《科学方法论》读书报告

中国地质大学

学号:22002154

姓名:秦跃群

中国地质大学研究生院

2004.12.

对地球信息科学的认识

----以地理息系统应用为例

地球信息科学是20世纪90年代新兴的地球科学研究的前沿领域，是在卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统、数字传输网络等一系列现代信息技术的高度集成以及信息科学与地球系统科学的交叉基础之上所形成的科学体系,是地球科学、信息科学和信息技术的交叉和融合,是地球科学的一门新兴的重要分支学科;虽然其理论与方法还处于初步发展阶段，其学科体系有待完善，但它已得到国内外科技界的普遍关注。近10年来，为了加强对于资源开发与环境保护的系统调控和协调发展，许多国家都在积极发展地球信息科学，以之作为全球变化研究与区域规划、管理与决策分析的现代化科技手段。

一、地球信息科学

(1) 作为一个现代的科学术语，地球信息科学的出现还不到10年。作为一门新兴的交叉学科，人们对其的认识又有多重含义，并出现了许多相类似但又不相同的科学名词，如地球信息技术、地球信息机理、图像测量学、图像信息、地理信息科学、地球信息科学等。这些新的科学名词的出现，都与现代信息技术，如遥感、数字通讯网络、地理信息系统等的发展密切相关。

全球变化与区域可持续发展研究已经使得现代地球科学问题的研究发生了“质”和“量”的变化。首先，现代地球科学问题的研究具有“综合性、统一性”，“综合性”表现在地球科学问题的研究日益要求多学科、多部门之间的攻关协作，“统一性”则表现在地球科学问题的研究既需要现代化技术手段的支持又需要基础科学理论的指导;其次，现代地球科学问题既强调揭示不同时空尺度下的固体地球系统、流体地球系统和生物地球系统的过程，以揭示全球变化规律，又强调对于包括人类在内的由岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈等各相态物质相互作用组成的地球表层系统的区域系统的研究，以揭示人类活动与资源、环境相互作用的关系。

随着遥感、全球定位系统、因持网(Internet)和地理信息系统等现代信息技术的发展及其相互间的渗透，逐渐形成了以地理信息系统为核心的集成化技术系统，为解决区域范围更广、复杂性更高的现代地学问题提供了新的分析方法和技术保证;同时，这些现代信息技术的综合发展及其应用的日益深广，最终促使了“地球信息科学”的产生。

(2) 地球信息是地球系统内部物质流、能量流和人流的一种运动状态和方式。因此，地球信息实质上反映了人类对于地球系统运动规律的认识，它是人类保育地球系统的基础。地球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信息是地球信息的基础信息。正是地理信息的空间定位和空间关联性起到了连接地质信息、海洋信息和大气信息的作用，使得地质信息、海洋信息和大气信息得以通过地理信息而组合成为地球信息;而有关地理信息的处理技术——数据获取、存储、空间分析和信息查询则为地球信息的模拟、分析和预测奠定了基础。

美国国家航空和宇航管理局(NASA)，曾在《地球系统科学》报告中指出:认识地球系统和全球变化战略的重要组成部分是要在最广泛的意义上致力于数据和信息

的管理，发展地理信息系统是其中心问题。因此，从地球系统科学的高度来认识和理解地理信息系统，更有利于我们把握地理信息技术体系发展的框架。地理信息系统是在获取地球观测数据以后，完成从“分析和解释” 到“概念化和数值模拟”，再到“预测和验证”的转换。由此实现地球系统科学的研究工作。

(3) 地球信息科学是一门交叉学科，是地球系统科学、信息科学和信息技术等的交叉和融合，是地球科学的一门新兴的重要分支科学;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。其中，“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。地球信息科学的本质是从信息流的角度来揭示地球系统发生、发展及其演化规律，从而实现资源、环境与社会的宏观调控。

二、地球信息技术

地球信息技术包括:地球数据获取技术、地球信息模拟分析技术与地球信息传播技术。

地球数据获取技术:用于从外部世界获得记录地球性质和状态的地球数据。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，是快速获取和更新地球数据的主要技术手段。

