GIS理论的发展

第３３卷第４期　２０１０年Ｏ７月　现代测绘　Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．４　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｓｕｒｖｅｖｉｎ￣ａｎｄ　Ｍａｏｐｉｎ　Ｊｕｌｙ．２０１０　Ｇ　Ｉ　Ｓ理论的发展　黄杏元　（南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京２１００９３）　摘要从ＧＩＳ研究理论的发展，介绍了空间数据及融合理论、空间曲面理论、空间认识理论、地图可观化理论、空　间数据建模理论的研讨成果，为ＧＩＳ研究和应用提供极好的参考。　关键词ＧＩＳ理论框架发展进程　中图分类号：Ｐ２０８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—４０９７（２０１０）０４—０００３—０５　ＧＩＳ是管理和分析空间数据的科学技术，是集　地理学、计算机科学、测绘学、空间科学、信息科学　和管理科学等学科为一体的新兴边缘学科，因此它　本文拟在该理论框架的基础上，就其中的空间　数据及其融合理论、空间曲面理论、空间认知理论、　地图可视化理论、ＧＩＳ理论的进一步发展等内容、内　涵及意义进行讨论，以期集思广益，进一步推进地　理信息科学的发展。　的发展和应用具有多学科交叉的显著特征Ｅｌｉ，也体　现当代科学技术发展的一个明显特点。　李德仁院士指出，由于ＧＩＳ带有十分明显的面　向应用和技术导引的特点，实际上，在没有形成地　理信息理论之前就已广为应用并蓬勃发展ｌ２］。国际　ＧＩＳ知名学者，美国加州大学Ｇｏｏｄｃｈｉｌｄ教授在　ＴｏｙＪＲｒｄｓ　ａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ。。——　１空问数据及其融合理论　ＧＩＳ研究和解决的是空间问题，空问数据是　ＧＩＳ的核心概念。从ＧＩＳ的数据输入、空间实体的　表达、空间事物和现象的特征描述，直到Ｇ１Ｓ分析　文中也曾指出，ＧＩＳ的“技术导引”和“应用导引”两　大特点丝毫不影响ＧＩＳ的研究特性和逐步形成它　和运算结果的输出，无不与空间数据紧密关联。空　间数据是地球表层所有涉及地理位置的事物或现　象的数字表达，数字化和这些数字为所有地理事物　作为一门科学的作用Ｉ３ｊ。实际上，正是由于ＧＩＳ的　广泛应用和大量实践的结果，逐步导致ＧＩＳ理论框　架的形成ｌ４ｊ（图１）。　输入计算机提供了可能性。这一伟大变革的创始　人正是加拿大学者诺基尔・汤姆林逊博士，他于　１９６２年提出了“把地图变成数字形式，以便于计算　机处理和分析”的新思路。　空间数据从最初的数据生产已经发展到构　成地理信息科学原理的重要组成部分，例如空间　数据对实体的表达，从矢量和栅格进展到两者的　相互转换和一体化；空间数据对实体的特征描　述，从定位和定性延伸到时空一体化；空间数据　的组织，从图层和图幅发展到面向对象的整体数　据模型；空间数据的管理，从２０世纪７Ｏ年代中　期的文件管理、８０年代中期的混合数据管理，已　经进展到８Ｏ年代末期的全数据库管理的新　阶段。　空间数据融合理论是研究如何将不同来　源、不同尺度、不同格式、不同时态和不同精度　的数据进行集成和融合，以便充分利用多源数　据的有用信息，减少数据采集的高额开销，提高　数据的复用度和共享度。数据融合需要研究不　同空间数据的转换，包括比例尺缩放、图形平移　图１地理信息科学的理论框架（据陈述彭，１９９７）　和旋转等，特别是与地图投影变换关系最为密　４　现代测绘　第３３卷　切。ＧＩＳ不但继承了测绘学及其分支科学的有　是指其上的空间对象（如地势、气温、降雨等）是呈　连续方式分布和变化的，它们对应的空间模型是连　续曲面，该曲面上各点对应的特征值可以通过数学　关理论，例如误差理论、地图投影理论、图形理　论及其相关的算法等，而且大大拓展了传统的　空间数据变换算法，提出了基于ＧＩＳ的数据集　成技术框架和方法以及基于语义层次的数据转　换共享模型。