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地球信息科学学报 >

2024 , Vol. 26 >Issue 4: 790 - 798

DOI: https://doi.org/10.12082/dqxxkx.2024.230450

地球信息科学理论与方法

地形场景的地理空间认知与内容表达

  • 朱红春 , * ,
  • 张怡宁 ,
  • 徐月雪 ,
  • 朱国灿 ,
  • 宋词
展开
  • 山东科技大学测绘与空间信息学院，青岛 266590

朱红春（1977— ），男，山东泰安人，博士，教授，主要从事GIS应用、遥感图像处理与分析的研究。 E-mail:

收稿日期: 2023-08-04

  修回日期: 2023-09-13

  网络出版日期: 2024-05-11

基金资助

国家自然科学基金项目(41971339)

山东科技大学科研创新团队支持计划项目(2019TDJH103)

收起

Research on Geospatial Cognition and Content Expression of Terrain Scenes

  • ZHU Hongchun , * ,
  • ZHANG Yining ,
  • XU Yuexue ,
  • ZHU Guocan ,
  • SONG Ci
Expand
  • College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
* ZHU Hongchun, E-mail:

Received date: 2023-08-04

  Revised date: 2023-09-13

  Online published: 2024-05-11

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41971339)

Shandong University of Science and Technology Research Innovation Team Support Program(2019TDJH103)

Fold

摘要

地球表面空间承载着诸多地理实体，随着时空大数据时代的到来，以还原论为基础、以独立分层建模为特征的传统信息描述方式越发难以描述地形及其关联环境要素所具有的海量信息、产生的复杂相互作用和呈现的时空变化规律，相关研究亟需以系统和整体的角度考察研究对象。针对这一问题，本文从场景学的视角对地形本体及关联环境要素的内容和相互作用开展系统的地理空间认知，提出了地形场景的概念，用于整体性地描述地形场景中的实体、联系与时空变化过程；分析了地形场景的要素构成和逻辑结构，使用时间、地点（空间）、事物、事件、现象为核心的更加整体化、语义化和逻辑化的要素对地形场景进行描述；对地形场景对象及其信息的内容构成进行解析和整理，创建了以“要素-对象-信息”为核心的结构描述框架，并对地形场景未来的发展与可能的技术应用进行了展望。地形场景的提出是场景学概念从整体表达朝向整体研究的一次探索，为进一步进行地形问题的场景化求解和表达奠定基础。

关键词： 地形; 地形场景; 地理场景; 场景学; 地理信息; 地理空间认知; 内容表达; 地理规律

本文引用格式

朱红春 , 张怡宁 , 徐月雪 , 朱国灿 , 宋词 . 地形场景的地理空间认知与内容表达[J]. 地球信息科学学报, 2024 , 26(4) : 790 -798 . DOI: 10.12082/dqxxkx.2024.230450

Abstract

The Earth's surface exhibits a diverse topography, characterized by ups and downs in spatial geometry and carrying many geographical entities. With the advent of the era of spatiotemporal big data, the exploration of geospatial information gradually has shifted from spatial perception to spatial cognition. However, traditional information description methods based on Reductionism and independent hierarchical modeling are increasingly oriented toward geographic information management and visualization. It is difficult to describe the massive information, complex interactions, and spatiotemporal changes of terrain and its associated environmental elements using this information description method. To address this issue, this paper conducts a systematic geospatial analysis of the content and interaction of terrain ontology and associated environmental elements from the perspective of scenario science. We comprehensively describe the entities, relations, and spatiotemporal changes in the terrain scenario. Here, the terrain scenario is defined as the specific environment in which the terrain exists and the state changes. It is a regional complex composed of terrain objects and other natural and human objects with connections and functions within a certain time and space. The element composition and logical structure of terrain scenario are analyzed by employing holistic, semantic, and logical elements centered around time, place (space), things, events, and phenomena to describe terrain scenarios. The elements of terrain scene should be based on the elements of things, develop and evolve in a certain time and space, form the elements of events and phenomena, and finally form a complex that operates dynamically under the framework of time and space. We further analyze and organize the content composition of terrain scene objects and their associated information and create a structure description framework based on element object information architecture. Moreover, we prospect the future development of terrain scenario and the possible technical application directions in the future, such as the geoscience semantic network and knowledge map dominated by terrain and associated elements, the scene event spectrum based on the characteristics of spatiotemporal nodes and associated elements, and the scene holographic digital terrain analysis. The introduction of terrain scenes not only deepens the traditional methods but also provides a new idea at the conceptual level. It is an exploration of the concept of scene science and lays a foundation for a systematic approach for solving and expressing the evolution and development of terrain ontology and environment within the space-time framework.

