環境信息學

EnvironmentalInformatics為什么要講環境信息學？環境管理信息系統(EMIS)在環境信息學中(EI)的地位研究環境信息學的目的意義環境信息的作用環境信息學面臨的問題環境信息學的主要內容環境管理信息系統在環境信息學中的地位環境信息學環境信息系統環境管理信息系統環境信息學概論環境信息學是怎樣一門學科？環境信息學的產生背景解決環境問題過程中的信息反饋環境信息學的研究對象信息學環境信息學環境信息學的形成環境信息學的核心：環境信息處理系統環境信息學各主題與環境信息處理系統組成部分的關系環境信息學包括那些研究內容環境信息學的產生背景——

可持續發展戰略的要求世界面臨的很多環境問題隨著世界人口的飛速增長與消費的加劇，全球的社會發展與環境狀況變得危機四伏。水資源緊缺、沙漠化、熱帶雨林的減少，特別是大城市的飛速發展都是全球人口增長與消費加劇的結果。可持續發展戰略1992年聯合國環境與發展大會提出可持續發展戰略，這就意味著現代人的生活與消費不能危及后代的生活水準。環境信息學是可持續發展戰略的必然要求可持續發展是一個非常重要的概念，但操作起來非常困難，很難具體實施。在可持續發展決策與實施過程中，信息將是改變態度，做決定性行動的重要依據環境信息學的產生背景——

環境保護工作的需要無論是環境保護工作，還是環境管理，以及環境科學研究都是建立在對廣泛且可靠的環境信息的有效利用基礎之上的。提高環境信息的質量與可達性，以及環境信息的收集與有效處理適當技術是環境管理、規劃與預案決策等的基礎。近年來，一門被稱作環境信息學的應用信息學分支逐漸發展起來。環境信息學所涉及的問題包括綜合的環境信息的收集、存儲、恢復與處理技術的研究與開發等。環境信息學的產生背景——

計算機技術發展與滲透的發展的必然隨著計算機、互聯網技術的飛速發展，計算機不斷向各種應用領域滲透，并與各應用領域交叉滲透，逐漸在各領域形成交叉學科：信息學，即計算機應用學科，包括：環境領域的環境信息學（EnvironmentalInformatics）水信息學（Hydroinformatics）認知領域的認知信息學（CognitiveInformatics）能源領域的能源信息學（EnergyInformatics）生物信息學環境信息學的產生背景——

計算機科學在環境領域的應用

信息技術已成為獲取環境保護所需的環境信息，并對之進行管理與加工處理的根本手段。計算機科學或就稱之為信息學，它作為信息與知識處理的方法學基礎，是各交叉學科研究的核心。應用信息學（或稱應用計算機科學）不僅提供了大量優秀的信息處理技術與工具，同時應用于復雜而多面的環境領域，在方法學方面得到進一步拓展。到目前為止，計算機在環境保護中的應用仍缺乏概念上全面的科學基礎。這不僅是計算機應用科學的事情，同時各交叉學科也需做出相應貢獻，諸如地理學、生物科學、環境工程學、經濟學、法學、測量技術、管理科學等。在解決環境問題過程中的信息反饋處理流程圖

水空氣景觀土壤噪音廢棄物輻射化學物 食品健康

環境信息利用數據庫、模型、專家系統、圖象處理與可視化等工具處理環境信息，得到有價值的決策支持信息公眾、行政部門、政策與工業部門改善環境的相對措施環境壓力

人與環境信息學與環境信息學環境信息學的研究對象數據(DATA)與信息(INFORMATION)數據是個抽象的概念，包括任何一種文字、字符、數字，它是對客觀物體的直接描述與測量，可以反映客觀事物的性質、屬性以及關系等；信息是通過數據形式表示的，加載在數據之上，賦予數據某種語義（Semantics），即對數據含義的某種解釋，信息表示了錯綜復雜的耦合數據之間的聯系；信息的表示不唯一。環境信息環境信息是對環境的數據表示，即具有一定語義的環境數據。環境信息的語義異構（SemanticsHeterogeneity）問題環境信息的作用環境信息貫穿整個環境科學與工程領域，無論科研，還是環境管理決策，離開環境信息的支持，都將寸步難行。環境管理的依據排污收費城市定量考核EIA等等環境決策的依據環境功能區劃與規劃重大環境政策的制定等等環境工程設計、驗收的依據環境科學研究的基礎“信息學”經常被認為與計算機科學是同意詞。信息學這一主題比計算機系統的含義更廣泛，它是各種信息技術應用的總和。除了工程方面，信息學被視計算機系統為嵌入到組織與社會中的應用。對于應用信息學，信息學的各個分支在信息技術（InformationTechnology）與各種應用領域架起一道橋梁。信息學（INFORMATICS）信息學（INFORMATICS）信息技術真實世界問題的需求信息學信息技術解決問題的潛能應用領域：水科學醫藥生命科學環境科學

