王家耀

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的地圖學(xué)

王家耀

信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001

地圖學(xué)研究的主戰(zhàn)場(chǎng)是“地圖”，但不同歷史時(shí)期的地圖其信息源、主題、內(nèi)容、載體、形式、制作方法和應(yīng)用方式是不同的，當(dāng)然它的全方位價(jià)值也就不同了。從科學(xué)史上的科學(xué)范式的變化來(lái)看，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，如今已經(jīng)步入“數(shù)據(jù)密集型”科學(xué)范式時(shí)代，地圖學(xué)亦如此，具有明顯的大數(shù)據(jù)科學(xué)的特征。所有大數(shù)據(jù)都是由包括人類活動(dòng)在內(nèi)的地理世界的任何事物和任何現(xiàn)象運(yùn)動(dòng)變化產(chǎn)生的，都具有空間和時(shí)間特性，當(dāng)然也就離不開(kāi)空間參照和時(shí)間參照。因此，大數(shù)據(jù)本質(zhì)上就是時(shí)空大數(shù)據(jù)。自20世紀(jì)50年代末60年代初以來(lái)的現(xiàn)代地圖學(xué)，即信息化時(shí)代的地圖學(xué)，是以時(shí)空數(shù)據(jù)為對(duì)象的，其核心是時(shí)空數(shù)據(jù)處理與表達(dá)，但并沒(méi)有像今天面對(duì)天空地海一體的大規(guī)模多源(元)異構(gòu)和多維動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)流(或流數(shù)據(jù))，地圖的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性、主題針對(duì)性、內(nèi)容復(fù)合性、載體多樣化、表現(xiàn)形式個(gè)性化、制作方法現(xiàn)代化、應(yīng)用泛在化等特征，是以往任何時(shí)期都無(wú)法比擬的，這就產(chǎn)生了地圖學(xué)理論、技術(shù)和應(yīng)用體系的巨大變化。而所有這些變化都正好發(fā)生在20世紀(jì)50年代末和60年代初以來(lái)的約60年間，故以本文紀(jì)念《測(cè)繪學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊60周年。

地圖學(xué)；時(shí)空大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)融合；科學(xué)范式；時(shí)空認(rèn)知模型

今年恰逢《測(cè)繪學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊60周年，也是我國(guó)地圖學(xué)發(fā)生革命性變化的60年[1]。

地圖學(xué)可以稱得上是一門(mén)古老而又不斷注入新活力的科學(xué)。如果從已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的古巴比倫地圖算起，迄今已有4500余年的歷史，期間經(jīng)歷了古代地圖學(xué)的萌芽與發(fā)展(約公元14世紀(jì)前)、近代地圖測(cè)繪與傳統(tǒng)地圖學(xué)的形成(約公元15世紀(jì)至20世紀(jì)中葉)、地圖學(xué)的技術(shù)革命與信息時(shí)代的地圖學(xué)(約20世紀(jì)中葉以來(lái))3個(gè)時(shí)期[2-8]。地圖學(xué)從一開(kāi)始就是人類活動(dòng)在一定空間和時(shí)間認(rèn)知世界和改造世界的產(chǎn)物，地圖構(gòu)建地理世界而非復(fù)制地理世界，地圖學(xué)的使命是研究構(gòu)建“地理世界”的理論、方法、技術(shù)體系和地圖表達(dá)復(fù)雜地理世界的空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系及其時(shí)空變化規(guī)律，成為“改變世界的十大地理思想”之一[9-10]。這就決定了地圖學(xué)的科學(xué)、技術(shù)和工程的基本屬性，以及地圖的科學(xué)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、法理價(jià)值、文化價(jià)值和軍事價(jià)值[11]。

人類活動(dòng)本質(zhì)上就是一種時(shí)空行為，世界上的任何事物和現(xiàn)象(包括自然和社會(huì)人文)的發(fā)生、發(fā)展和演變，都是在一定的時(shí)間和空間進(jìn)行的，地圖學(xué)作為表達(dá)人類活動(dòng)與地理環(huán)境在時(shí)間和空間上的復(fù)雜關(guān)系的一種獨(dú)特研究視角，越來(lái)越凸顯出其與空間和時(shí)間的不可分割性。任何地圖都要標(biāo)注制作和出版的時(shí)間(基于某種時(shí)間參考系)及采用的空間參考系(大地坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng))，地圖學(xué)要關(guān)注空間基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)的理論和方法；任何地圖都依賴于其制圖資料(數(shù)據(jù))，都要標(biāo)注資料的時(shí)間、空間參考系統(tǒng)和出處，地圖學(xué)要關(guān)注這些資料的可靠性和可用性并研究多種不同制圖資料的處理方法；地圖是用來(lái)認(rèn)知、管理和治理世界的，能進(jìn)行時(shí)空分析，地圖學(xué)要研究時(shí)間序列的預(yù)測(cè)分析和空間分布規(guī)律分析的模型和算法。無(wú)論何時(shí)期的地圖學(xué)都如此，只不過(guò)時(shí)空精準(zhǔn)度及內(nèi)容的深度和廣度不同而已[12-14]。

