地学信息的科学概念

1.信息与地学信息

当前人类社会已迈入信息时代（Information Era），信息时代的人类社会称为信息社会（Information Society）。在信息社会中，信息、知识和技术将成为社会发展的动力和经济发展的基础。那么什么是信息？信息的概念十分广泛，在许多场合中，人们常把数据、知识与信息等同看待，结果造成概念上的混乱。为了正确地认识地学信息和地质信息系统，也为了更好地进行地学信息的采集、管理、处理和应用，有必要对信息、数据、知识等概念做明确的区分。

数据：是客观事物（包括概念）的数量、时空位置及其相互关系的抽象表示。它可以是单个的符号、数字、字母、文字和词语，也可以是它们以某种形式和规则的集合，如一个数组、一段文字、一句话、一篇文章或一幅图。总之，一切能为人感知的抽象表示都可以是数据。地学信息系统将要存储、管理和处理的数据就是前面所说的地球物理勘探与遥感数据、地球化学勘探数据、野外地质观测数据、室内化验测试数据、地形地物的三角测量数据、综合整理与图件数据等7类。数据是一种逻辑概念，通常需要用物质载体来记录和存储。数据载体有时又称为媒体、媒介或介质。一批数据可以记录在多种媒体上，同样，一种媒体也可以记录多种不同的数据。对地质体、地质现象和地质过程的数量、时空分布及其相互关系的表达越是完整、准确，地矿勘查数据的价值就越高。

信息：是数据的含义或约定，表示事物运动状态和存在方式。信息寓于数据之中，因此，数据也可以理解为信息的载体。就像多波段遥感数据是地貌、植被、水体和某些地质信息的逻辑载体一样，磁带或卫星照片是多波段遥感数据的物质载体。由于数据、信息和媒体三者密不可分，人们常将数据和信息甚至媒体误当作同义词看待。

信息只有表达了数据的真实含义才有价值，但信息是通过对数据的分析和解译来获取的，要表达数据的真实含义，首先要有数据的完整性和准确性作保证。如在某一地区出现的重力异常，可能是岩石圈结构异常特征的反映，也可能是地壳深部结构异常特征的反映，还可能是地壳浅部存在某种矿床的反映。如果我们无法用另外的方法进一步获取数据、分析数据并查清其真实含义，那么我们实际上并没有得到真实的信息。显然，要提高信息的真实性和使用价值，一方面要完善数据的分析、解译、处理技术和信息提取技术，另一方面要完善数据的采集技术，增加数据所包含的信息量。

一般来说，数据结构越复杂，所表达的信息量越大。为了便于计算机对信息的存储、管理和处理，可以将数据分解成一组属性及其属性值，即（属性1：值1；属性2：值2；……；属性n：值n）。这种数组形式可以完整地描述一件事情、一个物体、一种现象、一条信息或一个概念（统称为对象）的存在状态和行为方式（统称为属性，如时间、地点、程度等）。如“辽宁省抚顺盆地是早第三纪的断陷盆地，其含煤岩系出露面积60km2”，这一信息可表达为“地点：辽宁省；盆地名称：抚顺盆地；形成时代：早第三纪；盆地性质：断陷盆地；盖层类型：含煤岩系；出露面积：60km2”，也可以表达为表1-1所示的二维数表。

表1-1 辽宁省抚顺盆地信息二维数表

知识：是信息的集合，是通过多个信息的关联和组合而表达的认识和经验，它来自于人类改造客观世界的实践中。如“断层”“上盘下降”“下盘上升”“正断层”“岩浆岩”“Si O2含量高于40％”“花岗岩”等分别是一些孤立的信息或事实。如果我们用表示因果关系的关联词“如果……则……”把其中两个或两个以上的孤立信息关联起来，就构成了一条知识。如“如果断层的上盘下降而下盘上升，则为正断层”；“如果岩浆岩的Si O2含量高于40％，则为花岗岩”。这两条都是地质学知识。

