“數(shù)字周邊”總體架構(gòu)與研究方向

陳 軍，葛岳靜，華一新，王發(fā)良，楊勝天，曲 波，李 然

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京100830;2.北京師范大學(xué)，北京100875;3.信息工程大學(xué)地理空間信息學(xué)院，河南鄭州450052;4.外交學(xué)院，北京100037)

一 、引 言

我國是陸海兼?zhèn)浯髧?，周邊地區(qū)廣袤，地緣環(huán)境復(fù)雜。新中國成立以來，我國通過和平談判，已與12個鄰國解決了歷史遺留的邊界問題，劃定了90%的陸地邊界，為國內(nèi)改革發(fā)展?fàn)I造了較為穩(wěn)定的陸緣周邊環(huán)境［1］。近年來，世界和地區(qū)格局，以及國際戰(zhàn)略力量對比經(jīng)歷了復(fù)雜深刻的變化，中國的迅速崛起成為國際關(guān)系中最為顯著的趨勢之一。我國與周邊國家的關(guān)系空前緊密，周邊地緣環(huán)境也愈加復(fù)雜［2-3］。為了構(gòu)筑穩(wěn)定的周邊戰(zhàn)略依托，為國內(nèi)全面建設(shè)小康社會提供穩(wěn)定和有利的外部環(huán)境，中央提出要緊緊抓住重要發(fā)展戰(zhàn)略機遇期，大力開展周邊外交，“穩(wěn)定周邊、開拓周邊、塑造周邊”。這就要求能夠全面地了解周邊情況，科學(xué)地開展形勢預(yù)判預(yù)估，不斷提升周邊外交的信息能力。

值得說明的是，外交、測繪等部門經(jīng)過十多年的通力合作，完成了22 000 km國界海量信息的數(shù)字化建模與集成管理，研制了數(shù)字化定界等業(yè)務(wù)信息平臺，建成了我國的“數(shù)字國界”，在劃界、勘界、聯(lián)檢及界務(wù)管理中發(fā)揮了重要作用［4］。但其重點覆蓋國界線兩側(cè)數(shù)十千米的條狀地區(qū)，數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括地圖、影像、邊界定界資料等，應(yīng)用分析以主張線差異比較、條約紅線落地分析等為主，尚未考慮周邊更大范圍的信息建模與分析。為了有效地支持海外護(hù)僑、風(fēng)險評估、應(yīng)急救援、權(quán)益維護(hù)等周邊外交工作，需從“數(shù)字國界”走向“數(shù)字周邊”，這已提上周邊外交的重要議事日程。

針對這一重大國家需求，本文首次分析討論了“數(shù)字周邊”的總體架構(gòu)與研究方向，以數(shù)字化建模、定量化分析、可視化表達(dá)為主線，討論了“數(shù)字周邊”的基本概念內(nèi)涵，并從境外信息獲取、周邊信息分析和信息集成服務(wù)等3個方面，分析設(shè)計了“數(shù)字周邊”的總體技術(shù)架構(gòu);最后討論了“數(shù)字周邊”的若干關(guān)鍵技術(shù)問題。

二、基本概念內(nèi)涵

國家的周邊地區(qū)是指國界以外的周圍區(qū)域，有著一定的空間縱深，覆蓋特定的有形實體，存在著互動的相互關(guān)系［5-7］。一般說來，我國周邊地區(qū)包括14個陸地鄰國和8個海上鄰國(相向或相被)。這既是我國利益最直接、最集中的地區(qū)，也是綜合影響力和軟實力向外延伸與輸出的必經(jīng)地緣帶及重要橋梁。所謂“數(shù)字周邊”，是指將該范圍內(nèi)的有關(guān)實體及相互間關(guān)系數(shù)字化，并發(fā)展相應(yīng)的信息檢索、分析處理、可視化表達(dá)等功能。其應(yīng)包括數(shù)字化建模、定量化分析和可視化表達(dá)3個部分，如圖1所示。

1.數(shù)字化建模

周邊外交與國家安全研究需要全面、翔實和綜合的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，包括地理空間數(shù)據(jù)和地緣環(huán)境信息。地理空間信息包括地形地貌、地名境界、地表覆蓋等，是周邊區(qū)域有形實體的最直接數(shù)字化表達(dá)。目前我國陸地國土部分已實現(xiàn)了從1∶100萬到1∶5萬尺度的矢量地形和數(shù)字高程數(shù)據(jù)的全覆蓋［8］，但境外大中比例尺地形數(shù)據(jù)較少。考慮到境外外業(yè)控制和實地調(diào)繪等實際困難，對廣袤的周邊區(qū)域宜以中小比例尺核心要素和影像地圖建模為主，對重點維穩(wěn)、熱點區(qū)域等方存取較大比例尺的全要素地形建模方式。目前我國正在實施高分辨率全球地表覆蓋遙感制圖計劃，將產(chǎn)出覆蓋整個周邊地區(qū)及全球其他區(qū)域的兩期(2000年和2010年)空間分辨率為30 m的地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品［9］，其在周邊研究中有著重要的作用。但周邊研究具有鮮明的宏觀、中觀、微觀相結(jié)合的特點，往往還需要更高空間和時間分辨率的地表覆蓋數(shù)據(jù)。

