全息地理重構理論、方法及應用探討

劉朋飛，崔鐵軍

（1.天津師范大學地理與環(huán)境科學學院，天津300387；2.天津師范大學天津市地理空間信息技術工程中心，天津300387）

隨著計算機科學和信息技術的發(fā)展，人們開始利用信息技術模擬人的某些思維過程和智能行為，逐漸發(fā)展成為人工智能科學，其目的是模擬、擴展和延伸人類的智能.地理信息科學的研究目的是利用信息技術提升解決地理問題的能力[1].隨著遙感技術和衛(wèi)星定位技術的發(fā)展，人們感知地球表面物體和現(xiàn)象的手段逐漸多樣化和智能化，地理信息感知能力大大增強，因此，在地理信息感知和地理信息應用領域，地理空間數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長.GIS 發(fā)展的終極目標，是在大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能的基礎上構建智能GIS.智能GIS 可以模擬人的地理思維方式，利用所構建的地理數(shù)學模型，從多源地理數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其中隱含的地理知識和空間聯(lián)系，從而模擬、推演和預測地理發(fā)展規(guī)律，為人類決策提供科學依據(jù).這里需要解決2 個問題：①探究事物的本原、本質或存在與事物的表征信息以及表達信息的數(shù)據(jù)之間的關系；②如何從事物的信息表征（數(shù)據(jù)）中認識事物的本質（規(guī)律）.本文以本體論為基礎，探討地理本體和地理信息本體的內涵，以及產(chǎn)生多源地理數(shù)據(jù)的根源，基于全息論建立地理過程重構的理論體系[2-3]，探討多源地理數(shù)據(jù)的集成、融合、關聯(lián)、推理、模型構建和同化等方法，以為構建智能GIS 提供理論方法，推動GIS 實現(xiàn)更高層次的應用.

1 全息地理重構理論

人類從感知得到的信息中通過大腦思考提煉出所需要信息的過程稱為信息重構.它是人類在信息感知的基礎上，對感知材料進行分析和綜合，通過概念、判斷、推理的形式，認知客觀事物的本質屬性和運動規(guī)律.

1.1 地理本體的多重數(shù)據(jù)表達

本體論（Ontology）是探究世界的本原或基質的哲學理論[4]，它是研究存在的本質的哲學問題.通過直觀認識到的事物，是實體物及實體物的活動，而通過視覺信息手段認識的事物，是圖像化的世界.相對于整體世界，人類可見的事物是少量的，大量的事物是不可見的.利用可見事物的關聯(lián)，探究不可見事物存在的機理，就構成了信息學本體論研究的內容，進而出現(xiàn)了信息本體這個概念[5].關于信息本體的定義，學術界一直沒有統(tǒng)一的定論，但存在基本的共識，即信息本體包括概念化、形式化、可共享、明確、描述領域知識這5 大特征.這5 大特征基本涵蓋了信息本體的實質內容.

哲學本體指一切實在的最終本性，是對客觀世界的實實在在存在所做的客觀描述，最終本性是唯一的，哲學本體不存二義性.這種哲學本性需要通過認識而得到，而對客觀世界認識的結果是信息本體.信息本體的描述受客觀和主觀2 個方面的因素影響.客觀因素是客觀世界自身的復雜性和模糊性，主觀因素是人類對客觀世界認識和表達能力的局限性.人們對客觀世界的認識存在重大差異，不同的科學領域對于相同的客觀世界關注的重點往往是不一樣的，因此基于不同學科背景所構建的信息本體必然會有差異，對信息本體的描述存在多樣性.

地理數(shù)據(jù)是地理信息本體最主要的表達形式和載體.人們運用各種信息手段獲取客觀世界的地理數(shù)據(jù)，構建了現(xiàn)實世界的抽象化的各種數(shù)字模型.這種數(shù)字模型近似地記錄了某個瞬間的地理現(xiàn)象.根據(jù)本體論思想，地理本體表達為多種多樣的地理信息本體[5].同一地理客體因為地理信息本體的抽象程度和應用目的的不同，在地理空間數(shù)據(jù)中存在著不同的幾何、拓撲表達及屬性描述的多重表達（Multiple Representations）現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為現(xiàn)實世界的對象在地理數(shù)據(jù)表達中的幾何多樣性、語義多樣性以及相關對象或屬性之間的各種層次的對應關系.不同種類的多源地理數(shù)據(jù)可能具有不同的特征，而這些特征也是多樣化的，可能是相互支持或互補的，確定的或模糊的，還有可能是沖突矛盾的.

