空间建模托起GIS未来

气质、尐侽亽 · 发表于 2013-7-24 09:20

邱观永
编者按：GIS空间分析、建模、集成等是行业发展的几个重要方面。纵观地理信息行业发展的思想史，国内外在这几个方面的研究有很大差别。国外在GIS的研究深度和广度方面优于国内，在GIS的理念、传统、发展等方面也较为成熟，而近10多年国内GIS迅猛发展，目前也逐渐形成了自己的特色。本期人物我们采访到了河海大学张晓祥副教授，张老师2012年起在网络上发表的GIS与空间分析地理学思想史系列文章在国内外引起了很大的反响，受到了地理信息界很多专家学者的广泛关注。本期结合他的个人经历和海外背景，来聆听他是如何看待GIS行业的内外发展的。
张晓祥，男，1979年生，博士、副教授，硕士生导师，河海大学地理信息科学与工程研究所副所长。1996-2000年就读于武汉大学摄影测量与遥感专业，获摄影测量与遥感专业工学学士学位。2000年起攻读南京大学地图学与地理信息系统专业硕士研究生，2002年提前攻博，2006年1月博士毕业，获地图学与地理信息系统博士学位。2012-2013年在美国亚利桑那州立大学(ASU)做访问学者。目前主持或参与3项国家自然科学基金项目，并作为骨干成员参与多项国家863计划课题和国家支撑计划课题，出版译著1部，教材1部。主要从事GIS、数字流域、空间分析、空间建模，特别是空间过程模型与GIS的集成研究。

记者：您带领的研究组以X-GIS理念开展相关研究，能为我们介绍下这种理念的优势在哪？有什么学术渊源？
张晓祥：很多同行问我X-GIS是什么。其实X-GIS是指地理信息系统(Geographical Information System)服务于专业建模领域相结合而形成的交叉学科。其中，GIS代表以空间分析、遥感、计算机制图学、地理信息系统为核心的空间分析与建模技术；X代表专业建模领域，如海洋学建模、水文学建模、大气建模、植被/土壤建模、行为地理学、区域/城市建模、自然资源管理等领域。X与GIS之间的连接则通过统计建模、数学建模、数值建模来实现。
X-GIS研究组的创意实际上源于加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)地理系列创系系主任David Simonett教授(1926-1990)提出的Simonett's Cube(Simonett魔方) （Clarke and Baumgart, 2004）(图1)。

图1 Simonett魔方（Clarke and Baumgart, 2004）

David Simonett教授(1926-1990)的故事本身就是一个传奇，随着时间的流逝，他的学术思想愈发值得全世界遥感和GIS学人进行深入研究。我第一次听说Simonett教授是在10年前在南京大学读研究生的时候，当时是与我的老师、南京大学老教授陈丙咸先生聊天时获知的。八十年代，David Simonett教授曾经访问过南京大学，1983年接受了南京大学青年教师孙国清到美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)攻读他的博士研究生。孙国清是中国科学技术大学1969届近代物理系毕业生，物理基础很好，1979年师从南京大学地理系陈丙咸教授攻读地图学与遥感专业硕士研究生，1983年出国时是南京大学地理系任美锷院士和陈丙咸教授写的推荐信。孙国清先生在David Simonett教授指导下主攻雷达遥感，发表了许多高质量的论文，1990年获得博士学位，现任美国马里兰大学地理系研究教授(Research Professor)。
当时，听陈先生讲这个故事时对David Simonett教授的了解还是非常少的，也没有引起太多的注意。2008-2009年，我夫人姚静在申请赴美攻读博士研究生时，我们对美国遥感和GIS界的重要学术流派和著名的教授进行了广泛的梳理，注意到了美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)地理系和该系的创系系主任David Simonett教授。
