第一章地理信息系统的科学基础一、含义 地球系统科学（Earth System Science）是研究地球系统的科学。地球系统，是指由大气圈、水圈、岩 石圈和生物圈（包括人类自身）等四大圈层组成的作 为整体的地球。它包括了自地心到地球的外层空间的 十分广阔的范围，是一个复杂的非线性系统。第一节 地球系统科学二、研究问题 就解决人类当前面临的人与自然的问题而言，如气候变暖、臭氧洞的形成和扩大、沙漠化、水资源短缺、植被破坏和物 种大量消失等，已不在是局部或区域性问题。就学科内容而言 ，它已远远超出了单一学科的范畴，而涉及大气、海洋、土壤 、生物等各类环境因子，又与物理、化学和生物过程密切相关 。因此，只有从地球系统的整体着手，才有可能弄清这些问题 产生的原因，并寻找到解决这些问题的办法。从科学技术的发 展来看，对地观测技术的发展，特别是由全球定位系统（GPS） 、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）组成的对地观测与分析系统，提供了对整个地球进行长期的、立体监测能力，为收集、 处理和分析地球系统变化的海量数据，建立复杂的地球系统的 虚拟模型或数字模型提供了科学工具。第一节 地球系统科学三、方法 由于地球系统科学面对的是综合性问题，应该采用多种科学思维方法，这就是大科学思维方法。 1、系统方法，是地球系统科学的主要科学思维方法。这是因为地球系统科学本身就是将地球作为整体系统来研究的。这一方法体现了在系统观 点指导下的系统分析和在系统分析基础上的系统综合的科学认识的过程 。 2、分析与综合统一的方法，从地球系统科学的概念和所要解决的问题来看，这也是地球系统科学的科学思维方法。包括从分析到综合的思维方 法和从综合到分析的思维方法，实质上是系统方法的扩展和具体化。 3、模型方法，针对地球系统科学所要解决的问题及其特点，建立正确的数学模型，或地球的虚拟模型、数字模型，是地球系统科学的主要科学 思维方法之一。这对研究地球系统的构成内容的描述、过程推演、变化 预测等是至关重要的。 第一节 地球系统科学 关于地球系统科学的研究内容，目前得到国际公认的主要包括气 象和水系、生物化学过程、生态系统、地球系统的历史、人类活 动、固体地球、太阳影响等。 地球系统科学是研究组成地球系统的各个圈层之间的相互关系、 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，解决人类面临的问题建立科学基础，并为地球系统 科学管理提供依据。第一节 地球系统科学第二节 地球信息科学一、含义 地球信息科学（Geo-Informatics, 或 Geo Information Science, 简称 GISci）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。就地球信息科学的 技术特征而言，它是记录、测量、处理、分析和表达地 球参考数据或地球空间数据学科领域的科学。 第二节 地球信息科学二、问题 地球信息科学属于边缘学科、交叉学科或综合学科。它的基础理论是地球科学理论、信息科学理论、系统理论和非线性科学 理论的综合，是以信息流作为研究的主题，即研究地球表层的 资源、环境和社会经济等一切现象的信息流过程，或以信息作 为纽带的物质流、能量流，包括人流、物流、资金流等等的过 程。这些都被认为是由信息流所引起的。信息流程都明显表示为： 信息获取存储检索分析加工最终视觉产品 在信息时化、网络化时代 ：信息获取存储检索分析加工最终视觉产品信息服务第二节 地球信息科学三、方法 地球信息科学的主要技术手段包括遥感（RS）、地理信息系统（GIS ）、和全球定位系统（GPS）等高新技术，即 “3S”技术。或者说，地球信 息科学的研究手段，就是由 RS、GIS 和 GPS 构成的立体对地观测系统。其运作特点是，在空间上是整体的，而不是局部的；在时间上是长期的， 而不是短暂的；在时序上是连续的，而不是间断的；在时相上是同步的、 协调的，而不是异相的、分属于不同历元的；在技术上不是孤立的，而是 由 RS、GIS 和 GPS 三种技术集成的。它们共同组成对地观测系统的核心技术。 在对地观测系统中，遥感技术为地球空间信息的快速获取、更新提供了先进的手段，并通过遥感图象处理软件、数字摄影测量软件等提供影像的解 译信息和地学编码信息。