[GIS笔记] 闾国年:从地图到场景的创新发展

此为闾老师演讲PPT的笔记
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1 问题的提出

(1)地图是什么?

  1. 以科学的符号系统、地图投影和综合方法来表达复杂地理世界的空间结构和空间关系,成为人类文明史上的伟大创想
  2. 地图是永恒的地理表达形式
  3. 地理是构建了世界,而非复制了世界

(2)地图的发展方向

【地图的发展方向】

  1. 数字空间与电子载体部分解除了传统制图的物理空间与平面载体的约束,正向着三维空间、实时动态、虚实融合、全视角、全要素、全内容表达的方向发展。
  2. 地图语言正实现从地理学语言到普适性大众交流语言的转变

(3)地图的现状

【地图的现状】地图的制图对象、主体、模式、技术等方面正发生深刻的变化

与传统地图的差异 变化
制图对象的变化 客观地理世界->人的世界->地球系统
现象、过程与机理的表达
制图主体的变化 地图设计制图人员->因计算机智能化制图,人人都是制图员
制图模式的变化(视角) 从局部到全球、到360度全景;俯视到全视;室外到室内;外部形态到内部结构;地表到地下;二维到三维,静态到动态,抽象到真实(模型表达到实景表达),现实到虚拟,写真到写意
制图语言(表达)的变化 图形符号语言->思维过程、自然语言、地理语义和图形符号的有机组合

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2 地理场景与场景学

(1)地理场景与场景学

【地理场景】是指一定时空范围内的各种自然要素、人文要素相互联系、相互作用所构成的具有特定结构和功能的地域综合体

【地理场景学】是研究地理场景的理论、构建方法与应用技术的科学,是一门研究以场景来反应与揭示地球空间内的各种自然与人文现象的时空间分布状况,分异格局和演化过程,以及各种要素相互联系、相互作用构成具有特定结构和功能的地域综合体的科学、技术与艺术相结合的学科

(2)地理场景的构成

【地理信息六要素】语义描述、空间位置、属性特征、几何形态、要素关系、演化过程

【社会信息七要素】时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景

【地理场景的构成】场景可以承载时间、地点、人物、事物、事件、现象

场景六要素(六域模型) 说明
时间 时刻点、时间片段、时间过程
地点 抽象点、区域、三维空间
人物 个人、群体、单位、组织
事物 不同类型的抽象实体
事件 不同主题的活动
现象 不同类型的表达现象,如雨、雪、雾、霾

【地理信息6要素与社会信息7要素的组成及其关系】

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(3)地理场景的分类

【地理场景分类】

地理场景分类 说明
主题场景 人文的、自然的、社会的
几何场景 一维、二维、三维与多维、概略与精细
尺度场景 宏观、中观与微观、大与小
过程场景 时刻、片段、连续、动态与静态
关系场景 空间、时间、时空、要素间
现实性场景 虚拟的、现实的、虚实融合的
作用机制场景 物理、化学、生物、人文、社会、经济

地图应该是地理场景的一类表达形式

3 地理场景学理论与方法

3.1 场景的数据模型(几何代数)

【基于几何代数的GIS数据模型】

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数据模型 方法
离散时空表达 将时间维嵌入四维时空进行(x, y, z ,t)整体表达,其核心是高维代数空间的构造和映射
连续时空表达 将运动表达成Versor方程,实现平移、旋转等表达统一,微分将包含速度、加速度等信息,核心是Versor方程的构造与求解
连续与离散的统一 利用Versor方程的解析性与可插性实现离散向连续的整合

【基于几何代数的GIS数据模型的优点】几何-代数是统一的;时间与空间是统一的;多维度和高维度是统一的;时空的表达和计算是统一的

  1. 几何代数直接支持并行计算
  2. 几何代数直接支撑地理分析模型(在过去,几何、代数分析要架桥,如今可以直接用几何代数来解决)
  3. 不需要将问题降维,直接在高维的情况下解决

3.2 场景数据结构

计算机与地理信息之间存在着一条鸿沟,面对两者的差异,有什么解决方案?

