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地球信息科学学报 >

2024 , Vol. 26 >Issue 4: 767 - 778

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2024.240149

地球信息科学理论与方法

地理信息学科发展的思考

  • 闾国年 , 1, 2, 3 ,
  • 袁林旺 1, 2, 3 ,
  • 陈旻 1, 2, 3 ,
  • 张雪英 1, 2, 3 ,
  • 周良辰 1, 2, 3 ,
  • 俞肇元 1, 2, 3 ,
  • 罗文 1, 2, 3 ,
  • 乐松山 1, 2, 3 ,
  • 吴明光 , 1, 2, 3, *
展开
  • 1.南京师范大学地理科学学院，南京 210023
  • 2.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，南京 210023
  • 3.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，南京 210023
* 吴明光（1979— ），男，湖北武汉人，教授，博士生导师，研究方向为地理信息可视化。E-mail:

闾国年（1961— ），男，江苏南通人，教授，博士生导师，研究方向为地理信息系统理论与应用。E-mail:

收稿日期: 2024-03-19

  修回日期: 2024-04-16

  网络出版日期: 2024-05-11

基金资助

国家自然科学基金项目(41930648)

国家自然科学基金项目(41842047)

国家自然科学基金项目(41930104)

收起

Reflections on the Development of the Geographic Information Discipline

  • LV Guonian , 1, 2, 3 ,
  • YUAN Linwang 1, 2, 3 ,
  • CHEN Min 1, 2, 3 ,
  • ZHANG Xueying 1, 2, 3 ,
  • ZHOU Liangchen 1, 2, 3 ,
  • YU Zhaoyuan 1, 2, 3 ,
  • LUO Wen 1, 2, 3 ,
  • YUE Songshan 1, 2, 3 ,
  • WU Mingguang , 1, 2, 3
Expand
  • 1. College of Geographic Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
  • 2. Key Laboratory of Virtual Geographic Environment of Ministry of Education, Nanjing Normal University, Nanjing 210023, China
  • 3. Jiangsu Center for Collaborative Innovation in Geographical Information Resource Development and Application, Nanjing 210023, China
* WU Mingguang, E-mail:

Received date: 2024-03-19

  Revised date: 2024-04-16

  Online published: 2024-05-11

Supported by

National Natural and Science Foundation of China(41930648)

National Natural and Science Foundation of China(41842047)

National Natural and Science Foundation of China(41930104)

Fold

摘要

地理信息科学（GIS）既有学科自身发展的需求，也是支撑地理学、地球系统科学和未来地球学等前沿探索的技术方法，还是服务于国家战略与社会发展的支撑技术。面对当今地理信息科学发展的内在规律、相关学科发展的外在驱动，以及人工智能等新技术的牵引，本文首先从描述内容、表达维度、表达方式、分析方法与服务模式6个维度，分析了GIS的发展过程，探索了其发展规律；然后，在解读地理学发展的初心与目标的基础上，提出了面向“物理-人文-信息”三元世界的地理学学科体系，讨论了信息地理学研究对象，提出了一个综合信息7要素与地理描述7维度的概念模型；随后，从信息科学视角的地理信息科学、地理学视角的信息地理学、以及语言学视角的地理语言学3个方面分析了地理信息学科的发展趋势。最后，总结了GIS、信息时代的地理学、地理场景、地理大模型等可能的发展方向和要点，以期丰富对地理信息学科的认识，促进地理信息相关科学的发展，提升学科对国家发展需求支撑和社会服务能力。

关键词： 地理信息; 地理信息系统; 地理信息科学; 信息地理学; 地理语言学; 地理场景; 三元世界

本文引用格式

闾国年 , 袁林旺 , 陈旻 , 张雪英 , 周良辰 , 俞肇元 , 罗文 , 乐松山 , 吴明光 . 地理信息学科发展的思考[J]. 地球信息科学学报, 2024 , 26(4) : 767 -778 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2024.240149

