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探讨地理信息科学的重要研究课题_地理专业毕业论文

发布时间:2015-06-04 来源:人大经济论坛

地理信息科学(GI-Science)是当今最为活跃的学术领域,在某种程度上讲,它是一种地球新科学[1](Earth’s New Science)。但在其出现之初,无论是学术界还是GIS产业界,对其可能的影响程度并不清楚。作为多学科领域的学科延拓与集成,地理信息科学对于科学、技术与社会的影响正在不断突显。代写毕业论文但在学术界,仍有不少学者将地理信息科学仅仅看作是地理信息系统的同义名字,而不是一个严密的科学与智能领域。地理信息科学出现十多年后,本文旨在对学科的一些概念与认知问题作深入探索,对学科领域与智能范围界定的几种主张进行讨论与评述,推动地理信息科学的发展。

1、地理信息科学

什么是地理信息科学?国际最为知名的地理信息科学家,Goodchild M F在20世纪90年代初提出地理信息科学新学科的论文中[2],明确将其定义为信息科学有关地理信息的一个分支学科,地理学论文代写通过枚举地理信息科学主要研究命题的方式,勾画了地理信息科学的学科领域与范围。

1994年底,一批知名的美国GIS学者,在Colorado学术会议期间,提议建立一个新的GIS联合组织,并试图对已经开始蓬勃发展的GIS新学科领域作出界定。专家们对这个新生组织的名字进行了激烈的争论,几乎是对名称中的每一个字,通过投票表决的方式,最终一致同意将该新组织命名为地理信息科学大学联盟(UCGIS),并为新的组织与学科领域界定了一个大家所能接受的解释性间接定义:大学地理信息科学联盟致力于为理解地理过程、地理关系与地理类型而发展和利用新的理论、方法、技术和资料。将地理资料转换成有用的信息是地理信息科学的核心[3]。

1999年初,美国国家科学基金委员会(NSF)的一个工作组,在其向委员会的报告中提出了地理信息(GI)科学的一个完整定义:地理信息(GI)科学是一为追求重新定义地理概念和在地理信息系统中成功应用的基本研究领域。地理信息科学研究地理信息系统对于社会与公众的影响,研究社会对于GIS的影响。地理信息科学将深入研究以空间信息为主要研究对象的一些传统科学,如地理学、地图学、大地测量学中的最基本命题,同时将结合在认知与信息科学中的一些最新发展;它也将与某些较为专门的研究领域,如计算机科学、统计学、数学、心理学等相互交叠,并继续对这些领域的发展作出贡献;它将支持在政治科学、人类学领域的研究,在地理信息和社会的研究中利用这些领域的知识。

NSF并没有完全采用这样一个定义来设定地理信息科学的基本研究领域。十余年来,北美、西欧、澳大利亚等很多西方国家,或许还应包括中国,出现了这样一种趋势,试图利用地理信息科学这一术语来泛指几乎任何一种涉及地理信息系统理论与应用的学术研究工作。地理信息科学作为一个正在发展中的新学科领域,具有显著的学科深度与广度;作为一个多学科的集成领域,它不是一个简单的GIS教育与应用的新名词。数十年来,GIS已被广泛应用而成为科学研究的重要工具,但它还不是GI科学的全体;利用GIS工具进行的研究,对于科学是重要的,对于发现与GIS相关的科学研究是重要的,但它也并不是GI科学本身。当然,毫无疑义,利用GIS进行的研究有可能为GI科学的讨论揭示重要的研究命题,有可能对GI科学的研究进程作出贡献。学科选定了名词,名词就应反映学科的内涵与本质。显然,从名词的直观词义看,地理信息科学应是信息科学的一个分支。一个好的信息科学定义,必然能演绎出GI科学的确切定义;牛津英语词典(Oxford English Dictionary)对信息有多个定义解释,最接近于GI科学描述、处理与研究对象的信息的定义是:信息是通信的知识,涉及某些被通报或谈论的特殊的事实、对象或事件;与资料相反,信息是智力、新闻、说明、解释等;对信息科学的定义则是:信息科学是与信息,尤其是与技术的、或是科学的对象的信息进行存储、检索和传播的过程相关联的知识的分支。

