在这本《地理信息科学导论》教材定稿完成、即将付梓之际，我们特别怀念我国著名的遥感学家、定量遥感的奠基人——李小文院士。
他为本教材的编著与出版呕心沥血，在内容构思、章节安排、专家论证、写作队伍组建等方面都进行了精心组织和筹划，病重期间直至生命的最后时刻都一直关心着编写进度。当我们阅读本教材时，我们要深切缅怀李小文院士，这位素有“布鞋院士”之称的“网红”教授，仅从他的博客，我们都会被他深邃的思想，精彩的文笔，以及对历史和现实的考量而折服。我们需要学习他的科学创新和无私奉献精神，需要学习他以教书育人为本的高尚情怀。
《地理信息科学导论》
献给小文院士！
追本溯源，我国的地理信息科学本科专业源自地理学的二级学科地图学，以及测绘科学的二级学科地图制图学。随着20 世纪60 ～ 70 年代航空遥感和卫星遥感技术的发展，遥感数据成为地图、地理信息数据的重要来源，遥感制图技术和计算机辅助地图制图技术得到发展。80 年代，地理信息系统技术引入国内，地理数据的采集、存储、分析、表达、传输、发布、管理等综合性技术体系逐步形成。1988 年，武汉测绘科技大学（现武汉大学）探索性地开设了全国第一个专门培养地理信息人才的本科专业。1996 年，在教育部颁布的《普通高等学校本科专业目录》中，地理科学类新增了地理信息系统专业。2012 年，为了适应地理信息系统学科从技术到科学的跨越，教育部高等学校地理科学类教学指导委员会将地理信息系统专业名称改为地理信息科学专业。从地图学、地图制图学专业发展到今天的地理信息科学专业，表明在新技术的驱动下，专业教学内容发生了深刻的变化。当前本科低年级学生已经开设了《地图学概论》《遥感概论》《地理信息系统概论》《地理信息科学概论》等专业导论性的课程。然而，地理信息科学专业导论性的教材至今没有产生。究其原因——一是主观的，1999 年我在出版《地理信息科学导论》时遇到了很大阻力，当时学界多认为地理信息系统就是一门技术，没有科学，更谈不上有理论。不过，该书最终在陈述彭院士的鼎力支持下得以出版。过去10多年，我曾多次试图编写或从国外引进地理信息科学专业导论教材，但即使在我主编的“21世纪高等院校教材• 地理信息系统教学丛书”中，也未能编写或引进出版。二是客观的，近年来新技术、新方法、新应用如雨后春笋，数字地球、智慧地球、物联网、大数据、人工智能让我们应接不暇，消化、吸收、创新很是困难，造成了章节内容布局、体例形式、图文风格等意见也难以统一、进展缓慢。虽受现有认识、能力、时间等条件约束，我们编写团队仍全力以赴，几易其稿，最终将这本《地理信息科学导论》奉献给大家，恳请大家批评指正。
《地理信息科学导论》
《地理信息科学导论》
闾国年 等编著
北京：科学出版社，2019.12
中国地理信息产业协会教育与科普工作委员会主任汤国安教授全程指导，南京师范大学地理信息科学系系主任张书亮教授倾心布局，将本教材列入南京师范大学地理信息科学一流专业规划教材。
本教材共8 章，第一章由赵军、闾国年、陈旻、俞肇元编写，赵军统稿；第二章由赵军、闾国年、袁林旺、陈旻编写，赵军统稿；第三章由汤国安、张海平、俞肇元、沈婕、闾国年编写，汤国安统稿；第四章由童小华、毕如田、沈飞、张松林、陈鹏、金艳敏编写，赵军、沈飞统稿；第五章由盛业华、刘素红、毕如田编写，盛业华统稿；第六章由闾国年、仲腾、周良辰、俞肇元编写，闾国年统稿；第七章由吴明光、李霖、周良辰、俞肇元编写，吴明光统稿；第八章由闾国年、张雪英、陈旻、张书亮编写，闾国年统稿。本教材最终由闾国年定稿。
本教材的编辑出版得到了中国地理信息产业协会教育与科普工作委员会、科学出版社、南京师范大学地理学国家一流学科、虚拟地理环境教育部重点实验室，以及“全息地图与位置信息聚合”国家重大研发计划项目的大力支持。全书图文并茂、内容全面、可读性强。本文摘编“第二章 地理信息科学内涵”的部分内容以窥豹一斑。
