[GIS笔记] 闾国年：地理全息与全息GIS（未来的GIS）
前言：在此之前博主對全息GIS的概念停留于基于全息全景的三維GIS展示平臺，而閭國年教授把這個概念拓寬了很多：一個能夠接納、融合并展示全信息的GIS平臺。此文是博主對閭國年教授演講的學習筆記（鏈接：閭國年：地理全息與全息GIS），并在此基礎上整理了相關知識，供大家參考
注意：引用的他文內容用『』標識
文章目錄
- 1 GIS的技術成熟度曲線
- 2 從五個維度來看待GIS
- 3 地理信息的新內涵
- 4 全息GIS（對地理的再認識）
- 4.1 全息GIS的數據模型（基于幾何代數的數據模型）
- 4.2 全息GIS的數據結構
- 4.3 全息GIS的表達數據結構（表達模型）
- 5 南師的解決案例
- 5.1 CAD-BIM-GIS
- 5.2 視頻GIS
- 5.3 泛在數據GIS
- 5.4 物聯網GIS
- 5.5 GIS虛擬現實化
- 6 GIS發展的未來展望
- 知識擴展
- 1 全息GIS（全息全景三維GIS）
- 2 5G GIS
- 3 霧GIS
- 參考文章
1 GIS的技術成熟度曲線
『技術成熟度曲線（The hype cycle、技術循環曲線、炒作周期）：指新技術、新概念在媒體上曝光度隨時間的變化曲線——《BIG DATA》』
Gartner技術成熟曲線：老牌信息技術研究分析公司Gartner每年會發布最新的技術成熟曲線
2 從五個維度來看待GIS
| 表達維度 | 『從2維、2.5維、3維、時空維正向高維空間發展』 （數字地球的三維地球；智慧城市時空的四維地球；大數據時代的高維） |
| 描述內容 | 『從空間+屬性，向語義、位置、幾何、過程、關系、屬性六域發展』 |
| 表達方法 | 『從平面地圖，向三維模型、動態模型，到VR、AR、MR，正向全媒體方向發展』 |
| 分析方法 | 『從空間分析、時間序列分析、地理綜合分析，正向智能地理分析發展』 |
| 服務模式 | 從離線的服務方式，到Web GIS、服務化GIS、云GIS，正向霧GIS發展 |
3 地理信息的新內涵
【地理】地理是關于地球的道理。不僅僅是地球的數據，要通過數據來揭示地理的道理
【地理學】『研究地球表層空間各種地理現象的**時空分布、空間結構、演化過程和不同地理要素相互作用機制（四大研究方向）**的科學』
| 時空分布 | 各種地理現象在時間空間上的分布（什么時候，哪里有什么），目前遙感、GIS已能勝任 |
| 空間結構 | 即空間格局，在空間上的規律 |
| 演化過程 | 隨時間變化的演化規律，是過程的規律 |
| 相互作用的機制 | 地理現象是由各種自然要素、各種人文要素之間相互作用的結果 |
【對全息的解讀】
| 四全解讀 | 全視角 | 制圖者、講解者和使用的視角 地圖內外的視角 俯視、側視、360度全視的觀察視角 |
| 全場景要素 | 地理空間、人文空間（社會空間）與信息空間三元空間要素 | |
| 全地理信息 | 語義描述、空間位置、幾何形態、演化過程、要素關系、屬性特征等六類地理信息要素 | |
| 全社會內容 | 時間、地點、人物、事物、事件、現象、場景等7類社會信息要素 （大數據挖掘的黃金一定是這7類要素） | |
| 表達內涵的理解 | 全息表達的3類波 | 聲（機械波）；光、電磁波；引力波 |
| 地圖色彩4要素 | 1. 紅、綠、蘭、透明度（計算機表達） 2. 黃、品、青、飽和度（地圖輸出） | |
| 物理信息5要素 | 振幅（強度）、頻率、振動方向、相位、周期 |
【地理信息的新內涵】
地理信息是指與地理空間位置相關的信息，具有多維動態特征，最顯著的標志是空間性，其表現為數字、文字、圖像和圖形等形式。
長期以來，人們特別關注了地理信息的空間特性，而對其他特性關注不夠，導致對地理信息全貌認識不清
所以，要把地理空間的特性和地理信息的全要素來加以充分的理解，要能夠表達或者挖掘出這個世界的規律性
