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2 地理空间信息技术

地理空间技术的发展一直为自身的扩大和采用提供动力。在最近几年，四种技术的发展似乎已经尤为重要，它们将在以下小节中列出。

2.1 定位

在完成了GPS的20世纪80年代，以及在选择性可用性永久去除的20世纪90年代，GPS的基础目的是为军事系统开辟道路，以及作为基础的消费产品套件。如今的GPS被广泛用来作为一种廉价、可靠的系统来测量位置，并优于专业的测量系统。GPS可以嵌入在手机，电脑甚至是手表中。如今的GPS已经在很大程度上取代过去的传统繁琐技术。在此基础上GPS已经有大量的服务项目分支，包括在网上实时转输位置信息。因此它已成为旅客从网络上获取巴士和飞机的实时位置的一种常用手段。现在GPS多用于在多个数据源中整合出地理参考数据。

例如，先进的应急地理信息系统是美国环境系统研究所公司和罗马琳达大学医学中心的一个合作项目，它提供有关紧急情况的信息集成视图，其中包括现场的救援直升机和救护车，视频直播传送主要公路的位置和事故报告，如林森大火事故的周长及基础测绘。应急管理人员通过一个标准的网络浏览器来观测火灾信息的集成，然后提供一个有效的和交互式的紧急情况概观图像。

一些源代码提供标准格式传送，但在其他情况下如从加州交通的事故现场传来的数据，是一定需要经过数据处理才可以显示。在这种情况下次要抹去文本来找到该事故地点，把他们翻译成纬度/经度。这样的服务形成一个面向普通人民的架构，并在网络上越来越普遍。与地理信息系统相关的两个最成功的服务是将地名转换为坐标和将街道地址转换为坐标。

最近，在非常众多的应用程序中已经证明了正在发展无线电频率识别技术(RFID)提供了一个可替代定位技术的技术。通过应用对象的标签，RFID扫描器可以向跟踪的对象方向移动过去。 RFID技术目前已广泛用于从跟踪货物、仓库和商店的消费者，以及看管宠物和家畜。 RFID是自动充电的，这是收费公路和RFID标签技术基础，现在嵌入在许多手机和护照中。

GPS利用地理参考信息促使网站迅速扩散，这种将两个或两个以上来源的信息相结合的创建方式，通常称为混搭。但GPS只能在室外，并且信号不会被妨碍或反射等地点，因此在室内，密树木覆盖下或高楼大厦之间会出现问题。这意味着定位只能成为一个普通人的生活小部分。最近出现了许多关于室内导航的积极研究，如通过实验与定位技术,在GIS空间的表示等。似乎可以合理地期望在未来几年内这些研究的实现，将被允许扩展到复杂三维空间如矿山，建筑，购物中心定位。尤其是在矿山、建筑、购物中心等有丰富的商业机会。

2.2 数据采集

现在为卫星遥感提供的亚米级分辨率图像，是从飞机上安装的更精细的仪器提供的。虽然这些图像主要为在光波长的红外线感应，但已被证明在许多情况下是非常有用的，包括例如在2001年9月纽约世贸中心废墟的详细映射温度。其他系统利用主动感知，发送和捕获信号。雷达遥感是一个强大的地形数据源，不像光学传感器是独立的云覆盖。激光雷达，它使用来自飞机的激光传输，现在提供非常精确和密集的海拔测量。

——在过去几年中一种新的、潜在的地理空间数据来源已成为可供用户使用的网络内容形式。对于例如，Wikimapia网站，以维基百科为蓝本，邀请用邀请用户“用概述特点，记录描述和其他信息的链接描述整个世界”。现在有超过1000万的Wikimapia链接项，其中志愿者贡献的信息的详细程度、数量和水平远远超过传统权威。其它网站包括Flickr的，它现在包含10亿张照片，上面有每个地理参考数据与贡献用户信息和相关信息标注。开放街道地图是一个免费的世界数字地图，是通过创造与内容相结合的志愿者工作与国际上现有的公共领域来源的共同努力。

这些网站，和许多其他网站一样，代表了一种新的自下而上，以社区为基础的地理信息来源，不同于传统的权威来源，适用于控制供应链。各种术语已被用来描述它们，包括自愿地理信息[3]，用户生成的内容，和社区地图。它们反映了地图制作本质上的一个根本性转变，使普通公民能够创造和传播数据。所需要的四种专业地图技能：测量位置，在地图上制图，主题问题，地图映射——前两个分别是现在每个人都可用的廉价的GPS和现成的软件。主题运用的最好的是最小的Wikimapia，Flickr和公开地图。此外每个人都可以说是一个专家在自己的局域网。