Abstract

Geographic Information Science (GIS) is not only the demand for the development of the discipline itself, but also the technical method to support the exploration of the frontiers of geography, earth system science and future geography, and the supporting technology to serve the national strategy and social development. In view of the intrinsic law of the development of geographic information science, the extrinsic drive of the development of related disciplines, and the pull of new technologies such as Artificial Intelligence (AI), this paper firstly analyses the development process of GIS and explores its development law from six dimensions, such as description content, expression dimension, expression mode, analysis method and service mode, etc.; then, on the basis of interpreting the original intention and goal of the development of geography, a geography discipline system oriented to the "physical-humanistic-informational" triadic world is proposed, the research object of information geography is discussed, and a conceptual model integrating the seven elements of information and seven dimensions of geographic descriptions is put forward; then, the development trend of geographic information science is analysed from three aspects, including geography from the perspective of information science, information geography from the perspective of geography, and geo-linguistics from the perspective of linguistics, information geography from the perspective of geography, and geolinguistics from the perspective of linguistics, the development trend of geographic information discipline is analysed. Finally, the paper summarises the possible directions and points of development of GIS, geography in the information age, geo-scenario, and geo-big model. We hope that our work can contribute to enriching the understanding of geographic information disciplines, promoting the development of geographic information related sciences, and enhancing the ability of the discipline to support national development needs and serve society.

Key words： geographic information; geographic information system; geographic information science; information geography; geolinguistics; geographic scenarios; ternary world

1 引言

地理信息是基础性、战略性、大众普适性的信息，是唯一能够整合其他信息的基础信息。地理信息科学（GIS）是研究地理信息形成、地理信息传递与地理信息转换规律的科学。当前的地理信息学科体系主要由侧重信息科学视角的地理信息科学、侧重地理学视角的信息地理学、以及侧重语言学视角的地理语言学构成。地理信息科学既有学科自身发展的需求，也是支撑地理学、地球系统科学和未来地球学等前沿探索的技术方法，还是服务于国家战略与社会发展的支撑技术。
本文将从地理信息科学和信息地理学这2个相互联系又各有侧重的视角来分析当前地理信息学科的发展状况。地理信息科学方面：为了解决人口、资源、环境、灾害等影响人类生存与发展的基本问题，需多学科、多手段联合攻关，寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理和表达各类地理信息的工具，其归宿就是地理信息系统，或称空间信息系统、资源与环境信息系统。由于GIS的多学科交叉背景，在一些领域有很多同义词，如“地学信息系统”“土地信息系统”“空间信息系统”等。GIS在20世纪70年代末进入中国，由陈述彭院士为代表的老一辈科学家引入，并首先在资源和环境领域对GIS技术展开尝试性应用。国内，20世纪80年代，国务院学位委员会颁布的授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录中，把GIS称作“地图学与遥感”。1997年，正式在地理学和测绘学2个一级学科下分别设立“地图学与地理信息系统”和“地图制图学与地理信息工程” 2个二级学科；1998年，教育部对高校本科专业进行调整，在地理学类专业中确定了地理信息系统本科专业。国外，在Goodchild[1]提出将地理信息系统拓展至地理信息科学后，国际学术组织对地理信息科学、地理信息系统、地理信息服务等论题展开了深入探讨[2]。英国东伦敦大学地理信息研究中心将GIS研究内容界定为地理信息科学、地理信息系统和地理信息工程，指出地理信息科学主要关注空间数据处理和分析中的通用性问题，地理信息系统主要关注特定软件在不同领域的应用，地理信息工程则关注特定空间信息解决方案的设计。
信息地理学方面：以Internet、信息化等为代表的新一轮科技革命正以前所未有的速度发展。在此背景下地理学也正在谋求学科体系整合、理论方法创新、研究范式革新等新的发展。对地观测体系的快速发展、未来地球等重大科学计划的不断推进、可持续发展和生态文明等生存发展研究的逐渐深入迫切要求对现有以部门为基础的地理学研究体系进行进一步的集成整合。海量地理数据的处理方法和模型系统需要多要素；地表环境立体观测体系要求地表过程耦合模型系统；面向可持续发展的决策支持系统的建立需要地理数据融合集成和技术方法。信息时代下，大量地理学研究的物理约束得到解除，需要在信息空间中加以求解，出现了一个以信息作为研究对象的地理学新分支—信息地理学。与以信息基础设施作为主要研究对象的传统信息（与通信）地理学相比，本文所指的信息地理学，旨在探求物理空间、人文社会空间和信息空间中地理信息的产生、转化、传输、处理、变换和表达模式，关注信息地理学的基本模式、研究边界、研究范式、技术方法，以及物理世界、人文世界和信息世界的耦合及关联关系。信息地理学是信息时代深入发展、地理信息系统日趋成熟并逐步进入实用化阶段的产物[3]。广义地看，信息涉及人类活动的各个部分，因此信息地理学的范围研究包括人文地理学和经济地理学等各个领域[4]。信息地理学既是GIS在理论上的重要补充，又是地理学为适应信息时代而进行的合理延伸。
此外，传统的地理学领域主要关注的是物理世界与人文世界，并诞生出2个重要的二级学科：与物理世界对应的自然地理学、与人文世界对应的人文地理学。然而，随着信息技术的飞速发展，人类已经进入了信息时代。地理世界也不只是“物理-人文”的二元世界，而是演变为一个包含“物理-人文-信息”的三元世界[5]。针对当今地理信息科学在自身学科发展、地理科学前沿驱动、社会发展需求等方面存在的问题与新技术牵引，本文首先分析GIS的发展过程及规律，再从信息时代地理科学发展需求出发，探索三元世界地理学的内涵发展，构建新型地理信息描述与表达模型，最后从地理信息科学、信息地理学以及地理语言学视角分析地理信息学科的发展趋势。

