基于地理知识服务的地理调查理论与方法研究

李 静，何 宗，曾 攀，陈 阳，叶 胜

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

基于地理知识服务的地理调查理论与方法研究

李 静1，何 宗1，曾 攀1，陈 阳1，叶 胜1

（1.重庆市地理信息中心，重庆 401121）

在地理科学的框架内，提出了面向地理知识服务的地理调查概念，指出了地理调查的内容和范围，总结了地理调查特点，并在此基础上构建了地理调查的技术方法体系，搭建了智慧地理调查平台，阐述了地理调查技术方法的实践和应用。

地理知识服务；地理调查；地理对象；地理事件；地理单元

地理调查是开展地理研究的基础，人类对客观世界的认识是一个持续不断的调查发现过程，地理调查方法也是人类认识世界的一种古老方法，人类每一次认识上的跨越，都伴随着地理调查方法的推动。从对客观世界认知的角度，地理调查已经经历了“地理数据获取”、“地理信息提取”阶段，随着信息技术的发展以及应用的深入，地理调查正在向深入探索人地系统内在规律、解决社会经济发展中问题与矛盾的“地理知识服务”转变，这是地理科学研究的必然趋势，也是对地理信息技术发展提出的新要求。

1 地理调查理论

1.1 地理调查理论基础

人类很早就开始对周围的地理环境进行观察、辨识，认识和了解地理环境的内容成了人类初期知识的主体。人类对地理环境认识和了解的过程可以认为是宏观概念的地理调查，对认识结果的总结和归纳便形成了地理知识。

“地理学”这个名词是由公元前4世纪古希腊人所创造，意指对“大地之描述”。公元前9世纪，希腊地理学之父荷马在其历史著作《奥德赛》中用文学的手法描述和记录了当时已知的世界。公元前6～7世纪，西方哲学史上第一位哲学家泰利斯（Thales）开始用数学、几何的方法来记录地理事物和现象，他的弟子阿拉克西曼德（Anaximandos）最早绘制出了“伊奥尼亚地图（Ionian map）”，对形成地理学科的核心有重大作用。公元前4世纪，希罗多德（Herodotos）在伊奥尼亚地图基础上，以自己的记忆和其他旅行家的陈述为资料，研究分布趋势，描述该地的空间特性。

18世纪哈里森（Harrison）发明了“航海用经线仪”，应用天文学、测地学和三角测量的方法开展“野外实察”，成为了地理学者绘制地图的主要方法[1]。20世纪60年代，地理学者发展出侧重于空间经济学、新实证主义认识论的新地理学和人本主义地理学[2]。现今，地理学已发展成为一个完整、成熟的学科，大量地理研究和应用的基础就是开展广泛的地理调查，认识研究对象的原型，获取定性或定量的地理对象描述指标，为地理模型输入基本地理参数，建立地理科学研究的数据基础。

随着全球化和信息化的迅速推进，地理调查技术也被明确地提出并成为地理学中“地理信息科学”分支下的重要组成部分。因此，地理调查工作的开展应以现代地理学的理论体系为指导，以地理信息科学的技术方法为手段，为广泛的地理应用提供支撑[3]。

1.2 地理调查的概念

地理调查在地理学理论的基础上综合利用3S技术、移动互联网技术、大数据技术等各种信息获取手段，结合社会调查方法，以社会需求和公共服务为导向，调查和采集各类地理对象和地理现象，获取地理数据、地理信息和地理知识，建设地理要素时空数据库，提供地理信息服务、地理设计服务和地理文化服务[4]，如图1。

图1 地理调查概念认识

1.3 地理调查的范围及内容

地理调查的范围包括地上、地表及地下的各类自然和人文地理对象，获取地理对象的空间信息、时间信息和语义信息，进而获取地理对象承载的知识。其中空间信息是指调查对象的空间坐落，用地理坐标记录和存储；时间信息则记录调查对象在时间序列上的不同空间和语义状态；语义信息包括调查对象的概念、语义及语义信息之间的关联关系描述，即调查对象的知识表达。

近年来，从国家层面组织开展了多个大型专项地理调查，充分证实了调查研究在经济社会发展中的重要作用，如全国土地利用调查、水利普查、林业普查，以及正在开展的地理国情普查、管线普查，重庆市也结合服务经济社会发展的需要，开展了诸如地下空间普查、建筑物信息调查、城市建设用地监测等。

1.4 地理调查驱动机制

地理事件是指地理对象在时间维度上的发展变化，可以看作是地理对象从一个状态到另一状态不断变迁的过程，其中每一次变迁过程称作一个地理事件。所以地理对象在其生命期的变化是由一个状态通过事件变化到另一状态的发展过程。

