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1、第二章 数字地球基础 之地球系统的信息模型v地球系统过程的动力机制，包括地球系统的物质流、能量流及其所产生的信息流的形成机制与模型，是地球系统的基础理论v产生物质流和能量流的动力机制理论有：地球系统的差异性和非均衡理论耗散结构理论引力场理论v而物质流和能量流又成为信息流产生的基础理论2.1 地球系统的动力模型1地球系统的差异性与非均衡理论 地球系统的物质和能量的差异性与时、空分布的不均衡性理论，是地球上的一切现象和过程的基础。v宇宙大爆炸 电场、磁场、重力场等等v地球自转、公转、形状等v地球内部结构总体：地球系统的差异性与非均衡是永恒的主题，不均衡总是朝均衡发展，但永远达不到。因此：地球系统才
2、不断发展，宇宙才不会停顿。v印度洋板块由南向北碰撞欧亚板块，碰撞的地区拱起青藏高原。v青藏高原在隆升的同时，也同时向东北方向移动，挤压四川盆地向东北走滑，而汶川地震就发生在青藏高原的东南上。汶川、玉树地震2. 地球系统的耗散结构理论 该理论是指物质和能量的不断扩散理论。这是地球系统所普遍存在的现象。也是用来解释地球上各种运动现象形成原因的基础理论之一。 耗散结构理论的创始人I.Prigogine(1977年获得诺贝尔奖金)下的定义是：“耗散结构是指在非均衡的条件下，物质和能量具有借助本身或外界的力量发生移动，以达到均衡状态的功能和机制。” 或“在远离平衡的条件下，借助于外界的能量流和物质流而维
3、持的一种空间或时间的有序结构。”v耗散结构理论来源于热力学 “一 二” 定律v耗散结构理论既适用于能量的扩散，也适合于物质的扩散。v能量是物质运动和物质状态发生变化的基本动力。太阳v耗散理论也可以用来解释地球上的物质的运动大气、河流、板快漂移、滑坡（地质灾害）3地球系统的引力场理论 引力场理论和耗散结构理论相反，它是由分散到集中的过程，这也是普遍存在一种现象，也是用来解释地球上各种运功现象形成原因的另一基础理论。v引力场理论也是以质量的差异性和非均衡性为基础的。v地球系统的引力场最普遍的形式是时时处处存在重力场。正是大家伙的邻居木星才是地球免受陨石之害该理论目前还延伸到了社会学中。v以非均衡理
4、论为基础的引力场与耗散理论（即集中与分散、物质流与能量流是永恒的运动形式），使地球系统将永远处在不断的运动和变化之中。分久必合、合久必分变化的世界才会五光十色地球系统信息流形成机制v信息科学理论：信息流是指物质流和能量流的性质、特征、状态的表征。v物质流和能量流的信息又是物质和能量的时空分布不均衡的特征所造成的。v因此，信息流是物质和能量的时空分布不均衡的性质、特征、状态的表征。v信息是能量和物质状态的标志。地球系统信息流的作用和意义v反演、预测古生物学、古地理学等植被的信息模型v认识遥感2.2 地球系统的信息模型1、信息的基本概念关于信息的定义至少有数十种，大体可以归纳为三类。第一类，语言学
5、的定义：如辞源中指出，信息就是指音讯、消息。在一般汉语字典中，它被解释为消息、情报、新闻。 第二类，哲学定义：如信息存在于物质和意识过程中，在本质上它是统一于物质的。信息是人和物质的精神实体的特征。信息是由物质到精神的转化。信息既是非精神的，又是非物质的、独立的第三态等。第三类，自然科学定义：它又可以分为经典自然科学定义与一般自然科学定义两大类。 1)经典自然科学定义 (1)狭义信息论 ：信息是指对某一事物的新认识、新 知识。 (2)广义信息论：信息是指为某一目的服务的、或是 有关某一事物的一切有用知识。 2)一般自然科学的定义 主要有：l信息是物质和能量在时间和空间分布的不均匀度和运动状态的
6、直接或间接的表达l信息是物质和能量状态的表象(征)l信息是物质和能量的形态、结构和状态的表征l信息是物质和能量的普遍属性l信息是事物的表征l信息是表征(象)事物状态和运动特征的一种普遍形式l信息是物质的外在表现 等总之可以认为总之可以认为: :v信息是客观世界的一切事物的性质、特征和状态的表征；对于人来说，信息是指事物表征的有用的知识，对于生物和机器来说是指主体对客体的，或对环境的相互联系形式。v信息是由物质和能量产生的，是独立于物质和能量的第三态。v信息可以以文字、数字、图形、影像等作为载体而独立存在，并能为计算机处理、存储并用计算机网络进行传输。v信息是由数据产生的，但信息比数据更能确定地