在地圖學(xué)發(fā)展的漫長(zhǎng)歷史中，地圖的資料(數(shù)據(jù))源始終是需要面對(duì)的一個(gè)難題，主要難在兩個(gè)方面：一是數(shù)據(jù)源少，可能出現(xiàn)“巧婦難為無(wú)米之炊”，導(dǎo)致地圖品種少、內(nèi)容貧乏，但數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單；二是數(shù)據(jù)源多，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)多源(元)異構(gòu)問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理難度大，但地圖品種多、內(nèi)容豐富。地圖學(xué)正是在解決這個(gè)“難”的過(guò)程中發(fā)展的。16世紀(jì)以前，地圖學(xué)主要是描述記載那些耳聞目見(jiàn)的地理現(xiàn)象，甚至包括一些遠(yuǎn)域異方的神話傳說(shuō)，封建社會(huì)時(shí)代開(kāi)始利用簡(jiǎn)單工具丈量土地封疆；16—19世紀(jì)的殖民時(shí)代組織大規(guī)模地圖測(cè)繪，編繪和出版了大量統(tǒng)一規(guī)格的地形圖和航海圖，地圖的信息量急驟增長(zhǎng)，逐漸兼有信息采集與存儲(chǔ)檢索等功能；隨著19世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、分化和深化，出現(xiàn)了各種專題地圖和地圖集，并基于此對(duì)各種自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象進(jìn)行分析；20世紀(jì)初飛機(jī)的出現(xiàn)和航空攝影測(cè)量的發(fā)展，地形測(cè)繪逐步從外業(yè)轉(zhuǎn)向內(nèi)業(yè)，地圖學(xué)的重點(diǎn)除原有的信息存儲(chǔ)和檢索功能外，分析功能加強(qiáng)了，地圖開(kāi)始用于反演歷史的過(guò)程、推斷未來(lái)的變化；20世紀(jì)50年代以后，衛(wèi)星遙感、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)、計(jì)算機(jī)地圖制圖、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)等相繼問(wèn)世，地圖學(xué)又一次獲得了新的飛躍，地圖數(shù)據(jù)已達(dá)到海量程度，地圖學(xué)的原始功能相當(dāng)大的一部分已經(jīng)被航空航天遙感、地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)等更高效、大容量的現(xiàn)代化技術(shù)所取代。在這種情況下，就正如我國(guó)著名地圖學(xué)家陳述彭先生早在1991年所指出的，地圖學(xué)家們無(wú)論是主動(dòng)地或被動(dòng)地，都被卷進(jìn)了這一急湍的信息時(shí)代的洪流，地圖學(xué)無(wú)法回避這樣一個(gè)客觀事實(shí)的存在，即地圖學(xué)的著重點(diǎn)正在逐步地由信息源獲取一端向信息源加工一端飄移，地圖學(xué)完全有必要而且也有可能把著重點(diǎn)放在信息的深加工方面來(lái)，加強(qiáng)智能化處理，更直接地面向國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，為宏觀決策和工程規(guī)劃設(shè)計(jì)提供更高效的、濃縮的地理信息產(chǎn)品[15]。也正是在這種情況下，越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注地圖制圖數(shù)據(jù)處理?？臻g數(shù)據(jù)處理成為現(xiàn)代地圖學(xué)的主要研究對(duì)象，這是由地圖制圖資料的數(shù)據(jù)化、地圖制圖生產(chǎn)的計(jì)量化和地圖制圖技術(shù)的現(xiàn)代化背景決定的。正是基于這樣的背景，有學(xué)者在多年研究積累的基礎(chǔ)上，提出把“原始數(shù)據(jù)的特征分析和預(yù)處理→數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)和建立→數(shù)據(jù)處理→制圖模型的設(shè)計(jì)、建立和解釋”作為地圖制圖數(shù)據(jù)處理模型方法的基本過(guò)程，并著重相關(guān)分析用于研究和編制顯示要素或現(xiàn)象(地區(qū)或部門(mén))相互關(guān)系(結(jié)構(gòu)特征)的相關(guān)地圖，預(yù)測(cè)分析(回歸模型、時(shí)間序列分析模型、灰色系統(tǒng)理論)用于研究現(xiàn)象間的制約關(guān)系和編制預(yù)測(cè)地圖，主因素(和主成分)分析用于研究復(fù)雜地理綜合體的形式化(簡(jiǎn)化變量結(jié)構(gòu))和編制綜合地圖，聚類分析用于研究系統(tǒng)的組合分類和編制類型區(qū)劃地圖，圖論用于研究某些最優(yōu)化問(wèn)題(如最優(yōu)路徑)和編制各種最優(yōu)化地圖，等等[14]。這種把數(shù)據(jù)處理作為地圖學(xué)的核心的數(shù)據(jù)思維方法至今仍是有效的。

