高性能计算机在世界的发展 闾国年：地理学视角下测绘地理信息再透视(3)

文献[2—3]在20世纪90年代提出了地理信息科学的概念，促进其从数据管理系统向地理信息处理系统转变，发展了诸如叠加分析、空间自相关、空间统计等新的分析方法。伴随着GIS在地理学诸多领域的广泛应用和空间分析功能的不断加强，对地理对象语义的分析和描述日渐增强。文献[4]从语义原子角度提出了一种GIS的表达范式；文献[5]则首次提出了本体论驱动的地理信息系统，利用本体表达特定的地理世界，利用概念范式组织中信息的存储，从而得到较关系更为丰富的语义表达。地理信息的定义开始进入以本体为基础的语义GIS阶段[6]。本阶段的地理信息表达从哲学本体论出发，试图用地理语义统一地理对象、现象与规律的表达，构建了“语义+空间+属性”的基本表达框架，尝试以语义为基础进行地理对象特征、关系和规律的集成表达。以语义为基础的GIS在多重表达等方有一定优势，但并未提出将属性、时间、关系、过程特征统一表达的操作性数据模型，使得其在实际应用中难以推广。虽然语义GIS在学界讨论较多，但至今未见成熟的、广泛商用的语义GIS平台。

随着地理空间观测数据、连续器测数据，各类模式模拟数据的不断积累，地理数据在时间维上不断扩展，时空数据集大量生成，时空地理信息的表达与分析也逐渐得到重视。文献[7—9]分别从面向对象、时空语义和时空拓扑的角度对时空数据模型进行研究。随着数据更新频次的快速增加，动态GIS、实时GIS等概念被提出并得到广泛应用，从而发展出了面向事件和面向过程的时空信息组织方法[10]。这一阶段的地理信息被表达为“时间+空间+属性”或“时空+属性”，但对关系和语义的表达仍存不足。在数据组织和数据结构上，以基于文件系统和版本的时空数据存储为代表[11-12]，多是在原有空间数据结构与空间的基础上扩展，导致对高动态、海量数据的管理和分析效率不高[13-15]。当前诸如ArcGIS等商用GIS平台虽然在不断改进其时空数据分析能力，但总体上仍然多只能支撑以离散的时空切片形式对时空数据进行管理和分析，未见有对连续时空演化过程、时空多尺度分析以及动态地理模式的有效支撑。

从地理学和地理认知的视角出发，对地理信息的内涵及其表达、分析的形式进行重新思考，是大数据时代对GIS发展的重要需求，也是提升GIS对大数据时代适用性的关键途径之一。本文从地理认知和地理学视角，将地理场景视作多尺度嵌套、动静耦合、多要素相互作用的整体，对地理场景的空间定位、几何形态、属性特征、要素相互关系、演化过程和语义描述“六要素”进行规范化表达，构建遵循地理规律的地理场景数据模型和数据结构，进而发展地理场景数据的自适应整合和集成方法，以及场景数据的按需定制、优化调度与配置方法。

2 地理学视角下的地理信息六要素表达

地理信息是描述和表达地理对象和现象的空间分布及其时空分异、演化过程及其要素相互作用等的信息。地理信息应充分考虑复杂地理数据所呈现海量多维、时空相关、多维关联、实时感知、动态更新与非结构化等特征、空间关系的复杂性、数据量的海量性、数据使用的快捷性，有效支撑复杂地理大数据的组织、模型计算和多方位、多途径的地理分析与多模态表达。结合地理信息在GIS演变不同阶段的定义，笔者从地理学视角提出地理信息内涵的定义为：地理信息是以地理场景为基础，通过几何图形、代数方程、时间序列、信息图谱等多种描述手段实现对地理对象和地理过程的空间定位、几何形态、属性特征、要素相互关系、演化过程和语义描述“六要素”综合性、集成性的表达和描述，是从地理学视角实现人机物三元世界向计算机世界的抽象映射，是地理观测、地理模型分析和地理计算的主要输入和输出，是地理规律的数字化表达与再现。六要素的基本内涵及其表达如表 1所示，其中空间定位是对地理对象或现象位置的描述；几何形态是对地理对象形状、结构的描述；属性特征则是通过定性或定量的方式对地理对象与现象固有描述的描述；要素相互关系用于描述对象与对象间时间或空间上的关系，也是构建地理空间计算的基本组成；演化过程用于描述地理现象产生和演化过程；语义描述是经过人类处理和认知的地理场景中对象与现象的地理特征，它多具有间接性并通过推理得到。

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