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广泛开展资源信息科学研究和应用 |
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（中国科学院 自然资源综合考察委员会，北京 100101）
1 资源信息科学 资源信息科学是资源科学的重要组成部分，它在信息科学的支持下，按照它本身的特点和发展规律在逐步成熟，同时由于它的发展和不断在资源科学中的应用，又促进了资源科学的发展，加速了资源科学研究的现代化。 1.1 资源信息科学产生的背景 众所周知，进入 20 世纪中期，全世界都发现，摆在人类面前的三大严重问题，即人口增长、城市发展带来一系列的严重而亟待解决的问题，如能源不足、水源枯竭、耕地减少、交通拥挤、住房困难、环境污染等等；资源需求量亟增，特别是粮食和能源，由于资源在数量上的有限性和分布上的不均衡性，在需要和可能之间产生了尖锐的矛盾；同时环境与人类活动之间的矛盾也日益加剧。中国是世界上人口众多、经济还不发达的国家，所面临的问题就更加严重。采取什么方法来实现人口、资源、环境协调发展成为核心问题。 人们在对信息论和控制论不断加深认识和利用的基础上产生了信息科学，它是在多种学科基础上发展起来的一门边缘科学。从 20 世纪 50 年代开始，科学又揭开了人类进入空间和信息社会的序幕，人造卫星和计算机的飞速发展，为研究复杂的资源系统提供了快速覆盖全球准同步的丰富信息资源，以及跨越时空局限的分析模型和预测预报的信息处理手段。 摆在资源科学工作者面前的再不是靠自己线路考察或手工处理那么一点信息了，那是应接不暇、瞬息万变的信息海洋，根据需要任你选用，甚至不出家门就可以在信息世界中周游。在这样一个信息爆炸的社会里，又如何去利用信息、管理信息、选取有用的信息，使信息真正为资源研究、资源开发、环境保护服务呢？显然，要促进人们去将信息科学引入到资源科学领域，将系统论、控制论和信息技术用到资源、环境、人口、发展的协调研究中。同时人们还发现在信息社会中，信息流可以代替或者部分代替物质流、能量流及人流，人们对信息的需求成为第一需要。因而，研究资源信息的发生、传递、处理等方面的理论和方法问题就变得十分紧迫和重要了。这样就使得“资源信息科学”在需要中产生，在研究和实践中完善，在应用中迅速发展。 1.2 资源信息科学的理论基础 众所周知，信息科学是研究客观世界及信息资源的理论，研究生物、人类和计算机如何获取、识别、转换、存储、传递、再生成和控制掌握各种信息的规律，以及人工智能的科学。人类对客观世界的改造日益加深和发展，信息的重要性就更加突出。信息科学的理论基础是信息论和控制论，其背景是计算机科学和系统科学。把信息论和信息科学的理论和方法应用于资源信息的研究，就开创了资源信息科学新领域。系统论的观点指出，一切事物都是由若干系统组成的一个整体，“资源”是一个复杂的复合系统，“信息”是系统内部建立联系的特殊形式，是系统确定程度（特殊程度、组织或有序程度）的标记。维纳和申农都给出了一致的数学描述：
H 为每个消息的平均信息量，K 为波尔兹曼常数，Pi 为失验概率，比特是以 2 为底的对数时信息的单位。它反映了物质运动状态和变化程度，它是物质的基本属性之一。维纳指出“一个系统中信息量是它的组织化程度的度量，一个系统的熵就是它的无组织程度的度量，因此，这一个正好是那一个的负数”。显然，这就指出了“信息”和“熵”是从不同的角度对一个系统的统计特性的描述，因此，可以把信息概念推广到一切组织系统。当然“信息”也就完全可以对资源系统的统计特性进行描述了。 可见，在资源科学、信息科学、空间科学和系统工程科学之间，逐步形成的一门跨学科的新兴领域——资源信息科学的理论基础是信息论和系统论，系统工程是它的重要方法，计算机是它的重要工具。 1.3 资源信息科学的主要研究内容 人类通过发现信息、认识信息，并利用信息来改造客观世界。可见，对信息的研究和应用，对于人类的生存和发展有着极其重要的意义。人类从认识物质、能量到认识信息，是一个巨大的飞跃。