全息地理信息服务导论

第1章绪论 当前，科技发展日新月异，地理信息服务作为地理学、信息科学与地理信息系统（geography information system， GIS）结合的产物，其发展速度之快、影响范围之广让广大的 GIS从业者倍感压力。地理信息与社会生产、人类生活的关系越来越密切，这就要求 GIS从业者具备土地、资源、环境、人口、水利、经济、军事、规划等方面的知识。地理信息服务研究进入了一个新时代，世界各国都高度重视。在产业高度发展的同时，如何有效地认知地理空间，利用地理空间信息，提出解决方案，指导政府行政决策，提升老百姓生活水平，推动社会发展，为国家经济建设、国防安全提供强有力的理论和技术支持，是一个具有重大现实意义的研究课题。 空间认知是一个古老而永恒的话题，人类不断探索周围的环境，伴随语言、文字、符号的产生，人类开始学会刻画周围的世界，地图就是在这种环境下应运而生的，这使得空间信息**次可以很好地保存并传播。但是几千年来，因为地图的使用受到生产工具与认知工具的局限，虽然认知科学早在 20世纪 70年代就已产生，但有关地图的使用，直到 20世纪末，大多也只是集中在专业人士手中。 21世纪初，随着计算机、网络技术的不断发展，个人终端设备性能的不断提高，空间信息获取手段越来越丰富与便捷，空间信息表达也更加方便，并趋于人性化、个性化，普通人也可以利用计算机或手机描述周围的世界，进行空间的探索，并从中享受空间信息带来的便利性与增值服务。空间认知的研究从此时开始迅猛发展，并与多学科交叉融合，地理信息科学的优势逐渐彰显，地理空间认知逐渐发展为基于本体的信息描述、空间数据模型的表达、空间信息的全方位关联、地理过程的重构与应用，以及地理信息的智能化服务等。其中，每一个过程都涵盖了描述空间实体的诸多信息元，例如，在空间实体表达上有离散、连续的数据格式，也有自然、人文的研究角度，还有各个厂商和研究部门的不同数据产品；在智能化服务方面，产品形式有计算机端、移动端，面向的服务群体既有规划、交通、林业、水利等政府部门，也有厂矿企业、普通百姓等没有专业背景与经验的用户。因此，我们引入“全息”的概念，对地理空间认知和服务应用进行诠释，结合认知理论、本体论、全息论与智能推理服务，开展全息地理空间数据模型、全息地理信息关联、全息地理过程重构与全息地理信息服务的研究，为实现地理空间全息表达、认知与服务探索一条新路径。 本书主要对地理空间表达、认知与服务的基础理论、技术和方法进行研究，为此引入全息论、本体论、信息关联、信息重构等理论，建立全息地理信息服务理论框架，构建全息地理空间数据模型，分析全息地理信息关联方法，实现全息地理过程模型重构与应用，并搭建全息地理信息服务平台，支撑地理空间全息认知与服务，揭示地理空间—意识空间— GIS空间—全息空间的认知逻辑。 1.1 全息地理信息服务概论 1.1.1 产生背景 目前，伴随着互联网、物联网和智慧地球的发展，现实世界与计算机世界以空间位置为基础融为一体，构成虚拟与真实相结合的人类社会。据统计，人类 80%的社会活动与地理位置相关，人们的生活与地理空间信息紧密结合。 20世纪 60年代，加拿大的汤姆林森（ Tomlinson）在本国的土地利用中提出了地理信息系统，并且工程化建立了**套地理信息系统软件——加拿大地籍管理系统（ CGIS）。GIS经过 50多年的发展，已经在城市规划、环境保护、资源开发、交通物流等领域及各级政府部门得到了广泛利用，理论体系也趋于完善，已经由单纯技术体系发展到地理信息科学阶段。随着基于位置服务（ location based service， LBS）的应用范围越来越广，地理信息系统的服务范畴进一步扩大；同时，人类也没有停止对自身、对地球的探索，认知的需求随着计算机技术的发展和网络的普及，进入到一个知识大爆炸的时代，从 Web1.0到 Web6.0，大数据、云计算、物联网，都在挑战着人类的认知领域，各种学科的知识相互交叉融合，人类仿佛一夜之间学会了很多，又感觉到了自己的渺小，我们究竟需要什么，又该如何有效地提供服务，认知的发展促使地理信息服务发生变革。