全空间地理信息系统展望-周成虎

全空间地理信息系统展望 周成虎 ( 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室 ， 北京100101) 摘 要 ： 地 理 信 息 系 统 作 为 一 门 空 间 科 学 ， 以 其 独 特 的 空 间 观 点 和 空 间 思 维 ， 从 空 间 相 互 联 系 和 相 互 作 用 出 发 ， 揭 示 各 种 事 物 与 现 象 的 空 间 分 布 特 征 和 动 态 变 化 规 律 。 本 文 从 地 理 信 息 系 统 所 研 究 的 空 间 对 象 出 发 ， 对 地 理 信 息 系 统 发 展 新 方 向 提 出 思 考 ： 从 地 球 空 间 拓 展 到 宇 宙 空 间 ， 需 要 构 建 宇 心 坐 标 系 和 宇 宙GIS 、 月 球GIS 等 ； 从 室 外 空 间 延 伸 到 室 内 空 间 ， 需 要 发 展 室 内GIS ， 并 拓 展 到 水 下 空 间 和 地 下 空 间 ； 从 宏 观 到 微 观 空 间 ， 可 以 发 展 面 向 游 戏 的 体 育GIS 、 面 向 生 命 健 康 管 理 的 人 体GIS 等 ； 面 向 大 数 据 时 代 ， 发 展 大 数 据 空 间 解 析 的 理 论 和 方 法 ， 贡 献 于 大数据科学的发展 。 关 键 词： 地理信息系统； 宇宙GIS ； 室内GIS ； 人体GIS ； 体育竞技GIS 经 过50 多 年 的 发 展 ， 地 理 信 息 系 统 已 经 发 展 成 为 包 括 地 理 信 息 科 学 、 地 理 信 息 技 术 和 地 理 信 息 应 用 的 综 合 高 技 术 领 域 ， 在 资 源 与 环 境 、 灾 害 与 应 急 响 应 、 经 济 与 社 会 发 展 、 卫 生 与 生 命 健 康 、 规 划 与 区 域 设 计 等 领 域 得 到 广 泛 应 用 ， 成 为 当 今 信 息 社 会 不 可 或 缺 的 重 要 组 成 部 分 。 面 对 移 动 互 联 、 大 数 据 和 云 计 算 等 新 一 代IT 科 学 技 术 发 展 潮 流 ， 地 理 信 息 系 统 的 发 展 面 临 新 的 战 略 机 遇 和 挑 战 。 本 文 从 地 理 信 息 系 统 的 空 间 思 维 视 角 出 发 ， 畅 想GIS 拓 展 的 领 域 ， 思 索 其 中 的 关 键 科 学 与 技 术 问 题 ， 构 建 无 所 不 在的GIS 世界 。 1 从地球空间到宇宙空间 传 统GIS 主 要 研 究 地 球 表 层 系 统 ， 关 注 的 是 与 人 类 生 产 生 活 密 切 相 关 的 地 表 空 间 ， 以 地 理 科 学 、 测 绘 科 学 为 主 要 学 科 基 础 ， 并 广 泛 使 用 信 息 技 术 。 随 着GIS 应 用 的 不 断 深 入 ， 大 气 科 学 、 海 洋 科 学 、 环 境 科 学 、 地 质 学 等 地 球 科 学 的 分 支 学 科 也 逐 步 应 用 GIS 作 为 一 种 技 术 手 段 ， 处 理 和 分 析 复 杂 的 空 间 数 据 ， 并 进 行 制 图 。 在 医 学 领 域 ， GIS 则 被 广 泛 用 于 发 现 环 境 与 生 命 健 康 的 关 系 ， 如 癌 症 与 环 境 污 染 关 系 、 儿 童 先 天 出 生 缺 陷 与 自 然 环 境 背 景 关 系 等 。 在 犯 罪 学 领 域 ， GIS 用 于 分 析 犯 罪 的 环 境 特 征 、 追 索 犯 罪 的 时 空 线 索 等 。 这 些 应 用 促 进 了 地 理 信 息 系 统 相 关 分 支 领 域 的 发 展 ， 如 交 通GIS 、 城 市GIS 、 土 地 GIS 等 等 。 地 理 信 息 系 统 在 地 球 科 学 领 域 的 深 化 应 用 ， 推 动 了 地 理 信 息 系 统 的 理 论 方 法 从 二 维 平 面 空 间 拓 展 到 了 以 地 心 坐 标 系 为 基 础 的 三 维 地 球 空 间 。 面 向 未 “ 来 地 球 ” 计 划 ， 地 理 信 息 系 统 需 要 在 空 间 分 析 模 型 基 础 上 ， 进 一 步 发 展 各 种 动 力 过 程 模 型 ， 耦 合 地 球 系 统 模 拟 器 ， 实 现 数 据 驱 动 与 模 型 驱 动的双重模型系统 。 在 上 述 应 用 发 展 的 同 时 ， 地 理 信 息 系 统 作 为 一 门 独 立 的 学 科 方 向 也 被 提 出 ， 地 理 信 息 科 学 的 理 论 研 究 得 到 重 视 。 