David Simonett教授是以遥感专家著称于世的，但实际上他对整个GIS的发展有着举足轻重的贡献。八十年代，以他为首的UCSB地理系一些著名教授发起成立了美国国家空间分析中心(NCGIA)，成为美国GIS研究的重镇。最辉煌的时期，UCSB地理系在David Simonett教授的感召下，云集了一大批GIS研究的知名教授，如Reginald Golledge 教授、Waldo Tobler教授、Richard Church教授、Michael Goodchild教授、Luc Anselin教授等，其中多人先后当选美国科学院院士。1990年底，David Simonett教授因为脑癌辞世，在他逝世前，UCSB为表彰他对GIS空间分析的贡献，成立了以他的名字命名的David Simonett空间分析中心(David Simonett Center for Spatial Analysis)。
难以想象，一个新生的地理系，创系10年即跻身美国和世界一流地理系之列，究其原因，主要是David Simonett教授的学术思想、学术理念起了决定作用。David Simonett教授特别注重以定量方法来研究地理问题，打破过去自然地理、人文地理的学科领域限制来招聘教授，UCSB地理系当时招聘的每一个教授都必须要有进行学科交叉研究的能力，即必须在David Simonett的魔方里找到自己的三维坐标(X, Y, Z)，也即必须有定量地理学基础、专业建模能力和量化分析能力，缺一不可。2004年，UCSB地理系建系30周年，当时的系主任Keith Clarke教授等撰写了关于该系30年发展总结的文章，特意提到Simonett教授提出的Simonett魔方对UCSB地理系的崛起的重要意义（Clarke and Baumgart, 2004）。
David Simonette也是我国科技界的良师益友，他是中美建交以后第一位访华的美国著名地理学家，与我国老一辈地理学家结下了深厚的友谊。Simonett教授逝世以后，陈述彭院士、童庆禧院士、郑威研究员三人联合在中国的《环境遥感》杂志写了一篇悼文，悼念这位杰出的地理学家(陈述彭等，1991)。
我过去读书时既有测绘学科背景，也有地理学科背景，工作以后又到水利行业院校做GIS工作，与水文建模、海洋建模的专家都有合作，所以我个人看Simonett魔方的感触就特别深。我个人将我在河海大学带的研究组命名为X-GIS研究组，就是希望进行GIS与专业模型的集成研究，短期内我们会从事水文模型、海洋模型与GIS的集成研究，未来希望将这一方法扩大到其他应用领域。
记者：目前，河海大学X-GIS研究组主要的研究方向？国际、国内同行在这个领域的研究又如何？
张晓祥：河海大学X-GIS研究组目前的主要研究方向有三个：(1) 基于对象-关系数据库的行业数据模型研究；(2) 水利、海洋专业模拟模型的形式化研究；(3) 上述数据模型与专业模型的集成及软件定制。
物理过程建模和空间建模理念的提出是GIS领域很重要的一个问题。我们现在提的时空GIS问题，实际上是一种动态的时空GIS问题，是相对于以前的静态或准静态GIS而言的。国土、规划领域也做时空GIS，其实很多时候是一种静态的GIS时空问题，但水、空气等流体的物理现象变化比较快，动态性强，原有的基于图层管理的时空构架难以适应这种空间建模的需要。
我国老一辈科学家实际上也非常重视专业模型与GIS的集成研究。早在1980年代，在陈述彭院士的领导下中国科学院地理所等单位开展了不少洪灾模拟、海洋GIS应用研究。但是，囿于当时的GIS软件的整体技术水平，还难以进行GIS与专业模型的深度集成。1991年起，美国加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的国家空间分析中心(NCGIA)在Michael Goodchild教授的领导下，基本上沿Simonette魔方进行科研组织，1991、1993、1996、2000年分别举办了4次GIS与环境建模国际研讨会(GIS and Environmental Modeling)，团结了专业领域一大批重要专家进行GIS与各类专业建模的集成研究，后面三次会议还专门编辑出版了专著(Goodchild等，1993；Goodchild等，1996；Clarke等，2001)，在国际上推动了这个领域的研究。九十年代，GIS对象-关系数据库技术和面向对象建模方法逐渐成熟，在新的关系数据库基础上进行复杂的专业模型的建模逐步提上日程。
