以下文章來源於智繪科服 ，作者《測繪學報》

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摘要：

當前，地圖學同其他科學（如地理學）一樣處在一個大變革時代。在地圖學不斷進步的同時，也出現了各種各樣的“思潮”或“觀點”，地圖學是否被邊緣化了？地圖學應該向何處去？這是測繪地理資訊學界和業界都十分關心的問題。本文首先簡要梳理了地圖學發展的歷史程序，回顧了地圖學史上的三次崛起，不忘過去才能繼往開來，回顧地圖學的歷史是為了讓地圖學更好地走向未來； 其次，從地圖學學科體系、地圖設計的新理念新思維和新方法、智慧地圖製圖綜合及多尺度級聯更新、地圖的社會影響力、地圖學發展的不竭動力等方面，分析了當代地圖學的發展成就； 然後，強調了地圖哲學思維對地圖學創新發展的引領作用，側重分析了人工智慧推動地圖學發展、時空大資料視覺化及視覺化設計的研究重點等； 最後，分析認為，地圖學必將沿著高度分化和高度綜合的整體化方向快速發展，地圖學再度崛起是時代之大勢。

關鍵詞：地圖；地圖學；時空大資料；人工智慧

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地圖學是研究重構而非複製非線性複雜地理世界的科學抽象理論和方法，有著幾乎和世界最早的文化同樣悠久的歷史。地圖學又是一門充滿生機與活力的科學，在長期演進發展中不斷充實和完善，如今已成為一門具有完整的理論體系、現代化技術體系、應用服務體系和跨越時間與空間、自然與人文、技術與工程的科學。可以說，任何時期、任何社會都不可能沒有地圖和地圖學，因為地圖和地圖學是在數千年的人類社會實踐、生產實踐和科學實踐的基礎上形成和發展起來的。

20世紀50年代資訊理論、系統論和控制論三大科學理論的提出，以及計算機科學與技術的興起與發展及其在地圖製圖中的應用，把地圖學帶進了資訊時代，從此地圖學進入了快速發展時期。

隨著現代網路技術、智慧感知智慧互聯技術、大資料技術和計算機超強計算能力的快速發展，地圖學也進入了一個大變化時代。一方面，這為地圖學的進一步發展提供了新的機遇； 另一方面，學界和業界也出現了一些疑惑或疑問，如“遙感影像解析度這麼高還需要地圖嗎”“遙感影像豐富的資訊都被地圖製圖搞沒了”“實景街景是否可以取代地圖了”等，甚至懷疑“地圖學是否被邊緣化了”。與此同時，又提出了不少“新名詞”。正是在這樣的背景下，許多長期從事地圖學研究、教育和產業的學者和工程技術界的朋友都在問：地圖學到底向何處去？本文試圖就此進行一些探索和分析。

不忘以往才能繼往開來——地圖學歷史上的三次崛起

在地圖學發展的歷史長河中，地圖文明同人類文明一樣，正是在“變”與“不變”的對立統一中不斷前進的。地圖學透過“時間效應”和“空間效應”的雙重作用，在時間的座標上，一次又一次地發生形態嬗變； 在空間的座標上，一次又一次地擴充套件地域的範圍，由區域性到全球［1］。筆者將地圖學數千年的發展歷史總結為“三次崛起”。

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古代地圖學的形成

古代地圖學的形成，以中國裴秀的《禹貢地域圖十八篇·序》和古希臘托勒密的《地理學指南》為標誌性成果。

古希臘的托勒密（公元前90—168）和中國的裴秀（224—273）好似兩顆東西輝映的燦爛明星。托勒密的《地理學指南》和裴秀的《禹貢地域圖十八篇·序》標誌著古代地圖學的總結性成就，反映了東方和西方兩條不同的認知路線和發展特點。在東方（中國），古代地圖學經歷了春秋戰國時期的禹貢地圖、秦漢輿地圖、南北朝裴秀地圖，是一條半封閉陸地區域性地區大比例尺地圖應用到製圖經驗總結的認知路線； 在西方（歐洲），古代地圖學經歷了荷馬地圖、愛奧尼亞地圖、埃拉托色尼地圖、托勒密地圖，這是一條開放型從想象到實證的大區域小比例尺海洋圖的認知路線。毋庸置疑，托勒密的《地理學指南》和裴秀的《禹貢地域圖十八篇·序》奠定了古代地圖學的基石，對後來地圖學的發展產生過長期而深遠的影響。從中國著名航海家鄭和（1371—1435）揭開15世紀海上探險的序幕，到17世紀中葉義大利人哥倫布（1451—1506）、葡萄牙人達·伽馬（1469—1524）和麥哲倫（1480—1521）等的地理大發現，基本上奠定了世界地圖的輪廓； 義大利傳教士利瑪竇1582年來到中國，溝通、總結了地圖學和地理學知識，在中國學者的支援與合作下，於1602年採用等積投影和經緯線網製圖法編繪了《坤輿萬國全圖》。這兩件事標誌著東（中國）、西（歐洲）方古代地圖學的交叉融合，推動了地圖學的發展。

