地理信息科學――天地人機信息一體化網絡系統馬藹乃（北京大學地球與空間科學學院遙感與地理信息系統研究所）一、空間科學與航天技術1957年蘇聯向太空發射成功第一顆人造衛星以來，空間科學與航天技術（SpaceScienceand10g皿1英丫）有了飛速的發展。外層空間的自然環境不僅限于物理，實際上還有化學、生命、以及人類如何在外層空間環境中生存的問題。因此，我們提出了外層空間圈的概念，它對地理科學是一個嶄新的圈層概念。空間科學一外層空間圈空間科學研究的實際上是外層空間的自然環境，空間物理是空間科學中的基礎理論研究。利用空間環境中的高真空、超潔凈、在飛行器中獲得的微重力等特殊條件（即空間資源），研究各種材料，生產出地面上不可能生產的產品，如玻璃金屬、超薄膜、某些生物制品、培育良種等。更為重要的是利用外層空間圈的高度資源，對地進行觀測（EOS）。遙感衛星、遙測衛星、定位衛星、通訊衛星（包括中繼衛星）對地進行軍事偵察與民用監測。當人造衛星進入太空之后的空間自然環境，就變成既有空間自然環境，又有空間人工環境了，而且對于外層空間來說，人類只能生存在太空中的人工環境之中，即便是人類走出太空艙，也需要生活在人工制造的小環境一一太空服之中。正如人類要在海洋中生活，可以制造潛水艇，當人類從潛水艇走出來，探索海洋時，需要穿上潛水服一樣，只是太空服比潛水服更加密封而已。在地球上，無論是陸地還是海洋，都已既是自然環境又是人工環境了，所以諾貝爾獎獲得者司馬賀（Simon）對應與自然科學提出了人工科學的命題［3］，研究自然環境用自然科學，研究人工環境用人工科學。司馬賀指出人工科學是復雜性科學，這從另一個側面指出了，包括自然環境與人工環境的地理科學是復雜性科學。研究外層空間圈，不僅需要研究自然科學的空間物理，更為重要的是研究自然與人工結合的外層空間環境，并且毫不例外地需要用復雜性科學的觀念來研究外層空間圈。航天技術一人造衛星至2005年之初，全世界大約已經有6000顆以上的航天器送入了太空，其中大部分是人造衛星。全球平均每年發射120個各種類型的航天器（包括探空火箭、人造衛星、航天飛機、人造行星等）。航天技術所獲得的信息包括：（1）遙感信息遙感分成像過程與解譯過程兩部分［17］，成像過程是物理現象過程，是唯一的、確定性的過程；解譯過程是地理現象的認知過程，是復雜的不確定性的過程。遙感信息是數據信息、圖像信息、光譜信息三者結合的數圖譜信息，這在科學歷史上是前所未有的信息，人們經過40多年的研究，在成像光譜儀器上的研究，取得了長足的進步，美國在遙感衛星EO-1上，已經獲得了220個波段的影像數據；而在信息識別、提取、分類、解譯等方面仍然處于初級階段，圖像處理系統的軟件功能，主要還是以數理統計為基礎的模式識別方法；遙感反演模型仍然是以簡化的物理數學方程的方法；只有遙感信息模型［18］，才是集演繹邏輯、歸納邏輯、類比邏輯為一體的；物理方程、統計方程、模糊方程、灰色方程、分形方程為一體的辯證的復雜性模型。遙感信息為地理信息提供了原數據、原圖像、原光譜的信息，為建立遙感信息模型奠定了基礎，如果沒有遙感信息的發展，就沒有建立地理信息科學的基礎，也就沒有建立地理科學的基礎。（2）遙測信息如果說遙感信息是獲得平面二維和立體三維圖像信息的技術，那么，遙測信息是在遙感之前就已經成熟的技術，獲得的是地面實測的、隨時間變化的一維信息。例如，氣象臺站所測的天氣數據、水文臺站所測的水情數據、地震臺站所測的地球物理數據等。將各種臺站實測的物理模擬量，按一定的步距采樣，離散成數據，即所謂的A/D轉化，形成數據流，通過地面天線發送到衛星上去，將分散在各地的數據，通過數據收集系統（DataCollectedSystem），經過衛星的傳輸，再集中返回到地面上的接收站，將這些數據集中，按照一定的規則整編成規范的資料，提供用戶使用。