因此GIS的概念模型要發生一次深刻的變化，由過去的兩大組成上升到六要素，才足以涵蓋地理學的內容。
【地理信息新內涵】要回答什么時間when、什么人who、什么事what，在哪里where，為什么why、處于什么狀態how、發生什么行為who的問題
| 語義描述 | 名詞解釋、分類體系、原理圖 | 是什么what，什么人who，什么事what，為什么why |
| 空間定位 | 坐標、地標、地名地址 | 在哪里where |
| 幾何形態 | 點、線、面、體、像素、體素 | 什么樣子what |
| 演化過程 | 時刻點、時間片段、時間過程、及其狀態與行為 | 什么時間when、何種狀態how、什么行為who |
| 要素關系 | 空間關系、時間關系、時空關系、要素關系、地理作用機制 | 什么關系what |
| 屬性特征 | 物理、化學、生物、人文、社會、經濟特征 | 什么特征what |
【地理位置信息的新內涵】
在大數據時代，不能只關心空間位置，今天的信息聚合，特別是地理信息的聚合，絕不僅僅是空間位置
所以要將空間位置擴寬到社會位置信息的范疇
| 語義位置 | 分類中的位置、邏輯結構中的位置 |
| 空間位置 | 坐標、絕對、相對、局部的位置 |
| 幾何位置 | 結構、密度、場中的位置 |
| 過程位置 | 時間、特征、過程結構中的位置 |
| 關系位置 | 空間關系、時間關系、時空關系、要素關系、作用關系中的位置 |
| 屬性位置 | 物理、化學、生物、社會、經濟、文化等屬性中的位置 |
| 時間位置 | 領域/通用、連續/離散、絕對/相對、周期中的位置 |
| 地點位置 | 空間形態、空間參照、空間位置、表現形式中的位置 |
| 人物位置 | 組成、社會性、時間性、虛實性、影響力、行業中的位置 |
| 事物位置 | 語義、屬性、動靜、虛實、影響、行業中的位置 |
| 事件位置 | 語義、屬性、尺度、時效、影響、領域中的位置 |
| 現象位置 | 語義、屬性、時空、尺度、影響、領域中的位置 |
| 場景位置 | 語義、屬性、時空、表達形式、領域中的位置 |
4 全息GIS（對地理的再認識）
在賦予地理信息新內涵之后，通過大數據的挖掘，就能夠在時空框架下完成對場景的全描述（我們這個時代正從地圖往場景變革）
那么，在大數據時代，未來的GIS會是什么樣子的呢？
| Roger Tomlinson | GISystem之父：從地圖學與計算機制圖學的視角定義了GIS 60年代加拿大的GIS：『要把地圖變成數字形式的地圖，便于計算機處理和分析』 |
| Michael Frank Goodchild | GIScience之父 |
傳統的GISystem是由Tomlison提出的，其功能非常樸實，就是要把地圖數字化，到今天的GIS也是一個地圖數字化的GIS。此以地圖數據模型為基礎的GIS，在數學上以幾何學為支撐，在應用上以計算機的圖形圖像學為支撐
4.1 全息GIS的數據模型（基于幾何代數的數據模型）
而今天面對的大數據的高維空間，GIS數據模型要面臨什么樣的變革呢？
數據模型要從時空觀上進行突破，要能夠支撐牛頓的靜態時空、愛因斯坦的相對時空
【Clifford幾何代數】用代數的方法解決幾何問題，用代數的方法描述這個事件
平面幾何-立體幾何-解析幾何；歐式幾何-非歐幾何；幾何-代數
【基于幾何代數的GIS數據模型】
| 離散時空表達 | 將時間維嵌入四維時空進行(x, y, z ,t)整體表達，其核心是高維代數空間的構造和映射 |
| 連續時空表達 | 將運動表達成Versor方程，實現平移、旋轉等表達統一，微分將包含速度、加速度等信息，核心是Versor方程的構造與求解 |
| 連續與離散的統一 | 利用Versor方程的解析性與可插性實現離散向連續的整合 |
