GIS的科学概念转化：从Map-basedGIS到Space-orientedGIS
郭仁忠,1,2,3,4,陈业滨,1,2,赵志刚1,2,马丁1,2,贺彪1,2,王伟玺1,2,洪武扬1,2,李敏敏4
1.深圳大学建筑与城市规划学院智慧城市研究院，广东深圳518060
2.粤港澳智慧城市联合实验室，广东深圳518060
3.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉430079
4.人工智能与数字经济广东省实验室（深圳），广东深圳518123
摘要
关键词
地理信息系统；地图学；空间；科学概念；泛地图
作者简介
第一作者：郭仁忠（1956—），男，教授，中国工程院院士，研究方向为地图学、三维地籍、土地资源管理和智慧城市。E-mail：guorz@szu.edu.cn
通讯作者:陈业滨E-mail：chenyebin@szu.edu.cn
基金项目
国家自然科学基金（41930104；42301502；42171265）
本文引用格式
郭仁忠,陈业滨,赵志刚,马丁,贺彪,王伟玺,洪武扬,李敏敏.GIS的科学概念转化：从Map-basedGIS到Space-orientedGIS[J].测绘学报,2024,53(10):1853-1862doi:10.11947/j.AGCS.2024.20240152.
GUORenzhong,CHENYebin,ZHAOZhigang,MADing,HEBiao,WANGWeixi,HONGWuyang,LIMinmin.ThetransformationofthescientificconceptofGIS:fromMap-basedGIStoSpace-orientedGIS[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2024,53(10):1853-1862doi:10.11947/j.AGCS.2024.20240152.
在新技术与新需求的冲击下，GIS原有的二维抽象逻辑面临多源异构时空大数据汇聚、处理、融合，复杂时空动态过程表征，以及潜在时空规律挖掘的挑战。如何调整GIS科学定位，以适应数字社会对空间对象表达的多元化、多层次、多类型需求，成为当前GIS发展亟须考虑的重要问题。因此，本文在前人研究成果的基础上，首先讨论GIS原有的本质特征及其可能存在的问题；其次，适应地理信息学科的发展趋势，分析GIS的科学概念转化；最后，基于GIS概念的拓展，分析GIS概念转化下应用领域的进一步深化。本文研究结果期待能为新时期GIS的发展思路提供参考。
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GIS的方法论基础与问题解析
1.1方法论基础
文献[2]指出：GIS源于地图又超越了地图。GIS是一门综合性科学，它的发展涉及地理学、地图学、测绘学、计算机科学等众多学科。其中，地理学是GIS的认识论基础，地图学是其方法论基础[14]。在GIS出现以前，人类主要在地图上进行地理对象的空间位置、空间关系和属性特征描述，地图是集空间对象存储、管理与表达为一体的综合系统。基于地图结果，用户可以进行地理对象的空间定位、属性查询及量算分析等。因此，地图本质上是一个功能相对简单的GIS系统[2]。随着计算机技术的发展，信息空间的介入使地图发生了数字化转型。如图1所示，GIS继承了地图学的思维[15]，通过地图投影、制图综合、符号系统，结合空间分析方法，实现对现实世界的分析与表达[16]。
图1GIS的方法论基础
在地图投影、制图综合、符号系统的二维抽象逻辑基础上，GIS建立了一套集成空间数据结构、空间数据库、地图可视化、空间分析的理论与方法体系。其中，空间数据结构、空间数据库、地图可视化主要围绕空间数据的二维抽象表达进行组织、存储和可视化；空间分析则是GIS的核心，基于空间对象的时态、位置、几何形态、属性特征，通过叠加分析、缓冲区分析、网络分析、热点分析等，实现空间数据的推理分析、空间信息提取，以及空间决策。
1.2问题解析
GIS是地图学的当代发展和数字化转型，继承了地图学的科学思维和技术特征，其本质上是基于地图的信息系统(Map-basedGIS)。随着数字化转型对地理信息表达的实景化、精细化、协同化和个性化提出更高需求，GIS的这种逻辑范式在空间表征、空间分析、综合应用等方面(图2)，正面临由社会数字化转型带来的挑战。
