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[所属栏目: 科技成果]
地理信息科学系列教材出版说明
2019-06-24 18:11 ?

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一、需求背景

世界是由物质组成的。物质是运动变化的。客观变化的事物不断地呈现出各种不同的信息。电子技术、计算机技术和数字通信技术产生与发展,推动了信息获取加工处理的革命,从此,人们步入了以数字化和网络化为基本社会交往方式的新型社会-——信息社会。信息成为重要的生产力要素,和物质、能量一起构成社会赖以生存的三大资源。

信息技术广泛地应用到地理领域,利用信息技术提升人类研究地理问题能力,催生了获取、存储、编辑、处理、分析和显示地理数据的地理信息系统(GIS)。GIS以应用为目的,以技术为引导,为社会各行各业服务中逐步从地理学、测绘学和信息学中自然形成了一门边缘学科。在高等教育中,GIS从研讨课、一门课程,发展到一个专业。1997年我国教育部在高等教育专业目录中增设了地理信息系统(GIS)本科专业。

随着以地理信息系统技术为核心的遥感、全球定位系统等技术的发展以及其间的相互渗透,逐渐形成了GPSGISRS一体化集成综合技术系统,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。人们在对于地理信息技术研究的同时,还探索了支撑地理信息技术发展的基础理论问题。1992Goodchild提出的地理信息科学,与地理信息系统相比,它更加侧重于将地理信息视作为一门科学,而不仅仅是一个技术实现,主要研究在应用计算机技术对地理信息进行处理、存储、提取以及管理和分析过程中提出的一系列基本问题:包括理论问题、技术体系、信息系统、工程质量标准和应用方法,最终促成了地理信息科学的产生。2012年教育部将GIS专业更名为地理信息科学专业。

GIS转变为地理信息科学,发生了质的变化。

二、学科发展

随着信息技术发展和应用,在社会急剧信息化过程中对地理信息的需求成为推动地理信息学科产生和发展的强大动力。在发展过程中,地理信息科学以地理学理论为依据、以地理信息为主要研究对象,以地理信息的运动规律和应用方法为主要研究内容,利用现代测绘和信息技术,研制各种仪器来感知地理现象的变化,扩展人类的信息器官功能,利用计算机提高人类对地理信息接收和处理的能力,解决地球表层地理现象时空分布、社会发展、地理环境及动态变化的过程在计算机中的表示、模拟和推演,挖掘各种隐态信息、揭示隐藏的地理知识和求解各种地理问题,为人类可持续发展提供科学决策智慧。

1)基础理论

地理信息科学的本质是从信息流的角度来揭示地球系统的发生、发展及其演化规律,从而实现资源、环境和社会的宏观调控。科学理论来源于实际,是为了解决实际问题而提出的理论要求。地理信息科学理论是什么? 目前,国内外学者对地理信息科学的理论问题认识尚未统一,主要有三种主流观点。一种观点认为,地理信息科学是信息社会的地理学思想。地理计算或地理信息处理强调使用计算机完成地理数值模拟和地学符号推理,辅助人类地理空间决策。地理科学是研究地理信息出发点,也是地理信息研究的归宿;另一种观点认为,地理信息科学是面向地理空间数据处理的信息科学分支。从信息科学概念出发,地理信息科学定义为地理信息的收集、加工、存储、通讯和利用的科学;第三种观点认为,地理信息科学是人类对地理空间的认知,地理信息科学是人们直接或间接地(借助计算机等)认识地理空间后形成的知识体系。李德仁院士叙述了地球空间信息科学的地球空间信息的基准、地球空间信息标准、地球空间信息的时空变化理论、地球空间信息的认知、地球空间信息的不确定性、地球空间信息的解译与反演和地球空间信息的表达与可视化等七大理论问题。

