无处不在的地理信息

张丰 姜雨岐

提到地理信息，首先进入我们脑海的或许是墙上的那张地图，或许是儿时爱不释手的地球仪，或许是旅行前精心策划的出游路线，又或许是VR游戏中让人身临其境的城市街景。那么到底什么是地理信息，它与我们又有什么关系？

地理信息是地球表层地理现象和事物（或地理环境的要素、物质）的数量、质量、运动状态、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等以及一切相关知识的总称。广义地说，一切与地理位置相关的信息都可称为地理信息。与其他信息相比，它包含了更多维的结构，蕴含了更多的知识，已经渗透到我们生活的方方面面。

地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS），作为一种特定的空间信息系统，是在计算机软、硬件系统的支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。人类利用GIS可以将地球以数字化的形式展现出来，实现从地理信息到知识服务的飞跃。

地理信息不仅应用在物体与人类的定位上，还被广泛地应用到动物迁徙、动物行动与人类活动的关系研究中。我们可以在“远在天边，近在咫尺”的“地球村”中畅游;可以从卫星遥感影像中欣赏南极风貌;还可以借助电子地图到历届世界杯决赛场馆中漫游。这些都是网络与信息技术带给我们的惊喜，也是地理信息的魔力。

下面就让我们从具体应用场景出发，通过不同角度探寻地理信息的内涵，揭开地理信息的神秘面纱。

为了保障孩子的安全，父母给他们佩戴了具有定位功能的可穿戴设备，以便及时准确地掌握他们的位置信息。

打车出行时，我们只需在打车软件中输入起点与终点，软件就会自动匹配离你最近的车，并根据实时的路况信息规划路线，利用综合定位方式精确地记录行车路线。

为研究动物行为，加拿大研究人员利用动画展示了2012年5月至7月期间，8头成年灰熊在加拿大阿尔伯塔省中西部地区内的移动轨迹。研究人员每小时记录一次它们的位置，以热力图的形式展现，图中彩色斑点的大小代表熊的位置密度。我们从中可以看出，灰熊是如何在森林中觅食、休息、互动的通过对它们移动轨迹数据的空间分析，就能进一步辅助森林的管理。

不难看出，定位是地理信息应用最主要的方式。我国应用较为广泛的是全球定位系统和北斗卫星导航定位系统。全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）由美国国防部研制建立，能为全球用户提供三维位置、速度和精确定时等导航信息，低成本、高精度，是卫星通信技术在导航领域的应用典范。

近年来，我国自主研发的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）逐渐成熟，已获得联合国卫星导航委员会的认定。BDS空间部分计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星和3颗倾斜同步轨道卫星。

那么BDS、GPS等卫星定位系统是如何实现定位功能的呢？首先，定位系统根据后方交会定位原理，结合3颗卫星到用户终端的距离信息，采用三维距离公式列出3个方程，解算出用户终端的位置信息。其次，考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，还需引入第4颗卫星，从而得到观测点的三维坐标（X，Y，Z）及时钟差。为提高定位精度，减少卫星钟的影响，还可使用差分技术。通过在地面上建立基准站，将已知的精确坐标与通过导航系统获得的坐标相比较，得到并发布修正数。最后，用户终端依靠此修正数，就可以将自己的导航系统计算结果进行再次修正，从而提高精度。

综合卫星定位、基站定位、WIFI定位、传感器定位等定位技术，我们就能形成一套精细高效的定位系统，为物体、事件、行为等增加准确的位置标签。这些数据转变为地理信息后，将发挥更大的用处。比如我们可以通过智能手表记录活动范围，在外卖平台查看配送员的实时位置，在社交平台知晓附近的人或者事件，户外运动时记录运行轨迹等。这些习以为常的场景都离不开定位技术提供的地理信息。

不再忙乱的春运

在上述的例子中，我们关注的对象大都是独立的个体。那么，我们是否可以把视角放到一个群体、一座城市乃至更大的范围，把记录的时间频率缩减成每分每秒的实时记录，从而获取越来越丰富、精细、复杂的地理信息呢？

在大数据的浪潮中，如何充分发挥地理信息的作用一直是人们关注的焦点。随着物联网、移动通信、现代测绘、计算机等技术的飞速发展，地理信息也进入了大数据时代。关于地理信息应用的研究也开启了新的篇章。

如今，GIS已广泛应用于众多与生活息息相关的领域中，如资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、交通运输、军事公安、水利电力、公共设施管理、农林牧业以及统计、商业、金融等领域。

在上文的打车案例中，“阿里城市大腦”发挥了重要作用。它利用交通监控，动态地调控每一个信号灯，减少拥堵，从而使乘客能以最快的速度到达目的地。结束行程后，通过对出行行为的分析，向人们推荐更为满意的出行方式。

提到地理信息大数据，大家难免会想到“春运”。在地理信息大数据的支持下，我们不但可以看到个体的行为信息，而且可以对大数据进行深度挖掘，得到单条信息无法显示的结果，如“百度迁徙”。

百度公司在春运期间推出了“百度地图春节人口迁徙大数据”（简称“百度迁徙”），以“人群迁徙”为主题对大数据进行了可视化处理。“百度迁徙”利用百度地图LBS（基于地理位置的服务）开放平台、百度天眼，对地理信息大数据进行计算分析，然后采用创新的可视化呈现方式，全程、动态、实时、直观地展现了人口大迁徙的轨迹与特征。尤其是全国范围内的春运出行模式，为铁路、航空资源的调控，城市的未来发展规划提供了有力支持，也赋予科学研究新的观察视角和方法工具。

智慧化的未来

地理信息无所不在，它关系到我们生活的方方面面。为了应对地理信息大数据，我们需要不断发展适用于地理信息特性的云存储、高性能计算、时空数据可视化、数据挖掘等技术，将地理信息广泛应用到政府决策、城市规划、 环境监测、社会经济统计、公安指挥、资源管理、房地产管理、基础设施管理等诸多领域。

地理信息涉及的专业知识与关键技术覆盖了众多学科与领域。在大数据的时代浪潮中，在政策的支持下，未来地理信息将更加完善，在人类社会发展中发挥更重要的作用，让我们的生活变得更加智慧、便捷！