当前，我国提出了要在 2035年基本实现社会主义现代化，在 21世纪中叶把我国建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国的宏伟目标，实现这一目标需要有高新技术产业的有力支撑。地理信息科学作为新兴的信息科学技术在服务业的影响力是有目共睹的，谷歌地球的成功就是典型案例。现如今 LBS的理念已深入人心，人们迫切需要地理信息科学在生产、生活中发挥更大的作用，另外，社会经济的建设与发展也需要地理信息服务的升级。 1. 地理信息科学催生了全息地理信息服务 地理信息系统昀初的概念是利用计算机对空间信息进行采集、处理、存储、分析与应用的计算机系统，当时强调的是技术工具，随着应用越来越广泛，其理论体系得到了充实与完善，加之信息技术在当今科技时代所特有的标签性特征，使得各行各业都不同程度打上了地理空间信息的烙印。目前，地理信息系统的应用已延伸至社会生活的方方面面，李德仁院士将地理信息系统应用的新时代形象地称为“新地理信息时代”。地理信息技术这么受欢迎，恐怕这是当时汤姆林森都没有想到的。随着 GIS与计算机、网络、虚拟现实、人工智能等学科与技术的交叉融合，其内涵外延进一步扩大，著名学者 Goodchild提出了地理信息科学这一说法，并列出了几大“定律”，GIS从概念上讲，已经不仅仅是“地理信息系统”了。 其实，在不同时期，对“ GIS”这三个字母有着不同的解释，从中也反映了 GIS典型的发展轨迹。周成虎院士 2002年在上海市信息化办公室组织的“空间信息应用技术”培训讲座中曾对 GIS的各发展阶段做了一个很好的诠释（图 1.1）：**阶段是 GISystem（地理信息系统），即 GIS是一种信息技术工具；第二阶段是 GISurrounding（地理信息环境），在这一阶段， GIS在环境相关领域发挥了巨大作用，但还是没有摆脱工具的束缚；第三阶段是 GIScience（地理信息科学），指 GIS变为由传统信息、计算机、地理和管理等学科交叉融合形成的新兴学科；第四阶段是 GIService（地理信息服务），指地理信息与网络结合，拓展了数据与服务，这一阶段体现了处处有服务的特点。有了地理信息科学这门新兴学科作为理论支撑，使得地理信息服务充满了生机，吸收着各种新的技术与成果。当前，物联网、大数据、人工智能等应用越来越广泛，地理信息科学赋予信息服务新的要求。从数据来源看，地理空间信息与其他学科信息结合越来越紧密；从数据处理看，已不是单纯处理空间信息内部关系，语义、时间关联所占比重逐渐增大；从数据应用看，服务已经不只限于提供空间信息，而是重构处理各种信息，提供智能服务。 图 1.1 GIS的发展 从以上介绍可以看出，地理信息服务是地理信息科学当前主流的发展方向，并且还在不断吸收其他学科优秀的理论与技术成果。地理信息科学的发展催生了全息地理信息服务。 2. 人类认知的发展促使全息服务产生 人类一直想探索宇宙事物的本质，这是人类认知发展的本性，其研究属于哲学范畴。而哲学是一切科学的本源，著名哲学家亚里士多德昀早提出了本体的概念，认为事物的客观存在即本体，人类认知即要解决本体的认识问题。后来本体的概念被用于信息科学领域，即如何设计出让机器（主要指计算机）能够理解识别的事物描述，方便人机交互与智能分析，被人们称为信息本体，当时虽然形成了一定的理论，但总体进展较慢。近几年，随着 Web技术的发展，特别是发展到语义网、物联网阶段，本体成为其重要组成单元，越来越受到国内外学者的关注，其理论与应用进入了飞速发展阶段。 本体虽然与计算机科学结合较早，但应用到地理信息科学则是在 20世纪 90年代中期。 