當(dāng)今，隨著天空地海一體的傳感器網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)和智能計(jì)算技術(shù)等的快速發(fā)展，全球信息化邁入了“大數(shù)據(jù)時(shí)代”，地球表層(自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人文)的幾何特征、物理特征和屬性特征，都成為可被感知、記錄、存儲(chǔ)和分析的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)帶來(lái)的信息風(fēng)暴正在變革人們的生活、工作和思維，必將開(kāi)啟一次重大的時(shí)代轉(zhuǎn)型，即思維變革、商業(yè)變革和管理變革。大數(shù)據(jù)之所以能成為一個(gè)時(shí)代，在很大程度上是因?yàn)檫@是一個(gè)由社會(huì)各界廣泛參與、學(xué)科之間交叉融合的社會(huì)活動(dòng)，這場(chǎng)變革必然影響到各行各業(yè)和各個(gè)學(xué)科，機(jī)遇也必將蘊(yùn)含于各行各業(yè)和各個(gè)學(xué)科。在大數(shù)據(jù)成為地圖信息源的“數(shù)據(jù)密集型”科學(xué)范式新時(shí)代，地圖學(xué)又站在了新的歷史起點(diǎn)上[16-17]。此時(shí)此刻，地圖學(xué)界理所當(dāng)然地要思考：大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)將給地圖學(xué)帶來(lái)什么變化？地圖學(xué)如何迎接大數(shù)據(jù)時(shí)代的挑戰(zhàn)和機(jī)遇？這就是本文要探討的問(wèn)題。

1 時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代給地圖學(xué)帶來(lái)的新變化

1.1 地圖學(xué)的時(shí)空觀和方法論

地圖學(xué)本質(zhì)上是一門(mén)研究重構(gòu)地理世界、反映地理世界的空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系及其隨時(shí)間變化而變化的規(guī)律的科學(xué)，地圖學(xué)同空間和時(shí)間密不可分。在哲學(xué)上，空間與時(shí)間一起構(gòu)成運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)存在的兩種基本形式?？臻g指物質(zhì)存在的廣延性；時(shí)間指物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的持續(xù)性和順序性?？臻g和時(shí)間同運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì)不可分割，沒(méi)有脫離物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的空間和時(shí)間，也沒(méi)有不在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)?？臻g和時(shí)間是無(wú)限和有限的統(tǒng)一。就宇宙而言，空間無(wú)邊無(wú)際，時(shí)間無(wú)始無(wú)終，而對(duì)各個(gè)具體事物來(lái)說(shuō)，則是有限的[18]。與此相關(guān)的是，空間參照與時(shí)間對(duì)照是自然與社會(huì)現(xiàn)象的兩個(gè)基本參照系統(tǒng)，世界上的任何事物和現(xiàn)象都離不開(kāi)這兩個(gè)基本參照。換句話說(shuō)，空間坐標(biāo)與時(shí)間刻度是標(biāo)識(shí)自然萬(wàn)事與社會(huì)現(xiàn)象的兩個(gè)基本特征[19-20]。包括人類活動(dòng)在內(nèi)的任何事物和現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)變化都是在確定的空間和時(shí)間發(fā)生的，而所有大數(shù)據(jù)都是由包括人類活動(dòng)在內(nèi)的任何事物和現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)變化所產(chǎn)生的，這就是時(shí)空大數(shù)據(jù)，它是基于統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)，活動(dòng)于時(shí)空中與位置直接或間接相關(guān)聯(lián)的大數(shù)據(jù)。從這個(gè)意義上講，大數(shù)據(jù)本就是時(shí)空大數(shù)據(jù)，它是包括人類活動(dòng)在內(nèi)的現(xiàn)實(shí)地理世界空間結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系各要素(現(xiàn)象)的數(shù)量、質(zhì)量特征及其在時(shí)空中變化的數(shù)據(jù)集的“總和”[16],都具有空間、時(shí)間、屬性、多源(元)異構(gòu)、多維動(dòng)態(tài)等特征，當(dāng)然也離不開(kāi)空間參照與時(shí)間參照。