如何有效地整合多源異構地理數(shù)據(jù)，將它在時空上的互補和冗余按照某種組合規(guī)則進行優(yōu)化處理，在進行多方位、多層次的數(shù)據(jù)處理后獲得對地理目標的理解、認知以及更多有價值的信息，并且獲得比它的各個部分所構成的系統(tǒng)質量更高的性能，達到提高信息綜合利用率和系統(tǒng)有效性的目的，成為GIS 智能化的關鍵問題之一.

1.2 多源地理數(shù)據(jù)的全息地理重構

根據(jù)全息地理理論，宇宙中的任何事物或組成部分都是按全息構成的，部分是整體的縮影，全息重構的實現(xiàn)是從全息地理元認識整體地理本體的思維過程[3].全息地理元的載體是多源地理空間數(shù)據(jù)，但是地理空間數(shù)據(jù)只能記錄地理物體的瞬間現(xiàn)象，不能完整地記錄地理過程的全部信息，而且，由于外因干擾，有些地理全息特征可能發(fā)生形變.為了克服全息不全的實際情況，在地理大數(shù)據(jù)的研究和應用過程中，人們不再探求數(shù)據(jù)的因果關系，轉而關注數(shù)據(jù)的相關性，采用多源數(shù)據(jù)關聯(lián)和融合分析方法，從多源數(shù)據(jù)關聯(lián)中發(fā)現(xiàn)和理解地理內容及地理實體之間的關系，這即是全息地理重構.全息地理重構的過程實際上是一個基于多源數(shù)據(jù)關聯(lián)的求解地理問題的過程： 從空間角度，通過地理全息元的幾何位置、形態(tài)、大小、方位、維度和相互關系的空間結構揭示地理要素的空間布局；從時間序列角度，針對空間分布環(huán)境中的不同地理事件間的時序關系進行演化推理；為了發(fā)現(xiàn)地理時空演變規(guī)律，將時間和空間納入統(tǒng)一基準之中，建立各種全息地理元的相關性關系，在此基礎上推演地理時序發(fā)展過程.

由此可見，地理本體是客觀存在，而地理信息本體是人們對地理本體的認知，地理數(shù)據(jù)是地理信息本體的全息地理元表達，是地理信息本體的逼近表現(xiàn)形式[5].全息地理重構是利用計算機和信息技術對人腦綜合處理復雜地理問題過程的一種功能模擬，它依據(jù)多源地理感知數(shù)據(jù)，通過對多源地理數(shù)據(jù)的整合分析、關聯(lián)和融合處理認知地理本體，輔助人們認知地理發(fā)展規(guī)律.

2 全息地理重構方法

利用計算機模擬進行全息地理重構由3 部分組成： ①利用信息技術探測到的地理數(shù)據(jù)表示地理現(xiàn)象，形成全方位、多層次和時序連續(xù)的感知多源地理信息（全息地理元）；②模擬人類的地理思維過程，構建地理模型，用計算機代替人的大腦處理信息必須將自然規(guī)律轉變?yōu)閿?shù)學模型或算法，并力求通過計算機模擬等方式發(fā)現(xiàn)人類獲取和利用知識的規(guī)律，最終實現(xiàn)人工智能；③應用計算機的數(shù)字計算方法，基于地理模型，將感知的多源海量地理數(shù)據(jù)進行集成、聚合、融合、關聯(lián)、推理和同化，形成一個有機的整體信息（知識）.

2.1 數(shù)據(jù)集成與融合

數(shù)據(jù)集成（Data Integration）是使多源異構的地理數(shù)據(jù)在邏輯上或物理上構成一個有機整體的過程[6].由于不同的地理數(shù)據(jù)可能來自不同的途徑，其內容、格式和質量千差萬別，有時甚至會遇到數(shù)據(jù)格式不能轉換或轉換格式后信息丟失等棘手問題，因此，數(shù)據(jù)集成應充分考慮數(shù)據(jù)的屬性、時間和空間特征、數(shù)據(jù)自身及其表達的地理特征和時序過程的準確性，通過某種方式改變原有的數(shù)據(jù)格式或表達方式，以實現(xiàn)地物實體的空間基準、數(shù)據(jù)模型、語義編碼、屬性分類分級和數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一[7-8].