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近代地圖學的形成

近代地圖學的形成，以大規模三角測量和地形圖測繪、航空攝影測量、地圖編繪和照相製版印刷技術為標誌性成果。

隨著資本主義的發展，航海、貿易、軍事及工程建設越來越需要精確詳細的更大比例尺地圖，加之工業革命後科學技術水平得到了提高，新的高精度測繪儀器相繼發明，許多國家進行了大規模全國性三角測量，為大比例尺地形測圖奠定了基礎； 採用平板儀測繪地形圖使地圖內容更加豐富，表示地面物體的方法由原來的透視寫景符號改為平面圖形，地貌由原來的透視寫景表示改為等高線法，使地圖具有了可量測性； 地圖編繪方法與技術不斷進步，地圖印刷由原來的銅版雕刻發展到平版印刷。

西方科學制圖方法在我國引起重視，是從清初康熙年間測繪《皇輿全覽圖》開始的，後來乾隆在此基礎上編製成地圖集《乾隆十三排地圖》（也稱《乾隆內府地圖》），最終完成我國實測地圖，並推動了各省區地圖集的編制，成為我國古代製圖法向近代製圖法轉變的標誌。其中，清末地理學家魏源編制的《海國圖志》是我國採用新法編制的第一部世界地圖集，其特點是完全脫離了中國傳統的計裡畫方法而採用經緯度製圖法，統一起始經緯度，根據製圖區域面積大小和所處地理位置選用相應的地圖投影和地圖比例尺。儘管還存在不少缺點，但其仍不愧為中國地圖學史上一部關於世界地圖集方面的開創性著作。隨著19世紀自然科學的進步與深化，出現了編制專題地圖（集）的熱潮，其中，楊守敬集他人之大成編制的《歷代輿地沿革險要圖》，是中國歷史沿革地圖史上曠世絕學的一部歷史沿革地圖集，為我國曆史地理學和歷代沿革地圖的發展做出了不可磨滅的貢獻。

20世紀初航空技術的發展，很快研製出航空攝影機和立體測圖儀，從此地圖測繪開始採用航空攝影測量方法； 照相和平版彩色膠印技術的應用，使地圖特別是專題地圖的科學內容、表現形式和印刷質量提高到了一個新的水平。至此，大約在20世紀50年代末和60年代初，地圖學已經形成具有地圖投影、地圖編制、地圖整飾和地圖印刷等分支學科的一門獨立的學科。

近代地圖學的形成給我們兩點啟示：一是與地圖學直接相關的地理學、測量學、印刷學為近代地圖學的形成與發展提供了外部條件，這是外因； 二是地圖學本身在漫長的地圖生產過程中積累了豐富的實踐經驗，不同歷史時期地圖學家們發展和豐富了地圖學的理論、方法和技術，這是內因。內因和外因共同推進了近代地圖學的形成和發展。

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現代地圖學的形成

現代地圖學的形成以計算機地圖製圖技術的里程碑式變革為標誌。

近代地圖學是地圖生產之本，長期指導著地圖的生產，但是它存在3個明顯的缺陷：一是以經驗總結為主，忽視基本理論研究和建設； 二是以聯絡測繪學科為主，忽視與更廣泛學科之間的聯絡； 三是以地圖製作為主，忽視地圖應用特別是忽視製圖者自身的認識活動和地圖使用者的認識活動的規律研究［2］。這種情況下，地圖學要獲得實質性進展是很困難的，這就迫使地圖學家們不得不思考如何走出地圖學的這種“封閉體系”而向系統外部尋求地圖學進一步發展的源泉。資訊理論、控制論、系統論三大科學理論問世和電子計算機的誕生，為地圖學的發展帶來了新的活力。從此，地圖學進入了新的發展時期［3］。

當地圖學家們在思想上認識到近代地圖學的缺陷並走出其“封閉體系”後，伴隨而來的是地圖製圖技術上的革命和地圖學理論上的創新。地圖製圖技術革命的主要標誌性事件是：計算機技術的發展促進了自動化製圖技術的發展，空天地海一體的對地觀測資料成為地圖學的主要資訊源之一，全球衛星導航系統為大中小比例尺地圖製圖和更新提供精確的位置資料，特別是地圖電子編輯出版系統的相繼問世，逐步形成了一體化的數字地圖製圖與出版系統，推動了地圖製圖技術的根本性變革。資料處理成為地圖製圖的核心。