萬(wàn)事萬(wàn)物的空間與時(shí)間特征作為地圖學(xué)的主要研究和表達(dá)對(duì)象，從時(shí)間序列講，可以科學(xué)表達(dá)過(guò)去(歷史)、現(xiàn)有(現(xiàn)狀)與未來(lái)(規(guī)劃、預(yù)測(cè))，即時(shí)間序列的延拓；從空間范圍講，可以科學(xué)表達(dá)地球表層(四大圈層)、海洋(海底地形、海洋資源、海流、海洋熱帶氣旋)、月球表面(月球形貌和月球地形)、網(wǎng)絡(luò)空間等，即深空、深地、深海、深藍(lán)等都成為了地圖學(xué)描述和表達(dá)的對(duì)象，體現(xiàn)了時(shí)空一體化，深刻地影響著地圖學(xué)研究的認(rèn)識(shí)論和方法論。這就是地圖學(xué)的時(shí)空觀，即地圖學(xué)是描述和表達(dá)萬(wàn)事萬(wàn)物的空間和時(shí)間特征的科學(xué)。

時(shí)空大數(shù)據(jù)成為地圖學(xué)的大規(guī)模海量數(shù)據(jù)源，使得地圖學(xué)對(duì)時(shí)空框架下運(yùn)動(dòng)變化的事物和現(xiàn)象的描述和表達(dá)變得更加科學(xué)實(shí)用。例如：發(fā)病率專題地圖的制作，發(fā)病率異常區(qū)域的確定、該區(qū)域和周邊地區(qū)其他信息的獲取已變得容易，地圖已經(jīng)能夠建立特定癌癥發(fā)病率與特定致癌物質(zhì)接觸程度之間的聯(lián)系[21]；城市某區(qū)域人群流動(dòng)呈現(xiàn)的狀況和人流量控制信息，可通過(guò)先進(jìn)的感知與記錄技術(shù)獲取，城市交通監(jiān)控管理中心的屏幕電子地圖可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地表達(dá)城市某區(qū)域人流狀況預(yù)測(cè)，從而使城市管理者能實(shí)時(shí)了解某區(qū)域的公共安全狀況，及時(shí)采取預(yù)警措施[22]。

地圖學(xué)的時(shí)空觀必將推動(dòng)地圖學(xué)理論的新發(fā)展，地圖哲學(xué)——哲學(xué)視野下的地圖學(xué)作為最高層次的地圖學(xué)理論的概括，時(shí)空綜合認(rèn)知、時(shí)空信息模型、時(shí)空信息傳輸、時(shí)空信息本體、時(shí)空信息語(yǔ)言學(xué)等，都將成為地圖學(xué)理論新的研究領(lǐng)域；互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，地圖制圖的系統(tǒng)論方法、協(xié)同論方法、最優(yōu)化方法等將成為地圖學(xué)的方法論；新興計(jì)算技術(shù)、人類自然智能與人工智能深度融合技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)、時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)格/云服務(wù)技術(shù)，以及語(yǔ)義網(wǎng)、語(yǔ)義網(wǎng)格和語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，都將成為時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)發(fā)展的重要支撐技術(shù)；地圖的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性、主題的針對(duì)性和多樣化、內(nèi)容的復(fù)合性、表現(xiàn)形式的個(gè)性化、應(yīng)用的泛在化等，必將成為可能。

1.2 地圖學(xué)的第一位任務(wù)是多源(元)異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)的融合

在傳統(tǒng)手工地圖制圖時(shí)代，也存在制圖(編圖)資料的加工處理問(wèn)題，如將不同制圖資料的圖例符號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的新編地圖的符號(hào)系統(tǒng)，由資料圖的度量單位轉(zhuǎn)換成新編地圖的度量單位，不同大地坐標(biāo)系制圖資料轉(zhuǎn)換成新編地圖的大地坐標(biāo)系[7]等，不過(guò)一般采用手工處理方法，精度不高、效率較低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

慕課于2011年在美國(guó)正式興起，并取得了迅猛發(fā)展，現(xiàn)包含有Udacity、Coursera、edX等創(chuàng)新項(xiàng)目。中國(guó)高校也相繼參與其中，根據(jù)Coursera的數(shù)據(jù)顯示，2013年Coursera上注冊(cè)的中國(guó)用戶共有13萬(wàn)人，居全球第九。而在2014年達(dá)到了65萬(wàn)人，增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)超過(guò)其他國(guó)家[2]。而慕課對(duì)于中國(guó)醫(yī)學(xué)生而言還是較新穎的詞匯，近幾年才開(kāi)始出現(xiàn)在課堂上，因此還尚處于起始階段。

