地球信息科学与技术(地质学类)本科专业规范

地球信息科学与技术（地质学类）本科专业规范

2010-09-30 地球物理学与地质学类专业教学指导分委员会

一、本专业的教育历史、现状与发展方向

自从科尔（1998年）提出“数字地球”的概念以来，地球信息科学技术在世界范围内引起了广泛的重视，并已在矿产资源调查、环境监测、水土资源评价、灾害监测和灾情评估、城市建设规划乃至投资环境和风险评估、政府和军事决策等领域，显示出强大的优势与生命力。然而，如何将岩石地球庞大的观测结果数字化和信息化，揭示地球内部各种物质流和能量流的发生发展规律，可以说是地球信息科学面临的重大挑战，同时也是地球信息科学及相应信息处理技术的重要发展方向。应对上述挑战，人才培养是制高点。在我国，地理信息系统（GIS）专业仅设于地理学科，其人才的专业知识侧重于地球表面和流体地球部分，难以胜任地表以下的各类信息处理和相应的各类应用软件开发。因此，必须培养具备固体地球科学知识，同时又掌握信息科学技术的新型地球科学人才。为此，教育部高等学校地球科学教学指导委员会地球物理学与地质学类专业教学指导分委员会分别于2001年和2002年召开会议进行研讨，提出了在地质学中设置“地球信息科学与技术”本科专业的建议。至2003年，浙江大学、中国地质大学、中国海洋大学、同济大学、中南大学等高校已申报设置了该专业并开始招生。

1.本专业主干学科概况

地球信息科学(Geo-information Science)是地球科学与信息科学结合而形成的地球科学新兴学科，其任务是从信息流的角度揭示地球物质的属性和空间分布， 以及地球物质流和能量流的发生、发展过程和演化规律， 从而达到人类对资源、环境、社会实施宏观调控的目的。

地球信息科学被提出以来，学科的研究一直侧重于地球表面和流体地球，原因主要与目前的信息技术尚无法迅速和大批量地获取固体地球内部的信息有关。然而，人类在最近两个多世纪中，对固体地球的地质观测与研究所获得的有关地球内部的信息，事实上已几达天文数字，问题是如何将地质学的知识信息、转化为现代地球信息系统可以处理的数字信息，并在此基础上，将现代的信息分析技术与地质过程的研究相结合，揭示地球内部物质流和能量流的发生发展规律并预测其结果，此为地球信息科学目前需要解决的主要科学问题。

地球信息技术是地球信息科学的支撑体系。地理信息系统（GIS）是该体系的核心，它集成了地图的独特视觉化效果和地理分析功能以及一般数据库的操作功能（例如

查询和统计分析等）。GIS与GPS（全球定位系统）、RS（遥感信息采集系统）和信息传输系统（信息高速公路）结合，构成了具有数据采集、管理、查询、计算、分析、传输和可视化输出等多种功能的地球信息技术体系。

尽管地球信息科学，尤其是它在固体地球方面的探索，目前不论在理论抑或实践上均处于起步阶段，学科体系远未完善。然而，它的技术支撑体系所展示的强大优势，以及人类社会发展所面临的资源环境压力而产生的对地球科学的要求，使该学科具有巨大的发展前景，引起了世界各国的普遍关注与重视。

2. 主干学科方法论介绍

固体地球信息获取系统有以下三个：

地表信息获取系统--获取各类地质体在地球表面分布的空间信息，使用的方法包括地表地质测量、填图、卫星遥感等；

深部信息获取系统--获取地表以下的地质体的空间信息，使用的方法包括钻探、各种地下工程以及各种地球物理探测等；

属性信息获取系统--获取地质体的物理化学属性，例如化学组成、同位素组成、年龄以及各种物理性质等，使用的方法包括各种实验和分析测试。

在上述三个系统中，用人工传感器（例如遥感和地球物理探测）获得的信息属于从信息源直接映射的“源信息”；通过观察者的人体传感器接收后以某种方式，例如文字、图形、表格等记录的信息，属于带有特定格式的“知识信息”。地球信息科学的方法是：（1）通过对人工传感器获得的大量源信息的分析处理，从中提取知识信息；（2）将现存数量庞大的格式信息转换为数字信息，用现代地球信息技术对其进行储存、管理与分析，寻找各类信息的时空分布规律，从而为人类在资源寻找和开发利用、地质环境评价、地质灾害的预报和灾情评估、地质勘查和工程建设等方面提供决策依据；（3）将信息分析技术与地质学的理论思维相结合，模拟地球内部的能量流和物质流发生发展的过程，预测过程的效应或结果，最终使人类达到对地球的资源、环境与社会发展的实施宏观调控的科学目的。

