1、地理信息科学

什么是地理信息科学？世界上最著名的地理信息科学家古德柴尔德·M·F在90年代初的论文中提出了地理信息科学的新学科[2]，并明确定义为& ldquo信息是与地理信息相关的科学分支& rdquo通过列举地理信息科学的主要研究命题，勾勒出地理信息科学的学科领域和范围。

1994年底，在科罗拉多学术会议期间，一群美国著名的GIS学者提议成立一个新的GIS联合组织，并试图定义已经开始蓬勃发展的GIS新学科领域。专家们就这个新组织的名字展开了激烈的争论，名字里几乎每个字都经过了投票，最后一致同意给这个新组织命名& ldquo地理科学大学联盟(UCGIS)& rdquo；并为新的组织和规程定义一个可接受的解释& ldquo间接& rdquo定义:& ldquo大学地理信息科学联盟致力于开发和利用新的理论、方法、技术和材料来理解地理过程、地理关系和地理类型。将地理数据转化为有用的信息是地理信息科学的核心& rdquo[3]。

1999年初，美国国家科学基金会(NSF)的一个工作组在给委员会的报告中提出了地理信息(GI)科学的概念& ldquo完成& rdquo定义:& ldquo地理信息科学是重新定义地理概念并将其成功应用于地理信息系统的基础研究领域。地理信息科学研究地理信息系统对社会和公众的影响，以及社会对GIS的影响。地理科学会深入研究一些以空之间的信息为主要研究对象的传统科学，比如地理学、地图学、大地测量学中最基本的命题，同时结合认知科学和信息科学的一些最新发展；还会和一些更专业的研究领域重叠，比如计算机科学、统计学、数学、心理学等。，并继续为这些领域的发展作出贡献；它将支持政治学和人类学领域的研究，并在地理信息和社会研究中利用这些领域的知识& rdquo。

NSF并没有完全采用这样的定义来设定地理信息科学的基础研究领域。在过去的十年中，许多西方国家，如北美、西欧、澳大利亚，也许还有中国，都表现出这样的趋势，试图利用& ldquo地理学& rdquo这个术语指的是几乎所有涉及& ldquo地理信息系统& rdquo理论和应用方面的学术研究工作。地理科学作为一门新兴的学科领域，具有显著的深度和广度。作为一个多学科融合的领域，它不是一个简单的GIS教育和应用的新名词。几十年来，地理信息系统作为科学研究的重要工具得到了广泛应用，但它并不是地理信息科学的全部。使用GIS工具的研究对于科学和与GIS相关的科学研究的发现是重要的，但它不是GIS科学本身。当然，毫无疑问，地理信息系统进行的研究可能会揭示地理信息科学讨论的重要研究命题，并可能有助于地理信息科学的研究进程。主语选择名词时，名词要体现主语的内涵和本质。显然，从名词的直观含义来看，地理信息科学应该是信息科学的一个分支。一个好的情报学定义必然会推导出地理信息科学的确切定义；牛津英语词典对信息有很多定义和解释，是最接近GI科学描述、处理和研究对象& ldquo信息& rdquo被定义为:& ldquo是信息沟通的知识，涉及一些特殊的事实、对象或事件被通知或谈论；与数据相反，信息是情报、新闻、解释、说明等。& rdquo；右& ldquo信息科学& rdquo定义是:& ldquo科学是与存储、检索和传播信息的过程相关的知识分支，尤其是技术或科学对象的信息& rdquo。

地理科学的一个重要研究课题，从哲学思维和认知的角度，当一个智能主体的智能行为指向现实世界中的一个物体或事物时，就会产生信息；它是信息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转换、交流和传播部分。论文是概念化、主体和认知过程的联系和中介。虽然信息科学是研究自然和人工系统中信息的特征和行为研究信息从一个主体向其他主体的转化，以及转化的过程、形式和机制& rdquo科学。威尔& ldquo地理& rdquo这个词在& ldquo中被设定为限定词。信息& rdquo前面很明显，这是地理信息科学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的一个分支。古德乔尔德对地理信息科学的定义是对一门学科最恰当的定义。