如圖所示為應用信息學的中介作用。信息學一方面分析所給定應用領域的現實世界的問題，同時定義需求。另一方面，信息學還為應用領域提供利用信息技術解決問題的潛能。環境信息學（EnvironmentalInformatics）信息學與環境科學相互融合，環境信息學逐步形成。然而與生物信息學、醫藥信息學有所不同，環境科學本身就是一門交叉學科，其理論基礎來自物理學、化學、生物學、生態學、社會學、經濟學、管理學、公共管理、法律、醫藥等學科。環境信息學的主要任務是為這些交叉學科提供信息存儲、處理與通訊的基礎平臺，這一任務是非常重要而且困難的，需要集成來自各環境領域的各種數據、信息與知識，并進行整合。信息技術真實世界環境問題的需求環境信息學信息技術解決環境問題的潛能物理學、化學、生物學、生態學、社會學、經濟學、管理學、公共管理、法律、醫藥與工程技術等學科環境信息學（EnvironmentalInformatics）環境信息學的各種方法或研究主題數據庫系統與地理信息系統模型模擬技術（包括定性、定量的與模糊模擬）基于知識的系統與專家系統計算機繪圖與科學可視化用戶界面設計與軟件人體工程學人工神經元網絡數據、方法與模型的集成環境信息學的核心——

環境信息處理系統環境信息學的核心-----

環境信息處理系統環境信息處理系統的應用范圍很廣，它可根據信息處理的特性劃分，包括；監測與控制系統傳統的信息系統計算評估與分析系統規劃與決策支持系統集成環境信息系統等。環境信息處理的基礎----

環境監測與控制系統監測系統服務于水、大氣、土壤、噪音與輻射等監測（包括環境遙感）的自動化，以及基礎數據的分析：時間系列數據的統計；環境對象的分類；污染物的識別等。過程控制一方面直接用于環境技術，諸如空氣排放控制、污水與污泥排放控制，以及重復利用過程等；另一方面用于生產過程自動化，減少對環境保護的間接影響（諸如節能與降低污染物的排放等）。監測與控制系統經常需要處理一些模糊信息，諸如利用模糊邏輯與人工智能等技術。環境信息處理的主體----

環境信息系統環境信息系統，既指對各種環境信息（包括原始監測數據、環境對象描述信息；這些環境信息有結構化，又有半結構化與不正式的文檔），進行輸入、存儲、組織、集成、恢復與表示的計算機系統。在管理這些信息的過程中空間與時間概念往往起著非常重要的作用。各種軟件工具，包括地理信息系統，超媒體系統等都需要與這些需求相結合。環境信息處理的主要功能——

評估、模擬與分析系統評估、模擬與分析系統是指利用復雜的統計數學分析方法與模擬技術，對環境數據進行處理的過程，包括各種環境情景的模擬與預測。這些系統的可能應用包括環境影響因子的標識，不同規劃方案可能影響的來源的分析（諸如風險識別，以及時間與空間尺度的排污負荷預測等）。環境信息處理的主要功能——

規劃與決策支持系統規劃與決策支持系統利用計算機技術加工處理基礎環境信息，形成高層決策信息，以此提供各種環境決策，包括不同替代方案的評價，環境影響分析，處理有毒有害物，水資源管理，技術風險評價等。對于工業應用，目前正在開發所謂計算機輔助環境信息管理系統，它為環境管理系統提供信息處理平臺。這一系統在“生態管理與審計計劃”(EU—Eco-managementandAuditScheme)中起著非常重要的作用。環境信息處理系統的集成——

集成環境信息系統集成環境信息系統與上面所提到的各種類型系統息息相關，是上述各種系統根據不同目的綜合集成。目前，集成環境信息系統越來越向分布式系統發展。建立這些系統需要信息處理過程的各種概念的綜合。這種概念的綜合與其他信息技術的應用一樣重要，同樣為環境信息學提出了特有的挑戰。環境信息學的各種方法或研究主題與各種環境信息處理系統間的關系數據庫系統與地理信息系統模型模擬技術基于知識的系統與專家系統計算機繪圖與科學可視化用戶界面設計與軟件人體工程學人工神經元網絡與連接者模型數據、方法與模型的集成監測與控制信息系統評估模擬分析集成環境信息規劃與決策支持

