上篇地理信息科学
第1章地理信息科学绪论
大约35000年前，克鲁马努人（Gro-Magnon）在法国西南部多尔多涅地区的拉斯科洞窟中创造了大量旧石器时代的壁画，史称拉斯科洞窟壁画。这些精美的壁画记录了一些描述动物迁移路线和轨迹的线条和符号。这些古代早期记录符合地理信息系统（Geographic Information System，GIS）的二兀结构：一个图形文件对应一个属性数据库，可以看作是GIS的萌芽。
18世纪以后，现代测绘技术和仪器制造技术有了长足的发展，促进了地图制图技术的发展。19世纪中叶，摄影技术发明以后，地图的复制和模拟生产发展迅速（张友静，2009）。20世纪60年代早期，计算机硬件的发展导致计算机制图技术的诞生，地理学在这个变革时期也发生着巨大的变化，用计算机来收集、存储和处理各种与空间地理分布有关的图形和属性数据，并希望通过计算机对数据的分析来直接为管理和决策服务（崔铁军，2012），地理信息系统、服务与科学的出现指日可待。
20世纪60年代后期，遥感技术的兴起与卫星数据的应用有了一定的发展。遥感技术通过航空器或卫星从远距离获取地表信息，而卫星数据因其广域性、精确性和时空特性，显著扩展了人类对地理空间的认知维度。这一技术的结合使得地理信息的采集方式从传统的地面测绘转向了高空和空间观测，并进一步为地理信息系统（GIS）的创建提供了丰富的数据资源和分析手段。
1.1地理信息科学的形成与发展
1.1.1**个地理信息系统——CGIS
1963年，被称为GIS之父的Roger Tomlinson博士（图1.1）*先提出地理信息系统这一术语（胡鹏等，2002）。1966年，世界上**个地理信息系统一加拿大地理信息系统（Canada Geographic Information System，CGIS）诞生，CGIS被加拿大土地调查部门用于土地利用调查制图。CGIS被用来存储、处理，以及分析加拿大土地利用数据，数据比例尺为1:25万，数据内容包括土壤、农业、休闲、野生动物、水鸟、林业和土地利用等各种信息，用以确定加拿大农村*佳土地利用方式，系统还增设了土地分等定级功能。RogerTomlinson在这之前就意识到对大片土地上的投资所做的手工地图分析将是非常昂贵的，认为应该将地图转化为数字形式的地图。但这样的系统直到1971年才投入运行，此后，该系统又改进可以存储10000幅数字地图（张友静，2009）。
1.1.2早期的计算机辅助制图和GIS
1963年夏，McHarg在哈佛大学开设了一门生态规划课程，以美国东海岸的Acadia国家公园规划为例，展示了大量的分析和规划成果。虽然这次成果暴露了其在方法论上的缺陷和对水平生态过程分析方面的不足，但展现了GIS的强大功能。
图1.1Roger Tomlinson博士Roger Tomlinson（1933年11月17日～2014年2月9日）：出生于英国剑桥，1951～1952年曾经在英国皇家空军任飞行员。退伍后他先后在英国诺丁汉大学（UniversityofNottingham）和加拿大阿卡迪亚大学（Acadia University）获得了地理学和地质学两个学士学位，在麦吉尔大学（McGill University）地理系获得硕士学位，伦敦大学学院（University College London）获得博士学位。
1965年，哈佛大学设计学院获得福特基金的赞助，与麻省理工学院联合成立计算机图形实验室，由HowardFisher主持。实验室在很短的时间内研制出数字地图绘制方法和技术，主要致力于计算机图形的研究，尤其是在Fisher的SYMAP软件基础上进行计算机数字地图的研究，使其成为当时国际上广泛使用的软件。
1966年，Steinitz在哈佛大学设计学院开设了一门区域尺度的规划课程，并应用SYMAP在得拉维尔、马里兰和弗吉尼亚半岛开展景观规划研究。这被认为是大规模应用地理信息系统技术进行景观规划的一个实例。在这个GIS应用*早的尝试中，已经包含了许多复杂的分析工作，包括引力模型、地图叠加分析、加权评价，分析土地单元对植被或农业种植的适宜性等。1967年，Steinitz的研究组开展了一系列基于GIS的评价与规划工作，对20世纪60年代末和70年代初有关城市化进程的研究具有很大影响。从此期间直到80年代中期，实验室研究出了一系列的GIS和计算机图像处理软件，包括SYMAP、CALFORM、SYMVU、POLYVRT、ODYSSEY、IMGRID、MacGIS等。在研究和教学过程中培养了一批GIS的先驱和当代GIS及图像处理行业的重要人物。他们当中包括Integraph的David Sinton，ESRI和ARC/INFO的创办人Jack Dangermond，ERDAS的创办人Lawrie Jordan和Broce Rado等（张友静，2009）。
1970年，美国人口统计局设计出具有拓扑编辑功能的双重*立地图编辑技术（DIME），奠定了机助制图数据结构的拓扑学基础；1972年，中国科学院地理研究所开始研制制图自动化系统，实现了多种*线光滑、绘制等值线图、统计图和趋势面分析等程序（刘岳和梁启章，1978）；1978年，解放军测绘学院刘光远（1980）实现了“地形图图廓整饰自动化”等；从1995年开始，计算机制图逐渐走上实用化和规模化阶段，通过数字制图技术与桌面出版系统的结合，形成了桌面地图出版系统，通过激光照排系统把地图编绘的成果输出成高精度的分色胶片，直接制版印刷，从而使地图生产实现批量化，走上了全数字化生产的发展道路（刘海砚和孙群，1998）。
