资源环境数据科学管理与应用

孙九林、王群力、余月兰

(WDC-D可再生资源与环境学科中心）

科学数据是科学技术发展的重要基础之一，对科学数据的获取、管理、开发利用已成为当今重要的研究领域。本文就资源环境学科领域中的数据管理的有关问题进行粗浅的讨论。

1 资源环境数据的特点

所有学科的数据都具有其不同的属性，从而构成了它们自己独具的時点，深入了解和掌握这些特点，将会帮助我们去更有效的采集数据、管理数据和充分的利用这些数据。资源环境数据是地球系统科学数据的重要组成部分。其特点是：

(1) 数据积累的长期性

资源环境数据需要长期累积、形成空间和时间序列的数据。才能充分体现出它的科学性和实用性。在无人为干预的情况下，资源环境系统的变化是一个缓慢过程，因此描述变化过程的数据需要长期观测和积累，才能反映时间和空间变化规律，对学科研究产生重要的影响。

(2) 数据范围广

为人类生存发展所提供的资源是多方面的，支持的环境是非常复杂的，从空间到地球表面和地壳都要牵涉到，从学科来看，区分成若干独立学科，因而在从事学科研究时又必须从全局进行考虑，这样资源环境数据既要按学科进行分类，又要把地球作为一个 整体去研究它的综合性数据，适应各学科和对地球系统研究的需要，因而使数据变得十分复杂。

(3) 数据量大

正因为资源环境数据的时间、空间以及它的面广和多学科，使其需要采集、存储管理的数量显得特别庞大。

(4) 获得数据的途径多样

在资源环境领域中要获得可信的有用数据需要投入大量的人力物力，甚至是高技术。通常是定点观测、长期试验、人们实地考察、分析研究、遥感调查等等。

(5) 资源环境数据的全球性

地球系统是一个完整的系统，对地球资源环境的研究是一个全球性的问题，因此，资源环境数据的本身具有全球性，虽然各国为了维护本国的利益，而把某些数据加上了国界的限制，并不能说明它只在某一国家起作用。促进资源环境数据的全球共享，有助于地球系统科学的发展和全球人类生存环境的改善。

(6) 资源和环境数据与人类活动及国家的经济建设密切相关

资源环境是综合性的学科领域，它包含了陆地资源、海洋资源、自然环境、社会环境、地球物理、化学、地质、地理、气象、海洋、大气等学科领域，所有这些都与人类生存有关，每个学科的研究都要牵涉到人类活动，直接影响国家的经济建设和社会进步。因而资源环境数据的获得、处理和开发利用应受到国家的高度重视。

(7) 资源环境数据的空间性特征

资源环境的概念是指某一个特定区域而言的，因此，表征任何一个资源和环境要素的数据都具有明显的空间特性。

(8) 对资源环境数据的管理必须有高技术支持

由于资源环境数据的复杂性、数据量大、应用广泛等的特点，因此，从采集、管理到分析应用等都必须有现代技术支持才能获得系统数据和应用系统，如先进的观测、分析技术、遥感技术、计算机技术、通讯技术、信息系统技术、专家系统、自动绘图技术、多煤体技术等。

2 资源环境数据的获取

在整个资源环境研究领域中数据是核心，如何获得这些数据是件重要的基础性工作，从过去的经验和未来的发展看，下述方式是十分重要的：

(1) 定点定位的长期观测

这是积累典型区域系统数据的重要手段之一，典型区域的范围大小不等，采集的数据对象也是各异。但这种方式将是过去、现在、将来不可缺少的数据采集手段。

(2) 实地考察和样本综合分析

在现代技术迅速发展的今天，通过人们实地考察的方式获得资源环境数据的方式，将会逐渐减少，但不可能完全取消。通过实地考察采集样本，进行室内化验、测试分析获得数据是非常有效的数据获取手段。

(3) 各种遥感手段可获得多种类型的资源环境数据

上述两种数据获得方式是十分重要和可行的，但要取得大面积的快速变化的资源环境数据，只有通过遥感手段才能实现。通过陆地卫星、气象卫星、航空摄影，以及气球、雷达等都可以在很大范围内获得地球表面和深层的资源环境数据。它的覆盖面大，重复周期短，通过地面处理手段可获得重要的资源环境数据，它已成为目前国内外普遍利用的方式。

(4) 分析对比和预测获得有关数据

在大量的实地调查和观测获得资源环境数据的基础上，人们通过分析研究判断，可以发现和产生一系列符合客观规律的资源与环境方面的数据，这类数据的价值非常宝贵。

3 新技术的发展支持了资源环境数据管理和应用

资源环境学科是一个古老的研究领域，60年代以来迅速发展和应用的高新技术为资源环境领域研究方法的变革起了重要的促进作用，逐步从定性分析走上定性分析与定量研究及定点定位相结合的新方法。有关的新技术领域是：