2 GIS发展过程及规律

加拿大地理学家Roger Tomlinson将纸质地图数字化，使之能够被计算机有效处理与分析，从地图学和计算机制图学的视角定义了GIS。虽然他采用了“地理”这一术语，但是其主要是一个地图信息系统。随后的各类GIS也多采用地图数据模型来组织地理信息。因此，我们认为早期的GIS其实是数字化的地图信息系统。后来，GIS在学科的内在规律、相关学科发展的外在驱动，以及新技术和实际应用需求的牵引下，取得了快速的发展。本文从描述内容、表达维度、表达方式、服务模式、展示视角6个方面来进行梳理。

2.1 描述内容

早期的地理信息从地图学视角出发，通过地图数据管理和计算机辅助制图来对地理现象时空规律进行描述，这一时期强调了对地理位置、形状和尺度等基础地理要素的精确表达。随着大数据时代的到来，各类应用对时空统一表达的需求日渐强烈。在这一背景下，周良辰等[6]扩展了现有全球离散格网系统的编码表达结构，来综合表达不同类别的地理现象、对象演化过程；吴明光[7]提出以地理学第一、第二定律为基础的空间数据组织模式，有效提升海量的具有时空特征地理数据的组织、管理、调度、分析和可视化能力。在大数据时代，地理空间信息（定位/几何）、属性信息、语义信息、关系信息、过程信息是较为完备的地理信息内涵描述，闾国年等[8]从地理学视角出发，提出地理信息“七要素”模型和地理场景的概念，地理信息“七要素”包括时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景。

2.2 表达维度

GIS表达维度从二维、2.5维、三维表达扩展到时空、高维表达。二维GIS始于20世纪60年代的机助制图，如今已深入到社会的各行各业中，如土地管理、市政、水利、消防、交通以及城市规划等[9]。二维空间数据模型包括基于场表达的栅格数据模型、镶嵌数据模型[10-11]等，基于对象表达的简单要素模型[12]、拓扑数据模型[13]等。但是二维地图始终是对现实世界的一种高度抽象表示，并不能真实完整地反映现实世界。2.5维电子地图是将现实地理世界按照一定的投影规则映射到某一平面上，以展示三维立体效果的二维图形[14]。由于现实世界是真三维、时空四维的，不仅有建筑、地质体等三维静态物体，还存在诸如车辆、船舶、卫星和台风、泥石流等人造及自然动态目标。从20世纪80年代末以来，真三维GIS及其可视化成为GIS的研究热点。综合序列快照模型、基态修正模型、时空复合模型[15]等时空数据模型陆续发展[16]。袁林旺等[17]提出了基于几何代数的时空统一GIS数据模型。
另一方面，随着移动定位、无线通讯、高性能计算与存储技术的快速发展与普及，高维数据呈现爆发式增长态势[18⇓-20]。目前，互联网蕴含地理空间数据的相关研究着眼于网络文本蕴含地名分词与消歧[21⇓-23]、地理空间位置推断[24⇓-26]、突发事件识别与实时监测[27-28]、传染病空间分布与扩散[29-30]、信息提取[31]等。