（3）定位信息遙感信息與遙測信息大部分是屬性信息，地球上的各種屬性都是在一定的位置上的，關于位置信息，就需要由定位信息來確定。定位系統［20］是從導航系統發展而來的，美國發射了24顆，分6個軌道，離地面22000Km高空的全球定位系統（GlobalPositioningSystem：GPS），俄國設計了24顆，分3個軌道，近26000Km高空的全球定位系統（GLONASS），歐空局15國，中國作為第16國參加設計了伽利略GALILEO全球定位衛星系統。中國在21世紀開始發射局部地區的北斗定位衛星（E70°-140°，N5°-55°），而中國的北斗定位衛星的用戶是主動式接收。（4）衛星通訊隨著計算機網絡技術的發展，天地通訊一體化，遙感、遙測、定位需要聯合起來應用，因此衛星通訊問題提到日程上來了。通過通訊系統，將航天技術與計算機技術聯系了起來。成熟的遙感信息模型，例如土壤的含水量遙感信息模型，從地面計算機網絡，通過衛星通訊發射到遙感衛星上去，當遙感衛星過境時，將計算好的結果直接傳輸到地面上來，成為真正實時的動態監測。因此衛星通訊越來越重要了，是整個太空信息網絡（SpaceInformationNetworkInfrastructure:SINI）的基礎。二、計算機科學網絡技術從1946年第一臺電子計算機問世以來，20世紀50年代的計算機主要是完成科學計算的任務，60年代發展了數據庫（DataBase：DB），70年代發展了計算機輔助設計（ComputeAidedDesign：CAD),80年代發展了地理信息系統(GeographicInformationSystem:GIS),90年代發展了計算機網絡，互連網(Internet)與內聯網(Intranet),21世紀以來發展了網上的協同工作(CooperatedNetworks)，電子計算機技術飛速發展，方興未艾，信息化快速地改變著世界。計算機計算技術建立在馮諾依曼理論基礎上(即二進制串行計算)的計算機計算技術從最初的科學計算(ScienceComputing)，發展到現在的5大計算技術“MMOON”，即多處理器并行計算(MultiprocessorsParallelComputing)>多媒體計算(MultimediaComputing)>面向對象計算(ObjectOrientedComputing)>開放系統計算(OpenSystemComputing)>網絡計算(NetworkComputing)。計算機的計算技術，始終是引領計算機硬件、軟件發展的主要動力。數據庫技術從計算技術的發展，可見計算機中的計算已經不僅僅是數字的計算，而是涉及到研究對象的邏輯計算，物理存儲的問題。數據結構⑶構成數據庫系統⑹，數據結構從簡單的列表結構，發展到樹結構(二叉樹、四叉樹、八叉樹)、圖形結構、圖像結構等，數據結構是數據庫的基礎，數據庫中的數據是獨立的，數據庫管理是用軟件去進行管理這些數據。當前的數據庫技術已經是多媒體［7］的數據庫了，集數據(Data)、知識(Knowledge)、圖形(Graphics)、圖像(Images)、動畫(AnimatedCartoon)、聲音(SoundorVoice)等為一體，用統一的數據結構，進行大量數據(1012-15bytes)的組織、存儲與計算、并行計算。數據庫發展的方向是使各種不同的用戶，根據專業邏輯能夠創造自身所需要的數據庫。.計算機輔助設計技術計算機輔助設計，即通常稱為CAD技術。CAD主要用于工程設計方面，因為工程中用到的圖形絕大部分是規則圖形，可以事先用公式計算好圖形的規格，例如一個圓的定義，只需給出圓心位置與半徑，就可以自動生成，依次類推，各種規則圖形都可以自動生成。即便是復雜一些的高層大樓、水庫的水壩、交通中的橋梁等等，最后都可以分解成簡單圖形，因此，在力學穩定性計算的基礎上，各類建筑的造型都能夠用CAD進行設計。