地 理 信 息 的 本 体 理 论 、 统 一 时 空 框 架 、 地 球 信 息 机 理 、 时 空 数 据 分 析 模 型 等 成 为 核 心 研 究 内 容 。 地 理 信 息 科 学 理 论 方 法 和 技 术 的 发 展 ， 又 进 一 步 促 进 了 地 理 信 息 系 统 应 用 的 发 展 ， 特 别 是 在生命科学 、 社会科学 、 空间科学领域的应用深化 。 地 理 信 息 系 统 在 空 间 科 学 的 应 用 需 要 我 们 建 立 新 的 空 间 坐 标 系 统 ， 特 别 是 随 着 深 空 探 测 的 不 断 发 展 ， 从 月 球 到 火 星 再 到 更 远 更 深 的 星 球 ， 我 们 所 面 对 的 是 一 个 广 袤 的 宇 宙 空 间 ， 构 建 面 向 宇 宙 空 间 的 宇 心 坐 标 系 ， 发 展 宇 宙 空 间 的 分 析 方 法 ， 建 立 宇 宙 地 理 信 息 系 统(Universal GIS) 将 是 现 代GIS 发 展 第34 卷 第2 期 2015 年2 月 地 理 科 学 进 展 Progress in Geography Vol.34, No.2 Feb.2015 收稿日期 ： 2015-02； 修订日期 ： 2015-02 。 基金项目 ： 国家自然科学基金项目(41171307) 。 作者简介 ： 周成虎(1964-) ， 男 ， 江苏淮安人 ， 中国科学院院士 ， 主要从事地理信息系统 研究 ， E-mail:zhouchlreis.ac.cn 。 引 用 格 式 ： 周 成 虎. 2015. 全 空 间 地 理 信 息 系 统 展 望J. 地 理 科 学 进 展, 34(2): 129-131. Zhou C H. 2015. Prospects on pan-spatial information systemJ.ProgressinGeography,34(2):129-131. DOI:10.11820/dlkxjz.2015.02.001 129-131 页地 理 科 学 进 展 第34 卷 一 个 前 沿 方 向 。 例 如 ， 嫦 娥 探 月 工 程 飞 绕 月 球 ， 获 取 了 全 月 球 高 分 辨 率 的 月 面 遥 感 影 像 ， 并 得 到 月 球 表 面 的 数 字 高 程 模 型 。 为 了 实 施 登 月 ， 需 要 利 用 地 理 信 息 系 统 的 空 间 选 址 功 能 ， 结 合 嫦 娥 飞 行 轨 道 特 征 ， 优 选 着 陆 地 点 。 因 此 ， 应 参 照 地 理 信 息 系 统 在 地 球 上 的 构 建 体 系 ， 构 建 一 个 基 于 月 心 坐 标 系 的 月 球 地 理 信 息 系 统(Moon GIS) ， 系 统 地 管 理 月 面 的 月 壤 、 岩 石 等 要 素 数 据 ， 分 析 月 坑 、 月 海 等 空 间 分 布 特 征， 探索月球演化的机理 ， 模拟其演化过程 。 2 从室外空间到室内空间 天 空 地 海 一 体 化 的 综 合 对 地 观 测 系 统 发 展 使 得 人 类 实 现 了 对 地 球 表 层 系 统 、 大 气 系 统 和 海 洋 系 统 的 动 态 、 精 细 观 测 ， “ 透 明 地 球 ” 计 划 的 实 施 也 使 得 我 们 对 固 体 地 球 有 了 进 一 步 的 认 识 。 现 代 地 理 信 息 系 统 借 助 于 空 间 分 析 能 力 ， 在 这 些 以 开 放 的 室 外 空 间 为 共 同 特 征 的 应 用 领 域 取 得 了 长 足 的 发 展 ， 凸显了地理信息系统的空间视角的科学特色 。 现 代 移 动 通 信 、 移 动 定 位 、 移 动 互 联 网 的 发 展 ， 使 地 球 上 的 一 切 事 、 物 、 人 密 切 地 联 系 在 一 起 ， 形 成 了 一 个 “ 人 机 物 ” 混 合 的 三 元 世 界 。 地 理 信 息 系 统 则 需 要 关 注 人 类80% 时 间 所 依 存 的 各 种 小 型 室 内 空 间 ， 需 要 建 立 室 内 空 间 表 达 的 数 据 模 型 ， 发 展 各 种 面 向 室 内 空 间 问 题 的 分 析 方 法 ， 构 建 面 向 室 内 精 细 物 件 管 理 的 软 件 系 统 ， 并 实 现 与 室 外 地 理 信 息 系 统 的 互 联 互 通 。 因 此 ， 室 内GIS(Indoor GIS) 或 微 空 间GIS 应 成 为 现 代 地 理 信 息 系 统 重 要 发 展 方 向 。 