7、反映客观世界的真实状况，是客观世界真实的描述。 2 2信息模型信息模型1 1）信息的基础模型）信息的基础模型 信息与数据的关系模型，一般称为信息的信息与数据的关系模型，一般称为信息的基础模型基础模型 数据数据= =信息信息+ +噪声噪声2 2）信息的度量方法）信息的度量方法 数据与信息数据与信息 信息信息是关于现实世界新的事实的知识，是数据、消息中所包含的意义，它不随载体的物理设备形式的改变而改变。 信息的特点信息的特点：v客观性（信息与客观事实紧密相关）。v实用性 (经过信息系统处理可以变为对生产、管理和决策具有重要意义的有用信息)。v传输性（可以在发送者和接收者之间传播）。v共享性（可为多
8、个用户共享而本身无损失）。v数据数据是指某一目标定性、定量描述的原始资料，包括数字、文字、符号、图形、图像以及它们能够转换成的数据等形式。v数据的特点数据的特点：格式依赖计算机系统，可以转换形式，是用以载荷信息的物理符号，本身并无意义。v数据与信息的关系数据与信息的关系：信息与数据是不可分离的。数据中所包含的意义就是信息。数据是记录下来的某种可以识别的符号，具有多种多样的形式，也可以加以转换，但其中包含的信息内容不会改变。数据是原始事实，而信息是数据处理的结果。不同知识、经验的人，对于同一数据的理解，可得到不同信息。 3信息场信息场(Information Field(Information
9、Field） v场是物质和能量存在的一种形式。v布鲁克斯提出了“认识空间”与“信息空间”概念。v认识空间与信息空间就本质而论是一致的。v信息场可以看作是充满认识空间的信息存在的一种形式，相当于物理学中力场、电场、磁场和温度场。 4信息耦合(Information Relationship)v信息耦合或信息的相关关系，是指信息之间交互影响的因果关系链所构成的信息联系。v任一信息都不是孤立的，在它的产生过程中，必然会与其他信息发生各种联系，这种联系便是耦合的基础。 2.3 地球信息的基本特征 1地球信息的定义 2地球信息的基本特征 3地球信息的载体 4地球信息的基本类型 5地球信息流的作用和意义
10、1地球信息的定义 地球信息是指有关地球实体与资源、环境、社会、经济的物质和能量的性质、特征和状态的表征的知识。v性质是指组成它们的物理的、化学的、生物的和社会经济的成分、结构及属性等；v特征是指它们的形状、大小及各种物理的、化学的、生物的系统特征；v状态是指它们所处的动态或静态及时空分布及变化特征；v物质是指资源、环境、社会、经济等的实体；v能量是指它们的力学(如重力)、磁力、电学的、热学的、光学的、电磁波的、生物的、社会经济学的无形的场。2 2地球信息的基本特征地球信息的基本特征 地球信息具有属性、空间和时间三大特征。v属性是指属于物质还是能量、是资源、环境、社会还是经济类型。v空间是指它所
11、处的位置、地理坐标或经纬网格的位置v时间是指年、月、日的状况。 3地球信息的载体v地理信息(GeoInformation)或地球空间信息(GeoSpatial Information)，是指地球现象或过程的经过排除噪声或误差后的性质、特征和状态的表征。v文字描述，数字记录，图形或影像作为表达的载体，称为地球信息载体。 4 4地球信息的基本类型地球信息的基本类型 (1)地球的物质信息，即有关地球组成物质的成分、结构、形状，包括物理的、化学的、生物的和社会经济的性质、特征和状态的表征及其机理等； (2)地球的能量信息或场信息，即有关地球的重力场、磁力场、电子场、电磁场(温度场、光场)、风力场、生态
12、场、社会及经济引力场等的性质、特征、状态的表征及其机理等。 地球的物质信息是由地球有形实体所产生的信息，而地球的能量信息或场信息是由地球无形的能量或场所产生的信息。 前者是看得见、摸得着的实体；后者是看不见、摸不着而是感觉到它存在的能量或场。 5地球信息流的作用和意义 1)客观世界的三大特征 物质、能量和信息是客观世界的三大特征 2)信息流是关键 3)信息流是地球信息理论的核心2.4 地球的物质信息地球的物质信息1. 地球物质信息的基本概念 v组成地球的物质包括：气体、水体、岩石、土壤、动物、植物、微生物、各类人为的建筑及制成品，以及社会经济的实体在内。v长期以来，人们对于地球物质已经作了详细
