地球信息科学和数字地球(地理信息系统--原理、方法和应用)

1、地理信息系统（geographic information system ， 即gis ）——一门集计算机科学、 信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科， 它是在计算机软件和硬件支持下， 运用系 统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划 、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。

2．栅格——栅格结构是最简单最直接的空间数据结构， 是指将地球表面划分为大小均匀 紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个象元或象素由行、列定义， 并包含一个代码表示 该象素的属性类型或量值， 或仅仅包括指向其属性记录的指针。

因此， 栅格结构是以规则 的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。

特点：属性明显， 定位隐含， 即数据直接记录属性本身， 而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标，即定位是根据数据在数据集中的位置得到的，在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最 多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个 栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。

3.矢量——它假定地理空间是连续， 通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、 多边形等地理实体， 坐标空间设为连续， 允许任意位置、长度和面积的精确定义。

对于点实体， 矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；对于线实体， 用一系列坐标对的连线表示；多边形是指边界完全闭合的空间区域，用一系列坐标对的连线表示。

4. “拓扑”（topology）一词来源于希腊文，它的原意是 “形状的研究”。

拓扑学是 几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性（拓扑属 性：一个点在一个弧段的端点， 一个点在一个区域的边界上；非拓扑属性：两点之间的距离， 弧段的长度， 区域的周长、面积） 。

数字地球-鲁教版选修七地理信息技术应用教案课程背景近年来，随着信息技术的不断发展和地理科学的不断深入，数字地球逐渐成为热门话题。

数字地球是指通过数字技术手段，将地球表面的自然、社会、经济等各种信息内容数字化、虚拟化和可视化，形成三维、多源、实时、动态、高精度的地球信息体系。

地理信息技术作为数字地球的关键技术之一，不断发展和应用。

本课程旨在教授地理信息技术的基本概念、原理与应用，让学生能够了解数字地球的基本特征以及地理信息技术在不同领域中的应用。

教学目标1.了解数字地球的基本概念、特征和应用；2.掌握地理信息技术的基本原理和方法；3.了解地理信息系统（GIS）的结构和功能；4.了解地理信息技术在城市规划、环境监测、资源调查和决策支持等方面的应用。

教学内容第一章数字地球的基本概念与特征1.1 数字地球的发展历程和意义1.1.1 数字地球概念的形成1.1.2 数字地球的发展历程1.1.3 数字地球的意义1.2 数字地球的基本特征1.2.1 三维性1.2.2 实时性1.2.3 高精度性1.2.4 动态性1.3 数字地球的应用1.3.1 环境监测1.3.2 城市规划1.3.3 航空航天第二章地理信息技术的基本原理和方法2.1 地理信息技术的基本概念2.1.2 地理信息技术的发展历程2.1.3 地理信息技术的应用领域2.2 地理信息技术的基本原理2.2.1 空间数据的存储和处理2.2.2 空间分析2.2.3 空间可视化2.3 地理信息系统（GIS）的结构和功能2.3.1 GIS的基础概念2.3.2 GIS的结构和组成2.3.3 GIS的应用第三章地理信息技术在不同领域中的应用3.1 城市规划3.1.1 城市规划的概念和意义3.1.2 GIS在城市规划中的应用3.1.3 城市规划案例分析3.2 环境监测3.2.1 环境监测的概念和意义3.2.2 GIS在环境监测中的应用3.2.3 环境监测案例分析3.3 资源调查3.3.1 资源调查的概念和意义3.3.2 GIS在资源调查中的应用3.3.3 资源调查案例分析3.4 决策支持3.4.1 决策支持的概念和意义3.4.2 GIS在决策支持中的应用3.4.3 决策支持案例分析教学方法本课程采用讲授、案例分析和实践教学相结合的教学方法，鼓励学生积极参与课堂讨论和实践操作。

第三、四节地理信息系统的应用和数字地球学习目标：1.了解地理信息系统和数字地球的定义。

2.理解地理信息系统的功能和流程并结合实例学会分析地理信息系统可以解决的四类问题。

(重点) 3.会使用常见的GIS产品，能分别说明地理信息系统在城市管理中的应用。

(重点)4．掌握数字地球的核心思想和应用前景。

(难点)1．地理信息系统的应用(1)地理信息系统①概念依靠计算机实现地理信息的收集、处理、存储、分析和应用的系统，简称GIS。

②功能③工作流程信息输入→数据处理→数据库管理→空间分析→可视化表达(2)地理信息系统可以解决的四类基本问题①与分布、位置有关的基本问题查询“地点”和“状况”；查询符合一定条件的地物位置。