目前，国际上各个专业领域的建模软件如雨后春笋般大量涌现，基本上都是基于GIS进行专业模型的软件模块开发，如水利领域的丹麦Mike系列软件、荷兰Delft 3D、美国ArcSWAT等，都是构建成为ArcGIS软件的扩展模块。但是，反观我国，很多专业模型的改造工作还做得不够，很多过去应用良好的模型因为缺乏面向对象构架下的改造，导致在实际工作中难以进行推广。
记者：河海大学X-GIS研究组正在进行或已经取得成果的研究有哪些？主要有哪些合作者？
张晓祥：应该说从事GIS和专业模型的交叉研究是一件门槛很高的工作，因为你首先必须要了解行业的需求，同时你还必须是一位地理信息学专家。这种横跨两方面研究的人才是可遇而不可求的。
我们目前的研究主要还是跟踪研究，主要是学习借鉴国外GIS与水文模型、海洋模型集成的高水平研究成果。在水利研究方面，我们主要借鉴美国德州大学奥斯汀分校(UT Austin)的David Maidment教授研究组的ArcHydro和美国新一代水文信息系统(HIS)的系列研究工作；在海洋方面，则主要借鉴美国俄勒冈州立大学(Oregon State)Dawn Wright教授的ArcMarine的相关研究工作。
上述研究方向实际上是跟河海大学的专业GIS应用密切相关的。2007年起，我开始跟河海大学水文水资源学院、海洋学院的老师进行合作，从测绘、地理背景转到专业背景进行研究，当时就发现我们常规的GIS应用基本上不能适应专业模型特别是水文、海洋等物理过程模型的建模需要。河海大学在水利、海洋领域的数值建模能力，如赵人俊教授创立的新安江水文模型、程文辉教授等创立的平原河网水动力学模型以及张东生、张君伦、张长宽等教授在东中国海水动力学模型的研究工作在国际国内有着广泛影响。在具体工作中，我有幸跟河海大学的专业领域的知名专家张长宽教授、任立良教授、张行南教授、王船海教授、丁贤荣教授等研究组进行合作，受益良多，逐步加深了对GIS与专业模型集成的理解，我们的研究工作也得到了包括国家863课题、国家自然科学基金等资助。
接触得越深，我们就发现在这一领域，中国GIS学人还有很长的路要走，有的时候我们感觉还是比较孤独的。我曾经试图在国内寻找合作者，并且筹备了两次学术会议，希望能团结一批专家一起做相关研究。第一次会议是2009年秋，在河海大学举办的行业性比较强的“第三届数字流域学术研讨会”，会议邀请了约50位与数字流域、水利信息化相关的遥感与GIS专家，会议总体比较成功，特别是北京大学马蔼乃教授关于地理模型的主题报告、中科院寒旱所的李新研究员关于数字黑河的主题报告对我们有很大启发。第二次会议是2010年初，我本人邀请了总共12位青年学者进行了一个内部的WORKSHOP会议，每个人讲讲做什么，会议的参与者很多是河海大学自己培养的青年精英，他们在水文学、水动力学、环境动力学、海洋动力学等专业建模领域有非常好的专业基础。我希望通过这次会议能进一步明确水利、海洋行业对GIS的需求，特别是挖掘未来专业模型与GIS集成的可能性。
两次会议下来，我们发现中国的流域信息化研究虽然非常热闹，但是真正对核心问题的关注偏少，并且新的学科交叉领域很难有合作者，我们当时估计至少在短期内还是立足自身去做。我们希望在GIS的交叉性领域有所研究，就萌生了成立一个研究小组的想法，X-GIS小组应运而生。去年以来，我们的很多工作逐步得到了行业大企业的关注，未来可能会选择1-2家企业进行深入合作。
记者：您认为中国地理界缺乏对“计量地理学”的研究，那么国外“计量地理学”与GIS、空间分析结合的情况又如何？国内的这种研究缺失主要有哪些不良影响？是什么原因造成了这种缺失？

张晓祥：关于“计量地理”与“空间分析”，实际上这个工作并不是我的主攻方向，我本人更多的关注的是空间建模，特别是物理过程模型与GIS的集成。但是，让我自己也始料未及的是，我最近在我们河海大学X-GIS研究组博客(http://blog.sina.com.cn/xgis2010)上发表了一组关于“空间分析的三个传统”的系列文章，受到国内外地理学人的广泛关注，不单是GIS专家，人文地理领域的很多知名学者也非常关注。