地理信息科学是地理信息系统发展到一定阶段的必然产物，它关注地理信息的基本和普遍的科学问题，重视地理信息系统应用所涉及的社会、经济、组织和管理问题，并从信息科学的普遍规律出发，深化地理信息系统的研究，推动地理信息系统向科学、工程方向不断发展。
地理信息科学（geographic information science，GIScience）是国际著名GIS 学者Michael Frank Goodchild在1992 年首次提出的，他认为地理信息科学是“信息科学有关地理信息的一个分支学科”。地理信息科学主要研究地理学在应用计算机技术对其信息进行处理、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。与地理信息系统（geographic information system）相比，它更加侧重于将地理信息系统看作一门科学，而不仅仅是一个技术实现。
▲ 地理信息科学奠基人Michael Frank Goodchild
美国国家科学基金委员会（NSF）的一个工作组认为地理信息科学是一门描述和表达地理概念，并将其应用于地理信息系统的学科。地理信息科学主要研究地理信息系统对于社会和公众的影响，研究社会对于地理信息系统的影响。闾国年等认为地理信息科学是研究地理信息产生、传输与转换规律，地理信息系统运行规律的一门学科，是自然科学、技术科学、思维科学、经济学、社会科学的交叉学科，是在地理信息系统技术的基础上发展起来的高新技术学科。地理信息科学是信息科学的重要组成部分，也是信息地理学的重要组成部分。地理信息系统本质上是个技术系统，而地理信息科学的基本原理和应用实践中既隐含有特定的科学问题，又具有组织与社会属性。地理信息科学主要关注地理信息内涵、机制、过程及其数据模型的抽象描述，按照地理学定律、规律对地理数据结构及表达模型的设计和构建；地理信息系统主要关注技术及其在不同领域的应用；地理信息工程则关注特定应用领域、方向上地理信息解决方案的设计和工程实施。
▲ 地理信息科学研究内容
地理信息科学是自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合而形成的前沿学科、交叉学科、高新技术学科。“地理信息科学”是其理论研究的主体，“地理信息技术”是研究手段，“全球变化和区域可持续发展”是地理信息科学与技术的主要应用领域，而“大众与普适应用”是地理信息科学发展的重要推手。地理信息科学的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，为地理科学的发展和提升开辟了一个崭新的天地。
1. 地理信息科学是前沿学科
地理学是研究地球表层自然要素与人文要素相互作用及其形成演化的特征、结构、格局、过程、地域分异与人地关系等的学科，是地理信息科学研究和解决的主体对象，也是地理信息科学的主体学科之一。从技术的视角，地理信息科学则是信息技术与现代地理学相结合的产物，采用计算机建模和模拟技术实现地理环境与过程的虚拟，以便对地理现象进行直观科学的分析，并提供决策依据。案例1
利用地理信息技术和方法监测干旱区绿洲土地覆盖变化。生态环境管理和研究人员可利用遥感卫星，借助地理信息系统技术将绿洲不同时期的土地覆盖数据叠合在一起，实现不同时期土地覆盖类型边界的叠加，进而对比分析绿洲土地覆盖变化的过程、规模、方向等，为绿洲生态保护和建设提供决策服务。
▲ 新疆且末绿洲土地覆盖变化（努尔比娅·乌斯曼等，2011）
案例2
一张电子地图解读四千年陨石足迹。2013 年2 月15 日中午12时30 分左右，俄罗斯车里雅宾斯克州发生天体坠落事件。陨石从天而降，坠落在俄罗斯车里雅宾斯克州，这一自然现象引发了全世界对陨石的关注。于是，专门做地理软件的Vizzuality 及CartoDB 创始人德拉托雷（Javierde la Torre）在其网站上发布了一张电子地图。这张电子地图记录了从公元前2300 年到现在4000 多年中的陨石光临地球的足迹。