人们在长期与自然界的斗争中创造了手工工具，工业革命创造了动力和生产运输机器，是人们四肢的延伸，使体力劳动有了工具，来增强体力，发展了能源、材料和动力科学。计算机科学的产生和发展，是人脑利用信息的延长，使脑力劳动有了工具，来增强脑力。人们对客观世界的改造日益加深和发展，信息的重要性就更加突出。以通讯技术、电子技术、计算机技术、自动化技术和光技术为支柱的现代信息技术，能使我们更快速、更可靠、更完善、更经济地产生、存储、发送、传递、转换、接受和加工图像、文字、声音和数字信息，它是信息科学的应用。作为支撑资源科学研究的资源信息科学，只有在要解决一系列基本问题的基础上，才能使其应用更加有效，使资源科学在信息技术的推动下迅速发展、成熟和完善。 1.3.1 资源信息科学的研究方向 资源信息科学主要是研究资源信息的产生和分布规律、采集、传递、存储、管理和开发应用的理论和方法。 1.3.2 资源信息科学主要研究内容 (1) 基础性研究 在信息论和系统论的指导下，探索资源信息的产生和分布、信息流以及表示方法；资源信息的性质、特征、分类、规范标准和编码体系的研究；资源信息时间和空间结构特征、尺度变化允许范围和转换研究；资源信息机理的理论和信息载体转换的方法研究；资源信息传递过程及误差机理、信息反演理论等等。 (2) 应用研究 资源信息应用范围和功能研究；资源信息系统分析的理论和方法研究；资源信息本身的关联性及与之相关信息之间的相互关系研究；空间分析模型系统研究；资源、环境、经济、人口协调发展模型体系研究；资源环境系统中模式化研究；多媒体技术在资源科学研究中的应用研究；遥感、地理信息系统、全球定位系统与地面监测系统信息复合应用的理论与方法研究；三维可视化仿真及区域开发模拟方法和理论研究；虚拟现实技术和多维信息环境构造的研究等等。 (3) 资源信息工程化及产业化研究 资源信息采集系统设计及构建；资源信息管理系统建立与研究；资源、环境、生态监测网络设计与建立；信息传递网络的设计与构建；多重信息复合集成技术研究；资源信息产业化及软件商品化研究等等。 2 资源信息科学在资源环境研究中的应用 2.1 资源科学研究的特点和趋势 资源信息科学的应用领域主要集中在资源环境研究中，掌握和分析资源科学研究的特点与趋势，对资源信息科学广泛研究和有效利用是十分必要的。 中国自然资源学会理事长、中国工程院院士石玉林教授指出：随着社会经济不断发展，人口—资源—环境与发展之间出现了一系列的矛盾，影响和威胁人类的生存与发展。在人口与资源、资源与环境、资源与经济的矛盾中，资源是一个关键环节，如果资源得到合理开发、节约、高效的利用，就有可能保护环境、发展经济；反之环境质量就可能下降，经济发展就会受到影响。同时，人们从实践中逐步认识到了各类资源之间是互相联系的整体，不仅要加强各类资源的研究，而且更要加强资源整体的研究、综合的研究，才能深刻地、全面地认识资源，更好地利用资源、保护资源和改造资源环境，为人类服务，实现可持续发展。孙鸿烈院士等具体总结了资源科学研究的区域性、综合性、国际性及其研究方法的多样性四大特点，并指出了现代资源科学研究发展的重大趋势，即日益注重国际合作和全球性问题研究；从静态分析走向动态预测，区域发展模式与可持续发展等战略性研究日趋活跃；从自然评价走向注重社会经济分析，以合理化为内容的资源管理研究正逐步成为热点；从定性分析走向定量、半定量研究，日益模式化和数量化；研究方法和手段日益现代化。 无论是研究特点还是研究趋势都可以把资源科学研究归纳为以下几个过程，即资源科学工作者或相关人员首先关注对资源现象的观测和长期时空尺度的数据资料的积累；第二步是从物理的、化学的和生物学的规律和自然现象以及人类活动规律等，建立定量和定性的相互关系，进行系统的分析评测；第三是建立各种模式，有定量的模型，有定性的模型，使其获得对资源开发利用和保护的合理模式，或可供选择的方案；第四是研究结论的验证；最后是验证结果的反馈，从而修正研究结论或确定适用方案。这样一个研究过程是长期以来形成的有效研究途径，伴随着资源信息科学和技术的发展，在不同时期和不同问题以及采用的技术手段不同时，各个阶段的深度和时间是不一样的。