2)技术体系

学科也如饥似渴地吸收信息科学的精华,和计算机、通信技术结合,形成了网络、嵌入式和组件式等各种各样的地理信息系统,同时也推动了计算机信息科学与技术的发展。地理信息科学以地理信息的感知、表达、获取、处理、传播和解译等为主线,构建了地理世界的抽象化数字模型。它以现代地理位置感知、图像感知、水深感知等技术探测地球表面变化、以数据库技术存储和管理时空序列地理数据、以可视化为地理信息表达的主要手段、以定量分析描述地理现象的空间分布和相互关系、运用不同地理应用模型模拟和预测地理过程、以计算机编程为平台逐步完善了地理信息的获取、处理、存储、管理、提取、可视化和分析等技术体系。

1)地理信息获取

地理空间数据是地理信息重要载体。地理空间数据的获取核心是将外业实地测量、现有的地图、外业观测成果、航空像片、遥感图像、文本资料转换成地理信息系统所需要的数据产品。不同数据产品需要不同数据获取方法,不同类型的数据输入需要用到不同的设备。不同的数据源加工成所需的数据产品需要不同处理方法技术。根据地理信息系统应用需求,不同的数据源、不同的数据获取方法和采用不同处理技术就构成了地理空间数据获取与处理的研究内容,这些技术方法成为地理信息科学极其重要组成部分。

2)地理数据管理

地理空间数据库主要任务是研究地理空间物体的计算机数据表示方法,数据模型以及在计算机内数据存储结构和建立空间索引方法,如何以最小的代价高效地存储和处理空间数据,正确维护空间数据的现实性、一致性和完整性,为用户提供现实性好、准确性高、完备、开放和易用的地理空间数据。

地理空间数据与一般数据相比,具有以下特点:①数据结构非结构化,地理空间数据不仅包含结构化的属性数据和非结构化的空间几何数据,还包含非结构化各种地理要素关系数据。地理空间数据模型复杂。②数据索引复杂,地理空间数据是二维和三维的,其空间索引也是二维和三维的,传统一维B树索引只能满足地理空间数据的属性数据索引,不能满足空间数据索引。③数据操作不同,传统数据操作是指对数据进行分类、归并、排序、存取、检索和输入、输出等标准操作。数据输入主要采用键盘,在空间数据库中,存储信息还包括大量图形、图像等。对这些空间数据有精度坐标,往往需要测绘成果作为依据,数据操作方法主要采用图形编辑。④数据查询方式不同,传统数据查询使用SQL语句对数据进行查询与更新的方法。基于“select-from-where”语句对数据查询。空间数据查询从空间数据库中找出所有满足属性约束条件和空间约束条件的地理对象。空间数据查询的内容很多,可以查询空间对象的属性,空间位置,空间分布,几何特征,以及和其他空间对象的空间关系。

地理空间数据库技术是地理信息系统数据组织的核心技术,也是测绘科学、计算机科学和信息科学相结合的产物。地理空间数据库技术已经代替传统的文件管理方式,逐步成为地理空间数据管理的主流技术。根据数据库中现有的数据模型,进行有机的组合构造出复合模型,模拟现实世界的一些系统和现象的结构、功能,来回答一些“复杂”的问题,预测一些事务的发生、发展的动态趋势。

地理空间数据库是理论性和实践性很强的学科,理解起来也非常抽象。由于地理空间数据的特殊复杂性,地理空间数据管理在为计算机和信息科学作贡献的同时,也如饥似渴地吸取计算机主流技术的各种最新成果,成为计算机科技领域中应用研究技术内容最丰富的分支之一。

3)地理数据可视化

人类获取信息的80%是通过视觉感知。由此,人类创造了文字、图形、图像、地图、电影和电视等是视品。为了扩展人类的视觉器官功能,发明各种仪器,利用各种技术方法和手段,扩展提高人类对信息的接收和处理的能力。

地理数据可视化是把地理数据转换成为人们容易理解的图形图像方式。动态的、形象的、多视角的、全方位的、多层面的描述地理事物与现象,不仅能反映地理现象空间分布、相互联系和动态过程信息,也弥补人类自然语言对地理现象描述的不足,提高了人们对地理空间的认知能力。

随着计算机图形、图像技术的飞速发展,人们现在已经可以用丰富的色彩、动画技术、三维立体显示及仿真等手段,形象地表现各种地形特征。地理数据可视化从表现内容上来分,有地图(图形)、多媒体、虚拟现实等;从空间维数上来分有二维可视化、三维可视化、多维动态可视化等。

