术保障。CG/CAD/CAM、DBMS、DSS/ES；网络、软件工程，…

2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲164、学科基础地理信息科学地理学地图学RS/GPS计算机科学网络CG/CAD/CAMDSS/ES数据库软件工程2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲174、学科基础ChristopherB.Jones在“GeographicalInformationSystemsandComputerCartography”

（AddisonWesleyLongmanLtd.，1997）一书中用一棵树的形式更为详细地给出了地理信息科学与其他学科的关系。在这棵树中，“树根”表示学科基础；“树枝”表示应用，应用的需求和结果返回到“树根”；“雨滴”则表示应用的数据来源。（可以在“邬伦等，地理信息系统——原理、方法和应用”一书P21中得到这棵树。）2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲184.1地球系统科学地球系统：指的是由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈组成的作为整体的地球。地球系统科学（EarthSystemScience）：研究地球系统的科学。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲194.1地球系统科学地球系统科学的研究方法系统方法分析与综合统一的方法模型方法一般认为，系统是由相互依赖、相互作用的若干组成部分组合起来，具有特定功能的有机整体。系统具有整体性、层次性、结构性和开放性的特征。分析与综合是辩证的统一2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲20

可以认为，地球系统科学就是研究组成地球系统的各个圈层之间的相互联系、相互作用机制，地球系统变化规律和控制变化的机理，从而为全球变化预测建立科学基础，并为地球系统的科学管理提供依据。4.1地球系统科学2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲214.2地球信息科学

(Geo-informatics)地球信息科学是地球系统科学的组成部分，是研究地球表层信息流的科学，或研究地球表层资源与环境、经济与社会的综合信息流的科学信息依附于一定的载体，并能从一个载体传递至另一个载体，形成所谓的信息流。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲224.2地球信息科学

(Geo-informatics)基础理论地球科学理论信息科学理论系统理论非线性科学2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲234.2地球信息科学

(Geo-informatics)技术手段RSGISGPS2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲24运作特点观测上的整体性观测上的长期性观测上的连续性观测上的同步性技术上的集成性4.2地球信息科学

(Geo-informatics)2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲254.3地理信息科学地理信息科学

是关于地理信息的本质特征与运动规律的一门学科，它的研究对象是地理信息，它是地球信息科学的重要组成部分。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲26产生的基础技术应用驱动，这是一条从实践到认识，从感性到理论的思想路线。科学融合与地理综合思潮的逻辑扩展，这是一条理论演绎的思想路线4.3地理信息科学2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲27研究内容4.3地理信息科学地理信息系统本质、结构、描述和分类表达地理信息的发生、提取、传输、重构和作用机制地理信息运动过程中的熵增、熵减、误导和不确定性地理信息运动过程的感应与行为机制地理信息运动计算机模拟的一般性问题地理信息技术系统的开发、集成与应用空间数据基础设施建设技术人口、资源、环境、经济和社会的区域规划管理地理信息基础设施建设区域可持续发展理论应用技术2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲284.4地球空间信息科学

(Geomatics)定义是以GPS、GIS、RS等空间信息技术为主要内容，并以计算机技术和通讯技术为主要技术支撑，用于采集、量测、存储、管理、分析、显示、传输和应用与地球空间分布有关的数据的一门综合性和集成性的信息科学和技术（李德仁，李清泉，1998）2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲29地球空间信息广义上指各种机载、星载、车载和地面测地遥感技术所获取的地球系统各圈层物质要素存在的空间分布和时序变化及其相互作用的信息的总体。（王家耀）4.4地球空间信息科学

(Geomatics)2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲304.4地球空间信息科学

(Geomatics)研究内容理论基准标准化时空变化组织空间认知不确定性解译与反演表达与可视化技术GPSRSGIS数据通讯技术2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲314.5空间信息系统基础理论地理系统指某一个特定时间和特定空间的，由两个以上相互区别又相互联系、相互作用的地理要素或过程所组成的，并具有特定功能和行为，与外界环境相互作用，并能自动调节和具有自组织功能的整体（承继成，1997）。是指系统在无外界的强迫条件下，系统自发形成的有序行为，能自身调节功能的行为。（耗散结构）2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲32地理系统协同论人与自然相互作用理论/人地系统论整体性与分异性理论/地带性规律地理空间结构与空间功能/区位理论描述地理系统平衡状态的理论4.5空间信息系统基础理论2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲33相互联系相互依存相互制约相互排拆相互竞争启示：在空间信息系统中，无论在其开发设计或应用上，无论在宏观上或微观上，我们都应该考虑地理系统的协同性地理系统协同论4.5空间信息系统基础理论2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲34人与自然相互作用理论/人地系统论环境决定论或然论人与环境协调论可持续发展理论4.5空间信息系统基础理论2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲354.5空间信息系统基础理论整体性与分异性理论/地带性规律地球表层的自然地理环境中，各要素（地貌、气候、水文、植被、动物、土壤）并不是简单地汇集在一起，或在空间的偶然结合，而是在相互制约和相互联系的情况下，形成一个特殊的自然综合体或自然地理系统。各地理要素不是孤立存在和发展，而是作为整体的一部分发展变化的。整体性2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲36分异性整体性与分异性理论/地带性规律大尺度分异全球分异全大陆、全海洋分异区域性尺度分异中尺度分异小尺度分异4.5空间信息系统基础理论2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲37地理空间结构与空间功能/区位理论地理空间结构（geo-spatialstructure）：指在一定的空间范围或区域内，资源、环境、经济和社会诸要素的组合关系或耦合关系，及同一空间范围内的资源、环境、经济和社会等的配套关系地理空间结构功能（geo-spatialstructurefunction）：指区域所具有的经济和社会发展潜力的大小，或可持续发展能力的大小。地理空间区位（geo-spatiallocation）：指一定的空间范围内，对社会经济发展有利的部位。4.5空间信息系统基础理论2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲384.6地理空间认知理论认知(cognition)