數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）是將多源數(shù)據(jù)有效地結合起來，根據(jù)某種特定的應用目的，將同一地區(qū)不同來源、不同時間、空間上不完整的觀測信息整合到一個地球表面系統(tǒng)的一致性表達中，重新組合語義數(shù)據(jù)，最終使新的數(shù)據(jù)能夠準確地表達客觀實體，以改善地理空間實體的幾何精度，獲取高質量地理信息[9].

多源地理數(shù)據(jù)的集成和融合是數(shù)據(jù)整合的2 個階段.數(shù)據(jù)集成是初級階段，是數(shù)據(jù)融合的基礎；數(shù)據(jù)融合是高級階段，是在數(shù)據(jù)集成基礎上的進一步發(fā)展[3].二者的差異在于：數(shù)據(jù)集成后，數(shù)據(jù)并沒有發(fā)生質的變化，仍保留著原有的基本特征；而數(shù)據(jù)融合后產(chǎn)生了新的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的質量[10].

2.2 空間關聯(lián)與推理

空間關聯(lián)（Spatial Association）是指基于2 種或2種以上的，分布在統(tǒng)一時空基準上相應尺度的地理數(shù)據(jù)，探索和挖掘這些數(shù)據(jù)間的相關性和依賴度，將相互影響、相互制約、相互依存的地理要素構成一個有機整體.當代地球科學的宏觀發(fā)展趨勢更強調“系統(tǒng)論”思維，也就是強調地球表面各組成要素和各組成部分之間的內在聯(lián)系，認為它們是相互聯(lián)系相互制約的，并能結合成為一個整體[11].地理系統(tǒng)各要素之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間發(fā)生著廣泛的物質、能量和信息交換，這是地理空間現(xiàn)象和空間過程的本質特征，也是現(xiàn)實世界存在秩序和格局的根本原因之一.

多源地理數(shù)據(jù)中必然隱含著地理現(xiàn)象關聯(lián)的知識，但目前的地理空間數(shù)據(jù)模型只能表達簡單的、顯式的地理現(xiàn)象之間的聯(lián)系，對于地理空間位置及動態(tài)時空過程中隱含的關聯(lián)性關系的表達具有局限性，這成為地理數(shù)據(jù)挖掘和地理信息服務的主要瓶頸.多源地理數(shù)據(jù)空間關聯(lián)，旨在克服人類在地理信息感知、認知和表達等方面的局限性，利用計算機算法挖掘地理要素之間的內在聯(lián)系，從凌亂的地理數(shù)據(jù)中構建機構化的信息（地理知識），從而發(fā)揮多源地理數(shù)據(jù)的綜合優(yōu)勢[12].

空間推理（Spatial Reasoning）是指利用地理數(shù)據(jù)中的顯式或隱式的屬性、拓撲性質和幾何信息，并結合相關的空間約束來獲取所需的未知地理信息[13-14].空間推理涉及空間目標的特性以及推理所采用的算法或演繹方法，其中空間目標的特性包括拓撲性質、形狀、大小、方向、距離等.空間推理是利用空間目標的位置、形狀和方位等信息以及目標之間的空間關系解決空間問題的有效方法，每種空間推理方法必須給定其特定的空間概念集及相應的推理規(guī)則.空間事實是有關諸如存在物、描述特征和位置地點的事實，空間關系式是指空間中地點之間的關系，如相交、連通等[14].

地理空間推理是人類認知世界的一項基本活動.在地理世界中我們用視覺來感知圖像，基于地理空間認知原則，識別各種要素及相互關系，并根據(jù)這些事實和知識進行空間分析與規(guī)劃[13].在計算機世界中，計算機依據(jù)地理空間目標的位置、形狀和方位距離等信息以及目標之間的空間關系，利用精確的規(guī)則制定操作的指令和精確的數(shù)學關系進行邏輯判斷.

地理數(shù)據(jù)關聯(lián)是地理空間推理的基礎，地理空間推理是地理信息重構的核心，它貫穿于地理信息數(shù)據(jù)表達、地理數(shù)據(jù)組織、地理空間分析與決策等全過程.