技術的變革必然對地圖學理論提出新的要求，同時也支撐了地理學理論的研究。正是在此背景下，有學者提出“理論地圖學”，隨後相繼提出了“地圖模型論”“地圖資訊傳輸論”“地圖視覺感受論”“地圖空間認知”等一系列新理論，將地圖學探索的廣度和深度向前推進了一大步［4］。地圖製圖技術和地圖學理論是推動地圖科學不斷前進的兩個“輪子”。在這兩個“輪子”的推動下，地圖學融入了資訊社會。

歷史是一面鏡子，歷史是最好的老師。回顧地圖學史上的三次崛起，可以堅定地圖學的自信。這就是為什麼最近幾年來國內外十分重視研究出版古代地圖（集）［5-11］和地圖學史著作的緣故［12-21］。不忘以往，才能繼往開來。

認識現在才能開創未來——現代地圖學的發展與成就

當代地圖學發展形勢如何？這是學界和業界都十分關心和正在認真思考的問題。

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地圖學跨學科特色開始凸顯

關於地圖學的學科體系，近半個世紀以來有許多學者提出過自己的主張：奧地利的克雷奇默爾（I。 Kretschmer）把地圖學分為理論地圖學和實用地圖學，前者屬於研究工作的領域，後者又分為描述地圖學和分析地圖學，界定為產品的應用領域［22］； 德國的費賴塔格（U。 Freitag）將地圖學分為地圖學理論、地圖學方法論和地圖學實踐［23］； 高俊把地圖學分為3個層次，即基礎理論、應用基礎和技術方法［24］； 廖克把地圖學分為理論地圖學、地圖製圖學和應用地圖學［25］； 王家耀把地圖學分為理論地圖學、地圖工程學和地圖應用學［4］。

作為一門研究地理資訊表達、處理和傳輸理論與方法的學科，地圖學與測繪學（測繪科學與技術）內部的地理資訊系統、攝影測量學、遙感和大地測量學以及地理學等相鄰學科有著許多天然的重疊［26］。除地圖學自身的體系外，王家耀還提出了與地圖學相關的兩個“外層”學科體系：作為第一外層的認知科學、系統科學、資訊科學、心理科學、語言學、數學、地球與環境科學； 第二外層的自然科學、社會與人文科學、技術與工程科學［4］。反映了地圖學正向廣度和深度發展。

上述地圖學同其所屬測繪學和地理學的關係、地圖學同所屬學科體系之外的更深層次學科之間關係的分析研究，表明了現代地圖學的跨學科特色。正因為這種跨學科特性，才使地圖學這個“百花園”裡出現了一系列有代表性的、跨學科特色的地圖學著作［27-34］。這些都正是當今跨學科和學科交叉融合的結果，當代地圖學家們要主動參與到跨界融合的“洪流”中來。

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地圖學社會影響力更加強大

地圖學是人們在長期社會實踐中創造的認知非線性複雜地理世界和在指導自己行動的過程中形成的一門科學［35］，且任何時期、任何社會都不可或缺。

地圖學的這種社會影響力的源泉在哪裡？從根本上講，因為地圖作為地圖學的研究“物件”，它不僅透過科學抽象（地圖投影、地圖符號、地圖綜合）完成由“地理世界”到“地圖世界”的轉變，而且能透過地圖空間認知實現由“地圖世界”到“地理世界”的轉變，使之成為人們認識世界和改造世界的一種科學工具［35］。

任何地圖都經過科學抽象，一切正確的科學抽象，都更深刻、更正確、更完全地反映著自然［36］。而地圖正是從地理世界中抽象、概括出各種要素（現象）的數/質量特徵、空間分佈、空間結構和空間關係及其在時空域的變化的科學方法［35］。其中，地圖投影決定了地圖的可精確量測性，地圖符號決定了地圖具有跨越語言和文化且最易於為社會所接受的地圖語言學特性，製圖綜合決定了地圖與實地及多比例尺地圖之間具有可度量的相似性和客觀性。所以，地圖是傳遞地理空間資訊的最佳方式。“地圖的最初使用必然會在思想領域引起一場革命”“一個時代和一種文化沒有任何形式的地圖是難以想象的”［37］，這就是地圖的力量。

