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鍔犳嬁澶c璧板娍鍥?當下地理信息科學管理的創新思想模式

發布日期:2020-02-26  瀏覽次數:159
  1、地理信息科學

28加拿大 www.bdqfv.com   什么是地理信息科學?國際最為知名的地理信息科學家,Goodchild M F在20世紀90年代初提出地理信息科學新學科的論文中[2],明確將其定義為“信息科學有關地理信息的一個分支學科”,地理學論文通過枚舉地理信息科學主要研究命題的方式,勾畫了地理信息科學的學科領域與范圍。

  1994年底,一批知名的美國GIS學者,在Colorado學術會議期間,提議建立一個新的GIS聯合組織,并試圖對已經開始蓬勃發展的GIS新學科領域作出界定。專家們對這個新生組織的名字進行了激烈的爭論,幾乎是對名稱中的每一個字,通過投票表決的方式,最終一致同意將該新組織命名為“地理信息科學大學聯盟(UCGIS)”,并為新的組織與學科領域界定了一個大家所能接受的解釋性“間接”定義:“大學地理信息科學聯盟致力于為理解地理過程、地理關系與地理類型而發展和利用新的理論、方法、技術和資料。將地理資料轉換成有用的信息是地理信息科學的核心”[3]。

  1999年初,美國國家科學基委員會(NSF)的一個工作組,在其向委員會的報告中提出了地理信息(GI)科學的一個“完整”定義:“地理信息(GI)科學是一為追求重新定義地理概念和在地理信息系統中成功應用的基本研究領域。地理信息科學研究地理信息系統對于社會與公眾的影響,研究社會對于GIS的影響。地理信息科學將深入研究以空間信息為主要研究對象的一些傳統科學,如地理學、地圖學、大地測量學中的最基本命題,同時將結合在認知與信息科學中的一些最新發展;它也將與某些較為專門的研究領域,如計算機科學、統計學、數學、心理學等相互交疊,并繼續對這些領域的發展作出貢獻;它將支持在政治科學、人類學領域的研究,在地理信息和社會的研究中利用這些領域的知識”。

  NSF并沒有完全采用這樣一個定義來設定地理信息科學的基本研究領域。十余年來,北美、西歐、澳大利亞等很多西方國家,或許還應包括中國,出現了這樣一種趨勢,試圖利用“地理信息科學”這一術語來泛指幾乎任何一種涉及“地理信息系統”理論與應用的學術研究工作。地理信息科學作為一個正在發展中的新學科領域,具有顯著的學科深度與廣度;作為一個多學科的集成領域,它不是一個簡單的GIS教育與應用的新名詞。數十年來,GIS已被廣泛應用而成為科學研究的重要工具,但它還不是GI科學的全體;利用GIS工具進行的研究,對于科學是重要的,對于發現與GIS相關的科學研究是重要的,但它也并不是GI科學本身。當然,毫無疑義,利用GIS進行的研究有可能為GI科學的討論揭示重要的研究命題,有可能對GI科學的研究進程作出貢獻。學科選定了名詞,名詞就應反映學科的內涵與本質。顯然,從名詞的直觀詞義看,地理信息科學應是信息科學的一個分支。一個好的信息科學定義,必然能演繹出GI科學的確切定義;牛津英語詞典(Oxford English Dictionary)對信息有多個定義解釋,最接近于GI科學描述、處理與研究對象的“信息”的定義是:“信息是通信的知識,涉及某些被通報或談論的特殊的事實、對象或事件;與資料相反,信息是智力、新聞、說明、解釋等”;對“信息科學”的定義則是:“信息科學是與信息,尤其是與技術的、或是科學的對象的信息進行存儲、檢索和傳播的過程相關聯的知識的分支”。

  地理信息科學的重要研究課題,從哲學思維與認知的角度,當一個智能主體的智力行為指向現實世界中的一個對象或事物時,信息就會產生;信息是智力行為內容的關鍵部分,尤其是智力行為內容的概念部分或可轉換、通訊與傳布部分,論文是概念化、智能體、認知過程的聯系與媒介。而信息科學,則是研究“在自然與人工系統中信息的特性與行為,研究信息從一個主體到其它主體的轉換,轉換過程、形式、機制”的科學。將“地理”這個單詞作為限定詞設置于“信息”的前面,顯然這是對地理信息科學學科研究領域的合理定義。地理信息科學的內容和學科體系,從根本上說是信息科學分支的范疇,Goodchild對地理信息科學的這一定義,是對學科最為貼切的界定。

