閭國(guó)年,袁林旺,俞肇元

1. 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京師范大學(xué))，江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省地理環(huán)境演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育建設(shè)點(diǎn)，江蘇 南京 210023； 3. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

地理學(xué)視角下測(cè)繪地理信息再透視

閭國(guó)年1,2,3,袁林旺1,2,3,俞肇元1,2,3

1. 虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京師范大學(xué))，江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省地理環(huán)境演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育建設(shè)點(diǎn)，江蘇 南京 210023； 3. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

系統(tǒng)回顧了地理信息系統(tǒng)產(chǎn)生以來地理信息內(nèi)涵發(fā)展與拓展的主要?dú)v程，指出地理信息的定義一直是在“空間+屬性”的地圖信息基本框架下逐步擴(kuò)展，其發(fā)展歷程經(jīng)歷了地圖GIS、語(yǔ)義GIS、時(shí)空GIS和大數(shù)據(jù)GIS 4個(gè)不同的階段，但仍無法滿足時(shí)空大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用需求。從地理學(xué)研究的對(duì)象和內(nèi)容出發(fā)，對(duì)地理學(xué)所需要的“地理信息”的內(nèi)涵和外延進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理總結(jié)，提出了涵蓋“空間定位”“語(yǔ)義描述”“屬性特征”“幾何形態(tài)”“演化過程”“要素相互關(guān)系”的地理信息六要素表達(dá)模型。在地理定律和地理規(guī)律的指導(dǎo)下，面向地理現(xiàn)象空間分布、時(shí)空格局、演化過程、相互作用機(jī)理的集成表達(dá)、系統(tǒng)分析和高效管理，設(shè)計(jì)了六要素集成表達(dá)的幾何代數(shù)統(tǒng)一GIS數(shù)據(jù)模型、地理規(guī)律與相互作用驅(qū)動(dòng)的新型GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化時(shí)空數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，為測(cè)繪地理信息走向地理科學(xué)信息提供了另一個(gè)理論基礎(chǔ)與技術(shù)方法支撐，有助于提升GIS對(duì)地理格局、演化過程和要素相互作用等地理規(guī)律的組織、管理、表達(dá)和分析能力。

地理信息；六要素表達(dá)模型；數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)庫(kù)

1 地理信息內(nèi)涵發(fā)展回顧

自1963年文獻(xiàn)[1]提出并建立了世界上第1個(gè)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(gè)不同階段的演變(見圖1)。早期的地理信息以地圖數(shù)據(jù)管理和計(jì)算機(jī)輔助制圖為目標(biāo)，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象主要基于幾何和屬性進(jìn)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(dá)方法主要從對(duì)象的坐標(biāo)、形狀和屬性的角度進(jìn)行對(duì)象描述。其中對(duì)象語(yǔ)義、屬性等信息均存儲(chǔ)于屬性表中，并通過ID與對(duì)象關(guān)聯(lián)，在數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上以分層、分要素的拓?fù)淠Ｐ偷葹榇?，而空間關(guān)系及過程性的信息通過空間分析計(jì)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(xué)的發(fā)展，“定位+幾何+屬性”成為測(cè)繪地理信息基本框架，在對(duì)地理環(huán)境進(jìn)行抽象表達(dá)時(shí)抽象程度高且主要面向數(shù)據(jù)管理，難以對(duì)地理對(duì)象和地理現(xiàn)象過程和規(guī)律進(jìn)行表達(dá)，也難以表達(dá)其細(xì)節(jié)層次。

