摘　要　论文总结和分析了数据获取现代技术手段、地理信息系统、数学模型和地学信息图谱的研究进展，从地球信息科学的角度探讨了我国全球环境变化的系统研究方法。

关键词　地球信息科学；全球环境变化；系统研究方法

 

1 引言

　　全球环境变化是当今环境研究的热点，也是地球信息科学的应用问题之一。土地利用变化通过与气候、生态系统过程、生物地球化学循环、生物多样性和人类活动的相互作用来影响全球变化，它是全球环境变化的主要驱动力之一，也是全球变化研究的中心内容。在全球尺度，土地覆盖变化是土地利用变化长期积累的结果。因为这些变化影响气候、土壤、植被、水资源和生物多样性等人类赖以生存的主要自然资源，所以它们在陆地生态系统中与可持续发展问题密切相关。

　　为了分析土地利用变化过程、景观空间异质性动态、人类对土地覆盖变化的反应，我们至少需要以下两个方面的数据：①过去各个历史时期的景观综合图和其它土地覆盖的间接证据；②反映近期土地变化的遥感数据。

　　为了整理来源于遥感和景观综合图等的有关信息，并在一个公用的空间框架中为地理、文化、政治、环境和统计数据提供输入、储存、处理、分析和显示能力，我们需要地理信息系统。

　　为了预测地球系统的变化趋势，数学模型是必不可少的。土地利用变化的数学模型包括基于变化格局外推的诊断模型和基于土地利用变化过程的动态集成模型。现有的数学模型综合了景观变量和变化的近因，可以进行短中期预测。www.11665.CoM

　　全球变化的长期预测需要分析土地覆盖变化在不同地理和历史背景下的主要人文驱动因素，分析气候变化和全球生物地球化学因素对土地利用和土地覆盖的影响。这些分析需要综合土地利用动态的案例研究，通过运用地学信息图谱对这些大量典型案例研究的对比分析，在区域尺度得出土地利用变化的一般结论。为了使这些研究从区域尺度上升到全球尺度，我们必须进一步分析空间异质性、技术创新、政策变化和城乡动态等问题[1]。

　　在全球环境变化方面我国已有很多研究成果[2～4]，同时也已产生了许多研究方法。例如，叶笃正等提出了全球变化的预研究方法[5]；张新时等改进了 holdridge 模型，并据此研究了气候变化对中国森林植被的可能影响[6]；李克让等开发了气候—森林响应动力学模型[7]。本文主要从地球信息科学的角度，讨论我们对全球环境变化系统研究方法的一些认识。

2 数据获取

　　第一手数据对全球环境变化研究是非常重要的，如果第一手数据有问题，那么下面的所有分析和预测都将是建立在沙滩上的空中楼阁[8]。早在 1960 年代初，作者之一（陈述彭）利用海南岛航空像片对包括坡度、土地利用、植被、土壤、坡向、地貌和地质多要素解译及地面实况进行了三级比例尺验证。在航空像片综合利用与农业综合制图的实验中，主张以地理的综合方法作为解决热带航空像片分析与农业制图的基本途径，即：按照地面控制考察与航空像片分析相结合的原则，从研究区域自然综合体的自然历史过程着手，摸清各种自然要素之间相互依存、相互制约的关系，综合利用航空像片，相互阐明，彼此印证。根据像片判读和量测的可能性，试制了大北部试点地区的 6 种基本自然条件与土地资源图：微地貌结构图、坡度组合图、植被图、土地利用图、土壤土质图和农用地形图[9]。

