7.4 地理表达
在人类文明的历史进程中，语言的存在与发展对人类进步都有着极其重要的作用。人类用自然语言交流知识和情感，用数学等自然科学语言去描述客观规律，用计算机语言来实现对世界的数字化表达。
地理表达是指通过视觉语言与数学语言，即地理语言来表达地球表层空间的地理知识和地理规律。其本质是地理认知、信息转换与信息传输的交互过程。地理表达经历了从早期的自然语言描述，到具有严格的数学基础的地图表达，再到GIS中对地理空间与对象的格局与过程变化的表达，实现了地理场景中对象间或现象间的时间或空间上的定性与定量关系的描述；之后随着对地理表达的扩展，出现了新型表达形式，包括虚拟地理环境、地
理增强现实及地理超媒体等，地理现象的发生和演变过程得到更好的表达。
自然语言、地图语言、GIS语言和地理场景语言都是对现实世界中不同层面事物的抽象和概括。其中自然语言是一种定性的描述，其抽象概括能力和普适性程度均超越地图语言，但定量化程度、直观性程度较低；地图语言是一种图形化描述，直观性比自然语言高，但是抽象概括能力相对于其他三者来说较低；GIS语言则是一种定量的描述，定量化程度高，直观性程度、抽象概括性、普适性都高，不过相对于虚拟地理环境语言来讲较低。虚拟地理环境语言作为新型表达形式，其普适性、直观性、抽象概括能力都较高，是一种定性加定量的描述。
7.4.1自然语言
在人类早期的交流中，人们往往使用的是一些简单的发声体系和形象生动的肢体语言来表达地理信息。例如，当同伴之间传递觅食的地点时，彼此之间使用手势和身体动作指向方位来进行信息的传递，这可以说是最原始的地理因素传递。但是原始人如果要在黑夜里进行觅食、打猎的话，手势和动作传递的信息显然并不能很好地被同伴所接收。所以人类到了非说不可的地步，语言便诞生了。人类开始利用最方便、最自然的方式—语言来交流观点、传播消息、表达地理位置和与地点相关的地理时空特征。例如，通过文本这种自然语言来描述介绍庐山。
庐山是中国享誉古今中外的名山（图7.37），位于东经115052'一11608'，北纬29026'一29041‘（表明庐山的地理位置），庐山长约29千米，宽约16千米，方圆300多平方千米（揭示了庐山的地理属性）。庐山东临高垄，西接赛阳镇，南濒黄龙山麓，北靠莲花（表明了庐山的空间分布）。置身峰顶，遥望四方，千峰竞秀、万壑生烟（描述了周围视图环境及地形）。可谓一山飞峙，斜落而俯视着万里长江，正濒而侧影着都阳湖，山清水秀景色泛胜（揭示了与周围山水的空间位置关系）。故古人云：“峨峨匡庐山，渺渺江湖间”，形容恰到好处。庐山地形走向，东西伸展，南北收缩。
7.4.2地图语言
有别于一般的文字表达和语言交流，地图是被普遍认可的地理语言，既是人类认识自然、对环境空间认知的结果，又是人类认识自然、改造自然、从事各种活动的有力工具。地图是按照一定的数学法则，将地球（或星体）表面上的空间信息，经概括综合，以可视、
数字或触摸的符号形式，缩小表达在一定载体上的图形模型，用以传输、模拟和感知蓉观世界的时空信息。对照“南京市部分区域交通路线图”（图7.38)来说明地图的构成要素。
由于地图在地理表达中的核心地位，与地图有关的相关概念影响了其他所有的表达形式，并且地图学也成为GIS的基础学科之一。同时，地图也是GIS表达的主要形式。与自然语言表达相比，地图的符号系统可以编码定性／定量的信息，地图严密的数学基础可以进行相应的量算与分析，地图概括可以为信息量控制提供依据。
7.4.3 GIS表达
GIS脱胎于地图，并成为地图信息的又一种新的载体形式。GIS不仅能够提供计算机制图功能，还具有缓冲分析、最短路径分析、叠加分析等多种空间分析模块。GIS不仅为海量地理信息处理提供了一种模式，而且可以选择多种多样的分析模型软件，进行快速运算和对比分析，获取最优结果。
在地球漫长的演变过程中形成的地质构造往往形态复杂，因此，如何利用部分的有限的数据更真实更准确地显示整个地质构造，是我们所面临的一个重大问题。GIS将地质体地理位置与相关地质属性有机结合起来，形成地质剖面图，按照各种实际需要准确真实、图文并茂地把它们传输给用户，同时借助其独有的空间分析功能和图解表达能力，帮助地质工作者进行各种地质辅助决策分析。
地质剖面图是地质层在垂直方向上最直观最有效的表达方式（图7.39）。通过剖面图可以更清楚地了解区内岩层（或矿体）在地下深处的延展、分布情况和构造特点，对于认识各种地质体和矿床赋存的地质条件和时空分布规律，指导矿产资源和工程地质勘探，都具有重要的意义。
GIS还可以采用构造三维空间表面的方法来表达三维地质体—实现三维可视化，也能将地质体立体化、形象化，使地质工作者能直观地了解所研究对象的形态构造，进行更为科学准确的评估分析，做出符合地质现象分布变化规律的工程设计，从而提高人类全面的认识地质问题的能力（图7.40）。
还可以通过GIS三维可视化场景实现建筑的三维可视化（图7.41），继而实现建筑群景观及信息的动态交互管理以及浏览查询。通过GIS提供的空间管理和空间分析功能解决了规划管理很难解决的一些问题，从而弥补传统规划管理功能的不足，使规划管理过程的全面信息化最终得以实现，以提高科研、管理及规划质量。