因为现在是可以使没有受到任何实质性的金融投资或地图制图培训的这类人称自己为地理学新人的人，经过改造培训都能制作一个活动地图。现在有成千上万的人从事新地理。他们创建自己的社区文化信息的记录，是非常有价值的，作为一种替代昂贵权威地图的地图，作为一个快捷的信息来源，做为紧急情况下的信息源，或作为科研投入。

2.3 分析

长期以来分析一直是地理信息系统主要目的，，事实上，最早的地理信息系统是专为分析土地的目的，并做出总结。今天，已经实现了这一系列的技术，在地理信息系统中挖掘数据的搜索模式和异常，作出推论，并测试有关原因的假设。地理信息系统是一个重要的工具，用于模拟和预测未来的变化，通过实时数字表示景观变化过程[5]中的地球表面上的变化。今天有可能假定一个地理信息系统是能够完成任何可以想象的到的地理信息操作，从建模的经济发展到模拟紧急疏散或校车的最佳路线。一个庞大软件产业已经成长起来解决这个假设，率领由ESRI的雷德兰兹，CA和弧系列产品。其中包括[6]的地理信息系统的分析和应用可以在许多教科书中找到。

——2.4 地理门户网站

随着互联网的普及，在20世纪90年代初，GIS开发人员很快就看到了广泛的地理空间数据共享和传播的潜力。在20世纪90年代中期在他们的收藏的目录中开始出现允许搜索的数字图书馆。如今，最先进的国家的地理门户网站，整合了许多图书馆的目录并允许跨馆单一搜索。一旦用户确定一个潜在的感兴趣的数据集，他或她就会被定向到该数据集的托管网站，从它可以显示或提取数据。

一个引人注目的例子是美国地理空间站（www.geodata.gov[7]）由布什政府提供丰富的地理空间数据并提供了一个单一的入口点来源。任何保管人可以注册的网站，保管的馆藏目录通过地理门户网站使用户可以访问。地理门户网站需要翻译成容易处理的查询用户请求机制，因此必须实现元数据标准和名录。今天的地理门户概念可以在世界各地的许多网站发现，其中大多数是由政府努力维护他们，建立一部分空间数据基础设施。

在2005年发布的谷歌地球和Google地图，和其他几个地图网站与虚拟地球后续版本，它作为使用服务的API混搭，可以为用户实现另一个更有力的手段来传播数据。现已有成千上万这样补充来源，虽然他们价值在于多个系统的可视化分析。

3 地理信息科学

一些地理信息科学定义出现在文献中[8,9],但它们都可以归结到相同的基本概念，即技术背后的一系列根本问题的深刻重要性。这些都是由使用的技术所引发的问题，通常被称为临界空间思维抓获。他们包括规模、准确性和不确定性，本体论，复杂地理现象代表性。尤其美国大学联合会通过地理信息科学已多次做出创建系统汇编的地理信息科学主题的尝试。

3.1 最新进展与发现

在过去的二十年中地理信息科学出现一些明显的进步。在某些情况下，这些结果反应出一个不寻常的情况，在GIS技术发展之前必须要有必要的理论发展。因此术语的发明是必要发明的，而其来源不是非常严格的、明确的，不同的产品所的格式和结构之间发生广泛变化。即使在今天，地理信息系统的功能缺乏任何连贯的组织结构与用户界面，因此很难学习和浏览。

然而，在一般领域的空间信息理论(COSIT)已取得重大进展并由两年一次的会议空间信息理论的建立。世界的地理概念之间的主要区别，称为离散对象和连续的场，在20世纪80年代后期的不确定性的背景下首次发现，已经成为理论的一个核心要素。本人在2007年[10]表明，第一个概念统一称为地理原子概念，以及其他的一些先进数据模型，包括对象领域与元图，第二个概念称为地理的偶极。

第二，不确定性概念已被详细探讨，并已做出许多重要贡献。但它在许多不同的内容世界应用中是不可能用确切数字来表示任何地理现象的，重要的是如何通过一个数据库了解真实世界的内容。由于在创建数据库采样中，存在一定水平的细节遗漏，测量误差，等许多其他原因，导致地理空间数据不可避免近似和广义。

此外，许多用于定义类的地理空间数据的定义是模糊的。如今通过地理信息系统业务引入产品后的影响我们现在知道了更多的不确定性，并想方设法降低不确定性。

第三，拥有先进的空间认知的文献的剧增，为用户界面的基础设计提供了改进，对周围的人提高认知方式。空间认知是一个活跃的研究领域，并承认地理空间技术改善作用的重要性。

最后，我们现在更了解的地理世界，以及它与其他世界和空间的区别。Anselin也许会问“特殊空间是什么呢？” 以经验原则、空间依赖性和空间异质性的形式来回答，现在已被理解为一个具有深远意义的基础性发现。空间依赖性，经常被称为地理学第一定律[15]，指出压缩多边形和其他数据库原实现提供了理论，也是所有空间插值方法的基础。