強關聯弱關聯一般環境信息學面臨的典型問題環境信息的特點環境信息有很多不同的信息源，諸如關于環境法與環境項目的文本信息，來自環境監測網絡的量化信息，關于化學物質的結構化信息，來自環境技術的帶有格式的工程數據等。環境數據通常帶有空間特征，即與空間的點或區域關聯。數據對象的多維性，只能利用復雜的幾何對象（例如多邊形與曲線）描述。環境信息學所涉及的主要內容包括定量數據的處理與相關統計分析方法，以及模糊、不確定與不完全信息的處理方法。對于分布式異構環境信息數據庫，要提供一種用戶易于獲取的方法，諸如用戶指導手冊或元數據。環境信息通常只能從不同主題所特有的預先建好的初級數據庫演繹而來，然后再以適當的方法合并。環境信息學（EnvironmentalInformatics）環境信息學的典型問題是：異構、分布式數據庫，元數據庫，幾何數據結構與運算法則，以及現代地理信息系統的應用；基于知識的系統在處理不確定環境知識問題過程中非常重要；基于系統體系結構的方法對統計與數學環境分析與模型方法非常有用；除此以外，還有一些相關學科，諸如遙感、監測技術與生態系統分析等。環境信息學的研究內容環境信息學是一嶄新的計算機科學應用研究與技術領域，它包括如下計算機科學在處理環境信息與解決環境問題過程中的各個過程：數據庫系統、模型與模擬軟件、基于知識的系統與專家系統、計算機制圖與環境信息可視化、用戶界面與人體工程學、人工神經元網絡，以及網絡集成規范等。環境信息學的主要研究內容環境信息學的主要研究內容環境監測是環境信息學的基礎，環境監測應理解為廣義的環境監測，它既包括常規的區域大氣、水、土壤環境監測，同時還包括全球尺度的監測，以及3S技術，特別是遙感技術在環境監測中的應用。任何綜合的信息系統的開發過程中，數據庫技術均起著非常重要的作用。特別是環境信息系統，它存儲、維護與處理大量不同格式的環境監測數據、法律文本與文獻資料等。環境數據庫具有自己的需求與特點，必須引用一些功能強大的新技術，諸如面向對象的數據庫管理系統，空間與時間相互依存的數據的模擬技術，以及處理模糊查詢與不精確數據的概率推理技術等。元數據庫的作用將越來越大，元數據庫包含有什么樣的環境信息可用，在哪兒以及如何能夠獲取等信息。環境信息學的主要研究內容環境信息系統是環境信息學研究的主體，95%以上的環境信息與空間有關，具有空間數據處理特征。空間分析技術地理信息系統（GIS）中空間信息表示方法與處理技術（諸如疊圖分析）問題的識別（諸如多邊形疊圖過程中的非精確推理技術）空間查詢語言與空間數據交換格式。環境信息學的主要研究內容環境信息學的主要研究內容環境信息在環境監測、模擬、規劃與工程領域應用的環境數據可視化的典型案例。它主要包括地理信息系統技術與用戶界面設計技術。專家系統是環境信息學的重要組成部分。其中協作專家系統是一個嶄新的研究領域，非常適合處理綜合的環境問題。環境信息學的主要研究內容就神經元網絡（NeuralNets）技術近年來逐步發展起來的一種功能強大的模擬技術，用于模擬那些由大量交互參數描述的復雜的非線性的環境過程。神經元網絡分析方法被廣泛用于光譜分析數據的分類，噪音數據處理，預測，復雜過程的診斷，過程控制等環境研究領域。遙感在環境觀測、監測與保護過程中所起的作用越來越大。在遙感應用領域大量衛片與航片需要處理與解譯，信息處理技術就是這一領域不可缺少的技術。環境信息學的主要研究內容隨著互聯網技術的飛速發展，環境信息獲取渠道越來越多，國內外很多研究部門與政府部門均在網上發布大量環境信息以共環境科學研究之需。諸如國內的可持續發展信息共享網絡等：環境元數據標準化環境元信息系統句法方法語義方法環境信息學的形成與發展環境信息學的形成自從80年代，環境信息學逐漸成熟起來。第一個環境信息學的研究機構成立于1986年，即德國應用科學研究院（SaarlandStateUniversityforAppliedSciences——HTW)的環境信息學研究所（EnvironmentalInformaticsGroup——EIG)。這個研究所長期致力于環境軟件應用方面的研究工作，在環境軟件系統（EnvironmentalSoftwareSystems——ESS)與環境信息學等方面非常有名。自1987年，歐洲國家每年舉辦環境信息學年會。環境信息學的形成2000年10月4-6日，在德國波恩召開了第14界環境保護信息學年會；2001年10月10日-12日，在瑞士蘇黎世將召開第15次環境信息學年會；2002年9月25-27，在奧地利維也納的維也納技術學院召開第16次環境信息學年會。2003年9月23-26，在德國的COTTBOS技術學院召開了第17次環境信息學年會。“環境信息學的形成在德國與日本部分大學已設有環境信息學系值得注意的是環境信息學不只是開發信息技術解決環境問題的潛力與效益，而且正在考慮（或說試圖避免）信息技術對環境產生的負面影響，也就是信息環境問題。