2.3 表达方式

GIS可视化早期受到了计算机二维图形软硬件显示技术发展水平的限制，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、面状符号填充、图形打印等。随着云计算、大数据、虚拟现实等技术的发展，地理信息的来源、展现效果、交互手段、计算能力、应用范畴等均得到了很大的拓展，GIS表达方式正从平面地图向着三维模型、动态模型、VR/AR/MR及全媒体的方向发展。李德仁[32]、朱庆等[33]提出了三维城市模型的数据快速获取方法、海量数据的动态交互式可视化技术。引入虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）、增强现实技术（Augmented Reality，AR）以及混合现实技术（Mixed Reality，MR）等科技构建虚拟现实化的GIS，将有助于提升现有GIS的表达与交互能力。高俊等[34]应用GIS和虚拟现实等技术研究虚拟作战地形仿真环境。林珲等[35]提出虚拟地理环境（VGE）的概念，支持可视与不可视的地学数据表达、未来场景预见。Shibasaki[36]将AR与GIS空间数据库相结合，实现了城市交通导航；Grønbæk[37]把空间超媒体与GIS以及GPS位置服务系统相结合，利用AR技术构建了3D空间超媒体原型系统；Kim等[38]提出基于动态信息增强Google Earth等航拍地球地图的方法，提出对视频进行分类处理和增强现实的方法。随着全媒体技术的发展，GIS将以全媒体形式进行表达。

2.4 分析方法

在GIS早期发展阶段，人们的注意力多集中于GIS的空间数据组织、可视化等方面，对空间分析的研究相对薄弱[39-40]。经过多年的发展，GIS软件已较为普及，空间数据逐步丰富，人们开始将较多的注意力用于发展GIS的空间分析功能，GIS进入分析型的发展阶段[41-42]。GIS分析能力主要从空间分析扩展到时空分析、地理综合分析以及智能分析。叠置分析、网络分析、缓冲区分析、邻域分析等具有较强的抽象性与通用性，但往往不能满足特定地理问题研究的需要[43]。专用空间分析模型是针对具体的问题领域，根据所研究对象的空间发展过程，将领域知识与GIS空间数据处理方法相结合产生的[44-45]。GIS分析功能正由空间分析向时空分析方向拓展，这意味着GIS技术不仅仅关注于地理空间数据的静态分析，而且开始深入探索数据在时间维度上的动态变化。在处理复杂的地理问题时，地理综合的分析方法能够深入地挖掘数据之间的内在联系，为地理现象的动态变化提供更加精确的解释和预测[46]。近几年来，随着机器学习算法的不断发展，GIS智能分析开始出现。智能分析是在空间数据（以及数据深加工后的信息）、领域知识的支持下，为领域问题提供一个相对较优的可行方案，包括遗传算法[47]、蜂群算法[48]、元胞自动机[49-50]和神经网络[51-52]等。近期，AI分析也引起广泛的讨论，借助深度学习、计算机视觉等人工智能技术来解析和处理地理空间数据，探索空间插值和时空预测的新方法，以此来支持更加智能的GIS分析[53⇓-55]。

2.5 服务模式

从计算模式、软件体系结构等角度来看，GIS也发生了显著的变化，本文将其统称为服务模式。传统GIS大多数是是单机、离线式的，存在数据互操作性差、共享能力弱、分析能力有限、数据冗余严重等问题。传统GIS在处理复杂或大规模数据集时显得力不从心，难以满足日益增长的地理数据处理需求。随着计算机网络技术的飞速发展，网络技术和GIS技术相结合产生了Web GIS—一种通过互联网提供GIS服务的模式[56]，标志着GIS应用从桌面向网络的重要转变。Web GIS极大地促进了地理信息的可访问性和协同工作能力，为用户提供了更为便捷的数据交互和分析工具。服务化GIS代表了地理信息系统技术向更加动态、互联的网络应用模式转变，使地理数据和分析工具通过互联网服务实现了高效共享和管理。但Gasster[57]、NRC[58]、Yang[59]的研究指出，21世纪地理科学面临数据密集型、计算密集型和海量时空数据并发访问的挑战。在这一背景下，云计算技术的兴起为GIS领域带来了新的机遇。云计算具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性和高可伸缩性、按需服务等特征[60]。作为GIS技术与云计算结合的产物，云GIS逐渐成为GIS领域的热点问题。云GIS有望进一步改进传统GIS的结构体系，实现海量空间数据的存取与处理操作。此外，云边端服务的引入为GIS领域带来了进一步的创新，通过将数据处理更靠近数据源的边缘计算结合到云GIS架构中[61]，不仅加快了数据处理速度，减少了延迟，同时也提高了系统的整体效率和响应能力。