地理空间数据和时空数据不断累积，而时空数据的管理、表达与应用则相对滞后。蕴含在多维时空数据集中的时空过程信息是复杂多变的，需要研究建立一种面向地理时空过程表达的动态可视化技术和方法，来直观呈现和感知地理时空过程信息，生动揭示过程变迁和演化的规律以及趋势，延伸多维时空数据应用的深度和广度。
时空可视化是GIS利用计算机交互式地显示复杂抽象的时空数据，以可视的方式表达地理现象的空间位置和属性随时间变化的过程。目前，时空数据可视化的方法有很多，主要有时空立方体等。
时空立方体模型采用二维坐标轴来表示现实世界中的平面位置空间，用一维的时间轴表示平面位置随时间的变化。这样，由二维的平面空间和一维的时间就组成了一个三维的时空立方体。任意指定一个时刻，都可以从三维的时空立方体中得到相应的截面，即现实世界的平面几何状态。时空立方体模型通过运用时间维的几何特性，形象地表达地理现象随时间的变化过程。图7.42是采用时空立方体对拿破仑进攻俄罗斯时的情况进行可视化的例子，可以看出，时空立方体能够直观地对该过程中地理位置变化、时间变化、部队人员变化及特殊事件进行立体展现。
①Kraak.2003.The space-time-cube revisited from a geovisualization perspective. In processer 21" International Cartographic Conference
时空轨迹是以平面二维坐标表示地理空间，纵坐标表示时间，用线将研究对象的时空运动连接成轨迹，以突出轨迹的空间位置信息。这种方法的应用十分广泛，主要有车辆轨迹、船舶轨迹、咫风轨迹、人的轨迹等。对于飞机或者海洋生物的轨迹，其高度或深度也很重要，这时可以将轨迹路径绘制成三维折线。为了显示轨迹的属性随着位置的变化，人们可以使用折线的颜色、高度和纹理等视觉变量（图7.43）。
7.4.4虚实地理场景表达
GIS表达只是以视觉图形表达为主，这种传统的单项信息交流方式在现实世界空间实体和相互间关系及时空变化的描述与表达、空间分析等方面均有较大的局限性，因此虚拟地理环境（virtual geographic environments，VGES）应运而生。虚拟地理环境通过建造一个让地理信息与其用户更为贴近的环境，让具有不同教育与文化背景的用户都能够方便地参与（或者说是融入）信息流。通过真实的地理环境和人们所描述的虚拟地理环境结合，人类相互传递着所要表达的信息，从而更好地理解人类所生存的环境，是对地理信息定性和定量相结合的描述。
虚拟地理环境包括实境和虚境两个层面。实境，表示现实的、占有物理空间的事物实体或符号，在现实世界上一般具有可见、有形、可触摸的特性，例如，因特网、计算机、通信和传感设备、数据、图形等实体或符号；虚境，表示在实境的基础上，依据人的感知、想象而产生的三维虚拟世界，即基于文本、图形、图像、视频图像等媒介，通过交互、感知、认知、行为和想象在人脑中形成虚拟世界以及在虚拟世界中主体与主体相互交流交互形成虚拟社会世界。实现虚拟地理环境表达主要有虚拟现实、增强现实和混合现实三种技术。
虚拟现实（virtual reality, VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术。
例如，利用虚拟现实技术能够对景观结构、火山构造以及地貌构造与地质构造进行模拟，、同时还能够模拟地球构造；再比如谷歌联手HTC Vive推出VR版的谷歌地球应用Google Earth，使用户足不出户就可以饱览世界各大城市的美景，让大家从全新的视角探索世界。
用户使用HTC Vive头戴设备就可以漫步在美丽的街道、翱翔在大峡谷之上，或者行走埃菲尔铁塔周围，甚至在太空中注视我们这颗蓝色星球（图7.44）。
增强现实技术（augmented reality，AR）是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉、声音、味道、触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。例如，微软技术专家运用AR技术打造了针对幼儿、中学生的AR地球仪等产品，将较为抽象的地理知识场景化地表现出来（图7.45）。
混合现实（mixed reality，MR）包括增强现实和增强虚拟，指的是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。混合现实的实现需要在一个能与现实世界各事物相互交互的环境中，例如，微软的增强现实眼镜HoloLens开发者与生活环境结合起来，打造出真实的互动空间。可以在桌面上投影出一栋建筑及周边的植物模型，同时可以对建筑进行多角度的观察。佩戴者通过简单的手势，将建筑切换为透视模式，能够看到建筑内部的更多细节；并且还可以对画面进行缩放、移动，纵览整个区域的建筑（图7.46）。