13、的、深入的研究，人们已经获得了大量的资料和知识。v现在的任务是在原来的资料和知识的基础上，根据信息科学技术的要求，将它们重新建立分类体系和编码体系，实现计算机和网络能接受的数字化，即信息化处理；将已有的图书与资料转变为数据库，包括知识库和方法库，即全面实现数字化或信息化。 1)地球物质信息的定义 v 地 球 物 质 信 息 (The Earth Material Information)是指有关地球组成物质的成分、结构、形状，包括物理的、化学的、生物的及社会经济的物质和性质、特征和状态、表征与其机理的知识。v包括它们的物质成分、物质的化学与物理特征(色泽、硬度、比重、大小、几何形状等)，生物学
14、的遗传、变异与基因特征，社会经济的运行过程都是物质信息的表现形式。v按照传统的方式，将上述的信息运用文字、数字、图形、影像作为载体，即资料形式进行记录就算完成。v它必须通过按照信息科学技术的要求，进行重建分类体系，尤其是建立编码体系，逐个进行数字编码，才能被计算机处理和存储，由网络进行传输，才算完成信息化的第一步。地球物质信息从传统的文字、数字、图形、影像通过数字编码，即转化成数码之后，才能成为真正意义上的信息，即能被计算机处理和网络传输的信息。2)地球物质信息的基本特征 地球信息的三大特征：信息的属性特征、信息的空间特征和信息的时间特征。三个要素缺一不可，少了其中的任何一个特征，都不可能称为
15、完整的地球物质信息。以上信息三要素，仅仅是基本要素，其他很多第二级、第三级的要素还不包括在内。 (1)地球信息的属性要素(who)：主要指它是属于资源、环境、社会和经济哪一种类型，属于物理的、化学的、生物的和社会经济的哪一种类型。如果属于资源类的，它又分别属于矿产资源、水资源、土地资源、森林资源、农业资源等。如果是属于农作物资源的，则它又属于小麦、水稻、玉米等的哪一种? (2)地球信息的空间要素(where)：主要指它位于何处?即它的空问位置，包括它的地理坐标或经纬网格等。空间位置是地球信息的重要组成部分，即使是同一类型的地物，由于它们的地理空问不同，它们的特征也有所区别。例如，生长在高纬度地
16、区的小麦与生长在中纬度地区的小麦的生长特征是不同的。干旱与未干旱地区的河流特征与湿润地区的河流特征，甚至与湿润寒冷地区的河流也是不同的。 (3)地球信息的时间要素(when)：主要是指什么时候获得的信息。信息具有很强的时间特征，即使同一属性、同一地点，但不同时间的信息是不一样的，很多地球的组成要素，如动物与植物是随时问而变的，即使山山水水也随时间而变化。 2地球物质信息的全息特征 v全息(Holography)这个术语最早出现在物理中，是指能记录物体的全部信息，并在一定条件下再现原物的三维图像的照相技术，即全息摄影。 v地球系统是一个相互联系、相互制约的整体，组成系统的各部分之间存在着相关性和
17、相似性。系统的任何一个部分与整体之间存在着相互“映射”(imaging)的关系。v例如，干旱地区的洪积扇地貌特征，它就是整个流域的全息体：它的形状，如坡度大小和体积的大小，反映流域面积的大小和水文特征(如洪水或泥石流的状况)。它的组成物的大小、成分、形状等，映射了整个流域形状、地形、岩性组成，甚至植被生长状况。vB BMandelbrot(分形分维的创始人)指出，在一系统内，局部形状与整体形状的相似性是普遍存在的。局部映射整体，这是一种普遍规律。v如一株树的枝叉状况，可以映射整个树的枝叉状况；v黄土地区一条冲沟的状况，可以映射整个黄土地区的冲沟状况。v但这种映射只能相似，而不能相等。1）爱佩尔
18、推理v D爱佩尔把凡是能映射整个系统特征的子系统称为系统的全息体”。v他认为地球系统的“全息体”具有多级层次性特征。不同等级的全息体子系统映射不同等级的母系统的全部或大部分信息。v可以从全息体的多级层次性的具体关系分析，建立全息联系。 vD爱佩尔提出了推理模式，适宜于从时空方面去分析系统的全息联系形式。D爱佩尔的推理模式的主要内容如下： (1)结构推理模式：按空间排列关系的周期性或非周期性建立系统的全息联系。 (2)演化推理模式：根据事物发展规律进行推理，或根据发展过程的时间关系建立系统的全息联系。 (3)综合推理模式：根据要素的空间排列关系与发展过程的时间差别关系建立系统的全息关系。由此可见