2.地理信息科学史

2.1 ncgia的研究课题

地理系统的历史本身就是一个值得研究的课题。地理信息系统(GIS)与计算机地图学密切相关。自20世纪60年代初以来，地理信息系统和计算机制图的理论、概念、计算、设计和发展取得了很大进展。80年代中期，美国NSF开始资助一些科技研究中心开展GIS的理论和应用研究；委员会地理与区域科学规划部主任Ron Abler教授提出并设定了国家地理信息与分析中心(NCGIA)应考虑并充分发展的五个研究课题:1)空间分析和空间统计；2)空与数据库结构的关系；3)人工智能和专家系统；4)可视化；5)社会、经济和制度问题。从历史的角度来看，这五个研究课题应该是新兴的地球科学& mdash& mdash& mdash地理信息科学学科范围的首次界定，毕业论文的界定对于地理信息科学的形成和发展至关重要。

2.2域名命名

在GIS的发展过程中，曾经流行过& ldquo地理信息与分析& rdquo这个融合了GIS元素和来自地理学的空分析传统的复合词，曾经见证了学科的发展。1990年，Goodchild在瑞士苏黎世举行的第四届数据处理学术会议上就GIS研究的优先领域作了题为& ldquo空信息科学& rdquo关键的演讲。修改后的文章命名为& ldquo地理学& rdquo，发布于& ldquo国际地理信息科学& rdquo(IJGIS)杂志。文章标题是& ldquo空房间& rdquo更改为& ldquo地理& rdquo，杂志名也来自& ldquo地理信息系统& rdquo更改为& ldquo地理学& rdquo古德乔尔德没有具体讨论这种转变；他在地理信息科学方面取得了巨大成就& ldquo信息是与地理信息相关的科学分支& rdquo根据它的定义，它被命名为& ldquo地理学& rdquo主题内容在八个标题下讨论，即:1)数据收集和测量；2)数据采集；3)空统计；4)空之间的数据模拟和数据理论；5)数据结构、算法和处理；6)展示；7)分析工具；8)制度、管理和道德问题。

2.3地理信息科学大学联盟

1994年底，UCGIS成立。在1997年的大会上，UCGIS提出了10个急需研究的优先领域:1)在空之间的数据获取和综合；2)分布式计算；3)地理表达扩展；4)地理信息认知；5)地理信息互操作性；6)规模；7)GIS环境下空之间的分析；8)未来的信息基础设施在空之间；9)空数据和基于GIS的分析中的不确定性；10)GIS与社会。UCGIS研究优先领域中的四个主题没有出现在Goodchild的主题中。& ldquo空& rdquo；之间信息基础设施的未来。它是一个应用性很强的课题，体现了科学与工程的紧密结合，融于& ldquoGIS与社会& rdquo在分类系统下；& ldquo互操作性、分布式计算和规模& rdquo它是三个基础研究课题，规模就是规模，是一个理论和概念问题，而互操作和分布式计算显然是一些科学计算问题。

2.4 Varenius项目

1995年，NCGIA向NSF提交了一份名为& ldquo推进地理信息科学& rdquo新形成的地理信息科学定义为基于三个基础研究领域的学科，即:1)地理空之间的认知模型；2)地理概念表达的计算方法；3)信息社会地理学。瓦勒纽斯& ldquo三角形& rdquo不平衡，但建议和完成的研究报告详细概述了地理信息科学目前的研究水平，并为学科概述了研究前沿和未来发展趋势。它是西欧和北美地理信息科学家最权威的研究成果。

3.地理信息科学学科领域的定义。

界定地理科学的学科领域，列出并分析重要的研究课题，应该是一种有效的方法。这些研究课题有的已经成熟或完备，有的正在发展，它们之间紧密联系，形成地理信息科学的新学科体系[6-10]。地理信息科学的整个学科体系可分为5个领域和15个研究课题。

