地理信息科学的概念

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地理信息科学的概念范文第1篇

1（略）

国内在环境信息科学的一些主要论题包括环境信息系统、环境遥感、环境模型、环境可视化、环境信息处理等方面都开展了一些研究工作。20世纪90年代以来，环境信息化发展迅速，特别是从上至下的各级政府主管部门环境信息系统的建设极大地推动了这一工作的进展，环境地理信息系统则已成为实现环境信息化的主要途径。地理信息系统在环境领域的应用，正在从初期的信息管理、环境专题制图发展到Gls与环境模型集成陈9]、35技术集成的多媒体环境系统、基于Gls的环境污染扩散模拟t‘’，‘“1、基于GIS的环境治理决策支持系统等。遥感技术在环境科学与工程领域有着广泛应用，一些主要领域包括大气污染遥感、水环境遥感、固体废弃物遥感监测、城市热岛效应与热环境监测、植被遥感、景观格局遥感监测、海洋环境监测等。环境建模与模拟一直是环境工程研究的重要内容，一方面，各种数学模型、物理模型、统计模型在环境信息科学中得到大量应用，另一方面，基于环境过程机理的计算机模拟模型、元胞自动机(CA)模型、智能体(Agent)模型等也在环境领域受到重视。数据挖掘与知识发现是从海量数据库中挖掘和提取对决策分析有用的、先前未知的隐含模式和规则的过程，笔者在1999年即面向环境信息化与数据挖掘技术的发展，试图将二者结合，提出“环境数据库中的知识发现”并进行了初步研究。可视化是表达和传输环境信息有效的形式，通过三维可视化、三维模拟实现环境现象、过程的真实感表达，能够更加逼真地传输环境信息。近年来，虚拟现实技术在环境科学与工程领域的应用中受到了研究人员的重视卿]。“虚拟地理环境”是虚拟现实技术支持下地球科学研究的创新平台，依托这一平台，能够进行环境科学与工程相关的理论研究、技术开发、工程实践、模拟决策等活动。针对环境信息技术集成应用的趋势，聂庆华提出了“数字环境”的概念，数字环境是环境信息化的过程和结果，是三维显示的数字虚拟环境，包括环境信息数字化、环境信息传输网络化、环境分析模型化和环境空间决策的智能化、环境过程和管理可视化。尽管国内目前在环境信息科学各个分支方向的研究非常活跃，但缺乏整体性、系统性的认识和探讨。本文在分析环境信息科学研究进展的基础上，基于环境信息流和信息分析处理构建了环境信息科学的体系结构，并以煤矿区环境监测治理与管理为例，全面分析了环境信息科学理论、方法与技术的应用，以期促进环境信息科学研究及其在构建和谐社会、推进可持续发展中的应用。

2环境信息科学的体系结构及其在煤矿区的应用

2.1环境信息科学的体系结构尽管环境信息科学的概念提出已有近20年的时间，但从目前国内外研究的现状来看，对于环境信息科学的概念、学科体系还缺乏明显的定义。已有的一些环境信息科学研究计划中界定的范畴也不尽相同。因此，从促进环境信息科学研究的视角出发，首先需要对环境信息科学的体系结构进行界定。HuangGH等川提出的环境信息科学的构成要素及相互之间的关系见图l，这是当前引用较多的环境信息科学体系结构。由图1可见，环境信息科学是多学科集成的领域。传感器综合技术和通信技术的发展使得大尺度地面采样技术成为可能，处理不同特征、尺度和复杂性问题的模型综合成为新的挑战，包括不同模拟、优化、评价模型以及相关信息技术与平台的合并，不同技术输人与输出之间的联接，社会经济因子的量化，以及大尺度集成模型的解算策略。在此基础上，HuangGH等「‘〕提出基于环境信息科学研究的环境决策支持系统计算机系统，其结构（图略）USGS的研究报告’)中，将环境信息科学定义为:环境信息科学是为加强对不同复杂程度的环境现象的理解，并提出新的认识的，集成物理、生物学、计算机和信息科学的多学科方法的研发、试验和应用的学科。不同定义都强调环境信息科学的多学科交叉、以信息技术为支持、解决复杂环境问题的特点。Huang等川的观点显然更强调以遥感、地理信息系统和GPS技术为基础的空间信息技术与环境科学和工程的交叉，而USGS的定义则重点强调了现代计算技术、人工智能等在环境领域的应用，特别是USGS在其未来环境信息科学发展规划中重点强调了计算智能等技的应用。基于以上观点以及国内外研究的进展，结合我们的研究实践与认识，以环境信息流和环境信息处理分析为主线，可以构建环境信息科学的体系结构及主要技术方法（图略）。环境信息科学的理论基础来源于面向环境科学与工程领域需求的多学科理论交叉，技术支持在于面向环境信息流的多技术手段集成，最终通过不同学科领域方法模型的综合，实现环境科学与工程各个阶段、各个过程的目标和任务。因此，需要从多学科理论交叉与多技术手段集成的角度推进环境信息科学研究。