利 用 室 内GIS 技 术 ， 可 以 将 地 球 上 每 一 栋 建 筑 、 每 一 所 房 子 联 系 起 来 ， 实 现 对 室 内 空 间 的 精 细 管 理 。 例 如 ， 为 了 保 障 公 共 安 全 ， 我 们 需 要 对 医 院 、 大 型 商 场 与 超 市 、 能 源 基 地 与 核 电 厂 等 重 点 场 所 实 现 管 理 ， 通 过 和 建 筑 信 息 管 理 系 统(BIM) 的 融 合 ， 实 现 对 各 种 物 件 的 管 理 ； 通 过 地 理 信 息 系 统 的 空 间 拓 扑 模 型 ， 实 现 对 各 种 室 内 空 间 的 关 联 处 理 ； 通 过 模 型 嵌 入 ， 实 现 对 室 内 空 间 安 全 管 理 、 应 急 处 置 方 案 等 分 析 模 拟 。 又 如 ， 面 向 商 业 服 务 ， 将 室 内 定 位 与 室 内 GIS 集 成 ， 通 过 地 理 围 栏 技 术 ， 可 以 将 商 场 的 商 品 信 息 与 穿 行 的 人 流 关 联 起 来 ， 实 现 商 品 的 促 销 和 精 准 营 销 。 将 每 一 栋 楼 和 每 一 个 房 间 管 理 起 来 ， 将 是 一 项 艰 巨 而 重 要 的 任 务 。 如 当 前 中 国 不 动 资 产 的 登 记和管理就对IndoorGIS 提出了巨大需求 。 在 室 内GIS 发 展 的 基 础 上 ， 可 以 进 一 步 拓 展 到 对 地 下 空 间 、 水 下 空 间 的 管 理 。 地 下 空 间 分 为 开 放 型 地 下 空 间( 如 地 下 商 场 、 地 铁 通 道) 与 密 闭 型 地 下 空 间( 如 成 矿 体 、 储 油 体) 。 水 下 空 间 的 基 本 特 征 是 密 闭 、 流 动 的 水 介 质 。 现 代 城 市 的 快 速 发 展 ， 对 地 下 空 间 的 利 用 提 出 了 巨 大 需 求 ， 而 地 下 设 施 安 全 管 理 与 防 范 等 ， 相 对 地 面 空 间 要 难 得 多 。 因 此 ， 面 向 地 下 空 间 管 理 的GIS 研 究 和 发 展 具 有 重 大 的 现 实 意 义 。 随 着 中 国 对 海 洋 资 源 开 发 利 用 需 求 的 提 高 ， 海 洋 经 济 和 海 防 安 全 等 对 发 展 海 洋GIS 提 出 了 战 略需求 ， 水下空间管理则是其发展的基石 。 3 从宏观空间到微观空间 现 代GIS 所 应 用 的 范 围 主 要 集 中 于 低 速 运 动 的 宏 观 空 间 ， 基 本 上 服 从 于 牛 顿 力 学 规 律 。 但 作 为 一 门 空 间 科 学 ， 或 一 种 空 间 思 维 体 系 ， 现 代GIS 同 样 可 以 推 广 应 用 到 小 尺 度 、 甚 至 是 微 型 空 间 ， 如 人 体 空 间 、 体 育 竞 技 场 空 间 。 当 前 ， 地 理 信 息 系 统 与 生 命 科 学 的 交 叉 融 合 ， 使 得 面 向 人 体 管 理 、 生 命 微 循 环 等 现 象 与 问 题 可 以 利 用GIS 来 描 述 、 分 析 和 模 拟 。 由 此 ， 人 体 地 理 信 息 系 统(Human GIS) 应 该 成 为发展方向 。 人 体 地 理 信 息 系 统 的 空 间 坐 标 系 是 由 一 个 主 坐 标 系 和 若 干 局 部 坐 标 系 构 成 的 综 合 坐 标 系 。 在 此 三 维 坐 标 体 系 下 ， 以 人 体 解 剖 理 论 为 指 导 ， 采 用 面 向 对 象 的 方 法 ， 将 人 体 分 解 为 若 干 具 有 独 立 功 能 的 机 体 ， 每 一 个 功 能 机 体 可 以 进 一 步 分 解 为 若 干 子 部 分 ， 从 而 可 以 构 建 一 个 数 字 人 体 ； 以 东 方 人 体 经 络 理 论 和 西 方 人 体 微 循 环 理 论 为 指 导 ， 构 建 各 功 能 机 体 的 有 机 联 系 ， 从 而 建 立 人 体 循 环 系 统 。 在 此 基 础 上 ， 可 以 将 日 常 体 检 和 医 疗 检 查 的 各 种 资 料 集 成 ， 形 成 一 个 完 整 的 人 体 健 康 数 据 系 统 ， 为 身 体 健 康 诊 断 和 治 疗 方 案 的 制 定 等 提 供 较 为 系 统 的 科 学 数 据 支 撑 。 建 立 每 一 个 人 的 人 体GIS 系 统 ， 将 是 一 项巨大而长远的任务 。 