地球信息模拟分析技术:用以将地理数据转化为地球信息，包括地球空间信息的加工、再生以及获得有关某一地球空间问题解决的目的、计划和策略信息，可分为地理信息系统、空间辅助决策支持系统。地理信息系统是一个能够获取、存贮、查询、模拟和分析地理信息的计算机系统，是一种能够处理和分析大量地理数据的通用地理信息技术，它汇集来自多方面的数据，按照地理空间框架进行数据管理、查询与检索，通过地球信息模拟和分析软件包进行地球信息的加工、再生，为空间辅助决策的分析打下基础。空间辅助决策支持系统直接面向地球科学的

问题领域，它的任务是在地理信息系统有关地球空间信息分析结果的基础之上产生人类行动的目的、计划和策略信息。因此，决策分析过程和其前面的信息处理过程是不可分割的，信息处理是决策的准备和基础，决策分析是信息处理的目的和结果。

地球信息传播技术:用以实施空间数据的传递和信息的传播。地图既是地理信息载体，又是传播媒体，尤其是电子地图的出现，极大地增加了地图功能，使得纸质地图更侧重于结果的表达，而将多种信息的存贮交给电子地图。信息高速公路的发展，使得地球信息的交换发生了革命性的变化;信息表达实现数字化、多媒体化，而不再仅仅是模拟符号;信息交换的网络化与实时性，促进了广泛意义上的信息共享。

三、地球信息科学的方法论

在现代科学理论体系中，信息、控制和系统是三个具有时代特征意义并且具有深刻内在联系的重要科学概念。信息论、控制论和系统论的结合导致了现代科学方法论的重大突破，促成了现代科学技术的巨大变化。

地理信息系统通过对来源于地球系统的数据流进行空间信息分析，而将数据流转换为信息流(目标信息);它实质上完成了对于地球系统的了解和认识，即实现了对于这个复杂地球系统的认识过程。空间决策系统通过对来源于地理信息系统的信息流进行空间决策分析，而将信息流转换为知识流(目的、计划和策略信息流);它实质上模拟了对于地球系统的调节和控制作用，即模拟了对于这个复杂地球系统的调控过程;而策略、方案实施则将知识流转化为真正可供操作的调节和控制行为。

地球信息科学的方法论表明，认识、分析地球系统和对于地球系统调控是不能截然分开的，它们是一个统一的连贯的过程:认识是调控的基础，调控是认识的目的;认识越深刻，调控就越成功，而调控越成功就会使认识进一步深化。而

地理信息系统和空间决策系统实质上表现了人类对于客观世界认知能力的能动性。

四、地球信息科学的应用实例

地球信息科学产生与发展，无论是从理论上还是从技术上都将为地球科学问题的全球变化与区域可持续发展研究提供指导与支持。

可持续发展的核心是资源(尤其是矿资源)的可供性与保障程度。发现与寻找新的资源是实现可持续发展的首要条件。其基础是预测，而预测的关键问题是地学领域内各学科专家们对地质、遥感、物探、化探中的各种直接和间接控矿信息，进行处理、解释、提取和综合分析的结果。由于地理信息系统是一个能够获取、存贮、查询、模拟和分析资源信息的计算机系统，是一种能够处理和分析大量地学数据的通用信息技术，它提高了我们处理和分析大量有关地球资源、环境、社会与经济数据的能力，为我们由客观世界到信息世界的认识、抽象过程以及由信息世界返回客观世界的利用改造过程的发展和转化，创造了空前良好的条件和环境。就目前来说，建立一个完全自动化的预测系统是不现实的，但利用地理信息系统技术作为地质勘查现代化的工具是可能的，实践证明也是可行的。

我们曾偿试以地学信息综合分析为基础，结合地理信息系统对新疆伊吾地区进行定量找矿预测，选定成矿远景区，并进行野外验证，收到了一定了成效果。

1(信息处理方法

1)遥感数据的处理

多波段遥感图像信息特征中除可见光波谱部分外，许多波段的信息特征位于人肉眼光敏区以外，如红外、微波图像信息等。这类图像揭示了大量肉眼看不见的地物信息特征，大大增加了鉴别地物属性特征的信息量。因此，采用遥感图像处理有效提取成矿信息，尤其是提取那些微弱的矿化信息，通过地质解译、分析构造形迹特征及空间分布规律和应力状态，不但真实、客观，而且克服了常规地质方法有时