圖1 “數(shù)字周邊”的基本內(nèi)涵

周邊地緣環(huán)境信息是指反映地緣分布特征與依存關(guān)系的專門化信息，包括本底、關(guān)聯(lián)和位勢信息。其中，本底信息指資源分布、環(huán)境狀況、社會經(jīng)濟等方面的基本特征;關(guān)聯(lián)信息反映地緣單元之間的社會、經(jīng)濟、資源等方面的關(guān)聯(lián)關(guān)系;位勢信息則是政治、軍事、技術(shù)、信息等方面影響能力的量化表達(dá)。

2.定量化分析

周邊形勢預(yù)判預(yù)估、應(yīng)急響應(yīng)要求開展風(fēng)險分析評估和安全格局分析模擬，以有效地實施事前管理，及時作出準(zhǔn)確反應(yīng)，最大限度地減少損失，維護(hù)國家和國民利益。但目前周邊研究以定性、宏觀、單學(xué)科分析為主，缺乏科學(xué)預(yù)判預(yù)估的科技化手段和方法。因此，數(shù)字周邊的重要內(nèi)涵之一是將定位分析與定性事態(tài)判斷相結(jié)合，研究發(fā)展定量化分析的方法與手段［10-11］，囊括構(gòu)建量化評估模型及評價指標(biāo)體系，進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的風(fēng)險綜合及專題評估［12］，以構(gòu)建地緣核心要素之間的解析關(guān)系，進(jìn)行安全格局的空間模擬與優(yōu)化［13］。

3.可視化表達(dá)

為了便于對周邊信息數(shù)據(jù)的直觀理解與分析，應(yīng)發(fā)展靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的可視化表達(dá)手段，包括地緣環(huán)境制圖、態(tài)勢信息表達(dá)等。其中，地緣環(huán)境制圖是根據(jù)周邊信息的特點，采用專門的制圖表達(dá)方法、符號系統(tǒng)、制圖模板、多媒體表達(dá)等，滿足本底制圖、應(yīng)急制圖等需要。態(tài)勢信息表達(dá)是指當(dāng)前有關(guān)國家或其他行為體的實體部署、行動，以及進(jìn)程與趨勢，用事件、時間、位置及其間關(guān)系加以表達(dá)，直觀地展示總體態(tài)勢［14-15］。

三、總體技術(shù)架構(gòu)

與數(shù)字邊界相比，數(shù)字周邊在數(shù)字化建模、定量化分析及可視化表達(dá)等方面有著獨特的技術(shù)內(nèi)涵，對應(yīng)著不同的技術(shù)架構(gòu)。其主要包括境外信息獲取、周邊信息分析、信息集成服務(wù)等，連同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等，形成了如圖2所示的總體技術(shù)構(gòu)架。

1.境外信息獲取

周邊地理空間信息獲取主要有兩種手段。一是網(wǎng)絡(luò)化公開信息整合，即通過網(wǎng)絡(luò)搜索、數(shù)據(jù)抽取、匹配處理、映射轉(zhuǎn)換等，對各種公開信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合利用;二是從遙感影像中提取信息，包括多源遙感影像的幾何糾正、地形信息提取等。

為了獲取地緣環(huán)境信息，需將周邊區(qū)域劃分為多級地緣單元，并根據(jù)所制定的信息指標(biāo)體系，采用數(shù)據(jù)整合、信息融合、地理計算等多種方法，確定或提煉每一單元的本底、關(guān)聯(lián)和位勢信息，建立多粒度地緣環(huán)境信息模型。

圖2 “數(shù)字周邊”的技術(shù)架構(gòu)