【地理数据特征与计算机存储的矛盾】

  1. R

    n

    R^n

    Rn地理数据与一维线性内、外存寻址和存储方式

  2. 非结构化的地理数据与结构化的内外存单元
  3. R

    n

    R^n

    Rn地理随机访问与顺序内外存遍历

  4. 非均匀分布、分异的地理空间与均质的内外存空间
  5. 当前冯洛伊曼计算机处理器、内外存I/O性能差异巨大

【面对计算机与地理信息之间的鸿沟,有两种解决思路】

  1. 按照地理数据的要求发展计算机存储结构?
  2. 还是按照计算机存储结构来存储地理数据?

在过去,主要以第二种解决思路为主,地理信息为适应计算机的存储提出了以分幅、分层、矢量的数据结构形式。但瓦片化的解决方案并不符合这个世界的原貌,地理信息失去了很多它本身的特点,而且独立性较差,受制于计算机的发展

观察地理定律、地理现象抽象到数字世界时的过程,我们可以提出适应GIS自身的数据结构

抽象过程 说明
地理的描述 在地理时空中,地理现象存在渐变、突变与不变
1. 空间分异:地理现象在空间上的分布及分布规律
2. 演化过程:地理现象随时间的变化过程及演化特征
3. 作用机制:地理要素之间的相互作用,包括物理、化学、生物、人文、社会、经济作用
数学的描述 1. 距离:度量空间(欧式距离)、非度量空间(协方差距离)、拓扑距离
2. 距离作用:反距离权函数、半变异函数、核函数等
3. 模式测度:异常值监测、G函数、F函数
机器的求解 机器学习:神经网络、粒子群等

地理学的定律都未能用数学进行描述,其物理、化学、生物、人文、社会、经济作用机制是什么?

地理学定律 内容
第一定律:空间相似性定律 空间距离造成了相邻的事物相似,远离的事物相异(W.R.Tobler)
第二定律 空间造成隔离,隔离促成个性的形成和发展,由此繁衍出自然和人文景观的多样性和区域差异,也就是空间的异质性(M.F.Goodchild)
第三定律:地理景观定律 地理景观越相似,主导型地理环境因素越相似,地理景观越相似?
第四定律:地理综合体定律 地理综合体是由物理、化学、生物、人文、社会、经济等多要素相互作用形成的?如何表征相互作用?其数学、物理、化学、生物学等的表现形式是什么?

综上,新的数据结构应具有符合自身特性的能力,更重要的是能够探求和利用地理学的基本规律

【应用实例】

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【应用实例】Pattern List

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当前GIS未能表达各种要素之间相互作用机制,未能对时间过程进行分析、未能较好的实现地理综合分析。与地球模拟器、地理系统科学相差甚远

【还面临的问题】

  1. GIS空间离散主要针对像素、体素的管理
  2. 地球模式空间离散既要表达空间单元,还要表达单元间的相互作用

【解决思路】研究相互作用的数据结构问题:能够把GIS的数据存储管理和地球系统模式融为一体

【新型的GIS数据结构】基于相互作用的地理场景数据结构

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4 地理场景语言与大众语言

(1)地理学语言

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【地理学语言】人类对地理空间的探索与认知,人类需要能够交流和传递地理知识的规则

地理学语言 说明 意义
第一代:自然语言 文本语言、发声语言、肢体语言
定性或半定量的描述
第二代:地图 结合了数学语言的精确性和图形语言可视性的特点,是地理空间的一种数学模型化表达语言 实现了地理空间到形象思维空间的变化
第三代:GIS 结合了数学语言的精确性、图形语言的可视性,以及空间分析的灵活性特点 实现了地理空间,到抽象+形象思维空间的变换
第四代:地理场景 结合了数学语言的精确性、多维空间的虚实性、地理分析模拟的预见性、交互协同性的便捷等 实现了地理空间,到抽象思维空间,再到形象空间的循环变换

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THE END
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