2.6 展示视角

从地图学的信息传输模型角度来看，传统的GIS展示主要涉及制图者和用图者2个角色：制图者通过符号等形式，将地理信息进行编码，用图者依据图示符号来解码，获得地理信息。GIS的发展过程中，出现了第三类角色：讲图者。讲图者可以在制图者表达结果的基础上，结合自己的知识、经验，对表达内容进行重新编排、强化或者弱化，讲解给可能和制图者知识背景差异很大的用图者，起到信息解读、增值的作用。讲图者既是创造者，又是使用者。讲图者这一新的角色，开始结合交互技术广泛应用于地理学研究和社会化应用（如城市规划等），尤其是在需要协同决策的场景。
在早期阶段，GIS主要依托专业人士来收集、处理及展示地理信息，以满足土地规划、资源管理等特定的需求。这一时期，展示视角主要以俯视、室外场景为主[62]。然而，随着计算机和互联网技术的飞速发展，GIS已从专业化领域逐渐向大众化和自动化转型，展示需求不断多样化[63-64]，GIS的展示视角从俯视拓展到侧视[65]，乃至360度全视[66]，这种多维的视角拓展大大增强了用户的沉浸感和交互体验，并且能够显著增强用户对地理信息的理解能力。GIS展示视角正在向一个地上下、室内外一体化的、多视角模式的方向发展，如图1所示。
图1 GIS发展历程与发展规律的维度分析

Fig. 1 Dimensional analysis of the development process and rules of GIS

综合来看，这6个维度存在部分重叠，例如表达维度、表达方式与展示视角。但是这6个部分也有其主导因子和显著特征，例如表达维度的二维、三维特征，表达方式的VR/AR/MR等特征。将它们单列为一个维度，更有利于放大、厘清GIS的发展脉络，例如VR/AR/MR的方式，即可以表达二维，又可以表达三维，还可以表达时空动态。虽然VR和AR等常用来表达三维，但是将二维对象置入三维表达空间，有可能集成二维抽象表达与多视角展示的优点。
另外，某些概念与方法可以覆盖多个维度。例如，前文在表达方式这一维度讨论的虚拟地理环境，实际上它同时包含了分析方式、服务模式乃至展示视角。本文归纳的6个维度，可以后续支持对相关技术与理念从多个视角来其进行分析。
从理论的角度来看，GIS在表达维度、描述内容、表达方式、分析方法、服务模式、以及展示视角等方面经历了从简单、静态、独立到综合、动态和智能的发展过程。从实际应用的角度来看，它已经从一个单纯的可视化工具（可看）和基础的地图信息系统（可看可用），不断发展为集美观性与实用性于一体的地理信息系统（好看好用），并朝着更为先进的地理信息系统（漂亮实用）方向发展。这样的发展可以大幅提升GIS对数字孪生地理世界的构建能力，不仅能够更好地服务于视力、智商、体能和技能等方面得到扩展的“超”人，还能够更好地服务于各类仿生的、智能的机器“人”，并且有望以数字孪生、虚拟原生、虚实融合等新方式，更好地服务于“新”社会。