这种模型的转换特点是既有数据　插值法求取，例如无偏估计和方差最小原理等，内　插出所需要点的数值，曲面上的空间实体可以用等　值线法表示。如图２（２）所示，梯状曲面的情况则不　相同，其上的空间对象（如耕地、街坊、产值等）是呈　非连续分布和变化的，它们对应的空间模型是梯状　曲面，梯状曲面又称为统计曲面，该曲面上各点对　应的特征值是由对应的统计单元确定的，因此，曲　结构的转换，又有语义数据的操作和转换，提供　了崭新的数据互操作模式，其最终目的是使数　据客户能读取任意数据服务器提供的空间数　据，实现数据的共享。这是开放ＧＩＳ的概念，也　是当前ＧＩＳ的研究热点。　从２０世纪６Ｏ年代初诞生的ＧＩＳ空间数据概　念，从最初关于地理要素的位置、形状及要素间关　系等信息的载体，已经发展到空间元数据、空间数　据库、空间数据基础设施、空间数据转换标准、空　间参照、空间联接、空间建模、空间分析、空间查　询、空间统计等，其内涵和功能已得到极大地提　升。空间数据对ＧＩＳ的意义，过去只认为它是ＧＩＳ　的操作对象，现在感悟到它永远是ＧＩＳ的“根”，　ＧＩＳ一切的发展都是基于这个“根”，它是ＧＩＳ理论　的重要基础。　２空问曲面理论　空间曲面是地理空间（Ｇｅｏ－－ｓｐａｔｉａ１）的组成部　分。研究地理空间，除了建立地理空间的定位参考　框架，还必须分析地理空间特征实体的几何形态、　时空分布及相互关系。地理空间特征实体指具有　形状、属性和时序特征的空间对象或地理实体，包　括点、线、面、曲面和体，也是ＧＩＳ表示、空间数据处　理和空间分析的主要对象。其中，曲面有连续曲面　和梯状曲面之分（图２）。如图２（１）所示，连续曲面　（１）连续曲面　（２）梯状曲面　图２空间曲面的类型　面上的空间对象常常是经济或社会现象，只能采用　分级统计图的制图方法表示。　空间曲面理论是由美国地理学家Ｇ．Ｆ．Ｊｅｎｋｓ　教授于２Ｏ世纪７０年代提出的，他在关于现代统计　地图制作方法的论述中指出，有人对空间与图形关　系存在着错误的认知，混淆了连续曲面与梯状曲面　的不同概念＿５］，常常造成实际应用上的错误。事实　上，这种错误情况目前也还存在。例如有人在基于　ＧＩＳ技术和方法的应用中，常常对空间曲面的类型　和性质不加区分，对一些经济或统计现象也照搬常　用的空间内插方法，甚至将梯状曲面上的社会经济　现象也搬到连续的三维立体图上，造成对读者的误　导，确实有必要重新提起警示。　显然，空间曲面理论关系到ＧＩＳ数据建库策略　的选择、空间内插方法的选择、空间分析方法和空　间表示方法的确定等，对ＧＩＳ应用具有重要的指导　意义。　３空间认知理论　空间认知（Ｓｐａｔｉａｌ　Ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ）是人们获取和　利用知识以及关于空间环境信念的思维过程，　是对事物和现象的发生、影响、因果进行分析研　究的基础，是地理学和心理学的交叉研究领　域　。　（图３）。　图３空间认知概念（据邬伦等，２００１）　人类对空间实体或现象的认识是一个复杂的　过程，鲁学军等对这个过程进行了描述和表达　（图４）。　第４期　黄杏元：ＧＩＳ理论的发展　５　正确　实践检验　、—ｒ一／　错误　．．．．．．．．．．．．Ｊ．．．．．．．一　行为决策　——１　一　．．．．．．．．．．．．】．．．．．．一　地理概念　地理逻辑分析　地理知觉　地理规则　地球表层　图４空间认知图示（据鲁学军等，１９９８）　从这个图示可以看出，空间认知从地球表层的　地理对象开始，经过知觉、注意、表象、记忆、学习、　思维、语言、概念形成，直至问题求解和行为决策等　有机联系的信息处理流程，其中的地理规则包含着　地理学的基本理论和知识结构，它对空间认知的规　范和指导具有首要的意义。　地理学对促进地理信息科学理论发展的意义，　从美国ＮＣＧＩＡ对ＧＩＳｙｓｔｅｍ和ＧＩＳｃｉｅｎｃｅ核心课程　的不同规划可以看出来。例如，ＧＩＳｙｓｔｅｍ核心课程　包括ＧＩＳ导论、ＧＩＳ技术和ＧＩＳ应用三门课程，而　ＧＩＳｃｉｅｎｃｅ核心课程包括ＧＩＳ的基本地理概念、ＧＩＳ　地理概念的实现和社会中的地理信息技术三门课　程，可见地理信息科学与地理学之间的关联性何等　密切。　