(1) 自动遥测遥控技术

在特殊环境下的资源环境数据必须摆脱纯人力的方法去获得，现代遥测遥控技术提供了十分方便的支持，大量边远或条件恶劣的地区都可通过这种技术长期的自动获得数据。

(2) 通讯传输和网络技术

通过各种方式采集到的数据，需要快速传送到处理中心或其它收集地，同时，数据的调用和开发都不可完全集中在一个地方，因此，数据的传送及网络技术就显得特别重要。

(3) 数据库技术

这是60年代发展起来的数据存储管理技术，它利用计算机的大容量的特点，将数据按照一定的结构形式存储在计算机中，用户可根据需要进行加工、处理和提出，为数据资源共享创造了最为有利的条件。

(4) 计算机技术

计算机科学的发展至少在以下几个方面为资源环境数据的管理和开发应用提供了强有力的支持。

• 前叙的数据库是计算机海量存储容量实现的；

• 计算机的快速计算能力，为资源环境多因素综合分析研究提供了可能；

• 计算机的网络技术，为资源环境数据分散管理，共享应用提供了保证；

• 计算机科学的软件系统功能为资源环境数据综合开发应用创造了最为有利的条件，使数据资源能获得最大限度的应用。

(5) 遥感技术

在资源调查、环境动态监测中，遥感技术最能发挥作用，它不但进行地面资源环境状况调查和监测，还可对地下资源进行探测，成为今后地球系统科学调查监测的重要手段。

(6) 地理信息系统技术

它是60年代后期发展起来的资源环境数据科学管理、分析应用系统，它为资源环境的综合分析研究提供了技术支持，它能实现多因素的迭加和综合分析，使定性研究与定量分析紧密结合起来，从而使研究水平大大提高，为资源环境的管理部门提供可选择的多种资源开发、环境保护的决策方案。

(7) 全球定位系统(GPS)

资源环境的定位研究是非常重要的，从遥感资料中所获得的地面信息，由于卫星的运行轨道的变化和大气层的干扰，很难与地面实际位置相对应，虽然在资料信息处理中采用多种纠正的方法，也很难准确及时的判断出地面的位置，GPS系统跟踪卫星，随时采集地面坐标的实际地理位置与卫星资料相匹配从而实时的获得准确的地面资料。目前遥感(HS)、地理信息系统(GIS)及全球定位系统(GPS)成为地球环境科学研究中重要的3S技术支持系统，今后会发挥更加重要的作用。

(8) 多媒体数据库技术

80年代以来，支持多种媒体数据的存储和处理的数据库技术得到发展，多媒体数据库是相对于传统的仅支持单一媒体的数据库而言，是将图象、图形、文字、声音等多种媒体数据结合为一体并统一地进行存取、管理和应用，与传统的数据库系统相比，多媒体数据库不仅在所处理的数据及其存贮形式上有很大的差别，而且它所面临的对数据的处理要求也比传统应用领域的事务管理环境复杂得多。但它特别适合对资源环境数据的管理，它能提供更直观，更真实的资源环境数据，是将来资源环境数据管理的最好形式。

(9)知识库技术

知识库是专家系统的核心，众所周知，利用专家系统可以解决非结构化或半结构化的问题，而在资源环境领域中出现的大多是半结构化和非结构化的问题。因此，专家系统是资源和环境领域中必不可少的技术支持系统。专家系统是要解决对领域专家知识的运用，在数据处理中数据库起着重要的作用，而在知识的运用中知识库起着重要的作用。知识库运用的重要方面是对知识的获取、组织、管理和维护，或统称知识管理。知识的管理包括对知识的分类、组织和存储、检索、增加、删除、更新、复制和转储以及对知识的一致性、完整性和无冗余性的维护等。将专家系统和知识库的技术应用到资源与环境研究中，建立资源环境专家知识库，可有效的解决资源环境领域中的非结构化或半结构化的问题。

4 资源环境数据管理系统

目前较完善的资源环境数据管理系统是人们通常所称的地理信息系统，可以这样理解。资源环境数据管理系统是地理信息系统在资源环境领域中的具体应用。

4.1 基本定义

资源环境数据管理系统是一个把资源环境各要素的特性、分布位置以及相关的数据信息，按照统一的规范标准、编码方法存储在计算机中。在软、硬件系统支持下，实现资源环境信息的增加、删除、修改、更新、综合处理、综合分析、评价以及制定资源开发和环境治理保护等方案。简言之，资源环境数据管理系统是存储处理分析空间数据的工具。