當代地圖學的社會影響力比以往任何時期都更加強大，因為作為地圖學研究物件的地圖，比以往任何時期都更加廣泛、更加深入地紮根於社會的土壤之中。在科學研究方面，透過地圖揭示科學規律（如大陸漂移和大陸板塊學說），利用地圖研究各種地理要素或現象的空間分佈規律、相互聯絡和制約關係以及動態變化等，也可以利用地圖對自然條件、土地資源和環境質量進行綜合評價。在國民經濟建設方面，利用地圖進行區劃並製作區劃地圖，進行規劃並製作規劃地圖，進行資源勘察、設計和開發，進行各種工程建設的勘察、設計和施工，進行農業土地管理、土地利用和土壤改良等。在國防建設和作戰指揮方面，地圖為各級指揮機關和指揮員提供作戰部署和作戰指揮的基本用圖，為指揮員認知戰場環境和實施圖上作業提供共同的地理和地形基礎，為數字化戰場建設、現代化武器系統和無人作戰平臺提供數字地圖，為國防工程的規劃、勘測、設計和施工提供地形基礎等。

這裡要特別指出的是，當前地圖已經成為人們學習、工作和生活最基本的工具和不可或缺的得力“幫手”，尤其是地圖集，更被譽為是“重構非線性複雜地理世界”的“百科全書”［35］。例如，天氣圖是現代地圖學與地理學最重大的發明之一。天氣，日日相接、懸念叢生，既直接影響人們工作、學習和生活，也是親密朋友之間進行交談的話題，至於這個故事是透過什麼途徑告訴我們的，人們卻很少談論。可是，設計製作天氣圖的思想改變了世界。再比如，導航電子地圖既可用於車輛導航定位，也可以用於人們旅遊逛街行走的導航定位，是人們生活不可缺少的工具，使人們的出行方式發生了革命性變化［38］。

當代地圖科學的社會影響力如此之強大，直接導致了地圖品種和形式的多樣化、參與地圖設計製作活動的人的多元化和地圖製圖人才培養的多元化。實際上，不用說國家、省（自治區、直轄市）級測繪地理資訊事業部門，就是一些大型企業的地圖製圖人員，大部分或相當一部分來自於測繪地理學科專業培養的人才，也有些來自於計算機專業，還有從事地圖藝術設計的人才，應該說這是一件好事。正是這種參與地圖設計製作活動的人才的多元化，才使得最近一些年出版了一大批令國際學術界讚歎的高水平地圖集，形成了地圖（集）設計的新理念、新思維和新方法，推動了當代地圖科學的發展。

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智慧化地圖綜合取得突破

地圖上的地理要素的製圖綜合有其必然性和必要性。一方面，因為人們利用地圖認知“地理世界”要解決的問題是多層次的，有宏觀（戰略）層面問題（利用小比例尺地圖）、也有中觀（戰役）層面問題（利用中比例尺地圖），還有微觀（戰術）層面問題（利用大比例尺地圖），不同比例尺地圖的內容的詳細程度是不同的、有差別的； 另一方面，地圖是縮小了的“地理世界”的表象，即使是使用了地圖符號系統（地圖語言），也不可能將“地理世界”的所有事物及細節都表示到縮小了的有限幅面的“地圖”上，而且在“地圖重構地理世界”的過程中，還要求保持縮小了的“地理世界”的表象同現實“地理世界”之間具有某種相似性（地理適應性），不同比例尺地圖之間也要保持某種可度量的相似性［35］。這個問題的解決有其本身的認識論（思維科學）和方法論（科學抽象），前者包括抽象思維、形象思維和靈感思維； 後者表現為地圖作為縮小了的“地理世界”的模型的轉換［30］。重要的是，製圖綜合中的認識論與方法論要求是統一的，這就是製圖綜合的難點所在。

人們對製圖綜合的認識和研究之路是漫長的，其演進大體可以概括為4個階段：由“主觀過程”到“客觀的科學抽象”的演變； 由定性描述到定量描述的演變； 由地圖模型到基於模型、演算法和規則、知識的數字製圖綜合的演變，以及由單要素研究到把製圖綜合作為一個全要素、全過程的過程控制和質量控制的演變［35-43］。這個演進過程至今已達百年之久。

地圖製圖綜合難題突破的瓶頸是智慧化。主要表現在4個方面：①空間目標及其空間結構、空間分佈的智慧識別； ②智慧化地圖製圖綜合演算法設計； ③自動製圖綜合過程的智慧化控制； ④製圖綜合結果的智慧化和自動化評價。我國相關高等院校的自動製圖綜合研究團隊，在智慧地圖綜合與多尺度級聯更新關鍵技術及應用方面取得了一系列創新性成果：建立了多尺度地圖目標空間關係定量計算的基礎理論和描述模型，解決了地圖目標相互關係的定量描述和表達難題； 建立了地圖資訊度量準則，發展了空間分佈模式識別方法，提出了地理資訊變化發現的系列方法，確保地圖載負儘量豐富的有用資訊； 建立了地圖自動“綜合鏈”理論、質量評價體系和視覺化編輯的過程控制模型，解決了地圖綜合過程控制和綜合結果評價難題； 研發了自主可控的全要素、全過程、多尺度地圖自動綜合級聯更新軟體平臺與應用系統，顯著提高了製圖綜合的自動化程度和智慧化水平，縮短了多尺度資料庫生成與更新週期［39-48］。

