关于地理信息理论的若干思考

关于地理信息理论的若干思考

1　GIS有没有理论?

GIS是从地理学、测量学、制图学、遥感学、图形图像学引用电子计算机技术后自然形成的一门边缘学科，在20世纪60～70年代逐步形成。开始时与事务数据库、机助制图及计算机辅助设计(CAD)等十分相似，在应用过程中逐步成为现在的地理信息系统。由于它带有十分明显的面向应用和技术导引的特点，实际上是在没有形成地理信息理论前就已广为应用和蓬勃发展起来了。

GIS有没有理论呢?答案是肯定的。国际GIS知名学者、美国加州大学(Sante Barbara分校)教授Goodchild^［1］在《地理信息科学发展》一文中曾指出:GIS的技术层导引(Technology-driven)和应用导引(Application-driven)两大特点丝毫不影响GIS的研究特性和逐步形成它作为一门科学的作用。恰恰相反，正是由于这两个动力而使这个边缘学科逐步形成为地理信息科学(Science of Geographic Information)。从毛泽东《实践论》论点看，GIS技术应用的大量实践必然会导致理论的升华，并进而促进GIS的应用。“实践—认识—再实践”的循环往复正是指导地理信息科学和技术发展的必然规律。

这里也许要讨论一下关于科学和技术的现代含义。在历史上，由于理论用于实践的周期较长，人们习惯说这是科学，那是技术;这些学科是理科，那些学科是工科。但进入电子计算机和信息时代(20世纪50年代)之后，这种简单的划分已不完全适应社会的发展了。翻开国际标准化组织对许多技术学科下的定义，可以明显看出，很多学科(包括测绘学、地理信息学在内)均被定义为一门艺术(Art)、科学(Science)、技术(Technolgy)和经济实体(Economical Body)。可以说，技术科学和边缘科学的急剧发展是当代科学发展的一个明显特点。

2　哪些地理信息理论问题需要解决?

就GIS的目前应用和未来发展而言，至少有以下这些问题需要人们从理论上去解决^［2］:

1)空间数据在计算机中的表示:如何在离散的、数字的计算机中表示现实世界的无限复杂性，如空间数据的时空分布和相互影响、相互作用的非线性系统特性，是用矢量还是栅格，或是某种混合或一体化形式;如何描述各种复杂的物体与过程，是采用层片还是面向目标方式，是采用直角坐标系还是球面坐标系等。

2)地理空间数据的采集:如何将记录在各种介质上的原始数据(图像、影像、声音、文字记录等)变成为可输入计算机的数字形式，并从中提取出与地理和空间分布有关的信息，这涉及模式识别、图像理解和语音识别等高科技。

3)数据的精度:如何评价GIS中各种非同质的定量和定性数据的精度及数据的不确定性，如何评价由这些数据通过各种操作运算和空间分析、信息融合后得出的结论的精确度和可信度。

4)大容量数据的存取问题:面对地理空间数据的超大容量，特别是影像数据的超大数据量，如何解决它与计算机存储能力的矛盾，通过什么方法可以解决超大规模GIS中数据的存取问题。

5)数据分析:如何连接GIS数据库、方法库和知识库以实现各种先进的建模功能，如何根据所要解决的问题实现GIS的目标/空间建模。

6)空间数据的表达与显示:如何利用计算机可视化技术和符号化表示方式来形象、直观而生动地表达和显示空间数据及其导出的信息;传统的以1∶500、1∶1 000，直至1∶100万、1∶250万、1∶400万等逐级比例尺表示地图的方法是否适于GIS，什么是多尺度(Multi-scaling)GIS。

7)变化发现与空间数据库的更新:如何利用已建的GIS数据库和新的遥感数据自动发现空间目标的变化和运动，并据以更新已有的空间数据库，并进行多时态的动态监测和分析。

8)从GIS数据库中发现知识:在集成的GIS环境中如何利用人工智能和专家系统方法直接从GIS数据库中发现必要的知识，以用于数据采集中的模式识别和图像理解，以及空间分析的智能化系统。

9)数据的可交换性、安全性与保密性:地理空间数据是国家的国民经济和国防建设的最基础数据，GIS空间数据库是依赖于计算机硬件和软件发展而不断进步的，GIS数据要在社会可持续发展和经济腾飞中发挥效益就必须具有很好的可交换性，而同时出于国家和民族的利益，它又要有极好的安全性和保密性。如何解决这个问题，涉及GIS的标准、规范和法令等一系列问题。

10)人机交互界面:如何将GIS中的数据库以对用户友好的方式和当前流行的模式呈现给用户，因为界面就是用户心目中的GIS。

11)成本与效益:如何度量GIS信息的效益，并将它与成本作比较;如何最大限度地节省GIS成本(投入)而提高和加速GIS的效益(产出)。

12)系统安装运行:如何运用系统工程理论和方法促进GIS在一个复杂的组织(如一个城市、一个交通网络系统、通信系统)或多个组织之间有效而成功地运转，这是关系到GIS能否在复杂的社会、政治、经济和文化实体组织和部门中正常运转的关键问题。

要回答上述这些问题，需要涉及计算机科学、信息科学、通信科学、地理科学、环境科学、管理科学、测绘、遥感学、数理统计、运筹学、人工智能及专家系统等科学和技术领域。也正是通过回答和解决上述问题以及今后GIS发展所提出的问题，才会逐步形成有自己理论体系的“地理信息科学”。

3　如何建立地理信息理论?