圖1 地理信息發(fā)展的歷程Fig.1 The course of geographic information development

文獻(xiàn)[2—3]在20世紀(jì)90年代提出了地理信息科學(xué)的概念，促進(jìn)其從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)向地理信息處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，發(fā)展了諸如疊加分析、空間自相關(guān)、空間統(tǒng)計(jì)等新的分析方法。伴隨著GIS在地理學(xué)諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和空間分析功能的不斷加強(qiáng)，對(duì)地理對(duì)象語(yǔ)義的分析和描述日漸增強(qiáng)。文獻(xiàn)[4]從語(yǔ)義原子角度提出了一種GIS的表達(dá)范式；文獻(xiàn)[5]則首次提出了本體論驅(qū)動(dòng)的地理信息系統(tǒng)，利用本體表達(dá)特定的地理世界，利用概念范式組織數(shù)據(jù)庫(kù)中信息的存儲(chǔ)，從而得到較關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)更為豐富的語(yǔ)義表達(dá)。地理信息的定義開始進(jìn)入以本體為基礎(chǔ)的語(yǔ)義GIS階段[6]。本階段的地理信息表達(dá)從哲學(xué)本體論出發(fā)，試圖用地理語(yǔ)義統(tǒng)一地理對(duì)象、現(xiàn)象與規(guī)律的表達(dá)，構(gòu)建了“語(yǔ)義+空間+屬性”的基本表達(dá)框架，嘗試以語(yǔ)義為基礎(chǔ)進(jìn)行地理對(duì)象特征、關(guān)系和規(guī)律的集成表達(dá)。以語(yǔ)義為基礎(chǔ)的GIS在多重表達(dá)等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但并未提出將屬性、時(shí)間、關(guān)系、過程特征統(tǒng)一表達(dá)的操作性數(shù)據(jù)模型，使得其在實(shí)際應(yīng)用中難以推廣。雖然語(yǔ)義GIS在學(xué)界討論較多，但至今未見成熟的、廣泛商用的語(yǔ)義GIS平臺(tái)。

隨著地理空間觀測(cè)數(shù)據(jù)、連續(xù)器測(cè)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(shí)間維上不斷擴(kuò)展，時(shí)空數(shù)據(jù)集大量生成，時(shí)空地理信息的表達(dá)與分析也逐漸得到重視。文獻(xiàn)[7—9]分別從面向?qū)ο?、時(shí)空語(yǔ)義和時(shí)空拓?fù)涞慕嵌葘?duì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行研究。隨著數(shù)據(jù)更新頻次的快速增加，動(dòng)態(tài)GIS、實(shí)時(shí)GIS等概念被提出并得到廣泛應(yīng)用，從而發(fā)展出了面向事件和面向過程的時(shí)空信息組織方法[10]。這一階段的地理信息被表達(dá)為“時(shí)間+空間+屬性”或“時(shí)空+屬性”，但對(duì)關(guān)系和語(yǔ)義的表達(dá)仍存不足。在數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上，以基于文件系統(tǒng)和版本數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為代表[11-12]，多是在原有空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展，導(dǎo)致對(duì)高動(dòng)態(tài)、海量數(shù)據(jù)的管理和分析效率不高[13-15]。當(dāng)前諸如ArcGIS等商用GIS平臺(tái)雖然在不斷改進(jìn)其時(shí)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(shí)空切片形式對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，未見有對(duì)連續(xù)時(shí)空演化過程、時(shí)空多尺度分析以及動(dòng)態(tài)地理模式的有效支撐。

伴隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，各類應(yīng)用對(duì)地理信息統(tǒng)一表達(dá)的需求日漸強(qiáng)烈。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，空間信息(定位/幾何)、屬性信息、語(yǔ)義信息、關(guān)系信息、過程信息處于相對(duì)均等的地位，并表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性、社會(huì)性、公用性等特征[16]。大數(shù)據(jù)時(shí)代的地理信息的內(nèi)涵應(yīng)從以幾何、空間、關(guān)系等為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合自然、人文、社會(huì)等信息，涵蓋了包含人類社會(huì)世界、多媒體信息世界和現(xiàn)實(shí)地理世界的人機(jī)物三元世界[17]。地理信息的來源由傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)全面轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)空大數(shù)據(jù)，相對(duì)于現(xiàn)有GIS系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)時(shí)代的GIS在數(shù)據(jù)表達(dá)、對(duì)象建模、屬性描述、語(yǔ)義推理以及模型模式高效分析和計(jì)算等多個(gè)方面均有更為復(fù)雜的需求。過去的地理信息表達(dá)側(cè)重于時(shí)空定位、幾何結(jié)構(gòu)和屬性特征的方式導(dǎo)致GIS面向大數(shù)據(jù)管理與分析時(shí)受到較大的掣肘。如何以時(shí)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(dá)真實(shí)地理世界，為復(fù)雜地理系統(tǒng)的建模模擬與預(yù)測(cè)調(diào)控提供計(jì)算支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地理知識(shí)和地理規(guī)律的提取、描述與應(yīng)用，是大數(shù)據(jù)時(shí)代GIS面臨的重大挑戰(zhàn)和關(guān)鍵問題。

