1 地理信息內(nèi)涵發(fā)展回顧

　　自1963年文獻提出并建立了世界上第1個地理信息系統(tǒng)軟件以來，

地理信息的內(nèi)涵經(jīng)歷了大致4個不同階段的演變.

早期的地理信息以地圖數(shù)據(jù)管理和計算機輔助制圖為目標，

對現(xiàn)實世界的抽象主要基于幾何和屬性進行概括，

從連續(xù)和離散視角分別發(fā)展形成了矢量、柵格等數(shù)據(jù)模型。

該階段地理信息表達方法主要從對象的坐標、形狀和屬性的角度進行對象描述。

其中對象語義、屬性等信息均存儲于屬性表中，并通過ID與對象關聯(lián)，

在數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)結構上以分層、分要素的拓撲模型等為代表，

而空間關系及過程性的信息通過空間分析計算加以體現(xiàn)。

該階段GIS發(fā)展更多地繼承了傳統(tǒng)地圖學的發(fā)展，

“定位+幾何+屬性”成為測繪地理信息基本框架，

在對地理環(huán)境進行抽象表達時抽象程度高且主要面向數(shù)據(jù)管理，

難以對地理對象和地理現(xiàn)象過程和規(guī)律進行表達，也難以表達其細節(jié)層次。

　　文獻在20世紀90年代提出了地理信息科學的概念，

促進其從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)向地理信息處理系統(tǒng)轉變，

發(fā)展了諸如疊加分析、空間自相關、空間統(tǒng)計等新的分析方法。

伴隨著GIS在地理學諸多領域的廣泛應用和空間分析功能的不斷加強，對地理對象語義的分析和描述日漸增強。

文獻從語義原子角度提出了一種GIS的表達范式;文獻[5]則首次提出了本體論驅動的地理信息系統(tǒng)，

利用本體表達特定的地理世界，利用概念范式組織數(shù)據(jù)庫中信息的存儲，

從而得到較關系數(shù)據(jù)庫更為豐富的語義表達。地理信息的定義開始進入以本體為基礎的語義GIS階段。

本階段的地理信息表達從哲學本體論出發(fā)，試圖用地理語義統(tǒng)一地理對象、現(xiàn)象與規(guī)律的表達，

構建了“語義+空間+屬性”的基本表達框架，嘗試以語義為基礎進行地理對象特征、關系和規(guī)律的集成表達。

以語義為基礎的GIS在多重表達等方面具有一定優(yōu)勢，

但并未提出將屬性、時間、關系、過程特征統(tǒng)一表達的操作性數(shù)據(jù)模型，

使得其在實際應用中難以推廣。雖然語義GIS在學界討論較多，但至今未見成熟的、廣泛商用的語義GIS平臺。

　　隨著地理空間觀測數(shù)據(jù)、連續(xù)器測數(shù)據(jù)，各類模式模擬數(shù)據(jù)的不斷積累，

地理數(shù)據(jù)在時間維上不斷擴展，時空數(shù)據(jù)集大量生成，時空地理信息的表達與分析也逐漸得到重視。

文獻分別從面向對象、時空語義和時空拓撲的角度對時空數(shù)據(jù)模型進行研究。

隨著數(shù)據(jù)更新頻次的快速增加，動態(tài)GIS、實時GIS等概念被提出并得到廣泛應用，

從而發(fā)展出了面向事件和面向過程的時空信息組織方法。

這一階段的地理信息被表達為“時間+空間+屬性”或“時空+屬性”，但對關系和語義的表達仍存不足。

在數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)結構上，以基于文件系統(tǒng)和版本數(shù)據(jù)庫的時空數(shù)據(jù)存儲為代表，

多是在原有空間數(shù)據(jù)結構與空間數(shù)據(jù)庫的基礎上擴展，導致對高動態(tài)、

海量數(shù)據(jù)的管理和分析效率不高.當前諸如ArcGIS等商用GIS平臺雖然在不斷改進其時空數(shù)據(jù)分析能力，

但總體上仍然多只能支撐以離散的時空切片形式對時空數(shù)據(jù)進行管理和分析，

未見有對連續(xù)時空演化過程、時空多尺度分析以及動態(tài)地理模式的有效支撐。

　　伴隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，各類應用對地理信息統(tǒng)一表達的需求日漸強烈。

