试论地学信息图谱思想的内涵与传承

陈述彭先生在1997年12月第88次香山科学会议上，第一次提出了“地球信息时／空图形谱系”的研究领域。1998年发表了第一篇论文《地学信息图谱刍议》。

地学图谱是针对地学现象和过程的图谱应用，是地球现象空间结构特征与时空序列变化内在规律的反映。它通过地学分析的时空和属性的多维系列图解，以表达地学基本规律，如：胡焕庸线、气候带模式等都属于地学图谱。地学图谱是地图与谱的结合。地图表达反映各地理要素的空间配置和相互作用，是一种可感知宏观规律的外部表现。谱是指可从时间上追根溯源的动态系列表达，借助于痕迹分析，反映其历史演进的过程。谱可以多变量或多尺度描述对象的发展方向与演化过程，展示其内在规律。图谱合一就是空间与时间动态变化的统一表达。在时间演化过程系统的推演中，同时表达地理（空间）的差异。

地学信息图谱是在定量地学信息（地学数据库支持下）和计算机地理计算手段支持下自动生成的地学图谱。其内涵是在地球系统科学与现代空间信息科学的基础上，通过信息化与智能化方法，依托丰富的地学信息资源，在“赛博空间”和“虚拟现实”的智能化平台上，通过空间与时间模型，从多角度、多层次、多尺度，揭示地球系统的自然过程与区域分异，重现人地关系的过去、评估其现状、预测其未来，即通过地学图形语言分析与表达“用于描述人与自然和谐相处的规律”。

地学图谱与地学信息图谱的关系

按照陈述彭先生的构想，地学信息图谱应该继承地图学传统，将地理学中空间图形思维，通过认知科学理论与信息技术结合起来，以呈现地学知识。经典的地学空间规律可以通过地带图谱、区域图谱、分异图谱等呈现出来，而更为复杂的地学时空动态规律则可以由分型图谱、过程图谱和旋律图谱等推演或归纳概括出来。因此，识别空间分布规律和异常的诊断图谱应该是其研究热点和重点，期望通过对地观测海量数据系统与智能诊断系统的综合集成实现预测。

陈述彭地学信息图谱思想

产生的历史轨迹

陈述彭先生早在青年求学时期就师从叶良辅、竺可桢、张其昀、黄秉维、任美锷、涂长望、谭其骧等一批现代地理学大师，打下了坚实的学科基础，造就了敏锐、深邃的区域地理洞察力。

1940s

       所采取的“自然背景、地形发育、人地关系和区域特性”的思路，体现了自然与人文相统一的地理综合思想，将地理区域研究视为具有“经络”的“地理之生命”的思想，孕育了地学信息图谱思想的萌芽。

1950s

       按照以宏观理论指导微观分析，以微观机理论述宏观演化的原则，提出的大比例尺景观制图的基本原理和方法，已经总结出地带性图谱、空间格局图谱、过程图谱和区域分异图谱等地学信息图谱表达理论的基本雏形。

1960s

       经过国家大地图集的研制等制图实践，促进了图形思维与地理综合定量化分析与表达，奠定了地学信息图谱的方法基础。

1970s—1980s

       开展的一系列遥感、地理信息系统先导性研究，将全球变化科学、对地观测技术和数字化空间服务有机统一起来。

陈述彭先生认为，地学信息图谱作为一种信息化、智能化的现代思维方式与研究工具，是加强数据挖掘图形思维的尝试，其借助图谱可以反演和模拟时空变化；以期通过利用图的形象表达能力，实现对复杂现象进行简洁的表达。站在今天大数据、人工智能以及高分遥感等技术背景下，地学信息图谱就是透过信息图谱、知识图谱等方法，实现从数据到信息再到知识的跨越，进而发现和表达地学规律。

地学信息图谱思想的传承

陈述彭先生在晚年曾指出，“没有基础理论的高新技术可能是不可靠的，没有高新技术支撑的基础理论可能是空洞的。”他相信，在全球变化和可持续发展推动的地理学新目标的引领下，借助地理大数据、虚拟化和可视化等智能分析技术，我们必将会逐步解开地学信息图谱的密码。因此，地学信息图谱今后的发展一定是理论、方法和技术的有机统一。

01

全息地图的发展是

地学信息图谱表达的

重要基础  

地球系统科学的发展与未来地球计划的推动，要求地学信息图谱揭示地学现象的空间格局、演化过程，以及要素间的相互作用机制，并能够重建地理环境的过去、评估现状和预测未来。信息空间的介入深化了地图学表达的内涵，地图对象空间拓展到三元空间，泛在地图的表达使地理空间、人文空间和信息空间互相融合，地学信息图谱正从表达维度、描述内容、表达方式、分析方法、服务模式5个视角加以拓展。地学信息表达呈现出大众性、普适性和创新性等特点。从赛博地图到全息地图，实现无处不在的泛在空间信息智能服务，实现小数据与大数据分析的结合、相关关系与因果关系分析的结合，从而进一步发现新的地学现象和新的地学规律。