Key words： terrain; terrain scenario; geographic scenario; scenario science; geographic information; geospatial cognition; content expression; geographical laws

1 引言

地球表面空间附着了高低起伏的空间几何形态，承载着诸多地理实体。地表形态与周围环境中的实体之间存在着密不可分的关联，这些相互关系是庞杂而混沌的，地形既影响周围环境要素的形成和地域分异[1]，地表形态的形成和演化又受到环境条件，如水流侵蚀，植被固化,泥沙堆积等等因素的反作用[2]，这些因素彼此相互勾连嵌套，使得相关研究工作陷入了这些复杂关系的溯因困境与表达困境。
地图学中传统的地理空间信息表达方式是将信息独立分层表达[3]，以坐标作为串联起各个独立要素的空间框架基准，来传递地理事物的空间关系[4]，这样以分层建模为主导的认知方式本质上归属于还原论[5]，即将系统分解为各个组成部分加以分析理解，而此类信息描述方式更加倾向于对地理信息的管理与可视化[6]，难以描述地理要素间的演化规律与相互作用[7]；随着对地理问题研究的不断深入，以及时空大数据技术的不断发展，对于地理空间信息的探索逐渐从空间感知走向空间认知[8]，而地学研究也越发倾向于对地理现象、过程和规律的发掘与表达[9]，传统方式在对事物之间复杂相互联系描述上的不完备性使得地图表达越发力不从心[10]，地学研究迫切地需要从系统和整体的角度考察研究对象，而前述对地形与环境因素之间复杂相互作用的表达困境正是地图学面临的发展困境之一。针对这一问题，闾国年[11]提出了地理场景的概念，希望以多尺度嵌套、多要素相互作用的地理场景为基础，将场景学作为地图学未来发展方向的突破 口。地理场景是一定时空范围内的各种自然要素、人文要素相互联系、相互作用所构成的具有特定结构和功能的地域综合体[11]。地理场景既是人类活动的基本空间环境，也是人类认知世界的空间范畴，以地理场景为基础的模型构建是地理空间的时空格局和作用机制在数字空间中的再现。
人类对于地理空间的认知是一个渐进的过程：第一阶段是获取地理信息；第二阶段是利用拓扑和几何属性研究地理对象的空间分布；在第三阶段，随着空间探测能力的提升和测量手段的丰富，人类对于地理空间的认知范围和深度得以极大扩展[12]，对于地理空间的探索走向对于动态地理过程和地理规律的理解和分析[13]。地理空间认知是人-机-地环境下地理空间结构变换及其符号表征的理论[14]，主要研究地球表面各种事物与现象的相互位置、空间分布、依存关系以变化规律的行为过程[15]；该过程是在空间感知器官或工具综合作用下，针对对象空间位置和现象属性信息，先由表面感受到概念认知，再由分析处理到规律挖掘，最后形成知识模式的过 程[16]，通过此过程，场景内地理实体的本体与属性、实体间的关系被抽象为概念化的知识[17]，对场景进行地理空间认知的过程既是对一定区域内对象与关系进行整体把握的过程，也是将场景学概念从地图学整体表达朝向地学整体研究的延伸。
地理场景作为一个庞大的整体概念，包含着拥有不同侧重方向的众多子场景，而本文将地理场景的研究范围聚焦到地形方向上，将与地形相关的环境要素纳入考量，联合地形本体一同视为场景对象，并从场景学角度出发对地形场景进行分析，通过地理空间认知的方法，从不同维度方向、多种感官模态[18]对地形及关联环境信息进行感知、分析和处理，从而认知地形场景的内部联系和时空变化规律。地形本体与环境因素的一体化、场景化不仅仅是地理空间信息表达方式的突破，更是探究地形时空演变过程溯因困境的途径，从而实现与地形相关地理问题的场景化表达以及场景化求解。