在大數(shù)據(jù)時代，空間信息(定位/幾何)、屬性信息、語義信息、關系信息、過程信息處于相對均等的地位，

并表現(xiàn)出動態(tài)性、社會性、公用性等特征。大數(shù)據(jù)時代的地理信息的內(nèi)涵應從以幾何、空間、關系等為基礎，

轉變?yōu)榫C合自然、人文、社會等信息，涵蓋了包含人類社會世界、多媒體信息世界和現(xiàn)實地理世界的人機物三元世界。

地理信息的來源由傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)全面轉變?yōu)闀r空大數(shù)據(jù)，相對于現(xiàn)有GIS系統(tǒng)，

大數(shù)據(jù)時代的GIS在數(shù)據(jù)表達、對象建模、屬性描述、

語義推理以及模型模式高效分析和計算等多個方面均有更為復雜的需求。

過去的地理信息表達側重于時空定位、幾何結構和屬性特征的方式導致GIS面向大數(shù)據(jù)管理與分析時受到較大的掣肘。

如何以時空大數(shù)據(jù)為支撐，從多重尺度、多重維度、多重屬性、多重空間等視角表達真實地理世界，

為復雜地理系統(tǒng)的建模模擬與預測調控提供計算支撐，

進而實現(xiàn)對地理知識和地理規(guī)律的提取、描述與應用，是大數(shù)據(jù)時代GIS面臨的重大挑戰(zhàn)和關鍵問題。

　　從地理學和地理認知的視角出發(fā)，對地理信息的內(nèi)涵及其表達、分析的形式進行重新思考，

是大數(shù)據(jù)時代對GIS發(fā)展的重要需求，也是提升GIS對大數(shù)據(jù)時代適用性的關鍵途徑之一。

本文從地理認知和地理學視角，將地理場景視作多尺度嵌套、動靜耦合、多要素相互作用的整體，

對地理場景的空間定位、幾何形態(tài)、屬性特征、要素相互關系、演化過程和語義描述“六要素”進行規(guī)范化表達，

構建遵循地理規(guī)律的地理場景數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結構，

進而發(fā)展地理場景數(shù)據(jù)的自適應整合和集成方法，以及場景數(shù)據(jù)的按需定制、優(yōu)化調度與配置方法。

　　2 地理學視角下的地理信息六要素表達

　　地理信息是描述和表達地理對象和現(xiàn)象的空間分布及其時空分異、演化過程及其要素相互作用等的信息。

地理信息應充分考慮復雜地理數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)海量多維、時空相關、多維關聯(lián)、

實時感知、動態(tài)更新與非結構化等特征、空間關系的復雜性、數(shù)據(jù)量的海量性、數(shù)據(jù)使用的快捷性，

有效支撐復雜地理大數(shù)據(jù)的組織、模型計算和多方位、多途徑的地理分析與多模態(tài)表達。

結合地理信息在GIS演變不同階段的定義，筆者從地理學視角提出地理信息內(nèi)涵的定義為：

地理信息是以地理場景為基礎，通過幾何圖形、代數(shù)方程、時間序列、

信息圖譜等多種描述手段實現(xiàn)對地理對象和地理過程的空間定位、

幾何形態(tài)、屬性特征、要素相互關系、演化過程和語義描述“六要素”綜合性、集成性的表達和描述，

是從地理學視角實現(xiàn)人機物三元世界向計算機世界的抽象映射，

是地理觀測、地理模型分析和地理計算的主要輸入和輸出，是地理規(guī)律的數(shù)字化表達與再現(xiàn)。

六要素的基本內(nèi)涵及其表達如表 1所示，其中空間定位是對地理對象或現(xiàn)象位置的描述;

幾何形態(tài)是對地理對象形狀、結構的描述;屬性特征則是通過定性或定量的方式對地理對象與現(xiàn)象固有描述的描述;

要素相互關系用于描述對象與對象間時間或空間上的關系，

也是構建地理空間計算的基本組成;演化過程用于描述地理現(xiàn)象產(chǎn)生和演化過程;

語義描述是經(jīng)過人類處理和認知的地理場景中對象與現(xiàn)象的地理特征，它多具有間接性并通過推理得到。

　　3 地理學視角下的地理信息表達、建模與分析 3.1 地理六要素集成表達的幾何代數(shù)GIS統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型

　　時空數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界的抽象，其核心是建立地理時空數(shù)據(jù)向特定的數(shù)學空間或數(shù)據(jù)空間映射與關聯(lián)。