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大資料增添地圖學發展新活力

地圖學在其長期發展過程中要解決的第一個難題就是地圖製圖的資訊源問題［49］。經歷了地圖製圖資料（紙基地圖資料、文獻資料）到資料（數字化）再到大資料（社會數字地圖）和時空大資料（基礎地理時空資料與部門行業專題資料的融合），沒有資料、大資料、時空大資料，地圖製圖就成了“無米之炊”，地圖學就成了“無源之水”。

資料，改變了地圖學家們的思維。在長期手工地圖製圖時代，地圖製圖面對的是圖形符號的紙基地圖資料和相關文獻與統計資料。在這種情況下，對於普通地圖製圖，實際上是透過對編圖資料的加工處理和圖形制圖綜合，完成地圖編繪作業； 對於專題地圖製圖，則是對相關文獻資料描述的專題內容經過處理後以相應的符號表示，或對相關統計資料進行分類（級）處理並選用相應的表示方法。而到了以數值資料為地圖學資訊源的時代，資料處理就成了地圖製圖的核心，地圖製圖學進入了更加嚴密的理論研究和模型應用階段。道理很簡單，要利用計算機對製圖資料進行處理，就必須應用數學方法； 在計算機地圖製圖的情況下，製圖資料處理的結果也需要用相應的製圖模型來表達。即製圖資料處理與製圖表示都由計算機來實現，這就形成了“原始資料的特徵分析與預處理→數學模型的設計與建立→資料處理→製圖模型的設計、建立及其解釋”的新體系［31］。不過，這個時期的地圖製圖資料是以“樣本”資料為基礎的。

大資料，為地圖學的發展增添了新活力。因大資料具有資料體量大、資料型別多、處理速度快、價值密度低等特點［50］，於是，就出現了以空間資料模型、空間資料索引、空間資料操作及其查詢語言為內容的空間資料庫理論、方法與技術的研究，奠定我國數字地圖製圖發展的基礎［51-70］； 設計建設一批空間資料庫工程，開展空間資料庫功能擴充套件和空間資料質量標準及資料安全方面的研究，奠定了國家空間資料基礎設施基礎［71-82］； 針對多源異構空間資料的應用，開展空間資料整合、融合與同化理論及空間資料共享關鍵技術和共享機制的研究，為提供一致性時空資料服務奠定了基礎［83-92］； 空間資料探勘領域的研究有了良好的開端，在基於時空統計分析，基於空間關聯規則，基於求解問題不確定性，基於形、數、理統一的視覺化，基於人工智慧和各種方法聯合運用等的空間資料探勘與知識發現等方面取得一系列成果［93-97］。大資料推動了地圖學理論、工程技術和應用研究的深化和系統化。

時空大資料成為地圖學發展的核心驅動力［50］，主要表現在：一是為地圖學的發展提供了時空觀和方法論支撐。地圖從一開始就是人類活動在一定空間和時間認知世界和改造世界的產物，地圖學是跨越時間和空間的科學，可以稱之為“時空地圖學”。從空間範圍來講，地圖學可以用地圖表達月球表面、地球表層、海洋、網路空間態勢，即深空、深地、深海、深藍（網路空間）等，都成了地圖學研究和表達的物件； 從時間序列來講，地圖學可以用地圖表達過去、現在和未來［98］； 從表達的地理內容來講，地圖學是跨越自然與人文的科學。所以說，地圖是詮釋世界的傑作，是濃縮歷史的經典［16］。二是推動地圖學進入“資料密集型計算”為特徵的第四科學正規化新時代。人工智慧“三要素”的時空大資料、演算法和計算能力，特別是自主演算法尤其是智慧演算法的研究，必將快速推進多源異構時空大資料整合融合同化處理、全要素全過程智慧化多尺度時空資料庫的自動生成、時空大資料探勘與知識發現等的深入研究，全面推進當代地圖學向更高水平發展。

由資料到大資料再到時空大資料，既是人類社會生產活動、科學實踐活動、軍事作戰活動等發展的結果，也是人類認識思維活動深化的結果，作為地圖學發展的不竭動力，其影響十分深遠，同時也成了地圖學與其他科學技術交叉融合的催化劑。