地理事件是地理调查主动开展的推进器，在调查过程中，地理事件发生后，通过地理事件监控系统实时发现并抓取地理事件发生的相关信息，以地理调查单元为基本调查单位，综合运用多种技术方法对发生地理事件的地理对象开展地理调查，采集地理事件发生过程中地理对象发生的变化信息，形成地理实体，再通过综合处理进行要素化建库[5]，如图2。

图2 地理调查驱动机制

1.5 地理调查单元

地理调查单元是一种为了方便地理调查而建立的空间单元，并不是单纯的行政区划单元。建立地理调查单元不仅便于分片区调查工作的开展，还有利于数据采集管理以及调查成果数据更新维护。地理调查单元具有同质性、动态性、稳定性的特点，通常以同质性、道路交通、典型地貌、数量等关键信息作为划分原则。

地理调查单元由基础单元、业务单元、责任单元3 级组成。其中基础单元是依据地理特征、行政区划特征、道路交通、地理要素特征、国土权属单元等管理特征划分的最小空间管理单元；业务单元是根据各地理要素的分布特征结合长期的业务需求，以基本单元的基础合并组合而成的空间单元；责任单元是每个调查作业单位的工作单元。

1.6 地理调查的特点

地理调查具有以下特点，一是技术手段新颖，综合运用3S技术、大数据分析技术、物联网技术等先进技术作为地理调查的技术方法；二是组织模式灵活，地理事件驱动，集中调查和众包调查相结合，建立上下联动的工作组织机制；三是采集方式高效，采集数据直接入库，大幅度减少数据后期处理；四是成果形式多样，多尺度融合成果，适合多层次需求的要素化库；五是创新服务模式，以共享交换平台为载体，提供多样化定制服务。

2 地理调查技术架构

在数据和信息的调查采集建库方面，地理调查是在严谨的数据标准、技术标准和应用标准的框架内，以行业部门标准数据库为基础，综合采用现代天空地一体化空间信息获取技术、互联网技术和众包技术等多种手段，建设地理调查信息感知采集系统和众包平台，经过数据处理系统的清洗、整合和处理，为地理大数据中心提供基础数据源，各应用平台通过ETL（抽取、转换和加载）工具，从地理大数据中心输入所需数据资源，同时各应用平台也通过自身的更新机制为大数据中心各类数据的更新提供数据源[6]。

在地理知识的获取和挖掘方面，地理调查通过查阅书籍文献、咨询专家来获得经验，还可通过网络调查、实地调查等方法获取地理知识，经过地理知识的分级、挖掘、流动、集成等处理，再通过知识学习和实践修正等知识创新，形成新的地理知识，提供知识应用和服务。具体架构见图3。

2.1 数据、信息和知识调查基础

各行业部门标准数据库在各自内部融入到业务管理流程当中，发挥着巨大的作用，但各行业部门之间的数据通用性较差、数据标准不统一，很难进行共享交换。地理调查工作在这些数据基础之上开展工作，通过调查保持各类数据的鲜活性。

图3 智慧地理调查平台架构

2.2 地理调查信息采集系统

地理调查信息采集系统充分集成当前测绘地理信息、物联网、大数据、互联网的先进技术，融合传统地理知识获取方法，实现地理对象的信息采集和知识发现。通过综合运用调查采集系统和众包采集平台，一方面各部门可通过采集系统、平台来丰富和完善各部门自身数据，另一方面通过调查、数据整合处理，为地理大数据中心输入源源不断的基础地理数据、地表数据、各类规划数据、经济社会和城市运行增量更新数据，同时大数据中心自身的数据也要通过地理调查采集平台实现动态更新。

1）传统地理知识获取方法。传统地理知识获取方法主要有两类，一是科技文献资料法，科技文献是人们将从事生产生活与科学实验所得到的经验、知识用图文、视频等手段将其记录和保存下来，再通过各种出版物进行传播；二是实地考察法，通过实地考察、访谈和调研，获得一个地理区域、一个地理过程或一个地理事物的基本认知。

2）天空地一体化技术。测绘地理信息科学技术的跨越式发展为地理调查提供了重要的技术支撑，通过集成应用高精度卫星导航定位技术、高分辨率卫星遥感技术、数字航空摄影测量技术、倾斜摄影技术（图4）、低空遥感技术，基本可以实现快速获取任意区域、任意时间和任意对象的高精度空间位置信息和地表信息。地面移动测量系统通过获取地理对象的全景影像和激光点云数据，实现地理对象的实景影像信息和三维建模信息获取。重庆市地理信息中心结合地理调查工作特点，开发建设了“时空信息调查智能移动终端系统”，能够实现地表任意对象的时空信息采集，这类采集系统的特点就是通过移动终端实现地理对象的空间位置采集、语义信息采集，还可实时采集影像、语音信息，通过移动互联网直接上传至管理系统服务器，实现了地理调查的自动化采集（图5）。