地理信息系統技術前面已經提到地理信息系統是在數據庫與計算機輔助設計技術上建立起來的。德國西門子公司早期提供的地理信息系統(GIS)就是由一個自動計算機輔助設計(AutoCAD)和一個大型數據庫(Oracle數據庫)，中間用一個指針聯系而組成的。地理信息系統將空間數據與屬性數據聯系了起來，這是計算機技術發展的必然，之所以稱為地理信息系統是因為最早的創始人無論是英國的T.Coppock教授、還是加拿大的R.Tomlinson教授都是地理學家。AutoMapping沒有成功，而在計算機輔助設計與數據庫的基礎上，改造了CAD的規則圖形，對任意形狀的圖形，以拓撲(Topo)結構為基礎建立的圖形庫(GraphicBase)，用一個簡單數據庫作為屬性庫(AttributeBase)，用指針(Pointer)將屬性指出在圖形上的位置，從而將屬性與圖形聯系起來，完成了地理信息系統［9-10］。地理信息系統隨著計算機輔助設計（CAD）、數據庫（DB）和計算機技術（CT）的發展，也將進一步發展為多處理器并行計算、多媒體計算、面向對象計算、開放系統計算、網絡計算的MMOON型地理信息系統。網絡技術與協同技術幾臺計算機聯網的概念，1969年已經誕生在加利福尼亞大學洛杉機分校計算機實驗室中，直到1991年美國參議院文件中首次提出“信息高速公路"（InformationSuperhighway）的概念，1996年又進一步提出“國家信息基礎實施”（NationalInformationInfrastructure），即眾所周知的NIL用有線與無線通訊網絡，天地信息一體化地將計算機網絡（InternetandIntranet）、電視網絡、電話網絡連接起來，三網并一網，為全社會的個人提供日常生產、生活各個方面的便利。在互聯網（Internet）上傳遞信息、交換信息，進一步必然導致需要協同工作的需要，因此進入本世紀以來，網上協同工作CooperatedNetworks）的需求越來越強烈，人們需要在不同地方共同商討同一件事情、共同設計同一架飛機、共同指揮同一場戰役、共同研究一項發明等等，由此應運而生地產生了像Webex這樣的商業信息服務平臺［1，Webex可以提供計算機網上協同工作的功能。計算機從科學計算到網絡技術以及協同工作的發展，經過了70年的歷程，人類正在向著信息社會闊步前進，計算機與網絡技術更是地理信息科學的主要技術支撐之一，計算機與網絡技術也是航天技術的主要支撐之一。三、地理科學與信息技術地理科學與信息技術結合，形成地理信息科學。地理信息的信息源來自兩個方面，一是來自衛星，二是來自地面。在地理信息科學中主要有遙感信息系統、地理信息系統、地理專家信息系統、地理系統工程管理信息系統、地理系統工程輔助決策信息系統等。（1）遙感信息系統遙感信息系統包括遙感圖像處理系統、遙感影像計算機目視解譯系統、遙感影像群判讀系統、遙感信息模型系統等。（2）地理信息系統地理信息系統包括一般地理信息系統、電子地圖信息系統、地理測繪信息系統、地質灰色地理信息系統、人口地理信息系統、城市地理信息系統、基礎實施地理信息系統、產業結構地理信息系統、資源地理信息系統、環境地理信息系統、生態地理信息系統、災害地理信息系統等。（3）地理專家信息系統將人工智能引入地理信息系統，從而達到地理專家信息系統。除了地理信息系統外，增加地理知識庫、地理邏輯庫，構成地理專家信息系統。地理專家信息系統包括一般地理專家信息系統、人口地理專家信息系統、城市地理專家信息系統、基礎實施地理專家信息系統、產業結構地理專家信息系統、資源地理專家信息系統、環境地理專家信息系統、生態地理專家信息系統、災害地理專家信息系統等。