學科交叉推進智慧製圖——地圖學發展進入新時代

地圖學的進一步發展，需要地圖辯證思維的引領，需要人工智慧技術的推動，需要多學科交叉融合的智慧製圖關鍵問題的解決，更需要服務國家發展戰略。

地圖辯證思維，是地圖學與哲學的匯合，有著嚴密邏輯系統的地圖學時空觀，是關於地圖同其表達物件、地圖同製圖者、地圖同用圖者、製圖者同用圖者、地圖同地圖之間的關係的總體思考，是關於地圖設計生產與應用、地圖學理論技術與工程、地圖（學）的過去現在與未來的基本規律［99］，也是地圖學的最高總結。地圖學的持續發展，需要運用哲學辯證思維後思地圖學的過去、分析認識地圖學的現在和前思地圖學的未來，才能更好把握地圖學的“變”與“不變”的辯證法，以及在“變”與“不變”的對立統一中不斷髮展的基本規律，並站在地圖學發展的前沿引領地圖學的發展。

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人工智慧時代催生地圖學發展新機遇

人工智慧是計算機科學的一個分支。自從大衛·希爾伯特1900年宣佈與人工智慧有關的兩個世界性難題以來已經過去了一百年，經歷過夢想期（夢想探索，1900年）、推理期（人工智慧元年，1956年）、知識期（專家系統，1960年）和學習期（自下而上的啟發式，1980年至今），特別是近10年來腦科學、智慧感知技術和物聯網技術的快速發展，人工智慧正在催生新的產業，“智慧+”正在快速跨界發展［100］。但是不能忘記，20世紀60至90年代，國內外都曾出現過“專家系統”研究的熱潮，可是後來熱潮不在了，這是因為當時“人工智慧工作似乎急於求成，而基礎理論工作不紮實”［101］。“人工智慧研究在20世紀60至70年代取得了很大進步，但隨後走上了錯誤道路”，“過去20年中AI本來是應該取得更大進展的，問題發生在20世紀80年代，AI研究的資金開始枯竭，研究人員開始嘗試探索商業化AI，由此產生的最大問題是AI研究的狹窄和專業化，而基礎問題研究無人問津，沒有進展。因此主張迴歸早期的研究模式，讓狹窄的應用驅動研究迴歸到好奇心驅動研究。沒有理論指導，研究工作就不可能持久”［102］。後來的事實證明，人工智慧“迴歸基礎研究”後確實出現了好的轉機，基礎研究取得一大批理論成果［103］。近年來，人工智慧發展迅猛，已在模式識別、自動駕駛、機器翻譯、遙感影像分類識別等領域得到廣泛應用。在地圖學領域，智慧化地圖製圖特別是製圖綜合也取得許多新進展［104-110］。這些，都標誌著人工智慧時代的到來已是時代之大勢。

人工智慧時代的到來給地圖學的下一個輝煌提供了難得的歷史轉機，同時也提出了嚴峻挑戰。就人工智慧推動地圖學新時代的到來而言，當前及今後相當長的一個時期內，應著重研究3個方面的問題。

一是抓住大資料時代機器學習的新浪潮，開展地圖學領域深度學習等演算法的研究和應用，實現“由基於統計方法的神經網路到基於時空大資料方法的神經網路”的轉變，充分利用時空大資料教會計算機自己學習，解決地圖學特別是地圖設計、製圖綜合方面的“知識工程”瓶頸問題，其中特徵提取和表示是關鍵。

二是抓住類腦智慧研究這個人工智慧領域的新方向，開展面向智慧地圖製圖的基礎研究，涉及“人腦地圖”與人類大腦皮層成像和重組的機理、地圖學專家基於腦機理研究的製圖資訊處理的途徑、類腦計算模型和演算法及計算架構，需要地圖學家和類腦智慧專家的結合。近年來腦科學、神經科學、認知科學和人工智慧技術取得可喜的進展，有望為面向地圖學領域的類腦和類腦智慧研究提供借鑑，要堅持跨界學習與合作，實現計算機人工智慧與人類智慧的深度融合［38］。

三是抓住人工智慧“三要素”，使之成為大規模智慧化地圖製圖生產的核心驅動力。其中，演算法是機器學習的核心和引擎； 時空大資料是人工智慧的動力，沒有時空大資料，演算法就不起作用； 雲計算支撐的計算能力是一種新的計算模式，具有時間彈性和空間彈性，支撐“地圖製圖綜合”處理的分散式、協同化和智慧化，採用分佈（任務分解）、並行（多個節點按工作流並行處理）、協同（演算法排程、各要素相互關係和各個任務“分塊”協同處理）模式［38］，最終給出“地圖製圖綜合”的解，以此來取代目前的“以圖幅為單元的單人、單機、單系統模式”，以提高地圖生產的智慧化水平和自動化程度，進一步縮短地圖生產與更新的週期，服務國家和軍隊需求。