  2、地理信息科學的歷史

  2.1 NCGIA的研究議題

  地理信息系統的歷史,其本身就是一個值得研究的論題。地理信息系統與計算機制圖學緊密聯系,自20世紀60年代、甚至更早的初始階段以來,地理信息系統、計算機制圖學的理論、概念、計算、設計與開發取得了巨大發展;80年代中期,美國NSF開始資助一些科學與技術研究中心,開展對GIS的理論與應用研究;委員會地理學與區域科學規劃部主任Ron Abler教授對美國國家地理信息與分析中心(NCGIA)提出并設定了應當考慮并全力開展的5個研究主題:1)空間分析與空間統計學;2)空間關系與數據庫結構;3)人工智能與專家系統;4)可視化;5)社會、經濟與制度問題。從歷史的角度看,這5個研究主題應是正在呈現的新地球科學———地理信息科學學科范圍的第一次界定,畢業論文這一界定對于地理信息科學的形成與發展至關重要。

  2.2 領域的命名

  GIS發展歷程中,曾經廣為流行的“地理信息與分析”這一將GIS的構成要素與來自于地理學的空間分析傳統組合而成的復合詞語,一度是學科發展的見證。1990年,Goodchild在瑞士蘇黎世舉行的第四次空間資料處理學術大會上,對GIS研究的優先領域作了一次名為“空間信息科學”的關鍵演講。經過修改后的文章定名為“地理信息科學”,發表在“國際地理信息科學”(IJGIS)雜志上。文章的名稱由“空間”改變為“地理”,雜志名稱也從“地理信息系統”改為“地理信息科學”,Goodchild并沒有對這種變換進行專門的討論;在他對地理信息科學作出是“信息科學有關地理信息的一個分支學科”的定義基礎上,對其所命名為“地理信息科學”的學科內容在8個標題下進行了討論,分別是:1)資料采集與測度;2)資料獲取;3)空間統計學;4)資料模擬與空間資料理論;5)資料結構、算法與處理;6)顯示;7)分析工具;8)制度、管理與倫理學問題。

  2.3 地理信息科學大學聯盟

  1994年底,UCGIS建立。在1997年的代表大會上,UCGIS提出了亟待開展研究的10個優先領域:1)空間資料獲取與綜合;2)分布式計算;3)地理表達擴展;4)地理信息認知;5)地理信息互操作;6)比例尺;7)GIS環境下的空間分析;8)空間信息基礎設施的未來;9)空間資料與基于GIS分析中的不確定性;10)GIS與社會。UCGIS研究優先領域中的4個論題并沒有出現在Goodchild的論題中,“空間信息基礎設施的未來”是一個高度應用性的論題,迭現了科學與工程的緊密結合,在其它一些學科界定研究中歸并在“GIS與社會”的分類體系下;“互操作、分布式計算與比例尺”是3個基礎研究的論題,比例尺是尺度,更是一個理論與概念性的問題,而互操作與分布式計算顯然是一些科學計算上的問題。

  2.4 瓦倫紐斯項目

  1995年,NCGIA向NSF提交了一份命名為“推進地理信息科學”的研究建議[4,5],將新形成的GI科學定義為基于3個基礎研究領域的一門學科,分別是:1)地理空間的認知模型;2)地理概念表達的計算方法;3)信息社會的地理學。瓦倫紐斯“三角形”頗不平衡,但建議與完成的研究報告詳盡勾畫了地理信息科學的當今研究水平,為學科勾畫了研究前沿與未來發展走向,是西歐北美地理信息科學家最為權威的研究成果。

  3、地理信息科學學科領域界定

  地理信息科學學科領域的界定,將重要研究主題進行羅列與分析應是一種有效的構筑途徑。這些研究主題的研究有些較為成熟或完全,有的正在發展之中,它們相互緊密聯系,共同構成新的地理信息科學學科體系[6-10]。論文地理信息科學的整個學科體系可分解為5個領域共15個研究主題。