2.2环境信息科学在煤矿区综合应用的研究从一定意义上来讲，环境信息科学并不是一门独立存在的新兴学科，而是诸多学科的交叉和集成。不同学科在研究过程中，特别是遥感与地理信息系统应用、资源环境规划与城乡管理、环境影响评价、信息科学、计算机技术等领域都从不同的角度开展着与环境信息科学密切相关的内容，这些学科的研究成果是促进环境信息科学发展的基础和关键。换言之，以前进行的研究工作往往是从环境信息科学的开展的相关论题研究，其重点还在于不同学科方向，但已经构成了环境信息科学研究的基础层。为了促进环境信息科学的研究，需要改变从外部到内部的“包围型”研究模式，努力推进从核心到的“拓展型”发展模式，即从环境信息流出发，组织和集成相关学科的研究，特别是在不同学科交叉链接的关键论题上开展深入研究，以便形成适应环境信息科学体系与研究需求的理论方法体系和应用技术系统。煤矿区作为1种以资源开采为驱动力发展起来的特殊地理区域，由于煤炭资源开采(以下仅涉及地下开采矿区)破坏上覆岩层原始应力状态，导致地下水流失、地面塌陷，进而引发土壤污染、水土流失，矿山排研形成的研石山压占大量土地，堆积物导致严重大气污染和土壤损害，甚至引发各种地质灾害。因此，煤炭区是1种典型的由于矿山开采导致的景观破坏、环境污染、生态退化的复杂区域，煤矿区的环境问题具有明显的复杂性。目前，对于煤矿区生态环境主要的研究视角包括:(l)从煤矿开采损害角度出发研究开采沉陷与地表变形预计、监测与治理;(2)从煤矿区土地资源管理角度出发研究煤矿区土地利用/覆盖变化与生态响应;(3)从煤矿区地质环境角度出发研究矿区地质环境评价与地质灾害预防，(4)从煤矿区水资源环境角度出发研究矿井水害、水污染与水资源调控;(5)从景观格局生态学角度出发研究煤矿区景观格局;(6)从地理环境演变角度出发研究煤矿区地理环境演变与模拟;(7)从遥感与GIS应用角度出发研究矿区资源环境遥感与信息系统;(8)从大气污染角度出发研究煤矿区大气污染评价与控制;(9)从经济学角度出发研究煤矿区环境经济评价;(10)从管理学与可持续发展角度出发研究煤矿区环境规划、环境管理与可持续发展决策;等等。对以上不同视角的研究进行综合分析，可以看出多主题、多要素的时空环境信息是其中的关键，任何视角的研究都需要充分的信息和数据的支持、需要环境信息和背景信息的集成、需要计算机信息系统和分析工具的支持、需要环境知识和其它领域知识的交叉和集成。因此，从环境信息科学的角度出发，可以集成现有的研究工作，充分应用相关学科已有研究成果，通过成果整合与集成，在推进环境信息科学研究的同时，也进一步推动相关领域的研究。实现整合的关键在于不同研究视角之间的关联关系构建、链接边界选择、信息传输反馈、系统相互作用。煤矿区环境信息科学综合研究与应用体系框架（图略）。按照该研究框架，煤矿区环境信息科学的重点在于多学科研究的交叉点，主要包括:(l)基于采矿环境影响机理的模型建立、参数获取;(2)各种环境模型的建立、参数提取与模型验证(面向环境系统分析的环境评价、污染扩散、环境演变模型和面向环境管理决策的规划模型、优化配置、动态演变模型以及环境保护治理与生态重建方案设计);(3)面向环境监测的遥感信息源选择与图像处理、环境信息提取与分析，以及组织、集成与管理多种环境相关信息的数据库设计与建立;(4)环境信息系统、地理信息系统平台下的模型解算与解释、分析结果可视化与应用;(5)集成信息、模型、数据库、系统、知识的环境决策支持系统(专家系统)构建。(6)资源一环境一人类一计算机系统中的信息流与信息应用。

地理信息科学的概念范文第2篇

关键词：GIS；发展；演化

一、前言

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是一种专门用于采集、存储、管理、分析、和表达空间数据的信息系统。其既是表示、模拟现实空间世界和进行空间数据处理分析的“工具”，也可看作是人们用于解决空间问题的“资源”，同时还是一门关于空间信息处理分析的“科学技术”。

二、GIS的提出和迅速发展

50年代，由于电子计算机科学的兴起和它在航空摄影测量与地图制图学中的应用，使人们开始有可能用电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据，并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务，这样就导致了地理信息系统的问世。

1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后各国的土地测绘和管理部门都逐步发展土地信息系统（LIS），用于地籍管理。1963年，加拿大测量学家R.T.Tomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个GIS—加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。稍后，美国哈佛大学研究出SYMAP系统软件。但是，由于当时计算机技术水平不高，存储量小、磁带存取速度慢，使得GIS带有更多的机助制图色彩，地学分析功能极为简单。当时的系统能实现手扶跟踪数字化地图，进行地图数据的拓扑编辑，分幅数据的拼接，并发展了基于栅格的操作方法。

进入70年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存取设备—磁盘的使用，为空间数据的录入、存贮、检索和输出提供了强有力的手段。用户屏幕和图形、图像卡的发展增强了人机对话和高质量图形显示功能，促使GIS朝着实用方向迅速发展。一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和地理信息系统。GIS这一技术成为一个引人注目的领域。