4.1.1建立资源环境数据管理系统中的基本问题

• 数据信息的获取和确认

• 数据规格化和标准化及数据库数据模型的建立

• 资源环境数据库的建立

• 数据管理组织方式和应用模型体系的建立

• 资源环境数据的分析与应用方法的选择

• 专家知识的获取和表示方法

• 成果输出形式和方法

4.1.2 资源环境数据在管理系统中的流程

从图1可知，资源环境信息在管理系统中是经过输入→处理→输出的过程。

4.1.3资源环境数据管理系统是由多种学科支持的综合性技术系统

图1

资源环境数据管理系统是由多学科组成的复杂系统，而它又是为多学科综合研究服务的最新技术系统它在资源科学、环境科学的理论和方法指导下，吸取了信息论、系统论、应用数学、计算数学、统计学等研究成果，同时充分地利用计算机技术、数据库技术、遥感技术、通讯技术和人工智能的理论与方法，使管理系统的功能大大提高，为资源环境数据的管理和开发应用提供了最新的技术手段。

4.1.4 资源环境数据管理系统将是一个综合性的数据信息系统

由于资源环境问题是一个综合性的问题，所以支持其研究的技术系统必须是一个综合性很强的信息系统。当然，对各级不同的综合性数据管理系统应该选择什么样的资源环境数据项目、深度、类型等，是建立综合性资源环境数据管理系统要重点研究的问题。

4.2 资源环境数据管理系统的目标和功能

数据管理的目的是为了应用，是为了满足资源开发利用研究，环境治理保护研究的需要。从宏观的角度去分析，可以从总体上提出系统的目标和功能。

4.2.1 资源环境数据管理系统的目标

• 实现资源环境数据的科学管理，提供数据信息服务

数据管理系统的建立，首先要对已有资源和环境信息进行系统整理，按统一的科学分类，使分散的资料系统化，变独享资料为共享资料，使杂乱的数据标准化，单要素资料变成综合资料，从而实现资源环境数据的科学管理，增加数据资料的使用频率，为全社会提供数据资料服务。

• 实现资源和环境的综合评价与分析研究

对资源和环境的综合评价和分析研究是实现区域开发环境治理保护的基础性工作，也是人们认识资源环境现状、优势、组合特征、存在问题的重要方法。数据管理系统要为评价和分析研究提供各类数据的数量、质量、分布规律、特征和开发利用条件等，为经济建设提供科学依据。

• 提供资源开发、环境综合治理的方案

资源环境是一个多要素的综合体，各要素具有时间序列和空间分布的特征，要素之间相互作用，相互制约，有着复杂的物质和能量之间的转换；对资源的开发利用、环境治理保护都必须综合考虑各要素之间的关系。数据管理系统中要引入系统分析的理论与方法，在综合性资源环境数据库的支持下，开展资源开发、环境治理规划研究、方案选择，为领导部门提供辅助决策。

• 为经济信息系统提供资源和环境的背景数据和空间定位信息

综合的、专业的经济信息研究都离不开资源和环境背景、实际地理位置。资源环境数据管理信息系统应为各类经济信息系统提供服务。

综上所述，资源环境数据管理系统的目标是，资源环境信息管理、开发宏观决策、资源环境信息服务。

4.2.2 资源环境信息系统的主要功能

根据系统的目标要求，系统必须具备如下的功能。

• 存储和处理多种形式的资源环境信息的功能

资源环境信息具有多种表现形式和获取方法，如野外观测资料，遥感遥测资料。实地考察资料，各类专题图件，统计数据等，对这些资料要能进行前期预处理、自动或半自动的采集，在计算机中存储资源和环境的所有基本要素数据和语义数据，并对这些基本数据进行综合加工处理。

• 资源环境信息的查询检索和更新功能

存贮在数据库中的各类信息，可以多种形式向用户提供服务，而数据信息的现势性又成为资源环境数据系统生存的关键所在。因而系统中的数据库必须能随时更新，同时能将过时的有用数据资料复制归档保存。

• 数据的数量统计和数据共享

按国家行政区划、自然区划、经济区划、流域范围等单元对各类资源和环境数据进行统计是一切区域开发规划研究的基础。系统要能适应不同要求提供服务。同时这些数据能为多目的用户所调用，从而实现信息资源全社会共享。

• 资源环境综合分析评价功能

资源环境综合分析研究。无论是全国性的，还是区域性的，在不同等级的信息系统中，都要求能实现对数十种资源和环境要素进行综合评价分析，并要保证分析研究全面、可靠，还应能采用多种评价方法快速地产生评价结果，从中选择最佳者。