3 信息时代地理学的发展需求

3.1 地理学发展的初心与目标解读

回顾地理学的发展历程，地理学发展的初心是从传统的地理学朝向地理科学发展，并不断朝着揭示地理空间与地理要素的时空分布状况、空间分异格局、演化过程规律，以及地理空间与地理要素相互作用机制等目标发展。立足于GIS的视角，要全面理解地理学的发展需求，首先需要明确2个基本问题：在GIS中，“地理”究竟指什么?以及GIS中的“地理信息”又包含哪些内容?第一个问题又可以细分为一系列小问题：“地理”是指空间、地理空间、地球空间?或是空间中的内容?“地理”有哪些内容?是地理场景、地理现象、地理实体?第二个问题又可以继续追问：“地理信息”是否仅限于空间信息和属性信息?对这2个基本问题的深入探讨将有助于厘清地理学发展需求中GIS可以发挥的潜在作用。
从前文讨论来看，GIS既是地理信息学科的重要构成，也是地理学发展与社会信息化的重要技术支撑。但是，当前的GIS以可视化表达为重点，具备以空间统计、计算几何、拓扑度量等为代表的空间分析能力，对演化过程及相互作用机制的揭示相对薄弱。为了更好地满足地理学的发展需求，我们认为：GIS中的“地理”应当深入到地理空间和要素的时空分布、空间结构、演化过程以及不同要素相互作用机制。同样，GIS中的“地理信息”应当表达地理学的研究对象及表达对象的描述体系。“地理”与“地理信息”概念的扩展和深化，不仅能够为传统地理信息系统带来革新，而且可以为地理学的发展提供实质性的推动作用。

3.2 三元世界与地理学学科体系构建

基于三元世界理论，地理空间不仅包括岩石圈、水圈、大气圈、生物圈、冰冻圈、土壤圈、人类圈等地球圈层空间；还包括热带、亚热带、温带、寒带等自然地理空间；国家（地区），政治、经济、军事、文化、人口、宗教分区等人文地理空间；以及网络空间、虚拟空间、流空间、国家（地区）、城市（区域）等信息地理空间。其中，信息地理空间正在成为地理空间不可或缺的组成部分。
三元世界的概念有望拓展地理学的领域和研究范围，扩充地理空间和地理信息的内涵[67]。信息地理学等新兴学科的出现，标志着地理学正在向着一个三元世界交互、融合的方向发展。三元世界的出现也给地理学的发展提出了新的需求。信息世界成为了三元世界的重要组成。信息世界里有没有地理学问题?需要地理学吗?信息世界与物理世界、人文世界存在复杂交互关系，能否能够利用信息科学的理论与方法来探索和解决地理学相关问题?迫切需求构建三元空间下的地理学学科体系。
我们认为：在三元世界的视角下，地理要素由自然要素、人文要素和信息要素三者共同构成（图2）。自然要素包括地质、地貌、气象气候、水文、土壤、生物等部门自然地理要素，和自然环境、自然资源、自然灾害等综合自然地理要素；人文要素包括政治、经济、军事、文化、社会、历史、健康、艺术等部门人文地理要素，和人文环境、人文资源、人为灾害等综合人文地理要素；信息要素包括时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景等部门信息地理要素，和信息环境、信息资源、信息灾难等综合信息地理要素。与三元世界的概念对应，我们认为应该构架包含自然地理学、人文地理学与信息地理学的学科体系。
图2 三元世界与信息、自然、人文地理之间的关系

Fig. 2 The relationship between the ternary world and information, physical, and human geography

3.3 信息地理学研究对象及描述体系构建

如前所述，GIS中的“地理信息”应当表达地理学的研究对象及表达对象的描述体系。三元世界出现后，信息成为了连接三元世界的纽带，三元世界中的物理世界和人文世界通过各类信息要素的映射在信息世界中产生相互作用。因此，研究地理空间与信息要素如何建立一个有效的描述体系变得尤为重要。
在此背景下，如图3所示，我们提出了一个包含7个地理描述维度的新型概念模型。其中，地理描述维度包括语义描述、空间位置、几何形态、演化过程、要素关系、作用机制及属性特征，并且涵盖了时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景7个关键的信息要素，从而构成了一个“信息7要素×地理描述7维度”的新型地理信息概念模型。
图3 信息7要素×地理描述7维度的概念模型

Fig. 3 Conceptual model of 7 information elements × 7 geographic description dimensions

信息7要素×地理描述7维度的概念模型基于时空框架构建，以自然要素、人文要素和信息要素（时间、地点、人物、事物、事件、现象、场景）为核心内容，采用基于地理场景的地理认知方式，并通过以不同要素为主题的信息聚合（应用场景）来认知现实世界。信息7要素×地理描述7维度的概念模型对于地理信息资源开发、利用和内涵的扩展具有重大意义，有望突破传统的以空间信息和属性信息为核心的地理描述方法，使得GIS从地图信息系统地回归到研究地理与地理信息本质的根源。