图4 倾斜摄影技术

图5 时空信息调查智能移动终端系统

3）大数据分析技术。网络大数据为地理调查提供了重要的数据源，也为地理大数据中心的数据分析提供了重要工具。大众点评等点评类网站提供了大量日常消费类信息，不仅有POI和地址信息，还有大量的消费爱好和点评信息；携程等旅游类网站几乎覆盖所有旅游目的地，提供海量的旅游景区景点信息、相关餐饮酒店信息，其用户群体提供的旅游攻略和路线几乎可以达到让其他人足不出户就获取整个相关联的地理知识；搜房网等房地产经纪类网站提供了丰富的新房和二手房信息，为居住小区信息的采集提供新的途径，同时也为区域房价分析提供可能。当前的地理调查已不再单一通过现场调查采集信息，互联网大数据为新的信息调查提供了新的途径，通过网络大数据抓取技术获取不同类型的地理对象数据，为大数据时代地理研究提供数据支撑。抓取的信息需经过大数据分析，运用技术途径去除数据冗余，减少重复信息，同时通过设置规则来判断数据的准确性，最后通过地理编码系统，对其进行空间匹配（图6）。

图6 大数据分析抓取系统

4）网络众包平台。随着Web2.0时代的到来，尤其是移动互联网的快速发展，为众包地理调查提供了可能。用户既是地理大数据的使用者，也是地理大数据的贡献者，这是地理调查众包的核心理念[7]。当前，互联网地图供应商如高德、百度等均基于自身庞大的用户群，提供了用户调查采集信息接口，用户可以直接上传采集信息，实现地图信息众包采集并产生了巨大的效益。测绘地理信息行业建设的天地图、地理信息公共服务平台、各种应用终端都是开展众源信息采集的重要渠道，通过增加用户自定义采集接口，对平台在线数据动态监控更新，实现用户和平台之间的互动，提升平台体验。

5）物联网感知系统。智慧城市的建设最终会使物物相联，形成庞大的物联网，物联网将是继互联网之后又一次产业革命，物联网产生的巨量信息将为地理调查提供新的技术方法[8]。在交通应用方面，道路交通系统安装的摄像头、线圈等与车载导航定位系统采集的信息进行集成，通过互联网传输和大数据分析，可采集和分析实时道路交通运行状态；在地质灾害监测方面，通过安装地灾监测传感器，可实时采集和分析地质灾害隐患区域变化情况；在城市运行状态监测方面，可在城市管道设施上安装传感器实时监控水压、气压等变化情况，为城市安全运行提供保障。

2.3 地理调查数据处理系统

地理调查数据处理系统负责处理各类调查数据。一是对数据进行清洗，去除残缺数据、错误数据和重复数据，使各类采集的数据均为有效数据；二是通过数据融合，去除数据冗余；三是地理编码，对已经空间化的地理对象直接进行编码，对没有空间化的各类地理对象利用地址数据库进行空间化地址匹配，再进行编码；四是标准化和结构化处理，对数据进行分类、转换、提取和拼接；五是对地理知识进行分级、挖掘和集成。最后按照质量规则进行质量控制，导入地理大数据中心。

2.4 地理大数据中心

地理大数据中心基于云架构搭建，建设技术标准化、能力服务化、提供快速化、资源弹性化、管理自动化、管控集中化的大数据中心。

地理大数据从服务需求出发，将大数据中心的数据分为基础地理数据、地表数据、各类规划数据、社会指标和城市运行5类数据，其中基础地理数据包括地形图、正射影像、三维地图等，地表数据包括行政区划、城乡建设、交通基础设施、市政基础设施、公共服务设施、自然资源分布及利用等，各类规划数据包括国民经济与社会发展规划、土地规划、环境规划、城乡规划等，经济社会包括人口、经济、企事业等，城市运行包括能源运行、基础设施运行、城市安全等，目前共包括39个一级类，172个二级类，1 690个要素类（图7）。

地理调查获取的数据按照标准存储到地理大数据中心，大数据中心为地理信息服务、地理设计服务和地理文化服务提供本底数据资源。

3 地理调查技术应用

地理调查成果包括地理数据、地理信息和地理知识，地理调查技术的各项成果直接或间接地提供地理信息服务、地理设计服务和地理文化服务。重庆市基于地理调查技术方法和技术体系，开展了大量的应用实践。

1）地理调查支撑地理国情监测。地理国情监测采用地理调查的工作方法，通过地理调查的多种技术手段，对地形、水系、交通、地表覆盖等要素进行动态和定量化、空间化的监测，并对各种变化情况进行梳理汇总。在此基础上开展地理分析，形成反映资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的监测数据、地图图形和研究报告。