  3.1 實體論與表達

  3.1.1 地理實體論 實體論研究客觀世界存在的是什么,有可能存在什么,為什么能存在?地理信息科學的實體論研究為科學家們所使用和研究,也是廣大公眾所使用的地理信息和地理概念。實體論試圖提供一種能維系現實世界中符號(實例)與類型(種類)相一致的正式理論,探索它們之間的相互關系和將它們實施轉換的過程。地理實體論成為UCGIS所確認的最為重要的研究主題之一,正是學科地理基礎的體現。

  3.1.2 地理現象表達 地理現象的正確表達,指的是對現象概念化的說明,它應能為不同的使用者所接受與使用,因而需要有能夠支撐將一種資料關系自動轉換成另一種關系,從一個實體域轉換到其它實體域,在科學計算上能對對象進行追溯、確認、分類等的方法。顯然,地理現象的表達在數字領域內首先是類型或種類,通過資料轉換成為對應于現實地理空間對象的數字表征,為此需尋找能夠抓住地理現象本質的數字(學)公式,通過基于GIS的資料表達、模擬與挖掘,完成地理現象與實體的有效表達。

  3.2 計算

  3.2.1 定性空間推理 作為廣義意義上的計算,空間關系與空間位置的推理是人工智能領域重要的研究主題,也是GI科學中的重要領域??占涔叵檔娜現P陀胗镅閱P拖勻簧婕爸釗緗喲?、包容這樣的定性拓撲原理。對于空間對象不相交的空間關系,可用距離和方向等來表征;空間對象接觸或疊置時,空間關系可用在點集理論基礎之上拓展的多種相交圖式來表達。

  3.2.2 計算幾何學 計算幾何學是地理空間對象和關系定量表達的基礎,幾何問題的計算與求解是早期的計算機機助制圖學和GIS中的重要內容。歐氏幾何學不可能在一個精確度限定的數字環境內,以一種直接的方式實施幾何計算;線形簡化和地圖綜合的很多問題,有賴于GI科學中的計算幾何學,盡管這些問題也與比例尺的尺度問題相關;至于一些與鄰近性相關的計算幾何問題,可在Voronoi算法、泰森(Thiessen)多邊形或鄰近(Proximal)多邊形等概念框架下進行處理,它們共同構筑了地理信息科學中幾何計算的理論與應用構架。

  3.2.3 空間數據庫中的有效變址、檢索與搜索 多維資料的有效變址是計算機科學中一個重要的研究問題。2維、2·5維、3維地理信息構成的空間數據庫,變址問題頗為重要。早期GIS中所使用的Morton矩陣方法,圖形、圖像處理中的四叉樹、八叉樹、B—樹,R—樹和K—樹等規律表達,為變址、檢索、搜索等復雜問題的有效解決提供了基礎。

  3.2.4 空間統計學 空間統計學是與地理信息科學具有密切聯系的重要研究領域??占湫畔⒌奶厥廡蘊逑鐘誑占渥韻喙鼗蚩占湎嘁佬緣奈藪Σ輝???占渫臣蒲芯坑氪砜占渥韻喙靨峁┝擻杏玫耐臣品椒?,如空間自相關的測度和以空間單位資料為基礎進行統計分析時空間自相關作用的控制方法等??占渫臣蒲б彩荊IS數據質量與控制研究的有用工具。當然,作為具有相對獨立性的空間統計學,與地理信息科學的其它領域相對分離。

  3.2.5 地理計算 地理計算是GI科學的重要組成部分,像用于基于柵格的空間分析綜合概念框架的地圖代數,已不再是在空間信息不同表達方式基礎之上實施的標準GIS運算,本質上它是一種在相近性和局部運算基礎上將地學計算問題概念化的不同方法,或許需在并行計算環境下才可以有效運行。高性能計算支持下的分形城市、細胞自動機、基于主體的城市演化模擬等地理計算新發展,正在構成GI科學的科學計算與模擬的新學科領域,成為新世紀GI科學的研究與開發應用熱點。

