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地球和空间科学论文篇一

地球空间信息及其获取技术

【摘 要】本文叙述了地球空间信息科学的形成背景与基本定义，讨论了地球空间信息的理论内涵，总结了获取地球空间信息数据的三种最主要的方法：地图数据采集、遥感(RS)数据采集和GPS数据采集。

【关键词】地球空间信息科学;地球空间信息;遥感(RS);全球定位系统(GPS);数据采集

1 地球空间信息科学

地球空间信息科学(Geo-Spatial Information Science，简称Geomatics)是以全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、遥感(RS)为主要内容，并以计算机和通讯技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存贮、管理、显示、传播和应用与地球和空间分布有关数据的一门综合和集成的信息科学和技术。地球空间信息科学是地球科学的一个前沿领域，是地球信息科学的一个重要组成部分，将为地球科学问题的监测和全球变化与区域可持续发展研究提供理论指导与技术方法的支持[1]。同时，地球信息科学也是一门应用科学，它以信息流为手段研究地球系统的物质流、能量流和人流的运动状态和方式，其科学学科体系正在成型、发展、定位中，主要研究内容：基础理论研究$地球机理、地球信息获取和处理技术、地理信息数字集成技术系统研究、地球信息共享、服务体究、产业化政策和运做研究、应用技术系统研究。“地球信息机理”是其理论研究的主体，“地球信息技术”是其研究手段，“全球变化与区域可持续发展”是其主要应用研究领域。

2 地球空间信息内涵

地球空间信息实质上反映了人类对于地球表层系统的运动规律的认识，它是人类保育地球表层系统的基础。地球空间信息所覆盖的空间范围上至电离层、下至莫霍面，其中在地球表层上的地理空间信息是地球空间信息的基础信息。有关地理空间信息的处理技术――地理信息技术的数据获取、存储、空间分析和信息查询则为地球空间信息的模拟、分析和预测奠定了基础。

美国于1992年开始建立“国家空间数据基础设施(NSDI)”，这和前几年美国发展“信息高速公路”具有同样重要的战略意义，SD在中国常称为“地球空间信息”。空间数据基础设施(SDI)从体系上来讲主要包括4个部分：①地球空间关系数据集，它主要包括空间点位(三维+重力场参数)、地形、水系、植被、道路、居民地、土地利用、地籍等静态和动态的数据;②上述数据获取、储存、更新和交换的技术(模拟的和数字化的)和相应的标准;③上述数据的交互网络体系，包括该体系的硬件、软件、空间数据库系统和数字化空间数据的通讯交互网络;④空间数据的管理、维护、服务机构和设施[2]。

3 地球空间信息获取

随着计算机技术、网络技术、通信技术、光电子技术、航天航空技术的不断发展，空间信息获取的技术手段和方法也发生了根本性的变化，已由传统的地基、手工、单点、单要素向空基、全自动、面域、全要素方向发展，空间信息技术的应用也从传统的测绘领域迅速扩展到更加广泛的领域。这些新兴的应用反过来又对空间信息技术的发展提出了更高的要求。

地球空间数据，即地球空间实体的空间位置数据及相应的属性数据和拓扑关系数据。遥感、全球定位系统等地球数据获取技术的发展已经形成覆盖全球的监测运行系统，建立起从航天观测到深度探测的多层次、立体对地观测系统，是快速获取和更新地球数据的主要技术手段[3]。美国国家航空与宇航管理局制定了一个循序渐进的数据获取和管理的战略性计划――行星地球计划，以向科学家提供与地球系统科学有关的观测数据，其核心部分为地球观测系统(EOS)，其目的是提供能够长时间控制的数据记录，以帮助科学家区分人类活动和自然力对地球系统的多种影响。下面介绍地球空间数据的获取三种主要方法：地图数据采集、全球定位系统(GPS)、遥感(RS)等。