2 基于地理空间认知的地形场景概念解析

地形是地理场景的自然要素之一，表征了陆地表面的高低起伏形态，影响着地表的物理过程与生态条件[19]，是区域地理环境和特征描述的重要对象；同时，地形本体承载了地表空间内与之关联的诸多环境要素，组成了一套内容繁多，机理复杂的系统。
参照地理场景的定义[11]，可以初步认为：地形场景是地形存在和状态发生改变的具体环境，是一定时空范围内的地形对象及其具有联系和作用的其他自然、人文对象组织构成的地域综合体。以黄土高原地区为例，根据“风成说”[20]，在第四纪时期，西伯利亚气流途径我国西北内陆和蒙古高原的平坦沙漠戈壁，将大量细沙席卷至陕甘地带，经过常年的堆积作用形成了平均150 m厚的土层，改变了当地的地形。同时，上述过程造就了黄土高原疏松透气的土质，并与黄河水系共同造就了繁茂的植被，也为人类群落的扩张创造了良好的条件，孕育了华夏文明；而随之而来的大范围人类活动，造成了对植被的严重破坏，出现了严重的水土流失[21]，流水和风场对土壤的侵蚀更加明显，造就了黄土高原崎岖不平的地形[22]；崎岖不平的地形和植被的严重破坏又使得黄土高原的涵水功能持续降低，造成大量泥沙进入黄河造成淤积，导致黄河频繁改道，又进一步极大影响了整个华北平原的生态环境。图1为该区域地形本体与关联环境要素相互关系与作用反馈过程的示意图。
图1 地形场景内部与场景间相互关系与作用反馈过程示意

Fig. 1 Schematic diagram of the interaction and feedback process between the terrain scene itself and different terrain scenes

由上述例子可见，地表空间高低起伏的几何形态深度主导了地理要素的空间分异，而这些要素又不同程度对地表的形态产生了不同程度、不同类型的反作用，同时，要素之间还存在着相互制约、彼此嵌套的多层级、多维度的相互联系，不同空间地域的场景之间还存在更高层级的相互影响。这些要素与他们之间的相互作用、地理规律共同构成了一个庞大的、多自由度的复杂系统[23]，而原有的以还原论为指导的认知方式虽然方便人们对其中的独立要素进行把握和研究，但这样的认知方式却难以对复杂系统的每一组关系都逐一分辨，也容易割裂原有要素之间的联系，因此必须从整体论和系统论的角度出发对场景诸要素相互作用、演变发展的过程进行把握和认知。
由于地形场景具有显著的区域差异特征和或显式或隐式的内部规律，对其存在复杂时空规律与内外联系进行系统化认知，这就需要：既从感官层面上，通过多维度、多元化的地形本体和环境数据，凭借不同形式的多模态感官认知地形场景的存在形式和内容；又要从概念层面上分析场景语义所包含的情景，认知地形场景的主要类型和含义；还要从分析层面上通过系统分析与空间关联、空间推理等方法，认知地形场景的内部联系和时空变化规律；更要从模式层面上通过脑认知、智能认知的人-机互联，认知地形场景的区域特征和地学映射机理，通过算法和数据模型将地学规律和地理知识进行抽象与固 化[24]。因此，将地理空间认知理论运用到地形场景的分析研究中，能够实现地形场景的涵义解释更到位、分析更深入、地学规律解析更系统的目标。

3 地形场景内容的“要素-对象-信息”结构描述

地形场景作为涵盖地形本体与周围环境的复杂对象，所包含的内容数量庞大，形式多样，不仅包括实体对象，还包括对象间的拓扑关系和逻辑关系，所呈现出的内涵信息包含多种维度、多个模态，可以从多种角度加以认知。对地形场景内容的描述是进一步深入研究场景内在关系的基础，因此，在地形场景认知的基础上，需要对地形场景的内容构成以及之间的框架和逻辑关系加以分析和描述。