多源(元)異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)融合，是時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代給地圖學(xué)帶來(lái)的新問(wèn)題。地圖學(xué)再也無(wú)須為數(shù)據(jù)源發(fā)愁了，但時(shí)空大數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)特征也給地圖學(xué)數(shù)據(jù)源的處理增加了新的復(fù)雜性和困難。這主要表現(xiàn)在來(lái)自國(guó)內(nèi)外不同部門(mén)、不同行業(yè)的時(shí)空大數(shù)據(jù)往往具有多類型、多分辨率(影像)、多時(shí)態(tài)、多尺度、多參考系、多語(yǔ)義等特點(diǎn)，客觀上造成集成應(yīng)用的時(shí)空大數(shù)據(jù)不一致、不連續(xù)的問(wèn)題十分突出，給地圖制圖增加了難度，無(wú)法快速為國(guó)家重大工程和信息化條件下的聯(lián)合作戰(zhàn)提供全球一致、陸海一體、無(wú)縫連續(xù)的時(shí)空大數(shù)據(jù)服務(wù)。因此，如何科學(xué)描述、表達(dá)和揭示不同類型、不同尺度、不同時(shí)間、不同語(yǔ)義和不同參考系統(tǒng)的時(shí)空大數(shù)據(jù)的復(fù)雜關(guān)系及其相互轉(zhuǎn)換規(guī)律，從根本上解決多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)的融合，已成為計(jì)算機(jī)數(shù)字地圖制圖環(huán)境下地圖學(xué)亟待解決的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題[23-25]。

應(yīng)該說(shuō)，近幾年來(lái)該領(lǐng)域的研究已越來(lái)越受到關(guān)注和重視，也取得了一些進(jìn)展，但有待研究解決的問(wèn)題還很多，發(fā)展和提升的空間也還很大。例如：基于不同時(shí)空基準(zhǔn)的時(shí)空大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換一直是各國(guó)測(cè)繪與地理信息科技界關(guān)注的最基本的問(wèn)題之一，核心是建立不同時(shí)空基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換模型并確定轉(zhuǎn)換參數(shù)。在大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方面，我國(guó)已建立了1954北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系與2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換模型和轉(zhuǎn)換參數(shù)[26]，正在進(jìn)行全國(guó)各種比例尺時(shí)空數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，工作量很大，而且各城市獨(dú)立坐標(biāo)系到2000國(guó)家大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換還有一些技術(shù)性工作要做。不同尺度(比例尺)、不同時(shí)間、不同語(yǔ)義時(shí)空數(shù)據(jù)融合的研究剛剛起步，我國(guó)“十一五”以來(lái)，國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家“863”計(jì)劃已有多個(gè)項(xiàng)目支持該領(lǐng)域的研究，主要涉及多尺度空間數(shù)據(jù)相似性模型及其度量[27-35]、面狀和線狀目標(biāo)的自動(dòng)匹配等[36-47]，前者主要研究多尺度空間數(shù)據(jù)幾何相似性理論和度量方法，后者主要研究不同時(shí)間、不同尺度道路和面狀居民地的自動(dòng)匹配算法；而不同語(yǔ)義空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，由于涉及地理本體領(lǐng)域的一系列理論、方法和技術(shù)，難度很大，目前的研究多著重語(yǔ)義表達(dá)、基于本體的地理信息查詢檢索和基于語(yǔ)義匹配的地理信息服務(wù)等方面的研究[48-76]。因此，要進(jìn)一步從整體上研究多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)融合的理論，深入研究多尺度空間數(shù)據(jù)相似關(guān)系理論及相似性度量模型，不同時(shí)間和不同尺度點(diǎn)群、道路網(wǎng)和面狀居民地目標(biāo)的自動(dòng)配算法，特別要重點(diǎn)研究基于地理本體的不同語(yǔ)義空間數(shù)據(jù)的一致性處理，包括地理本體的形式化表達(dá)、地理本體庫(kù)、語(yǔ)義轉(zhuǎn)換規(guī)則與規(guī)則庫(kù)和語(yǔ)義自動(dòng)轉(zhuǎn)換適配器等的理論、方法與技術(shù)。

1.3 地圖學(xué)科學(xué)范式的變化

美國(guó)著名科學(xué)哲學(xué)家T.S.庫(kù)恩(T.S.Kuhn)在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》一書(shū)中提出范式的概念和理論[77]。計(jì)算機(jī)圖靈獎(jiǎng)得主Jim Grey于2007年總結(jié)了科學(xué)研究的4個(gè)范式[78]，特別提出了“第四范式”，即以數(shù)據(jù)密集型計(jì)算為特征的科學(xué)范式。地圖學(xué)科學(xué)范式的發(fā)展演進(jìn)完全符合一般科學(xué)范式發(fā)展演進(jìn)的規(guī)律，這只要將地圖學(xué)的發(fā)展演進(jìn)過(guò)程同一般科學(xué)范式發(fā)展演進(jìn)加以比較分析便可得知。地圖學(xué)科學(xué)的第四范式，是以時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算、分析與挖掘?yàn)樘卣鞯漠?dāng)代地圖學(xué)，發(fā)生在當(dāng)前。