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時空大資料視覺化增顯地圖學功能與價值

時空大資料視覺化及視覺化設計的過程是一個以“資料密集型計算”為特徵的過程，超越一般的地圖視覺化和空間資訊視覺化，面對的是大規模海量資料流及不同型別不同層次使用者要解決的問題的差異，需要解決視覺化主題多變、形式多樣、快速、直觀易理解以及強互動等一系列難題。主題多變指決策問題的多變性； 形式多樣指視覺化形式的多樣化； 快速不僅指資料變化快，而且處理速度要快，做到事先而非事後； 直觀易理解指使用者很容易發現和理解隱藏在資料中的知識； 強互動指用人機協同的智慧化方法完成時空大資料視覺化過程。

因此，時空大資料視覺化設計是十分重要的，而且人們追求的是相對最好的時空大資料視覺化設計［111-112］。所謂“最好的時空大資料視覺化設計”：一是總體上必須是形（圖形、影象）、數（廣義的資料）、理（規律）相統一的視覺化，形表達資料，數理蘊含規律； 二是必須知道資料表達或蘊含了什麼，資料和它所表達的事物（現象）之間的關係是什麼，這是時空大資料視覺化的關鍵、全面分析資料的關鍵和深層次理解資料的關鍵，因為時空大資料視覺化本身就是一種資料探勘與知識發現方法； 三是必須遵循空間認知科學和視覺規律，人們對“視覺化”的感知、表象、記憶和思維，是一個完整的空間認知過程，這個過程的快速實施有賴於符合視覺感受規律的時空大資料視覺化設計，這種設計可以洞察統計分析很難甚至無法發現的新模式、新知識和新規律，知識水平較低的使用者也易於對視覺化結果進行解讀； 四是應該針對不同型別不同層次使用者的差異性，使用者不同，視覺化產品或方式也應不同，但目前應用最多的還是各種多樣化、個性化的地圖，因為地圖本質上是透過反映事物（現象）的空間結構和空間關係及其隨時間變化來揭示事物的規律的。文獻［113］透過地圖上居民地的空間分佈規律揭示霍亂病根源就是一個典型例子，在資料視覺化領域產生了深遠影響。

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多學科交叉融合加快地圖學創新與發展

高度分化與高度綜合是當代科學技術發展的重要趨勢，地圖學也不例外。其主要原因在於當代科學技術的快速發展和科技創新步伐的加快。按照計算機圖靈獎得主Jim Grey的4個科學正規化，從幾千年前的第一正規化，幾百年前的第二正規化，幾十年前的第三正規化，到今天正在出現的第四正規化即資料密集型計算正規化，科學正規化的演進週期越來越短，地球空間資訊科學及其所屬的地圖學的科學正規化演進週期也是如此。正是在這種情況下，地圖學領域的各種新思想、新概念、新名詞、新方法、新技術和新成果“潮水般”奔騰而來，地圖學正呈現高度分化的趨勢，似乎不知道地圖學的主題和本質是什麼。但是，高度分化最終必然導致高度綜合。

站在21世紀20年代的新起點上，按照系統科學和系統工程理論［114-115］，地圖學正呈現出同其所屬的測繪科學與技術和地理科學各分支學科的交叉融合，與其所屬學科以外高層次的認知科學、系統科學、資訊科學、神經心理科學、語言學、計算機科學、人工智慧的交叉融合，與其所屬學科以外更高層次的自然科學、社會與人文科學、技術與工程科學、數學、哲學的交叉融合（圖 1）。這種多層次的學科之間的交叉融合，必然會衍生出各種新的研究領域，甚至會形成新的分支學科。例如：地圖學與認知科學和神經心理學交叉融合，產生地圖空間認知新領域，形成地圖空間認知科學、腦地圖學［116］等； 地圖學與系統科學的匯合，產生地圖系統工程新領域，形成地圖系統工程學； 地圖學與資訊科學的交叉融合，產生地圖資訊新領域，形成地圖資訊科學； 地圖學與語言學的交叉融合，產生地圖語言學新領域，形成地圖語言科學； 地圖學與計算機科學技術交叉融合，產生數字地圖和電子地圖新領域，形成數字地圖學和電子地圖學； 地圖學與人工智慧交叉融合，產生智慧地圖製圖新領域，形成智慧地圖製圖學，等等。就地圖學與其所屬學科以外更高層次的科學技術而言，地圖科學與自然科學的交叉融合，產生一系列自然地圖新領域，形成自然地圖製圖學，可細分為水文地圖製圖學、地質地圖製圖學、地貌地圖製圖學、土質與植被地圖製圖學，等等； 地圖學與人文社會科學交叉融合，產生一系列人文地圖、社會地圖、經濟地圖和歷史地圖等新領域，形成人口地圖製圖學、文化地圖製圖學、社會地圖製圖學、經濟地圖製圖學和歷史地圖製圖學，等等； 地圖學與技術工程科學交叉融合，產生地圖技術、地圖工程等新領域，形成地圖技術科學和地圖工程科學； 地圖學與數學的交叉融合，產生地圖數學新領域，形成數學地圖學； 地圖學與哲學匯合，產生地圖哲學新領域，形成地圖科學哲學、技術哲學和工程哲學，等等。