3.1实体理论与表达

3.1.1地理实体论实体论研究客观世界中存在什么，可能存在什么，为什么能存在？地理科学的本体研究是科学家使用和研究的，也是普通大众使用的地理信息和地理概念。实体论试图提供一种能够保持现实世界中符号(实例)和类型(类别)一致性的形式化理论，并探索它们之间的关系以及相互转换的过程。地理本体已成为UCGIS确认的最重要的研究课题之一，是该学科地理基础的体现。

3.1.2地理现象的表达地理现象的正确表达是指对现象概念化的解释，要被不同的使用者所接受和使用。因此，需要有一种方法，能够支持一种数据关系自动转换成另一种数据关系，从一个实体域转换到其他实体域，并且能够在科学计算中对对象进行追踪、确认和分类。显然，地理现象的表达是数字领域中的第一种类型或种类，通过数据转换转化为真实地理空之间对象的数字表示。因此，需要找到一种能够把握地理现象本质的数字(学术)公式，通过基于GIS的数据表达、模拟和挖掘，完成地理现象和实体的有效表达。

3.2计算

3 . 2 . 1空之间的定性推理是广义上的计算。空与空之间位置关系的推理是人工智能领域的重要研究课题，也是地理信息科学的重要领域。空关系的认知模型和语言模型，显然涉及到接触、包含等定性拓扑原理。其中空之间的对象不相交的空之间的关系可以用距离和方向来表征。当空之间的对象接触或重叠时，空之间的关系可以用基于点集理论的多种相交图来表示。

3.2.2计算几何计算几何是定量表达地理空之间的对象和关系的基础，几何问题的计算和求解是早期计算机辅助地图学和GIS中的重要内容。欧几里德几何无法在精度有限的数字环境中以直接的方式实现几何计算；简化和地图合成的许多问题依赖于地理信息科学中的计算几何，尽管这些问题也与比例尺有关。至于一些与邻近性有关的计算几何问题，可以在Voronoi算法、泰森多边形或邻近多边形的概念框架下处理，它们共同构建了地理信息科学中几何计算的理论和应用框架。

3.2.3 空数据库中多维数据的有效索引、检索和搜索是计算机科学中的一个重要研究问题。2，2 & middot在由5维和3维地理信息组成的数据库空中，索引问题非常重要。早期GIS中使用的Morton矩阵法，图形图像处理中的四叉树、八叉树和B-mdash；树，R & mdash和树k-mdash；树规则的表达为索引、搜索、检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密切相关的重要研究领域。空之间信息的特殊性体现在空之间的自相关性或空之间的相互依赖性的无所不在。空统计为研究和处理空的自相关性提供了有用的统计方法，如空自相关性的度量和基于空单位数据的空自相关性的控制方法。空统计也是研究GIS数据质量和控制的有用工具。当然，作为空之间具有相对独立性的统计学，它与地理信息科学的其他领域是相对分离的。

3.2.5地理计算地理计算是地理信息科学的重要组成部分。例如，用于基于格网空分析的综合概念框架的地图代数，不再是基于空之间信息的不同表达的标准GIS操作。本质上，基于相似性和局部操作来概念化地理计算问题是一种不同的方法，并且它可能仅在并行计算环境中有效地工作。高性能计算支持下的分形城市、元胞自动机、基于智能体的城市演化模拟等地理计算领域的新进展，正在形成地理科学计算与模拟的新学科领域，成为新世纪地理科学研究、开发和应用的热点。

3.3认知

3.3.1地理对象的认知模型认知模型涉及人类对地理现象的感知、硕士论文学习、记忆、推理和交流的全过程。对人类地理环境认知过程的研究已经成为地理信息科学的一个重要研究课题，作为获取空与地理本体关系的知识，理解和改进GIS人机交互的一种途径。人类认知问题的研究空，包括地理科学中认知问题的研究，是地理科学相关领域研究的基础。在Varenius项目实施过程中，NCGIA的一批知名学者对地理学空与地理现象认知模型之间公共概念的公式化表达做出了重要贡献。