3.2 前景

在本节绘制一些对未来发展的想法，以及在地理信息技术对人类社会的进步的影响。

首先，它在技术上已经可以知道在任何时候的一切地点。我们已经可以依赖于特定的技术达到可以跟踪移动电话的精度。我们跟踪许多车辆，其中包括卡车和公共汽车，并在一些欧洲国家对每个农场动物使用RFID标签跟踪。在商店里大量的零售项目被跟踪，而且出货量经常被船运公司跟踪。一些现代建筑的RFID标签，包括所有主要的建筑上的监控摄像头，形成城市密集网络。对今后作出合理的推测，这些做法的应用范围将扩大，在灾害影响范围内的每个人的位置上如2008年5月汶川大地震，将会立即派遣救援人员，这样能大大提高快速找到遇难者的机会。

其次，它可以预期时间、确定位置，并跟踪移动个人，将行人有效工作，所以它目前用于解决行人或者车辆自动寻路的问题。

第三，自愿地理信息和新地理表明公民作为消费者和地理信息的生产者，将比以往发挥更大的作用。60亿人分布在地球上，形成了一个巨大的潜在信息库，他们普遍关心的只是局部地区的信息。我们从最近的火灾中了解到，在圣巴巴拉社区获得的信息可以更加及时，比官方的信息更详细，并提供早期和详细的灾害报告。公民是比传统替代品、卫星遥感和国家地图等许多类型信息来源更有效的来源。我们的公民和专家传统观念将发生变化，它们之间区别变得模糊。

——第四，对那些易于使用和开放的系统，谷歌地球和谷歌地图在2005将继续开发使用。最近的一篇文章[16]已勾勒数字地理的下一步发展，在1998年当时的副总统戈尔讲话中提到了想象的世界，数字技术将呈现不仅是如今的成果，而是如何看待过去并且如何展望未来。在科研和管理上，GIS已经演变成一种技术以支持庞大的范围内的人类活动，但其作为一个平台却尚未充分发挥潜力。包括模拟未来景观的工具的设计，都是基于自然过程和人类行为。它不得不认真应对不确定性的，因为任何对未来的推测必然是不确定的，但这种技术不得不出现，公众将会理解。

最后，提供一种对地理世界实时监测的技术，动态和变化越来越多，而文本快照会越来越少。在未来的任何时候，可以通过它了解世界的状态。可以想象到，一个城市的交通系统的状态是完全已知的，包括其所有的车辆所在的实时的位置，其公共交通系统，交通拥堵的状态，以及预期的旅行时间。同样地，可以想象一张由地理空间技术监测人类健康状况，提供疾病暴发的实时地图。统计这些事态发展将需要部署大量传感器，无论是位于固定位置，还是移动中的车辆和行人。我一直认为在别处，我们也应该看到人口作为分布式智能传感器，在地球上分布，并有能力报告当地的情况。

3.3 地理信息科学的挑战

虽然很容易想象这样的场景，但需要通过地理信息科学的研究来解决，所以在本节要简要讨论七个问题：

表达：尽管最近取得了许多进展，但我们仍然不具有一个表达动态的、复杂的、全方位的地球上动态和现象的手段。这将需要充分的4D数据模型，包括三个空间的所有维度和时间。此外，他将不只需要目前占据主导地位的一维数据，而是需要用来捕捉流动，相互作用、移动的二进制数据，换句话来说就是关于某市某地的数据。

仿真：有限的计算能力和存储容量仍然限制真实过程模型的仿真程度。很多时候我们必须在时间和空间上的详略进行抉择，故意缺少细节往往在复杂非线性现象建模中起到至关重要的作用。

传感器网络：我刚才构想如果要完全已知一个地球则需要一个视觉传感器主机，提高数据管理与可拓展性问题，继续尽我们所能来部署大量传感器。

沟通的不确定性：尽管有优秀的研究将不确定性可视化，但这个问题仍然存在困难，因为协方差在地理现象中至关重要。协方差是一种二进制，不是一个一元运算元素，因此不宜用来描绘地图的形式。动态图显示似乎是唯一可行的方法，但它的误差很大。

公民知识：VGI提供了一个令人对传统地理知识感兴趣的方法补充。我们需要更好地了解的VGI，可以用这种方法了解地理知识，对参与的公民造成些许影响影响。

数据搜索与发现：数字地球的目标之一是通过一个单一的访问机制，有效的搜索分布式的全球数据资源。目前这一代的地理门户在一定程度上做到这一点，但要实现目标仍有许多工作要做。

存档：现在尽管我们在大量生产地理

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