  3.3 認知

  3.3.1 地理對象認知模型 認知模型涉及人類對地理現象的感知、碩士論文學習、記憶、推理和通信的完整過程。人類對地理環境認知過程的研究,作為一種獲取對空間關系、地理本體論的認識,理解與改進GIS的人機相互作用的方法而成為GI科學的重要研究主題。包括研究地理科學領域認知問題在內的整個人類空間認知問題研究,是GI科學有關領域研究的基礎。在瓦倫紐斯項目實施期間,NCGIA有一批知名學者對地理空間公共意義上概念的公式化表達和地理現象的認知模型等作出了重要貢獻。

  3.3.2 人類與地理信息和技術的相互作用 地理信息系統包括界面設計和公眾參與在內的人機相互作用問題研究是GI科學研究體系的一部分,它的重要性一方面取決于GIS的可應用性與公眾參與問題是否可以被分解成一般意義上的人機相互作用問題,這里涉及GI科學的對象理念與工程技術設計;另一方面也取決于地理對象的認知與概念問題。有一點可以肯定,GIS工具與GI科學將大大拓展人類認知世界的能力與水平。

  3.4 應用、組織與社會

  3.4.1 地理資料獲取 對地理空間位置與屬性的理論、信息、資料等的測度與應用研究構成了GIS研究的主體。GI科學的建立與構成必須以測繪科學理論(坐標系統、地球形態測度表達等)為基礎,而系統一旦確定與建立,它就為地理世界的概念化、地理客觀世界的表達與轉化提供了最直接的解釋基礎。當今最為先進的遙感遙測技術與GPS定位技術,成為GI科學所研究與使用的所有地理資料和信息獲取的最為有效與最為先進的技術手段,它們能保證資料的實時、多源、多尺度特點,成為GI科學研究的基礎。資料獲取手段與技術的使用與研究,成為GI科學學科體系的重要組成。

  3.4.2 地理信息的質量 地理信息的質量、精度與誤差研究是GI科學研究的重要部分??贍苡捎讜謐柿匣袢∈逼詰母髦植舛任蟛?,或由于在GIS資料處理過程中的各種變換誤差的導入而降低資料質量。如果認知、實體論或表達方式不確切,說明與解釋也有可能發生誤差。資料質量的影響必須在模型靈敏度、擬合置信度等框架內首先作出確切評定,以保證GIS應用系統與GI科學的準確與有效。

  3.4.3 空間分析 空間分析原是數量地理學的重要命題,但它與地理信息科學聯系密切。曾經有學者提出,空間分析僅僅是GI科學原則在環境與社會科學中一些實際應用,空間分析的基礎已為實體論、職稱論文表達方法與空間統計學的有關論題所覆蓋。但是,隨著空間分析技術本身的發展,特別是以高性能計算為基礎的地理計算學的形成與發展,已使空間分析的方法論發生了根本的變革,它必將使GI科學的空間分析功能產生質的變革。在某種意義上講,是將空間分析劃定為GI科學主題的一部分,或是GI科學應用論題的一部分,這樣一種明確的劃分可能并不重要。

  3.4.4 地理信息、組織與社會 GIS技術的社會應用與影響是GIS應用研究的主體。80年代前后,GIS中的大多數技術創新都是出現在一些直接的應用層面上,應用軟件主要由研究機關、學?;蜃裳棵諾目⑷嗽笨?,很少直接由科學家發明。80年代是軟件與資料商業化的十年,更是GIS研究和發展學術化的十年。80年代末以來,學術的注意力更多地轉向了技術與社會,對地理信息的經濟、社會、法律諸方面的注意與研究明顯增加,對GIS研究的產品和分享,包括GIS和相關技術使用中所涉及的效率、有效性、社會平等性、公眾參與、公眾權力等明顯增加,推動了GI科學與GIS技術的大眾化與社會化。

  3.5 時間與空間

  3.5.1 時間 時間、運動與演化是GIS應用最本質的東西,但迄今的GIS軟件為處理地理信息的時間維所提供的工具非常有限。GIS實體論從一開始就注重劃分空間與時間,實際上妨礙了GIS的科學用途與發展。如果空間與時間真的可以獨立處理與研究,那么時間將不可能是GI科學研究的重要主題。事實是,時間是GI科學研究的一個完全的組成部分,是一個跨越了大多數GI科學主題的研究課題,時間—空間綜合集成地理信息系統研究的興起與發展是GI科學發展的必然需要與表現。