3.1 地图数据采集

地图数据的采集有两种方法：一种方法是手扶跟踪自动化，此法对简单的地图还可以，而对于复杂的地图就较麻烦，根本问题是速度慢，几乎同手工绘制一幅地图所需要的时间差不多，而且精度相对较低。另一种方法是地图扫描数字化，对于经过扫描的地图(数字地图图像)，既可以用鼠标在计算机屏幕上采集，也可以在屏幕上半自动化采集，显然这种半自动化方式的速度相对快一些。目前，地图扫描数字化的手工方式在许多商品化软件中已经具备，如MapInfo等。地图扫描数字化的半自动方式国内外也有不少这类软件，这些软件的主要问题是自动化程度不高，可靠性和稳定性较差。地图扫描数字化的半自动方式，其核心技术是数字地图图像的识别，目前采用的基本理论与方法主要有数学形态学方法、神经元网络方法等。

3.2 遥感(RS)数据采集

RS源于航空摄影测量，历史悠久。20世纪60年代初，美国海军研究局的伊・普鲁伊特(Eretyn Pruitt)第一次提出“遥感”这个术语。现在遥感技术已发展成为多光谱、多平台、多波段、高分辨率和全天候的一种对地观测技术。遥感图像的空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率，以及对遥感图像自动判读的精确性、可靠性和定量量测的精度都会有极大的提高。多光谱传感器获取从陆地到海洋和外层空间信息。高分辨率可提供到米级、厘米级空间信息。航空遥感和海洋高频地波雷达具有的快速机动性可提供多时相(准)实时级空间信息。遥感影像处理智能化专家系统将遥感信息的应用分析从单一遥感资料向多时相、多数据源的复合分析过渡，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。

遥感技术作为获取环境数据和动态监测(特别是面状信息)的重要手段，具有许多优点[4]：①通过地球观测卫星或飞机从高空观测地球，可进行大面积同步监测，获取环境信息数据快速准确，并具有综合性和可比性;②利用遥感技术获取环境信息，具有获取资料范围大、信息手段多、信息量大、速度快、周期短和受条件限制少等特点。遥感获取的环境动态观测数据，通过GIS快速处理和分析，能及时发现环境的变化;③遥感与传统的环境信息获取方法相比，可以大大节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。目前遥感技术正经历着从定性向定量从静态向动态的发展变化。

4 GPS数据采集

GPS(global positioning system)是美国第二代卫星导航定位系统(第一代卫星导航系统是美国的子午卫星导航系统，即多普勒定位系统)，它是以卫星为基础的无线电测时定位导航系统，可以为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。GPS包括三大组成部分，即空间部分，由卫星星座组成;地面支撑部分，由地面主控及监测注入系统组成;用户设备部分，由用户接收机组成。GPS定位的实质是根据GPS接收机与其所观测到的卫星之间的距离和所观测卫星的空间位置来求取接收机的空间位置，而这些又是根据GPS卫星发出的导航电文计算出的包括位置、伪距、相位和星历等原始观测量，通过计算来完成的。

GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，从静态到动态，从单点定位到局部与广域差分，从事后处理到实时定位与导航，从绝对和相对精度到米级、厘米级乃至亚毫米级，可提供高精度地图坐标图数据(三维)，建立三维高次模型，提高RS几何校正精度。空基和星基卫星定位技术和实时三维(数字)地面影像获取技术将为监测各种地球空间中的动态自然现象和部分人文现象的信息提供了手段。

【参考文献】

[1]王家耀，苗国强，成毅.空间信息系统数据的获取[J].海洋测绘，2004，3.

[2]李清泉.关于我国空间信息产业发展的思考[J].地理信息世界，2004，8.

[3]李德仁，李清泉.论地球空间信息科学的形成[J].地球科学进展，1998，13(4)：319-326.

[4]宫鹏，史培军，浦瑞良，等.对地观测技术与地理系统科学[M].北京：科学出版社，1996.

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