以時(shí)空大數(shù)據(jù)密集型計(jì)算為特征的地圖學(xué)科學(xué)范式，使地圖學(xué)完全有必要也有可能把著重點(diǎn)放在時(shí)空大數(shù)據(jù)的智能化深加工方面來(lái)。這主要表現(xiàn)在時(shí)空大數(shù)據(jù)多尺度自動(dòng)變換、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化的理論、方法與技術(shù)等方面。毫無(wú)疑問(wèn)，從技術(shù)層面講，20世紀(jì)最具里程碑意義的事件是計(jì)算機(jī)數(shù)字地圖制圖技術(shù)取代了傳統(tǒng)手工地圖制圖技術(shù)，其中多尺度時(shí)空大數(shù)據(jù)自動(dòng)綜合是核心，至今仍是國(guó)際上該領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)造性的研究熱點(diǎn)[23]。經(jīng)過(guò)60余年的艱難研究和總結(jié)，目前在普通地圖(特別是國(guó)家系列比例尺地形圖，有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范約束)的制圖綜合基本理論、方法和綜合指標(biāo)的計(jì)量化，自動(dòng)制圖綜合模型、算法、知識(shí)及基于知識(shí)的推理，基于自動(dòng)制圖綜合鏈的全要素、全過(guò)程的綜合控制和綜合質(zhì)量評(píng)估，以及多尺度相似性度量關(guān)系理論等方面，都取得了一系列躋身國(guó)際先進(jìn)水平的科學(xué)技術(shù)成果[12，79-95]。不過(guò)目前的智能化水平和自動(dòng)化程度并不很理想，需要進(jìn)一步研究大規(guī)模時(shí)空大數(shù)據(jù)背景下的深度學(xué)習(xí)、人類自然智能與計(jì)算機(jī)人工智能深度融合式的智能綜合理論和方法，以及基于云計(jì)算的分布、并行、協(xié)同式的智能綜合技術(shù)。時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，是時(shí)空大數(shù)據(jù)的核心和本質(zhì)。其中，時(shí)空大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析難度和復(fù)雜度要比通常專題地圖制圖數(shù)據(jù)(小樣本)處理的大，后者已有較成熟的模型方法[14],而時(shí)空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析涉及大數(shù)據(jù)的取舍(清洗)、統(tǒng)計(jì)學(xué)與大數(shù)據(jù)的結(jié)合，以及在大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算等一系列科學(xué)技術(shù)問(wèn)題[94-97]。用時(shí)空大數(shù)據(jù)思維去發(fā)現(xiàn)其潛在價(jià)值(預(yù)測(cè))，即通過(guò)時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)過(guò)去的科學(xué)方法發(fā)現(xiàn)不了的新模式、新知識(shí)和新規(guī)律，必將開(kāi)啟地圖學(xué)的重大時(shí)代轉(zhuǎn)型。正因?yàn)槿绱?，目前關(guān)注并從事該領(lǐng)域研究的人越來(lái)越多，發(fā)表了不少有關(guān)學(xué)術(shù)著作[97-113]，各地先后成立了許多大數(shù)據(jù)研究院、工程中心和實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)，取得了一些成效，同時(shí)也面臨不少問(wèn)題。例如：研究商業(yè)大數(shù)據(jù)的多(受商業(yè)利益驅(qū)動(dòng))，而研究科學(xué)大數(shù)據(jù)的少(科學(xué)決策驅(qū)動(dòng)不夠)；研究一般大數(shù)據(jù)的多，而研究時(shí)空大數(shù)據(jù)的少，這涉及對(duì)大數(shù)據(jù)與時(shí)空大數(shù)據(jù)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題；研究大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的多，真正研究時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)的少；時(shí)空大數(shù)據(jù)理論研究薄弱，更未形成理論體系；“時(shí)空大數(shù)據(jù)隱含價(jià)值→技術(shù)發(fā)現(xiàn)價(jià)值→應(yīng)用實(shí)現(xiàn)價(jià)值”的技術(shù)體系尚未形成；等等。這些都是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。時(shí)空大數(shù)據(jù)的可視化，要解決的問(wèn)題是面向不同層次不同用戶需要的可視化主題多變性、強(qiáng)交互性和快速性，即根據(jù)眾多不同需求從大規(guī)模海量數(shù)據(jù)中快速提取與主題相關(guān)的時(shí)空大數(shù)據(jù)，對(duì)提取的時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與挖掘，對(duì)發(fā)現(xiàn)的知識(shí)設(shè)計(jì)或選擇知識(shí)表達(dá)方法(其表現(xiàn)形式更加多樣化)并快速可視化，因?yàn)闀r(shí)空大數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的流數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)流)，強(qiáng)交互性貫串于“提取數(shù)據(jù)→分析挖掘→發(fā)現(xiàn)知識(shí)→設(shè)計(jì)或選擇知識(shí)表達(dá)方式并可視化”的整個(gè)過(guò)程?？梢?jiàn)，時(shí)空大數(shù)據(jù)的可視化超越了一般的地圖可視化和空間信息可視化[112]，而且可視化本身就是一種數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)方法[113]。