足 球 、 篮 球 、 排 球 等 体 育 竞 技 场 空 间 是 一 个 在 有 限 时 空 范 畴 内 人 与 人 高 度 交 互 的 空 间 ， 可 以 将 GIS 的 空 间 观 点 用 于 描 述 和 模 拟 这 些 竞 技 运 动 ， 发 展 体 育 竞 技GIS 系 统(Sports GIS), 服 务 于 体 育 训 练 和体育游戏活动 。 4 从小数据到大数据 地 理 信 息 系 统 是 一 门 处 理 和 分 析 空 间 数 据 的 学 科 。 社 交 网 、 传 感 网 与 综 合 观 测 系 统 等 的 发 展 ， 使 得 当 代 社 会 进 入 了 大 数 据 时 代 ， 大 数 据 挖 掘 与 知 识 发 现 成 为 现 代 科 学 技 术 的 前 沿 发 展 方 向 ， 地 理 信 130第2 期 周成虎： 全空间地理信息系统展望 息 系 统 的 发 展 正 面 临 大 数 据 时 代 的 发 展 机 遇 和 新 的挑战 。 发 展 大 数 据 的 空 间 解 析 理 论 与 方 法 是 地 理 信 息 系 统 研 究 前 沿 方 向 。 大 数 据 空 间 解 析 的 核 心 思 想 是 充 分 利 用 大 数 据 中 所 包 含 的 显 性 或 隐 性 空 间 位 置 特 征 信 息 ， 通 过 多 元 空 间 的 统 一 表 达 和 大 数 据 的 空 间 化 重 构 ， 实 现 大 数 据 的 空 间 映 射 ， 进 而 可 在 统 一 时 空 体 系 下 分 析 大 数 据 中 所 隐 含 的 模 式 和 发 现 新 知 识 ， 从 而 建 立 起 基 于 空 间 分 析 原 理 的 大 数 据 分 析理论方法 。具体研究可以包括以下5 个方面 。 (1) 在 理 论 分 析 方 面 ， 着 力 研 究 物 理 空 间 、 人 类 经 济 社 会 空 间 以 及 信 息 空 间 的 本 质 及 其 可 能 的 相 互 映 射 关 系 ， 构 建 多 元 空 间 协 同 表 达 与 统 一 时 空 基 准 ， 归 一 化 具 有 多 元 、 多 尺 度 、 多 语 义 、 多 模 态 等 特 征 的 大 数 据 ， 形 成 大 数 据 的 空 间 协 同 表 达 和 可 靠 性 评价方法 。 (2) 在 大 数 据 的 整 体 空 间 统 计 特 征 分 析 方 面 ， 发 展 大 数 据 区 域 总 量 估 算 的 空 间 采 样 和 样 本 评 价 模 型 ， 构 建 样 本 大 小 与 样 本 质 量 的 关 系 模 式 。 探 索 样 本 估 计 中 的 误 差 传 递 ， 寻 找 样 本 大 小 和 样 本 质 量 间 的 阈 值 ， 讨 论 样 本 质 量 对 区 域 总 量 估 计 精 度 的 影 响 。 以 随 机 分 布 和 正 态 分 布 为 例 ， 从 理 论 推 导 结 果 中 比 较 加 入 “ 污 染 ” 样 本 前 后 的 均 值 、 方 差 和 平 均 方 差 等 统 计 量 ， 讨 论 “ 污 染 ” 样 本 的 样 本 量 和 误 差 大 小 对 样 本 估 计 的 影 响 。 然 后 ， 以 模 拟 数 据 为 基 础 验 证 所 构 建 的 模 型 ， 并 结 合 实 际 时 空 要 素 地 理 场 数 据 开 展试验 。 (3) 在 时 空 地 理 要 素 数 据 场 分 析 方 面 ， 发 展 大 数 据 的 时 空 关 联 和 陆 地 表 层 曲 面 模 型 。 识 别 多 元 空 间 体 系 下 的 时 空 关 联 关 键 性 因 子 ， 构 建 地 理 系 统 认 知 体 系 ， 将 大 数 据 区 分 为 空 间 平 稳 和 空 间 非 平 稳 两 种 类 型 ， 形 成 区 域 参 量 空 间 分 布 模 式 ， 建 立 相 应 的时空算法库 ， 发展高效的批处理模型 。 (4) 在 网 络 数 据 分 析 方 面 ， 发 展 大 数 据 的 异 构 时 空 轨 迹 的 表 达 模 型 和 距 离 测 度 。 异 构 时 空 轨 迹 的 表 达 模 型 主 要 解 决 离 散 时 空 轨 迹 、 路 网 轨 迹 和 连 续 场 等 空 间 测 度 下 轨 迹 的 表 达 和 索 引 模 型 。 在 此 基 础 上 ， 研 究 不 同 测 度 空 间 下 轨 迹 距 离 的 定 义 、 异 构 测 度 空 间 的 轨 迹 相 似 性 度 量 指 标 ， 以 及 轨 迹 间 的 时 空 分 析 和 挖 掘( 缓 冲 区 、 轨 迹 的 平 行 以 及 轨 迹 的 时 空邻近 、 聚合 、 分离等 关系) 模型 。 