综上所述，数据、信息、知识之间存在着明显的层次关系。如果要分别对它们加以处理，则对应的处理也应当构成这种包含的层次关系（李之棠等，1996；图1-1）——知识（处理）依赖于信息（处理），而信息（处理）依赖于数据（处理）。随着由下往上层次的上升，需要存储和处理的对象越来越多，也越来越复杂。

地学信息又叫地球信息（Geo-information）。陈述彭院士指出：地球信息就是地球系统内部物质流、能量流和人流的运动状态和方式。它包括两部分：一部分是有关物质流、能量流和人流的运动状态，即对于它们在地球空间上所表现出来的区位特征，包括位置、形状和属性特征的描述；另一部分是有关物质流、能量流和人流的运动方式，即对于它们的区位特征在时间上所呈现的运动过程和变化规律的解释。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。地球信息包括地理信息、地质信息、海洋信息、大气信息和生态环境信息等。

图1-1 信息处理的层次

（据李之棠等，1996，修改）

地质信息领域里被研究最多的是地矿信息。地矿信息是自然过程和人类在地矿勘查、研究、开发、利用和管理过程中各种状态的客观显示，也是人和自然资源在相互作用的过程中所交换的内容。它们有时表现为物质形态，有时表现为非物质形态，既反映了这些事物在运动中的各种差异及规律，又反映了这些事物之间的相互作用和相互联系。可以认为，信息在把地质体性质、特征及其形成、分布、演化规律转化为人类意识的过程中，甚至在人类社会与大自然的相互联系、相互作用和协调发展过程中，始终起着中介作用。可靠而且健全的地矿信息，可以消除人类在地矿开发利用方面对自身与自然资源、环境的协调关系和社会可持续发展问题认识的不确定性，导致由人类和自然界所组成的人 地系统的有序性增加，即负熵增加。当然，失真而且残缺的地矿信息，必然增加人类对自身与自然资源、环境的协调关系和社会可持续发展问题认识的不确定性，导致由人类和自然界所组成的人 地系统的有序性减少，即熵增加。

2.信息科学与地球信息科学

信息科学目前正处于发展的初期，是一门正在迅速成长的年轻学科。对该学科的研究领域、范围、内容和对象的认识，还存在着许多差别。在英文里，信息与情报、资讯是等同的，都用“Information”表示，因此早期美国人把信息科学局限于资料科学或情报科学。

在西欧，信息科学则被简单地理解为计算机科学。这也许是因为信息与计算机的联系太密切了，但严格地说，计算机在信息科学中只是一种信息管理和处理的工具，二者是不能等同的。在前苏联和东欧一些国家，人们倾向于把信息科学当作社会科学的一个分支。这显然也是不妥的，因为一方面，信息科学的源头毕竟是自然科学；另一方面，信息科学已发展成为横跨社会科学、自然科学和技术科学的一门综合性学科。

在我国开展信息科学研究的时间还不长。研究者对信息科学的含义、所属的范畴、研究的内容等方面的认识分歧比较大。目前主要有以下四种看法。

（1）认为信息科学“包含有信息论、控制论、电子和自动化技术、计算机、仿生学、人工智能等各个方面。信息论和控制论是信息科学的理论基础，电子技术、自动化技术、计算机则提供了信息科学的主要技术手段，而仿生学、人工智能是今后信息科学发展的新天地”（冯秉铨， 1985）。这种观点强调信息科学是将控制论、系统论、计算机科学、仿生学、人工智能等全部包容在内的一门庞大的综合性学科。

（2）认为“信息科学，是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机为主要研究工具，以扩展人类的信息功能（特别是智力功能）为主要研究目标的一门新兴的、边缘的、横断的综合性科学”（钟义信，1988）。并认为信息科学的自然科学基础主要是数学、物理学和生物学，它的理论主体是信息论、控制论、系统论和人工智能理论，它的技术主体是传感、通信和计算机技术。

