名家观点 | 廖小罕研究员：地理科学发展与新技术应用

地理学是一门古老的学科，其内涵随时代的进步和区域的变化而不断演变，借力于计算技术、空间技术、互联网技术、自动化和传感网技术等新技术的应用，地理学科发展得到有力促进，突出表现包括：① 研究时空拓展到近实时和全球，基本解决异域和极端地理环境数据难获取问题；② 数据获取方式和渠道多样性促进了数据的爆发性增加，对规律和格局的分析从依赖有限时空表观信息发展到依靠新技术获取高时空动态数据开展大数据挖掘；③ 研究内容从静态知识获取、机理分析拓展到包括生态修复和环境治理等能动性的工作；④ 学科发展呈现领域拓展和新技术学科交叉趋势，地理学通过与新技术进一步融合发展获得新生命力。

站在地理学的角度，地理学未来要不断密切融合和借鉴现代新技术，才能健康发展，适应时代发展需求。今天借助高新技术和大数据手段，地理科学作为综合性、交叉性、区域性强的学科呈现良好的发展趋势，在区域可持续发展与空间规划、乡村振兴战略、数字中国建设、美丽中国生态文明建设、美丽中国和精准扶贫成效第三方评估、“一带一路”发展规划、重大传染病防控等国家重大任务和现实需求中，都常见到地理学家领衔担当重要角色。展望未来，新时期地理科学发展将如何借助新技术和地理大数据“燃料”的注入，在全球和区域社会经济建设过程中提供“复方”解决方案而发挥重要的作用？请看廖小罕研究员的精彩见解（文章发表于《地理科学进展》2020年5期）。

文章抢先看

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促进地理科学研究的当代新技术发展

人们在认识自然的过程中积累了很多地理学相关的理论、方法、模型等各种研究成果，这些成果在改善自然过程中不断发挥重要的作用。伴随着社会的发展进步和需求总量的增加，资源环境领域问题日益突出并错综复杂：一方面是传统简单化的模型往往不能很好地解决实际复杂问题，需要借助新技术手段去发展和完善；另一方面，许多好的理论、方法和模型需要足够准确的边界约束和初始场数据，高可靠、多因子分析结果往往与足够精细和足够多变量的输入数据正相关。地理学的理论、模型和方法是否可以发挥好相应的作用，结论是否可靠，预测是否准确，足够保障的技术手段和数据来源至关重要。截至目前，在这个方面已经呈现出对地理学研究技术手段具有基础性支撑作用的新技术主要包括计算技术、空间技术、互联网技术、自动化和传感网技术、生态修复技术、环境保护技术等。

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新技术应用推动下地理科学前沿进展

借助于新技术应用，地理科学解决社会经济发展实践问题的能力得到显著加强，研究范围得到纵深拓展。从对学科发展影响和对社会经济重大贡献来看，代表性的进展包括：

（1）空间技术支撑地理学开展跨区域和全球问题的研究

地理科学研究的基础是数据。截至目前，世界各国积累了60多年的全球和区域的对地观测数据，通过遥感(侦察)飞机也积累了上百年的航拍和遥感影像。这些覆盖全球各地的遥感数据是巨大的科学财富。遥感技术一诞生就和地理研究深度结合，同时遥感技术借地理研究舞台迅猛发展。可以形象地比喻，自从20 世纪下半叶以来，随着遥感技术应用的普及，地理科学“陆军”研究队伍有了“空军”。而在当代，无人机遥感技术呈现高技术、智能化、低成本、大众化的趋势，普通的研究室甚至课题组都可以拥有自己的无人机遥感系统、科研人员自己就可以独立开展无人遥感技术应用。

（2）自动化和传感网技术支持国土大范围陆表和极端环境观测网络构建

    中国的生态系统研究网络CERN、美国的国家生态观测网NEON、欧洲的综合碳观测系统ICOS、澳大利亚的陆地生态研究网络TERN 等都是非常成功的国家尺度观测网络。目前CERN、NEON、ICOS 和TERN等正在共同推动全球生态系统研究设施(GERI)的组建和发展。另外，极端和危险环境的数据获得性在过去一直是研究的瓶颈，现在包括中国在内的许多国家在南北极、远洋等建设自动化的观测设施，利用机器人采样，在研究南北极冰和全球变化的影响等方面获得大量宝贵的科学数据。

（3）生态修复、环境治理与综合调控新技术服务重大自然改造工程

     新技术手段推动地理科学从静态的资源和环境本底调查到包括参与生态及土壤修复与环境治理等能动性的工作。例如，利用优选树种、滴灌技术、定植等生态修复技术开展干旱区荒漠与绿洲生态系统过程和生态安全研究，中国建成了世界最长的塔里木沙漠公路防护林生工程，并推广到国外，建立了寒旱区交通干线和自然遗产保护区的风沙防治体系。还有，例如通过高光谱卫星获取植被日光诱导叶绿素荧光、大气二氧化碳浓度和大气化学组分数据，为治理大气环境污染提供实时更新监测信息；通过综合调控新技术开展冻土工程实践，保障重大冻土工程稳定性和安全运营；中国在南沙群岛开展自然环境改造和修复，完成了岛礁陆域吹填工程。