從地理學(xué)和地理認(rèn)知的視角出發(fā)，對(duì)地理信息的內(nèi)涵及其表達(dá)、分析的形式進(jìn)行重新思考，是大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)GIS發(fā)展的重要需求，也是提升GIS對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代適用性的關(guān)鍵途徑之一。本文從地理認(rèn)知和地理學(xué)視角，將地理場(chǎng)景視作多尺度嵌套、動(dòng)靜耦合、多要素相互作用的整體，對(duì)地理場(chǎng)景的空間定位、幾何形態(tài)、屬性特征、要素相互關(guān)系、演化過程和語(yǔ)義描述“六要素”進(jìn)行規(guī)范化表達(dá)，構(gòu)建遵循地理規(guī)律的地理場(chǎng)景數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)展地理場(chǎng)景數(shù)據(jù)的自適應(yīng)整合和集成方法，以及場(chǎng)景數(shù)據(jù)的按需定制、優(yōu)化調(diào)度與配置方法。

2 地理學(xué)視角下的地理信息六要素表達(dá)

地理信息是描述和表達(dá)地理對(duì)象和現(xiàn)象的空間分布及其時(shí)空分異、演化過程及其要素相互作用等的信息。地理信息應(yīng)充分考慮復(fù)雜地理數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)海量多維、時(shí)空相關(guān)、多維關(guān)聯(lián)、實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)更新與非結(jié)構(gòu)化等特征、空間關(guān)系的復(fù)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(fù)雜地理大數(shù)據(jù)的組織、模型計(jì)算和多方位、多途徑的地理分析與多模態(tài)表達(dá)。結(jié)合地理信息在GIS演變不同階段的定義，筆者從地理學(xué)視角提出地理信息內(nèi)涵的定義為：地理信息是以地理場(chǎng)景為基礎(chǔ)，通過幾何圖形、代數(shù)方程、時(shí)間序列、信息圖譜等多種描述手段實(shí)現(xiàn)對(duì)地理對(duì)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(guān)系、演化過程和語(yǔ)義描述“六要素”綜合性、集成性的表達(dá)和描述，是從地理學(xué)視角實(shí)現(xiàn)人機(jī)物三元世界向計(jì)算機(jī)世界的抽象映射，是地理觀測(cè)、地理模型分析和地理計(jì)算的主要輸入和輸出，是地理規(guī)律的數(shù)字化表達(dá)與再現(xiàn)。六要素的基本內(nèi)涵及其表達(dá)如表1所示，其中空間定位是對(duì)地理對(duì)象或現(xiàn)象位置的描述；幾何形態(tài)是對(duì)地理對(duì)象形狀、結(jié)構(gòu)的描述；屬性特征則是通過定性或定量的方式對(duì)地理對(duì)象與現(xiàn)象固有描述的描述；要素相互關(guān)系用于描述對(duì)象與對(duì)象間時(shí)間或空間上的關(guān)系，也是構(gòu)建地理空間計(jì)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(yǔ)義描述是經(jīng)過人類處理和認(rèn)知的地理場(chǎng)景中對(duì)象與現(xiàn)象的地理特征，它多具有間接性并通過推理得到。

表1 地理場(chǎng)景表達(dá)的6個(gè)基本要素

3 地理學(xué)視角下的地理信息表達(dá)、建模與分析

3.1 地理六要素集成表達(dá)的幾何代數(shù)GIS統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型