4 地理信息学科发展趋势

4.1 信息科学视角的地理信息科学

地理信息科学致力于探究地理信息的形成、传递与转换规律，以及地理信息系统的运行规律。它的核心目标在于：阐明地理信息的概念和本质（哲学信息论）、探讨地理信息的度量和变换（基本信息论）、研究地理信息的提取方法（识别信息论）、澄清地理信息的传递规律（通信理论）、探明地理信息的处理机制（智能理论）、探究地理信息的再生理论（决策理论）、阐明地理信息的调节原则（控制理论）、以及完善地理信息的组织理论（系统理论）。尽管遥感技术和地理信息系统分别在地理信息的提取方法与地理信息的处理机制方面取得了显著的进展，但是，关于地理信息科学基础理论问题的探讨还不够深入，尤其是地理信息的生成机制、传递和转换等方面，大部分研究仍集中在GIS的技术层面，比如地理信息的获取、存储、分析、展示、共享等。
在地理信息的成因机制方面，自然、人文地理空间与要素的抽象与描述体系已经相对成熟，其形成机制（物理、化学、生物学、人文、社会、经济等）较为明晰。但信息地理空间和要素的抽象与描述体系尚处于发展阶段，其生成机制需要进一步的探索。至于地理信息传递，目前研究尚未找到像物质迁移或能量转换那样有明确物理和数学表达形式的规律。香农理论是否适用于地理信息的传递?信息熵是否适用于地理信息量的估算?此外，地理信息转换是一个非守恒过程，可能伴随着地理信息的增值。那么，基于地理信息传递与转换的地理信息系统的运行规律又是什么?对这些问题的科学回答将促进地理信息科学的未来发展。未来，地理信息系统不应该仅仅被看作是一种高新技术或地理研究工具，而应从科学的角度研究地理信息的形成、传输与转换机制，及地理信息系统的运行规律。

4.2 地理学视角的信息地理学

与地理信息科学不同的是，地理学主要研究地理空间与地理要素的时空分布状况、空间分异格局、演化过程规律，以及相互作用机制。信息地理学作为地理学的一个新分支，是地理学适应信息时代的历史必然。信息地理学的兴起与发展，反映着地理学从物理-人文二元世界逐渐演进为物理-人文-信息三元世界的历史脉络。信息地理学通过研究信息空间与信息要素的时空分布、空间结构、演化过程，及相互作用机制，以及地理信息的抽象与表达模型，为解决地理学区域性、综合性和复杂性问题提供了新的视角和方法。
在信息地理学的视角下，地理要素之间的相互关系呈现出令人惊叹的统一性，不论是自然要素还是人文要素，都可以通过信息要素来表达，这为统一地理学研究奠定了坚实的基础。不同于二元世界，在信息世界中，时空不再是刚性的，它变得可压缩，甚至可以趋于零。同时，时空也具备了可置换的特性，这意味着我们可以在信息世界中自由地切换和替代时空。对于加入信息世界的三元世界而言，时空则是可虚、可实、可虚实融合、可置换的。信息传递还可以改变物质迁移和能量转换效率，为地理综合与地理预测提供新的理论与方法。
信息地理学作为一个多学科交叉领域，涵盖了广泛且具有深度的研究方向，这些方向可划分为 三大主要类别，即部门信息地理学、综合信息地理学和区域信息地理学。部门信息地理学聚焦于研究特定的地理信息领域，包括：时间科学（深时数字地球）、位置科学、事件地理学、地理场景学等。综合信息地理学致力于将不同信息地理学领域的知识与技术整合，以解决更广泛的地理问题，包括：网络空间地理学、虚拟空间地理学、信息基础设施、数据流与信息流、地理信息资源学、地理信息灾害学等。信息地理学的多样性和多层次性不仅丰富了地理学的研究领域，也为利用地理信息的特征与信息地理学的作用地位解决地理学领域的复杂问题提供了可能。