地理信息科学的重要研究课题,从哲学思维与认知的角度,当一个智能主体的智力行为指向现实世界中的一个对象或事物时,信息就会产生;信息是智力行为内容的关键部分,尤其是智力行为内容的概念部分或可转换、通讯与传布部分,论文代写是概念化、智能体、认知过程的联系与媒介。而信息科学,则是研究在自然与人工系统中信息的特性与行为,研究信息从一个主体到其它主体的转换,转换过程、形式、机制的科学。将地理这个单词作为限定词设置于信息的前面,显然这是对地理信息科学学科研究领域的合理定义。地理信息科学的内容和学科体系,从根本上说是信息科学分支的范畴,Goodchild对地理信息科学的这一定义,是对学科最为贴切的界定。

2、地理信息科学的历史

2.1 NCGIA的研究议题

地理信息系统的历史,其本身就是一个值得研究的论题。地理信息系统与计算机制图学紧密联系,自20世纪60年代、甚至更早的初始阶段以来,地理信息系统、计算机制图学的理论、概念、计算、设计与开发取得了巨大发展;80年代中期,美国NSF开始资助一些科学与技术研究中心,开展对GIS的理论与应用研究;委员会地理学与区域科学规划部主任Ron Abler教授对美国国家地理信息与分析中心(NCGIA)提出并设定了应当考虑并全力开展的5个研究主题:1)空间分析与空间统计学;2)空间关系与数据库结构;3)人工智能与专家系统;4)可视化;5)社会、经济与制度问题。从历史的角度看,这5个研究主题应是正在呈现的新地球科学地理信息科学学科范围的第一次界定,代写毕业论文这一界定对于地理信息科学的形成与发展至关重要。

2.2 领域的命名

GIS发展历程中,曾经广为流行的地理信息与分析这一将GIS的构成要素与来自于地理学的空间分析传统组合而成的复合词语,一度是学科发展的见证。1990年,Goodchild在瑞士苏黎世举行的第四次空间资料处理学术大会上,对GIS研究的优先领域作了一次名为空间信息科学的关键演讲。经过修改后的文章定名为地理信息科学,发表在国际地理信息科学(IJGIS)杂志上。文章的名称由空间改变为地理,杂志名称也从地理信息系统改为地理信息科学,Goodchild并没有对这种变换进行专门的讨论;在他对地理信息科学作出是信息科学有关地理信息的一个分支学科的定义基础上,对其所命名为地理信息科学的学科内容在8个标题下进行了讨论,分别是:1)资料采集与测度;2)资料获取;3)空间统计学;4)资料模拟与空间资料理论;5)资料结构、算法与处理;6)显示;7)分析工具;8)制度、管理与伦理学问题。

2.3 地理信息科学大学联盟

1994年底,UCGIS建立。在1997年的代表大会上,UCGIS提出了亟待开展研究的10个优先领域:1)空间资料获取与综合;2)分布式计算;3)地理表达扩展;4)地理信息认知;5)地理信息互操作;6)比例尺;7)GIS环境下的空间分析;8)空间信息基础设施的未来;9)空间资料与基于GIS分析中的不确定性;10)GIS与社会。UCGIS研究优先领域中的4个论题并没有出现在Goodchild的论题中,空间信息基础设施的未来是一个高度应用性的论题,迭现了科学与工程的紧密结合,在其它一些学科界定研究中归并在GIS与社会的分类体系下;互操作、分布式计算与比例尺是3个基础研究的论题,比例尺是尺度,更是一个理论与概念性的问题,而互操作与分布式计算显然是一些科学计算上的问题。