三、80年代的GIS—地理信息系统（Geographic Information System，GIS）

80年代是GIS在理论、方法和技术上取得突破与趋向成熟的阶段。由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通讯传输设备的出现，为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输效率得到极大的提高。另外，软件开发工具的广泛应用和数据库技术的推广，推动了GIS的数据处理能力、空间分析功能、人机交互对话、地图的输入、编辑和输出技术的进一步发展，并逐步走向成熟。GIS的应用从解决基础设施的规划（如道路、输电线等）转向更加复杂的区域开发问题。当时，GIS已跨越国界，在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并与卫星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题（如全球变化、全球沙漠化监测等）。因此，国际著名的GIS专家，即前面提到的R.T.Tomlinson认为：“如果70年代是GIS发展的巩固时期，那么80年代则是国际上GIS发展具有突破性的年代”。这个时期，GIS还保留有地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的含义和意思。

四、90年代的GIS—地理信息科学（Geographic Information Science，GIS）

地理信息系统技术的应用大大提高了人类处理和分析大量有关地球资源、环境、社会与经济数据的能力，而地理信息系统技术及其应用的进一步发展则必须以地球信息机理理论为基础。陈述彭院士在论述地理信息系统发展时强调了对于地球信息基础理论的研究，并指出地球信息基础理论的实质内容：地理信息系统已不仅仅限于物质流与能量流的信息载体，而且包括研究地学信息流程的动力学机理与时空特征、地学信息传输机理及其不确定性(多解)与可预见性等；并认为：Geo-Informatics不同于Geomatics，在于这个Info还包括很多地学规律，其分析模型必须以地学为基础。

Goodchild于1992年提出地理信息科学(Geographic information Science)的概念。地理信息科学主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存贮、提取以及管理和分析过程中所提出的一系列基本问题，如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对于地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等。地理信息科学的提出是地理信息系统技术及应用发展到相当水平后的必然要求，它是在人们不再满足于仅仅利用计算机技术来对地理信息进行可视化表达及其空间查询，而强调地理信息系统的空间分析和模拟能力时产生的；它在注重地理信息技术发展的同时，还注意到了与地理数据、地理信息有关的其他一些理论问题，如地理数据的不确定性、地理信息的认知以及社会对于地理信息技术运用于实践的认可等。由此可见，地理信息科学在地理信息技术研究的同时，还指出了对于支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。 世纪之交，由于地理信息系统的应用日益广泛，加上航空和航天遥感、全球定位系统、数字网络(Internet)和地理信息系统等现代信息技术的发展及其相互间的渗透和整合，逐渐形成了以地理信息系统为核心的地球空间信息集成化技术系统，为解决区域范围更广、复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证；同时，这些现代信息技术的综合发展及其应用的日益深广，掀起了全球变化研究与对地观测计划的新高朝，于是时势造英雄，促使一门新兴的交叉学科“地理信息科学”的脱颖而出。这个时期，GIS己经渐变地含有地理信息科学（Geographic Information Science，GIS）的含义和意思。

五、现在的GIS—地理信息服务(Geographic Information Service，GIS)

近年来，随着地理信息产业的建立和地球数字化产品的普及应用，GIS的发展进入到各行各业乃至各家各户的用户时代，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。这个时期，社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅度增加，地理信息系统已成为许多机构（特别是政府决策部门）必备的工作和决策咨询系统。国家级乃至全球级的地理信息系统已成为公众关注的问题，地理信息系统已被列入“信息高速公路”计划，也是美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略的重要组成部分。地理信息系统的研究和应用正逐步形成行业，具备了走向产业化的条件。

近来，个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、移动电话的普及给新的应用创造了许多机会。这样的应用有流动工作人员和基于位置服务。流动工作人员，顾名思义，他们工作在远程位置，如客户处、分公司或者野外现场。这些工作人员经常要为完成某项任务下载一段所需的数据，在远端使用这段数据，然后在每天工作结束的时候将改动更新（同步地）到主数据库上。这种场景的一个重要方面是：客户端保留有数据，并以离线方式在本地对数据进行操作。基于位置服务的使用是近年来出现的一个重要趋势，这类服务彻底改变了对用户地理位置的依赖。随着全球定位系统（GPS）的应用，可以很容易确定任何一个客户/使用者的精确位置，并根据用户的地理位置提出最佳解决方案。基于位置服务的影响和重要性促使开放GIS协会（Open GIS Consortium，OGC）提出了开放位置服务（Open Location Service，OpenLS），希望能够将地理空间数据和地理操作的资源集成到位置服务和电信基础设施中去。美国联邦政府已于2001年10月颁布了规定：所有蜂窝电话的位置在67%的使用时间里必须是可追踪的，追踪精度为 125米。这样，一方面人们总在评述着Internet革命“消灭”了地理的概念，与此同时，对于空间技术的需求却在不断增长。位置服务（Location Based Service，LBS）的巨大魅力在于通过固定或移动网络发送GIS功能和基于位置信息，从而在任何时间应用到任何人、任何位置和任何设备上。当前，LBS已成为科学研究、技术发展和市场开拓领域共同的热点话题。此时，GIS已朝着地理信息服务(Geographic Information Service，GIS)的方向发展。