基于地理學視角的GIS數(shù)據(jù)模型應能有效整合代數(shù)和幾何表達，

有機集成屬性、語義、時空關系等信息，實現(xiàn)多維對象表達、存儲結構、拓撲關系維護以及時空過程表達上的一致性。

幾何代數(shù)理論有效利用數(shù)學結構所內(nèi)蘊的對復雜結構表達能力實現(xiàn)對高維數(shù)據(jù)表達的原生支持，

嘗試復雜地理對象和地理過程在非歐空間的統(tǒng)一表達，實現(xiàn)對兼顧平面與球面、

歐氏空間與曲面空間中不同維度的流形對象與非流形對象，以及連續(xù)對象與離散對象的統(tǒng)一表達。

因此以科學的時空觀為指導，引入幾何代數(shù)這一現(xiàn)代數(shù)學方法進行GIS數(shù)據(jù)模型構建，

可建立時空統(tǒng)一的地理對象的描述框架，并有望在地理對象和地理現(xiàn)象的多維表達、分析與建模方面取得突破。

　　筆者研究了幾何代數(shù)時空表達中幾何、語義、關系及屬性信息的特征及約束的結構化描述方法，

建立語義結構、屬性信息與空間關系的嵌入與映射方法，實現(xiàn)幾何、語義、關系、屬性信息的整體表達，

構建多重信息融合、連續(xù)-離散一體化的時空統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型.通過代數(shù)空間構建、

對象抽象以及空間轉換等方法實現(xiàn)幾何對象表達與數(shù)據(jù)組織，

利用幾何代數(shù)空間中的運算規(guī)則與算子算法實現(xiàn)對象運算，進而實現(xiàn)多重信息融合的代數(shù)化表達。

幾何代數(shù)對不同空間的統(tǒng)一與集成簡化了不同坐標系統(tǒng)下幾何對象表達與轉換的復雜度，

相關空間數(shù)據(jù)的組織、存儲與運算可同時兼容平面及球面坐標系統(tǒng)從而可實現(xiàn)地理對象坐標系統(tǒng)自適應的多維統(tǒng)一表達與構建。

幾何代數(shù)在基本運算層面直接內(nèi)蘊包含了幾何對象的統(tǒng)一運算，

使得基于幾何代數(shù)的對象表達可從底層直接支撐計算。

幾何與代數(shù)相統(tǒng)一的表達與計算方式可為復雜、動態(tài)環(huán)境下的空間關系計算提供新的理論及方法。

　　3.2 地理規(guī)律驅動與相互作用驅動的GIS數(shù)據(jù)結構

　　數(shù)據(jù)結構是連接高維地理時空數(shù)據(jù)與現(xiàn)有計算機體系的關鍵性橋梁，

也是直接決定數(shù)據(jù)的組織、檢索、分析與表達的關鍵所在。

當前GIS數(shù)據(jù)結構的構造主要從計算機視角加以構建，較少涉及地理規(guī)律的整合表達。

基于此，筆者提出以地理學第一、第二定律為基礎的空間數(shù)據(jù)組織模式。

從地理數(shù)據(jù)的分布特征和結構出發(fā)，構建啟發(fā)式的空間數(shù)據(jù)探測規(guī)則，

引入時間距離、空間距離、對象距離的表達以及空間相似/異質的定量描述方法，

建立多目標優(yōu)化數(shù)據(jù)劃分方法，構建可表征數(shù)據(jù)內(nèi)蘊地理規(guī)律的層次空間索引樹及時空數(shù)據(jù)增量更新方法，

可以很好地在顧及空間分布模式的前提下，實現(xiàn)對空間臨近、數(shù)據(jù)均衡、空間重疊度等條件的均衡。

進而構造數(shù)據(jù)應用情景驅動的內(nèi)外存一體化的時空數(shù)據(jù)結構及與之對應的時空索引存儲結構和調度方法，

有效提升海量的具有時空特征地理數(shù)據(jù)的組織、管理、調度、分析和可視化能力。

　　傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)結構以點線面為基礎，未能考慮不同交互界面上的非對稱性與耦合關系的差異。

在地理模型中，以格點、格邊、格元為基礎的模型格網(wǎng)則通過不同界面上的耦合作用

結構來支撐對復雜地理相互作用影響過程的描述和表達。

如何以統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)框架有效地組織與管理這些不同分辨率、類型多樣的海量空間數(shù)據(jù)，