地理空间数据可视化是科学又是艺术。科学性表现在地理空间数据可视化为人们提供一种空间认知的工具。地理空间数据可视化可为地学研究提供直观而高效的显示结果,已成为人们获取地理空间信息的主要方法。人类为了更好地揭示地理信息的本质和规律,认识并改造世界,借助一些规则、直观、形象、系统的符号或视觉化形式来表达和传输地理信息,用人类视觉感受和认知地球上自然现象和社会发展。可视化也是视觉艺术,视觉所直接感知的,是直观的形状、色彩(或色调)和质感(质地或体量)及其构成关系。在视觉艺术中,无论是平面还是立体造型,都十分重视形式美规律的运用,多样统一、对称、均衡、对比、和谐以及图与底的关系等,这些构成了视觉艺术审美特性的重要因素。

4)地理数据分析

从本质上讲,地理空间分析是人类认知自然能力的一种延伸。自从有了地图,人们就自觉或者不自觉地利用地图进行着各种类型的空间分析。地理空间分析的核心是以地理科学理论和现代科学技术手段解决地理问题,从地理对象空间分布、对象之间的空间关系以及对象时空变化过程中获取派生的信息和新的知识,使得地理空间数据更为直观表达出其潜在含义,以便改进地理空间事件的预测和控制能力。地理空间分析能力(特别是对空间隐含信息的提取和传输能力)成为地理信息系统发展进步的驱动力。一个地理信息系统的成功与否取决于它回答人们辅助决策所提出问题的能力。

地理数据分析是以地理学理论为基础、以数学建模为手段,以计算机为计算工具,以地理现象的位置和形态特征为对象,通过量算、插值、统计、建模、推理、模拟和推演等方法求解地理空间问题的理论、方法和技术。

纵观国内外空间分析理论和技术发展的现状可以发现,其主要源于两大传统基础学科——地理学和地图学。地图学者对空间分析的研究主要侧重于空间图形分析和空间数据分析的理论和技术方法。地理学研究者对空间分析的研究则主要是对空间数据的统计分析和模型分析,侧重于对空间现象变化过程的建模和机理的分析。因此,地理空间分析研究内容可分为基于图形分析、基于数据统计分析和空间模型与建模三类。

3)地理信息系统

地理信息系统是在计算机硬、软件系统支持下,是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机信息系统。地理信息系统主要由四部分组成:①计算机硬件系统是计算机系统中实际物理设备的总称,主要包括计算机主机和网络设备,输入设备,存储设备和输出设备;②计算机软件系统是地理信息系统运行时所必需的各种程序;③地理空间数据是GIS系统的灵魂和生命,是系统分析加工的对象;④系统的使用管理人员。硬件和软件为地理信息系统建设提供环境,地理空间数据反映了地理信息系统应用的信息内容,用户决定了系统的工作方式。

地理信息系统功能包括:①数据采集、图形编辑(手扶跟踪数字化);②数据处理(矢栅转换、制图综合);③数据存储与组织(矢量栅格模型);④空间查询与分析(空间检索、空间拓扑叠加分析、空间模型分析);⑤图形交互与显示(各种成果表现方式)等五大方面。

早期GIS应用主要以数据的采集、存储、管理、查询检索以及简单的空间分析功能为主,可称之为基础型GIS。随着应用领域的拓展,为了解决一类或多类实际应用的问题,依据应用部门的业务需求和应用目的,在基础型GIS基础上开发了空间决策支持系统,空间分析功能与部门专业应用模型完全集成成为构建GIS应用主要模式,实现了部门专业应用系统分析。应用型GIS具有综合性、复杂性和多层次性特点,其自身往往是一种逻辑框架,一种集成模式,或者是一种解决方案。为解决复杂的空间决策问题,充分发挥其模拟、评估、科学预测和目标决策的功能,使之成为提高现代化城市管理、规划和决策水平的有效手段。GIS向空间信息的知识表现和推理、自动学习的智能化决策发展。