2.4 瓦伦纽斯项目

1995年,NCGIA向NSF提交了一份命名为推进地理信息科学的研究建议[4,5],将新形成的GI科学定义为基于3个基础研究领域的一门学科,分别是:1)地理空间的认知模型;2)地理概念表达的计算方法;3)信息社会的地理学。瓦伦纽斯三角形颇不平衡,但建议与完成的研究报告详尽勾画了地理信息科学的当今研究水平,为学科勾画了研究前沿与未来发展走向,是西欧北美地理信息科学家最为权威的研究成果。

3、地理信息科学学科领域界定

地理信息科学学科领域的界定,将重要研究主题进行罗列与分析应是一种有效的构筑途径。这些研究主题的研究有些较为成熟或完全,有的正在发展之中,它们相互紧密联系,共同构成新的地理信息科学学科体系[6-10]。论文代写地理信息科学的整个学科体系可分解为5个领域共15个研究主题。

3.1 实体论与表达

3.1.1 地理实体论 实体论研究客观世界存在的是什么,有可能存在什么,为什么能存在?地理信息科学的实体论研究为科学家们所使用和研究,也是广大公众所使用的地理信息和地理概念。实体论试图提供一种能维系现实世界中符号(实例)与类型(种类)相一致的正式理论,探索它们之间的相互关系和将它们实施转换的过程。地理实体论成为UCGIS所确认的最为重要的研究主题之一,正是学科地理基础的体现。

3.1.2 地理现象表达 地理现象的正确表达,指的是对现象概念化的说明,它应能为不同的使用者所接受与使用,因而需要有能够支撑将一种资料关系自动转换成另一种关系,从一个实体域转换到其它实体域,在科学计算上能对对象进行追溯、确认、分类等的方法。显然,地理现象的表达在数字领域内首先是类型或种类,通过资料转换成为对应于现实地理空间对象的数字表征,为此需寻找能够抓住地理现象本质的数字(学)公式,通过基于GIS的资料表达、模拟与挖掘,完成地理现象与实体的有效表达。

3.2 计算

3.2.1 定性空间推理 作为广义意义上的计算,空间关系与空间位置的推理是人工智能领域重要的研究主题,也是GI科学中的重要领域。空间关系的认知模型与语言模型显然涉及诸如接触、包容这样的定性拓扑原理。对于空间对象不相交的空间关系,可用距离和方向等来表征;空间对象接触或叠置时,空间关系可用在点集理论基础之上拓展的多种相交图式来表达。

3.2.2 计算几何学 计算几何学是地理空间对象和关系定量表达的基础,几何问题的计算与求解是早期的计算机机助制图学和GIS中的重要内容。欧氏几何学不可能在一个精确度限定的数字环境内,以一种直接的方式实施几何计算;线形简化和地图综合的很多问题,有赖于GI科学中的计算几何学,尽管这些问题也与比例尺的尺度问题相关;至于一些与邻近性相关的计算几何问题,可在Voronoi算法、泰森(Thiessen)多边形或邻近(Proximal)多边形等概念框架下进行处理,它们共同构筑了地理信息科学中几何计算的理论与应用构架。

3.2.3 空间数据库中的有效变址、检索与搜索 多维资料的有效变址是计算机科学中一个重要的研究问题。2维、2·5维、3维地理信息构成的空间数据库,变址问题颇为重要。早期GIS中所使用的Morton矩阵方法,图形、图像处理中的四叉树、八叉树、B树,R树和K树等规律表达,为变址、检索、搜索等复杂问题的有效解决提供了基础。

3.2.4 空间统计学 空间统计学是与地理信息科学具有密切联系的重要研究领域。空间信息的特殊性体现于空间自相关或空间相依性的无处不在。空间统计学为研究与处理空间自相关提供了有用的统计方法,如空间自相关的测度和以空间单位资料为基础进行统计分析时空间自相关作用的控制方法等。空间统计学也是GIS数据质量与控制研究的有用工具。当然,作为具有相对独立性的空间统计学,与地理信息科学的其它领域相对分离。