地理信息系统则对这些信息加以存储、处理、分 析和应用，全球定位系统则在瞬间提供对应的三维定位信息，作为遥感数 据处理和形成具有定位定向功能的数据采集系统、具有导航功能的地理信 息系统的依据 。第三节 地理信息科学一、含义 地理信息科学（Geographic Information Science）是信息时代的地理学，是地理学信息革命和范式演变的结果。它是关 于地理信息的本质特征与运动规律的一门科学，它研究的对象 是地理信息，是地球信息科学的重要组成成分。 第三节 地理信息科学二、研究问题 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 基本理论和技术问题，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。并在理论、技术和应 用三个层次，构成地理信息科学的内容体系。 第三节 地理信息科学第四节 地球空间信息科学一、含义 地球空间信息科学(Geo Spatial Information Science 简称 Geomatics)是以全球定位系统（GPS）、地理信息系统 (GIS)、遥感(RS)为主要内容，并以计算机和通信技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存贮、管理、显示 、传播和应用与地球和空间分布有关数据的一门综合和集 成的信息科学和技术。 第四节 地球空间信息科学二、发展 地球空间信息科学是地球科学的一个前沿领域，是地 球信息科学的一个重要组成部分，是以“3S”技术为其代表，包括通信技术、计算机技术的新兴学科。其理论与方法 还处于初步发展阶段，完整的地球空间信息科学理论体系 有待建立，一系列基于“3S”技术及其集成的地球空间信息采集、存贮、处理、表示、传播的技术方法有待发展。 第四节 地球空间信息科学三、术语 地球空间信息科学作为一个现代的科学术语，是 80 年代末 90 年代初才出现的。而作为 一门新兴的交叉学科，由于人们对它的 认识又各不相同，出现了许多相互类似，但又不完全一致的科学 名词，如：地球信息机理(Geo Informatics)、图像测量学 (Iconicmetry)、图像信息 学(Iconic Informatics)、地理信息科学 (Geographic Information Science)、地球信息科学(Geo Information Science)等。这些新的科学名词的出现，无一不与现代信息技术,如遥感、数字通信、互联网络、地理信息系统的发展密切相关。第四节 地球空间信息科学四、与地球空间信息科学关系 地球空间信息科学与地理空间信息科学在学科定义和内涵上存在重叠。甚至人们认为是对同一个学科内容，从不同角度给出的 科学名词。 从测绘的角度理解，地球空间信息科学是地球科学与测绘科学、信息科学的交叉学科。 从地理科学的角度理解，地球空间信息科学是地理科学与信息科学的交叉学科，即被称之为地理空间信息科学。 地球空间信息科学的概念要比地理信息科学要广，它不仅包含了现代测绘科学的全部内容，也包含了地理空间信息科学的主要 内容，而且体现了多学科、技术和应用领域知识的交叉与渗透。研 究的重点与地球信息科学接近，但它更侧重于技术、技术集成与应 用，更强调“空间”的概念。第五节 地理信息系统一、含义 地理信息系统是地球空间信息科学的重要内容之一。它更多地强调在技术层面对地球空间信息的存储、处理和 空间分析利用。因而人们认为将地理信息系统称之为一门 空间信息管理和分析的技术更为合适。第五节 地理信息系统二、特点 地理信息系统(GIS)作为一种特定而又十分重要的空间信息系统，它是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分 地球表面(包括大气层在内)与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统。地理信息系统(GIS)是作为集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、信息科学和管理科学为一体 的新兴边缘学科迅速地兴起和发展起来的。GIS 研究计算机技术与空间地理分布数据的结合，通过一系列空间操作和分析方法，为地球科学、环境科学和工程 设计乃至企业经营提供对规划、管理和空间决策有用的信息 ，并能回答用户所提出的有关问题。