1.4 時(shí)空認(rèn)知與時(shí)空地理信息傳輸模式的變化

時(shí)空認(rèn)知作為基礎(chǔ)理論來(lái)研究有兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)：一是，從社會(huì)需求和地圖學(xué)的功能來(lái)看，人類必須不間斷地研究自身賴以生存和發(fā)展的環(huán)境，而這是離不開(kāi)地圖學(xué)的；二是，當(dāng)我們用計(jì)算機(jī)制圖方式生產(chǎn)地圖時(shí)，人類制圖學(xué)家必須將自己在制作地圖時(shí)所表現(xiàn)出的自然智能與計(jì)算機(jī)人工智能進(jìn)行深度融合，以提高計(jì)算機(jī)地圖制圖的智能化水平和自動(dòng)化程度。這兩個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是一回事，就是探索人腦和電腦是怎樣對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理及其在時(shí)空地理信息傳輸過(guò)程中是怎樣發(fā)揮作用的。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，學(xué)界許多專家研究過(guò)地圖空間認(rèn)知和地圖信息傳輸問(wèn)題[2]。捷克人柯拉斯尼(A.Kolacny)于1969年提出了第一個(gè)地圖信息傳輸模式[114],引起了國(guó)際制圖學(xué)術(shù)界對(duì)這一問(wèn)題的關(guān)注和重視，隨后許多學(xué)者都先后提出了一些地圖信息傳輸模式。這些模式雖各不相同，但都可以這樣來(lái)理解：制圖者(信息發(fā)送者)把對(duì)客觀世界(制圖對(duì)象)的認(rèn)識(shí)加以選擇、分類、簡(jiǎn)化等信息加工并符號(hào)化(編碼)，通過(guò)地圖(信道)傳遞給用戶(信息接收者)，用圖者經(jīng)過(guò)符號(hào)識(shí)別(譯碼)，同時(shí)通過(guò)對(duì)地圖的分析和解釋形成對(duì)客觀世界(制圖對(duì)象)的認(rèn)識(shí)?？偲饋?lái)說(shuō)，地圖信息傳輸是從整體上研究制圖者、地圖信息、地圖、地圖使用者、使用地圖的效果這5部分之間的相互作用與關(guān)系。整個(gè)地圖信息傳輸過(guò)程中，地圖空間認(rèn)知貫穿始終。

然而，在當(dāng)今時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代，柯拉斯尼的地圖信息傳輸模式暴露出了其局限性。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GNSS)、天空地海一體化對(duì)地觀測(cè)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”等新興信息技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)自己賴以生存的時(shí)空環(huán)境的認(rèn)識(shí)正在由地圖空間認(rèn)知向以現(xiàn)實(shí)地理世界為對(duì)象，由“感知的地理世界”“重構(gòu)的地理世界”和“認(rèn)知的地理世界”構(gòu)成的全過(guò)程、多模式時(shí)空綜合認(rèn)知轉(zhuǎn)移。如圖1所示，時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的時(shí)空感知與認(rèn)知模式是開(kāi)放的、動(dòng)態(tài)的、多模式的、綜合的，整個(gè)感知認(rèn)知全過(guò)程中融入了前述各種新興信息技術(shù)，特別是深度學(xué)習(xí)和深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)、人類自然智能與計(jì)算機(jī)人工智能深度融合等技術(shù)。

圖1 時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的時(shí)空感知認(rèn)知與時(shí)空信息傳輸模式Fig.1 The information transmission model considering spatio-temporal sensing and cognition in the era of big data

2 總 結(jié)

時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，給地圖學(xué)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，地圖學(xué)必將又一次站在新的起點(diǎn)上向更高水平發(fā)展。

無(wú)論是古代地圖學(xué)、近代地圖學(xué)或是現(xiàn)代地圖學(xué)，地圖學(xué)的時(shí)空觀和方法論都是地圖學(xué)的最根本的問(wèn)題，只不過(guò)是時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代我們認(rèn)識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題的更加重要性。以哲學(xué)視野從整體上研究地圖學(xué)、地圖演化論、地圖文化及其時(shí)空特性等，地圖學(xué)的時(shí)空大數(shù)據(jù)思維必將推動(dòng)理論、技術(shù)方法和服務(wù)模式的變革。