全息地图框架图

02

遥感对地表信息的“谱”探知

要以地理学“图”分析思想

为支撑

遥感是从太空对地球的场景式影像观测。在高分时代，遥感蕴含并承载了刻画地表态势的信息图谱，理应成为支撑现代地理学的数据基石。因此，建立从浅层“视觉理解（图）”深入到内在“机理透视（谱）”的遥感对地探测的认知过程，以“图-谱”耦合形式实现对深层次地理综合与地理格局问题的揭示。在地理“图”分析思想指导下开展高分影像对复杂地表场景（图）的分区分层解译，进而在场景“图”之上进一步融合高光谱与高时间分辨率遥感，实现对地表各级地物的理化性质与变化过程进行“谱”的探测与分析，以回答复杂地表分布与内在发生机理等地理学核心问题。

图片来源：https://pixabay.com/

 03

地学信息图谱的认知

以人地关系为中心

地理学的核心内涵是人地关系。面对地球表层的复杂巨系统，地理学需要从人类演化的大背景下，从自然维度和社会维度，探讨人地关系发展的关键阶段和人类文明演进的重要进程，特别是进入人类世以来，聚焦人与环境的交互作用，探索和发现如何实现人类可持续发展的一系列重大科学问题。地学信息图谱要以人地关系发展的重大科学问题为内涵，在空天地一体化的新时空观测技术下，基于大数据+人工智能，获取现实世界从古到今的全球动态信息，为实现从客观地理空间到虚拟空间的人地关系新认知构建一套认知理论。

图片来源：https://pixabay.com/

04

地学信息图谱的目标是

辅助发现与利用新的地学知识

知识图谱是通过有向图的方式表达实体、概念及其相互之间语义关系的数据组织形式或产品，强调知识的形式化描述与逻辑关系结构，本质上是一种语义网络。地理知识图谱是侧重于表达地理实体及其关系的知识图谱，即通过自动化地探测地理实体间的空间关系与语义关系，实现地理信息的自动聚合过程。地理知识图谱和地学信息图谱是截然不同的两个概念。地理知识图谱旨在通过计算机规范化表达与存储知识，进而支持地理知识检索与知识推理。而地学信息图谱旨在通过人机交互方式发现新的地学知识。泛在网络蕴含大量隐式地理空间信息，为地理空间认知和地学知识发现提供了巨大潜能。地理知识图谱是地理问答系统实现、地学知识智能搜索、虚拟地理环境自动构建、乃至位置服务信息聚合和推送的重要前提，是将传统地理信息服务拓展到地理知识服务的关键。

图片来源：https://pixabay.com/

地学信息图谱的思想是陈述彭先生留给后来者的重要地理科学问题。今天我们既欣慰地看到，当年先生憧憬的很多科学发展愿景已经实现，但还有很多问题有待解决，地学信息图谱的突破亦或是地理学理论的突破。这既是先生的未竟事业，也是我们后人努力的方向。

全文可在中国知网或期刊官网下载

张洪岩 教授

东北师范大学地理科学学院教授、博士生导师。现任中国地理学会地理模型与地理信息分析专委会副主任、中国地理信息系统产业协会理论与方法工委会和教育与科普工委会副主任，国际数字地球协会中国国家委员会委员兼任数字山地专业委员会副主任，目前的主要研究方向是中国寒温带及全球中高纬度地区环境遥感，研究兴趣还包括历史GIS和欧洲地理。

《地球信息科学学报》是由中国科学院地理科学与资源研究所和中国地理学会联合主办，由中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、三维信息获取与应用教育部重点实验室（首都师范大学）共同协办的学术期刊。学报为月刊，是中国科学引文数据库（CSCD）核心期刊、中国科技核心期刊、全国中文核心期刊、北大《中文核心期刊要目总览》来源期刊。《2018年版中国科技期刊引证报告（核心版）》显示，《地球信息科学学报》影响因子位列测绘科学技术期刊第3名，综合评价总分位列第4名。

欢迎国内外学者踊跃赐稿，欢迎国家重大科研项目、国内外学术会议组织专辑专栏。

官网网址

http://www.dqxxkx.cn/CN/1560-8999/home.shtml

联系电话

010-64888891

邮 箱

[e-mail]

长

按

关

注