对于空间分析的重新认识则是因为我的家庭原因。2009年8月，我夫人姚静老师到美国亚利桑那州立大学(ASU)留学攻读博士学位，师从著名空间优化专家Alan Murray教授，并在美国科学院院士Luc Anselin领导的亚利桑那州立大学GeoDa空间分析与计算研究中心学习工作，2012年底通过答辩获得地理学博士，之前还顺利获得工业工程(运筹学)方向的硕士学位。2013年1月起，在GeoDa做了半年博士后，在Luc Anselin院士、Alan Murray教授的推荐下，2013年6月起，到英国圣安德鲁斯大学做Research Fellow，合作导师是美国科学院新科院士、GIS空间分析的著名科学家A. Stewart Fotheringham教授。在美留学几年，我们发现，国外一流的空间分析研究跟国内的有很大差别。我们发现国内国外完全是两套话语体系，我们分析目前的差距很多是意识的差距，很多时候我们以为我们了解了国外专家的工作，但实际上却不然。究其根源，我们分析认为应该可以追溯到之前的地理学的“计量革命”。
20世纪50年代，欧美地理学界经历过激动人心的“计量地理学革命”，面貌为之焕然一新。计量革命的发展是GIS发展的重要理论与方法准备。位于美国西雅图的华盛顿大学作为计量革命的风暴中心，当时云集了William Garrison，Edward Ullmand等杰出的地理学者，华盛顿大学培养的众多计量地理方向的博士生后来很多成为了美国地理学界的革新人物。
但是由于种种原因，中国地理学界对欧美50年代的“计量革命”研究较为欠缺，国内地理学著作中也很少有计量革命的译著出版。我想有以下两方面原因：一方面，解放后我国地理界与欧美地理界的交流中断，后来又与苏联地理界交流中断，错过了1960-1970年代的“计量革命”的黄金时期；另一方面，我国的地理学者普遍缺乏严格的科学和数学训练，导致知识储备无法适应计量地理学的深入发展。改革开放后，我们追赶西方地理学发展的过程中，地理学者的知识储备无法适应计量地理学以及后续的GIS理论方法研究的较高要求，所以当时的地理学者很难翻译出学理性、数学性非常强的计量地理学著作。美国很多成熟的空间分析的理论方法我们还没有补课，涉入不深。八十年代我国学者编著的计量地理学著作虽然过于简单但却是奠基性的著作，后来出版的计量地理学著作也没有太大的突破，基本上没有反映八十年代以后这一领域特别是与GIS、空间分析结合的巨大发展。这一状况导致了我国GIS与空间分析领域与国外有差距。

记者：有人说空间分析是GIS的核心和灵魂，您也曾经总结了三位大师的空间分析的工程学、经济学、心理学传统，能为我们简单介绍下吗？
张晓祥：我觉得对GIS空间分析的理解，应该回归到经济地理学的区位论，我所说的《空间分析的工程学传统》、《空间分析的经济学传统》、《空间分析的心理学传统》等等，其实都有一个共同的研究基础——区位论。区位论可以说是后续各类空间分析方法的本源。区位论研究在地理学研究中是比较少有的，逻辑上非常严谨的理论，基于区位论的各类条件、假设，可以构筑一个逻辑性很强的、可一步步推导的地理学大厦。在几何学上，我们以五大公理和五大共设构建欧氏几何，在物理学上则是从牛顿定律开始，我们认为地理学的大厦至少可以部分建构在区位论的基础上。
要想发展中国GIS与空间分析的理论与方法研究，我觉得必须要恢复上世纪50年代“计量革命”的定量研究传统，认清欧美地理学特别是GIS和空间分析的发展脉络，至少需要恢复GIS乃至空间分析的三个传统，分别是Charles ReVelle教授所代表的空间分析的工程学传统、Walter Isard教授所代表的空间分析的经济学传统、Reginald Golledge教授所代表的空间分析的心理学传统。特别值得一提的是，最近十年，这三个方向的相近的研究分别于2012年、2009年和2002年都获得了诺贝尔经济学奖。详细介绍在此不再赘述，请大家看我在我们研究组博客上发的全文。