環境信息學的形成目前，環境信息學已成為應用信息學中的完整組成部分。它通過整合諸如數據庫系統、地理信息系統、模型模擬技術、計算機制圖、用戶界面、神經元網絡、知識處理與系統集成等研究領域，為在環境保護應用領域，應用計算機提供方法上支持與幫助。環境信息學的發展歷程信息學的發展歷程數值處理數據處理知識處理智能處理第一階段40-50年代第二階段50-70年代第三階段70-80年代第四階段90年代信息學是一門應用計算機學科，它的發展與計算機應用技術的發展密不可分：1、數值處理階段計算機主要用于物理信號處理和科學計算。50年代，西蒙提出了管理依賴于信息和決策的概念。此時計算機已應用于會計工作，并以較低的成本得到及時準確的信息。計算機在管理信息系統中的應用只停留在數值的處理，尚未涉及數據的分析等高層次的功能。2、數據處理階段電子數據處理系統（EDPS---electronicdataprocessingsystem）數據更新系統（美國航空公司的SABRE預約定票系統：實現了數據的自動更新、調節、分配，并能查詢）記帳系統（實現了電子記帳、快速對帳與查詢功能）數據統計系統（應用于社會經濟統計，解決了手工統計工作量大、效率低且不準確的矛盾）2、數據處理階段管理信息系統的產生管理信息系統是在傳統的EDPS的基礎之上發展起來的。避免了EDPS在管理領域應用的一些弊端，在處理方法與手段方面有了長足的進步：SABRE系統中沒有預測控制；記帳系統沒有利用現有信息，進行成本核算、財務計劃等輔助決策功能；2、數據處理階段管理信息系統不同于EDPS的特點更加強調科學的管理方法和定量化管理模型的運用，強調優化作用；強調預測和控制作用；強調對信息的深層次開發；強調高效低成本的系統結構與數據處理模式；強調科學的、系統化開發方法。3、知識處理階段70年代初，MIS暴露出很多問題；70年代學術界掀起一場“MIS為何失敗？”的討論，討論中，一批學者提出DSS概念，這與當時計算機從傳統的處理定量問題向處理定性問題轉化分不開。知識處理技術的發展（知識表達、知識庫、知識處理等），推動了信息系統從概念、結構到方法、技術的飛躍。決策支持系統（DSS---DecisionSupportSystem）產生信息系統涉足管理領域中大量存在的定性問題四庫（數據庫、模型庫、方法庫與知識庫）一體的管理信息系統模式正式形成。3、知識處理階段DSS較MIS的特點強調DSS面向決策者；以解決半結構化的管理決策問題為主；強調決策過程中人的主導地位，信息系統只是對人（決策者）在決策過程中的工作起支持作用。4、智能處理階段基于知識的智能處理是未來MIS的發展方向推理（根據規律推導出下一步可能的結果）聯想（在某一條件觸發人們對其他有關聯的事實的聯想）學習（知識的歸納、總結與積累）從知識處理到智能處理將會引起MIS的概念、結構、技術等方面的更大突破，導致高度智能化的MIS的誕生。環境信息學的發展趨勢環境信息學的發展趨勢電子商務---4E戰略:電子溝通(E-communication),電子調研(E-research，網絡在線信息服務),電子促進(E-marketing)和電子貿易(E-trade)其它方面的電子化（信息化）：電子科學（E-SCIENCE），電子政府（E-GOVERNMENT），電子環境（E-ENVIRONEMNT。環境信息學的發展趨勢數據共享與異構數據庫(HDB：HeterogeneousDatabases)既使是一個經過信息規劃的企業，隨著時間的推移和人事變遷，以及數據庫技術的發展和市場的變化，都可能采用異種數據庫；因此在網絡環境下，異種數據庫聯合使用的要求將長期存在。異構數據庫的聯合使用技術，它的目標是對地理上分布的多個異質數據庫，在盡可能少地影響其本地自治性的基礎上，構造具有用戶所需要的透明性的全局數據庫，以支持對各數據庫的全局應用及各異質數據庫之間靈活的信息交換和共享。數據倉庫（DataWarehouse）有效地管理運營過程中所產生的大量信息，獲取決策信息；從大量的業務數據中探索業務活動的規律及運作趨勢；要進行專業化的數據分析，涉及多維數據視圖的概念，僅靠關系數據庫就力不從心了。能夠靈活地重新組織對用戶呈現出多維數據視圖的技術就是數據倉庫。環境信息學的發展趨勢數據挖掘（DATAMINING）數據開采是近代數據庫技術面對復雜應用而發展起來的新技術,也可以認為它是關系數據庫聯機分析的智能擴展。數據挖掘與數據查詢不同。數據查詢的問題和答案都是肯定的，而數據開采則是面對不確定的提問，回答隱藏在數據背后的未知問題。環境信息數據庫是一個知識的海洋，怎樣發現并提取隱藏其中的知識，如何展現歷史事實，特別是各種活動與歷史之間的相關特征，就要運用DM技術了。環境信息學的發展趨勢--智能代理(IntelligentAgent)在廣泛使用C/S模式的環境下，系統規模迅速擴大，運行任務日漸繁重，維護管理越趨復雜，嚴重影響了工作效率。為解決這個問題，IA應運而生。