这是一个很难简单回答的问题。这里只想就地理信息理论研究中需要注意的若干观念上的问题谈一些认识，供大家讨论。

3.1　要充分认识到计算机技术进步带来的机遇

计算机处理速度一般以MIPS(每秒百万指令数)表示。目前，用于GIS的PC机和工作站已达到几十和上百个MIPS，未来几年中，达到500～1 000MIPS的计算机将成为可能。计算机的并行处理将使得图形和影像的栅格数据处理、影像分类、可视化、场景生成、虚拟现实及较复杂的空间分析等变得快速方便。计算机内存向大容量低成本发展，使大量数据能够在线快速地存取。在多用户网络的硬件结构支持下，地理信息可通过信息高速公路传送到任何地方。

用于GIS的外部设备，如高分辨率栅格数据输入、输出设备将愈来愈好、愈便宜且趋智能化。专门用于GIS的硬件工具，如多层片叠置分析硬件、智能影像传感器、“电子沙盘”等也许会研制出来，而且多媒体计算机技术正在引入GIS中，以发挥声、像等多媒体手段在数据采集、数据处理及成果表达与输出中的效能。

从总体上讲，硬件产品发展迅速、性能提高往往不导致价格上涨，但软件发展中面临的“软件危机”既费时间又费钱，这样就给地理信息理论研究者提供了一个大有作为和颇有压力的机遇，时代呼唤着新理论的问世。

3.2　要打破传统地图数据库对GIS发展形成的框框

从GIS发展史看出，早期的GIS曾经局限于数字形式的地图数据库的概念，即存储和使用各种比例尺地形图和专题图，认为GIS的输入是地图，输出也是地图，分析和应用也是基于多层片地图等。

我在《地理信息系统导论》^［2］一书中曾指出:“GIS绝不应当是存取地图的工具，而应当是存取地图所表示的现实世界的有关数据和信息的有效手段，这就要求人们能开拓思路。”

用纸张作为载体来表示地理信息，需要为各种不同要求制作各种不同比例尺(从1∶500逐级到1∶400万)的系列地形图和专题图。一旦用计算机的磁介质作为地理信息的载体，是否还要逐级存储不同比例尺的地图呢?事实上，存入计算机中的数据只有分辨率和精度的概念，并无比例尺含义。近几年来，有些专家已提出了无比例尺(Scale Independent)数据库和多尺度(Muliti-Scaling)GIS的概念，企图用一个空间数据支持多种比例尺制图数据库的使用。

例如，德国的全国官方地形和制图信息系统(ATKIS)计划中，明文规定了数字景观模型(DLM)和数字制图模型(DKM)^［3］两种不同的数据库，前者是具有拓扑关系的、无比例尺含义的三维空间数据库，而后者是由前者导出的，有比例尺概念的，经过综合取舍、符号化与目视化后的数字地图数据库。这种从理论上区分两种数据库的概念是可取的。由于概念不明确，我国曾经在地图数字化过程中出现过一些困扰的问题。一个典型的例子是为了便于机助绘图，曾利用AutoCAD软件，按“图上有什么就数字化什么”的原则建立了数字地图数据库。结果这些数据不能直接输入像Arc/Info这样的地理信息系统中去。因为仅仅要去掉已数字化的各种非比例尺和半比例尺图式符号而改为输入属性这一个动作，就比重新按GIS要求数字化一倍还要费时。这个例子极好地说明了建立地理信息理论体系的必要性。

在GIS问世之前，地图既是空间数据库，又是输出成果，就是说，它既是可量算产品，又是可视化产品。当有了GIS技术之后，所有的量算、空间分析等均可在计算机中快速而精确地进行，地图作为一种可视化产品应当与传统地图在概念上有所区别。若它只作为可视化产品，是否还需要用如此高精度的数控绘图仪和在可量算和可视化之间作出困难的选择呢?

3.3　要充分发挥现代数学理论和工具在地理信息理论研究中的作用

在以计算机科学、空间科学和通信科学为特征的信息时代中新的数学理论和工具源源不断地提出，并且被很快地用到地理信息系统中来，因此，在开展地理信息理论研究中必须充分注意发挥这些理论的作用。目前我们已接触到的理论有:信息论、信号论、编码理论、图论、数学形态学、图形代数学、超图理论、多级格网理论、小波理论、分形分维理论、拓扑学理论、神经元网络理论等等。例如，一幅等高线地图，可以用信号理论求其频谱特征，分成低频和高频成分，进行传输、变换和压缩;可以用小波理论进行金字塔多级分解和正反变换;可以用编码理论进行编码和解码;也可以用数学形态学或图形代数理论进行等高线地图综合取舍。又如，按照超图理论，小比例尺图上的点状城市是一个超点，它代表了大比例尺城市数据库的点、线、面的结合;一个线状符号(如铁路线)，它也是一个超线，代表了大比例尺的铁路GIS系统。显然，GIS研究工作者必须十分重视在GIS理论研究中应用新的数学理论。

我们也期待着通过GIS理论研究来发明和创造出新的基础理论。国家科委主任宋健同志1994年在接见ISPRS执委会全体成员时指出:为了解决地球表面在平面上的表示，数学家高斯提出了地图投影理论，并由此导出微分几何学。我们相信，在现代技术进步之时，为了解决时空分布的地球表层及其外层空间整个环境及其动态变化的过程在计算机中的表示，必定会创造和发展一系列基础理论，并利用这些基础理论去推动地理信息产业及相关学科的发展。

地理信息产业呼唤地理信息理论的建立!

参考文献

［1］Goodchild M.Tow Ards a Science of Geographic Infor mation/The Year book of the Association for Geographic Information.Taylor＆Francis，1991.

［2］李德仁，龚健雅，边馥苓.地理信息系统导论.北京:测绘出版社，1993.

［3］李德仁.论发展我国地理信息产业的基础建设.中国测绘，1996(1):10-13.

(武汉测绘科技大学学报，1997，22(2))