  3.5.2 空間尺度—比例尺 比例尺對于GI科學有多重的意義。在地圖制圖學中,比例尺指的是地圖上的尺度大小與現實世界尺度大小的比值。地圖比例尺與現實世界的幾何形態相互作用,制圖過程中的地圖分析與地圖綜合受到比例尺的制約與影響;尺度(比例尺)這個術語往往與表示物理過程的規模、展布或特征長度相聯系。尺度的變化、功能的變化、形狀的變化緊密聯系;尺度又與分辨率相聯系,可表示能夠鑒別或表達、顯示或分析的最小實體的大小;比例尺(尺度)及與其相關的科學問題對于以人類賴以生存的地球為整體研究對象的GI科學,重要性自不可言。

  4、研究主題的比較

  將本文所討論、提出的地理信息科學的15個研究主題,與Goodchild在1992年提出的GIS研究主題,以及由UCGIS提出的優先研究領域進行比較:

  (1)三者都提出了的研究主題有4個,分別是:

  1)資料獲取;2)表達(資料模擬);3)空間分析;4)圍繞GI的社會問題。后三個主題與NCGIA所建議的核心研究問題有很好對應關系。

  (2)由二者提出了的研究主題中,有3個在Goodchild的建議與本文所提出的論題中出現,但沒有在UCGIS的建議中出現,分別是:1)計算幾何學;2)空間數據庫;3)空間統計學。實際上,Goodchild把這3個研究主題的前兩個在“資料結構、算法與處理”這樣一個綜合命題下作了組合。另外有3個主題,在UCGIS和本文中出現,但Goodchild沒有提及,分別是:1)本體論;2)認知;3)資料質量。“比例尺”是UCGIS提出的主題,但在本文中是作為時空交叉研究而提出。“可視化與顯示”是Goodchild提出的研究主題,最近UCGIS也把其確定為正在出現的研究主題,本文在論述的各種模型與應用系統中都會涉及表達的可視化問題,而沒有將其單列。

  (3)僅僅出現在一個提議中的研究主題。Goodchild提議的所有研究主題,分別出現在其它一個或兩個提議中;但UCGIS提議的研究主題,有4個更具技術性的主題,并沒有在其它兩個提議中出現,分別是:1)分布計算;2)地理信息互操作;3)空間信息基礎設施的未來;4)地統計資料挖掘和知識發現。

  本文提出了的,畢業論文但沒有出現在其它任何一個提議中的有4個研究主題,分別是:1)人類與GI和技術的相互作用;2)定性統計推理;3)地理空間中的時間;4)其它地學計算論題。“人機相互作用”主題,部分為UCGIS提出的論題所涵蓋,但在UCGIS中已轉換為“認知”論題;而“處理時間”,在UCGIS中已為“地理表達的擴展”所包容。

  5、討論

  有關地理信息科學的研究主題,本文與其它提議各有所側重,要考慮學科的發展與展望,直接但明顯頗為“功利”的方法,是將提出的應優先予以考慮的研究工作與政府基金投入部門設定的優先項目進行比較。

  2000年,美國國家基金委的計算機與信息科學和工程(CISE)理事會信息與智能系統部提出并制定了8個規劃研究領域:1)計算與社會系統;2)人機相互作用;3)信息與資料管理;4)信息技術研究;5)知識與認知系統;6)機器人學與人類擴大;7)特殊項目;8)數字圖書館。中國國家自然科學基金委員會在2001年11月出版的“地球空間信息科學”基金優先資助領域戰略研究報告中,在“基礎研究”、“方法技術”與“應用研究”三個領域內提出了14個研究主題[11]:1)遙感信息機理;2)地理空間認知;3)地理空間尺度;4)地理空間關系;5)地理表示方法擴展;6)地理信息不確定性;7)數據獲取與集成;8)地理可視化;9)空間分析方法與模型;10)空間信息分布式計算;11)互操作;12)數據基礎設置;13)全球變化;14)區域可持續發展。

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