▲ 陨石光临地球足迹图
案例3
物流订单轨迹。爱网购的你，想知道订单到哪了吗？距离虽然不远，但是前进的路线很曲折啊！
▲ 物流订单轨迹
2. 地理信息科学是交叉学科
地理信息科学是在信息科学与技术、空间科学与技术和地球系统科学的基础上，借助测绘技术、计算机技术、通信技术、互联网技术等对地理信息进行采集、存储、分析和显示的交叉性、综合型学科。随着工业生产飞速发展和人口不断增加，人类对于各种自然资源的需求量越来越大。然而，由于自然条件的限制，极其丰富的自然资源到现在还“沉睡”在人迹未至的深山密林、茫茫沙漠和浩瀚大洋之中，这就要求我们采用有效的方法去勘测那些资源。借助空间科学技术，用人造卫星去勘测地球资源就是一种有效的方法。案例4
如果要对人类生活的地球表层系统，如水资源、植被、土壤等开展评估和长时序、大范围监测，就离不开遥感卫星数据的支持。遥感数据的获取离不开各种人造卫星和传感器。下图是利用人造卫星对地探测的示意图。
▲ 利用人造卫星对地探测
由于地球的空间广域性，形成时间的悠久性和组成要素的复杂性，分门别类的研究尽管有的学科已达定量、半定量化的研究水平，但仍不能完整地认识地球，传统地学面临着挑战。用系统的、多要素相互联系、相互作用的观点去研究、认识地球，显得十分重要，于是产生了地球系统科学。它要求对人类生活的地球以综合、系统的视角来认识和研究。案例5
地理信息科学离不开地球系统科学。长江是我国第一大河流，长江流域旱情、洪涝等灾情的监测涉及气象学、水文学、海洋学、地理学、地质学、生态学等众多学科，因此需要利用系统的、综合的思想对其进行监测研究，而地球系统科学和地理信息科学在理论、技术和方法上符合这一要求，已经得到关注和应用。
▲ 利用地球系统科学对长江流域进行综合观测
地理信息科学可利用现代网络和计算机技术，通过现代化通信手段获取、存储、分析、发布各类地理信息，提供查找、交换、分发以及加工、处理等增值服务。总之，它类似于一个由信息用户、信息生产者、信息营销者共同组成的网络化地理信息“超级市场”。案例6
防洪管理系统。通过网络和通信，可以实时监测某区域内洪水数据，并将其通过网络发布；公众通过网络可进行数据上传、下载，查看最新洪水预警等信息，还可对不同洪水量的地表淹没情况进行模型显示。案例7
水土流失监测与管理。通过建立水土流失指标与土壤、坡度、植被、降水等因子的函数关系，计算水土流失量、发生的空间位置，进而做出预测与预警。
3. 地理信息科学是高新技术学科
地理信息科学以地球系统信息流为主要研究对象，融合了地理信息系统、全球定位系统、遥感技术、物联网技术等学科的理论与技术，这些技术系统都是基于当代高新技术学科的代表，并随着科学技术和社会进步而快速更新。案例8
地理信息科学与大数据。对大数据挖掘、分拣到最后，应该得到的信息内容不外乎时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景等7 类，而这7 类信息又可利用地理信息的语义、位置、几何、过程、关系、数据加以描述。
▲ 大数据及其关键词
案例9
航空运输大数据分析。截至2012 年1 月，开源网站OPENFLIGHTS.ORG 上记载了大约6 万条直飞航班信息，这些航班穿梭在3000 多个机场间，覆盖了500多条航线。通过数据分析技术，采用可视化方式展现世界各航空公司及其之间的联系，生成的图形看上去就像一个美丽的星云。
▲ 航线星云图
这张基于数据可视化的Sigma 图显示了服务城市相似的不同航空公司。图中的圆点或圆圈代表航空公司，连线的粗细和远近则反映两个航空公司之间的相似性；连线越粗或越短则代表两家航空公司服务的城市越相似。不同航空公司采用不同颜色的符号表示，图上色彩的分布直观地表现出了各航空公司所服务的主要地理区域。