時(shí)空數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象，其核心是建立地理時(shí)空數(shù)據(jù)向特定的數(shù)學(xué)空間或數(shù)據(jù)空間映射與關(guān)聯(lián)。基于地理學(xué)視角的GIS數(shù)據(jù)模型應(yīng)能有效整合代數(shù)和幾何表達(dá)，有機(jī)集成屬性、語(yǔ)義、時(shí)空關(guān)系等信息，實(shí)現(xiàn)多維對(duì)象表達(dá)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系維護(hù)以及時(shí)空過程表達(dá)上的一致性[18]。幾何代數(shù)理論有效利用數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)所內(nèi)蘊(yùn)的對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)表達(dá)能力實(shí)現(xiàn)對(duì)高維數(shù)據(jù)表達(dá)的原生支持，嘗試復(fù)雜地理對(duì)象和地理過程在非歐空間的統(tǒng)一表達(dá)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)象與非流形對(duì)象，以及連續(xù)對(duì)象與離散對(duì)象的統(tǒng)一表達(dá)[19]。因此以科學(xué)的時(shí)空觀為指導(dǎo)，引入幾何代數(shù)這一現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)模型構(gòu)建，可建立時(shí)空統(tǒng)一的地理對(duì)象的描述框架，并有望在地理對(duì)象和地理現(xiàn)象的多維表達(dá)、分析與建模方面取得突破。

筆者研究了幾何代數(shù)時(shí)空表達(dá)中幾何、語(yǔ)義、關(guān)系及屬性信息的特征及約束的結(jié)構(gòu)化描述方法，建立語(yǔ)義結(jié)構(gòu)、屬性信息與空間關(guān)系的嵌入與映射方法，實(shí)現(xiàn)幾何、語(yǔ)義、關(guān)系、屬性信息的整體表達(dá)，構(gòu)建多重信息融合、連續(xù)-離散一體化的時(shí)空統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(見圖2)。通過代數(shù)空間構(gòu)建、對(duì)象抽象以及空間轉(zhuǎn)換等方法實(shí)現(xiàn)幾何對(duì)象表達(dá)與數(shù)據(jù)組織，利用幾何代數(shù)空間中的運(yùn)算規(guī)則與算子算法實(shí)現(xiàn)對(duì)象運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多重信息融合的代數(shù)化表達(dá)[20]。幾何代數(shù)對(duì)不同空間的統(tǒng)一與集成簡(jiǎn)化了不同坐標(biāo)系統(tǒng)下幾何對(duì)象表達(dá)與轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度，相關(guān)空間數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)與運(yùn)算可同時(shí)兼容平面及球面坐標(biāo)系統(tǒng)從而可實(shí)現(xiàn)地理對(duì)象坐標(biāo)系統(tǒng)自適應(yīng)的多維統(tǒng)一表達(dá)與構(gòu)建。幾何代數(shù)在基本運(yùn)算層面直接內(nèi)蘊(yùn)包含了幾何對(duì)象的統(tǒng)一運(yùn)算，使得基于幾何代數(shù)的對(duì)象表達(dá)可從底層直接支撐計(jì)算[21]。幾何與代數(shù)相統(tǒng)一的表達(dá)與計(jì)算方式可為復(fù)雜、動(dòng)態(tài)環(huán)境下的空間關(guān)系計(jì)算提供新的理論及方法[22]。

圖2 基于幾何代數(shù)的六要素?cái)?shù)據(jù)模型Fig.2 Six-element expression model based on geometric algebra

