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

GIS發展的五個維度看待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』

地理學四大研究方向說明

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】

解讀維度不同方面說明

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

六要素說明地理信息的新內涵（5W1H）

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

地理位置信息說明

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

社會位置信息說明

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？

GIS之父介紹

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

內積：距離、角度等幾何及拓撲分析

外積：維度擴充的形體構建

幾何積：標量與矢量運算、維度和幾何運算的統一

【基于幾何代數的GIS數據模型】

數據模型方法

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

幾何代數直接支持并行計算

幾何代數直接支撐地理分析模型（在過去，幾何、代數分析要架橋，如今可以直接用幾何代數來解決）

不需要將問題降維，直接在高維的情況下解決

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】

$R^n$地理數據與一維線性內、外存尋址和存儲方式

非結構化的地理數據與結構化的內外存單元

$R^n$地理隨機訪問與順序內外存遍歷

非均勻分布、分異的地理空間與均質的內外存空間

當前馮洛伊曼計算機處理器、內外存I/O性能差異巨大

【面對計算機與地理信息之間的鴻溝，有兩種解決思路】

按照地理數據的要求發展計算機存儲結構？

還是按照計算機存儲結構來存儲地理數據？

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

抽象過程說明

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？

地理學定律內容

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】

GIS空間離散主要針對像素、體素的管理

地球模式空間離散既要表達空間單元，還要表達單元間的相互作用

【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】

基于地理認知的全息數據渲染方法：形象-邏輯雙層編碼；多變量、分析型地圖

基于相似性/異質性的符號化方法

【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】

傳輸問題

思路：把海量數據降到有限量來傳輸（海量數據有限量表達）

解決方案：類似化學元素周期表查找方法：將幾何、拓撲計算轉換為布爾判斷

顯示問題：構建的數據組織管理與調度方法滿足海量流量數據的動態展示

【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】

運動相機、靜止場景

靜止相機、運動場景

運動相機、運動場景

靜止相機、靜止場景

【視頻變成GIS的三個關鍵技術問題】

空間化結構化虛擬融合化

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】

基于在線文本的地圖數據聚合更新

實施交通信息聚合（高德、百度等實時數據）

臺風信息聚合

全球媒體信息聚合，形成按時間、按地點、按人物、按事物進行聚合

【與大數據公司的對比】

比較指標谷歌百度等大數據公司泛在數據的地理分析系統

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，

GIS如何接收物聯網中成千上百萬個的實時流數據

GIS如何實時動態的聚合這些數據

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】

構建了面向異構數據及軟件平臺的GIS虛擬現實化和交互中間件，為多源GIS空間數據的虛擬現實化及全息化表達奠定了基礎

全息GIS實時動態表達MR化：構建了融合相機實時跟蹤與自適應深度估計管線渲染的現實觀測世界與虛擬空間信息世界的融合，實現混合現實化MR

6 GIS發展的未來展望

依據GIS發展規律梳理GIS發展路徑

從地理學視角進行GIS發展的頂層設計

應用地理學內涵重構GIS數據模型

應用地理學定律發展GIS數據結構

應用認知心理學理論創建GIS表達模型

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

云計算邊緣計算霧計算

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

閭國年教授在2019年易智瑞用戶大會的演講推文：地理全息與全息GIS

霧計算

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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