（4）地理系統工程管理信息系統包括地理系統工程一般管理信息系統、人口管理信息系統、城市管理信息系統、基礎實施管理信息系統、產業結構管理信息系統、資源管理信息系統、環境管理信息系統、生態管理信息系統、災害管理信息系統等。（5）地理系統工程輔助決策信息系統包括地理系統工程一般輔助決策信息系統、人口輔助決策信息系統、城市輔助決策信息系統、基礎實施輔助決策信息系統、產業結構輔助決策信息系統、資源輔助決策信息系統、環境輔助決策信息系統、生態輔助決策信息系統、災害輔助決策信息系統等。綜上所述，構成一個完整的復雜系統，就是天地人機信息一體化網絡系統，其中包括兩大子系統，即對地觀測子系統與人地信息子系統，其結構見圖1。決策層(Policymaker)專家層（EXpert）波譜庫（）影像庫（IB）虛擬現實（VR）用戶User，圖形庫（GB/CA規劃模型決策層(Policymaker)專家層（EXpert）波譜庫（）影像庫（IB）虛擬現實（VR）用戶User，圖形庫（GB/CA規劃模型（PM）地面數據《，）管理層（Mana人地信息系統M&EIS管理信息系統MIS）地理系統工程,（GS地理系統工]遙感信息系統-rSis技術層（Technician）/助決策信息系■統-博弈模型（GM）屬性庫數據庫知識庫邏輯庫（AB） （DB）（KB）（LB）地理信息編碼模型（GICM[地理專家信■統（gEiS）-地理信息系統GIS遙感信息模型（RSIM）（MeB）一模型庫（MoB）圖1天地人機信息一體化網絡系統Fig.1Space,Earth,Man,andComputerInformationIntegratedNetworkSystem小結：本文闡述了地理信息科學的背景，包括空間科學與航天技術、計算機科學與網絡技術、地理科學與信息技術三方面的高度交叉與綜合。【點評】按照評論人的理解，在地理研究和教學中系統地用信息技術以及相關概念和方法取代傳統方法，所形成的新學科叫做信息地理學。作者在這方面有獨到的研究，本文給出了簡明而系統的闡述，但主要屬于技術層次的內容，理論思想方面的提煉不足。用信息觀點考察地理現象，或集中考察地理系統中的信息運動，用信息科學的語言闡述地理規律，建立地理科學的新理論體系叫做地理信息學。這方面的研究屬于地理科學有待開拓創新的領域，本文尚未涉足，我們期待作者在這方面做出突破性貢獻。（苗東升）參考文獻馬藹乃，地理科學[M].北京：高等教育出版社，2005錢學森，創建系統學[M].太原：山西科學技術出版社，2001HerbertA.Simon.TheSciencesoftheArtificial[M]，武夷山譯，上海：上海科技教育出版社，2004王迪興，準全息系統論與智能計算機[M]，北京：長征出版社，2004W..FordandW.Topp.DataStructureswithC++[M],北京：清華大學出版社（影印）1997J.UllmanandJ.Widom.AFirstCourseinDatabaseSystems[M],北京：清華大學出版社（影印）1998R.SteinmetzandK.Nahrstedt.MultimediaComputing，CommunicationsandApplicatins[M]，北京：清華大學出版社（影印）1997ShamTickoo.AutoCAD2000AProblemSolvingApproach[M],潘宏譯,北京：機械工業出版社，2000吳立新、史文中，地理信息系統原理與算法[M]，北京：科學出版社，2003鄔倫、劉瑜等編煮著，地理信息系統原理、方法和應用[M]，北京：科學出版社，2004D.E.Comer.InternetworkingwithTCP/IP，Vol.IPrinciples，Protocols，andArchitecture[M]，北京：清華大學出版社（影印）1998D.E.ComerandD.L.Stevens.InternetworkingwithTCP/IP