【基于幾何代數的GIS數據模型的優點】幾何-代數是統一的；時間與空間是統一的；多維度和高維度是統一的；時空的表達和計算是統一的
4.2 全息GIS的數據結構
計算機與地理信息之間存在著一條鴻溝，面對兩者的差異，有什么解決方案？
【地理數據特征與計算機存儲的矛盾】
【面對計算機與地理信息之間的鴻溝，有兩種解決思路】
在過去，主要以第二種解決思路為主，地理信息為適應計算機的存儲提出了以分幅、分層、矢量的數據結構形式。但瓦片化的解決方案并不符合這個世界的原貌，地理信息失去了很多它本身的特點，而且獨立性較差，受制于計算機的發展。
而觀察地理定律、地理現象抽象到數字世界時的過程，我們可以提出適應GIS自身的數據結構
| 地理的描述 | 在地理時空中，地理現象存在漸變、突變與不變 1. 空間分異：地理現象在空間上的分布及分布規律 2. 演化過程：地理現象隨時間的變化過程及演化特征 3. 作用機制：地理要素之間的相互作用，包括物理、化學、生物、人文、社會、經濟作用 |
| 數學的描述 | 1. 距離：度量空間（歐式距離）、非度量空間（協方差距離）、拓撲距離 2. 距離作用：反距離權函數、半變異函數、核函數等 3. 模式測度：異常值監測、G函數、F函數 |
| 機器的求解 | 機器學習：神經網絡、粒子群等 |
地理學的定律都未能用數學進行描述，其物理、化學、生物、人文、社會、經濟作用機制是什么？
| 第一定律：空間相似性定律 | 空間距離造成了相鄰的事物相似，遠離的事物相異（W.R.Tobler） |
| 第二定律 | 空間造成隔離，隔離促成個性的形成和發展，由此繁衍出自然和人文景觀的多樣性和區域差異，也就是空間的異質性（M.F.Goodchild） |
| 第三定律：地理景觀定律 | 地理景觀越相似，主導型地理環境因素越相似，地理景觀越相似？ |
| 第四定律：地理綜合體定律 | 地理綜合體是由物理、化學、生物、人文、社會、經濟等多要素相互作用形成的？如何表征相互作用？其數學、物理、化學、生物學等的表現形式是什么？ |
綜上，新的數據結構應具有符合自身特性的能力，更重要的是能夠探求和利用地理學的基本規律
【應用實例】
【應用實例】Pattern List
當前GIS未能表達各種要素之間相互作用機制，未能對時間過程進行分析、未能較好的實現地理綜合分析。與地球模擬器、地理系統科學相差甚遠
【還面臨的問題】
【解決思路】研究相互作用的數據結構問題：能夠把GIS的數據存儲管理和地球系統模式融為一體
【新型的GIS數據結構】基于相互作用的地理場景數據結構
4.3 全息GIS的表達數據結構（表達模型）
過去的表達模型就是地圖，但地圖是在不斷發展的
【表達方法】
【案例】科學計算可視化管線
效率問題
【進展】以矢量數據LOD繪制為例（使用DP算法和改進的DP算法）：化簡-柵格化-繪制表
【效率問題】現為孤立的、順序執行的三個環節，單純優化單個步驟，無法提升渲染性能
問題分析：忽略相似性與異質性，產生大量計算冗余和數據冗余，導致繪制效率不高
解決思路：利用相似性與異質性，發現、剔除計算和數據冗余
【表達模型面臨的問題】帶寬的有限性、終端存儲容量、屏幕大小、性能的有限性
【解決思路】
【傳統軟件的虛擬現實化】南師開發了GIS虛擬現實化中間件，其將沉浸式設備中人的動作映射到鼠標與鍵盤的輸入信號，完成對傳統GIS軟件的三維操作，使傳統的軟件擴展到虛擬現實的世界中
5 南師的解決案例
5.1 CAD-BIM-GIS
改革開放以來，城建檔案館內的CAD數據是構造三維城市、數字城市的極其重要的數據源，是未來十年以內必須承擔的重點工作
【問題】如何把CAD數據自動化建模后轉到GIS？并在GIS上如何展示？
【系統框架】
【基于CAD數據的三維小區建模的步驟】圖紙預處理；地理實體構建；產權空間構建
5.2 視頻GIS
【視頻GIS】是指處理、分析、表達和管理視頻/地理視頻流數據為特征的GIS