3.1 地形场景要素

地理信息原有的以几何—定位—属性为主导的构成方式[25]依然是将各个对象视为独立存在的单元加以考察、认知和描述，难以描述事物之间的相互关系和因果规律。事物之间的因果性即是通过相互关系引起的一系列变化，而事物在某个特定时空引起的成规模的、系统性的变化即构成了场景中发生的事件或现象，那么事件和现象就可以看作是各个独立对象的“目录”，将原本各自独立散乱的地理对象组织起来。因此，本文参照地理场景的要素构成，使用“时间”、“地点（空间）”、“事物”、“事件”、“现象”为核心的更加整体化、语义化和逻辑化的要素对地形场景进行描述和重新架构[26]，以便更好地表达场景内容之间的逻辑因果关系和时空特征，实现地形场景中隐式关系的外在化、显式化。
在场景中，“地点（空间）”要素代表了地理实体的空间位置和几何形态，“时间”要素则是贯穿场景演变过程的轴线，这两大要素构成了一个四维体，其中的要素、对象、信息，都必须在场景中时间和空间的框架内运行，同时，时空框架也是要素、对象、信息相互关联的参照与基准。“事物”要素是指地理场景中各个独立的、性质不同的组成成分，是地理场景的基础构成要素，它包含了地质、土壤、气候、人类活动等诸多要素，并可以进一步细分，例如气候包含温度、风场、降水等子要素；“事物”要素承载着地形场景中的地理实体，是场景中一切行为和作用的本体与基础。当“事物”要素在时空框架下产生动态的演变，其发生、发展和消亡形成了地形场景中具有一定影响力的事情、行为或事实，这些事情、行为、事实便构成了“事件”要素。而“现象”要素是要素在场景中发展、变化的外部表现形式，如城市化、沙漠化等，无论是“事件”要素还是“现象”要素，都是场景演变过程的动态体现，具有显著的时间特性；“事件”和“现象”要素按照事物发展运行逻辑将不同的实体对象联系起来，以便于对场景内容的整体化和动态化表达。通过对上述要素内涵和结构的分析可知，地形场景的要素构成应当是以事物为基底，在一定的时间和空间中发展演变，构成事件和现象要素，最终形成时空框架下动态运行的复杂综合体。图2所示为地形场景要素的结构示意图。
图2 地形场景要素构成与组织结构示意

Fig. 2 Schematic diagram of terrain scene element composition and organizational structure

3.2 地形场景对象

虽然地形场景的核心思想是通过整体论把握场景的演变发展，但在事物要素的层级还是需要通过还原论对事物具体构成进行解析。事物要素包含了场景中各个地理实体，其所含内容与传统GIS相近，并将涵盖范围聚焦于地形本体，以及地表、地质、气候、人类活动等与地形本体产生相互作用的有限对象。对象的自身性质和对象间的相互关联与约束，影响着地形场景的演化过程，这种关联、约束和影响是整个场景演化和发展的内生动力。对象之间的联系和影响是普遍而多样的，既有直接联系也有间接联系，既有显式联系也有隐式联系，既有强联系也有弱联系，构成了一套机理复杂，相互嵌套的庞大系统，由于联系的普遍性、复杂性、多样性，这使得场景化表达、场景化求解成为了地形相关地理问题研究的必然方向，而对于对象间联系的推理与分析、表达，则成为地形场景要解决的关键；同时，由于对象的联系普遍存在，而又不能将全部对象都纳入到场景研究之中，因此要对对象与地形关联程度的高低远近进行判别、归纳筛选，从而尽可能地降低对象之间的复杂联系为地形场景研究所带来的概念边界上的模糊性。图3为地形场景的对象组成与关联关系结构示意图。
图3 地形场景对象组成与关联关系结构示意

Fig. 3 Schematic diagram of the composition and association relationship structure of terrain scene objects

