地球空间信息的特征

二、地球空间信息的特征

人生活在地球上，在实践中会与外界接触，从而接收到各种各样的音讯、数据、资料等。一个显而易见的事实是，外部的刺激是经常的、大量的和偶然的，如果要形成知识，还必须经由认识主体对外部材料进行必要的加工与改造。由数据到信息再到知识是一个由浅入深的有序发展过程。

数据是信息的载体，但它还不等于信息。数据包含数字、文字、图像、音响等。空间数据是所有数据中的一种特殊类型，它是指凡是带有空间坐标的数据。如建筑的设计图、机械设计图、X光片、照片及各种地图等。而地学空间数据则是指带有地理坐标，即经纬网坐标的数据，包括资源、环境、经济和社会等领域的一切带有地理坐标的数据。地学空间数据是人们所能获得的最主要的数据类型。^［1］

地学空间数据具有复杂性的特征，它趋向于在对立的两极之中运动。

（1）精确与模糊的对立。凡是经过测量得到的数据及经过精确计算的数据是准确的。在一米分辨率的卫星影像上，地面的资源、环境、经济和社会的主要内容都清晰可见，其意义与用途都很大。近距离目标的定位更加准确。同时，地学空间数据还具有模糊性与不确定性。地球的有些不同类型要素之间是逐渐变化、逐渐过渡的，两个类型之间本身就不存在明确的界限，如相邻的不同土壤类型之间、相邻的气候带和自然地理带之间等，都是逐渐过渡的，不存在明确的界限。再加上地学上的定义存在着争议，或定义与划界本身也是人为的、有分歧的，所以对数据的解释就有所不同。

（2）单一与海量的对立。每一地物都有独自的地理坐标，其经度、纬度与高度的定位是单一的、唯一的、排它性的。一物在此处存在，他物则不能代替。定点不误、定位不移是数据的重要功能。同时，地球又是一个硕大的椭圆体，如果用卫星遥感的手段覆盖地球，每天重复一次，或几天重复一次，其数据可以称得上是“海量”。海量数据的储存与处理对计算机技术提出了新要求。

（3）静态与动态的对立。某一时刻取得的某一地物的空间数据是相对稳定的，宏观地物、高山大河、海陆分界等不会在短时间内发生大的位移。但经常出现的情况是，地球科学领域中的不少对象具有动态性的特点，数据具有强烈的时间与空间的暂时性。人口数据会随着时间的推移而变动，耕地、林地、草地与城市的空间形态会缩小或放大。

（4）原生与派生的对立。在生活实践与科学研究中，人们直接接收到的是大量的原生空间数据或基础空间数据，如每天、每分钟、每小时的降雨量等。在大量原生数据的基础上，可以用统计学的方法形成派生数据或次生数据，月平均降雨量、季平均降雨量、年平均降雨量等。还可以通过分析的方法对数据进行挖掘，产生地质类型、地质岩性、地质构造、气候状况、气候变化等更高层次的派生数据。在此过程中，产生了由数据向信息的转化。在某一层面为数据，在另一层面则为信息；反之亦然。

由数据上升为信息，有质与量两个环节的不同。数据是信息的载体，当数据中的“噪声”被排除后，它才成为信息。信息是负熵。通过对地球信息熵的排除而在数据的基础上形成信息，这是信息与数据在量上的区别。信息与数据还有质的区别。信息在数据的范围之外还有其特点，尤其是具有人类解释的特点，具有某种超数据的性质。信息不是零散的、偶然的数据，而是以有意义的形式加以排列和处理的数据。地球空间信息作为有意义的地球空间数据具有如下几个特征：