结合城 市人流 、 物 流 移 动 时 空 轨 迹 等 实 际 数 据 进 行 验 证 、 分 析 和 检 验 。 (5) 在 大 数 据 空 间 解 析 技 术 方 面 ， 研 发 基 于 高 性 能 计 算 系 统 的 地 理 空 间 大 数 据 空 间 解 析 平 台 ， 包 括 高 性 能 地 理 计 算 并 行 算 法 库 ， 如 大 数 据 区 域 总 量 估 计 和 空 间 分 布 ， 高 性 能 轨 迹 的 时 空 分 析 和 挖 掘 ； 地 理 系 统 高 性 能 地 理 系 统 模 拟 模 型 库 ， 如 时 空 数 据 场 的 特 征 参 量 计 算 模 型 和 陆 地 表 层 系 统 模 拟 模 型 。 构 建 城 市 动 力 特 征 计 算 、 海 洋 时 空 数 据 关 联 分 析和多源遥感数据计算等实际应用的原型系统 。 Prospects on pan-spatial information system ZHOUChenghu (StateKeyLaboratoryofResourcesandEnvironmentalInformationSystem,InstituteofGeographicSciences andNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China) Abstract:As a spatial science, Geographical Information System (GIS) is characterized by its distinctive spatial thinking and perspectives. With a focus on spatial interrelations and interactions, GIS can be used to reveal the spatial distribution patterns and dynamic changes of objects, events, and phenomena. This article outlines the fu- ture prospects of the development of GIS based on the understanding of the spatial objects that it studies. Univer- sal GIS with universal coordinate system will be developed when the study objects is the universe. Indoor GIS is to be studied and developed in case that GIS is applied to the indoor space where we spend about 80% of our time. GISs for underground and aqua-spaces also need to be developed since our activities have extended into solid earth such as shopping malls in subway stations and open water such as marine fishery. GIS is also useful when we deal with spatial issues involving micro-scale spaces such as sport fields or human body, therefore hu- man GIS and sports GIS that describes and models sports activities will come into being. The coming of age of big data has created a new opportunity for the development of GIS. Spatial thinking and analysis will contribute greatlytotheresolutionofbigdatamining,evenbigdatascience. Keywords:geographicalinformationsystem;universalGIS;indoorGIS;humanGIS;sportsGIS 131