案例10
电话使用者的通话模式分析。现代社会，人们普遍使用手机并产生巨量数据，这些数据反映了我们每天的行为及活动。我们与其他人的每通电话及简讯都对应到我们的社会关系、商业活动以及更广泛的社群互动，并形成了许多复杂联结的通话圈。下图是根据移动电话使用者的通话模式资料制作的，每个点都代表一个使用者拨出的手机号码，越大的点就代表这个号码对外联系次数越多。每条两点之间的线都代表着从一个号码拨打到另一个号码。每个移动电话使用者都会有一种独特的通话模式，这种模式可以用来发展适合的话费方案并且可以用来定义或预测他/ 她的行为。举例来说，当一个使用者正要从现在的移动电话服务商转换到另一个服务商时，我们可以从网内及网外发现两个类似的通话模式。
▲ 电话通话模式可视化图
案例11
利用实时互联网数据与地理信息技术确定快递最优配送路线。快递已经成为信息化时代物流发展的标志，方便快捷。其重要的支撑技术就是地理信息系统的优化路径选择。
▲ 外卖配送路线图
案例12
大气污染时空变化。利用实时采集的大气污染数据快速生成区域PM10 浓度空间分布图，引导人们进行自我防护。
▲ 兰州市大气可吸入颗粒物PM10 分布图
地理信息科学整合了地理学、地球系统科学、计算机科学、认知学和制图学，从而成为一门崭新的、多学科的、关注时空表达概念和计算的交叉学科。但是，诸如“什么是现实世界”、“某尺度下物体是怎样的”以及“如何对地理推断进行论证”这些问题都对地理信息科学提出了巨大挑战。
▲ 地理信息科学与技术知识体系内容及其关系
自Goodchild 于1992 年提出“地理信息科学”概念以来，国际学术组织对地理信息科学开展了大量研究，其中美国大学地理信息科学联盟（UCGIS）于2006 年提出的地理信息科学与技术知识体系（GIS&T body of knowledge）影响最为广泛。该知识体系既涵盖了传统GIS 研究的基本内容，同时密切关注相关方向的最新研究发展，并面向地理信息产业化发展与社会化应用，强调GIS 与社会的联系，以及与GIS 相关联的组织机构问题。
由于不同的学术背景以及对地理信息科学本质的不同认识，目前存在着对地理信息科学体系以及地理信息科学与地理科学体系相互关系的不同观点。一种从地理信息科学的技术驱动和应用驱动出发，强调围绕地理信息技术系统来定义和把握地理信息科学。如Goodchild 认为地理信息科学是地理信息系统技术背后的科学，它所要解决的是蕴涵在地理信息系统之中的一整套科学问题。另一种观点则更多地强调地球信息机理的研究。如Bernard 提出地理信息科学研究“包括地球信息的结构和性质，获取方法、分类、表达、定位和使用，以及服务于其最佳应用的基础”。还有一种观点则仅把地理信息工程的建设与应用，即应用地理信息科学当作地理信息科学的全部内容。
本文摘编自《地理信息科学导论》（闾国年等编著. 北京：科学出版社，2019.12）一书“前言”“第二章 地理信息科学内涵”，有删减修改，标题为编者所加。
（全国高校地理信息科学教学丛书）
地理信息科学一流专业规划教材
ISBN 978-7-03-063660-7
责任编辑：杨 红
本教材系统介绍了地理信息科学的基本概念、科学内涵、体系框架、发展背景、与相关学科的关系等；重点介绍了地图制图、空间定位导航、遥感数据获取、物联网信息采集、GIS 数据存储、管理、分析、发布等原理、方法与技术，以及地理信息系统在地球系统科学、社会服务、科学决策等方面的应用。同时还简要介绍了地理信息产业发展状况，特别是我国地理信息产业的空间结构、人才需求、投资环境、发展趋势等。
本教材可作为地理信息科学专业本科生入门教材，也可作为地学其他专业学生的通识课教材，同时可供信息、通信、人文社科等专业人员参考。
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（本文编辑：刘四旦）