• 资源开发和环境治理规划研究

系统要充分发挥数据库的优势，采用数学和系统工程的方法，实现资源环境定性分析和定量化研究相结合的规划研究方法，建立若干全国性、区域性、专题性的资源分析、规划的研究模式和匡土开发整治规划模型，如工业生产合理布局、土地资源评价和利用结构、城镇建设、交通、能源、水利等基本建设规模，以及改造自然，保护和整治环境的决策方案等。所要求的系统是一个高级决策系统。为了使决策过程充分发挥人的控制作用，必须设置人机对话显示系统。

• 具有多种输出功能

规划研究具有多种活动形式。因此，要求系统具有多种输出方式，以便满足不同目的要求。如各类图形、图表、数字、符号等等。尤其是图形系统，具有特别的意义和作用。为了便于应用，汉字系统是必备的软件。

• 提供各种应用程序

为了深入认识资源和环境的分布特点和规律、各类资源在形成演变中的相互关系和相互作月、以及开发利用中存在的问题等等，要求系统能提供各类应用程序，如计算特征值、打印直方图的程序、趋势面分析、回归分析、聚类分析、线性规划等多种程序。

• 资源环境动态监测功能

对资源环境进行动态监测，及时制定出环境整治方案是国土整治工作的重要内容。所建立的信息系统，采用最新的信息源，动态地输入系统，开展分析研究，为管理部门提供动态监测信息和相应的治理措施。

由于系统建立的等级、层次不一样，对它的功能要求，将有所侧重。

4.2.3 资源环境数据管理系统的级别和等级

通常把系统按照它的功能分为三个级别，即低级信息系统，它只完成信息的存储、检索、统计、更新；中级信息系统，它除了具有低级系统的功能外，还对信息进行加工、分析、综合处理等；高级信息系统，在系统中引入了数学方法、系统理论，和人工智能的技术可以为用户提供辅助决策方案。目前所建立的系统绝大部分是停留在低级和中级阶段。

等级是从信息系统包含的范围来定义的。根据中国的情况来分，共有四个等级。如图2所示，即国家级、大区域级（包括跨省区和跨省区的大流域）、省级、小区域级 (包括省区内跨地、县市和省内流域级）。

图2

4.2.4 资源环境数据系统的结构模型

资源环境数据系统总体结构模型的确定是对用户需求分析研究后，根据系统的目标、功能、服务对象和当前技术水平的可能而得出的(如图3所示)。

系统由四个主要部分组成，数据库系统是显而易见的。计算机辅助制图系统是根据规划所要求的各种类型图件的绘制而设置的。辅助决策系统包括两个方面，一是模型系统。一是专家系统，它们是系统的核心，系统功能的发挥主要表现在辅助决策系统上，它把定量研究和定性分析紧密结合在一起，为资源开发和环境治理研究服务。目前国内外模型系统已逐渐从单个模型或模型组的应用，向模型库、方法库发展，以便加强它们和系统中其余各部分的有机联系，减少子程序的重复，提高他们解决实际问题的效率和灵活性，使它们根据用户问题的描述，从模型库、方法库里进行查找、选择、匹配、连接、生成新的面向用户特定问题的模型。这是应用模型中正在开发的领域。专冢系统是集中资源环境专家解决实际问题的智慧，为资源和环境研究服务。

图3

适合于总体结构模型的系统组成框图，如图4所示。

5 资源环境数据开发应用

资源环境数据管理的目的是为了更好地利用这些数据，其应用范围集中在两个大的方面，其一，是资源和环境领域的研究；其二，是适应国家经济建设的需要所开展的资源环境问题的研究。

5.1 资源环境学科领域的研究

从数据管理系统的功能和目标已知，一个好的数据管理系统要在不同层次上为资源环境学科本身发展的学科研究提供眼务，其重点是为资源环境的数量、特征、分布规律等提供系列数据资料供专家分析，同时提供分析研究的先进手段和方法。

在数据管理系统建立时，要与领域专家共同研究，提出数据应用服务的功能；当系统建成后，仍然要根据系统的特点研究如何开发应用数据资源。

5.2 为国民经济建设提供数据服务

资源环境数据是国民经济建设规划的重要基础和科学依据，因此，数据管理系统要不断向国家有关部门提供数据信息服务。

5.3 数据管理系统要为数据应用提供方便

任何一个数据管理系统都应该面向国内外的众多的用户，为了达到此目的，必须在系统建设时采用国内外统一的数据分类和编码标准，同时，管理系统的软、硬件环境要进行认真选择，并研制若干便于数据交换和传输的软件接口，便于数据在国内外流通。