那么，空间认知理论对ＧＩＳ都有哪些重要意　义？以下，就作者的初步认识作出归纳。　１．根据王家耀教授对地理环境信息流在人脑　中的处理过程和同样的信息流在ＧＩＳ中处理过程　的比较研究ｒ８］表明，在ＧＩＳ中引入空间认知理论，　具体地说包括人的思维、智力干预和质量评定等，　对于提高ＧＩＳ产品质量，实现ＧＩＳ的智能决策目标　等，具有重要意义。　２．根据马荣华博士对空间认知与ＧＩＳ空间数　据组织的研究＿９］表明，在ＧＩＳ空间数据及数据组织　中引入空间认知理论，能很顺畅地解决现实世界的　抽象，最终建立基于特征的时空一体化数据组织框　架和分布式的ＧＩＳ数据组织框架，空间认知理论提　供了从真实世界到ＧＩＳ数据库映射的具体解决　方案。　３．空问分析是ＧＩＳ的核心，空间分析的原理是　基于地学的理解、知识和经验。空间认知理论恰好　为地学知识的获取、凝练、融合、推理，以及揭示隐　藏在知识中的内涵和规律等提供了理论依托和认　知引导。　４．应用模型是ＧＩＳ系统应用和取得效益的重　要保证，而ＧＩＳ应用模型的构建涉及人们对客观世　界的认知分析、概念映射、行为决策和实践检验等，　这与图４所展示的空间认知图示的思路是相一致　的。因此，空间认知理论是构建ＧＩＳ应用模型的直　接依据。　５．如前所述，ＧＩＳ是表达空间的系统，而系统　设计者与系统用户的认知模型是不一致的，前者以　抽象思维为主，后者以形象思维为主。如何将两者　统一起来，包括从系统需求分析直至系统用户界面　的设计，都必须始终以空间认知理论为指导，做到　系统设计的各个环节都能贯彻以人为本的认知原　则，这是非常重要的。　４地图可视化理论　国际地图学协会（ＩＣＡ）于１９９５年成立可视化　委员会（Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ），１９９６年可　视化委员会与美国计算机协会图形学专业组进行　跨学科合作，探讨科学计算可视化与地图可视化的　连接与交流。１９９９年ＩＣＡ可视化委员会重新组合　为现在的可视化和虚拟环境委员会。从此，对于地　图可视化理论的研究，受到了广泛的关注。　地图可视化理论从最早的空间数据图形化概　念，已经扩展到初步形成可视化的理论框架（图５）。　图５地图司视化理论框架　如图５所示，地图可视化理论框架由视觉变量　和符号结构及四个理论模块组成。任何地图和图　形都是由基本图形要素组成的，基本图形要素又称　为视觉变量或图形变量，它们包括颜色、亮度、尺　寸、形状、密度、方向和位置Ｅｍ］，它们构成无限种组　合方式，为地图可视化提供了丰富多彩的表现形　式。随着多媒体计算机技术和虚拟现实技术的发　展，地图可视化变量已经由静态视觉变量扩展到动　６　现代测绘　第３３卷　态视觉变量（时间）、听觉变量（声音）、嗅觉和触觉　变量等，它们的组合和应用大大提高了人对所表达　的地理现象的感知和理解。　四个可视化理论模块包括目标任务、表现主　题、图型元素和技术手段。目标任务是指可视化所　方案论证的工具；在ＧＩＳ系统运行阶段，可视化就　是系统演示的对象，特别是ＧＩＳ产品的制作，地图　可视化直接为产品制作提供理论依据。因此，地图　可视化理论是ＧＩＳ理论的重要组成部分。　针对的目标和任务。地图可视化的早期目标任务　只是现实世界或静态空间数据的直观显示，即用户　在确定空间数据和选择视觉变量的基础上，进行全　要素、分图层或分区域的图形显示，不同属性的数　据能用不同的尺寸、颜色和纹理来区分，并配以相　５　ＧＩＳ理论的进一步发展　２Ｏ世纪８Ｏ年代以来，国际学术界加强了对　ＧＩＳ基础理论和应用基础理论的研究，尤其是１９９５　年美国大学地理信息科学协会（ＵＣＧＩＳ）提出地理　信息科学的十大优先研究课题，已经取得了很大的　应的图示图例，便可以将地理数据搬上屏幕或得到　一幅简单的电子地图。但是随着地学研究的深人　和可视化应用领域的拓展，目前可视化的目标任务　已延伸到地学模拟、动态演变、预测预报和规划决　策等。这时，目标任务的实现与表现主题、图形元　素和技术手段的结合，有了十分紧密的联系。　表现主题是指直观显示、交互操作、动态演示　或者多维展示等。