图2Map-basedGIS面临的挑战
其次，在空间分析上，Map-basedGIS主要基于二维符号进行几何运算、数据分析和逻辑推理，将有关约束条件、判断规则等专家知识和先验知识形式化，与计算几何、空间关系等算法相结合，形成问题求解的计算模式。通过叠置分析、缓冲区分析、地形量算、地形分析、空间关系分析、最优路径分析和最优选址分析等空间分析方法，揭示数据间隐含的空间关系和时空模式。而随着多源异构时空大数据的涌现，以及对三维场景仿真模拟需求的日益丰富，Map-basedGIS空间分析方法在支撑时空大数据处理、场景仿真模拟、智能分析等新型应用上表现出一定的局限性。如，传统空间分析方法难以进行现实或虚拟场景的动态仿真模拟，也难以快速、准确、高效地从海量多源异构时空大数据中发现隐藏的空间知识。
最后，在综合应用方面，Map-basedGIS系统所承载的时空信息类型、数量、内容相对有限，大多仅围绕某一具体应用形成对应的技术系统。面对差异化的类型数据、功能应用以及用户角色，GIS需建立多套平行、相似，但又彼此孤立的信息系统，系统彼此间缺乏联动，数据、功能、服务、角色亦互不关联，互不共享，难以支撑城市级大规模、多元化、多类型综合应用。
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GIS科学概念转化
面向Map-basedGIS在空间表征、空间分析、综合应用等方面的不足，在对地观测、三维测图、物联感知、BIM等信息技术的驱动下，GIS的科学概念亟须进一步拓展，以适应数字社会空间对象的多类型、多层次、多角色的分析和表达需求。因此，本文立足新时代GIS的发展需求，在融合Map-basedGIS的逻辑思维基础上，从理论基础、管理模式、可视化形式、功能定位等视角，提出新时代GIS的科学概念转化模型(图3)，以期为新时期GIS的发展提供参考思路。
图3GIS的科学概念转化模型
2.1理论基础的转化：从经典地图学到泛地图学理论
Map-basedGIS主要依赖地图投影、制图综合、符号系统所构成的经典地图学理论。而随着地图学的学科发展，以规则化、隐喻化、结构化等艺术手段构建形成的类地图，以及以三维化、语义化、时序化、精细化为特征的实景三维地图不断出现[13]，地图的对象空间、表达维度、用户角色、表达机制、服务模式等更加多样。文献[19—21]将这些不断涌现的新兴地图类型与传统地图(或称“标准地图”)一起统称为泛地图，并形成了相应的科学理论——泛地图学理论。泛地图是传统地图的延伸和拓展，是对地理、社会人文和信息三元空间的综合表达，是一种通过地图语言、形象思维、空间思维对三元空间对象进行特征分析，实现人与人、人与物、物与物之间信息获取、传递、认知等功能的广义地图表达。
泛地图学理论拓宽了Map-basedGIS对象空间、可视化形式及应用领域的范畴。对象空间上，泛地图的对象空间从地理空间拓展到了包括地理空间、社会人文空间、信息空间在内的三元空间[20]，地上与地下、室内与室外、宏观与微观、虚拟与现实、有形与无形的空间对象成为GIS的表达对象。可视化形式上，泛地图的可视化形式从单一的图形符号语言向图形符号、思维过程、空间语义、自然语言的有机组合转变，静态-动态、2D-3D、抽象-具象、离散-连续等构成GIS的多元化表达手段[22]。应用领域上，泛地图的用户角色从人拓展到了物。在泛地图理论的支撑下，基于人的应用场景，GIS可以展示空间对象在三元空间中的分布，实现空间对象与人的交互、空间对象间的关系展示；基于物的应用场景，GIS可以辅助物进行自动化、智能化、精细化作业，如自动驾驶、自动分拣、机器人自动巡航等[23]。与经典地图学理论相比，泛地图理论具有信息价值更大、内容更为丰富、实时性更强等特点，有利于提高GIS时空信息组织、表达和分析能力。
2.2管理模式的转化：从Map-basedGIS到Space-orientedGIS
Map-basedGIS主要基于二维的分层组织逻辑进行空间数据的管理，这种分层化的地理信息表达思维适用于二维数据的轻量化管理与综合显示。而在三维场景下，GIS的管理模式从二维进一步转向三维空间化，形成面向空间的地理信息系统(Space-orientedGIS)。如图4所示，相较于Map-basedGIS对象表示，Space-orientedGIS对象在空间化、时序化、语义化、可视化及空间分析等方面都实现了内涵的新提升，拓展GIS的科学范畴。