由于自然界的复杂性，人类认识自然的局限性，资源科学的研究通常是在两种情况下展开的，其一，是在前人长期科学知识或经验的积累基础上，通过研究者（个人或群体）的再认识、思维、创造，从而获得新的知识和认识；其二，是人类对未知的空间或领域去进行首次的观测和认识，获得知识，并为后续研究提供基础，这两种研究活动都与信息资源分不开。即都与资源信息科学紧密联系。 2.2 资源信息科学的支撑 总结和回顾资源科学研究的特点和未来的发展趋势以及一般的研究过程，是要寻求在资源科学研究中资源信息科学的支撑点在什么地方，如何发挥资源信息技术的功能，促进资源科学的发展。显然利用资源信息科学的基本原理与方法，以及资源信息工程技术，可以为资源科学研究提供支撑。也就是说，只有资源信息科学的发展和应用，资源科学研究全新的现代化过程才能实现。利用信息技术去构造一个区域资源开发应用的结构模式，利用信息流来调控区域的物质流、能量流和人口流，使系统功能达到最大，从而实现区域资源的合理开发和有效利用，达到区域可持续发展。信息技术的发展和应用不但为资源信息科学的兴起带来了机遇，更为资源科学研究现代化和信息化创造了条件并提供了保证。 2.2.1 利用对地观测与网络系统获取资源信息，为资源科学研究全球化提供保证 在信息技术支持下的资源信息获取系统的方式与传统的路线调查有本质上的区别，它以大范围、高精度、快速更新、快速获取为特点；只有在此支持下，资源科学研究的全球化才能实现。主要有两种方式： (1) 对地观测系统 它是以不同平台的遥感技术为核心的资源信息获取系统，它是理论、技术及应用的集成，其中对地观测技术，如对地观测平台、传感器、信息处理技术、应用模型及相应科学理论是本系统的核心技术。近几年来对地观测技术的发展，配合世界性的地球环境主题，把探测地球的变化作为技术与应用的中心任务。特别是在大型自然灾害的遥感监测评估与减灾对策、资源调查、城市遥感和地理信息系统、大型工程的前期论证和后期调查、矿产资源勘探与应用、军事侦察应用等方面获得广泛应用。 (2) 资源环境生态监测网络系统 目前，资源环境研究的重要特点之一是网络化研究，在国家尺度或全球尺度布设监测网络系统，其中包括地面的监测网络和空间的监测网络。它是在计算机网络、遥感遥测、采样点布设等技术的支撑下进行的，如国内农业、林业、生态等系统已有较完善的地面动态监测系统；在国际上已有一系列的全球范围的监测网络系统，如国际长期生态研究网络 (ILTER)，它是为了在全球范围深入了解生态学现象的长期变化，为自然资源的持续利用和社会经济的持续发展提供充分的科学依据，将跨国的生态监测网络组织在一起，促进研究并对跨国或跨地区的长期生态学现象的认识；中国生态系统研究网络已加入该系统；地球观测系统 (EOS) 是将地球作为一个整体，引进地球系统科学，通过空间技术更深刻、更全面地观测地球系统，了解地球系统的现状以及现在是如何继续变化着，为监测全球资源环境变化作出贡献。其他如全球陆地观测系统 (GTOS)、全球海洋观测系统 (GOOS) 等等。 2.2.2 利用专业性和综合性资源环境数据信息科学管理系统，实现资源科学从静态走向动态监测，从定性走向定量化以及资源开发利用合理化等研究 数据信息资源是实现资源科学在不同时空尺度上开展专业性或综合性研究的重要保证，资源信息科学管理系统至少可以在以下几个方面为资源科学研究提供支持： (1) 大型社会共用数据库系统 它利用计算机技术在数据规范标准及编码体系支持下，存储多学科的不同时空尺度的历史数据资料以及数据获取系统所得到的现实数据信息，为科研人员提供资源科学研究领域所牵涉到的一系列问题所需要的数据信息资源。 (2) 资源科学研究的模型工具系统 利用系统工程的理论和方法与信息科学的理论，构建若干适合资源科学研究所需要的开发模型系统，主要包括两种类型：其一，是系统管理了已有的模型系统供研究者选用；其二，是系统开发了一套方法系统，供研究者根据自己研究问题的需要，自行在系统支持下，构建新的模型。模型工具系统对研究者来说与信息资源是同等重要的。