地理学视角下地理信息的分类与描述
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俞肇元,袁林旺,吴明光,等.地理学视角下地理信息的分类与描述[J].地球信息科学学报,2022,24(01):17-24. [ Yu Z Z, Yuan L W, Wu M G, et al. Classification and description of geographic information from the perspective of geography. Journal of Geo-information Science, 2022,24(01):17-24 ] DOI:10.12082/dqxxkx.2022.210817
俞肇元 教授
南京师范大学地理科学学院教授、博士生导师，主要从事地理信息系统建模，海岸带可持续发展与数字孪生、几何代数和量子地理计算研究。主持国家级研究项目4项，作为骨干成员参与科技部和基金委重大/重点项目6项，发表第一/通讯作者论文30余篇，参编国家标准3项，授权中国发明专利5件，澳大利亚专利1项，公开PCT国际专利5件。作为主要完成人获教育部自然科学一等奖、国土资源科技进步二等奖、江苏省科学技术二等奖等省部级及行业奖励10余项。
袁林旺 教授
南京师范大学地理科学学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部新世纪优秀人才。现任南京师范大学地理科学学院院长、虚拟地理环境教育部重点实验室主任。长期从事地理信息科学理论与方法研究，创新性地将几何代数理论引入到地理信息科学研究之中，提出了时空/多维、几何/代数、表达/计算统一的地理信息一体化建模与分析的理论及实现方法，开拓了以几何代数为代表的非欧几何在地理信息科学研究中的新方向。在地理环境演化模拟与预估，智慧城市、场景地理信息系统和共享式GIS等方面有重要的贡献。近年来共主持国家自然科学重点基金、国家重点研发计划项目课题等国家级项目/课题5项，发表SCI/SSCI论文60余篇，在科学出版社出版专著2本，获得教育部、江苏省等多项省部级奖项。
闾国年 教授
南京师范大学地理科学学院特聘教授、博士生导师，地图学与地理信息系统国家重点学科和地理学国家一流学科带头人。江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心主任，江苏省地理信息产业研究院院长/首席科学家，兼任国际数字地球学会中国国家委员会虚拟地理环境专业委员会主任、中国地理学会地理建模与地理信息分析专委会副主任、中国地理信息产业协会理论与方法工委会副主任，江苏省测绘学会副理事长。长期致力于地理信息科学理论与方法研究，在地理信息建模，GIS数据模型、数据结构、数据分析、数据表达、数据传输等方面有深入研究，在全息地图学、场景学、信息地理学，以及虚拟地理环境系统、泛在地理信息智能获取与聚合分析、GIS虚拟现实化等方面有重要贡献，获得多项国家及省部级奖项。
研究背景
地理数据中包含了海量的自然环境、人文社会等信息，现有地理信息表达框架对有人类参与的地域空间分布规律和区域发展规律等方面的描述能力尚较弱。随着互联网技术的快速发展，地理数据在获取、计算、分析和展示事物方面的能力得到巨大提升，地理信息日益多源化、开放化、网络化、分布化和动态化。面对多源异构的地理数据，传统侧重几何的地理信息表达方式易产生信息表达不全面、语义描述不准确、演化过程不清晰等问题。从顶层对信息进行分类和描述，建立既符合地理学客观规律，又适用于大数据时代要求的新地理信息描述维度是地理信息科学研究的前沿问题。
地理信息表达的发展与GIS的发展密切相关，大致可划分为地图表达、语义GIS、时空GIS和大数据GIS等阶段。在地图GIS阶段，主要以“定位+几何+属性”的方式进行抽象和描述地理对象。随着GIS在行业领域内的推广应用，提升了GIS对地理对象进行语义分析和描述的能力，GIS进入语义GIS阶段；地理数据在时空维度上的拓展进一步推动GIS进入以“时空+属性”对地理信息进行抽象表达的时空GIS阶段，但该阶段对于地理信息的关系和语义的表达仍存不足。大数据时代的到来，使得地理信息的获取分析能力逐渐加强，但对地理信息究竟如何进行表达和描述仍缺乏明确的方案。