图4GIS管理模式转化模型
（1）空间化：从二维到三维。在Map-basedGIS的二维表达逻辑基础上，Space-orientedGIS进一步将二维空间提升到三维表达空间，三维空间化成为Space-orientedGIS信息表达的创新逻辑。如图5所示，Space-orientedGIS将宏微观、地上下、室内外、虚实对象作为综合整体，形成全空间对象的沉浸式和连续性表达。GIS的表达空间从宏观地理空间扩展到室内空间、虚拟空间、微观空间等可测量空间。宏观地理环境、城市建成环境、地下地质结构、海洋深层环境，乃至虚拟环境等均可成为GIS的描述对象[24]。基于室内建模、实景三维、虚拟现实、全息感知、数字孪生等信息技术手段，Space-orientedGIS能够以空、天、地、海一体化方式连续表达客观物理世界，以虚构化、虚拟化、虚实化方式描绘信息世界[25]。
图5Space-orientedGIS模式下的空间一体化表达
（2）时序化：从静态到动态。在BIM技术、大数据、云计算等前沿技术的牵引下，Space-orientedGIS突破了传统的静态对象表达形式，将空间对象的时态特征表示从某一时刻或某一时段拓展到对象出现、发展、变化、消亡的全生命周期。通过将对象部件的物理或功能状态进行数字化表达，同时保持状态的动态更新、信息的共享和传递作用，提升空间对象的全过程表达能力。
（3）语义化：从单一到多元。在属性特征表达上，面向空间对象的精细化表达需求，Space-orientedGIS在原有属性特征描述基础上，进一步对空间对象整体或局部对象实体的几何、关系、性质、行为等特征进行定性或定量化描述[26]，实现对象属性特征多层次、多元化、全方位的信息集成与表达。
（4）可视化：从抽象到具象。Map-basedGIS的空间对象可视化以二维形式为主，而Space-orientedGIS的空间对象表达则可基于真实、立体、时序化的数字表示手段，结合光照、阴影、粒子效果等渲染特效，实现从二维抽象到三维具象空间的连续平滑过渡，高逼真还原复杂的宏微观地理空间[27]。按照表达内容的差异，Space-orientedGIS的表示可分为地形级、城市级和部件级[13]。其中，地形级可视化主要对宏观场景进行数字映射，基于DEM、DOM、TDOM、DSM等形成对地形、地势、海域、湖泊等生态空间对象的数字化表达；城市级可视化是地形级表达的进一步细化，通过倾斜摄影模型、激光点云模型、建筑物精细模型等的融合，形成对城市场景的三维高逼真表达；部件级可视化则突破了有限的对象管理与表达能力，将海量超大规模(千万级)时空对象要素、结构、部件纳入统一的管理、分析与应用范畴，实现对建筑物结构部件、建筑室内部件、道路设施部件、地下要素结构部件等空间实体的统一精细化管理与表达。
（5）空间分析：从地理统计到地学知识智能。Map-basedGIS的空间分析功能以地理统计分析为主，即在空间数据存储、管理、检索基础上，建立缓冲区分析、叠置分析、热点分析、地形分析、拓扑关系分析、网络分析、最优路径分析等空间分析功能；随着深度学习、群体智能、知识图谱等人工智能技术，推动空间分析从地理统计发展到地学知识智能。通过时空数据挖掘、深度学习、知识关联推理与知识发现，实现对非线性复杂地理世界的深层认知。如，利用深度学习提供的多层非线性变换，挖掘隐含在时空大数据内部的统计性特征，包括地理对象的时空分布、关联关系、变化模式等领域知识[2，28]。空间分析功能的转化将推进GIS从“分析型”向“决策支持型”迭代演进。
2.3可视化形式的转化：从二维静态到多维动态
地图符号是地图上表示空间对象要素质量、数量和分布特征的各种图形。Map-basedGIS主要采用二维点、线、面符号进行空间对象的抽象表达。信息时代，Space-orientedGIS的空间对象基本单元从二维点、线、面，拓展到点、线、面、体、场等多种类型单元。三维体符号可表达具有明确边界的立体空间对象，场符号可表达连续的、非匀质的空间要素属性场。GIS基础单元的拓展，为空、天、地、海的全要素一体化表达、模拟与分析计算提供了良好基础[29-30]。