4.3 语言学视角的地理语言学

地理语言学，从语言学的视角，研究GIS如何发展成为泛在媒体、多媒体、全媒体以及融媒体，成为一种能够广泛承载人类各类语言表达的普适性交流语言。地理语言经历了自然语言、地图语言、GIS语言等发展阶段[68]，并正向更高阶段的场景语言快速迈进。场景语言融合了数学语言的精确性、四维时空的虚实性、地理分析模拟的预见性和交互协同的便捷性等特点，还兼顾了高度的抽象概括能力和定量化程度。而场景语言表达的核心对象——地理场景，是指一定时空范围内的各种自然、人文和信息要素相互联系、相互作用所构成的具有特定结构和功能的地理综合体。这个综合体由时间、地点、人物、事物、事件和现象6个要素构成，而且还可以承载时间、地点、人物、事物、事件、现象和场景的7个信息要素，从而提供一个全面的视角，使得我们能够综合理解和分析地理环境中的一切要素[5]。
近期，代表性的大语言模型如ChatGPT引领了技术飞跃，同时推动了地理大模型的快速发展。地理大模型通过构建大数据（挖掘）平台、信息（聚合）平台、和知识（发现）平台，旨在有效解决“数据爆炸——信息不足——知识匮乏”的困境，在此基础之上构建模型（支撑）平台，综合实现地理数据挖掘、地理信息聚合、地理知识挖掘。因此，大语言模型只是地理大模型的重要组成部分。如图4所示，地理大模型应该是基于地理学特征，针对地理学研究对象和研究内容，面向信息7要素×地理描述7维度地理信息的概念模型特点，所构建的具有地理大数据挖掘、地理信息聚合、地理知识发现功能，实现知识规则-深度学习-机理过程三轮模型组合驱动的专业性大模型。
图4 通用大语言、地理大模型与地理大语言模型的关系

Fig. 4 The relationship between the general large language model, the geographic large model, and the geographic large language model

地理大模型的应用能够显著增强和加速地理科学研究，为地理学家在提出科学假设、设计实验方案、解读相关数据、集合主题信息、发现并解释地理规律等方面提供有力支持。为了进一步推动地理大模型的进展，有必要持续扩充媒体与数据资源，加强基于信息7要素与地理描述7维度的数据挖掘与结构化/标准化工作。此外，构建以知识规则、深度学习和机理过程模型三轮驱动的人工智能研究方法，将为地理规律的探索开辟新路径。通过发展基于泛在媒体的多模态地理大模型，提升地理规律发现能力。构筑以数据挖掘、信息聚合和知识发现为一体的综合地理研究方法，不仅能加速地理科学发现的步伐，还能够开创地理学研究的新纪元！

5 结论

在深入分析了GIS发展过程和规律、地理学的发展需求、以及地理信息相关学科发展趋势后，我们得出以下几点结论：
（1）GIS在表达维度、描述内容、表达方式、分析方法、服务模式、以及展示视角等方面取得了较大的发展。但是，GIS不应仅被视为一项高新技术或简单的地理研究工具。其发展需着眼于深层次的科学层面，探索地理信息的形成、传输与转换机制，以及地理信息系统的运行规律。
（2）在信息时代的背景下，地理学的重要性日益凸显。迫切需要发展面向“物理-人文-信息”三元世界的地理学学科发展框架，构建信息地理学研究对象及描述体系。应充分利用地理信息的特点和信息地理学的重要地位，来解决地理学中的综合性和复杂性问题。
（3）类比“地图是地理学的第二语言”这一论述，我们认为地理场景也具有类似地图语言的性质。而且，地理场景可以综合采用文本、图形、音频等其他语言形式，而具有承载人类其他语言的能力，有望发展成为人类的普适性语言。借助大语言模型快速发展的态势，有望实现地理语言的重大突破。
（4）地理大模型的应用可以加速地理科学研究的进程，帮助科学家提出假设、设计实验、解析数据、整合信息、发现并解释地理规律。
（5）为了进一步推动地理大模型的发展，需要不断扩充媒体和数据资源，加强信息7要素与地理描述7维度的数据挖掘与结构化/标准化工作。同时，发展基于泛在媒体的多模态地理大模型，增强地理规律的发现能力，加速地理学的新发现。
本文图文责任编辑： 蒋树芳 黄光玉

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