3.3 地形场景信息

场景对象虽然已经代表了空间中的实体，但在计算机虚拟空间以及数据模型的层面仍然需要通过数学模型、定量参数等具体的信息对地形本体及场景其它对象进行描述。地形场景构建的核心目的是探索地形与其关联环境的关系并进行表达，也因此可以自然地将描述场景对象的相关信息分成 2个大类——地形本体信息和环境条件信息。地形本体信息以地形地貌为描述对象，以DEM及其衍生参数为主要形式，承载了地形的空间结构和地表几何形态；而环境条件信息则对地表、地质、气候、人类活动等场景对象进行描述，所包含的信息更加多元化，例如各个子要素的原位测量数据，多源卫星遥感数据及其衍生参数和计算指标等。对于对象自身的固有性质，通常使用“属性”一词加以描述，但属性的呈现往往是非直管的，人们需要通过属性的外在体现和外在形式去认知对象的属性，这些外在表现即是多种多样的信息，例如要描述一个人的体型，就可以使用身高、体重、体脂率、三维、身体质量指数（BMI）等具体的特征或指标信息加以描述和表达，简而言之，属性是对象的“里”，信息即是用于描述“里”的“表”。地形场景信息本身是对地形场景中各对象自身属性和特征在不同方向上的映射，这样的映射是多元、多角度的，对于同一个对象属性可以用许多信息进行综合的描述表达，例如 要对场景生物对象中的植被进行分析，可以通过NDVI、SAVI等10余种指数信息从不同侧面表征植被的生长情况，而这样的多维映射虽然有助于我们从不同角度去理解对象，但也相当程度上造成了信息冗余，加大了地理问题归因的难度，因此需结合主成分方法、综合加权指标、选取典型信息等方法在庞杂的信息中进行降维。对于信息的分解和整理归纳是为之后进一步组织地理场景内的联系奠定基础。图4所示为地形场景各类信息内容构成示意图。
图4 地形场景各类信息内容构成示意

Fig. 4 Schematic diagram of terrain scene composition of various information contents

3.4 “要素-对象-信息”结构描述框架

上述对地形场景概念和内容信息的解析，是对地形场景内在结构与关系在概念层面的描述与表达，构建了一套以要素-对象-信息为核心的三级逻辑框架，该框架是在概念与认知上对地形场景中的实体、联系与时空变化过程的反映，这样的反映实质上是对地形场景内容、逻辑结构与内在关系的简化、抽象与提炼。地形场景由具体信息描述场景对象，并通过事件和现象要素描述对象所构成的事物要素在一定时空框架内动态演变，由此对场景内容之间的关系和发展过程做出整体表达。在这样的结构描述体系中，更加侧重从整体和系统的角度把握地形场景的内容，其具体的结构描述框架如图5所示。在此框架下，地形场景将地形的内涵范围从空间几何形态升维到包含多要素的宏观系统，使其尽可能地涵盖了多模态、多维度、多层次的信息，并将这些信息纳入到统一的时空框架基准，以更加语义化的要素表述将场景中相关联的实体与信息组织起来，为进一步的场景对象关系推理与求解，以及关系的整体化表达奠定基础。
图5 地形场景的“要素-对象-信息”结构描述框架示意

Fig. 5 Schematic diagram of “Feature-Object-Information” structure description framework for terrain scenes

4 地形场景的应用前景展望

上文已对地形场景的概念内涵及其要素的逻辑结构进行了解析，明确了地形场景的整体架构，而地形场景概念的提出旨在以整体性和系统性的角度出发探索地形综合表达、地学问题求解，其概念与具体技术应用的有机结合大有可为，而其场景化和整体化的研究思路也可以进行充分的延伸与发散，值得进行深入的探讨研究，本文此处抛砖引玉，就可能的地形场景应用前景展开简要的展望。

4.1 进一步扩充完善地形研究相关的地理信息图谱

20世纪末，陈述彭[27]针对地学现象与过程的图谱应用提出了地学信息图谱的思想，所谓地学图谱是能反映地学空间分布规律的，按递变方式排列的系列地图、图表或图像组合，而在此基础上融入信息场的时空特征、分布形态，对空间信息进行可视化表达的计算机化地学图谱，即为地学信息图谱[28]。地学信息图谱中对于时空演变进程、核心与辅助要素的思想内涵与地形问题场景化的思维高度切合，地形本体的时序变化过程与其关联要素的相互作用呈现出高度碎片化的特征，而按照地学信息图谱的思想将地表形态与环境条件对象的空间分布特征和发育过程按照各自特征以谱系的形式进行陈列，可以更加直观可视得了解地形及相关对象的发育与变化脉络，对地表形态演变发展的预测具有重要意义，同时对地形信息图谱的研究也是对地学信息图谱整体谱系的完善、扩充与补全。