按照信息系统硬件在空间上的拓扑结构,其物理结构一般分为集中式与分布式两大类。集中式结构是指物理资源在空间上集中配置。分布式系统是指通过计算机网络把不同地点的计算机硬件、软件、数据等资源联系在一起,实现不同地点的资源共享。

集成WebGIS技术、GPS导航定位技术、嵌入式计算和通信技术于一体的移动地理信息系统(MobileGeospatial Information SystemMobile GIS),提供移动目标网络监控和自主导航服务。它基于嵌入式硬件设备,在移动计算环境下,运用卫星/无线电室内定位技术、无线Internet接入和服务器空间数据处理能力,提供移动中的、分布式的、随遇性的移动地理信息系统应用。

4)地理信息工程

各类地理信息系统建设、开发和应用涉及到:①计算机与网络硬件设计、安装和调试;②地理空间数据库建设、管理和维护;③软件设计、开发编程、测试及运行;④系统验收评价、人员培训和标准制定等内容,是一项艰巨而复杂的信息系统工程。

任何GIS工程是面向具体的应用的,受用户的背景、要求、能力、用途等诸多因素的制约,将用户特定的实际应用目的和要求,贯穿GIS建设的设计、建设、评价、维护更新等全过程。从系统的观点出发,立足于整体,统筹全局,又将系统分析和系统综合有机地结合起来,采用定量的或定性与定量相结合的方法,从系统的高度抽象出符合一般GIS工程设计和建设的思路和模式,用以指导各种GIS工程建设。

地理信息系统建设工程是一门高度综合性的管理技术,面对艰巨而复杂的工程建设任务,以系统论和控制论原理出发,应用工程化的方法,实现系统的最优设计、项目建设最优控制运行、最优管理,以及人、财、物资源的合理投入、配置和组织等,逐步完善形成了系统可行论证、需求分析、系统设计、实施管理、质量评估和标准体系等地理信息工程技术体系。

5)地理信息应用与服务

地理信息应用与服务是地理信息科学产生与发展的驱动力。它以GIS技术为核心,与遥感、全球定位系统、计算机网络等技术相互渗透,在全球变化和区域可持续发展等主要领域应用过程中形成了独有的理论、方法和技术体系。

GIS在应用领域的发展沿着两个方向:其一仍是在专业领域(如:测绘、环境、规划、土地、房产、资源、军事等应用系统)的深化,由数据驱动的空间数据管理系统发展为模型驱动的空间决策支持系统,主要包括资源开发与管理、环境分析、灾害监测;其二就是作为基础平台和其他信息技术相融合(如:物流信息系统、智能交通和城市管理信息系统等),通过分布式计算等技术实现和其他系统、模型及应用的集成而深入到行业应用中,如电子政务、电子商务、公众服务、数字城市、数字农业、区域可持续发展以及全球变化等领域。

目前,地理信息服务将在五个重点领域快速发展:①天地空一体化地理数据获取和处理,构建测绘应用卫星、高中空航摄飞机、低空无人机、地面遥感等地理信息获取体系;②地理信息服务装备制造,相关配套生产企业向“专、精、特”方向发展;③地理信息服务软件研发,结合下一代互联网、物联网、云计算等新技术的发展趋势,提升服务产业化水平;④地理信息与导航定位融合服务,加快推进现代测绘基准的广泛使用;⑤面向地理大数据的地理信息深层次应用,推进面向政府管理决策、面向企业生产运营、面向人民群众生活的地理信息应用。

三、出版思路

地理信息产业已经成为当今国际公认的高新技术产业,具有广阔的市场需求和发展前景,在国家信息化和国民经济建设各方面正发挥着越来越重要的作用。随着地理信息产业发展,市场需求非常庞大,覆盖的行业、学科也就越广泛,涉及面的不断扩展,对人才素质要求也越来越大。GIS多元化、多层次的应用格局使得其对GIS专业人才的需求也呈现多元化、多层次的趋势。不同的社会需求对 GIS专业人才的素质和知识结构的要求也不尽相同。GIS创新型人才是当今社会市场急需的人才,因此GIS专业人才的培养应顺应人才市场化和多元化的发展趋势,着力培养适应社会发展需要,能够推动GIS理论与技术发展和应用的,具有创新能力的多层次人才。