2.周邊信息分析

地緣風(fēng)險分析、宏觀態(tài)勢評估、安全格局分析等是周邊形勢預(yù)判預(yù)估所需的信息分析。其中，地緣風(fēng)險分析是針對周邊研究需要，構(gòu)建綜合評估或?qū)ｎ}評估模型及指標(biāo)體系，對周邊安全狀態(tài)、合作潛力等進(jìn)行空間化的定量計算，將周邊區(qū)域劃分成不同類型或等級，對穩(wěn)定狀況、沖突爆發(fā)等進(jìn)行分析;宏觀態(tài)勢是周邊實體部署、行動、事件等狀態(tài)及進(jìn)程的綜合描述與總體趨勢，通過對周邊態(tài)勢信息的主動搜索、主題挖掘、聚合分析等，進(jìn)行周邊宏觀態(tài)勢信息的提取與評估，為形勢研判預(yù)估、突發(fā)事件處置等服務(wù);安全格局分析是將國際關(guān)系分析與空間關(guān)系計算相結(jié)合，利用鄰近分析、交互模型等，計算兩國或多國之間的依存關(guān)系、阻滯效應(yīng)等［3-15］，并揭示相互作用關(guān)系，然后在其基礎(chǔ)上，分析確定那些對維護(hù)周邊安全格局具有關(guān)鍵意義的戰(zhàn)略要地、通道和區(qū)域，構(gòu)成由點、線、面組成的戰(zhàn)略格局。

3.信息集成服務(wù)

將前述的各種數(shù)據(jù)和分析表達(dá)資源集為一體，提供集成化的信息服務(wù)，是“數(shù)字周邊”的又一重要技術(shù)功能。該技術(shù)是通過統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)規(guī)范，將分布在各地的周邊基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與地緣環(huán)境數(shù)據(jù)庫整合起來，實現(xiàn)與周邊熱點數(shù)據(jù)庫、宏觀態(tài)勢數(shù)據(jù)庫及邊界數(shù)據(jù)庫的集成，提供包括信息內(nèi)容服務(wù)、預(yù)測預(yù)估、宏觀態(tài)勢等在內(nèi)的多種信息服務(wù)。其中，信息內(nèi)容服務(wù)是指周邊地理空間與地緣環(huán)境信息的查詢、瀏覽與存取等;預(yù)測預(yù)估服務(wù)是指采用地緣風(fēng)險分析方法，開展周邊安全狀態(tài)、合作潛力的綜合或?qū)ｎ}評估，并可通過輿情網(wǎng)絡(luò)、遙感等提供的更新信息，進(jìn)行動態(tài)評估;宏觀態(tài)勢信息服務(wù)主要提供關(guān)于周邊政治、軍事、經(jīng)濟、安全等主題的宏觀態(tài)勢地圖、分析報告等。

四、關(guān)鍵技術(shù)研究

從“數(shù)字國界”到“數(shù)字周邊”，提出了一系列新的學(xué)術(shù)、技術(shù)難題，如周邊信息分類與建模、數(shù)據(jù)獲取與整合、地緣環(huán)境信息分析、動態(tài)信息服務(wù)平臺構(gòu)建等，當(dāng)前應(yīng)加強對“數(shù)字周邊”關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，發(fā)展相關(guān)的模型算法，研制技術(shù)系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)。

1.周邊信息分類與建模

“數(shù)字周邊”包含基礎(chǔ)地理信息、周邊核心要素、地緣環(huán)境信息、服務(wù)發(fā)布數(shù)據(jù)等諸多信息數(shù)據(jù)，其領(lǐng)域廣度、詳細(xì)程度及時間跨度直接影響著其使用價值與決策服務(wù)能力。因此，應(yīng)深入調(diào)研分析周邊要素構(gòu)成與尺度關(guān)系、地緣信息構(gòu)成與粒度關(guān)系，科學(xué)地界定周邊信息內(nèi)容及分類，設(shè)計概念與邏輯數(shù)據(jù)模型。一是在以往地形要素建模的基礎(chǔ)上，對通道、出口、跨界設(shè)施等周邊核心要素進(jìn)行本體分析、抽象提煉、屬性細(xì)化，定義周邊核心要素，繼而分析其數(shù)據(jù)實體及相互間關(guān)系，構(gòu)建周邊核心要素的概念及邏輯數(shù)據(jù)模型;二是針對地緣單元的尺度特性，分析確定每一級地緣單元的本底、關(guān)聯(lián)及位勢信息的數(shù)據(jù)構(gòu)成及詳細(xì)程度，構(gòu)建多粒度的地緣環(huán)境信息模型;三是分析整理周邊態(tài)勢信息構(gòu)成、安全與合作評價數(shù)據(jù)構(gòu)成、服務(wù)發(fā)布數(shù)據(jù)等，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分類與建模，繼而進(jìn)行“數(shù)字周邊”的數(shù)據(jù)庫體系設(shè)計，提出數(shù)據(jù)分類體系，制訂數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)定等。

2.多類型地理空間信息提取與整合

考慮到現(xiàn)有周邊信息的狀況，應(yīng)加強對多類型地理空間信息提取與整合的研究。首先，要充分調(diào)查評估境外已有各種地理空間信息數(shù)據(jù)的可用性，開展多源異構(gòu)公開數(shù)據(jù)的空間化整合研究，解決不同尺度、不同類型數(shù)據(jù)之間的語義映射轉(zhuǎn)換、幾何匹配處理、空間關(guān)系檢測與協(xié)調(diào)、增量信息抽取與更新等關(guān)鍵技術(shù)問題，以最大限度地利用境外已有的各種地理空間信息數(shù)據(jù);其次，要研究發(fā)展基于多源遙感影像的信息提取技術(shù)方法，包括無控制多源遙感影像混合平差定位、異源影像立體建模、適合人機交互的地物半自動提取、基于網(wǎng)絡(luò)搜索的地物屬性信息等。