记者：您强调发展各个学科作为本原的理论与方法，尤其是地理信息科学，可是在这个浮躁的社会追求利益最大化的今天，GIS 被更多的人认为是一种提高行业管理水平的技术工具，您怎么看？作为大学教师如何引导学生做基础研究？
张晓祥：GIS是一个新兴的领域，过去十多年经历了飞速的甚至是野蛮的增长。但实际上在目前也是一个门槛很低的专业，任何人不管是哪个领域的，只要学一本GIS教程就可以声称是搞GIS的。一方面，由于历史原因，教授GIS课程的老师自己没有系统学习过GIS，无法开出有影响力的GIS理论与方法课程；另一方面，由于实用主义作祟，学生就业很重要，学生们也希望学一技之长以应付迫在眉睫的就业压力，根本无暇攻读艰深的理论与方法课程。这种缺乏严谨的理论与方法训练的快餐式的技能培养方式很难培养出GIS学生的核心竞争力，GIS久而久之逐渐成为一种地理学、测量学、计算机科学的混搭产品，学科视野严重束窄，这种发展倾向也导致很多GIS专业人士自己也轻视或低估了GIS方法论在思维养成方面的巨大作用，要重视思考方法的培养，而不单是技术的锻炼。目前，教育部已经将“地理信息系统”专业改为“地理信息科学”，这至少表明地理信息科学的学科地位在逐渐上升，作为科学本身，理论与方法不可或缺。
我国GIS还有一种重要的倾向，那就是GIS的发展得益于信息技术的快速发展，但是过分依赖信息技术的发展也给GIS本身发展制造了障碍，让人感觉只要紧跟IT主流，就能发展好中国的GIS。实际上，当代信息技术的发展实际上也给人很大的误解，让人感觉技术发展日新月异，但现实中我们很多时候是被加速了。
二战以后，因为美国特殊的国际地位、雄厚的综合国力和坚实的人才储备，第三次科技革命在美国首先兴起，这次科技革命的标志就是“以原子能技术、航天技术、电子计算机的应用为代表，还包括人工合成材料、分子生物学和遗传工程等高新技术。”整个美国社会因为第三次科技革命，获得了巨大的发展。但是很多科学史的专家的研究也表明：半个多世纪以后，新的科技革命还没有发生，虽然在过去几十年中很多学科领域被寄予下一波科技革命的厚望，例如纳米技术、生物技术、认知科学等等，但是这些新的技术虽然投资巨大，却是雷声大雨点小，至今并没有获得突破性的进展。
所以，我们应该冷静地看到除了以电子计算机和互联网为代表的信息技术的发展以外，其他诸如航天、材料、能源、生物等领域虽然或多或少取得了很多成就，但并没有获得太多突破性乃至革命性的进展。很多学科的发展并不是很快，缺乏更新换代的理论方法，这些学科近年的发展绝大部分是信息技术背后推动的。我们也必须清楚地认识到信息技术的局限性，即信息技术对于各个学科的理论方法本身并没有太大的改变，我们有必要去发展各个学科作为本原的理论与方法。
GIS学科也是如此，其推动是一种外延型的推动，而非内涵式的基于基础理论与方法上的突破。我们的精力完全被信息技术所吸引，如空间数据库、组件开发、WebGIS等技术的发展带动了学科的巨大进步，但是我们也可以明显地感觉到地理学或者说地理信息科学本身的理论与方法创新则基本上被忽视，我们的发展光环完全来之于信息技术的罂粟似的疯涨。
理论与方法的发展是一个学科发展的基石，中国地理信息系统协会(CAGIS)每年也会举办理论与方法专门委员会的学术研讨会，这个研讨会目前已经发展成为中国GIS界最具学术声誉的会议，这对于普及与促进中国GIS理论与方法研究有着非常积极的推动作用。理论与方法的创新是未来领域可持续发展的基石。
记者：GIS繁荣表象下存在不少危机，这种现象的发生与中国经济繁荣表象下的危机很相像，您认为在这种大环境下，GIS产业各个相关群体，科研机构、政府部门、企业，应该如何改变这种现状？
张晓祥：近年来，GIS获得了非常迅猛的发展，但是我们也应该正视繁荣表面下的危机。
第一，在GIS教育方面，我们的GIS教科书是全世界最多的，但是课堂上充斥着过时的内容和时髦的技术，大学GIS教学沦落为职业技术培养所，缺乏学理的坚守。
第二，在科研方面，我们的GIS科研项目是全世界最多的，经费额度我们已经完全可以跟欧美各国媲美，作为应用性很强的学科，我们的教授却生产着大量实业部门不感兴趣的论文，很多低水平重复的研究对于中国这样一个发展中国家来说是一种巨大的浪费。