天津师范大学GIS专业沿袭了师范类的专业设置模式,学生按理科模式进行培养,GIS专业教育和企业需求不接轨,无法实现无缝过渡,本科毕业生欠缺基本的技能和实际应用能力,校园里学到的东西在实际工作部门经常用不上。GIS 专业人才就业与市场需求形成了一种怪象:学生找不到满意的工作,企业难觅优秀人才。

面对培养的人才无法满足社会需求的难题,2009年天津师范大学对地理信息科学专业的课程体系进行了改革,重新梳理了地理信息科学专业的课程体系,从单纯技术方法逐步完善成为具有理论、技术、系统、工程和应用的学科体系。虽然近几年有关学者出版了地理信息科学好的教材和专着,但这些已出版的教材和专着缺乏系统联系,内容重复,深度和广度不够全面,课程之间衔接不够紧密。在教学过程中没有合适供学生使用的教材,为此,作者在逐渐稳定的教学方案和内容的基础上,组织教师编写10部地理信息科学系列教材,利用品牌专业建设经费,并在科学出版社出版。

《地理信息科学基础理论》介绍了地理信息科学的产生与发展过程、研究内容及其基础理论体系;讨论了认知与认知科学、空间认知与地理空间认知的基本理论;详细介绍了信息和地理信息的概念,地理本体、地理信息本体以及全息地理等理论;从视觉感受与心理物理学角度阐述了地理信息的符号理论;介绍了地理信息传输模型与传输理论;地理现象抽象、地图表达和矢栅数据的描述方法;重点介绍了地理信息的时空、尺度和不确定性三个基本特征;最后探讨了地理信息重构过程与应用案例。

《地理空间数据获取与处理》介绍了地理信息的基础与误差处理、数字测图、地图数字化、基于摄影测量的立体影像数字化测图、遥感图像处理与模式识别、三维激光测量与地物提取、数字高程模型建立、矢量数据处理、栅格数据处理与矢量化、地物三维建模和水深测量等方法。

《地理空间数据库原理》介绍了地理空间数据的物理组织、空间数据索引方法、空间数据模型、空间数据查询与操作、数据库体系结构、关系数据库接口技术、空间数据库引擎(SDE)、地理空间数据库管理系统、地理空间数据库设计方法、地理空间数据库建立方法、空间数据获取及质量评价、空间数据集成和元数据等。

《地理空间数据可视化原理》介绍了地理空间数据可视化的理论方法、计算机图形可视化硬件和软件环境、计算机图形基本算法、图形映射变换和图形开窗与裁剪处理,讨论了地图点状符号、线状符号、面状符号可视化和专题数据可视化方法,详细讨论了三维地形和地物可视化和地理动态过程可视化技术原理,最后介绍了地理空间图形交互技术和地理空间数据可视化设计方法。

《地理空间分析原理》介绍了地理空间分析的理论方法、空间分析过程,详细讨论了地理空间量算、空间关系分析、空间推理、叠置分析、缓冲区分析、网络分析、地形分析、空间统计分析、时空序列分析、空间智能分析、空间数据挖掘和辅佐决策等技术方法。

《地理信息系统概论》介绍了地理信息系统概念、研究内容、发展趋势以及与其它学科关系;然后分别研讨了地理信息系统开发的计算机技术基础、高性能计算环境、地理信息技术、系统架构、地理信息系统功能、组件开发技术、桌面地理信息系统、嵌入式地理信息系统、网络地理信息系统;最后详细介绍了地理信息系统软件产品和地理信息系统软件开发方法。

《地理信息系统应用概论》介绍了地理信息系统应用理论与方法、地理信息系统应用分类、过程和特点、研究内容、发展趋势以及与其它学科关系;研讨了地理信息系统应用模型、构建过程以及地理信息系统与应用业务模型集成方法;分章详细论述了地理信息系统在城市规划、土地管理、环境、交通、水利、地质、林业、农业、城市管网、公共安全(警用)、公众生活、数字城市和智慧城市中应用系统概念、应用概况、系统架构及功能。