1.1.3地理信息系统全面应用
随着技术的进步与社会的需求，GIS呈现“星火燎原”之势在全世界迅速发展起来。
20世纪90年代以来，随着地理信息产业的建立和地球数字化产品的普及应用，GIS发展进入用户时代。这期间，社会对GIS的认识普遍提高，需求大幅度增加，已成为许多国家机构（特别是政府决策部门）**的工作系统。***乃至全球级的地理信息系统已成为公众关注的问题，地理信息系统已被列入用户年代。开发和研究主要集中在下列一些效益评价：三维、四维；虚拟现实技术；空间信息分析的新模式和新方法；空间信息应用模型；空间数据结构和数据模型；人工智能和专家系统的引入；网络结合等。
随着地理信息系统的逐渐深入与应用发展，在积累了大量的数据并建立了相关的应用管理系统和数据应用模型后，人们开始思考如何有效利用数据，并且能对数据进行挖掘产生新的知识，并逐步过渡到科学研究的全球化阶段。
加拿大Laval大学（1986年）和荷兰国际航空摄影与地学学院（ITC）（1989年）相继成立以“地理信息科学”命名的系或专业（杨开忠和沈体雁，1999）。1992年Michael Frank Goodchild（图1.2）提出了地理信息科学的概念，他认为地理信息科学主要研究在应用计算机技术对信息进行处理、存储、提取，以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论问题和技术问题，如数据的获取和集成、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等（Goodchild，1992；杨开忠和沈体雁，1999）。
图1.2MichaelFrankGoodchild教授
来自http://www.geog.ucsb.edu/～good/
Michael Frank Goodchild教授是美国科学院地理信息科学院士，现任加州大学圣巴巴拉分校地理系教授。1965年获得剑桥大学（Cambridge University）物理学学士学位，1969年获得麦克马斯特大学（McMaster University）地理学博士学位。
我国武汉测绘科技大学在1988年创建了地理信息工程专业（杨开忠和沈体雁，1999），目前有超过170所高校开设了GIS专业。2012年，***高等学校地球科学教学指导委员会提出将“地理信息系统”专业更名为“地理信息科学”（汤国安等，2013）。
1.1.4地理信息系统未来与创新
GIS是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。中国的GIS技术经过二十世纪七八十年代的启蒙，80年代末、90年代的发展推广，以及新世纪以来的全面应用和普及，从*初的空间数据管理与应用发展为广泛的地理空间信息服务，GIS的应用已经渗透到国民经济的各个领域，GIS技术与产业获得了迅猛发展，国际与国内相关的交流与合作也日趋频繁。社交网、传感网与综合观测系统等的发展，使得当代社会进入了大数据时代，大数据挖掘与知识发现成为现代科学技术的前沿发展方向，地理信息系统的发展正面临大数据时代的发展机遇和新的挑战。
发展大数据的空间解析理论与方法是目前地理信息系统研究的前沿方向。大数据空间解析的核心思想是充分利用大数据中所包含的显性或隐性空间位置特征信息，通过多元空间的统一表达和大数据的空间化重构，实现大数据的空间映射，进而可在同一时空体系下分析大数据中所隐含的模式和发现新知识，从而建立起基于空间分析原理的大数据分析理论方法（周成虎，2015）。
1.2地理信息系统与地理信息科学的基本概念
1.2.1地理信息
1.地理信息的概念
地理信息是地理数据所蕴含和表达的地理含义，是有关地理环境中物质的数量、质量、分布特征、联系和规律等的数字、文字、图像和图形等的总称。随着现代科学技术的发展，特别是借助于近代数学、空间科学和计算机科学，人们已经有可能迅速地采集到地理环境中各种地理现象、地理过程的空间位置数据、特征属性数据和随时间变化的数据，并定期和实时地识别、转换、存储、分析、显示和应用这些数据中的信息，这已经成为现代地理科学研究与应用的重要技术方法（黄杏元和马劲松，2008）。
2.地理信息的特点
1）空间特征
地理信息是与确定的空间位置联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的一个*显著标志。地理信息定位特征是按照经纬度或空间X、Y坐标来实现空间位置的，并可以按照指定的区域进行信息的合并或分割。
2）属性特征
属性即对空间定位数据的补充特性描述信息，如在中国行政区划位置图中，对每一个行政区增加“名称”“面积”等描述性的信息，即在二维空间的定位基础上，按专题来表达多层次的属性信息。
3）时序特征
地理信息具有时序特征，通常可以按照时间的尺度来区分地理信息，如短期的台风、
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