3.2.5 地理计算 地理计算是GI科学的重要组成部分,像用于基于栅格的空间分析综合概念框架的地图代数,已不再是在空间信息不同表达方式基础之上实施的标准GIS运算,本质上它是一种在相近性和局部运算基础上将地学计算问题概念化的不同方法,或许需在并行计算环境下才可以有效运行。高性能计算支持下的分形城市、细胞自动机、基于主体的城市演化模拟等地理计算新发展,正在构成GI科学的科学计算与模拟的新学科领域,成为新世纪GI科学的研究与开发应用热点。

3.3 认知

3.3.1 地理对象认知模型 认知模型涉及人类对地理现象的感知、代写硕士论文学习、记忆、推理和通信的完整过程。人类对地理环境认知过程的研究,作为一种获取对空间关系、地理本体论的认识,理解与改进GIS的人机相互作用的方法而成为GI科学的重要研究主题。包括研究地理科学领域认知问题在内的整个人类空间认知问题研究,是GI科学有关领域研究的基础。在瓦伦纽斯项目实施期间,NCGIA有一批知名学者对地理空间公共意义上概念的公式化表达和地理现象的认知模型等作出了重要贡献。

3.3.2 人类与地理信息和技术的相互作用 地理信息系统包括界面设计和公众参与在内的人机相互作用问题研究是GI科学研究体系的一部分,它的重要性一方面取决于GIS的可应用性与公众参与问题是否可以被分解成一般意义上的人机相互作用问题,这里涉及GI科学的对象理念与工程技术设计;另一方面也取决于地理对象的认知与概念问题。有一点可以肯定,GIS工具与GI科学将大大拓展人类认知世界的能力与水平。

3.4 应用、组织与社会

3.4.1 地理资料获取 对地理空间位置与属性的理论、信息、资料等的测度与应用研究构成了GIS研究的主体。GI科学的建立与构成必须以测绘科学理论(坐标系统、地球形态测度表达等)为基础,而系统一旦确定与建立,它就为地理世界的概念化、地理客观世界的表达与转化提供了最直接的解释基础。当今最为先进的遥感遥测技术与GPS定位技术,成为GI科学所研究与使用的所有地理资料和信息获取的最为有效与最为先进的技术手段,它们能保证资料的实时、多源、多尺度特点,成为GI科学研究的基础。资料获取手段与技术的使用与研究,成为GI科学学科体系的重要组成。

3.4.2 地理信息的质量 地理信息的质量、精度与误差研究是GI科学研究的重要部分。可能由于在资料获取时期的各种测度误差,或由于在GIS资料处理过程中的各种变换误差的导入而降低资料质量。如果认知、实体论或表达方式不确切,说明与解释也有可能发生误差。资料质量的影响必须在模型灵敏度、拟合置信度等框架内首先作出确切评定,以保证GIS应用系统与GI科学的准确与有效。

3.4.3 空间分析 空间分析原是数量地理学的重要命题,但它与地理信息科学联系密切。曾经有学者提出,空间分析仅仅是GI科学原则在环境与社会科学中一些实际应用,空间分析的基础已为实体论、代写职称论文表达方法与空间统计学的有关论题所覆盖。但是,随着空间分析技术本身的发展,特别是以高性能计算为基础的地理计算学的形成与发展,已使空间分析的方法论发生了根本的变革,它必将使GI科学的空间分析功能产生质的变革。在某种意义上讲,是将空间分析划定为GI科学主题的一部分,或是GI科学应用论题的一部分,这样一种明确的划分可能并不重要。

3.4.4 地理信息、组织与社会 GIS技术的社会应用与影响是GIS应用研究的主体。80年代前后,GIS中的大多数技术创新都是出现在一些直接的应用层面上,应用软件主要由研究机关、学校或咨询部门的开发人员开发,很少直接由科学家发明。80年代是软件与资料商业化的十年,更是GIS研究和发展学术化的十年。80年代末以来,学术的注意力更多地转向了技术与社会,对地理信息的经济、社会、法律诸方面的注意与研究明显增加,对GIS研究的产品和分享,包括GIS和相关技术使用中所涉及的效率、有效性、社会平等性、公众参与、公众权力等明显增加,推动了GI科学与GIS技术的大众化与社会化。

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