表现主题的选择是根据可视化　的目标任务来确定的，一般常规的表现是指直观显　示；对于宏大数据或规划决策信息的可视化，需要　交互操作，实现信息查询检索和方案比较研究；对　于具有时间维的动态空间信息，需要采用动态演　示，表示某一时段内某种现象的移动与变迁过程；　对于空间环境信息，则需要采用多维展示，并调用　多种技术工具和虚拟现实技术，才能有效表达纷繁　复杂的客观世界。　图形元素指地图可视化产品的时空元素和类　型，包括Ｏ维空间、１维空间、２维空间、２维空间＋　时间、３维空间、３维空间＋时问等。其中，２维空间　图型是地图可视化的一种重要和基本的图型，也包　括显示在屏幕上的数字地图，以及基于计算机数字　处理和屏幕显示的交互式数字地图等。３维空问图　型是以真三维或动画形式来表达地理环境信息，不　但具有真实的立体效果，还具有用户观察和量测等　功能。３维空问＋时间图型可以提供空间实体或现　象的立体感和随时间而变化的动态效果及沉浸感。　根据图型元素选择表达和演绎的技术方法，包　括信息表示和传输的载体，如数字、文字、声音、图　形、图像等；多媒体技术，如音频、视频、动画等；以　及超文本、超媒体、网络和虚拟现实技术等。这些　传统的和先进的技术手段对地图可视化的信息表　示、组织、管理和传输不但提供了有效的方法，而且　为地图可视化理论奠定了重要基础。　可视化对ＧＩＳ的重要意义在于，在ＧＩＳ系统分　析阶段，可视化是ＧＩＳ用户与设计人员交流和合作　的媒介；在ＧＩＳ系统设计阶段，可视化是各项技术　进展，其中有些已经取得了令人激动的成果，例如　ＧＩＳ空间数据建模理论。空间数据建模理论是研究　地理空间的现实世界到计算机信息世界的抽象，为　最后建立空间数据库提供逻辑框架，也称为空间数　据模型。这是ＧＩＳ理论的一个黄金研究课题，从第　一代的拓扑结构数据模型（Ｃｏｖｅｒａｇｅ）、第二代的空　间实体数据模型（Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ）、第三代的面向对象的　关系数据模型（Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ），到第四代目前正在研　究的面向对象的整体数据模型［１　，表明这是一个永　不褪色的研究选题。第四代数据模型的研究内容　包括地球表层的目标集、地理空问三维特征、地理　空间多尺度特征及其互动、地理实体时态特征、地　理实体复合图层构建和管理、空间数据融合和基于　位置的信息集成等，可见这是一个目标宏大的研究　课题。　空间数据挖掘与知识获取理论，这是随着ＧＩＳ　空间数据库的积累、国内外各类语料库建设以及以　文本为载体的大量文献存储而提出的一项新的研　究课题。它旨在研究从空间数据库中发现和提取　隐性知识与特征，或从文本中发现和提取显性知识　与特征；将大量非结构化数据转换成结构化的计算　机可理解的数据格式；通过与本体（Ｏｎｔｏｌｏｇｙ）理论　的结合，构建多级语义网络，解决更深层次的数据　共享、互操作、分类框架和服务框架构建；以及将这　些数据、信息或知识应用于解决某项特定任务，如　数据库更新、知识库与规则库构建、ＧＩＳ空间查询、　空间方位关系构建与分析、领域空间知识获取、图　形和情景重建等。在这些方面，以闾国年教授领衔　的研究团队已取得了成果［１　，Ｅ１３￣，并且充分展示了　该理论领域的发展潜力和应用前景。　ＧＩＳ理论进一步发展的另一值得关注的方向是　空间数据不确定性理论的研究，该项研究关乎ＧＩＳ　空间数据及其产品质量和可用性。空间数据的不　确定性是指空间数据中存在的位置不确定性、属性　不确定性、时域不确定性、拓扑关系不一致性及数　据本身的不完整性。位置不确定性指ＧＩＳ中某一　第４期　黄杏元：ＧＩＳ理论的发展　７　量元素，进行数据不确定性检查和评价，并提出数　据质量控制的解决方案。　参考文献　１黄杏元，马劲松．高校ＧＩＳ专业人才培养若干问题的探讨　口］．国土资源遥感，２００２（３）　２李德仁．关于地理信息理论的若干思考［Ｊ］．