由于点线观测的局限性，大大开拓视野，获得连续、系统、大量的信息特征，有助于将破裂系统与区域构造变形乃至地质建造等有机地联系起来深入分析研究，得出与客观实际相吻合的结论。

首先，对TM遥感图像数据预处理，主要对图像进行大气校正，并通过与同比例尺地形图找同名点进行几何校正，在此基础上对研究区的7个波段TM图像进行相关分析和主成分分析，得出,个波段方差大小，再根据各波段信息统计分析结果及RGB组合优选指标，并考虑TM,地面分辨率较低，TM,属兰光谱波段受大气散射影响大、图像细节不足等因素，选择RGB组合指标参数较大的TM4、5、3，作为专题图像处理和特征信息提取的最佳图像。同时还采用辐射增强(比例扩展、直方图均衡化、直方图正态化等功能)、多图像变化、主成分分析、色度变换、纹理分析等处理方法，获得一大批高质量专题片，提取了大量有用的地质构造信息。

2)线性构造信息的处理

线性构造多数反映的是断裂构造发育的形迹，根据线性构造的规模大小和连续性，线性构造对区内的岩浆活动、沉积作用的控制程度以及前人对本区构造研究的成果，将区内线性构造分为以下三级:(1)主干线性构造，(2)一般线性构造，(3)大型节理(裂隙)。

断裂构造既是矿液活化、运移的通道，又是对矿床进行后期改造以及成矿元素再次富集的重要因素，对矿床的形成和分布起着内在的控制作用。因此只对其进行定性分析还不能满足生产的要求，需要对其进行定量分析，以利于成矿预测。

目前常用的线性构造统计分析方法如线性构造密度图、统计直方图、玫瑰花图等，存在着参数选择不灵活、表达方式不直观等缺点。在通过对线性构造量化处理，分期次统计单元网格内线性构造的总长度，用断裂的优益度来评价每个网格单元是否有利储矿;用中心对称度来研究和圈定古火山机构、小型等轴状隐伏侵入体

等具有放射状断裂体系的环形构造。将处理结果用二维彩色平面图和三维彩色立体图叠合，建立线性构造信息三维定量解析模式。另外，我们把本区主干线性构造在MAPGIS软件下矢量化为线文件，以利于和矿(床)点量化进行空间分析

3)矿(床)点信息的量化处理

对本区已有矿(床)点进行量化分析，绘制矿(床)点分布密度图及矿(床)点与线性构造叠合定量解析模式图。由此我们得知，本区的矿(床)点的分布主要受主干线性构造的控制，特别是主干线性构造、一般线性构造和大型节理密集区和不同方向线性构造交会部位，说明本区主干线性构造可能是导矿构造，近侧一般线性构造和有关的遥感大节理是本区有利的控矿构造。另外，我们把本区的矿(床)点在MAPGIS软件下矢量化为点文件，并和矢量化的主干线性构造进行坐标配准，在MAPGIS的空间分析模块中对矿(床)点和主干线性构造进行“点

对线叠加分析”，再把分析结果的点线距离属性进行“单属性累计统计直方图分析”，从而达到了对本区主干断裂影响的宽度进行定量分析。据此得出在距主干断层122米的范围内集中了本区84,的矿(床)点。

2(信息综合分析及成矿预测

通过对伊吾地区地质、遥感等各种直接和间接控矿信息的处理、解释、提取和综合分析，不难看出，本区地层、岩相条件对成矿的控制及岩浆岩的成矿专属性。主干线性构造为导矿构造，一般线性构造和大型节理是有利的控矿和含矿构造。另外，通过对本区主干线性构造在MAPGIS软件下进行“BUFFER分析”，并结合本区一般线性构造和大型节理的空间分布以及地层、岩浆岩分布特征，综合运用无模型矿床预测和模型矿床预测的理论知识，指出了本区的成矿远景区为，沿主干线性构造的一弧形地带。经野外验证，发现了一批有进一步工作价值的斑岩型铜(金)矿化点和破碎蚀变岩型金矿化点及石英脉型金矿化点。

综上所述，人类社会步入信息时代，有关地球科学问题的研究需要以信息科学为基础，并以现代信息技术为手段，否则就不能适应新的社会生产力发展水平。地球信息科学，作为地球科学的一个重要分支学科，将为地球科学问题的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。而全球变化与区域可持续发展的应用研究也将极大地推动地球信息科学的发展。