3.2 地理規(guī)律驅(qū)動(dòng)與相互作用驅(qū)動(dòng)的GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是連接高維地理時(shí)空數(shù)據(jù)與現(xiàn)有計(jì)算機(jī)體系的關(guān)鍵性橋梁，也是直接決定數(shù)據(jù)的組織、檢索、分析與表達(dá)的關(guān)鍵所在。當(dāng)前GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造主要從計(jì)算機(jī)視角加以構(gòu)建，較少涉及地理規(guī)律的整合表達(dá)。基于此，筆者提出以地理學(xué)第一、第二定律為基礎(chǔ)的空間數(shù)據(jù)組織模式[23]。從地理數(shù)據(jù)的分布特征和結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)建啟發(fā)式的空間數(shù)據(jù)探測(cè)規(guī)則，引入時(shí)間距離、空間距離、對(duì)象距離的表達(dá)以及空間相似/異質(zhì)的定量描述方法，建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)據(jù)劃分方法，構(gòu)建可表征數(shù)據(jù)內(nèi)蘊(yùn)地理規(guī)律的層次空間索引樹及時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)空間臨近、數(shù)據(jù)均衡、空間重疊度等條件的均衡。進(jìn)而構(gòu)造數(shù)據(jù)應(yīng)用情景驅(qū)動(dòng)的內(nèi)外存一體化的時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及與之對(duì)應(yīng)的時(shí)空索引存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和調(diào)度方法，有效提升海量的具有時(shí)空特征地理數(shù)據(jù)的組織、管理、調(diào)度、分析和可視化能力。

傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以點(diǎn)線面為基礎(chǔ)，未能考慮不同交互界面上的非對(duì)稱性與耦合關(guān)系的差異。在地理模型中，以格點(diǎn)、格邊、格元為基礎(chǔ)的模型格網(wǎng)則通過不同界面上的耦合作用結(jié)構(gòu)來支撐對(duì)復(fù)雜地理相互作用影響過程的描述和表達(dá)。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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地理模型的有效支撐依然是當(dāng)前地理要素相互作用表達(dá)以及GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。在面向地理相互作用的數(shù)值模型構(gòu)造方面，筆者擴(kuò)展了現(xiàn)有全球離散格網(wǎng)系統(tǒng)的編碼表達(dá)結(jié)構(gòu)[24]，將其從單一的格元表達(dá)擴(kuò)展至格點(diǎn)、格邊與格元的統(tǒng)一表達(dá)，以此作為綜合表達(dá)不同類別的地理現(xiàn)象、對(duì)象演化過程的基礎(chǔ)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(duì)各類格網(wǎng)組成要素的編碼，實(shí)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(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。此外，針對(duì)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(shí)體外部邊界及內(nèi)部點(diǎn)、線、面、洞等特征約束，將空間對(duì)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(jì)算提供了支持。同時(shí)，球面MEC格網(wǎng)系統(tǒng)直接支持海洋數(shù)值模式，實(shí)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(yùn)動(dòng)方程組建立中國(guó)近海潮波數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國(guó)近海潮波運(yùn)動(dòng)的模擬與可視化表達(dá)(見圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)組織Fig.3 Data organization

3.3 非結(jié)構(gòu)化時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)技術(shù)

時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)也是新一代GIS構(gòu)建的重要需求。由于地理數(shù)據(jù)多具有顯著的非結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致高維的空間數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)一維線性尋址和存儲(chǔ)方式間的矛盾、非結(jié)構(gòu)化空間數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)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(zhì)的內(nèi)外分布之間的矛盾成為難以調(diào)和的矛盾。非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)摒棄了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的ACID模型，利用松散的、非結(jié)構(gòu)化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織與存儲(chǔ)，這種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不需要事先設(shè)計(jì)好表的結(jié)構(gòu)，也不會(huì)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(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，充分應(yīng)用云計(jì)算的軟硬件技術(shù)，突破多模式海量空間數(shù)據(jù)的一體化表達(dá)、并行組織、分布式存儲(chǔ)和快速訪問等技術(shù)瓶頸，可以有效提升海量時(shí)空數(shù)據(jù)組織的表達(dá)的效率與水平。對(duì)面向大數(shù)據(jù)應(yīng)用的Hadoop、BigTable、MongonDB、Memcached等新興數(shù)據(jù)組織與管理技術(shù)進(jìn)行改造與擴(kuò)展，針對(duì)不同類型地理時(shí)空數(shù)據(jù)的內(nèi)蘊(yùn)特征與新興數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性分析、適配與改造，構(gòu)建基于非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)方法。從探測(cè)空間數(shù)據(jù)內(nèi)蘊(yùn)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(gòu)建Pattern List空間索引，解決了內(nèi)外存一體化的快速空間索引[25]。在數(shù)據(jù)更新中，通過引入“量變”與“質(zhì)變”策略，避免空間索引頻繁重構(gòu)，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(jìn)行驅(qū)動(dòng)，初步形成了一種全新的GIS數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析的效率(圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)組織與存儲(chǔ)技術(shù)Fig.4 Data organization and storage technology