3.本专业相关学科及影响

地球信息科学是地球科学与信息科学结合的产物。固体地球信息科学的任务，就是从信息流的角度来揭示地球内部的物质属性和空间分布， 以及物质流和能量流的发生、发展过程和演化规律。地球信息技术为固体地球信息科学的研究提供了强大的技术支撑，但从事地球信息科学研究，除了要熟练掌握地球信息技术外，还必须对固体地球中的各类地质体或地质过程有较深的了解，就如“疱丁解牛”，既要有锋利的“刀”

，更要理解“牛”的结构构造。只有对固体地球中各类地质体或地质过程有较深的了解，才有可能正确提取各类地质体或地质过程的特征信息，以及用地球科学的思维进行信息分析和信息处理。因此，基础地质学知识是本专业必不可少的知识。然而，不同的学校设置本专业，应有明确的办学切入点，根据自身的办学基础与特色构建学生的知识体系。

二、专业培养目标与规格

1.专业培养目标

地球信息科学与技术专业的人才培养目标是：培养德智体全面发展、具有扎实的数理基础和地质学理论基础、掌握地球信息科学的基本理论、能够熟练运用现代信息科学的技术手段，对固体地球各类信息进行提取、分析与处理，并具有一定开发和研究能力的新型地球科学人才。

2．培养规格与要求

地球信息科学与技术专业学制为4年，学生毕业后获学士学位。人才培养的要求是：

（1）素质结构要求

本专业培养的学生必须热爱中华人民共和国，拥护中国共产党的领导，对社会应有强烈责任感，同时有良好的道德品质和法制观念，有敬业精神和集体荣誉感，有较好的文化素养和艺术修养，有求实创新的科学精神，并具有良好的身体素质和心理素质。

（2）能力结构要求

具有独立思考问题、分析问题和解决问题的能力；具有较好的口头和文字表达能力；具有协调处理好人际关系的能力；具有较强的社会活动能力；具有运用专业知识和技能解决实际问题的能力；具有获取知识和在某种程度上的创新能力。

（3）知识结构要求

具备专业学习所必须的数理基础和计算机基础，有较扎实的地质学基本知识，掌握地球信息科学的基本理论和3S技术，具备从事地球信息工程建设和技术开发的能力；同时，要求通过政治和文化素质课程的学习，了解文化、艺术、历史、哲学、政治、经济、法律和心理学等方面的知识。

三、知识体系和课程体系

1. 知识体系

本专业知识体系的总体框架如图1所示：



图1 地球信息科学与技术专业知识体系总体框架

（1）大学基础知识（综合教育）：此为国家规定的大学生（不分文、理、工科）必须具备的基础知识，包括政治、哲学、文学、历史、法学、社会、经济、管理以及艺术和心理学等方面的知识。

（2）理工科基础知识：理工科学生必须具备的基础知识，包括大学数学、大学物理、普通化学等，此为学习专业基础课程必备的基础知识；

（3）专业基础知识：此为学习专业课程必备的基础知识，是专业课程的前导。

本专业的专业基础知识包括两个方面：①计算机基础，包括计算机原理与应用、计算机语言与程序设计，数据结构与数据库等方面的知识；②地质学基础，包括矿物岩石学、地层古生物学、构造地质学以及地质学其他方面的基础知识。

（4）专业知识：本专业毕业，或在本专业工作或研究必须具备的知识与技能，包括地球信息科学的基本理论与方法、地球信息采集技术及信息类型、“3S”技术及其在固体地球信息获取和处理方面的应用等。

2. 建议课程体系

（1）学分与学时分配

参照教育部的规定，本专业各类课程的学分数和学时数总体分配如下：

课 程 类 别 学 分 数 所占比例 备 注
普通教育 核心课程 58 32% 课程按教育部规定设置
选修课程 23 13%
专业教育 核心课程 61 34% 实践教学12周
选修课程 38 21%
总学分 180
总学时 2880学时 按16学时1个学分折算
（2）建议课程体系