六、结　论

地理信息科学的概念范文第3篇

1（略）

2基于ArcGIS的实现本文基于上述制图思路，以ArcGIS9．3为技术平台，以绘制西准噶尔地区地质图（1∶1000000）为例来具体说明如何实现。

2．1空间数据获取西准噶尔地区位于西伯利亚板块与准噶尔板块的碰撞带，属于古生代残余洋盆的后碰撞花岗岩类［6］。确定该区的范围，扫描其纸质地质底图和地理底图，在ArcCatalog中建立空间数据库，将底图配准后通过ArcScan自动矢量化或者手工矢量化，得到该区的地质、地理底图的矢量数据。经过拓扑检查后以点、线、面的形式存储（图略）。

2．2属性数据关联空间数据库中的每个要素类都有各自的描述，主要通过要素类名称、空间数据类型（点、线、面）、数据类型、数据存储长度、约束条件、数据项描述等进行描述与定义（表略），为数据加载做准备［7］。属性数据以传统数据库方式存贮和管理，并通过公共字段与各要素进行关联，使点、线、面不再仅仅是传统意义上的图元单位，而具有地质特征描述内容［8］

2．3图例制作图例是地图的语言体系［9］，集中体现了制图者对客观事物本质的认识，以及对这种本质的分类思想和分类体系。在以往的图例绘制中，人们只关注规范化表达。传统纸质图时代的图例采用人工手绘来实现，由于人的主观判断和绘图工具的误差，会导致线条粗细不匀、符号大小不一，无法完全实现图例的规范化表达［10］。同时，作为传统地质图整饰内容的一部分，图例是一种机械的“排列”，与图件主体部分并没有有机的联系，仅是单纯的视觉表达，实现了认知表达中的符号层，而概念层仍然隐式地停留在人的大脑中。Fishnet是ArcGIS平台下的一种空间分析工具，相当于图形化的Excel。它可以自由定义的基本单元格的大小，并对其赋予属性。利用Fishnet制作图例，不仅可以实现符号的标准化表达，更重要的是，它是在数据库中管理符号和数据，可以随时修改或查询［11］。

2．4STYLE匹配将Fishnet中的图例存储为Style，或者将整个要素调用Savetolayers命令存成Layer。调用Proper－ties中的MatchtoSymbolsinastyle，用Layer与图件主体中要素的相同字段进行匹配，或者用Style直接进行匹配，实现图件的自动符号化。在匹配时，如果按照一对一的方式进行，会产生很大的工作量。比如，不同时代的侵入岩很多，若采用一对一匹配，那每个时代（设有M个）的每一种侵入岩（设有N个）都要有相应的符号（CMN）。但是如果采用多字段来描述同一个地质体，采用多对一的方式，只需要制作时代的符号和侵入岩的符号（M＋N）。在制作图面内容较多的地质图时，这一方法将会大大提高效率，而且对于数据的分类尤为便捷（图略）

2．5整饰成图在layout视图下，调整图面大小、位置，添加图名、比例尺、指北针、经纬网、责任栏等整饰要素。图例可以以图片形式添加，或者以数据窗口的形式添加。

3基于地理信息科学制图的优势

从地理信息科学的视角出发，地理信息系统就成为地理信息科学应用的一个环节［2］，这就使制图不仅具有所有数字制图的优势，如方便携带、易修改、易复制、易整饰，存在严格的拓扑关系，不受比例尺的限制，具有良好的现势性及动态性［12］，更能体现以信息科学为基础的优势，使图元单位与地质实体之间建立起有机联系，使隐式存在于人脑中的语义显式地表达出来，实现信息的查询、新图件的生成、空间数据分析等优势。

3．1信息查询传统纸质图和数字制图只是对纸质地质图的数字复制，不具有信息查询的功能。比如，若想了解西准噶尔地区泥盆纪地层分布情况，在传统图件中，你只能通过读图例在图上圈出泥盆纪的地层。不仅费时，而且导致图面内容更加复杂，极易出错。基于信息科学制图是运用数据库储存数据，图面与数据关联，因此信息查询很容易实现：打开属性数据表，在查找中输入“D＊”（其中＊代表D的任一组），在属性数据表中属于D的所有地层就会被选择出来。相应地，在图上所有泥盆系的地层也会特别标识，这样西准噶尔地区泥盆系的地层分布就一目了然。如果需要查询泥盆纪侵入岩分布，则将相关字段相加再进行查询。

3．2图件派生在传统纸质图和数字制图中，图面一旦固定，再做任何修改或派生图件都是一件费时费力的事情，相当于重新制作。但基于信息科学思想成图不是一幅图件的终结，而是生成新的图件的渠道［13］。比如要制作西准噶尔地区侵入岩分布图。在西准噶尔地区地质图的基础上，通过查询“岩性大类”挑选出该区侵入岩数据，导出选择的侵入岩图层，或者在原图上删掉其他不相关数据或让其他数据不显示，调整图面大小、图名、图例、比例尺等整饰要素，一幅新的派生图件就完成了。