（3）认为“信息科学是研究信息现象及其运动规律和应用方法的科学，它是以‘三论’为理论基础，以电子计算机等为主要工具的一门新兴学科”（胡继武，1995）。持此种观点者强调，信息科学涉及与信息有关的一切领域，如计算机科学、仿生学、人工智能等，却并不是包罗万象的科学，而只是吸收了上述学科中与其相关的理论和方法，应用了有关的研究成果，与它们之间并没有完全的包含与被包含关系。持此种观点者还认为，上述学科各有自己的体系，并向各自的纵深方向发展。

（4）其他一些研究者认为，信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、显示、识别和利用的科学。这种观点偏重于研究信息是如何产生的，人们怎样才能有效地获取和利用它，实际上把信息科学局限于信息技术的范畴。

以上四种观点，分别从不同的侧面和角度对信息科学的近期发展做了系统总结，对信息科学的内涵和外延都有所揭示。但由于出发点不同，分歧比较明显，有关的争论可能还要继续下去，现在评价谁是谁非还为期过早。本书倾向于采用胡继武的观点。

地球信息科学体系如图1-2所示。其中地球空间信息学（Geomatics或Geo-informatics）是地球信息科学（Geo-information Science）的组成部分，也是地球信息科学各分支学科如“地理信息科学”“地质信息科学”“大气信息科学”“水文信息科学”和“海洋信息科学”的共同基础。地球空间信息学最初是测绘科学和地理学与计算机科学、遥感科学及信息科学相结合的产物，它伴随航空航天遥感、全球定位系统、地理信息系统、计算机、数字传输网络等一系列现代信息技术的发展而发展（李德仁等，1998）。从前述一般信息科学的发展历程看，是数据库和地球空间信息学的诞生促使广义信息论和信息科学步入快速而健全的发展阶段。

图1-2 地球信息科学体系

（据吴冲龙等，2005）

伴随着基础地质学、矿产地质学、资源勘查学、工程勘察学、地球物理学、地球化学、地球动力学和数学地质学以及地质学定量化和地矿勘查信息化的发展，伴随着一般信息科学（Information Science）、地球信息科学（Geo-information Science）、地球空间信息科学（Geomatics）和地理信息科学（Geographic Information Science）的兴起，一门崭新的边缘学科——地质信息科学（Geological Information Science）正在形成（吴冲龙等，2005）。

地质信息科学是地质学（包括基础地质学、矿产地质学、环境地质学、工程地质学、数学地质学、地球物理学、地球化学、资源勘查学等）与信息科学（包括地球信息科学、地球空间信息科学及信息系统技术、计算机技术及通信网络技术等）交叉融合的产物。它既是一个独立的分支学科，又紧密地为地质学发展服务，为地质学定量化和地矿工作信息化服务。地质信息科学可能是地球信息科学领域中最复杂的一个分支学科。在地球信息科学的诸多分支学科中，地质信息科学、水文信息科学、海洋信息科学、生态环境信息科学和大气信息科学处于同等地位，具有并列关系（图1-2），其研究对象分别是岩石圈、地表、水圈、生物圈和大气圈的信息；而地球空间信息科学是一门横断性的信息科学分支，其研究对象是地球各层圈的空间位置、拓扑关系、空间结构、空间形态及其变化的信息。作为地球信息科学和地球科学的分支学科，地质信息科学理所当然地享受着地球信息科学和地球科学所积累的一切成果，同时也从地球空间信息科学、地理信息科学、水文信息科学等兄弟分支学科的发展中得到启示、借鉴和支持。

总之，地学信息包括地理信息、地质信息、海洋信息、大气信息和生态环境信息等，研究地学数据可视化，要充分研究地球信息科学各学科的特点，根据各学科的特点采取不同模型和可视化方法，在地学信息系统中进行一体化存储、管理、调度和分析。