　　1978～1980 年间，中国科学院组织全国 80 多个单位，在云南腾冲地区首次进行了大规模的综合航空遥感试验。这次遥感试验分为 33 个专题进行，包括地质、农林、水资源、测绘制图等各个专业的解释制图工作，以及各种遥感仪器检验和波谱测试工作。在土地管理方面，根据地物波谱特性和遥感图像的亮度系数，对土壤进行聚类。通过彩色红外片的色散分析，鉴别主要森林树种，利用遥感图像解译立地因子，回归估算森林材积量和评价宜林地。利用彩色红外像片，从图像上直接解译 20 多种土地利用类型和土壤特性，确定植被覆盖率、森林和各类植被的覆盖面积，划分植被类型，确定森林植被的郁闭度、分层和高度等数量指标，分析生态环境条件并分出优势树种。在这次试验过程中，通过地面实况观察和航空像片解译，编制了试验区的自然景观图；结合应用土壤、植被、水分等参数，通过航测地形图的数据量测，建立了腾冲地区数字地形模型[10]。

　　1981 年，在渡口—二滩开展的第二步试验中，以航空遥感资料为基础，从土地覆盖和环境污染着手，试验多源的数据采集与空间配准的方法，探索了信息专题化和数字化的技术途径[11]。其试验内容包括：①彩色红外正射影像地图的编制；②土地覆盖图的编码；③社会经济统计数据的

　　自

1970 年代末以来，遥感技术在我国得到了较广泛的应用，例如：大地构造学理论与板块学说的验证，水、气动力学现象与自然历史轨迹的分析和生态系统的监测与环境科学的应用[12]，陕北黄土高原地区遥感应用研究[13]，资源环境动态遥感与模型分析试验研究[14]，三北防护林遥感综合调查研究[15]，城市遥感[16]和中国资源环境遥感宏观调查与动态研究[17]。

　　遥感图像和数据是现代地理信息的重要来源之一[18]。遥感图像是一种综合性的地理信息源（包括各种地理要素），同时，又是一种空间信息，为地理现象的空间分布提供了定位、定量的数据。遥感数据比地图更进一步强化了地理综合体的形象和概念，它提供了具有全息性质的交织在一起的可见景观实体影像。人地关系错综复杂，难解难分，通过其中相互依存、相互制约的关系，人们可能由此及彼、由表及里，超越直接的形象，借助于间接的标志，从中获取极其丰富的二次信息。因此，遥感是一种运用物理手段、数学方法和地学规律相结合的数据获取技术。在 20 世纪和 21 世纪之交的今天，遥感技术不再是孤立的系统，已达到了与全球定位系统、地理信息系统和网络技术紧密结合的水平，可以为全球环境变化研究提供多维和动态的网络数据。

3 地理信息系统

　　地理信息系统的发展可划分为 4 个相互重叠的阶段[19]：1950 年代到 1970 年代中期是地理信息系统的开拓阶段，1970 年代中期到 1980 年代初期是政府资助研究和正式试验阶段，1980 年代初期到 1980 年代后期是地理信息系统的产业化阶段，自 1980 年代后期以来地理信息系统进入工作台站网络化和多媒体阶段。我国自 1960 年代初期跻身于地理信息系统的探索、试验和发展以来，在研究方面基本上保持着与国际同步发展的水平[20]。

　　从历史发展来说，地理信息系统脱胎于地图[21]。地图和地理信息系统都是地理学的信息载体。其所以称为地理信息系统，是因为它的特定性质属于空间型，以区别于其它统计型的信息系统。它的主要特点是，每个数据项都按地理坐标来编码，即首先是定位，然后是各种定性、定量属性。以这些定位数据库为基础而发展起来，具备愈来愈完善的分析功能的信息系统，则统称为地理信息系统[22]。它的基本构成包括三部分，①地理基础：按经纬度、地形图格网或行政区划、流域等来建立格网的或多边形的地理坐标；②标准化和数字化：将统计数据、地图或影像加以规格化和数字化，以适应计算机输入和输出，以便于人文与自然要素之间的对比与相关分析；③多维结构：实现三维的空间信息结构并按时间序列延续，从而具备信息存储、更新和转换的能力[23]。地理信息系统是具有多层次数据结构、多功能综合分析能力的空间型信息系统，可把全球或地球的大量自然因子和人文要素的属性，按照地理位置建成关系数据库，再加上遥感卫星的周期性大范围扫描数据以及结合经济统计的实时传输，使数据保持在经常的更新状态之中。因此，我们可以根据地理系统建立空间分析模型，对全球环境变化进行动态模拟和预测[24]。