IA的原理是能接受應用委托，根據應用程序和數據庫管理的需要，隨機組合且自動執行指定任務，而用戶不必關心應用程序、數據庫在網絡上處于什么位置、什么狀態。環境信息學的發展趨勢——智能代理(IntelligentAgent)IA具有以下特性:推理性：用戶把任務交付后，IA能根據所需資源自動地做出判斷，從而完成作業。學習性:能在執行中記憶過去運行的狀態，不斷增加自身對各種事件的處理能力。協同性：能根據系統資源狀態，在系統承接的任務之間進行動態調整。移動性：在協調多項任務時，能從一個系統移至另一個系統，甚至可選擇本地還是遠程去執行。自主性：任務委托后，可以完全脫離用戶，可根據某一事件或指定時間觸發執行。環境信息學的發展趨勢INTERNET/INTRANETSCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition）與自動控制MIS與GIS的完美結合：信息的可視化以地理信息系統為工具，將具有地理屬性的信息進行可視化、地圖化，然后根據地區的人均收入、人口統計等條件進行分析和專題圖制作，使各種信息和分析結果一目了然。環境信息學的發展趨勢：GPS接收機支持Windows或WindowsNT空間數據庫管理的客戶/服務器體系結構由原來向用戶提供系統轉為提供控件OCX或ActiveX，用戶可自組系統Internet/IntranetGIS（WEBGIS）Internet與部件對象模型(COM)技術相結合，將進一步發展基于分布式部件模型的WebGIS。空間數據庫供應商在服務器上存儲數據的同時，根據數據源的格式安裝操縱該數據的控件。用戶在網上可調用不同的控件和數據，在本機或某個服務器上進行分布式部件的動態組合和空間數據的協同處理與分析，完全實現遠程異構數據的共享。可視化MIS的發展環境信息學面臨的問題環境信息的獲取監測、遙感、統計環境信息的存儲分類與編碼元數據環境信息數據庫環境信息共享環境元信息系統句法方法語義方法環境本體環境信息加工處理環境模擬與仿真環境規劃環境信息挖掘等環境信息的可視化3S（GIS、RS、GPS）虛擬現實人工智能知識工程智能控制基于知識的專家系統神經元網絡環境信息系統（MIS、DSS、GIS）信息環境問題環境信息學計劃涉及的內容環境信息學的基本概念與方法信息的本質信息熵信息整序等環境信息共享信息分類與編碼標準環境元數據環境元信息系統環境元數據標準環境元數據的協同工作能力句法異構與句法方法語義異構與語義方法環境信息學計劃涉及內