3．3空间数据分析所有的空间分析都是基于数据而不是基于图形。在这方面，基于信息科学成图具有别的制图方式不可比拟的优势。在这种成图方式中，每一个点、线、面都是具有实际地质意义的单元。在进行点的密度（如矿床的密度分析［14］）、线的缓冲（断层对特定矿种的影响范围［15］）、面的选择（矿床模型对成矿有利地层的选择）时，依托ArcGIS平台都能够迅速实现。这些依托数据的空间分析目前正在探索应用之中。

地理信息科学的概念范文第4篇

【 关键词 】 地理信息科学；数字地球；云计算；空间计算；时空；高性能计算；地理信息网络基础设施

1 引言

“唯一不变的是变化本身”——肯尼迪。在全球化和人类活动地域扩张的21世纪，理解变化变得越来越重要（Brenner 1999； NRC 2009b）。这些变化在一定的空间范围内发生，这个范围可以小到个人或周围的小空间，也可以大到整个地球（Brenner 1999）。我们用时空维度来更好地记录空间的相关变化（Goodchild 1992）。为了理解、保护和改善我们的生活环境，人类已经积累了约十万年或更长时间发生的变化的宝贵记录。这些记录通过各种传感技术获得，这些传感技术包括我们人类的视觉、触觉和感觉，以及最近发展的卫星、天文望远镜、原位传感器和传感器网（Montgomery and Mundt， 2010）。传感技术的进步极大地提高了记录的精度和时空范围。总的来说，我们已经积累了EB级的记录数据，而且这些数据集每天以PB级的速度在增加（Hey， Tansley and Tolle 2009）。

云计算的出现为解决地理科学的挑战，即能够灵活访问广泛集中的、实体化的以及负担得起的计算机资源，带来了可能的解决方案（Cui et al.， 2010； Huang et al.， 2010）。21世纪的地理空间科学与所描述的密集问题可以受益于最新的云计算框架，并充分利用时空原理以优化云计算。要抓住云计算和地理空间科学之间的内在关系，我们引入了空间云计算：a）解决地理空间科学中的4个密集问题；b）促进实施和优化云计算汇集、弹性、按需以及其他特点。

2 空间云计算（Spatial Cloud Computing （SCC））

云计算正在成为下一代的计算平台，政府机构正在促进它的使用以降低启动、维护和能源消耗成本（Buyya et al.， 2009； Marston et al. 2011）。结合地理空间科学，几个试验性的云计算项目正在诸如FGDC、 NOAA和 NASA等联邦机构内实施。商业机构，如微软、亚马逊和ESRI正在调研如何在云计算环境中操作地理空间应用，了解如何最好地适应这个新的计算模式。早期的调研发现云计算不仅能够帮助地理空间科学，而且能够采用时空原理进行优化以最好地使用分布式计算资源（Yang et al.， 2011）。地理空间科学问题具有强时空约束和原则，能够通过系统地考虑通用时空规则来获得最好的答案（De Smith 2007； Goodchild 1990； Goodchild et al.， 2007； Yang et al.， 2011b）：1）物理现象是连续的，数据表示在时空上是离散的；2）物理现象在空间、时间和时空关系上是异构的；3）物理现象在局部地理域上是半自治的，并且能够被分割和合并；4）地理空间科学和应用问题包括数据存储、计算/处理资源、物理现象和用户的时空位置；上述四种位置的相互作用随空间分布强度愈发复杂；5）时空现象越接近越相关（Tobler' first law of geography）。

一个支持地理空间科学的云计算平台应该利用上述时空原则和限制，以便以一种时空形式更好地优化与使用云计算，而不是设置限制条件和重新设计应用架构（Calstroka and Waston 2010）。

时空云计算涉及地理空间科学驱动的计算规范，通过将分布式计算环境应用于地理空间和其他科学发现，其能够被时空原则所优化。

空间云计算框架包括物理计算基础设施、分布在多个区域的计算资源，和用来管理为终端用户提供服务的资源的空间云计算虚拟服务器。

空间云计算可以用一个架构来表示，这个架构包含物理计算基础设施、分布在多个区域的计算资源，以及一个管理为终端用户提供服务的资源的空间云计算虚拟服务器。

空间云计算环境的核心组件主要通过结合时空原则的SCCM来支持地理空间科学，以寻求计算资源的优化。基于传统空间云计算平台和核心GIS功能是能够实现的，例如动态重投影和空间分析。本地用户和系统管理员通过SCCM管理接口，能够直接访问私有云服务器，云用户能够通过空间云门户访问云服务。还需要进一步研究IaaS、PaaS、SaaS和DaaS环境在云计算与地理信息科学两方面可用的一致性。在下一节中，我们使用四种有代表性的应用来说明四种密集的问题。

3 空间云计算应用

为说明云计算如何能潜在解决四个密集问题，我们选择了四个科学和应用场景来分析这些问题、时空原则和潜在空间云计算解决方案间的内在联系。

3.1 数据密集型

地理空间科学中的数据密集型问题至少可以总结为三个方面：1）利用专门的投影和地理坐标系统，多维地理空间数据在二维以上空间表示；2）诸如卫星观测、照相获取、或者模型模拟，会收集或产生海量多维数据；3）数据的全球分布。许多数据密集型的应用访问和数据整合，因此，大数据可能在快速计算机网络中传输，或者通过组合技术实现最小传输。