第三，在GIS产业方面，我相信我们的GIS企业也是全世界最多的，产业环境还有待完善，创造公平的市场竞争环境很重要。
第四，对于政府来说，要减少一些行政干预的手段，充分转变和发挥政府的职能，明确该做什么，不该做什么。
国内大公司在构架GIS系统方面有很多研究和积淀，如中地、超图等，这是非常好的现象，这也是科研机构比不上的。我们也看到，很多大的企业重视加强与科研机构的合作，将GIS的理论、方法通过技术开发与合作逐步融入具体的业务工作。
记者：最近“致青春”成为大家讨论的热点，每代人都有不同的青春故事，能和我们分享下您的青春故事吗？70后是如何坚持自己的理想并为之奋斗？在青春时期，您是如何走上GIS之路的？
张晓祥：《致青春》引起了我们70后这一代人的强烈共鸣。我本科在老的武测航测系、也就是现在的武汉大学遥感信息工程学院就读，武大遥感院有一个非常良好的学术传统，涌现了从王之卓院士到李德仁院士、张祖勋院士再到龚健雅院士等一批专家。硕士时移师南京大学攻读地理信息系统的研究生，一直读到博士毕业。在地理院校读书跟测绘院校读书其实有很多差异，如果说武汉大学遥感信息工程学院给了我一个比较好的专业基础，南京大学的研究生生涯则无疑开拓了我的视野。我工作以后选择河海大学水文水资源学院作为我的工作的第一站，开始进行GIS与专业模型的交叉研究，有幸和不少国内著名专业模型的专家合作，收获巨大，行业院校的使用需求也加深了我对GIS应用深度的思考。在国际视野方面，因为我夫人姚静老师选择到美国亚利桑那州立大学(ASU)攻读地理学博士学位，我本人也以访问学者身份在美国进行合作研究，因此我对美国相关的GIS与空间分析、空间建模研究非常关注。
一路走来，在GIS的道路上走到现在，在国内外学术界和产业界，也结识了许多良师益友。GIS不仅是我的职业，我个人更把它看成一份事业。我觉得做任何事情都要坚持自己的理想，而且认定了目标就是要坚定不移的走下去。最后建议大家，如果要做好的研究，特别要注意研究品味，一定要想方设法跟一流专家学习交流，一定要深入学习一流的理论与方法，与良师益友为伍，受益无穷。
【1】 Keith C. Clarke, Susanna R. Baumgart. The Department of Geography at the University of California, Santa Barbara: History, Curriculum, and Pedagogy. Yearbook of the Association of Pacific Coast Geographers 66 (2004) 95-113.
(http://muse.jhu.edu/journals/yearbook_of_the_association_of_pacific_coast_geographers/v066/66.1clarke.html)
【2】陈述彭，童庆禧，郑威. 悼念大卫• 西蒙教授[J]. 环境遥感，1991(2):158-159.
【3】Michael F. Goodchild, Bradley O. Parks, Louis T. Steyaert(Eds.), Environmental Modeling with GIS, Oxford University Press, 1993, 488p.
【4】 Michael F. Goodchild, Louis T. Steyaert, Bradley O. Parks, Carol Johnston, David Maidment, Michael Crane, Sandi Glendinning, GIS and Environmental Modeling: Progress and Research Issues, Wiley, 1996, 504p.
【5】Keith C. Clarke, Brad O. Parks, Michael P. Crane and Brad E. Parks, Geographic Information Systems and Environmental Modeling, Prentice Hall Press, 2001, 306 p.