根据本专业的知识结构要求，建议课程体系如下：

课程属性 课程类别 课程名称 备注
普通教育 大学基础 政治学 核心课程为教育部规定的课程，选修课程各校根据自己的特色设定
英语
体育
法学
社会学
历史学
文学
计算机基础与应用
理科基础 核心课程 高等数学
普通物理学（含实验）
选修课程 普通化学
专业基础1 （数学与计算机基础） 核心课程 线形代数与分析几何
计算机语言与程序设计
数据结构与数据库
计算机网络技术
选修课程 离散数学
电工电子学
专业基础2 （地质学基础） 核心课程 地球科学概论
矿物岩石学
构造地质学
古生物地层学
地球探测技术
地质认识实习
专业课 核心课程 地球信息科学导论
地图学与计算机制图
GPS原理与应用
GIS原理与应用
遥感信息与图像处理
地质制图与地质图数据库
野外数字化化填图实习
专业方向课 选修课程 各校根据自己的特色自行设置


地质学类的专业基础课程，包括“矿物学”、“岩石学”、“地层古生物学”、“构造地质学”、“地球探测技术”等课程。课程可以独立开设，也可以合并成一门“地质学基础”，再加上一至两门专门地质学课程（例如，“地球物理学”或“石油地质学”或“矿床学”等），各校可根据自身办学特色和毕业生流向自行设置。但是，地质基础课程的总课时应不少于240学时（不包括野外实习）。

地质学是一个十分庞大的知识体系，本科的学习不可能面面俱到。为加强学生对某一方面地质信息的认知，体现不同学校的办学特色，各校可根据自身的师资力量及毕业生的流向等，设置不同方向的地质学课程

组，作为专业选修课。

（3）实践教学

固体地球的演化过程凝固成各种各样的地质现象。要认识这些现象，理解这些现象所传递的信息，才有可能使用各种技术手段进行信息分析和信息处理。因此，野外实习是本专业不可缺少的教学环节。一般应安排三次实习：

① 野外认识实习：结合地球科学导论（或普通地质学）课程教学安排的实习（时间2～3周），其目的是使学生对固体地球的各种现象及其所传递的信息有初步的了解。

② 数字化地质填图实习：结合专业课程教学安排的实习，时间一般为6～8周。地质图是固体地球各种演化过程的综合体现，同时也是地质学各种基础理论的具体运用。通过野外数字化填图，加深学生对各类地质体包含的时、空和属性信息的认识，同时加深学生对地质学基础理论和传统信息获取方法的理解，使学生能将地球信息获取和信息处理技能有效结合。

③ 毕业论文（设计）实习：根据论文（设计）要求安排。

四、本专业的教学条件

1．师资力量

具有年龄及知识结构合理、相对稳定、水平较高的师资队伍，有学术造诣较高的学科带头人（教授1名），承担本专业主要课程的任课教师不少于10人，其中高级职称教师人数不少于4人，高级和中（初）级教师人数比例不低于1∶2。

2．教材

教材选用要符合教学大纲或专业规范。基础课程应选用统编教材，专业课程应尽量采用正式出版的教材，至少应有符合教学大纲的讲义。

3．图书资料

公共图书馆中有一定数量与专业有关的图书、刊物、资料、数字化资源和具有检索这些信息资源的工具。

4．实验室

基础课程实验室要达到一定的要求，每个学生拥有的实验仪器设备至少要达到每3人一套的数量。应具备地球信息科学专业实验室，具有信息获取、处理和图形输入输出等仪器设备。仪器设备的固定资产总额应达到一定金额以上，必须设有基础地质学方面的实验。各校可根据自己的专业方向和具体情况有所侧重。

5．实习基地

要有相对稳定的地球信息野外实习基地，实习基地应符合地球信息科学专业实习的要求。各校可通过多种途径，在校内外建设实习基地。

6．教学经费

新设本专业，开办经费一般不低于一定的金额(不包括固定资产)。每年有足够的经费保证正常的教学运转。
五、制定本专业规范的主要参考指标

本专业规范的主要参考指标如下：

本科学制：基本学制四年。

在校总周数：200～202周 (其中教育教学166～168周，

寒暑假32～34周)。

总学分数： 4年制地球信息科学与技术专业总学分数可为180～200学分左右，其中普通教育（通识教育）的学分为90～100学分，包括政治思想教育和人文社会科学课程，体育、外语、计算机信息技术和数、理、化、生等自然科学课程，以及学校开设的素质教育通选课程等。专业教育学分为90～100学分，包括学科核心课（必修课）和专业选修课。

各校可以根据实际情况适当调整学分。未实行学分制的学校，学时与学分的折算由各校根据学校实际情况自行决定。本规范建议课程教学按16～18学时折算1学分、集中实践性环节按每周折算为1学分的方法折算。在特殊情况下，某些课程的学时学分折算办法可自行调整。

