G e o s p a t i a l T h i n k i n g ---C l a r k T o T h e W o r l d 人与地理空间信息的交互模式余 涛1（英业达集团 软件服务事业处 上海 200233）摘 要在当前云计算、物联网、智慧地球等应用发展背景下，对地理空间信息的需求日益庞大、复杂，人类正在走向一个对地理空间信息“即需即得”的未来世界，与地理空间信息应用相关的技术必须尽快取得突破，本文主要探讨人与地理空间信息的交互模式，主要包括地理空间信息的可视化、虚拟地理环境和移动增强现实等，最后指出随着交互手段的进一步丰富与完善，人类的地理空间思维（Geospatial Thinking）能力将得到大幅的锻炼和强化，并直接影响到人类的生存和发展能力。
【关键词】地理空间信息 交互模式 可视化 虚拟地理环境 移动增强现实 地理空间思维The Interaction Pattern about Human with Geospatial InformationYu Tao(Inventec Group Software and Service Business Unit Shanghai 200233)ABSTRACT In the current context of applications development of Cloud Computing, Internet of Things and Smart Planet, the demands on Geospatial Information are increasing much larger and more complicated, to this kind of information, human beings are moving towards a WYWIWYG (What You Want Is What You Get) future, and the technologies related to applying Geospatial Information must breakthrough as quickly as possible, this article focused on the study of the Interaction Pattern about Human with Geospatial Information, mainly including Geospatial Information Visualization, Virtual Geographic Environment and Mobile Augmented Reality, finally concluded that with the further enrichment and improvement on the Interaction Pattern, human’s Geospatial Thinking capability will get practiced and strengthened, meanwhile affect human’s survival and developing capabilities directly. Keywords Geospatial Information Interaction Pattern Visualization Virtual Geographic Environment Mobile Augmented Reality Geospatial Thinking1.地理空间信息及应用概述2010年5月IDC 发布的《数字宇宙》年度调查报告近来颇受人们的关注，其中揭示了2011年全球会产生1.8ZB（1021）字节的数字信息，2020年甚至高达35.2ZB，人类的信息规模已经进入“ZB 时代”。
然而较少有人关注到，这些信息中80％以上都是与地理空间有关的非结构化信息。
实际上，自二十世纪九十年代以来，随着地理信息系统、全球定位系统、位置服务、遥感等技术应用的快速增长，已极大地激发了人们1作者简介：余涛（1970-），男，畲族，理学博士，研究方向包括云计算、位置服务、智能空间、智慧地球、地理信息系统等G e o s p a t i a l T h i n k i n g ---C l a r k T o T h e W o r l d对地理空间信息（Geospatial Information）的浓厚兴趣，并且在持续高速发展的信息技术的帮助下，地理空间信息的影响和作用范围早已大大超越了传统地理科学的特定界限，被陆续广泛运用于国土开发、城市规划、交通导航、环境保护、商业决策等许多领域，尤其是在当前云计算、物联网、智慧地球等应用发展背景下，在第二次地理大发现探索智能空间的时代发展背景下，对地理空间信息势必有更庞大、更复杂的需求。
地理空间信息是表征地理圈或地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形的总称，其主要特点有：（1）区域性，地理空间信息通过经纬网等地理坐标来标识空间位置，具有区域分布性、惟一性的特点；（2）多维结构，地理空间信息具有多维结构特征，即在二维空间的基础上实现多专题的第三维结构；（3）时序性，地理空间信息具有非常明显的时间特征，其内容随时间动态变化，在实际应用中需要及时获取或定期更新；（4）海量特征，地理空间信息是地理系统各要素在计算机系统中的数字映像，其数据量十分巨大，需要具有海量数据处理能力的系统来管理。