为解决这些数据密集型问题，我们开发了一种DaaS——分布式的目录和基于空间云计算的门户，来发现、访问、使用地理空间数据。这个DaaS基于Microsoft Azure， Amazon EC2和 NASA 的地理空间社区的云服务上正在进行开发与测试。

空间云计算可考虑拥有和使用数据、服务、计算和终端用户的位置、能力、容量和质量等信息并予以优化，当然是在计算、地理空间科学和应用使用时空原则的情况下。

3.2 计算密集型

计算机密集型是地理空间科学需要解决的另外一个问题。在地理科学元素中，在信息/知识的数据挖掘、参数提取和现象模拟应用中计算密集型问题愈发突出。这些问题包括：1）地理空间科学在建模和分析方面天然是耗费计算资源的；2）参数提出需要运行复杂的地球物理算法，以从海量观测数据中获取现象值（Phenomena Values），这个复杂的算法运算使得参数提取更具有计算密集型特征；3）当考虑到地球系统的所有动态参数时，模拟地理空间现象是非常复杂的。周期性的现象模拟密集计算的不断循环，高性能计算机常用来提升此类计算速度。更重要的是，现象处理的时空原则可用来优化分布式计算单元的组织，以实现时空科学模拟和预测（Govett et al.， 2010； Yang et al.， 2011）。这些原则对于实现数据挖掘、参数提取、现象模拟的云计算来优化计算资源也是很关键的（Ramakrishnan et al. 2011； Zhang et al. 2011），主要通过：1）利用动态需求和能力，为计算工作选择最匹配的计算单元；2）并行化操作单元以降低这个处理时间或提高整个系统的可操作性，3）利用更加匹配的工作、计算应用以及存储与网络状态，优化整个云操作性。由于科学算法的多样性和动态性，最好的实现平台是PaaS和IaaS。

3.3 并发访问密集

互联网的发展和“在任何地点、任何时间将正确信息提供给任何人”的理念，使得基于位置的地理空间服务流行开来（Jensen 2009），并允许数以千万计的用户并发访问系统（Blower 2010）。例如，Google Earth通过其SaaS支持数百万互联网用户并发访问。这些并发密集型访问在某一时间（例如2011年3月日本海啸和地震期间）非常密集，而在另外时间则很少。为更好地满足这些并发访问，空间云计算需要弹性调用更多的来自不同区域的服务进程来应对访问峰值。

实验证明计算进程越多，性能越高。弹性自动提供和释放计算资源允许我们共享其他无并发访问峰值的应用的计算资源，以应对当前的并发访问峰值。

3.4 时空密集型

为更好地理解过去和预测未来，一些被收集的地理空间数据是基于时间序列的，将已有的观测数据进行时间序列的重建工作也已实施。时空密集型的重要性体现在时空索引（Theodoridis and Nascimento， 2000； Wang et al.， 2009）、时空数据建模方法（Monmonier， 1990， Stroud et al.， 2001）、地球科学现象关联分析（Kumar 2007）、飓风模拟（Theodoridis et al.， 1999）以及计算机网络技术（在传输负载与拓扑复杂性上飞速发展）（Donner et al.， 2009）之上，面临着的挑战也来自于这些。

针对数据采集，不同的路径传感器、照相机以及公众探测技术用来获取实时的交通状态信息（Goodchild 2007）。已存在的路径连接和节点也被添加进来作为基础数据。模型模拟在高性能计算环境中进行。不像静态路径规划可利用Dijkstra算法实现，近实时的路径规划则不能如此（Cao 2007），我们不得不针对每一个路径规划请求进行准实时的计算。此复杂性给计算和地理科学带来很大的挑战。由于路径规划请求的动态特点，我们不能为应对最大量的用户而去维持最大的计算能力，通常我们不需要全部的计算能力。云计算提供的弹性与按需特征能够用来解决这个问题，PaaS最适合这种应用。

4 机遇与挑战

这篇论文罗列了21世纪地理空间科学面临的诸多巨大挑战：数据、计算、并发和时空分析密集特征。我们论证采用空间特征的云计算的最新进展能够为解决这些巨大挑战提供潜在的解决方案。

时空云计算的成功依赖许多因素，例如时空云计算在能够采纳云解决方案的地理空间科学家中的推广，在能够采纳时空原则进行设计、建设和部署云平台的计算科学家与工程师中推广。我们列举了几个方面，包括：

4.1 时空原则挖掘和提取

地理空间现象在时间和空间上不断变化，利用四维或更多维去表示或描述其演变是可能的。我们已建立了欧几里德和其他空间去描述这些现象。由于现象的复杂性和多维的庞大，我们力图简化维度，引入现象的特征或模板去帮助更好地在理论和计算环境中表示，使得其具有可计算性。

在地理空间科学中，由于人类活动的扩展和全球化，一些表示方法需要重新定义。例如，我们需要整合陆地区域、海洋和大气进程以更好地理解气候变化。另一方面，我们需要更好地描述地理空间现象如何影响我们的生活。这些时空关系帮助我们形成更好的时空原则，开发多维状态下的时空案例。横向应用需要多领域的不同背景的科学家进行合作。社会上，跨领域和地域的处于分散状态的科学家合作是一个巨大挑战。