六、课程教学基本要求

1. 地球信息科学导论

（1）课程目的和要求

本课程是地球信息科学与技术专业的入门课程，也是地球信息科学的理论课程。课程目的是介绍信息科学和地球信息科学的基本理论与概念，以及地球信息科学与地球科学的关系，使学生对学科的概况及专业课程的学习内容有较全面的了解，为后续课程的学习奠定基础。要求学生通过本课程的学习，掌握地球信息科学的基本理论和概念，对学科的主要研究方法和应用技术以及地球信息的类型和信息获取系统等，有较全面的了解。

（2）课程的基本内容

绪论：地球信息科学的定义、学科目的和研究范畴、发展历史及现状；地球信息科学与地球科学、信息科学等相关学科的关系等。

地球层圈的物质组成和运动原理：了解地球行星在宇宙中的位置、地球的结构、不同层圈（重点是固体层圈）的物质组成、各个层圈内部及层圈之间物质流和能量流的运动特征等。

固体地球信息采集系统：介绍固体地球的地表信息采集系统、深部信息采集系统和属性信息采集系统的原理，以及所使用的技术手段与方法等，要求学生对地球信息的采集过程和不同的信息采集系统及技术方法有较全面的了解。

地球信息的类型：了解信息的定义、信息的类型以及信息的反馈和信息流等概念；了解固体地球的源信息和知识信息的获取途径、掌握各种知识信息的输出“格式”。

地球信息技术：了解由地理信息系统、全球定位系统、遥感信息采集系统以及信息传输系统所组成的地球信息技术体系的发展历史、研究和应用现状，以及各个部分的基本原理和工作方法；使学生对地球信息技术体系有较全面的了解。

地球信息技术应用实例介绍：通过实例介绍，了解地球信息科技在各个领域的应用现状与发展

前景。

2. 地图学与计算机制图

（1）课程目的和要求

本课程为高等院校地球信息科学与技术专业的专业课，由地图学理论和操作实习两部分内容组成。课程的目的是使学生建立地球表面形态的空间概念和掌握地形制图方法。要求学生了解地图学的基本理论，掌握各种坐标变换方法和地形地物的图示方法，掌握计算机制图的基本技能。

（2）课程基本内容

导论：了解地图学的历史、地图和地图学的科学概念，地图学体系理论；掌握地图的定义、基本特征和分类；。

地图学基础：了解由地球自然、物理、数学表面得出地球椭球体形状，地理坐标系统；掌握地图投影的定义、分类、方法、比例尺和各类投影，特别是一些名称投影（高斯-克吕格投影、墨卡托投影）的经纬线形状和投影变形规律，以及等积、等角、等距、任意投影的特性，传统方法与数字方法的地图投影的相互转换等。

地图概括：了解地图概括的性质及制约地图概括的四个因素；地图概括依据的某些数量分析方法以及如何运用分类、简化、夸张来实现概括的过程；了解地图用途、主题、比例尺、区域特征、数据质量和图解限制对地图概括的影响。

地图符号：了解地图符号的点状、线状、面状和体积分布，地图符号的五种视觉变量的组成及作用；理解在设计地图符号时要运用的各种量表（定名量表、顺序量表、间距量表和比率量表），以及融入视觉变量的感受效果和图形视觉产生的心理效应。

地图表示：理解点状事物、线状事物、面状事物与定量数据在地图上的表示，以及用不同方法表示各种类型数据质量与数量特征（如用点的大小和多少，线的长短和宽度、颜色等），对于统计数据，区别分区统计图法和等值区域制图的差异。

地图图形：了解普通地图和专题地图的类型、特性、设计与编制原理、编制内容、编制过程及地图集的特点与分类。理解在普通地图上科学的表示各种自然地理要素（地貌、水系、土壤、植被）和社会经济要素（居民点、交通线、境界线）；国家基本比例尺地形图的特点；专题地图设计时表示方法的选择、图例设计、图面设计的安排、色彩与网纹设计。