圖1 地圖學與其他學科的關係

多學科交叉融合必須服務於國家需求［117］。地圖科學的高度分化必然導致高度綜合，地圖的型別和品種除定製化和精準化的國家、軍隊基本地圖及各部門專業用地圖外，滿足社會需求的內容個性化、形式多樣化地圖也越來越成為一種趨勢，與之相應的地圖學的內涵、外延也在不斷深化和拓展。但是“萬變不離其宗”，這裡的“宗”主要表現在：地圖是詮釋世界的傑作，是濃縮歷史的經典［16］，是任何時代任何社會都不可或缺的科學工具，地圖的科學價值、社會價值、權屬法理價值、文化價值和軍事價值是不變的； 地圖學是用科學抽象方法重構而非複製非線性複雜地理世界的科學，是跨越時間和空間、跨越自然和人文、跨越技術和工程的科學，地圖學的科學屬性、技術屬性和工程屬性是不變的［35， 118］。

總 結

地圖學是一門科學，它來源於社會實踐、服務於社會實踐。在現代，科學技術是第一生產力，創新是第一動力，地圖學也如此。按照科學的動態觀點，科學活動由主體要素、客體要素和工具要素等三個要素組成。主體要素指科學家，他們在現代社會中構成了多層次的、具有複雜結構的體系，在探索自然、認識自然、把握自然規律的過程中始終發揮主導作用； 客體要素指科學活動的物件，由於人類認識能力的侷限性，認識科學活動的物件具有階段性和選擇性； 工具要素指科學活動的手段，是科學認識的實驗方法和手段的綜合體，在人與自然界的關係中起橋樑作用。科學活動三要素同生並存、互相依傍、相互作用，構成了科學認識活動動態發展的相互作用系統。按照這樣的科學活動三要素的相互依存和相互作用的科學觀，就不難理解地圖學發展史的三次崛起，也就不難理解現代地圖學的成就和發展了。也只有按照這樣的科學觀，才能回答“地圖學的創新向何處去？”和“下一個輝煌在哪裡？”這就是“地圖辯證思維引領和人工智慧推動並服務國家需求的地圖學發展的新時代”。只有這樣，才能“登高望遠、腳踏實地”，統領理論地圖學、地圖製圖學和地圖應用學的整體化發展，把握地圖學沿著高度分化和高度綜合的整體化發展的大方向，克服當前存在的浮躁之風和求“全”之風，構建良好的學術生態環境，這是作為科學活動三要素中主體要素的科學家要特別注意的。

人工智慧推動地圖學發展進入新時代是時代之大勢，這既是機遇也是挑戰。當前地圖學進一步發展中的很多問題都需要利用人工智慧技術，需要開展面向地圖學實際問題的人工智慧基礎研究，需要地圖學與人工智慧的交叉融合，從而提高地圖設計、製圖資料處理、製圖綜合等的智慧化水平和地圖生產的自動化程度，從深層次講，要特別重視人腦神經元網路組織結構與“人腦地圖”生成機理及其與空間認知的關係，以及“類腦智慧”、空間認知如何指導製圖者設計製作地圖和用圖者透過地圖認知非線性複雜地理世界等問題的研究。

把握地圖學的高度分化與高度綜合的整體化發展大方向至關重要。只有這樣，才能以問題為導向、以需求為牽引，打破學科壁壘，推進地圖學同其他學科的融合研究，實現地圖學的高度分化與高度綜合的整體化發展，更好地服務國家和國防建設需求。

END

引用格式：王家耀， 武芳， 閆浩文。 大變化時代的地圖學［J］。 測繪學報，2022，51（6）：829-842。 DOI： 10。11947/j。AGCS。2022。20210661

作者簡介：王家耀（1936—），男，教授，中國工程院院士，主要研究方向為地圖學與地理資訊系統

原標題：《王家耀院士 ：大變化時代的地圖學》