3.3.2人类与地理信息和技术的互动。地理信息系统中的人机交互研究，包括界面设计和公众参与，是地理信息科学研究体系的一部分。其重要性取决于地理信息系统的适用性和公众参与能否在总体上分解为人机交互，这涉及到地理信息科学的对象概念和工程技术设计。另一方面也取决于地理对象的认知和概念问题。有一点是肯定的，g is工具和GI科学将大大拓展人类认知世界的能力和水平。

3.4应用、组织和社会

3.4.1地理数据采集地理空之间的位置和属性的理论、信息和数据的测量与应用研究构成了GIS研究的主体。地理信息科学的建立和组成必须以测绘科学理论(坐标系、地球形状的测量和表达等)为基础。).系统一旦建立，就为地理世界的概念化、地理客观世界的表达和转换提供了最直接的解释依据。如今，最先进的遥感技术和GPS定位技术已经成为获取地理科学研究和使用的所有地理数据和信息的最有效和最先进的技术手段。它们可以保证数据的实时性、多源性和多尺度性，成为地理信息科学研究的基础。数据采集手段和技术的使用和研究已经成为地理信息科学学科体系的重要组成部分。

3.4.2地理信息的质量地理信息的质量、精度和误差的研究是地理信息科学研究的重要组成部分。由于数据采集期间的各种测量误差或GIS数据处理过程中各种转换误差的引入，数据质量可能会降低。如果认知、本体或表达不确切，就可能出现解释和说明上的错误。数据质量的影响首先必须在模型灵敏度和拟合置信度的框架内进行评估，以保证GIS应用系统和地理信息科学的准确性和有效性。

3.4.3 空互析空互析是数量地理学中的一个重要命题，但它与地理信息科学密切相关。有学者提出空互分析只是GI科学原理在环境和社会科学中的一些实际应用，而空互分析的基础已经被本体论、论文题目表达方法和空互统计学等相关课题所覆盖。但是，随着空互分析技术本身的发展，特别是基于高性能计算的地理计算的形成和发展，使得空互分析的方法论发生了根本性的变化，这必将给地理科学的空互分析功能带来质的变化。从某种意义上来说空之间的分析定义为GI理科题目的一部分或者GI理科应用题目的一部分。这样明确的划分可能并不重要。

3.4.4地理信息、组织和社会的社会应用和影响GIS技术是GIS应用研究的主体。大约在20世纪80年代，GIS中的大多数技术创新都出现在一些直接的应用层面。应用软件主要由研究所、学校或咨询部门的开发人员开发，很少由科学家直接发明。20世纪80年代是软件和数据商业化的十年，也是GIS学术研究和发展的十年。自20世纪80年代末以来，学术界的注意力更多地转向技术和社会，对地理信息的经济、社会和法律方面的关注和研究显著增加。地理信息系统研究的产品和共享，包括使用地理信息系统和相关技术所涉及的效率、有效性、社会平等、公众参与和公共权力，都显著增加，促进了地理信息科学和地理信息技术的普及和社会化。

3.5在时间和空之间

3.5.1时间，时间，运动，演变是GIS应用中最本质的东西，但GIS软件迄今为止提供的处理地理信息时间维度的工具非常有限。GIS实体论从一开始就注重划分空时间和时间，这实际上阻碍了GIS的科学使用和发展。如果空时间和时间真的可以独立处理和研究，那么时间就不会是地理信息科学研究的重要课题。事实上，时间是地理信息科学研究的完整组成部分，是跨越大多数地理信息科学课题的研究课题。时间& mdash空之间集成GIS研究的兴起和发展是地理信息科学发展的必然需要和表现。