在此基础上，室内空间、地下空间、虚拟空间、太空空间等新型空间的介入拓展了原有GIS表达的范畴。地上-地下、室内-室外、现实-虚拟的场景均成为GIS表达的目标。Space-orientedGIS表达的对象状态从静态发展到动态过程[31]；图形几何从二维发展到三维[32]；对象表征从外在表象表征发展到内里结构[33]；内容颗粒度从概括性表征发展到精细化表达[34]；用户视觉感知从第三人称的正射视角发展到沉浸式的第一人称视角[19]。GIS从单一的图形符号语言向图形化、空间化、精细化的多维组合转变。
2.4功能定位的转化：从单一应用系统到数据融合感知框架、在线协同平台
Map-basedGIS主要是围绕某一具体应用而实现的技术系统，系统与系统之间的数据、功能、服务彼此相互孤立、互不关联。在新技术的驱动下，Space-orientedGIS可基于全空间化的表达思维，从传统的技术系统过渡成为数据融合的框架与在线协同的平台，并逐渐向大众化应用转移。通过集成基础地理信息数据、三维模型数据、城市管理对象数据、物联感知数据、互联网开放数据等多源异构数据[35-36]，基于统一基准、实体关联、协同更新等技术手段，GIS可以实现全时空场景的三维综合可视化，为数字化政府治理、智慧化专题应用、城市规划设计及其他社会化应用提供逼真、直观的三维支撑环境。
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GIS科学概念转化下的创新应用
（1）智慧城市。基于大数据、云计算、物联网、BIM技术等，Space-orientedGIS能够通过融合基础地理信息数据、全空间三维模型数据等城市基础时空数据(图6)，政务、土地、小区、建筑、房屋、自然人、法人、交通等城市实体数据，物联网感知数据、互联网开放数据等城市运行状态数据，以及基础管理对象、行业管理对象等城市管理对象数据，生成具有统一时空基准、实体相互关联、属性状态协同更新的数字化平台，实现空间对象的实景化、精细化、协同化、动态化表示与全生命周期管理，为城市智慧规划、智慧交通、智慧城管、智慧政务、智慧社区等提供一体化支撑，服务于户政、交通、治安等城市治理的多元化需求。
图6基于GIS的智慧城市操作平台
（2）工业与商业领域。Space-orientedGIS进入建造业与商业领域，可以实现空间对象的三维化与精细化管理。通过精细化管理手段，辅助进行施工建造、生产制造的全生命周期管理与可视化表达，满足建筑或产品的安全管理、质量管理、进度管理和成本管理需求，降低行业生产制造管理成本，提升经济生产效率。而在商业领域，Space-orientedGIS能够可视化商场内部结构，高逼真还原现实商场内部场景，实现人流分布情况的全过程态势感知与热点分析，实时、动态、直观可视化人流在商场的分布与运动过程，为商场门店选址与突发事件预防提供决策支持。
（3）文物保护领域。Space-oriented对象表达则可实时动态感知地标建筑、重点单位、名木古树等重要空间地物的单元属性状态，融合历史与现状动态监测数据，对地理实体的基本属性、位置特征、空间关系、状态特征等进行全生命周期的管理，满足文物的状态实时感知与保护需求。以名木古树的数字化展现为例(图7、图8)，在Space-oriented对象表达下，可以实时动态可视化春、夏、秋、冬不同季节转换下的名木古树形态变化，保留高价值的文物数字化资产。
图7不同季节下的某名木古树形态变化
图8GIS在文物保护领域的新应用
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结论
本文基于GIS面临的新技术与新需求两方面的挑战，按照科学性与系统性原则，从基础理论、管理模式、可视化形式、功能定位等不同视角，进一步拓展GIS的科学概念。GIS的理论基础从经典地图学理论拓展到泛地图学理论，管理模式从Map-basedGIS拓展到Space-orientedGIS模式，可视化形式从二维静态拓展到多维动态，功能定位从单一的应用系统拓展到数据融合的框架与在线协同的平台。从Map-basedGIS到Space-orientedGIS科学概念转化表明，GIS未来将不断深化。空间化、三维化、过程化、精细化、智能化成为GIS的新特征，赋予其面向更加多元化、多层次、多类型空间对象表达与分析的能力。随着智慧城市、数字孪生和实景三维建设的深度推进，未来GIS将具有更为丰富多元的应用模式与应用前景。