4.2 构建基于地形场景要素的地学语义网络和知识图谱

语义网络以概念或实体为节点，以属性或实体关系为边，形成对语义文本的逻辑化描述[27] ；将语义网络的概念进一步延伸，形成计算机可理解，可计算，可推理的大型网络，即是知识图谱，知识图谱的构建能够为研究者提供系统性、深层次的结构知识[29]。而地形场景的事件、现象等要素本身具有高度语义化、逻辑化的特点，可以通过语义网络加以组织和分析；地形本体与关联要素之间的复杂联系与逻辑关系也可以通过语义的形式构建出一个庞大的语义网络，进一步形成地形场景的知识图谱，通过计算机规范化表达与知识存储，进一步支持基于地形场景的地理知识检索与知识推理，为深度发掘其中的地理规律、构建虚拟地理环境、实现从地理信息服务到地理知识服务的发展[27]奠定基础，同时为计算机地理信息语义智能理解、地理知识逻辑推理、演化进程推演重构和其他进一步应用创造可能。

4.3 构建以时空节点与关联要素特征为线索的场景事件谱

地形本体从时序角度看属于相对较为稳定的地理对象，但其中也不乏变化的部分，其变化既有较长时间范围的“潜移默化”，也有短时的突变，而这些变化相较于长时间序列内的稳态显得尤为突出，这种对于地形稳态的打破构成了地形场景中的典型事件。而在地形场景构成的时空综合体中，可以构建出一条延时序发展的时空轴线，场景中典型事件所发生时具有标志性的时刻与空间位置构成了轴线上的时空节点，这些时空节点是时空框架中的特征点；而由于事件的成因、经过、结果以及时空范围不尽相同，各自牵连起各式各样不同的环境要素，因此构成了每个时空节点具有各自特征的身份“DNA”，这些特征间既有共性又有差异性，其差异性使得我们可以系统化的对场景事件进行有效管理，而其共性更为场景事件的溯因与进一步地学分析、地学规律研究创造了条件。进一步结合场景时空轴线，便构成了一套以时空节点及其关联要素特征为线索的场景事件谱，实现更加综合、整体、高效的地形场景探索研究与组织管理。

4.4 开展场景化全息数字地形分析

现阶段数字地形分析应用的研究主要集中在各类地形因子和地形特征提取、计算、分析、制图表达和区域地貌类型的定量分析、模式识别与分类[30],重视了地表高程数值的多元数学演算，相对忽视了地形结构变化的时空逻辑联系;重视了影响数字地形建模的数据获取手段与处理方法，相对忽视了决定地形现象、事件发生的内外环境条件和作用机制;重视了地貌形态与属性特征的分析表达，相对忽视了地貌演化与过程改变的机理研究。而地形场景的构建得以从场景化和整体化的视角出发，将地质、水文、气象等自然要素和人文要素组织成全要素、全信息、多尺度、多时态的全息数字地形，从而支持研究者以时空大数据、人工智能等新研究方式对全息数字地形展开分析应用，开展面向全局和过程的数字地形场景建模方法与地形演化机制的研究，使数字地形分析得以从地形数据模型的“高程集合”走向“要素组织”，从地形信息表达的“局部单一”走向“全局综合”，从地形分析应用的“静止形态”走向“演化过程”；同时，可以将多源、多维度、多模态的数据纳入到统一的时空框架中，并以此为数据基础建立场景化的数据模型，从而得以实现以地形为主导的地理空间在数字空间中的重现重构，能为未来进一步诸如数字孪生、元宇宙技术的应用打下基础，成为数字孪生地球、智慧地球空间建设[31]的重要组成部分。

5 结语

随着地理信息包含内容的日益庞杂，对复杂的信息和关联抽丝剥茧是大数据时代地学研究必须面对的课题。本文通过对地形及关联环境的场景化认知和要素结构解析，融入地理空间认知方法，建立以“要素-对象-信息”为核心的结构描述框架，为我们从系统性和整体性的角度出发去理解地形研究中的相关问题打下了基础，并对未来该方向可能的技术应用进行了展望。地形场景的提出不仅是在认知方式和表达方法上对传统方式方法的进一步深入，更是在思维层面提供了一种新的思路。在内涵认知基础上，希望未来对此方向的进一步研究能将地形本体与环境在时空框架中的演变和发展以系统性的方式进行场景化求解、预测和表达，为深入发掘地形的时空变化规律提供一种新的方向。
本文图文责任编辑： 蒋树芳 黄光玉

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