地理信息世　界，１９９６（４）　３　Ｇｏｏｄｃｈｉｌｄ，Ｍ　Ｔｏｗａｒｄｓ　ａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒ—　、　ｍａｔｉｏｎ，Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　１　９９１，ｔｈｅ　ｙｅａｒｂｏｏｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔａｌｏｒ＆　Ｆｒａｎｃｉｓ，Ｌｏｎｄｏｎ　ＮｅｗＹｏｒｋ　Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｉａ，１９９１　ｆ　感喾ｌ　ｉ几何纠正ｆ　ｆ影像增强Ｉ　４陈述彭．地理信息系统的应用基础研究［Ｊ３．地球信息，　１９９７（４）　５　Ｊｅｎｋｓ，Ｇ．Ｋ．Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　Ｍａｐｓ－Ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｓｐａｔｉａｌ　ａｎｄ　Ｇｒａｐｈｉｃ　Ｉｇｎｏｒａｎｃｅ，Ｔｈｅ　Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｃａｒｔｏｇｒａ—　ｐｈｅ　ｒ．１９７６（３）１１—１８　６邬伦，刘瑜，张晶，等．地理信息系统一原理、方法和应用　ＩＮ３．北京：科学出版社，２００１　７鲁学军，承继成．地理认知理论内涵分析［Ｊ］．地理学报，　１９９８，５３（２）　８　王家耀，陈毓芬．理论地图学Ｉ－Ｍ］．北京：解放军出版　社，２０００　９马荣华．地理空间认知与ＧＩＳ空间数据组织研究：Ｉ－Ｄ３．　南京：南京大学，２００２　１Ｏ　Ａ　Ｈ．罗宾逊，Ｒ　Ｄ．赛尔，Ｊ．Ｌ＿莫里逊，等．地图学原理　［Ｍ］．北京：测绘出版社，１９８９［第六版］　１１方裕．新一代Ｇ－ＩＳ软件技术研究［Ｃ］．教育部２１世纪高　校ＧＩＳ发展战略备研讨会论文集．武汉：中国地质大　学，２００１　１２舒飞跃．基于文本的土地管理领域空间知识获取与应用　研究［Ｄ］．南京：南京师范大学，２００９　１３蒋文明．面向中文文本的空间方位关系抽取方法研究　ＥＤ３．南京：南京师范大学，２０１０　ＧＩＳ　Ｔｈｅｏｒｙ’ｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ＨＵＡＮＧ　Ｘｉｎｇ－ｙｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ　ａｎｄ　Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００９３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ｏｆ　ｓｐａｔｉａｌ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｆｕｓｉｏｎ，ｓｐａｃｅ　ｓｕｒｆａｃｅ，ｓｐａｃｅ　ｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ｍａｐ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｓｐａｔｉａｌ　ｄａｔａ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｗｈｉｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＧＩＳ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｓ　ｏｆｆｅｒ　ａ　ｇｏｏｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ＧＩＳ　ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＧＩＳ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