4.2 重要的数字地球与复杂的时空科学及应用

Digital Earth要求将我们星球的数字信息进行整合，并开发出地理空间问题的解决方案。理解可预知的模式并提供特定环境下的解决方案，这是非常必要的。解决这些问题不仅为人们提供需求便利，而且从长远看能够改善人们的生活质量。

为此，需要研究：a）辨明具有较大影响的基础性的应用，以及需要的计算支持；b）结合可获取的分布式计算能力，分析应用中的四个密集型问题；c）通过考虑云计算能力和时空需求，扩展或指定数学和概念模型到计算机模型，以实现应用的可计算性；d）为决策者和其他最终用户解决或提出问题；e）通过改进传感器技术、数据处理算法、数据结构和模型模拟以改善应用；f）总结经验教训，优化通用云计算技术。

4.3 支持空间云计算（SCC）特征

空间云计算严重依赖计算基础设施的状态，除了工程研究和计算基础设施特征的可用外，网络、CPU、RAM、硬盘、软件许可和其他资源的使用/状态，对于优化使用时空原则的云计算环境也是重要的。

在调研面向解决四种密集型地理空间问题的云计算特征工作中，需要进行扩展研究以更好地理解计算基础设施和应用的时空特性，应用和计算资源的优化调度也是关键的（Mustafa Rafique et al. 2011）。

4.4 安全

云计算公司通常会使用授权和认证技术来保护用户隐私，云服务提供商确保其基础设施安全并拥有可行的保护用户数据与应用的解决方案是必须的。美国联邦首席信息官（The US Federal CIO）正努力合并安全访问与授权成为统一功能，这计划为三个步骤（FEDRAMP 2011）：a）安全需求底线；b）持续监控；c）潜在访问与授权。

（注：本文译自《国际数字地球学报》International Journal on Digital Earth）

译者简介：

翟永（1969-），男，硕士，高级工程师；研究方向：计算机网络、服务器和空间数据库系统集成以及安全保密技术。

刘津（1989-），女，学士，助理工程师；研究方向：空间数据库管理和地理信息管理系统集成。

地理信息科学的概念范文第5篇

关键词：地理信息系统；教学方法；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）24-0118-02

一、引言

地理信息系统（简称GIS）与地理学、地图学、测绘科学、遥感科学与技术、计算机科学、数学密切相关，同时涉及土地科学、资源学、环境科学、城乡规划等学科知识，是一门典型的交叉型学科，同时也是一门应用性很强的学科。随着GIS技术在众多领域的应用，对具有创新能力和解决实际问题能力的GIS专业新型人才的需求也在不断增长，而现有的高校GIS专业课程的教学现状还不能满足社会对GIS专业人才的特殊需求。因此，对高校GIS专业课程的教学改革与实践研究就显得尤为必要和迫切了。

二、高校GIS专业课程教学现状与存在的问题

近年来，随着地理信息系统的快速发展，我国人才市场供求矛盾显得尤为突出，一方面是社会对高层次人才的大量需求，另一方面是高校输送的GIS专业毕业生社会实践能力不强。GIS专业是应用性很强的专业，地理信息系统本科专业是以培养应用型人才为主，GIS专业课程的教学质量高低直接关系到通过高等教育培养的专业人才能否适应当前社会发展的需求。由此，为了更好地适应社会发展的需求，为社会输送优秀人才就要不断深化GIS专业课程的教学改革。

1.教育理念落后。目前高校GIS专业课程所采用的教学模式仍是传统的讲授模式，注重对学生理论知识的传授，忽略了GIS专业的应用性特点，缺乏对学生实际操作能力的重视，忽视了对学生综合能力的培养。不同的教学方法适用于不同的专业课程，在教学活动中引入适合本专业特点的教学方法，会起到事半功倍的效果，教学质量也会有大幅的提升。而GIS专业应用性很强的特点也要求教师在教学方法上有所改进。

2.实践教学缺乏。实践教学是一个较为复杂的教学活动，一般指教学活动中的实验、设计、实习、实践等，是高等教育教学的重要组成部分，也是GIS专业自身特点的要求。GIS专业作为一个应用性十分强的专业，通过课程设计、模拟实训、社会调查、毕业实习、毕业论文等具体的实践环节，能够提高学生的学习兴趣，培养学生自主学习的能力，培养学生分析、解决问题的能力以及创新能力。但是目前许多高校在课程设计上实践课的课时偏少、对实践教学投入的经费少等原因，虽然经过了多年的摸索实践，基本上形成了完整的体系，但实践环节还是显得十分薄弱。

3.教学手段运用单一。多媒体和网络技术能够提供图文、声像并茂的多种感官刺激，能够创设形象、直观的交互式学习环境，激发学生的学习兴趣，提高教学质量，同时还能提供大量的信息资源。如果能够运用这些网络资源和多媒体手段，不仅有利于学生主动发现、主动探索精神的培养，还有利于学生认知结构的形成与发展。但目前在高校地理信息系统专业的课堂教学中，基本上采用PPT讲授的方法，对于其他多媒体技术和网络资源的使用还很少。