复杂的资源环境系统研究只有在系统化和信息化的指导下，通过各种开发应用模型进行，同时要以信息流为主线去调控物质流、人口流和能量流的关系，实现区域的协调发展和社会的持续运行。 (3) 资源科学研究专家系统 专家系统是一组智能的计算机程序，它具有人类领域专家的权威性知识，采用知识与推理来解决资源科学中的结构化或半结构化的问题，它与数学模型相结合将资源研究从定性走向定量化阶段，或者是进入定性与定量相结合的阶段，促进资源科学的进一步发展。 (4) 资源科学研究结果展示系统 此系统由各类多媒体技术构成，用于资源科学技术研究成果的最终表示。如各种图形系统、图像系统、表格系统、文字、动画等等系统。成果展示系统对于进一步有效利用成果和渲染成果的效果是非常重要的。 2.2.3 利用信息高速公路，实现资源网络化研究 信息高速公路把人们的空间环境缩小了，使资源科学研究的全球化变成了可能，通过信息高速公路，研究者可以在瞬间从地球的任何一个地方获取他所需要的信息数据资料，查阅感兴趣的文献，向各类专家请教问题，对共同关心的问题展开全球性的讨论，享受别人的成果，而自己的成果也能很快被他人所用。使资源科学研究现代化成为可能。 2.2.4 应用虚拟现实技术，构建虚拟资源研究环境 将虚拟现实技术引入资源科学研究，与其它资源信息技术结合，为研究者构建一个多维信息环境，使其具有身临其境的沉浸感，他并不是靠听和读文字（或数据资料）获取信息，而是通过他所处的环境的交互作用，利用人本身对所接触事物的感知和认识能力，以全方位的方式来获取各种各样表现形式的信息，实现深化知识，萌发新意，达到创新的目的。 3 开展资源信息科学前沿研究，促进资源科学研究现代化 21 世纪将是信息时代，资源科学研究将在信息技术的支撑下，全面实现现代化和信息化，这就迫使资源信息科学不但要继续完善已成熟的技术并在资源科学研究中加速推广应用，而且资源科学本身也应努力克服若干传统方式以便适应信息技术的应用，迎接资源科学研究现代化的到来。 3.1 面向 21 世纪实现资源科学研究现代化与信息化的途径 总结过去和分析现状，我国资源科学研究水平与国际上相比有较大的差距，但就资源信息技术应用的单项水平来说并不落后，如遥感技术、地理信息系统技术等。主要是综合技术集成以及资源科学研究中信息技术应用的深度和广度、信息技术与资源科学紧密结合的程度不够，同时，满足资源科学研究现代化和信息化的基础设施跟不上，资源信息资源保证以及信息技术提供服务的运行机制缺乏。加之广大资源科学研究人员对信息技术的掌握程度不高，应用不够普遍。因此，为了加速我国资源科学研究现代化水平的进程，应该从两个方面开展研究和建设，其一，是要加强资源科学研究的信息资源建设，集成和开发一批可以直接为资源科学研究服务的资源信息管理系统；开发一批可以直接为资源管理部门使用的资源开发与区域持续发展的决策管理系统；建立资源环境动态监测网络系统；开发区域可持续发展的综合模型体系；充分利用现有网络设施，建设网上信息导航服务，以及国际资源信息源镜象站等等，从而促进资源科学研究水平和方法的提高；其二，是开展资源信息科学的前沿领域的研究和实践。 3.2 紧跟资源信息技术的国际前沿开展研究和实践 跟踪是为了赶超，要实现我国资源科学研究在水平上和方法手段上赶上或超过国际先进水平，必须在全面应用现有资源信息技术的同时，跟踪和赶超国际前沿，力争在短期内使我国信息技术在资源科学研究中的应用水平进入国际先进行列。并造就一批具有资源科学背景，同时又能掌握资源信息技术的资源科学高级研究人才。需要研究的内容很多，可先从以下几个方面入手。 3.2.1 开发资源数据仓库 传统的数据库是面向应用的，数据仓库是面向主题的、集成的、稳定的、不同时间的数据集合，用以支持资源开发管理中的决策制订的过程。主题是一个在较高层次将数据归类的标准，每一个主题对应一个宏观的分析领域。数据仓库反映的是历史数据的内容，而不是处理联机数据，因此进入数据库后是很少或根本不更新的，为此在数据进入数据仓库之前是要进行加工的。