4 数学模型

　　建立新一代空间动态模型是全球变化研究面临的主要挑战[1]，而总结和评价现存的有关模型是新一代模型必不可少的基础。为此，我们自 1998 年 7 月开始进行数学模型文档库建设。由于资源环境数学模型的复杂性，有关模拟系统质量的隐含和明确假设对模型用户常常并不是不言自明的，所以，标准化数学模型文档库中的每一个模型包含有 6 个层次的信息，它们所包含信息的详细程度逐渐提高。即：①注册信息层：包括有关模型的整体信息，例如摘要、作者联系地址和参考文献等；②科技信息层：包含层次 1 中的所有信息以及模型的详细科技信息，例如，模型的数学方程、参数变量、隐含假设和资源环境背景等；③数学信息层：包含层次 2 中的所有信息及模型的数学基础；④过程信息层：包含层次 3 中的所有信息及模型的构建过程或论证过程；⑤程序信息层：包含层次 4 中的所有信息及模型的原程序；⑥案例信息层：包含层次 5 中的所有信息及模型的应用案例。

　　通过比较分析文档库中的模型，对现存建模方法的局限性和尚待创建的数学模型有了一个全面的认识，并因此派生了具有创新意义的模型。例如，以综合生物多样性模型[25]为核心的景观空间异质性动态模型体系，以生态系统稳定性模型[26]、连通性模型和基于植被指数的土地生产力模型为核心的土地利用变化过程模型体系，以数据挖掘模型[27]为核心的气候变化模型体系和以土地管理虚拟系统[28]为核心的人类对土地覆盖变化的反应模型等。

5 地学信息图谱

　　发展和完善一种方法来反演 (backcasting) 土地利用

和土地覆盖变化的过去和预测 (forec asting)其未来，是全球变化研究的具体目标之一[1]。地学信息图谱正是迎合这一研究目标的有效可选方法之一。

　　地学信息图谱是在继承中国传统研究成果的基础上，运用卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统和信息网络等当代先进技术和现代科学理论发展起来的，它是一种图谱生成过程智能化的系统理论。地学信息图谱吸收了景观综合图简洁和数学模型抽象的特点，它的发展经历了景观制图实验[29]、图谱概念的提出[30]、图谱方法的
应用[31、32]和地学信息图谱理论[33]的形成 4 个阶段。地学信息图谱由征兆图、诊断图和实施图组成。征兆图是信息提取模型对有关数据的运行结果，可为我们进一步研究提供线索和依据[28]；诊断图可表达为各种基础图的不同组合，可反映资源环境动态的变化与发展趋势[34]；实施图以诊断图为依据，通过改变各种边界条件，分析推理不同控制条件下的决策方案，可为进行规划实验提供依据和预案[35]。

　　图谱是一种源远流长的中国传统方式，主要运用图型语言进行时间与空间的综合表达与分析；地学信息图谱则是应用地学分析的系列多维图解来描述现状，并通过建立时空模型来重建过去和虚拟未来[33]。也就是说，地学信息图谱不仅应用于数据采集和数据开发利用，而且服务于科学预测与决策方案的虚拟。地学信息图谱具有以下 4 个重要功能：①借助图谱可以反演和模拟时空变化，即可反演过去、预测未来；②可利用图的形象表达能力，对复杂现象进行简洁的表达；③多维的空间信息可展示在二维地图上，从而大大减小了模型模拟的复杂性；④在数学模型的建立过程中，图谱有助于模型构建者对空间信息及其过程的理解[35]。