2）地理调查服务重庆市综合市情系统建设。重庆市综合市情系统建设是充分利用重庆市信息产业发展基础和信息化建设成果，以云计算、大数据、移动互联网、空间信息技术等现代信息技术为支撑，以基础测绘成果和地理国情普查数据为基础，以“空间化”为手段整合各类规划、社会经济和城市运行数据，建立全市标准统一、内容融合、开放共享的综合市情系统，实现全市信息资源的空间整合与应用。综合市情数据库建设作为综合市情系统建设的一项重要工作内容，通过各部门共享交换形成本底数据库，再运用地理调查技术方法对本底数据库进行动态更新。

3）地理调查服务应急管理。近年来，各地政府部门对应急管理工作倍加重视。应急管理部门对地理信息的动态采集和掌握是应急管理工作开展的重要前提[9]。2010年，重庆市地理信息中心挂牌成立地理信息应急服务专业分队——重庆市应急救援地理信息服务队。地理调查和分析工作在应急突发事件的处置和应急日常保障工作中发挥了重要作用。在应急现场处置服务工作中，地理调查人员通过无人机采集灾害现场的最新信息，并现场快速处理、制图，形成遥感图件供领导决策。在日常的应急保障中，地理调查人员通过建筑物调查、地下管线调查、重大危险源调查等专项调查工作可将我市的高层、超高层楼房、大型油气管线等风险源进行精确的筛选，并制作成专题信息供应急管理部门重点监控和防范。基于各类综合地理信息，还可通过各类分析方法和分析模型，开展不同区域的灾害风险评估，辅助政府部门准确实现事前防范。

4）地理调查支撑城乡规划。重庆市地理信息中心充分利用已有的地理空间基础设施和信息资源，结合低空遥感、GPS测量、现场调查等技术手段进行地理要素的动态采集与更新，开展了2005～2015年建设用地遥感解译工作，形成系列连续的建设用地现状数据。从2010年起，中心开展了全市城区建筑物普查工作，对主城建成区内的所有建筑进行了详细调查，包括建筑的规模、楼层、年代、结构、用途等信息，大大增强了现状调查与分析的广度和深度，更有利于控规研究和编制。2011年初，又先后开展了30个规划片区的现状调查与分析工作，编制了相应的现状分析报告，内容包括自然、经济、社会、历史文化、基础设施、公共服务设施、土地利用现状、建设用地现状等方面，摸清了全市域范围内自然条件、空间资源以及经济社会发展的基本现状，为提升全市总体规划研究和编制水平提供了有效的技术支撑。近几年重庆市大力组织开展了镇（街）乡、行政村的基本信息调查工作，利用现场踏勘、问卷调查以及GPS测量等技术手段，采集、获取全市所有村镇的各类基本信息，建设村镇规划基本信息数据库，为分析、研究我市村镇规划相关政策，制定村镇规划管理办法，指导村镇规划研究和编制提供了有力的信息保障。

5）地理调查助力行业专题信息采集。行业专题信息是指不同政府管理部门针对各自的业务管理范围和需求获取的专业地理空间信息。在重庆，行业专题信息的采集具有良好的技术条件，“重庆市连续运行卫星定位系统”可确保信息定位的高精度，“重庆市地理信息公共服务平台”（全市“一张图”）可确保调查所需底图的现势性、权威性，并与全市其他信息统一基础，市规划局、市地理信息中心推动全市地理信息共建共享的决心和强大的技术服务可以支撑各部门自己组织专题地理信息调查[10]。

4 结 语

数据和信息只是描述地理对象的某些方面，并不是对地理对象本质的阐释，地理数据和地理信息已不能满足应用的需求，随着大数据应用的深入，对数据和信息自身的完整性、不同来源数据的相互关联性要求越来越高，需要更多地从数据本身分析和挖掘地理知识，而地理知识的获取应是地理调查的核心目标。

在智慧地理调查平台的建设中，从地理事件的监测发现、地理对象的信息采集、地理实体的整合处理、地理要素的入库到时空大数据的应用和反馈，将形成一条闭合的地理调查及更新的生产线体系。地理调查技术的发展将进一步整合行业部门共享交换、网络大数据采集挖掘、在线采集实时更新、网络众包采集、专业的地理调查队伍，形成完整的调查技术体系，物联网等新技术的发展，将为地理调查注入新的技术方法。

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B

1672-4623（2016）10-0007-06

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.002

李静，正高职高级工程师，研究方向为3S集成技术在城乡规划中的应用。

2016-07-26。

项目来源：2016年国家基础测绘科技计划资助项目（2016KJ0303）。