②趋势分析通过某地物随时间变化的过程，分析其发展趋势。

③模式问题揭示各种地物之间的空间关系。

④模拟问题利用已掌握的规律建立起一定模型，模拟具备某种条件时将出现的结果。

(3)地理信息系统在城市管理中的应用①城市信息管理与服务：向城市居民提供日常工作与生活所需的各种信息。

②城市规划：查询和统计，并用三维影像显示市貌，分析城市现状，有效管理城市地下管网。

③城市道路交通管理⎩⎨⎧显示道路的路况、交通流量、沿线环境等空间和属性信息提供多种类型的查询及时发布交通信息④城市救灾防灾⎩⎨⎧跟踪灾难发生、发展过程对灾害进行快速分析、评价和模拟辅助开展灾后的应急和恢复工作⑤城市环境管理：主要包括环境规划与决策、监测、评价、预测与模拟等。

(1)数字地球①含义：对真实地球及相关现象的统一性的数字化重现与再认识。

②应用技术：全球定位系统、遥感技术、地理信息系统、虚拟技术、网络技术等。

③核心思想a．用数字化手段统一处理地球问题。

b．最大限度地利用信息资源。

④基础a．全球网络要求信息网络嵌入到每个人的日常生活中。

b．分布式存储信息分开存储到全球各地的计算机中。

高速宽带网络的建设及其传输速度，是建立数字地球的重要基础。

⑤最大特征与依据——虚拟现实技术。

地球信息科学与技术考研方向地球信息科学与技术是一个涉及地理信息系统（GIS）、遥感技术、地球大数据处理等领域的综合性学科。

在考研中，地球信息科学与技术的研究方向多种多样，以下是一些常见的考研方向：
1.GIS与空间分析：
研究地理信息系统的原理、技术和应用，包括地图制图、空间分析、地理数据处理等方面。

2.遥感技术与应用：
关注遥感数据的获取、处理和应用，研究卫星遥感、航空遥感等技术在环境监测、资源调查等领域的应用。

3.地球大数据处理与分析：
研究地球大数据的存储、管理、处理和分析方法，以应对大规模、多源地球数据的挑战。

4.地理空间信息工程：
着重研究地理信息的采集、处理、管理和传输技术，包括GPS 技术、地理信息工程软件等方面。

5.环境遥感与监测：
关注环境遥感技术在气候变化、自然灾害监测等方面的应用，以及环境信息处理与模型分析。

6.地球信息系统与可持续发展：
结合地球信息技术，研究如何促进可持续发展，包括土地利用规划、资源管理等方面。

7.数字城市与智慧城市：
探索地球信息科学在城市规划、交通管理、智慧城市建设等方
面的应用。

8.地球信息科学前沿技术：
关注地球信息科学领域的最新技术和研究方向，如人工智能、深度学习在地球信息领域的创新应用。

在考研过程中，可以根据个人兴趣和职业发展方向选择适合的研究方向。

同时，建议详细查看各高校的专业介绍和研究生招生信息，了解不同学校在地球信息科学与技术领域的优势和特色。

球形的地代替了平面的地，引起了大地观念的依次彻底变化。

这时人们无须扩展大地的圆盘以远远超过有人烟的地区，而认为有人烟的地区只包括地球的一小部分，更大的空余地面则可留待假说玄想去填充……阿尔夫雷德.赫特纳第十九章地球信息科学和数字地球导读：本章介绍了GIS发展的一些最新的概念，包括地球信息科学，数字地球等等，这些概念的具体含义至今仍在变化。

数字地球与其说是一门技术，不如说是一个政策，它是GIS应用发展的顶点。

最后介绍了国家空间数据基础设施，它是一个国家推广GIS应用重要的第一步。

1．地球信息科学1．1几个相关概念近十几年来，随着遥感，全球定位系统，地理信息系统以及计算机网络技术的发展，出现了一系列新的、意义相近的、与地理信息系统相关的名词，如地理信息科学（Geographical Information Science），地球测量（Geomatics，地球信息学[宫鹏]，地球空间信息学[李德仁]），地球信息学（Geo-Informatics），地球信息科学（Geo-information Science）等等，这些概念提出的时间还都不长，其含义存在交叉，目前国内对其确切的译名有些也存在着争论，下面介绍地理信息科学，地球测量的概念以及地球信息科学的概念和内容。