4 地理學(xué)視角下的地理信息全息地圖表達(dá)

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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、虛實(shí)融合的方向發(fā)展，物理全息或計(jì)算機(jī)全息技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，地圖語(yǔ)言正實(shí)現(xiàn)從地理學(xué)語(yǔ)言到大眾交流的普適性語(yǔ)言的轉(zhuǎn)變。以地圖模型為基礎(chǔ)的GIS對(duì)地理信息的表達(dá)主要集中在地理空間格局上，對(duì)地理過程、要素相互作用以及地理規(guī)律的表達(dá)相對(duì)薄弱?；诘乩韺W(xué)視角的地理信息表達(dá)不僅需要綜合考慮不同層次、不同尺度、動(dòng)靜耦合、全局和局部嵌套的地理場(chǎng)景的整體表達(dá)，更要強(qiáng)調(diào)在地理場(chǎng)景中各種地理規(guī)律的表達(dá)，既能對(duì)地理與社會(huì)的全方位、多模式三維動(dòng)態(tài)可視化提供支撐，又具有各類地圖、場(chǎng)景GIS分析與應(yīng)用功能。地理學(xué)視角下的地理信息再透視及相關(guān)信息表達(dá)、建模與分析技術(shù)為以全視角、全要素、全信息、全內(nèi)容，以及地理規(guī)律表達(dá)為基本特征的基于場(chǎng)景的地理信息全息地圖表達(dá)提供基礎(chǔ)。

全息地圖需要對(duì)場(chǎng)景中的全地理、全社會(huì)信息進(jìn)行“地圖”表達(dá)，是數(shù)字化世界的全方位解讀，從而實(shí)現(xiàn)地理或社會(huì)現(xiàn)象及其規(guī)律的地圖表達(dá)或地理場(chǎng)景表達(dá)。以地理六要素為基礎(chǔ)建立統(tǒng)一的場(chǎng)景數(shù)據(jù)模型，將地理空間的連續(xù)性與離散性，時(shí)間與空間，地理空間關(guān)聯(lián)性與分異性特征進(jìn)行集成，構(gòu)建全息地圖數(shù)據(jù)表達(dá)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(chǔ)。此外，在全息地圖表達(dá)中，需要以地理規(guī)律為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)多維度場(chǎng)景中兼顧時(shí)空分布、演化過程和要素相互作用的場(chǎng)景自適應(yīng)綜合與多模式展示方法。在六要素表達(dá)模型基礎(chǔ)上研究以地理語(yǔ)義為基礎(chǔ)，地理規(guī)律為驅(qū)動(dòng)的全息地圖三維符號(hào)、動(dòng)態(tài)符號(hào)等符號(hào)表達(dá)方法與理論，建立虛/實(shí)、靜/動(dòng)、連續(xù)/離散、低維/高維場(chǎng)景融合的全息地圖融合表達(dá)模型，是進(jìn)行全息地圖地理時(shí)空格局、演化過程和要素關(guān)系表達(dá)的重要基礎(chǔ)。最后利用數(shù)字地圖、虛擬現(xiàn)實(shí)和全息成像等多種形式對(duì)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(shí)現(xiàn)地理學(xué)視角下的地理信息全息表達(dá)