2.3 地理建模與同化

地理建模（Geographic Modeling）是指人們?yōu)榱四撤N特定目的而對地理問題所做的一種簡化模型[15].地理系統(tǒng)中豐富的內容、復雜的結構和功能的多樣性，給人們分析、研究地理系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn).地理事物或現(xiàn)象是一個多因素綜合體，地理因素之間存在著相互依賴又相互制約的關系，這種關系通常是復雜的非線性關系.為了分析地理要素之間的相互作用機制，揭示其內部規(guī)律，可以根據(jù)地理理論的推導，建立反映實際問題的數(shù)量關系，然后利用數(shù)學理論和方法去分析和解決問題[16].最常用的地理建模方法，是在地理觀測數(shù)據(jù)的基礎上，應用數(shù)理統(tǒng)計方法，從復雜的要素中選取影響因子，對影響因子進行量化，建立指標體系和數(shù)據(jù)模型，依據(jù)實踐經(jīng)驗，采用定量與定性相結合的方法，設計一種地理模型來代表所研究的地理對象[17].

構建地理模型必然涉及空間和時間2 個變量，每一個地理對象的時間和空間變量都是連續(xù)的，而且是復雜的，因此，對一個地理現(xiàn)象采用一個函數(shù)f（x，y，z，t）（x、y、z 表示空間坐標，t 表示時間）進行描述和數(shù)學建模在大多數(shù)情況下是無法實現(xiàn)的.對地理系統(tǒng)模型進行簡化的一個方法就是空間離散化（格網(wǎng)化），其核心是按照一定的規(guī)則將有機整合在一起的現(xiàn)象劃分為若干個單元，每一個單元的屬性相對一致，區(qū)域間的聯(lián)系表現(xiàn)為單元間的相互作用，每個單元都有一定的屬性和運動規(guī)律，不同屬性的單元之間有一定的作用規(guī)則，這樣地理現(xiàn)象的發(fā)生機制就可以某種模型表達出來，這使得地理系統(tǒng)易于利用計算機來構建模型進行模擬.

全息地理重構就是利用數(shù)理模型、計算機技術等手段對復雜的地理過程進行定量化研究，在可感知的和可測量的基礎上，按照不同的時間尺度，即時段的長短，依照時序感知各類地理性質的表現(xiàn)（地理數(shù)據(jù)），而后將這些數(shù)據(jù)放在某個規(guī)定的模型中進行分析，從而得到地理現(xiàn)象在縱向上的變化規(guī)律.

數(shù)據(jù)同化（Data Assimilation）的核心思想是在地理過程的模擬和預測過程中，融合不同來源、不同精度、不同時空分辨率的直接或間接的觀測數(shù)據(jù)，利用這些觀測數(shù)據(jù)不斷調整地理過程的模型參數(shù)，依據(jù)嚴格的數(shù)學理論，在模型數(shù)值與實際觀測值之間找到一個最優(yōu)解[18]，這個最優(yōu)解可以繼續(xù)為地理系統(tǒng)模型提供初始值，依此不斷循環(huán)下去，使得模型的結果不斷地靠近觀測值.但是，隨著時間推移，地理系統(tǒng)模型的預測值與真實值的誤差會越來越大，這是由模型的不確定性較大造成的，模型的物理結構、參數(shù)、驅動機制和初始條件的不確定性都可能通過復雜的誤差傳遞反映到模擬結構中.這種不確定性往往是由地理過程發(fā)展的未知性和時空異質性所帶來的不確定性所造成的.異質性和不確定性是地理系統(tǒng)的固有特征，它們能夠被估計和控制，但卻不可能完全消除.為提高模型預測的準確性，通常情況下可以通過數(shù)據(jù)同化算法，不斷融合時空上離散分布的不同來源和不同分辨率的直接或間接的觀測信息來自動調整模型參數(shù)，以改善其預測精度，提高預測能力.遙感的觀測手段具有宏觀、定量和連續(xù)性的特點，無論是反演（如土壤水分），還是依靠模型間接估計（如蒸散發(fā)），都能得到地球表面觀測時刻的“真值”.在研究區(qū)域尺度上地理時空變化特征的主要變量時，如果能夠將對地觀測得到的數(shù)據(jù)同化到地理模型中，就有可能顯著地提高地理模型的模擬和預測（特別是短期預測）的精度，并同時度量模型的誤差[19].

3 全息地理重構應用案例

自然災害是指給人類生存帶來危害或損害人類生活環(huán)境的自然現(xiàn)象.研究自然災害發(fā)生及其影響的時空動態(tài)變化和空間分布是地理信息科學最重要的任務之一，包括潛在災害的預測定位、災害發(fā)生時影響范圍的界定、災后的災難性損失的計算、應對措施的制定等.下面以潛在的洪水、滑坡和森林火災等自然災害預測為例，給出全息地理重構在科學決策中的應用.