通过数据仓库及相应的分析工具，一是可以按照主题查询归纳数据；二是可以进行数据的挖掘，从而可以提炼分析出内在相关性、趋势性；三是可通过可视化工具，探索数据的关系和深入到数据结构中，达到分析资源以及相关因素之间的复杂性和动态变化关系。 3.2.2 开展资源数据可视化研究 数据可视化是将各类资源环境的抽象的数据系统，转变成一系列可以供人们观看的视觉图形、图像、图表以及其他可视化的表示形式，它可以采用计算机软件，使存储在计算机中的数据按要求直接转变成可视图形，也可以借助于数据挖掘工具，对若干类处于不同层次的数据多次挖取提取，生成可视化的图形、图像或其他可视的多媒体表示方式。 3.2.3 开展资源信息技术集成研究 将资源信息技术领域的主要技术进行综合集成使用，可提高资源利用效益。例如为了提高农业资源的高效利用，目前在国际上十分重视“精准农业 (Precision Agriculture)”的开发。它是在信息技术支持下，充分挖掘农业资源利用率的一种农业技术。它集资源信息技术中的地理信息系统技术、全球定位系统技术、遥感技术、数据库技术、人工智能技术、信息管理技术以及农业技术、自动化技术、农业机械等技术。所以它是多种技术的高度集成。它可以实现农业资源的高效利用，从而不仅保证粮食产量的稳步提高，还可以降低成本、保护环境，同时，精准农业的实施还会带动一批相关产业的发展，如信息产业、农业机械等，它是实现持续农业的重要途径。 3.2.4 开展资源环境模式研究 模式化研究已成为全球资源环境研究的重要手段，在资源信息技术的支持下，不但可以获得模式化研究的信息，而且可以利用系统论、控制论以及数理方法构建各类时空尺度的资源研究模式，目前国际上虽然有很多可用的模式，然而由于资源系统的复杂性和区域性特征，这些已有模式是远远不够的，应该在继承应用前人已有模式的基础上，努力构建新的模式，为资源系统科学研究和全球资源环境变化研究作出我们的贡献。 3.2.5 创建资源环境虚拟科研环境 资源科学研究方式的变革和研究环境的改变，将随资源信息技术的深入发展和进一步的深化应用，从根本上使资源科学的发展获得一个飞跃的前进。通过虚拟科研环境去从事资源科学的研究活动，将成为 21 世纪资源科学研究的最主要的方式。 遥感、地理信息系统、全球定位系统等资源信息技术在资源环境科学中已获得了应用，将虚拟现实技术引入到资源环境研究中，正处于起步阶段。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真，在构建一个虚拟现实系统时，需要用到计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等等，这些技术都是信息技术的分支。在这样的虚拟现实环境下，较通常的计算机应用更体现了人的主导作用。如人们现在只从计算机的外部去观察处理结果，而在虚拟环境中，人们能够沉浸到计算机所创建的环境中；现在研究者只能通过键盘或鼠标与计算机的单维信息发生交互，而在虚拟环境中人们能通过多种传感器与多维信息的环境发生交互作用；研究者现在只从定量结果中得到启发和认识事物，而在虚拟环境中从定量和定性的综合的感性知识与理性知识综合集成环境中，加深对事物的理解与创新。 4 结论 由信息科学、资源科学、空间科学和系统工程科学相互结合产生的资源信息科学是资源科学的重要分支，利用资源信息科学技术促进资源科学研究现代化和信息化，进而推动资源科学的发展。目前我国资源科学研究现代化和信息化水平在逐步提高，但与国际上相比仍有较大差距，为了迎接 21 世纪信息时代的到来，要充分利用现有资源信息技术的成果，改造传统资源科学研究方法，同时要对资源信息科学的前沿领域广泛开展研究和实践，促使我国的资源科学研究水平尽快进入国际先进行列。 参考文献
第一作者简介 孙九林 (1937－)，男，江苏人，研究员，博士生导师，世界数据中心中国可再生资源与环境学科中心主任，长期从事资源信息科学研究。 致谢：本文形成过程中得到了石玉林院士的指导，在此表示感谢。 |
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