1995年，由学者 Mark和 Egenhofer在提高朴素地理学的智能化处理时引入了本体论。进入 21世纪后，本体论研究成为热点，美国大学地理信息系统联合会将本体论列为四个新兴研究内容之一，位列十大长期挑战项目之首。学者 Agarwal（2005）用关系图很好地表达了认知中的本体在地理信息科学中的突出位置，如图 1.2所示。 图 1.2 本体在地理信息科学中的位置（Agarwal，2005） 本体的研究在 2000年后成为热点，这与计算机和网络技术的发展不无关系，尤其是 Web技术的不断发展。在地理信息科学中，本体应用越来越广，概括起来主要体现在以下几个方面。 （1）语义建模。利用本体思想可以在空间数据建模过程中，使用语义标准化的描述分类、概念、时空特征、语义特征等，增强对感知、环境、系统科学等考察和研究的能力，实现模型的互操作、共享与重用。 （2）空间信息共享与互操作。不同学科从不同的研究角度对地理实体有着不同的认识，即哲学本体反映的是事物的本质，而信息本体则是事物的表象，这就使得信息重复建设，但却没有发挥昀优的效用，如人口数据、水资源数据、土地利用数据等，往往是多个部门都持有，但是相互之间很难共享与交换，并且随着大数据时代的到来，这个问题越发突出。而利用本体，则可以在信息模型层次进行语义、语法上的互操作，且通过建立统一的地理空间本体，实现不同学科之间空间信息的映射和转换。 （3）物联网的基石。 Web技术为人类认知中信息的共享共用提供了解决途径，图 1.3展示了网络的演变趋势。 Web1.0阶段实现了信息共享，超越了 ftp；Web2.0阶段实现了信息共建，虽然还只是信息单向流通，但是一个虚拟世界由此诞生，普通老百姓也可以在上面发表自己的言论，由此产生了海量知识和垃圾信息，搜索引擎与杀毒软件的产生也就顺理成章；目前，到了 Web3.0阶段，也被称为语义网，由 Tim Berners-Lee提出，本体是其体系结构的核心，将网络中的数据资源以形式化的本体进行描述，以方便计算机理解，此外知识即时发布，网络具有即时性； Web4.0是知识分配时代，网络中的数据、知识资源等，可以按需智能规划、组合、分配；之后是 Web5.0语用网和 Web6.0物联网。语用网解决资源统一问题，即全世界网络联合成一个整体，成为一台计算机系统，物联网则是计算机网络与人、事、物无缝衔接，形成从知识感知、获取、存储、处理、分析到传输、应用、展示、输出整个认知过程的完整统一。 图 1.3 网络的演变趋势 在物联网中，地理空间信息是建立起各种信息资源联系很好的纽带。借助地理空间本体就可以实现地理空间数据在物联网中的交流，解决与空间信息相关的数据共享与互操作。可以说本体是实现物联网的基石。 本体论推动着人类认知的发展，同时人类认知的发展促使信息服务产生变革，即产生全息地理信息服务。 3. 社会经济发展需要全息地理信息服务 当前，我国提出了社会主义建设的宏伟蓝图，在国内，中央鼓励大众创业、万众创新，而创业、创新的实质就是带动经济更快更好的发展。经济发展离不开老百姓的需求，需求是什么？简单理解就是“衣食住行”，如何提升老百姓“衣食住行”的水平就成为推动经济发展的原动力之一。如今利用计算机、网络与移动终端等高新设备与技术，地理信息技术可以说历史上**次与广大人民的生产、生活紧密结合在一起，老百姓的“衣食住行”时时刻刻都被打上了“时空烙印”。在购物、旅游、餐饮、社交等社会活动中，越来越多的人使用地理信息技术。地理信息技术让传统的社会生活发生了改变，地理信息服务在其中发挥了巨大的作用。 此外，虚拟经济是当前经济发展的重要组成部分，而高新技术产业则是虚拟经济的重要组成部分，地理信息产业越来越多地融入传统行业中，并让老旧产业焕发新的活力，如淘宝购物、物流配送、共享单车、网约车等新兴产业中都有地理信息服务的影子。 另外，我国还提出了建设“一带一路”世界经济发展新格