数字地球与地理信息系统对21世纪地理学的影响

数字地球与地理信息系统对21世纪地理学的影响

李承林1,　曹锡鼎2

(1.陕西师范大学《中学地理教学参考》编辑部,陕西西安　710002;2.辽宁师范大学后勤产业集团,辽宁大连116029)

Ξ摘　要:地理信息系统是在20世纪70年代随着计算机技术的发展而兴起的,而数字地球则是在20世纪末随着互联

网技术以及地理信息系统、遥感技术等信息科学的逐渐成熟而提出的.在对数字地球的概念、关键技术等的研究和对

地理信息系统的空间思维和空间可视化以及地理信息系统的发展趋势研究的基础上,探讨了在21世纪这两门新技术

对地理这门古老学科在研究方法和研究理论上所要产生的作用.

关键词:数字地球;地理信息系统;地理学

中图分类号:K 90　　　文献标识码:A

1　数字地球

1998年1月31日,美国副总理戈尔在加利福尼亚科学中心的演讲《数字地球:21世纪理解人类星球的方式》中提出一个全新的概念:“我们需要一个数字地球,一个可以嵌入海量数据的、多分辨率的、真实的三维表示”.

所谓“数字地球”可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现和认识,其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动诸方面的问题,最大限度地利用资源,并使普通百姓能够通过一定的方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信息,其特点是嵌入海量地理数据,能够实现多分辨率,三维地对地球的描述,即”虚拟地球”.

数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化重现和认识,一是用数字化手段统一性处理地球问题;二是最大限度地利用信息资源.数字地球这一概念的提出,是第二次世界大战以来,特别是20世纪70年代以来新技术的一个自然发展,是以信息高速公路和国家空间数据基础设施为依托的具有整体性、导向性的战略思想.

1.1　数字地球的基础

数字地球的基础是数据获取与更新体系、数据处理与存储体系、信息提取与分析体系、数据与信息传播体系、数据库体、网络体系、专用软件体系等,其建设的基础,一是计算机科学,用以模拟可观测到的现象,并分析和利用这些现象生成数据;二是超大容量的存储仓库,用以存放海量信息;三是带宽网络,用以高速传输千万个不同组织提供的大量数据,并要求网络具有相互操作性,即要求数据交换有统一的标准;四是地球空间数据框架,包括大地控制、数字正射影像、数字高程模型、交通、水系、行政区、公共地籍等空间基础数据.

1.2　数字地球的要求

第一:空间化,既高精度的定点、定位;第二,数字化,既信息全部数字化以便于量化处理;第三,网络化,即实现信息资源的共享与合理利用,实现交互操作;第四,智能化,与DSS 、ES 及人工智能相结合,利用生物神经网络技术进行模拟与分析;第五,可视化,在输入、过程模拟、输出等方面的直观表现形式.

1.3　数字地球的关键技术

数字地球主要涉及影象和超媒体数据,建设数字地球需要的关键技术有:①硬件.能够进行超高速、准确运算和存储海量数据的的超级计算机,快速传输数据的宽带网络以实现不同机构建立、维护分布于

Ξ收稿日期:2001202220

作者简介:李承林(19352),男,甘肃甘谷人,陕西师范大学副编审.

第24卷第3期2001年9月　　　　　　辽宁师范大学学报(自然科学版)Journal of Liaoning N ormal University (Natural Science Edition )　　　　　　V ol.24　N o.3Sep.　2001

全球各地的空间数据库;②软件.全球统一、规范的数据交换标准和开放的、分布式的、跨平台的、可交互操作的虚拟逻辑平台的开发,各种可以实现人们实时、可视化的软件开发.

2　地理信息系统

地理信息系统(G eographic In formation System )是存储和处理与地理空间分布有关信息的集合,它主要由以下4部分组成:信息获取与输入、数据存储与管理、数据转换与分析、成果生成与输出.30多年来在计算机软硬件的支持下,GIS 的快速发展使空间的可视化和空间思维逐渐成熟,为地理信息系统的提出奠定了基础,并使其成为一门跨学科、多方向的研究领域,广泛应用于资源调查、环境评估、区域发展规划、公共设施管理、交通安全管理等领域.

2.1　地理信息系统的空间可视化

2.1.1　空间地物轮廓特征的可视化　信息系统是对现实世界的计算机模拟,而地理信息系统则突出了它对现实世界空间关系的模拟,可使我们对于在空间中各事物的状态有一个非常直观的感受.无论是在屏幕上展示一幅可以无级缩放和信息查询的地图,还是展现1幅三维的地形模型,都使我们对现实世界空间关系的认识更为直观、具体.

2.1.2　具有空间参照特点的地物专题属性信息的可视化　地理信息系统的空间可视化功能还包括对空间分布的地物的属性信息的图形可视化,这一点是由地理信息系统的一个重要特征来保证的,即GIS 实现了空间信息和属性信息的集成管理,并能够完善地建立二者之间的联系.空间地物的专题属性特征可以通过地理信息系统工具实现具有空间参照信息的可视化.

2.2　地理信息系统的空间导向

利用地理信息系统,我们不仅可以纵览研究区域的全域,还可以利用缩放和漫游等GIS 所提供的基本功能深入到我们更感兴趣的区域去研究.一个完善的地理信息系统提供了空间数据库功能,它使我们可以用小比例尺查看全局,以中比例尺查看局部,以大比例尺查看细部.在比例尺不断增大的同时,展现给用户的空间信息内容会不断更新.此外,地理信息系统的空间导向功能也可以从空间查询功能中得到体现.