3.1 洪水災害預測

洪水災害是降雨量超過江河、湖泊、水庫等容水場所的承納能力，造成水量劇增或水位急漲的水文現(xiàn)象[20].洪水災害與降雨量、植被覆蓋、土壤類型、地形地勢、大小河流水位、水庫水位、大型湖泊水位等因素有關.相關流域的自然地理信息包括面積、坡度、土壤植被、地形地貌、數(shù)字高程（DEM）等.洪水災害同氣候變化一樣，有其自身的變化規(guī)律，這種變化具有或長或短的周期性，因此洪水災害通常循環(huán)往復發(fā)生.利用遠程水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、地面氣象數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)、GIS 植被覆蓋數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，可以構建洪水災情模型，預測洪水災害等級（潰決型、漫溢型、內澇型），從而提早防范、及早發(fā)現(xiàn)險情，以有效減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[21].

3.2 森林火災預測

森林火災預警需要綜合考慮天氣條件的變化，可燃物干濕程度變化和森林可燃物類型等因素，從而采用數(shù)理模型預測火災發(fā)生的可能性[22].森林火災的發(fā)生絕不是偶然的.從氣候角度考察，森林火災的相關因素都有一個孕育的過程，即只有當環(huán)境溫度、相對濕度、降水量達到一定閾值時，才可能引發(fā)林火.氣象條件是決定森林火災是否發(fā)生的重要因素，其中氣溫、相對濕度、風速和降水因子最為關鍵.降水量與森林火災呈負相關，當月降水日數(shù)較多時，對應該月的森林火災次數(shù)就會下降，最長連續(xù)無降水日數(shù)與森林火災次數(shù)呈正相關，連續(xù)無降水日數(shù)越長，相對濕度越小，蒸發(fā)量越大，林內地被植物就越干燥，發(fā)生森林火災的概率也就越大.風速可作為間接因子來考慮對可燃物含水率的影響，在林火行為預報中通常將風速作為決定林火強度、林火蔓延速度、火場面積的直接因子.這些影響因子結合在一起，可以有效預測火險等級[23].

3.3 地質滑坡預測

地質滑坡是一種常見的地質災害現(xiàn)象，模擬和推演滑坡體的演變過程，及時預測滑坡災害的特征信息，可為地質滑坡預測預報及治理提供科學依據(jù)[24].影響地質滑坡的因素包括內在因素和外在因素2 個方面[25].內因主要包括區(qū)域內的地質構造、巖體結構、組成邊坡巖土體的性質、地應力、地形地貌以及水文地質條件等.外因主要包括地表水和地下水的作用、地震、風化作用、人工開挖、爆破以及工程荷載等.地質滑坡過程存在多種不確定性的災變因素，是一個典型的“黑箱”問題，利用已有的地質理論來解決這一“黑箱”問題，幾乎是不可能的.構建地質滑坡預測模型，可以根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，將多元空間信息統(tǒng)計分析與非線性統(tǒng)計預測相結合，統(tǒng)計各個滑坡影響因子之間的統(tǒng)計相關性和位置相關性，研究地質滑坡與影響因子之間的定量關系，逐步篩選綜合系數(shù)求得最佳預測因子集，并通過已知滑坡樣本集與預測樣本集，構建地質滑坡多因子定量預測模型，對滑坡的危險性進行預測.

4 結論

全息地理重構是構建未來智能GIS 的基礎理論，它以地理信息本體和全息地理理論為基礎，以現(xiàn)代地理感知技術所采集的多源地理空間數(shù)據(jù)為依托，通過多源多時空地理數(shù)據(jù)的集成和融合，利用地理空間數(shù)據(jù)分析、關聯(lián)和推理以及時空大數(shù)據(jù)挖掘等方法，以地理過程建模為核心，重構地理對象時空變化過程，通過數(shù)據(jù)同化算法不斷融合時空離散分布的不同來源和不同分辨率的直接或間接的觀測數(shù)據(jù)來自動調整模型軌跡，以改善動態(tài)過程模型狀態(tài)的估計精度，提高模型預測能力.本文以本體論為基礎，基于全息論建立地理過程重構的理論體系，探討多源地理數(shù)據(jù)的集成、融合、關聯(lián)、推理、模型構建和同化等方法，為智能GIS 的構建及推動GIS 更高層次的應用提供理論方法.