4.教学考评模式简单。地理信息系统是一门应用领域十分广泛的学科，是以培养应用型人才为主，因此教学考评模式不能延用传统的考核模式，应更多地强调学生在学习过程中的变化与发展，提高分析问题、解决问题的能力；提倡开卷、闭卷多种评价手段，理论实践多元评价目标；注重激励性评价，培养学生的自信心和自尊心。但目前许多高校GIS专业教学评价模式仍以单一的笔试成绩来评价所有学生，教学考评模式过于简单，不能真实、全面地反映学生的学习成绩。

三、地理信息系统专业课程教学改革措施

1.注重案例教学。案例教学法是指利用已有的案例作为个案让学生分析和研究，在此基础上提出各种解决问题的方案，从而提高学生分析、解决问题的能力的一种教学方法。案例教学作为一种行之有效的教学法已被广泛引入我国高校课堂。GIS专业课程具有应用性很强的特点，把案例教学引入课堂，能够提高学生理论水平与实践能力，培养学生理论联系实际分析问题、解决问题的综合能力，从而提高教学效率，提升教学质量。

2.加强教学实践环节。教学实践是地理信息系统专业课程教学的重要环节，计算机类课程是GIS专业的基础课，注重理解计算机原理和运用计算机软件，提高实际操作能力，如C++语言课程的上机操作。GIS的核心课程也要求学生掌握各种GIS软件的操作，这些都需要在机房上机操作。实践教学环节是对理论教学的补充与深化，能够使学生熟练掌握arcgis、ERDAS等软件，也是对学生应用能力的培养。同时，野外考察实习也是GIS专业必不可少的实践环节，是对校内实践课程的补充，其目的是使学生更深层次地理解基本理论，掌握基本地理信息的野外采集与表征方法，为GIS中空间信息的收集、处理、表达与分析打下坚实的基础。除此之外，让学生参与科研也是一种很好的实践教学，教师根据情况可以让学生参与教师本人或其他教师的科研项目，让学生从实践中学习，这样不仅能对所学理论知识融会贯通，还能培养学生解决实际问题的能力。因此，高校地理信息系统专业在课程的设计方面应适当加大实践操作环节，对于掌握理论课所讲授的基本内容，提高学生的实际动手能力、培养学生的创新思维，都具有十分重要的意义。

3.积极运用网络资源与多媒体手段。20世纪90年代以来，随着计算机技术和现代信息技术的快速发展，网络资源及多媒体手段已广泛应用于教育领域的各个方面。在传统教学中难以精确描述、学生难以充分理解的抽象内容通过多媒体手段能予以较好解决。地理信息系统技术的发展之迅速，意味着GIS专业的师生不断更新知识才能保持专业上的技术优势。Internet上的地理信息系统教育为地理信息系统专业的师生提供了一种重要的学习方式。这些网站介绍了GIS的相关概念和应用、各类数据来源以及处理方式等相关问题。同时，许多著名的GIS软件生产公司的网址，如ESRI公司，这类网址上包含了软件产品介绍、软件包、程序设计技巧、大型数据及软件免费下载方法等信息。远程用户可以直接下载某些GIS程序进行教学演示。除此之外，GIS精品课程也为GIS专业课程教学提供了丰富的精品资源，GIS精品课程的教学资源包括教学大纲、教案、课程教材、实习教材、实习指导书、习题集等，为师生提供了多种可供选择的学习方式。总之，丰富的网络资源也为教师和学生提供了一个良好的学习环境，大大优化了教学过程，丰富和完善了教学内容，提高了教学质量。网络与多媒体的运用使教学效果起到事半功倍的作用，而且也提高了学生的学习兴趣，同时也加强了学生综合素质和能力的培养。

4.强化教学评价改革。地理信息系统是一门理论知识与实践能力高度结合的课程，注重提高学生对理论知识的把握和实际的操作能力，而传统的笔试量化评价的考核方式却不能如实地反映学生的这种能力，因此在量化成绩时应采用多样化的考核方式。这种方法主要包括平时考试+期末考试、机试+笔试。平时成绩应以学生参加案例讨论、野外实习、交流、问题回答、出勤、课后作业等作为依据；期末考试也应重点考核学生理论联系实际、分析和解决问题的能力；机试所占比例可达40%，这样更能真实地反映学生的实际操作能力。这种多样化的考核方式从多方面考核了学生，注重知识测试和能力测试，对提高学生学习的积极性以及提升学生各方面的能力起到了积极的作用。

四、结语

地理信息系统具有很强的实践性和理论指导性相结合的特点。随着地理信息系统的快速发展，社会对GIS专业毕业生的要求也越来越高，知识面广、基础理论知识扎实、实践能力强及高素质的复合型人才已成为用人单位的宠儿，而教学改革是培养这种复合型人才的重要途径。通过采用多样化的教学方法，应用丰富的网络资源以及采用多媒体手段和改革教学评价体系，学生不仅能更好地掌握和运用理论知识，而且能培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，培养学生的实际操作能力，为其以后步入社会打下坚实的基础。

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