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。

3.5　时间与空间

3.5.1　时间　时间、运动与演化是GIS应用最本质的东西,但迄今的GIS软件为处理地理信息的时间维所提供的工具非常有限。GIS实体论从一开始就注重划分空间与时间,实际上妨碍了GIS的科学用途与发展。如果空间与时间真的可以独立处理与研究,那么时间将不可能是GI科学研究的重要主题。事实是,时间是GI科学研究的一个完全的组成部分,是一个跨越了大多数GI科学主题的研究课题,时间—空间综合集成地理信息系统研究的兴起与发展是GI科学发展的必然需要与表现。

3.5.2　空间尺度—比例尺　比例尺对于GI科学有多重的意义。在地图制图学中,比例尺指的是地图上的尺度大小与现实世界尺度大小的比值。地图比例尺与现实世界的几何形态相互作用,制图过程中的地图分析与地图综合受到比例尺的制约与影响;尺度(比例尺)这个术语往往与表示物理过程的规模、展布或特征长度相联系。尺度的变化、功能的变化、形状的变化紧密联系;尺度又与分辨率相联系,可表示能够鉴别或表达、显示或分析的最小实体的大小;比例尺(尺度)及与其相关的科学问题对于以人类赖以生存的地球为整体研究对象的GI科学,重要性自不可言。

4　研究主题的比较

将本文所讨论、提出的地理信息科学的15个研究主题,与Goodchild在1992年提出的GIS研究主题,以及由UCGIS提出的优先研究领域进行比较:

(1)三者都提出了的研究主题有4个,分别是:

1)资料获取;2)表达(资料模拟);3)空间分析;4)围绕GI的社会问题。后三个主题与NCGIA所建议的核心研究问题有很好对应关系。

(2)由二者提出了的研究主题中,有3个在Goodchild的建议与本文所提出的论题中出现,但没有在UCGIS的建议中出现,分别是:1)计算几何学;2)空间数据库;3)空间统计学。实际上,Goodchild把这3个研究主题的前两个在“资料结构、算法与处理”这样一个综合命题下作了组合。另外有3个主题,在UCGIS和本文中出现,但Goodchild没有提及,分别是:1)本体论;2)认知;3)资料质量。“比例尺”是UCGIS提出的主题,但在本文中是作为时空交叉研究而提出。“可视化与显示”是Goodchild提出的研究主题,最近UCGIS也把其确定为正在出现的研究主题,本文在论述的各种模型与应用系统中都会涉及表达的可视化问题,而没有将其单列。

(3)仅仅出现在一个提议中的研究主题。Goodchild提议的所有研究主题,分别出现在其它一个或两个提议中;但UCGIS提议的研究主题,有4个更具技术性的主题,并没有在其它两个提议中出现,分别是:1)分布计算;2)地理信息互操作;3)空间信息基础设施的未来;4)地统计资料挖掘和知识发现。

本文提出了的,代写毕业论文但没有出现在其它任何一个提议中的有4个研究主题,分别是:1)人类与GI和技术的相互作用;2)定性统计推理;3)地理空间中的时间;4)其它地学计算论题。“人机相互作用”主题,部分为UCGIS提出的论题所涵盖,但在UCGIS中已转换为“认知”论题;而“处理时间”,在UCGIS中已为“地理表达的扩展”所包容。

5　讨论

有关地理信息科学的研究主题,本文与其它提议各有所侧重,要考虑学科的发展与展望,直接但明显颇为“功利”的方法,是将提出的应优先予以考虑的研究工作与政府基金投入部门设定的优先项目进行比较。

2000年,美国国家基金委的计算机与信息科学和工程(CISE)理事会信息与智能系统部提出并制定了8个规划研究领域:1)计算与社会系统;2)人机相互作用;3)信息与资料管理;4)信息技术研究;5)知识与认知系统;6)机器人学与人类扩大;7)特殊项目;8)数字图书馆。中国国家自然科学基金委员会在2001年11月出版的“地球空间信息科学”基金优先资助领域战略研究报告中,在“基础研究”、“方法技术”与“应用研究”三个领域内提出了14个研究主题[11]:1)遥感信息机理;2)地理空间认知;3)地理空间尺度;4)地理空间关系;5)地理表示方法扩展;6)地理信息不确定性;7)数据获取与集成;8)地理可视化;9)空间分析方法与模型;10)空间信息分布式计算;11)互操作;12)数据基础设置;13)全球变化;14)区域可持续发展。

国内外对GI科学在信息科学领域设定的研究具有引人注目的相似性,这为地理信息科学应是信息科学一个分支的学科界定提供了充分的证据。当然,地理信息科学与地理学科具有天生的血缘亲密关系,它们研究现实世界共同的对象,但很显然,地理信息科学更多的是与本体论、表达、论文代写计算问题有关,而地理学则侧重于企图解释与预测地理现象。地理信息科学具有显著的科学深度,它是信息科学的分支,更是一门综合的多学科领域,一门正在迅速发展中的新学科,学科的成熟与发展必将造福于全人类。

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