《地理信息服务导论》介绍了地理信息服务的概念、服务模式、技术体系、研究内容与其他学科关系,作为地理信息服务的基础介绍了实时动态空间定位技术和数字移动通信技术,重点讨论了地理信息服务模式、多类型地理信息获取与管理方法、多源地理信息集成和融合处理以及多尺度地理信息服务数据组织方法,探讨了地理信息服务平台的体系结构、功能,论述了基于位置的地理信息服务平台结构框架、移动位置监控平台和移动终端的硬件及其功能特点,最后介绍了地理信息服务在经济建设中的应用。

《地理信息系统工程概论》全面介绍了地理信息系统工程可行论证、需求分析、总体设计、计算环境设计、数据库设计、软件设计开发、工程实施管理、工程质量控制、项目验收评价和地理信息标准制定等地理信息工程技术体系。

上述九本书内容的基础上综合成为《地理信息科学导论》。全书介绍了地理空间认知、地理信息、地理信息视觉传输、地理信息的表达和地理信息特征等理论问题;详细论述了地理信息获取处理、存储管理、可视化和空间分析的技术体系;最后介绍了地理信息系统、工程、应用和服务等。

还需要说明的是,本书在编着过程中吸收了大量国内外有关论着的理论和技术成果,书中仅列出了部分参考文献,未公开出版的文献没有列在书后参考文献中,部分资料可能来自于某些网站,但未能够注明其出处,在此向引用的资料的作者表示感谢。

由于地理信息科学是一门新兴的学科,其发展日新月异,再加上作者学识眼界浅薄,书中欠缺之处,请各位同仁批评指正。

四、作者团队

承担地理信息科学系列教材主编是崔铁军教授。崔铁军教授在信息工程大学地理空间信息学院和天津师范大学地理与环境科学学院工作期间,主要从事数字地图制图技术,地理信息系统理论和方法,分布式客户机/服务器体系结构空间数据库,多源空间数据融合,数字高程模型,车辆定位与导航和地理信息智能服务等领域研究教学工作。

《地理空间数据库原理》和《地理信息服务导论》第一版是作者在信息工程大学地理空间信息学院工作期间完成的,吸取了董延春、郭黎、姚慧敏、吴正升、张斌、陈应东和汪永红等教师、历届博士生、硕士生十年多年研究成果。在此,作者向他们表示衷心的感谢。

《地理空间数据库原理》和《地理信息服务导论》第二版以及地理信息科学系列其他教材编写主要依托天津师范大学地理与环境科学学院地理信息科学系老师。十年来,崔铁军作为地理信息学科带头人,负责地理信息科学学科建设,依据学科知识体系组建教师团队,制定教师队伍建设规划,调整、优化专业的教师队伍梯次构成和编制,按学科知识结构有计划引进专业方向高层人才,逐步完善师资队伍的知识结构和层次结构。遥感图像处理研究方向有张虎、王倩和李静;梁玉斌、毛健和王强研究方向是地理空间数据获取预处理;陈磊的研究方向是地理空间数据可视化;连懿研究方向是地理空间分析;王辉研究方向是地理空间数据库;刘朋飞研究方向是地理信息系统和服务;宋宜全研究方向是地理信息系统应用;郭鹏研究方向是地理信息工程;张伟研究方向是地理计算平台。这些青年教师获7项国家级科技项目(863项目、国家自然科学基金),5项天津市科技目(天津市科技支撑、天津市自然科学基金)。课题成果多直接应用于教学内容的更新、教材的编写等。团队获3项天津市教改项目资助,教改成果获中国GIS学会教学成果二等奖和天津市教学成果二等奖。2018年被评为天津市级教学团队。

值此成书之际,感谢天津师范大学地理与环境科学学院领导和老师的支持;感谢历届博士生、硕士生在地理信息科学研究方面所作出的不懈努力。

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