6 讨论

　　事实上，许多科学家已经认识到了全球环境变化系统研究方法的重要性。例如，一些专家认为[36]，为了解决全球环境变化亟待解决的问题，必须重视以下几个最重要的方面：①优化卫星观测系统和地面监测网；②建立有效的地理信息系统，集成源于野外工作、航空照片、卫星影像和地图的有关数据；③构建和发展地球物理与生物过程模型、优化气候模型中的生物圈参数，以分析卫星观测的时间序列数据；④发展基于卫星观测数据、地理信息系统和分析模型的全球变化预测理论。有的专家
提出[37]，重建过去的生态景观过程、模拟当前的景观动态、分析其驱动因素、发展典型案例研究支撑的地理信息系统是最有前途的全球环境变化研究方法，数字影像处理、地理信息系统和数学模型的集成为我们更准确全面地监测和预测环境变化提供了新的可能性。

　　因为我们目前还没有精确、详细的全球尺度空间数据，所以空间抽样研究是全球变化研究的一个重要手段[1]。例如，根据土地覆盖变化的生态和社会经济敏感性以及我们现有的数据基础，我们可以首先对全球变化有重要意义的以下 4 个热点地区进行深入研究。

　　（1）黄河三角洲：它位于渤海湾和莱州湾的湾口，地处 37°20′～38°10′n、118°7′～119°10′e，属温带半湿润季风气候区。地下蕴藏着丰富的油气资源和其它沉积矿床，已建成我国第二个最大的石油工业基地。地面农业资源多种多样，拥有丰富的水沙资源、土地资源、草场资源和广阔的滩涂，生产潜力很大。但由于对黄河三角洲地区特殊的自然环境缺乏全面的认识，以及旱、涝、盐碱等不利因素的影响，生态平衡一度遭到破坏。为了为黄河三角洲的可持续发展建立遥感监测系统和资源与环境信息系统，1985 年 10 月国土资源卫星协调小组将黄河三角洲列为试验区之一[38]，到目前为止，已形成了较完整的时空动态遥感数据系列。

　　（2）珠江三角洲：珠江三角洲位于广东省中南部，濒临南海，是我国南亚热带最大的冲积平原。自 1978 年以来，成为我国层次最高、发展最快的改革开放先行地区[39]。未来的珠江三角洲将是一个经济快速发展、城乡融为一体的经济区和城市密集区[40]。为了保证珠江三角洲的可持续发展，我国即将启动珠江三角洲地区的 1∶1 万基础地理数据库建设，并运用 1m 分辨率以上的各种卫星数据，建立包括 1m 分辨率的资源、环境、社会和经济方面的多分辨率数据库。

　　（3）黄土高原：黄土高原水土流失非常严重，它不仅破坏了当地的生态环境，而且给黄河下游的海防带来了很大的威胁。为了全面了解土壤侵蚀状况和水土保持工作的进展情况，为综合治理和合理开发提供科学依据，1985 年我国起动了“黄土高原遥感系列制图”课题。根据调查结果将黄土高原分为剧烈侵蚀区、强烈侵蚀区、高强度侵蚀区、强度侵蚀区、中度侵蚀区和轻度侵蚀区、建立了黄土高原 1∶100000 资源与环境遥感调查数据库[41]。

　　（

4）河西地区：河西地区指甘肃省境内黄河以西地区，包括武威、张掖、酒泉地区和嘉峪关、金昌两个地级市。该区干旱少雨，蒸发量极大，属典型的干旱荒漠性气候；土地空间结构的最大特征是大面积的荒漠景观与镶嵌在其中的斑块绿洲组成它的分布格局[42]。河西地区拥有丰富的光热资源和多样的土地利用类型，大部分耕地主要靠发源于祁连山的石羊河、黑河、疏勒河之水灌溉，是我国西北最大的商品粮生产基地之一。但由于气候水文条件的限制，难利用土地面积比例很大，土地生态系统脆弱，破坏后很难恢复。

　　在城市化、土壤侵蚀、土地沙漠化、土地盐碱化和环境污染方面，上述 4 个案例区都有各自的典型性。它们的研究成果不但将为我国制定可持续发展战略和西部地区开发提供科学的依据，而且将有助于全球环境变化系统研究方法的改进工作。

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