是一个人认识和感知他生活于其中的世界时所经历的各个过程的总称，包括感受、发现、识别、想像、判断、记亿、学习等。奈瑟尔把认知定义为“感觉输入被转换、简化、加工、存储、发现和利用诸过程”。所以，可以说认知就是“信息获取、存贮转换、分析和利用的过程”，简言之就是“信息的处理过程”。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲394.6地理空间认知理论地理空间认知美国地理信息与分析国家中心(NationalCenterforGeographicinformationandAnalysis，NCGIA)在1995年发表的“高级地理信息科学”

(AdvancedGeographicInformationScience)报告中，提出的地理信息科学的战略领域有三个，其中之一为“地理空间的认知模型”(CognitiveModelsofGeographicSpace)。美国地理信息科学大学研究会(UniversityconsortiumforGeographicInformationScience)于1996年发表的“地理信息科学的优先研究领域”(ResearchPrioritiesforGeographicInformationScience)报告中，也把地理信息的认知(CognitionofGeographicInformation)列为第二个重点问题。可见，地理(地球)空间认知理论已成为地球空间信息科学的公认的基础理论，也是空间信息系统或地理信息系统的公认的基础理论。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲404.6地理空间认知理论地理(地球)空间认知，是研究人们怎样认识自己赖以生存的环境(即地球的四大圈层及其相互关系)，包括其中的诸事物、现象的相互位置、空间分布、依存关系，以及它们的变化和规律。我们之所以强调“空间”这一概念，是因为我们认知的对象是多维的、多时相的，它们存在于地球空间之中。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲41地理空间认知理论地球空间认知通常是通过描述地理环境的地图或图像来进行的，这就是所谓“地图空间认知”。地图空间认知中的两个重要概念：一是认知制图(cognitivemapping)；二是心象地图(mentalmap)。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲42地理空间认知理论认知制图，它可以发生在地图的空间行为过程中，也可以发生在地图使用过程中。所谓空间行为，是指人们把原先已经知道的(长期记忆)和新近获取的信息结合起来后的决策过程的结果。地图的空间行为如利用地图进行定向(导向)、环境觉察和环境记忆等行为。空间信息系统(或地理信息系统)的功能表明，人的认知制图能力是能够用计算机模拟的，当然这只是一种功能模拟，模拟结果的正确程度完全取决于模拟模型和输人数据是否客观地、正确地反映现实系统。

2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲43地理空间认知理论心象地图，是不呈现在眼前的地理空间环境的一种心理表征，是在过去对同一地理空间环境多次感知的基础上形成的。所以，它是间接的和概括的，具有不完整性、变形性、差异性(当然也有相似性)和动态交互性。心象地图可以通过实地考察、阅读文字材料、使用地图等方式来建立。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲44地理空间认知理论地理(地球)空间认知包括感知过程、表象过程、记忆过程相思维过程等基本过程。地理空间认知的感知过程，是研究地理实体或地图图形(刺激物)作用于人的视感觉器官产生对地理空间的感觉和知觉的过程。地理空间认知的表象过程，是研究在知觉基础上产生表象的过程，它是通过回忆、联想使在知觉基础上产生的映像再现出来。地理空间认知的记忆过程，是人的大脑对过去经验中发生过的地理空间环境的反映，分为感觉记忆、短时记忆、长时记忆、动态记忆和联想记忆。2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲45地理空间认知理论地理空间认知的思维过程，是地理空间认知的高级阶段，它提供关于现实世界客观事物的本质特性和空间关系的知识，在地理空间认知过程中实现着“从现象到本质”的转化，具有概括性和间接性。《理论地图学》2023/9/28空间信息系统原理－－第一讲464.7小结应该说，关于空间信息系统的基础理论目前的研究无论是其广度还是其深度都是不够的，基础理论的本身需要进一步深化，利用这些理论来指导空间信息系