遥感制图：掌握选择信息源，包括遥感卫星、波谱、波段、空间分辨率、时相的原则以及利用立体镜对遥感图片的立体观察、由数字图像处理生成专题地图的原理与方法。

数字地图制图：掌握数字地图制图的基本流程：准备阶段-数字化-数据处理与编辑-图形输出，了解各种计算机制图软件及其一般应用。

地理信息

系统与地图：了解专业GIS软件的二维分析、三维分析、四维分析，以及实际应用上的量度分析、缓冲区分析、包含分析和网络分析。

GPS原理及应用：测量学是地图的信息源，本章节要求学生了解测量学及GPS的基本原理，以及GPS定位仪的一般应用。

3. GIS的原理与应用

（1）课程目的和要求

地理信息系统 (GIS) 是“3S”技术的核心。本课程的目的是使学生通过学习，了解地理信息系统的发展历史、在地球科学中的应用前景与发展趋势、基本原理与方法等。要求学生掌握空间数据库的建库方法、常用的空间分析技术，以及开发地理信息系统应用软件的基本思路和方法，掌握应用GIS软件的方法和处理各种地球信息的技能。

（2）课程的基本内容

ⅰ.地理信息系统概论：了解地理信息系统的发展历史、现状、趋势；掌握地理信息系统的基本概念和系统的构成、功能、特点及应用领域。

ⅱ.空间数据结构：了解地理空间的概念和空间实体的表达方法；空间数据结构的基本特征和计算机表示方法；理解栅格模型及矢量模型的概念及区别、GIS数据的组织与管理；掌握两个空间数据模型的概念及“层”的概念；了解空间数据库概念模型设计－传统的数据模型以及空间数据库逻辑模型设计的物理设计；理解空间数据库概念模型设计－语义数据模型和面向对象数据模型的含义。

ⅲ.数据来源及采集：了解获取地理信息系统的两类信息（空间信息和属性信息）的不同方法，以及把这些信息输入计算机的不同途径；掌握数字化仪输入、扫描仪输入、利用已有数据三种方法的区别及适用条件。

ⅳ.空间数据的处理：了解用不同方法输入的数据转入GIS数据库的转换过程，多元空间数据的融合、压缩与综合，掌握空间数据的内插、结构转换、坐标变换方法，以及图幅数据边沿匹配处理方法等。

ⅴ.空间信息的查询与分析：了解本章内容与图论、线性规划等运筹学知识的内在联系；理解并掌握空间信息查询与分析的基本内容和方法；掌握基于网络拓扑关系的网络空间分析技术。

ⅵ.地理信息系统的设计与评价：了解GIS设计的目的、模式、流程及标准化的内容和制定，理解地理信息系统的评价；掌握地理信息系统的设计流程。

ⅶ.地理信息系统产品的输出设计：了解地理信息系统产品的输出形式和图形输出系统设计理论，以及地理信息系统的可视化与虚拟现实的有关问题。

ⅷ.地理信息系统在固体地球科学方面的应用：了解地理信息系统在固体地球科学中应用现状和发展趋势；掌握GIS地质

应用软件的基本开发思路及Mapgis/Arcgis/Mapinfo等的应用技能。

4. 遥感信息处理与地质解译

（1）课程目的和基本要求

“遥感信息处理和地质解译”是本专业的专业课程。通过课程的讲授和实验，使学生掌握遥感科学的基本理论和遥感信息处理的基本知识，以及遥感在地学等方面应用的技术方法。课程的基本要求：

了解遥感技术的基本理论基础，地学遥感的研究现状和遥感技术的进展。

了解遥感信息的来源和遥感图像的成像原理。

了解遥感图像处理的基本原理和方法。

掌握遥感图像的地物影像特征和遥感图像解译原则。

掌握地学信息提取与综合分析方法。

（2）课程基本内容

绪论：遥感的概念及特点；遥感技术的发展概况及展望；遥感在地学中的作用和意义

遥感物理基础：了解电磁波基本特征以及遥感常用的电磁波谱、电磁辐射源及地球大气与环境对电磁辐射传输的影响、地物波谱特征（反射、发射与透射）；了解彩色原理以及多光谱摄影。

遥感图像成像系统与图像类型：了解遥感成像技术系统（遥感平台、遥感仪器、遥感地面接受站与遥感信息的传输、视频数据传输等）、遥感图像的种类及其基本属性、光学摄影像片特性（帧幅式摄影像片与全景式航空像片）、光机扫描、固体自扫与成像雷达描的图像特征、航空和航天遥感，进行航空像片及卫星图像的判读。

遥感图像处理：了解光学图像处理与数字图像处理的基本原理和技术方法（校正、变换与分类）。

遥感图像解译标志与解译方法：了解资源与环境解译目的与内容、掌握遥感图像解译原则与资源环境解译标志，以及遥感图像在地球资源环境方面的应用。

（执笔单位：中山大学，执笔人：陈国能）