3 . 5 . 2空scale & mdash；规模对地理信息科学有多重意义。在地图学中，比例是指地图上的比例与现实世界中的比例之比。地图比例尺与现实世界的几何图形相互作用，地图制图过程中的地图分析和地图综合都受到比例尺的制约和影响。尺度(scale)一词通常与物理过程的规模、分布或特征长度有关。规模、功能、形态的变化密切相关；比例还与分辨率有关，分辨率可以表示能被识别或表达、显示或分析的最小实体的大小；比例尺(Scale)及其相关的科学问题对于以人类赖以生存的地球为研究对象的地理信息科学具有重要意义。

4.研究课题的比较。

本文讨论和提出的地理信息科学的15个研究课题与1992年Goodchild提出的GIS研究课题和UCGIS提出的优先研究领域进行了比较:

(1)三者都提出了四个研究课题，即:

1)数据采集；2)表达(数据模拟)；3)空分析；4)围绕地理标志的社会问题。后三个主题与NCGIA建议的核心研究问题有很好的对应关系。

(2)在他们提出的研究课题中，有三个出现在Goodchild的建议和本文提出的课题中，而没有出现在UCGIS的建议中，即:1)计算几何；2)空数据库；3)空统计。事实上，古德乔尔德把这三个研究课题中的前两个放在& ldquo数据结构、算法和处理& rdquo在这样的综合命题下进行组合。还有另外三个主题，在UCGIS和本文中都有出现，但是Goodchild没有提到，分别是:1)本体；2)认知；3)数据质量。& ldquoScale & rdquo是UCGIS提出的一个主题，但在本文中是作为时间空的交叉研究提出的。& ldquo和视觉显示& rdquo它是由Goodchild提出的研究课题，最近UCGIS将其确定为新兴的研究课题。表达式的可视化在本文讨论的各种模型和应用系统中都有涉及，但没有单独列出。

(3)只出现在一个提案中的研究课题。古德乔尔德提出的所有研究课题分别出现在另外一两个提案中；但UCGIS提出的技术研究课题还有四个，在另外两个提案中没有出现，分别是:1)分布式计算；2)地理信息互操作性；3)未来的信息基础设施在空之间；4)数据挖掘和知识发现。

本文提出了四个研究课题，在其他任何提案中都没有，即:1)人类、地理标志和技术之间的相互作用；2)定性统计推理；3)地理空之间的时间；4)地理计算的其他主题。& ldquo人机交互& rdquo主题，其中一些已被UCGIS提出的主题所涵盖，已被转换为& ldquo在UCGIS。认知& rdquo话题；还有& ldquo处理时间& rdquo，这已经是& ldquo在UCGIS。地理表达的扩展& rdquo包容。

5.讨论

关于地理信息科学的研究课题，本文与其他提案各有侧重。考虑学科的发展和前景& ldquo功利主义& rdquo方法是将拟优先开展的研究工作与政府基金投资部门设定的优先项目进行比较。

2000年，美国国家基金会计算机与信息科学与工程委员会(CISE)信息与智能系统部提出并制定了八个规划研究领域:1)计算与社会系统；2)人机交互；3)信息和数据管理；4)信息技术研究；5)知识和认知系统；6)机器人技术和人类扩张；7)特殊项目；8)数字图书馆。国家自然科学基金于2001年11月发表& ldquo地球之间的信息科学空& rdquo；在基金优先资助领域的战略研究报告中，in & ldquo基础研究& rdquo、& ldquo方法& rdquo用& ldquo研究& rdquo在三个领域提出了十四个研究课题[11]:1)遥感信息的机制；2)地理空之间的认知；3)地理空之间的尺度；4)地理空的关系；5)地理表示方法扩展；6)地理信息的不确定性；7)数据采集和整合；8)地理可视化；9)空分析方法和模型；10)空信息的分布式计算；11)互操作性；12)基础数据设置；13)全球变化；14)区域可持续发展。