1．1．1地理信息科学地理信息科学是1992年Goodchild提出的，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：1）分布式计算2）地理信息的认知3）地理信息的互操作4）比例尺5）空间信息基础设施的未来6）地理数据的不确定性和基于GIS的分析7）GIS和社会9）地理信息系统在环境中的空间分析10）空间数据的获取和集成等等地理信息科学在对于地理信息技术研究的同时，还指出了支撑地理信息技术发展的基础理论研究的重要性。

数字地球技术的发展与应用摘要：地球的空间表达方式，由过去的模拟地图到数字地图是数据处理技术的飞跃，由数字地图到地理信息系统再到“数字地球”是信息技术发展的本质飞跃。

因此“数字地球”的出现是时代发展的必然趋势。

本文通过对“数字地球”技术及其在地理环境和气象信息的可视化进行介绍，从而让我们对“数字地球”的发展与应用有进一步的了解。

关键词：数字地球；信息技术；地理环境可视化；气象信息可视化1数字地球技术1.1 数字地球的概念数字地球指的是一种地球信息模型，它把地球上每一个角落的信息都收集起来，按照地球上的地理坐标建立成一个完整的信息模型，是一个虚拟的地球，其核心是利用数字化手段处理地球，最大限度地利用信息资源。

它是以地球作为研究对象，以地理坐标为依据，具有多分辨率、海量数据和多种数据融合、并可用多媒体和虚拟技术进行多维的(立体的和动态的)表达，具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化特征的技术系统。

1.2 数字地球的理论技术基础数字地球是遥感图像处理系统、地理信息系统、全球定位系统、宽带网络以及仿真和虚拟技术等现代科技的高度融合体，是信息技术发展的必然结果。

据不完全统计，在自然与人类社会的信息流量中，具有地理参考特征的各种信息流量占总信息流量的80%左右。

而具有地理特征属性的空间信息均与地球有关，因此在进入信息时代的社会中，提出数字地球的概念，创建数字地球，以至于在各个领域中应用数字地球，是必然的事情。

地球信息科学是数字地球的理论基础，包括地球信息系统理论和信息科学理论、地球耗散结构与自身组织理论和地球分形与自身相似理论等。

数字地球主要由空间数据、操作平台、应用模型组成。

1.3“3S”技术所谓“3S”技术，即全球导航定位系统（GNSS）、地理信息系统（GIS）和遥感（RS）。

没有“3S”技术的发展，现实变化中的地球是不可能以数字的方式进入计算机网络系统的。

将“3S”技术中有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、可靠、准确的收集处理与更新。

数字地球学的新技术和应用数字地球学是一门基于数字化技术和地球信息科学等多学科交叉的新兴学科，它将地球上的自然、社会、经济等多种信息数据进行集成、管理、分析和展示，形成了一种全球范围、实时更新、多尺度、多层级的地球信息系统。

数字地球学在地球科学、城市规划、环境保护、资源开发等领域具有广泛的应用前景。

本文将介绍数字地球学的新技术和应用。

一、数字地球学的新技术1. 三维空间数据管理技术传统的地理信息系统（GIS）主要关注地理信息的二维表示和操作，而数字地球学则将重点放在了三维空间数据的处理上。

三维空间数据管理技术是数字地球学的一项核心技术，它能够通过数字化手段对地球表面的物理特征进行精确的测量和建模，以达到对地球三维信息的全面理解和管理。

2. 遥感数据处理与分析技术遥感数据是数字地球学的另一个重要数据来源，它通过卫星、航空等手段对地球表面进行非接触式的观测和测量。

数字地球学可将遥感数据与其他类型的地理信息数据进行融合，以实现更加全面、准确的地球信息分析和预测。

3. 可视化技术数字地球学中的可视化技术能够将抽象的数字数据转化为具有视觉感官的表现形式，以促进人们对全球范围内复杂数据的理解和交互式操作。

例如：数字地球模型的可视化实现，可以让人们直观地了解地球的自然地貌、人文地理和环境等方面的信息。

二、数字地球学的应用1. 地球科学领域数字地球学技术在地球科学领域的应用非常广泛，包括地质勘探、地震预测、气象预报等。

例如，激光雷达测绘技术和数字地球模型可实现精确的地形和岩石结构还原，进而为地质勘探提供高精度地质信息；气象遥感数据的分析与处理可以对气象和气候进行更好的预测和监测，以提高气象预报的准确性和可靠性。