【視頻】是一個天然的地理信息。因為視頻本身在空間上具有三維性，在時間上具有動態性，在表達上具有真實性，在信息上具有豐富性，在內容上具有多樣性
【特點】視頻GIS是一種新型的媒體，具有定位、量測、3D建模、虛實融合等特點
【在視頻GIS中要處理好視頻和場景的關系】
【視頻變成GIS的三個關鍵技術問題】
| 1. 統一視頻和地理數據的空間基準（自適應視頻的標定） 2. 管理監控相機和優化布局 3. 將地理要素映射到視頻畫面中 4. 將GIS空間分析引入視頻數據中 | 1. 檢測與跟蹤視頻中的人/車對象 2. 分析視頻中的人群密度和速度 3. 將分析結果疊加到GIS中 | 1. 將實時視頻圖像疊加到GIS中 2. 實現VR/AR/MR |
【視頻GIS的功能舉例】視頻內容解析；多路視頻拼接；視頻-三維場景疊加（視頻GIS與傾斜攝影技術的融合）
5.3 泛在數據GIS
【泛在數據】數據的類型豐富：文本、圖表、地圖、語音、圖像、視頻
【核心問題】在豐富的數據類型、海量的數據基礎之上，如何利用語言學的基本特征來實施數據的挖掘和信息的聚合
【應用案例】
【與大數據公司的對比】
| 數據模型 | 地圖模型或屬性模型 | 社會七要素地理場模型 |
| 溯源模型 | 主要追溯信息傳播來源 | 信息傳播來源+演化軌跡 |
| 信息聚合模型 | 空間位置聚合與語義聚合為主 | 社會七要素位置聚合 |
5.4 物聯網GIS
【核心問題】成千上百萬個物聯網數據匯集到GIS中，
物聯網的數據有的是毫秒級、分鐘級、小時級的刷新
5.5 GIS虛擬現實化
【南師成果】
6 GIS發展的未來展望
知識擴展
1 全息GIS（全息全景三維GIS）
對于全息GIS，博主至今看到兩種說法，一個是全信息的GIS，另一個是基于全息技術的GIS
【全息GIS（全息全景三維GIS）】是基于全息技術的三維GIS展示平臺，是GIS可視化的一種新型解決方案
【全息技術】可以說是實現增強現實（AR）的一種技術，其利用干涉原理記錄物體的全部光波信息（全息攝影）或展示三維物體的全部信息（360°幻影成像）。例如科幻電影中的全息沙盤、全息會議
2 5G GIS
3 霧GIS
【霧GIS】基于霧計算的地理信息系統
【霧計算Fog Computing】“霧”最開始是為了抵擋黑客入侵所提出的概念，但后來由思科重新定義：霧計算是云計算的延伸，霧計算將計算中心分布于各個節點，故也被人稱為“分散式的云計算”。
【OpenFog】開放霧聯盟
無論是云計算、霧計算，還是邊緣計算，它們本身只是實現物聯網、智能制造等所需要計算技術的一種方法或者模式
嚴格講，霧計算和邊緣計算本身并沒有本質的區別，都是在接近于現場應用端提供的計算。就其本質而言，都是相對于云計算而言的
| 計算功能完全放在云端 | 邊緣是相對于云的計算中心而言，即指部署在網絡邊緣**（云邊端）**的服務器 | 相比于云計算，霧計算將數據、處理、應用程序集中在網絡邊緣的設備中 類似于邊緣計算，但霧計算偏向于分布式計算 |
| 帶寬捉襟見肘；數據中心負擔大 | 將需求在邊緣端解決，大大提升處理效率，減輕云端的負荷，為用戶提供更快的響應 | 云計算是新一代的集中式計算，而霧計算是新一代的分布式計算，符合互聯網的“去中心化”特征 |
【CDN（內容分發網絡Content Delivery Network）】『依靠部署在各地的邊緣服務器，通過中心平臺的負載均衡、內容分發、調度等功能模塊，使用戶就近獲取所需內容，降低網絡擁塞，提高用戶訪問響應速度和命中率，因此被形象地稱為“網絡加速器”。其關鍵技術主要有內容存儲和分發技術。』
參考文章
總結
以上是生活随笔為你收集整理的[GIS笔记] 闾国年：地理全息与全息GIS（未来的GIS）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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