與覆蓋全球的地球系統(tǒng)模式相耦合，

進而實現(xiàn)對地理模型的有效支撐依然是當前地理要素相互作用表達以及GIS數(shù)據(jù)結構設計的難點所在。

在面向地理相互作用的數(shù)值模型構造方面，筆者擴展了現(xiàn)有全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)的編碼表達結構，

將其從單一的格元表達擴展至格點、格邊與格元的統(tǒng)一表達，

以此作為綜合表達不同類別的地理現(xiàn)象、對象演化過程的基礎格網(wǎng)系統(tǒng)。

將空間填充曲線引入現(xiàn)有的格網(wǎng)系統(tǒng)上，通過對各類格網(wǎng)組成要素的編碼，

實現(xiàn)面向多尺度空間數(shù)據(jù)的全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)與地球系統(tǒng)模式中的底層數(shù)據(jù)結構的統(tǒng)一。

此外，針對三維空間中數(shù)值模型的集成，研究了三維表面模型的空間離散方法，

充分顧及實體外部邊界及內(nèi)部點、線、面、洞等特征約束，

將空間對象離散為優(yōu)化的四面體、規(guī)則六面體及不規(guī)則六面體網(wǎng)格，

為三維GIS支持地理計算提供了支持。

同時，球面MEC格網(wǎng)系統(tǒng)直接支持海洋數(shù)值模式，實現(xiàn)了全球三維板塊數(shù)據(jù)建模與可視化，

并采用二維垂向平均潮波運動方程組建立中國近海潮波數(shù)學模型，實現(xiàn)了對中國近海潮波運動的模擬與可視化表達.

　　3.3 非結構化時空數(shù)據(jù)的組織與存儲技術

　　時空數(shù)據(jù)的組織與存儲也是新一代GIS構建的重要需求。

由于地理數(shù)據(jù)多具有顯著的非結構特征，導致高維的空間數(shù)據(jù)與計算機一維線性尋址和存儲方式間的矛盾、

非結構化空間數(shù)據(jù)與結構化內(nèi)外存單元間的矛盾以及非均勻地理空間分布與勻質的內(nèi)外分布之間的矛盾成為難以調和的矛盾。

非關系數(shù)據(jù)庫摒棄了關系數(shù)據(jù)庫的ACID模型，利用松散的、非結構化的方式進行數(shù)據(jù)的組織與存儲，

這種數(shù)據(jù)存儲不需要事先設計好表的結構，也不會出現(xiàn)表之間的連接操作和水平分割，因而具有高可用性、高可靠性和高性能。

　　基于非關系數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)的特點，充分應用云計算的軟硬件技術，

突破多模式海量空間數(shù)據(jù)的一體化表達、并行組織、分布式存儲和快速訪問等技術瓶頸，

可以有效提升海量時空數(shù)據(jù)組織的表達的效率與水平。

對面向大數(shù)據(jù)應用的Hadoop、BigTable、MongonDB、Memcached等新興數(shù)據(jù)組織與管理技術進行改造與擴展，

針對不同類型地理時空數(shù)據(jù)的內(nèi)蘊特征與新興數(shù)據(jù)庫技術進行適應性分析、適配與改造，

構建基于非關系型數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)分布式存儲方法。

從探測空間數(shù)據(jù)內(nèi)蘊的空間分布和分異規(guī)律出發(fā)，綜合使用空間填充曲線、半變異函數(shù)、

QA、KDE等定量分析方法構建Pattern List空間索引，解決了內(nèi)外存一體化的快速空間索引。

在數(shù)據(jù)更新中，通過引入“量變”與“質變”策略，避免空間索引頻繁重構，

優(yōu)化批量插入效率，采用能夠適用于各種分布數(shù)據(jù)類型的空間分布模式進行驅動，

初步形成了一種全新的GIS數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結構，以及新型的數(shù)據(jù)壓縮、

