GUO Renzhong, CHEN Yebin, ZHAO Zhigang, MA Ding, HE Biao, WANG Weixi, HONG Wuyang, LI Minmin.
1854年，John Snow通过在地图上标绘霍乱病例的空间分布，发现了伦敦霍乱疫情的源头，这是最早的GIS应用案例[1]。20世纪60年代，Roger Tomlinson开发了第一个用于土壤、农业、林业等土地利用信息存储、分析和表达的信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS)，并提出了地理信息系统(geographic information on system，GIS)的概念，由此GIS作为一门独立的学科开始兴起。20世纪60年代以后，随着地理信息技术的发展，GIS的核心内涵经历了“地理信息系统(GISystem)→地理信息科学(GIScience)→地理信息服务(GIService)”的转变。GIS从最初强调地理信息获取、存储、管理、分析和可视化的技术系统[2]，发展到用于分析空间对象数量、质量、分布特征、内在联系和运动规律的地理信息科学，再到随时随地为用户提供与位置相关联的地理信息服务，其内涵不断丰富，应用领域不断拓展。然而，需要注意的是，传统GIS主要基于二维(或2.5维)的地理空间抽象逻辑，通过DEM、DOM、DRG、DLG等4D数据的分层组合、分析、应用，形成对现实世界的简化和抽象表达[3]。这种表达逻辑易于展现全球、大洲、区域、城市等宏观场景的对象形态、空间分布与空间联系。但由于立体维度表达的不足，表达结果往往不够直观，难以完全满足数字空间真三维观察、模拟、分析以及研判的需要[4]，不利于GIS向更深层次领域进一步拓展。
随着三维测绘、大数据、云计算、区块链、人工智能等前沿技术的兴起，社会经济的数字化转型推动地理信息产业发生根本性变革[5]。数字社会、数字经济、数字生态等对地理信息的升级迭代提出了更高的要求。地理信息要素的数字化突破了原有的二维、抽象、静态表达逻辑[6]，强调以逼真、立体、动态化方式对人类赖以生存的现实世界进行重构，形成反映和表达现实世界的虚拟空间[7]。在实景三维、数字孪生、城市信息模型、元宇宙等推动下，三维化、空间化、对象化、动态化等成为当前地理空间对象表达的新趋势[8]。国际摄影测量与遥感学会(International Society for Photogrammetry and Remote Sensing，ISPRS)提出将三维数据模型设计、建模及可视化纳入优先研究领域，并逐步扩展至多维、复杂的时空动态建模、数字孪生、自动更新及场景化表达[9-10]。多维动态数据处理、三维建模、空间决策分析与可视化成为GIS发展的趋势。王家耀指出新一代GIS应基于统一的时空基准，将各种分散的和分割的大数据汇聚到统一的平台，并使之发生持续的聚合效应，即通过多源异构数据融合、关联分析与数据挖掘，揭示事物的本质规律，对事物做出更加快捷、更加全面、更加精准和更加有效的研判和预测[2]。李德仁认为在信息技术的驱动下，未来GIS基于实景三维手段，将更精确地描述地物的三维几何信息、语义属性和相邻空间关系，实现城市发展态势的精准洞察和科学决策[11]。陈军提出新一代信息技术指引地理信息采集、更新、监测、服务等以更加灵活、自动、实时、开放的新方式进行，驱动国家基础地理信息数据库的产品模式、技术模式、服务模式、生产组织模式等方面转型升级[4]。2022年，《“十四五”数字经济发展规划》指出“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台，因地制宜构建数字孪生城市”[12]。自然资源部办公厅发布的《关于全面推进实景三维中国建设的通知》也明确将实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，是国家重要的新型基础设施[13]。
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。
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1 GIS的方法论基础
地图投影解决了地球球面到地图平面的映射问题。地球球面是一个不可展开的曲面，而GIS中空间对象表示多以平面形式为主，这使得将地球表面对象的经纬度坐标转换到平面上成为对象表达的必然。围绕空间对象所处的经纬度分带，以及对象表达的方位、距离、面积变形需求，通过圆柱投影、圆锥投影、方位投影等方式，保证地理空间对象在角度、距离或者面积上的准确性。制图综合解决了海量空间对象可视化的清晰性问题。受限于计算机的数据运算、存储和显示能力，为了在有限图幅空间中表达尽可能多的内容，同时保持空间对象的分辨率和易读性，需要围绕制图主题，采用选择、概括、抽象、聚合等地图综合方法，对地图信息进行要素选取和化简，达到清晰表达空间对象的目的。符号系统解决了空间对象视觉表达的有效性问题。空间对象存在现实形态复杂性与地图视觉表达能力有限性之间的矛盾，需要在空间对象表达的直观性与抽象性之间做出权衡。三维可视化的表达方式更贴近于人的视觉感知，更易于人类感知，但对计算机技术也提出了更高的要求。限于计算机技术的发展，传统GIS更多基于文献[17]提出的视觉变量理论(静态和二维)，以及基于格式塔心理学的地图感受理论[18]。通过形状、尺寸、方向、色相、明度、饱和度等视觉变量进行空间对象的二维符号抽象，以达到地理空间对象表达的目的。
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-based GIS)。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2 Map-based GIS面临的挑战
首先，在空间表征上，Map-based GIS继承了地图学的抽象思维，通过地图投影、制图综合、符号系统描述空间对象的时间、空间、属性特征，形成空间对象外在形态、空间关系、属性特征、变化过程等的描述。但这种空间实体的表示方法主要关注二维空间的抽象，当GIS所表示的空间从二维空间拓展到三维空间时，地下空间、室内空间、虚拟空间等都成为GIS表达的对象空间。Map-based GIS的二维抽象表征形式较难满足多空间的连续表达需求，在支撑虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)等新型应用上存在一定困难。
其次，在空间分析上，Map-based GIS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-based GIS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-based GIS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。
面向Map-based GIS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-based GIS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3 GIS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-based GIS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-based GIS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-based GIS到Space-oriented GIS
Map-based GIS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-oriented GIS)。如图4所示，相较于Map-based GIS对象表示，Space-oriented GIS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4 GIS管理模式转化模型
（1）空间化：从二维到三维。在Map-based GIS的二维表达逻辑基础上，Space-oriented GIS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-oriented GIS信息表达的创新逻辑。如图5所示，Space-oriented GIS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-oriented GIS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5 Space-oriented GIS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-oriented GIS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-oriented GIS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-based GIS的空间对象可视化以二维形式为主，而Space-oriented GIS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-oriented GIS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。