近年来，地理空间的描述开始从“自然—人文”的二元空间转向“自然—人文—信息”有机交融的三元世界。新时代地理学的重要发展方向在于构建如信息地理学等新的学科体系，地理信息的内涵借此得到了极大地丰富。故地理信息应在地理学视角下重新被定义：地理信息应能承载和汇聚包括时间、地点、人物、事物、事件、现象和场景在内的“七要素”；并能从地理语义、空间位置、几何形态、属性特性、要素关系、演化过程和作用机制“七维度”上对地理对象与现象进行综合性、集成性的描述与表达。
本文立足于地理规律，构建了“自然—人文—信息”三元世界向计算机世界抽象映射的机制，对三元世界中信息“七要素”的内涵与分类进行了系统剖析，并给出了地理“七维度”的描述体系，进而构建了面向三元世界的地理信息分类与描述框架。
面向三元世界的地理信息分类与描述框架
01 三元世界
信息技术的快速发展促使传统的“自然—人文”二元空间转变为综合自然、人文、社会等信息，涵盖物理、人文社会和信息世界的“自然—人文—信息”三元世界。从三元世界的观点出发，地理要素可以分为自然要素、人文要素以及信息要素，地理空间中的地理信息是对三元世界中自然、人文、信息要素的综合描述。自然要素是人文要素的基础，信息要素是自然与人文要素的进一步抽象。
02 信息要素的分类
对现实自然、人文世界进行抽象描述的信息要素大体可归纳为七类，即时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景。对地理学研究而言，时间、地点具有更为本质的属性，故本文将时间、地点两要素与其他五要素分开进行阐述，各要素的相关定义及分类详见下面两张表格。
时间、地点要素定义与分类
人物、事物、事件、现象、场景要素定义与分类
时间是反映物质存在和物质运动或事件变化的参数，地点则反映的是物质运动或事件发生时刻所处的空间和位置。在七要素的描述框架中，时间与地点既可以作为时空参考信息又可按照尺度、连续性、时态/形态和领域性进行类别划分。
在剩余的五要素中，人物、事物、事件、现象和场景要素既可以按三元世界的自然、社会、信息三个空间进行类别划分，也可按时间、空间两个维度进行划分，亦或根据领域性划分为不同的领域类别。
03 信息要素的地理“七维度”描述
从地理学视角看，地理信息具有区域性、多维性、多尺度等特点，与其他信息有着本质的区别。传统的地理信息已难以支撑复杂连续的地理对象与地理过程的动态表达，在三元世界的地理学研究视角下，地理信息应该以地理场景为基础，通过几何图形、代数方程、时间序列、信息图谱等多种方法从地理语义、空间位置、几何形态、属性特征、要素关系、演化过程和作用机制“七维度”对信息要素进行综合性、集成性与可行性的表达和描述。
三元世界与地理七维度描述的关系
地理语义是指用于描述地理现象中的数据所对应的现实世界中事物之间的概念、含义和相互关系，包含名词解释、分类体系和原理图示意图。其中，名词解释是对信息要素中时间、地点、场景等内涵的规范化定义。分类体系是对信息要素的分类结构及不同类型信息要素在分类体系中位置的界定。原理图则是对信息要素内涵的图形化抽象，是对其本质特征的图形化描述与表达。
（2）空间位置
空间位置是对地理对象和现象所处的空间定位特征的描述。对空间位置的描述，一方面需要利用空间坐标对各种地物进行精准定位；另一方面也要充分利用地标、地名地址等信息中所蕴含的位置信息。
（3）几何形态
几何形态是对地理对象和现象几何结构特征的描述，常见的有点、线、面、体、像素、体素等多种形态。几何形态的表达可以是显示的，也可以是隐式的；可以是连续的，也可以是离散的。几何形态的描述方式主要有三种，分别为几何方式表达、代数曲面或方程表达形式和多种关系约束的综合表达形式。
（4）属性特征
属性特征是对地理对象或现象所具有的几何、物理、化学、生物、人文、社会、经济等属性的描述，其主要关注空间实体非空间的状态特征，通过将时空中的各要素分割成不同单元进行描述。属性特征描述不仅仅包含数量表达，还包含类别表达，所以应在不同尺度下对地理对象和现象的性质特征进行描述，同时包含其在自然、人文、信息三元世界中本质性质的结构化、网络化的描述。
（5）要素关系
要素关系用于描述地理对象或现象在时间或空间上的相互关系，是构建地理空间计算的基本组成，包括空间、时间、时空相互关系以及自然、人文和信息地理要素之间的关系。传统的地理信息缺乏对自然要素关系、人文要素关系，以及自然与人文，人文与信息等不同圈层及其界面之间相互关系的描述。
（6）演化过程
