地理信息系统产生的理论及技术背景

2017-12-13 作者: xuzhiping 浏览: 252 次

摘要: 人类社会正从丁业经济迈向知识经济时代,一场以信息技术 为核心的革命正在深刻改变着人类生活与社会面貌。作为全 球信息化浪潮重要组成部分的地理信息系统的建设与应用,正日益引起科技界、企业界和政府部门的广泛关注。20世纪 中叶,计算机的发明与应用标志着第一次信息革命....

人类社会正从丁业经济迈向知识经济时代,一场以信息技术 为核心的革命正在深刻改变着人类生活与社会面貌。作为全 球信息化浪潮重要组成部分的地理信息系统的建设与应用,正日益引起科技界、企业界和政府部门的广泛关注。20世纪 中叶,计算机的发明与应用标志着第一次信息革命的开始,人类社会随之进人信息时代。信息的巨大物化力量使得它逐渐 成为一种重要的社会资源和社会动力源,从而引起社会职能、模式、结构、价值以及人们工作和生活方式的变革。人们工作 的重点从单独的物质生产转移到对信息的采粢、处理、分析 和利用上来。另外,由于社会的进步、人们开始觉悟到对赖 以生存的地球资源的利用,不能是简单地掠夺,而应将开发和 保护结合起来进行科学管理和合理利用,于是,兴起国土规划、各种资源清查、环境监测等大型工程。然而,面对这些大型工 程所获取的海量资源环境信息,传统的调査报表、统计图表 和手工制图的方式已远远不能满足时代需求,如何利用计算机 有效地处理相关信息是地理信息系统产牛.和发展的原动力。

地理信息系统的出现与包括系统论、信息论、控制论等现代科 学方法的蓬勃发展及计算机科学技术、空间技术和自动化技术 的广泛应用密切相关。

系统论是研究系统的一般模式、结构和规律的学问,它研究 各种系统的共同特征,用数学方法定贵地描述其功能,寻求并 确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型,是具有逻辑和 数学性质的一门新兴的科学。系统论的核心思想是系统的整体 观念。任何系统都是一个有机的整体,它不是各个部分的机械 组合或简单相加,系统的整体功能是各要索在孤立状态下所没 有的新质。系统论的出现,使人类的思维方式发生了深刻地变化。以往研究问题,一般是将啦物分解成若干部分,抽象出最简单 的因素来,然后再以部分的性质去认识复杂事物。这是笛卡儿 奠定理论基础的分析方法。这种方法的着眼点在局部或要素,遵循的是单项因果决定论,虽然这是几百年来在特定范围内行 之有效、人们最熟悉的思维方法。但是,它不能如实地反映亊 物的整体性,也不能反映亊物之间的联系和相互作用,它只 适应认识较为简单的事物,而不胜任于对复杂问题的研究。在现代科学的整体化和高度综合化发展的趋势下,在人类面临 许多规模巨大、关系复杂、参数众多的复杂问题面前,就显得 无能为力了。正当传统分析方法束手无策的时候,系统分析方 法却能站在时代前列,高屋建瓴,综观全局,别开生面地为 现代复杂问题提供了有效的思维方式。

信息论是由美国数学家香农创立的,它是用概率论和数理统 计方法,从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。信息就是指消息中所包含的新内容与 新知识,是用来减少和消除人们对于亊物认识的不确定性。信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。狭义信息论 是研究在通信系统中普遍存在着的信息传递的共同规律,以及 如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门通信理论。广义信息论被理解为使运用狭义信息论的观点来研究一切问题的理论。信息论认为,系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实 现其有目的的运动的。信息论能够揭示人类认识活动产生飞 跃的实质,有助于探索与研究人们的思维规律和推动与进化人 们的思维活动。可以说信息论是运用概率论与数理统计的方法 研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩 等问题的应用数学学科。信息论将信息的传递作为一种统计现 象来考虑,给出了估箅通信信道容最的方法。信息传输和信息 压缩是信息论研究中的两大领域。

控制论是研究生物系统与非生物系统内部的通信、控制和调整 的科学。系统工程运用的控制论,主要指工程控制论。它包括: 线性系统理论,概率和统计方法的应用,最优控制理论,自适应、自学习以及自组织系统的理论,还有系统辨认理论和大系统理论等。控制论是关于在复杂的动力系统中控制的科学。它是研究技术装置、生物机体和人类社会组织等系统之中的控制和通信的一般规律,它是自动控制、电子技术、无线电通信、神经生理学、生物学、心理学、数理逻辑、计算机技术、统计力学等多种学科相互渗透 的产物。1948年,美国数学家维纳出版的《控制论》 一书,奠定了这门新兴学科的理论基础。他把控制论定义为“关于 在动物和机器中控制和通信的科学”。在控制论中,信息概念是一个 基本的概念,控制论是建立在信息论基础之上的。信息论的反饿原理,在控制论中占有很重要的地位,大多数的控制都包含反馈——系统 输送出去的信息,作用于被控对象后产生的结果,再输送回来,并对信息的再输出发生影响。20世纪50年代后,控制论向自然科学 和社会科学的各个领域渗透,广泛地应用于心理学、管理科学、领 导科学等学科。