（1）“属性、空间、时间”三要素的有机统一。地球空间信息将地球空间数据的三个要素“属性、时间、空间”有机地整合起来，如果缺少其中任何一个要素，都不能构成完整的信息。例如：“1999年北京香山（含地理坐标）的枫树林”，具有属性、空间和时间三个要素，是一个完整的信息。若只说“枫树林”，虽有属性，却没有时间，也没有空间，不是完整的信息。若只说“北京香山的一片枫树林”，虽然有属性空间位置，但没有时间，因而不知道指的是古代的还是现在的，仍然是不完整的。只有把属性、空间和时间三者结合起来，才能构成完整的地学信息。^［2］

（2）形象直观与数学抽象的辩证统一。地球空间信息离不开空间几何图形这一基本因素，属性因素与时间因素往往是相伴或注解空间因素的。地球空间信息具有重要的图谱特征。图谱是由图与谱两个方面组成，图是图形，谱是成系列，图谱则是指图形系列。如李四光地质力学的“山字形”、“歹字形”、“多字形”构造是一种图谱形式；海洋科学的“波浪谱”和“海洋动力图谱”，气象科学的“大气过程云系图谱”，遥感科学的“地物波谱”等，都是典型的资源环境图谱，是对地理对象空间直观特性的整体表征。^［3］另一方面，地球空间信息的表达方式又是高度抽象的，适用于用数学工具全盘处理。无论地物的形状是何等千变万化，都离不开点、线、面、体的零维、一维、二维、三维的空间特性，因而形象直观转化为数学抽象。无论是纸质地图还是电子地图，图上各点的相关位置都应按严密的数学法则来确定，从而使其具有可量测性。各种复杂的自然或社会现象，是通过特殊的地图符号来实现的。如点状符号可表示控制点、居民点、独立地物等；线状符号可表示河流、渠道、航线等；面状符号可表示湖泊、森林、动植物与矿藏资源的分布范围等。^［4］通过分类、简化、夸张和符号化等手段，地理信息传达出有用知识的意向。直观性与抽象性的辩证统一，使计算机处理空间信息有了客观依据。

（3）整体包含与局部分形的辩证统一。地球空间信息的整体与局部有一种辩证的联系，即整体不等于局部的简单相加，局部也不等于整体的机械相减。整体包含局部，相似之中有相异；局部中有整体，相异之中有相似。早在1982年，国外学者Mandelbrot B B就提出，在自然界和社会中，普遍存在着形态的“自相似性”特征，或称“自复制”理论。该理论认为可以用“自然界的分形几何”来解决自然界、社会中的复杂的几何形态问题。其要点是：无论是自然对象还是社会对象，就其空间几何特征而言，在统计意义上，总体形态的每一部分可以被看作是整体标度减少的映射。这里的标度指级别、观测数目等。不论形态如何复杂，局部与整体在统计上的相似性或概率上的相似性是普遍存在的。^［5］不仅局部形状与整体形状相似，局部的局部也可以与整体形状相似。这种相似性是以差异性为前提的，二者是对立之中的统一。相似之中孕育着差异，差异之中包含着相似。

（4）层次区别与递进连接的辩证统一。前面的分析提到，数据是未经组织的数字、文字、声音、图像等，信息则是以有意义的形式加以排列和处理的数据。也有人主张，信息是为某一目的服务的有用的知识。显然，人们所获得的信息，有一个由低级到高级的层次区别。有初级形态的信息，它是对个别事物的直接知识；有中级形态的信息，它是对某一类事物的知识；有高级形态的信息，它是对某些事物的过去和未来的推论或预测的知识。拿地球空间信息而言，初级的地球空间信息是对单一的地理现象、要素的表达，是非常简单的知识。进一步的地球空间信息可以表达对象的多种要素与综合特征，表现事物整体的分布特点。再进一步的地球空间信息则可以表现事物与现象的相互联系、动态变化、发展规律等。不同层次的信息是有区别的，不能混为一谈；但低级形式是高级形式的基础，高级形式是低级形式的延续，它们之间具有内在的密切联系。从低级层次向高级形式的运动，是间断性与连续性的有机统一。