2.3　地理信息系统的空间思维

地理信息系统的空间数据库在存贮各地物的空间描述信息的同时,还存贮了地物之间的空间关系,这一特点为进行地理空间分析提供了基础.地理信息系统的空间思维,就是要利用GIS 数据库中已经存贮的信息,通过GIS 的工具(例如缓冲区分析、叠置分析),生成GIS 空间数据库中要求存贮的信息.

地理信息系统将许多空间分析工具集成起来,并提供二次开发工具.在进行空间分析时,用户将各种分析工具按所研究领域的专业模型组织成一个程序(即计算机可以识别和操作的思路),交由地理信息系统完成,最后提供空间可视化的分析结果.地理信息系统的空间思维功能使我们能够揭示空间关系、空间分布模式和空间发展趋势等其它类型信息系统所无法完成的任务.

2.4　地理信息系统的发展动态

2.4.1　WebGIS 　随着Internet 的蓬勃发展,通过网络发布信息,提取各种服务功能.我国武汉天元科技公司开发的TYGIS 就是目前较为流行的WebGIS 之一,TYGIS 的数据转换功能可以方便地共享其他GIS 软件平台的地理数据,提供了转换多种数据格式的能力、内置建立实体间的空间拓扑关系的功能,并提供完整的拓扑编辑与处理能力,方便用户对地理空间数据进行拓扑错误检查和处理;采用的组件式GIS 技术代表了新一代GIS 的发展方向,它易于实现与办公自动化(OA )和其他管理信息系统(MIS )之间的无缝集成.使用TYGIS 集成应用系统,不需要学习专门的GIS 开发语言,用户可以选择自己熟悉的程序设计语言来开发应用系统.

2.4.2　OpenGIS 　针对海量数据的存储与资源的共享而产生的技术,旨在建立遵循统一标准的、资源共享的开放式GIS ,并以此来解决不同数据库、不同数据模型、不同操作系统之间的数据交换和分析的关键技术.

第3期李承林等:　数字地球与地理信息系统对21世纪地理学的影响335　

2.4.3　3S 技术　即遥感(RS )、全球定位系统(G PS )、地理信息系统(GIS )等三位一体的技术,其中RS 、G PS 是空间信息获取、定位、更新的强有力手段,GIS 、G PS 同时又是数据分析、数据显示和操作的地理信息分析工具.

2.4.4　Intelligent GIS 　是指运用人工神经网络技术模仿生物神经系统的处理方式、组织结构和系统功能,具有更强的分析和表达复杂空间问题的能力,从而更好地进行空间模拟分析.

2.4.5　3D GIS 　是一种可以用三维显示地理空间信息的技术.利用计算机的图形图像技术,在现实世界的丰富详细的数据库基础之上,直观地以三维、四维的方式显示复杂的自然、社会和经济现象.对于历史地理的研究和经常需要进行预测的地理科学来说,这是一种非常有效的手段.

3　地理信息系统和数字地球对21世纪的地理学的影响

地理信息科学推进了地理学研究的方法创新,研究人员可以从传统的实地调查、收集资料、数据整理等繁重的手工劳动中出来,虽然在某些地方它们仍旧是非常重要的手段,但是随着数字地球的发展,地理学研究者要面对的是如何来处理丰富、庞杂的海量数据.如果说在传统地理学时代,地理学的主要研究方法是进行定性的描述阶段,随着计算机技术的逐步发展,定量的计量方法将逐渐成为主流.在数字地球技术的推动之下,数据的精确性保证了研究的可靠性,通过宽带网络和强大的搜索引擎,研究者可以访问世界各地的数据库,极大地节约了时间和成本,可以对所要研究的对象进行直观、全面、“真实”的考察,通过地理信息系统和数字地球的数学模型,可以进行模拟分析和预测,以直观的形式表现研究的成果和有效的预测.

地理信息科学的发展还可以促使研究的理论创新,从古典地理的经验感性描述研究,到以系统论定量、动态的研究,地理学发展进入了一个新的阶段,应用数字地球的系统化、模型化、优化和决策科学化为框架,使地理学能够把物质流、能量流、信息流的研究集数字地球于一体,同时把地理事物的空间和时间研究统一起来,真正实现地理学的—计算机时代下地理学数字生存.

参考文献:

[1]　丁占良.数字地球极其对21世纪地理学的影响[J ],阴山学刊,2000(4):11216.

[2]　陈逢珍,林志垒,林文鹏.地图、地理信息系统与数字地球[J ].福建师范大学学报(自然科学版),2001(3):1002102.

I nfluences on 21st Century G eography of Digital E arth

and G eographic I nformation System

LI Cheng 2lin 1,　CAO Xi 2ding 2

(1.Editorial Department of T eaching Refference of M iddle School G eography ,Shaanxi N ormal University ,X i ’an 710002,China ;

2.The Center of Rear 2Service of Liaoning N ormal University ,Dalian 116029,China )

Abstract :Digital earth and geographic information system will have great influence on the development of geography in the new century.Based on the analyses and the development trend of the characteristics of these tw o major tech 2nologies ,this article discusses the great in fluences that digital earth and GIS will make on the research skills and the theory of the geography.

K ey words :digital earth ;geographic information system ;geography 336　辽宁师范大学学报(自然科学版)第24卷