5 結(jié)論與展望

從地理學(xué)視角進(jìn)行地理信息的構(gòu)建需要同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)表達(dá)、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)交換的目標(biāo)，需要在數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)組織、壓縮、傳輸和共享等方面進(jìn)行綜合平衡與整合統(tǒng)一，需要構(gòu)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[26]。從全要素建模、多視角觀察和理解空間實(shí)體和現(xiàn)象的角度，有效開展地學(xué)分析和模擬，從空間數(shù)據(jù)要素描述、關(guān)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(yīng)能兼顧數(shù)據(jù)高效分發(fā)處理及支撐復(fù)雜空間分析，從空間數(shù)據(jù)要素描述、關(guān)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(xué)對(duì)世界的描述出發(fā)，在綜合地理時(shí)空數(shù)據(jù)分布特征、地理學(xué)規(guī)律以及地理知識(shí)和規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行地理信息基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新有助于突破傳統(tǒng)GIS更偏重于測(cè)繪、地圖和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的學(xué)科羈絆。在底層數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建地理世界向數(shù)學(xué)空間的抽象模式，進(jìn)而構(gòu)建可支撐復(fù)雜地理對(duì)象和地理現(xiàn)象的時(shí)空統(tǒng)一表達(dá)空間，形成多重要素融合的時(shí)空統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、地理規(guī)律驅(qū)動(dòng)的時(shí)空索引以及可以有效利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)的數(shù)據(jù)組織與運(yùn)算模式。以地理規(guī)律和地理相互作用為基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)空間的構(gòu)造彈性進(jìn)行新型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算引擎設(shè)計(jì)，進(jìn)而為以地理場(chǎng)景為基礎(chǔ)，融合數(shù)字地圖、虛擬現(xiàn)實(shí)和全息成像的全息地圖表達(dá)提供基礎(chǔ)，有望提升GIS空間計(jì)算、分析與表達(dá)的彈性和適應(yīng)性，為時(shí)空大數(shù)據(jù)的管理和分析奠定理論、方法和技術(shù)基礎(chǔ)。

致謝：南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院吳明光副教授、周良辰副教授、羅文博士參與了本文部分內(nèi)容的撰寫，在此一并表示感謝。

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(責(zé)任編輯：叢樹平)

Surveying and Mapping Geographical Information from the Perspective of Geography

Lü Guonian1,2,3,YUAN Linwang1,2,3,YU Zhaoyuan1,2,3

1. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment, Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China; 2. Jiangsu Provincial Key Laboratory of Geographical Environment Evolution, Nanjing 210023, China; 3. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China

It briefly reviewed the history of geographic information content development since the existence of geographic information system. It pointed out that the current definition of geographic information is always the extension from the “spatial+ attributes” basic mapping framework of geographic information. It is increasingly difficult to adapt to the analysis and application of spatial-temporal big data. From the perspective of geography research subject and content, it summarized systematically that the content and extension of the “geographic information” that geography needs. It put forward that a six-element expression model of geographic information, including spatial location, semantic description, attribute characteristics, geometric form, evolution process, and objects relationship.Under the guidance of the laws of geography, for geographical phenomenon of spatial distribution, temporal pattern and evolution process, the interaction mechanism of the integrated expression, system analysis and efficient management, it designed that a unified GIS data model which is expressed by six basic elements, a new GIS data structure driven by geographical rules and interaction, and key technologies of unstructured spatio-temporal data organization and storage. It provided that a theoretical basis and technical support for the shift from the surveying and mapping geographic information to the scientific geographic information, and it can help improving the organization, management, analysis and expression ability of the GIS of the geographical laws such as geographical pattern, evolution process, and interaction between elements.

geographic information; six-element expression model; data model; data structure; database

The Nation Natural Science Foundation of China(Nos. 41231173; 41625004)

Lü Guonian(1961—), male, professor, PhD supervisor, majors in geographic information science theory and applications.

閭國(guó)年,袁林旺,俞肇元.地理學(xué)視角下測(cè)繪地理信息再透視[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(10)：1549-1556.

10.11947/j.AGCS.2017.20170338.

Lü Guonian,YUAN Linwang,YU Zhaoyuan.Surveying and Mapping Geographical Information from the Perspective of Geography[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1549-1556. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170338.

P208

A

1001-1595(2017)10-1549-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(41231173；41625004)

2017-06-23

修回日期： 2017-07-27

閭國(guó)年(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)理論與應(yīng)用。

E-mail： gnlu@njnu.edu.cn