1 地理信息內(nèi)涵發(fā)展回顧

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

地理信息的內(nèi)涵經(jīng)歷了大致4個(gè)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(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(guò)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�表�?br />
而空間關(guān)系及過(guò)程性的信息通過(guò)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(guò)程和規(guī)律進(jìn)行表達(dá)，也難以表達(dá)其細(xì)節(jié)層次。

　　文獻(xiàn)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)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(kāi)始進(jìn)入以本體為基礎(chǔ)的語(yǔ)義GIS階段。

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(guò)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(jiàn)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(lèi)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)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(guò)程的時(shí)空信息組織方法。

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，

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.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(jiàn)有對(duì)連續(xù)時(shí)空演化過(guò)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(lái)，各類(lèi)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(guò)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。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(lèi)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。

地理信息的來(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程用于描述地理現(xiàn)象產(chǎn)生和演化過(guò)程;

語(yǔ)義描述是經(jīng)過(guò)人類(lèi)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(guò)推理得到。

　　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(guò)程表達(dá)上的一致性。

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(guò)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)。

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.通過(guò)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)。

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。

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。

　　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。

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(shù)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(chēng)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(guò)不同界面上的耦合作用

結(jié)構(gòu)來(lái)支撐對(duì)復(fù)雜地理相互作用影響過(guò)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(lèi)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)，

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(lèi)別的地理現(xiàn)象、對(duì)象演化過(guò)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(guò)對(duì)各類(lèi)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).

　　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(wèn)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(lèi)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。

在數(shù)據(jù)更新中，通過(guò)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(lèi)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

　　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(guò)程、要素相互作用以及地理規(guī)律的表達(dá)相對(duì)薄弱。

基于地理學(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(lèi)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(kāi)展地理格局分析、過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。

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(kāi)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(lái)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(kāi)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(lái)規(guī)范并抽象空間數(shù)據(jù)模型，

建立統(tǒng)一、多層次、開(kāi)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)。