19、，D爱佩尔是在地球系统的时、空关系形式分析的基础上，推导地球系统的全息特征。2)地球系统的全息特征 地球系统的全息特征主要有以下几个方面： (1)“局部映射整体”的特征：一个系统的支系统的状况，可以近似地映射整个系统的状况。地球工作者常常采用的标本、样品、样方及典型一是局部映射整体”的体现，也可以认为是全息体。 (2)局地(Local)映射广域(area)的特征：在同一类型的区域内，如同一自然景观区、自然区、地质区或社会经济区内的一个小面积或小范围的状况，可以代表整个区域的状况，即可以近似地映射整个地区的状况，这个小区就是全息体。 (3)“现在映射过去，现在和过去映射未来”的特征：从地球系统的
20、时空演化特征来看，现在状况是过去状况的延续，可以从现在状况来反演过去状况；同时，根据现在和过去的状态，即得出演化规律，于是就可以预测未来的状况，这也属于全息特征的一种表现方式。3地球物质信息的记忆特征v记忆信息(Memory Information)或者有关历史的信息，是地球物质信息的另一个重要的内容。v例如，Rock with memory，Soil with memory，Tree with memory等，实际上是指岩石中保存了它的形成过程的信息，土壤中保存了它的发生发展过程的信息和树木中保存了它在生长过程中的气候变化的信息。 1)生物学的贝尔定律 生物学家贝尔发现某些动物在胚胎的发育过
21、程中，再现了或重演了动物的演化过程。例如，很多动物的胚胎初期具有十分相似的形态，然后逐渐分异形成不同类型的动物，再现了动物的从低级到高级的演化过程。 2)树木年轮的记忆信息 树木的年轮不仅记录树木的生长年代(数)，年轮的带宽和颜色反映了当时的气候状况。如果某一地区没有气象资料记录时，就可以根据千年占树的年轮的宽度推测当时的气温与降雨状况。 3)岩石的记忆信息 岩石的物质成分与结构特征，可以映射岩石生成过程及后来的环境变化状况。结晶岩的晶体特征映射了岩浆活动状况及形成后的受力状况。沉积岩的物质成分和胶结状况及其结构，映射了岩石的生成过程和后来的变化状况。 4)土壤的记忆信息 “土壤记忆”:指土壤
22、的成分与结构可以映射其形成时及其形成之后的气候、水文、生物状况。5)地貌的记忆信信息 地貌的具体状况不仅记录了地质构造和岩性状况，而且映射了地壳运动和气候变化状况，还记录了整个环境变迁的状况。2.5 地球的能量信息v地球的能量信息(Earth Energe Information)或称场信息(Field Information)。v主要包括重力场、磁力场、电磁场(光场、温度场、微波场)、介子场等，后来又进一步延伸到风场、波浪场、地震场、甚至扩大到生态场和城市的吸引力场等。1地球的电磁场信息 1)地球电磁场信息的基本概念 地球上的任何物质的温度只要大于绝对温度零度(一273)，都具有电磁波辐射特
23、征，包括自身发射和反射、吸收来自外界的能量。不同的物质具有不同的电磁波辐射特征，从而可以根据电磁波的辐射特征来识别物质的属性。 2)地球电磁波(或场)信息的一般特征 (1)任何地物都有其电磁波的辐射特征。 (2)根据不同地物电磁波特征的区别，可以区分地物的不同类型或不同属性。(3)人们所看到的地物的形状、大小、色调的差别，都是地物可见光辐射特征的反映。不同地物温度的差别，则其热红外辐射特征不同，由此可以反映地物属性。地物的微波辐射与热红外辐射一样也是人眼所看不到的，不同的地物对其有不同的响应，因而可用其来探测不同的地物属性。 (4)地球能量信息的不确定性。由于同一类地物的物质结构、物质成分存在一定的变幅，所以它们的电磁波谱，包括吸收、反射和发射的都存在一定的变幅，而且变幅的大小，除了受物质成分、物质结构的影响外，还受环境凶素及数据获取、处理及介质等技术因素的影响，因此具有不确定性特征。2其他地球物理场信息 (1)固体地球物理场信息：包括重力场、磁力场、应力场(如压应力引起的地形变地震等)、引力场(地球固体潮)等。 (2)气压与流体地球场信息：包括气压场、风场、温度场，以及海洋湖泊中的波浪场等。