（4）大数据“加注”，全域、全景、全要素和时空流分析成为方向

    全球数以万计的空基、陆基、海基观测网络每天获得大量数据，各种地球系统、大气、路面、海冰等模式生产的大数据，自发地理信息(VGI)大数据，专业平台的移动GPS、标注、影像等结构化和社交网络所产生包含时空信息的非结构化数据，蕴含巨大的地理科学研究价值。地理大数据爆发性增加，地理学通过获得大数据“燃料”的注入，在全域、全景、全要素等分析预测和复杂环境解决方案、复杂因果关联等研究上极大地提高了能力。

（5）虚拟和增强现实技术实现环境研究虚实结合

      区域地理环境重建与仿真预测通过虚拟技术和增强现实技术贴近真实的表达方式开始在行业和大众中得到应用，推动地理场景和时空过程仿真研究、科普教育和沉浸式教学全面发展。例如，一些城市管理部门在评估城市发展规划的场景展示平台、国防建设领域虚拟电子沙盘、大众足不出户网上旅游全球景区等都受益于虚拟和增强现实技术。通过增强现实技术在实际研究嵌入虚拟对象和场景重建将带来全新的考察体验和研究方法。这方面技术结合其他技术的进一步应用，在开展包含大量人文和虚拟要素的非物质地理格局和过程的研究中，发挥重要的作用。

（6）互联网电子地图全面支撑社会经济发展，成为地理科技成果转化最好的标杆

      基于互联网和移动互联网的电子地图与遥感影像服务已经成为当代地理科学研究和大众化应用不可或缺的支撑。通过云端高度集中资源并随时刷新基础内容，支撑客户端通过点击得以共享最新地图/遥感基础信息等开展应用。目前主流的基础遥感影像和基础市政道路与交通路况在线地图提供商包括Google、天地图、高德、百度地图等。具有空间位置属性的动态信息都可以叠加在基础地图上满足用户需求和支撑用户拓展应用，在这个面有广阔的前景，成为地理科技成果转化的最好标杆。

（7）无人机技术促进景观尺度三维精细化研究和“遥感+”应用发展

    无人机广泛应用意味着在自然和人文地理学研究中将带来新的视角和研究方法。其中，无人机遥感获取厘米级分辨率的陆地表观立体结构，在景观尺度地理空间环境三维重建和城市建筑和森林植被等地表附着物三维信息精细化量测方面发挥独特的重要作用，同时也在三维地图基础影像数据服务上面显示出巨大潜力。作为当代新技术高度综合集成的代表，无人机可以实现在传统遥感数据获取基础上的拓展应用，包括实时传输、同步定位和绘图(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)、植保、低空航路规划、组网协同等，被称之为“遥感+”应用。无人机系统将认识感知和能动改造能力从技术上高度集成在一起，其广泛应用自然地提高了地理科学工作者学科交叉能力并拓展了学科本身解决问题的能力。

03

思考与展望

    现代地理学已与计算技术、互联网技术、空间技术等现代技术深度融合，并从交叉融合中受益，得到进一步发展。换句话说，历史悠久的地理学借助于新技术融合和应用，在新时期舞台上应运得到发展。从这个意义上来说，当代地理科学的发展有其历史发展必然性。实际上地理学几次飞跃都是和技术应用相结合的结果，都是应用技术沉淀把学科基础支撑垫高。当然，逆水行舟，不进则退，其他的学科也在发展、演进甚至可能有替代地理科学的势头。站在地理学的角度，地理学未来要不断密切融合和借鉴现代新技术，才能健康发展，适应时代发展需求。

    展望未来，从学科面向应用需求发展的趋势来看，一个特点是时代对地理科学的需求从静态认知、分析、规划和拓展到能动性的改造与利用。例如从自然资源调查统计到生态修复，从环境认知和分析到环境治理，从大气环境观测到大气环境治理与大气动力学的利用，包括从陆表到低空空域资源开发利用。另一个特点是面对全域、全景、全要素分析应用需求，无论是数据输入输出、虚实场景时空视野与复杂因果关系的综合分析，都要求学科具有很强的大数据分析与挖掘能力、历史环境重建与未来场景量化预测评估能力，以及复杂因果环境下提供“复方”解决方案能力。

文章全文如下，也可从中国知网下载。

作者简介

廖小罕，《地理科学进展》主编，中国科学院地理科学与资源研究所党委书记、副所长，二级研究员，博士生导师，兼任中国科学院无人机应用与管控研究中心主任。曾担任国家遥感中心主任、中国对地观测组织（GEO）秘书处主任，社会兼职包括中国空间科学学会副理事长、中国航空运动协会副主席等。目前学术兼职包括中国地理信息产业协会监事长兼无人机应用与管控工委会主任等。参与负责过伽利略卫星导航系统、平方公里阵列射电望远镜等国际合作项目和系列遥感卫星及载荷型号立项规划论证。主持国家遥感中心全国无人机遥感网总体设计。编著了《轻小型无人机遥感发展报告》《全球生态环境遥感监测年度报告》等。近年来研究工作包括卫星和航空（无人机）遥感应用和区域无人机组网观测技术体系构建，提出无人机低空公共航路概念和基于遥感和GIS技术多级迭代构建航路的方法，主持研发“中科天网”无人机云端管控系统并获得中国民航局批准纳入运行系统。

联系方式  E-mail: [e-mail]

本文转载自中国科学地理资源期刊网，有删改。

图文编辑：许多

责任编辑：鲁嘉颐

审核：王波涛

终审：顾伟男 田巍 梁龙武

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