3.多粒度地緣環(huán)境信息提取與分析

西方國家曾按照“陸權(quán)”、“海權(quán)”、“空權(quán)”和“邊緣地帶”、“破碎地帶”、“歐亞大棋局”、“邪惡軸心”等地緣格局理論進(jìn)行地緣環(huán)境信息建模，但其空間劃分過于宏觀，信息內(nèi)容不符合我周邊研究要求。因此，應(yīng)從“穩(wěn)定周邊、開拓周邊、塑造周邊”的總體要求出發(fā)，綜合利用國際關(guān)系的格局分析、地理學(xué)的區(qū)域差異分析和GIS空間分析手段，研究周邊地緣單元的劃分方法和地緣信息指標(biāo)，繼而研究發(fā)展本底、關(guān)聯(lián)和位勢信息的計算方法、整合算法等，為劃分多級地緣單元和多粒度地緣環(huán)境信息建模提供解決方案;并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將GIS空間關(guān)系計算與國際關(guān)系分析方法相結(jié)合［16］，發(fā)展地緣風(fēng)險分析、宏觀態(tài)勢評估、安全格局分析等方法，為定性、定量和定位相結(jié)合的周邊研究提供先進(jìn)手段。

4.動態(tài)服務(wù)計算與表達(dá)

從基于快照信息的傳統(tǒng)靜態(tài)服務(wù)走向顧及時空變化的動態(tài)信息服務(wù)，是“數(shù)字周邊”信息服務(wù)的發(fā)展方向。為此，需要研究解決宏觀態(tài)勢信息聚合與表達(dá)、變化檢測、應(yīng)急制圖、在線處理服務(wù)等關(guān)鍵問題。其中，宏觀態(tài)勢信息聚合與表達(dá)要研究顧及本體的宏觀態(tài)勢信息建模方法，發(fā)展顧及周邊時空關(guān)系的主題信息搜索、基于主題信息和鄰近關(guān)系的宏觀態(tài)勢聚合和事件驅(qū)動的態(tài)勢信息時空可視化表達(dá)等方法;變化監(jiān)測則要針對界河擺動、熱點區(qū)域地表覆蓋變化等主題，研究發(fā)展GIS數(shù)據(jù)庫支持下的遙感影像變化提取及時空變化表達(dá)方法;應(yīng)急制圖是針對突發(fā)事件處理等需要，設(shè)計研制專門的周邊底圖數(shù)據(jù)、制圖模板、符號系統(tǒng)、整飾與專題標(biāo)注及快速制圖功能;在線信息處理服務(wù)是指通過分析梳理周邊信息處理模型及算法之間的服務(wù)關(guān)系，研究構(gòu)建基于服務(wù)關(guān)系的服務(wù)鏈自動構(gòu)建方法，允許自主定制個性化的周邊信息處理服務(wù)。

五、結(jié)束語

我國有關(guān)部門對“數(shù)字周邊”研究與建設(shè)十分重視，已啟動了國家“十二五”科技支撐計劃項目“數(shù)字周邊構(gòu)建與地緣環(huán)境建模關(guān)鍵技術(shù)研究”。這一研究將深化周邊對數(shù)字化建模、定量化分析和可視化表達(dá)等技術(shù)內(nèi)涵的認(rèn)識。研究提出周邊數(shù)據(jù)模型、地理空間信息整合提取、地緣環(huán)境信息建模、動態(tài)信息服務(wù)等序列模型與方法，初步地構(gòu)建起以境外信息獲取、周邊信息服務(wù)、信息集成服務(wù)為主體的“數(shù)字周邊”技術(shù)體系，將為全面數(shù)字周邊”提供總體思路與成套技術(shù)方法。

值得指出的是，“數(shù)字周邊”涉及面寬，研究難度大，需要跨學(xué)科的深度交叉與協(xié)同創(chuàng)新。這就要求我們貼近周邊外交的實際需求，大力推進(jìn)國際關(guān)系、地理學(xué)和地理空間信息的跨學(xué)科交叉融合，以周邊數(shù)字化建模、定量化分析和可視化表達(dá)為主線，研究構(gòu)建出“數(shù)字周邊”的知識框架與理論方法。同時，要培養(yǎng)一批復(fù)合型人才，為深入開展跨學(xué)科的周邊研究和建立起高水平周邊研究團(tuán)隊奠定基礎(chǔ)。

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