由傳統(tǒng)地圖制圖時(shí)代的制圖資料整編，到時(shí)空計(jì)算機(jī)數(shù)字化地圖制圖時(shí)代的制圖數(shù)據(jù)處理，再到如今時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)融合，反映了地圖學(xué)數(shù)據(jù)(信息)源由單源到多源、由少到多、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的趨勢(shì)，相應(yīng)地也驅(qū)動(dòng)了制圖數(shù)據(jù)源處理的理論、方法和技術(shù)的不斷發(fā)展。

時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，使地圖學(xué)的科學(xué)范式由計(jì)算和模擬范式(第三范式)中分離出來(lái)而進(jìn)入當(dāng)前的數(shù)據(jù)密集型計(jì)算范式(第四范式)，這是一種以時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算為特征的地圖學(xué)科學(xué)范式。這里的“時(shí)空大數(shù)據(jù)計(jì)算”，除前述多源異構(gòu)時(shí)空大數(shù)據(jù)融合外，主要是時(shí)空大數(shù)據(jù)多尺度自動(dòng)變換、時(shí)空大數(shù)據(jù)分析挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，以及時(shí)空大數(shù)據(jù)可視化等的理論、方法和技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)時(shí)空大數(shù)據(jù)價(jià)值的最大化。

地圖空間認(rèn)知與地圖信息傳輸是現(xiàn)代地圖學(xué)的基礎(chǔ)理論，對(duì)地圖科技工作的觀念轉(zhuǎn)變和更新起了重要作用。然而，當(dāng)時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)的時(shí)候，由于天空地海一體的智能傳感器網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、新興計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)等的快速發(fā)展，在人類認(rèn)知自己賴以生存的現(xiàn)實(shí)地理世界的科學(xué)活動(dòng)“三要素”(主體要素——科學(xué)家、客體要素——科學(xué)活動(dòng)的對(duì)象、工具要素——科學(xué)活動(dòng)的手段)中，工具要素處于越來(lái)越重要的地位，作用越來(lái)越大，開(kāi)放、動(dòng)態(tài)、多模式、綜合的時(shí)空感知認(rèn)知和時(shí)空信息傳輸新模式，必將成為時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代地圖學(xué)理論的基礎(chǔ)研究任務(wù)。

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(責(zé)任編輯：宋啟凡)

Cartography in the Age of Spatio-temporal Big Data

WANG Jiayao

College of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China

Cartography is an ancient science with almost the same long history as the world’s oldest culture.Since ancient times,the movement and change of anything and any phenomena,including human activities,have been carried out in a certain time and space.The development of science and technology and the progress of social civilization have made social management and governance more and more dependent on time and space.The information source,theme,content,carrier,form,production methods and application methods of map are different in different historical periods,so that its all-round value is different. With the arrival of the big data age,the scientific paradigm has now entered the era of “data-intensive” paradigm,so is the cartography,with obvious characteristics of big data science.All big data are caused by movement and change of all things and phenomena in the geographic world,so they have space and time characteristics and thus cannot be separated from the spatial reference and time reference.Therefore,big data is big spatio-temporal data essentially.Since the late 1950s and early 1960s,modern cartography,that is,the cartography in the information age,takes spatio-temporal data as the object,and focuses on the processing and expression of spatio-temporal data,but not in the face of the large scale multi-source heterogeneous and multi-dimensional dynamic data flow(or flow data)from sky to the sea.The real-time dynamic nature,the theme pertinence,the content complexity,the carrier diversification,the expression form personalization,the production method modernization,the application ubiquity of the map,is incomparable in the past period,which leads to the great changes of the theory,technology and application system of cartography.And all these changes happen to occur in the 60 years since the late 1950s and early 1960s,so this article was written to commemorate the 60th anniversary of the “Acta Geodaetica et Cartographica Sinica”.

cartography；big spatio-temporal data；data fusion；science paradigms；spatio-temporal cognitive model

王家耀.時(shí)空大數(shù)據(jù)時(shí)代的地圖學(xué)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1226-1237.

10.11947/j.AGCS.2017.20170308.

WANG Jiayao.Cartography in the Age of Spatio-temporal Big Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1226-1237. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170308.

P208

A

1001-1595(2017)10-1226-12

2017-06-14

修回日期： 2017-07-24

王家耀(1936—)，男，教授，中國(guó)工程院院士，研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

Author： WANG Jiayao(1936—)，male，professor，academician of Chinese Academy of Engineering，majors in cartography and geographic information system．