演化过程是指地理对象或现象随时间的变化及其规律的表达。对演化过程的描述首先应该展开对演化过程的时间信息描述，包括时刻点、时间片段或全生命周期过程的描述。其次是对要素在所处时间点上的状态和行为进行描述，即对时刻点的状态，以及时间片段和生命周期过程中的行为的描述。
（7）作用机制
地理要素间具有相互作用机制，地理相互作用机制包括物理、化学、生物学、人文社会与经济学作用机制，以及地理信息形成传输和转换机制。地理要素与作用机制间存在相互影响的关系，一方面，现实世界可以通过场景、地图、网络、模型等多样的功能来描述、感知和分析要素间的作用机制。另一方面，作用机制也可以作为地理信息表达的约束和规则，以地理场景为基础，构建在特定时空框架中地域综合体各要素间的相互作用机制，形成各表达要素的组合规则。
信息七要素和地理七维度表达体系的构建，还需要在地理信息描述的技术体系上进行创新，特别是在数据模型、数据结构、表达模型等层面上要有对应的技术支撑。本文面向地理信息的描述体系，分别构建了几何代数高维空间数据模型、基于地理规律的空间数据结构和基于地理相互作用的时空数据结构以及“组织—分析—表达”一体化的计算模型。
01 几何代数高维空间数据模型
几何代数的多维统一与坐标无关特性为构建地理信息的多维统一表达提供了理想的数学理论。几何代数使用blade和多重向量结构表达复杂的地理空间，通过几何积兼顾对象表达和要素测度，构造数学空间以实现对不同数学基础、不同表达体系以及不同要素关系的信息要素在统一的高维空间中的结构化组织与管理。基于几何代数的高维空间数据模型不仅有助于地理信息的完备化表达，也更利于设计统一高效的地理空间分析算法。
02 基于地理规律的空间数据结构
按照地理学定律，本文探索了在地理空间分异规律下的数据分割、存储和索引方法，设计了基于“突变—渐变”检测的数据更新方法，实现了矢量地理空间数据存储管理效率的大幅提升。基于地理规律的数据结构利用空间分布模式实现空间分割，实现了叶子节点无重叠，避免多路径搜索，且可以高效支持聚集、随机、规则等空间分布模式及其嵌套，从而能够较好地支撑高维空间数据的一维线性存储，实现对象和关系数据的无缝集成，很好地提升了高维地理信息组织管理的效率。
03 基于地理相互作用的时空数据结构
近年来，基于多层级离散表达的全球离散格网的空间方式在自然深化过程模拟中取得显著进展。本文运用全球离散格网，以格点、格边、格元为基本单元，对在地理规律驱动下的各种地理信息要素对象多层级多关系特性进行了描述，实现了要素之间相互作用关系的计算和分析。以柏拉图正二十面体为基础，发展了“格点—格边—格面—体元”一体化表达，并利用Morton编码对参考菱形块进行全局编码，构建了全球离散格网中地理坐标与格网编码的快速转换算法，实现了数据组织管理与模型模式耦合运行的一体化格网支撑。并在全球和区域尺度的板块构造与地质运动模拟、海洋运动和海洋模式模拟、中高层大气的时空特征分析与演化模拟等方面进行了应用实践。
04 “组织—分析—表达”一体化的计算模型
基于地理信息转换的复杂性，作者团队仿照人类眼脑的工作机制，将地理信息的表达应兼顾形象与逻辑思维认知模式纳入考虑，提出了融合形象思维与逻辑思维的数据组织模式，形成了图形表达和代数计算共同作用下的双重编码，构建了基于地理认知的顾及整体与局部关系的关系计算的模板化方法。在此基础上，构建了“数据组织+计算+渲染”一体化的T-Mesh数据结构及与之相匹配的计算模型，解决了海量数据的高效LOD与几何、拓扑计算效率问题。
本文立足于三元世界理念，对自然与人文要素信息进行了抽象，构造了自然要素和人文要素向信息要素的映射机制，形成了信息要素的综合分类和表达“七要素”框架，即时间、地点、人物、事物、事件、现象和场景，信息七要素的系统分类有助于优化信息空间中要素的表达模式。从地理过程和地理规律的视角出发，从地理语义、空间位置、几何形态、属性特征、要素关系、演化过程和作用机制七个维度进行信息要素的表达，实现了从信息要素向地理信息的转变。
本文还提出并发展了面向三元世界中地理信息的关键技术体系。包括用于进行高维信息表达的几何代数高维空间数据模型、基于地理学定律和地理要素相互作用机制的新型GIS数据结构和“组织—分析—表达”一体化的计算模型。对上述关键技术的深入研究和迭代更新有助于形成面向三元世界表达与分析的新型分析型GIS的关键技术体系，提升GIS支撑时空大数据分析和应用的能力。
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