系统论连同控制论、信息论等其他横断科学一起所提供的新思路和 新方法,为人类的思维开拓新路,它们作为现代科学的新潮流,促进着各门科学的发展。

20世纪中叶以后,随着计算机技术的出现及应用,各种现代高新技 术纷纷出现,并在各个领域得到了广泛的应用。其中计算机技术、空间技术及自动化技术的出现和发展对GIS的出现起到了极大的推动 作用。计算机技术是计算机领域中所运用的技术方法和技术手段。计算机技术具有明显的综合特性,它与电子工程、应用物理、机械工 程、现代通信技术和数学等紧密结合,发展很快。第一台通用电子 计算机ENIAC就是以当时蜇达脉冲技术、核物理电子计数技术、通信技术等为基础的。随右电子技术特别是微电子技术的发展,对计算机技术产生重大影响,二者相互渗透,密切结合。随若计算 机技术和通信技术各自的进步,以及社会对于将计算机结成网络 以实现资源共享的要求日益增长,计算机技术与通信技术也已紧 密地结合起来,将成为社会的强大物质技术基础。离散数学、算法论、语言理论、控制论、信息论、自动机论等,为计算机技术的发展提供了 重要的理论基础。计算机技术在许多学科和工业技术的基础上产生 和发展,又在科学技术和国民经济领域中得到广泛应用。

空间技术是探索、开发和利用宇宙空间的技术,又称为太空技术 和航天技术。目的是利用空间飞行器作为手段来研究发生在空间 的物理、化学和生物等自然现象。但对于“天”,目前专家们有 两种理解:一种是将地球大气层以外的无限遥远空间称之为“天”;另一种是将地球大气层外、太阳系以内的有限空间称之为‘天”。若按前一种理解,空间技术和航天技术完全是一回事;若按后一种 理解,人们将地球¥气层以外、太阳系以内的空向活动称之为 “航天”,超出太阳系以外的空间活动称之为“航宇”。这样,空间技术则应涵盖航天技术和航宇技术。但由于在相当长的时间内,人类主要还是在太阳系内从亊活动,因此,现在将航天技术和空间 技术视为同义词已得到公认。我国的航天专家将空间技术的主要 特点概括为两个方面:首先空间技术是一门高度综合性的科学技术,是很多现代科学和技术成就的综合®成。它主要依赖于电子技术、自 动化技术、遥感技术和计算机技术等众多先进技术的发展。因此,一个国家空间技术的成就,最能体现其科学技术的水平,是衡量 其科技实力的艰要标志。其次,空间技术是一门快速的、大范围的、在宏观尺度上最能发挥作用的科学技术。例如,通信卫星,可以大面 积覆盖地面以至全球;气象卫星,可以进行全球天气预报;侦察卫星,可以及时监视广大地区的军亊活动;等等。空间技术区别于一般常 规技术的这两大特点,使其对一个国家的实力和进步起到意想不到的 战略性作用:在经济上能产生很高的经济和社会效益,普遍认为,开 发利用外层空间资源,其投资效益能达到1:10以上;在军事上最能显 示一个国家的军事实力,一个国家只要占有空间优势,就掌握了军事 战略上的主动权;在政治上对提髙一个国家在国际活动中的地位影响深远。一项重大空间成就,往往成为国际谈判的重大筹码;在科学技术上 还能带动电子、自动化、遥感、生物等学科的发展,并形成包括卫 星气象学、卫星海洋学、空间生物学和空间材料工艺学等一群新的边缘科学。

自动化技术是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或 指令自动进行操作或控制的过程。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以将人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以 及恶劣与危险的工作环境中解放出来,而且能扩展人的器官功能,极大地提高劳动生产率,增强人类认识世界和改造世界的能力。因此,自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

地理环境是一个完整、有序的自然地理系统,因而我们必须以系统的 观点和视觉来研究它。信息论和控制论的发展,为信息技术特别是 计算机技术的出现打下了坚实的理论基础,而计算机基础的迅猛发 展也为GIS的出现和发展提供了技术保证。空间技术和自动化技术为 gis提供了海量的数据来源,并大a地节省人力物力并提高了工作效率,可见,现代科学方法和现代商新技术的形成与应用为GIS的产生提供了 先决条件,也预示信息时代的到来。

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