地理空间信息，不仅对人类如何认识与理解世界、如何分析各种空间现象及相互关系、如何对待环境和规范行为、如何应对全球变化的挑战并做好管理等等，都产生深远影响，而且更重要的是，地理空间信息对构建智慧城市、智慧地球、开拓智能空间发挥着基础性作用，并且决定了一个国家数字疆土的主权与安全。
美国于2003年底正式成立了“国家地理空间情报局”（National Geospatial-Intelligence Agency，简称NGA），专门负责收集和提供精确、及时的地理空间信息，以便为国家决策、军事行动和抗震救灾等更全面地服务，该机构的行政级别与美国的联邦调查局、中央情报局和国家安全局等相同，而保密程度甚至更高，对地理空间信息的重视由此可见一斑。
美国科学院国家研究委员会2003年解密出版的研究报告《信息技术通向地理空间未来之路》，也早就明确指出：现在是时候让计算机科学家们更广泛地处理地理空间数据所带来的挑战和机遇了，在该报告中，对地理空间信息的未来应用还如此描述到：想象一个这样的世界，地理空间信息可以被所有需要的人（和被允许使用的人）及时地获得，而且具有用户友好界面以及（如果需要）可以整合在真实世界的情境中。
目前人类生产地理空间信息的能力已经超过了组织和分析这些信息的能力，复杂性很高的地理空间信息海量增长，导致应用和技术之间的矛盾更加凸出：一方面，经常需要使用地理空间信息的用户，由于缺乏专业背景往往不知道该如何使用这种信息；另一方面，有效分析、管理和使用海量地理空间信息的技术难度却在不断增加。
人类正在走向一个对地理空间信息“即需即得”的未来世界，随着地理空间信息的海量增长，接下来的十年将非常关键，与地理空间信息应用相关的技术必须尽快取得突破，例如地理空间信息的语义和表示、与地理空间信息的交互、空间数据管理和数据挖掘、知识提取、位置感知等，本文主要探讨人与地理空间信息的交互模式。
2.人与地理空间信息的交互模式心理学研究认为，人们为了理解和组织与周围环境交互的经验，会在大脑中形成一种意象图式（ImageG e o s p a t i a l T h i n k i n g ---C l a r k T o T h e W o r l dSchema），而地图正是人们与地理空间交互经验所形成意象图式的直观体现。
据维基百科资料记载，最早的地图在公元前6200年就已经出现，经过数千年的演变，地图已不仅是人类获取、存储、显示和分析地理空间信息的基本手段，而且是人类与地理空间信息交互的重要方式。
地图是依照一定的数学法则，使用制图语言，通过制图综合，在一定的载体上表示各种自然和社会事物的空间分布特性，基本构成包括地理要素、数学要素和辅助要素。
地图提供了基于视觉思维的交互，使空间世界对人们来说更加可读，但随着地理空间信息应用的迅速普及，传统地图的局限性逐渐凸显出来，如表达不丰富、交互模式单一、无法适应动态需求等。
长久以来，人们一直在寻求能符合人类自然交互习惯的模式，以突破传统地图的局限性、突破人与地理空间信息交互的瓶颈，1980年代以来信息科技尤其是计算机技术的突飞猛进，终于使这种突破发生了一些质的飞跃，如地理空间信息的可视化、虚拟地理环境、移动增强现实等。
（１）地理空间信息的可视化可视化技术发端于1987年美国国家科学基金会一篇关于《科学计算之中的可视化》报告，其中首次阐述了关于科学计算可视化的概念：利用计算机图形学来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术概念或结果的那些错综复杂而又往往规模庞大的数字表现形式。
可视化技术能够从复杂的多维数据中产生图形和图像，将抽象的、隐含的、难以理解的规律、原理、过程和结果，进行直观、形象和整体地表达，以帮助人们更好地理解，同时交互过程也变得生动有趣、更人性化，因此被广泛应用于医学、地质学、海洋学、天文学、气候气象学、流体力学、分子生物学、有限元分析等众多领域。
可视化技术对地理空间信息的表达、分析和交互也产生了很大影响，由于地理空间信息的多维性、海量性、抽象性等特征，采用可视化技术可以极大地提高人与地理空间信息交互的效率和质量。
国际制图协会（ICA：International Cartographic Association）在1993年就成立了可视化工作组，1995年该工作组扩大为可视化委员会，1999年再次重新命名为可视化与虚拟现实委员会，其主要目标就是探索地理空间信息的可视化应用。
地理空间信息的可视化，是运用计算机图形学技术和地图学技术，将对地理空间信息处理、分析的过程及结果，以图形、图像、图表和视频等形式可视化表达并进行交互处理的理论、技术和方法。
应用可视化技术，使人与地理空间信息的交互从静态向动态转变、从简单型向丰富型转变，从而更有利于对地理空间的探索和发现。
常用技术包括：（1）二维可视化：采用数据量相对较少，适用于结合领域知识、制作动态地图，可满足特定的行业需求，如重大疫情空间分布的实时统计与监控、城市住宅房价等值线的动态变化等。