數(shù)據(jù)傳輸方法，極大地提高了數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析的效率

　　4 地理學視角下的地理信息全息地圖表達

　　數(shù)字空間、電子載體的出現(xiàn)，使得地圖正向著三維空間、實時動態(tài)、

虛實融合的方向發(fā)展，物理全息或計算機全息技術得到廣泛應用，

地圖語言正實現(xiàn)從地理學語言到大眾交流的普適性語言的轉變。

以地圖模型為基礎的GIS對地理信息的表達主要集中在地理空間格局上，

對地理過程、要素相互作用以及地理規(guī)律的表達相對薄弱。

基于地理學視角的地理信息表達不僅需要綜合考慮不同層次、不同尺度、動靜耦合、

全局和局部嵌套的地理場景的整體表達，更要強調在地理場景中各種地理規(guī)律的表達，

既能對地理與社會的全方位、多模式三維動態(tài)可視化提供支撐，又具有各類地圖、

場景GIS分析與應用功能。地理學視角下的地理信息再透視及相關信息表達、

建模與分析技術為以全視角、全要素、全信息、全內(nèi)容，

以及地理規(guī)律表達為基本特征的基于場景的地理信息全息地圖表達提供基礎。

　　全息地圖需要對場景中的全地理、全社會信息進行“地圖”表達，

是數(shù)字化世界的全方位解讀，從而實現(xiàn)地理或社會現(xiàn)象及其規(guī)律的地圖表達或地理場景表達。

以地理六要素為基礎建立統(tǒng)一的場景數(shù)據(jù)模型，將地理空間的連續(xù)性與離散性，

時間與空間，地理空間關聯(lián)性與分異性特征進行集成，構建全息地圖數(shù)據(jù)表達和統(tǒng)一的球體空間網(wǎng)格框架，

為開展地理格局分析、過程模擬和要素相互作用提供重要基礎。

此外，在全息地圖表達中，需要以地理規(guī)律為基礎，

設計多維度場景中兼顧時空分布、演化過程和要素相互作用的場景自適應綜合與多模式展示方法。

在六要素表達模型基礎上研究以地理語義為基礎，地理規(guī)律為驅動的全息地圖三維符號、

動態(tài)符號等符號表達方法與理論，建立虛/實、靜/動、連續(xù)/離散、

低維/高維場景融合的全息地圖融合表達模型，是進行全息地圖地理時空格局、

演化過程和要素關系表達的重要基礎。最后利用數(shù)字地圖、

虛擬現(xiàn)實和全息成像等多種形式對地理過程、要素相互作用以及地理規(guī)律加以綜合呈現(xiàn)，

實現(xiàn)地理學視角下的地理信息全息表達

　　5 結論與展望

　　從地理學視角進行地理信息的構建需要同時兼顧數(shù)據(jù)表達、

數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)交換的目標，需要在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結構、

數(shù)據(jù)組織、壓縮、傳輸和共享等方面進行綜合平衡與整合統(tǒng)一，

需要構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，有效整合數(shù)據(jù)分析模型、數(shù)據(jù)表示模型、

數(shù)據(jù)編碼規(guī)范、空間參考模型、接口規(guī)范API、傳輸格式等。

從全要素建模、多視角觀察和理解空間實體和現(xiàn)象的角度，有效開展地學分析和模擬，

從空間數(shù)據(jù)要素描述、關系描述、操作描述、規(guī)則描述等多方面來規(guī)范化空間數(shù)據(jù)抽象模型，

建立統(tǒng)一的、多層次的、開放的空間數(shù)據(jù)模型體系。

該數(shù)據(jù)模型體系應能兼顧數(shù)據(jù)高效分發(fā)處理及支撐復雜空間分析，

從空間數(shù)據(jù)要素描述、關系描述、操作描述、規(guī)則描述等多方面來規(guī)范并抽象空間數(shù)據(jù)模型，

建立統(tǒng)一、多層次、開放的空間數(shù)據(jù)模型體系。

　　從地理學對世界的描述出發(fā)，在綜合地理時空數(shù)據(jù)分布特征、

地理學規(guī)律以及地理知識和規(guī)則的基礎上進行地理信息基礎理論和關鍵技術的創(chuàng)新有助于突破傳統(tǒng)GIS更偏重于測繪、

地圖和計算機圖形學的學科羈絆。在底層數(shù)學理論基礎上，構建地理世界向數(shù)學空間的抽象模式，

進而構建可支撐復雜地理對象和地理現(xiàn)象的時空統(tǒng)一表達空間，

形成多重要素融合的時空統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、

地理規(guī)律驅動的時空索引以及可以有效利用現(xiàn)代計算機體系架構的數(shù)據(jù)組織與運算模式。

以地理規(guī)律和地理相互作用為基礎，利用數(shù)學空間的構造彈性進行新型數(shù)據(jù)結構和計算引擎設計，

進而為以地理場景為基礎，融合數(shù)字地圖、虛擬現(xiàn)實和全息成像的全息地圖表達提供基礎，

有望提升GIS空間計算、分析與表達的彈性和適應性，為時空大數(shù)據(jù)的管理和分析奠定理論、方法和技術基礎。