2. 城市规划与管理数字地球学技术在城市规划和管理领域的应用也非常广泛，能够为城市规划、土地管理、交通建设等提供帮助。

例如，数字地球模型可用于城市规划、建筑设计等多个领域，以便更好地实现城市建设规划的可视化呈现、市政设施的优化配置等功能；数字地球模型同时也可以用于交通规划，以实现交通状况的实时监测和改善。

地球信息科学与技术在地质勘探技术中的应用在当今科技飞速发展的时代，地球信息科学与技术作为一门交叉学科，正逐渐成为地质勘探领域的重要支撑。

它融合了地理信息系统、遥感技术、全球定位系统等多种先进技术手段，为地质勘探工作带来了前所未有的机遇和突破。

地球信息科学与技术中的地理信息系统（GIS）在地质勘探中发挥着关键作用。

GIS 能够将地质数据，如地层结构、岩石类型、矿产分布等，以数字化的形式进行存储、管理和分析。

通过建立地质数据库，地质工作者可以方便地查询、检索和更新各类地质信息，大大提高了工作效率。

同时，GIS 还具备强大的空间分析功能，能够对地质数据进行叠加分析、缓冲区分析等，从而帮助地质工作者发现潜在的地质规律和矿产资源分布特征。

例如，在研究某个区域的地质构造时，可以将地层数据、断层数据和矿产数据进行叠加，清晰地了解它们之间的空间关系，为进一步的勘探提供有力的依据。

遥感技术也是地球信息科学与技术的重要组成部分。

它通过卫星、飞机等平台获取地表的电磁波信息，从而实现对大面积区域的快速观测。

在地质勘探中，遥感技术可以用于识别地质构造、岩石类型和矿产蚀变信息。

不同的岩石和矿物质在电磁波谱上具有独特的反射和吸收特征，通过对遥感图像的解译和分析，地质工作者可以判断出地下的地质情况。

比如，在干旱地区，遥感技术可以发现由于地下水上升导致的岩石蚀变带，从而推测可能存在的矿产资源。

此外，高分辨率的遥感图像还能够帮助地质工作者绘制详细的地质图，为野外实地勘探提供重要的参考。

全球定位系统（GPS）则为地质勘探提供了精确的位置信息。

在野外地质调查中，地质工作者可以利用 GPS 设备准确记录采样点、观测点的坐标，确保地质数据的准确性和可靠性。

同时，GPS 与地理信息系统相结合，可以实现地质数据的实时定位和可视化展示，方便地质工作者在野外进行现场分析和决策。

除了上述几种主要技术，地球信息科学与技术还包括数字地球、虚拟现实等新兴领域。

地球信息科学的名词解释引言：地球信息科学是一门综合性学科，将地球科学、计算机科学和信息科学相结合，通过信息技术手段对地球系统进行建模、分析和预测。

本文将对地球信息科学相关的一些基本名词进行解释，以帮助读者更好地了解这一领域。

一、地球信息系统地球信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是地球信息科学的核心工具。

它是一种电子地图技术，将地理位置、属性数据和空间分析功能相结合，用于存储、管理、分析和可视化地理信息。

地球信息系统可以用于土地利用规划、自然资源管理、环境保护、城市规划等领域。

二、遥感技术遥感技术是通过卫星、飞机等远距离传感器获取地表信息的一种手段。

它能够实时、连续地监测地球表面的变化，并获得高分辨率的影像数据。

遥感技术在地球信息科学中起到重要作用，可以用于地表覆盖分类、环境监测、资源调查等方面。

三、数字地球数字地球是指用数字化技术对地球进行模拟、仿真和可视化的概念。

数字地球将大量的地球观测数据、地球科学模型和地球信息系统集成在一起，以提供多维度、多尺度的地球信息。

数字地球技术可以用于灾害预警、城市规划、气候模拟等领域。

四、地球大数据地球大数据是指海量的地球观测数据和相关信息。

它包括遥感数据、地理信息数据、地震数据等各种地球科学数据。

地球大数据提供了丰富的资源和信息，可以支持各种地球科学研究和决策支持系统的构建。

五、地理信息系统地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）是地球信息系统的一个重要分支。

它是一种地理数据管理和空间分析的软件系统，用于存储、管理和分析地理信息。

地理信息系统可以实现地图制作、地理数据查询和空间分析等功能，广泛应用于城市规划、交通管理、环境监测等领域。

六、地球模型地球模型是对地球系统进行描述和分析的数学模型。

它可以用来模拟地球的物理规律，预测地质灾害、气候变化等自然现象。

地球模型结合了地球信息系统和地球大数据，可以提供对地球系统行为的理解和预测。