1 引言

地球表面空间附着了高低起伏的空间几何形态，承载着诸多地理实体。地表形态与周围环境中的实体之间存在着密不可分的关联，这些相互关系是庞杂而混沌的，地形既影响周围环境要素的形成和地域分异，地表形态的形成和演化又受到环境条件，如水流侵蚀，植被固化,泥沙堆积等等因素的反作用，这些因素彼此相互勾连嵌套，使得相关研究工作陷入了这些复杂关系的溯因困境与表达困境。

地图学中传统的地理空间信息表达方式是将信息独立分层表达，以坐标作为串联起各个独立要素的空间框架基准，来传递地理事物的空间关系，这样以分层建模为主导的认知方式本质上归属于还原论，即将系统分解为各个组成部分加以分析理解，而此类信息描述方式更加倾向于对地理信息的管理与可视化，难以描述地理要素间的演化规律与相互作用；随着对地理问题研究的不断深入，以及时空大数据技术的不断发展，对于地理空间信息的探索逐渐从空间感知走向空间认知，而地学研究也越发倾向于对地理现象、过程和规律的发掘与表达，传统方式在对事物之间复杂相互联系描述上的不完备性使得地图表达越发力不从心，地学研究迫切地需要从系统和整体的角度考察研究对象，而前述对地形与环境因素之间复杂相互作用的表达困境正是地图学面临的发展困境之一。

针对这一问题，闾国年提出了地理场景的概念，希望以多尺度嵌套、多要素相互作用的地理场景为基础，将场景学作为地图学未来发展方向的突破口。地理场景是一定时空范围内的各种自然要素、人文要素相互联系、相互作用所构成的具有特定结构和功能的地域综合体。地理场景既是人类活动的基本空间环境，也是人类认知世界的空间范畴，以地理场景为基础的模型构建是地理空间的时空格局和作用机制在数字空间中的再现。

2 基于地理空间认知的地形场景概念解析

地形是地理场景的自然要素之一，表征了陆地表面的高低起伏形态，影响着地表的物理过程与生态条件，是区域地理环境和特征描述的重要对象；同时，地形本体承载了地表空间内与之关联的诸多环境要素，组成了一套内容繁多，机理复杂的系统。

由上述例子可见，地表空间高低起伏的几何形态深度主导了地理要素的空间分异，而这些要素又不同程度对地表的形态产生了不同程度、不同类型的反作用，同时，要素之间还存在着相互制约、彼此嵌套的多层级、多维度的相互联系，不同空间地域的场景之间还存在更高层级的相互影响。这些要素与他们之间的相互作用、地理规律共同构成了一个庞大的、多自由度的复杂系统，而原有的以还原论为指导的认知方式虽然方便人们对其中的独立要素进行把握和研究，但这样的认知方式却难以对复杂系统的每一组关系都逐一分辨，也容易割裂原有要素之间的联系，因此必须从整体论和系统论的角度出发对场景诸要素相互作用、演变发展的过程进行把握和认知。

3 地形场景内容的"要素-对象-信息"结构描述

地形场景作为涵盖地形本体与周围环境的复杂对象，所包含的内容数量庞大，形式多样，不仅包括实体对象，还包括对象间的拓扑关系和逻辑关系，所呈现出的内涵信息包含多种维度、多个模态，可以从多种角度加以认知。对地形场景内容的描述是进一步深入研究场景内在关系的基础，因此，在地形场景认知的基础上，需要对地形场景的内容构成以及之间的框架和逻辑关系加以分析和描述。

3.1 地形场景要素

地理信息原有的以几何—定位—属性为主导的构成方式依然是将各个对象视为独立存在的单元加以考察、认知和描述，难以描述事物之间的相互关系和因果规律。事物之间的因果性即是通过相互关系引起的一系列变化，而事物在某个特定时空引起的成规模的、系统性的变化即构成了场景中发生的事件或现象，那么事件和现象就可以看作是各个独立对象的"目录"，将原本各自独立散乱的地理对象组织起来。因此，本文参照地理场景的要素构成，使用"时间"、"地点（空间）"、"事物"、"事件"、"现象"为核心的更加整体化、语义化和逻辑化的要素对地形场景进行描述和重新架构，以便更好地表达场景内容之间的逻辑因果关系和时空特征，实现地形场景中隐式关系的外在化、显式化。

3.2 地形场景对象

虽然地形场景的核心思想是通过整体论把握场景的演变发展，但在事物要素的层级还是需要通过还原论对事物具体构成进行解析。事物要素包含了场景中各个地理实体，其所含内容与传统GIS相近，并将涵盖范围聚焦于地形本体，以及地表、地质、气候、人类活动等与地形本体产生相互作用的有限对象。对象的自身性质和对象间的相互关联与约束，影响着地形场景的演化过程，这种关联、约束和影响是整个场景演化和发展的内生动力。对象之间的联系和影响是普遍而多样的，既有直接联系也有间接联系，既有显式联系也有隐式联系，既有强联系也有弱联系，构成了一套机理复杂，相互嵌套的庞大系统，由于联系的普遍性、复杂性、多样性，这使得场景化表达、场景化求解成为了地形相关地理问题研究的必然方向，而对于对象间联系的推理与分析、表达，则成为地形场景要解决的关键；同时，由于对象的联系普遍存在，而又不能将全部对象都纳入到场景研究之中，因此要对对象与地形关联程度的高低远近进行判别、归纳筛选，从而尽可能地降低对象之间的复杂联系为地形场景研究所带来的概念边界上的模糊性。

3.3 地形场景信息

场景对象虽然已经代表了空间中的实体，但在计算机虚拟空间以及数据模型的层面仍然需要通过数学模型、定量参数等具体的信息对地形本体及场景其它对象进行描述。地形场景构建的核心目的是探索地形与其关联环境的关系并进行表达，也因此可以自然地将描述场景对象的相关信息分成2个大类——地形本体信息和环境条件信息。地形本体信息以地形地貌为描述对象，以DEM及其衍生参数为主要形式，承载了地形的空间结构和地表几何形态；而环境条件信息则对地表、地质、气候、人类活动等场景对象进行描述，所包含的信息更加多元化，例如各个子要素的原位测量数据，多源卫星遥感数据及其衍生参数和计算指标等。对于对象自身的固有性质，通常使用"属性"一词加以描述，但属性的呈现往往是非直管的，人们需要通过属性的外在体现和外在形式去认知对象的属性，这些外在表现即是多种多样的信息，例如要描述一个人的体型，就可以使用身高、体重、体脂率、三维、身体质量指数（BMI）等具体的特征或指标信息加以描述和表达，简而言之，属性是对象的"里"，信息即是用于描述"里"的"表"。地形场景信息本身是对地形场景中各对象自身属性和特征在不同方向上的映射，这样的映射是多元、多角度的，对于同一个对象属性可以用许多信息进行综合的描述表达，例如要对场景生物对象中的植被进行分析，可以通过NDVI、SAVI等10余种指数信息从不同侧面表征植被的生长情况，而这样的多维映射虽然有助于我们从不同角度去理解对象，但也相当程度上造成了信息冗余，加大了地理问题归因的难度，因此需结合主成分方法、综合加权指标、选取典型信息等方法在庞杂的信息中进行降维。对于信息的分解和整理归纳是为之后进一步组织地理场景内的联系奠定基础。

3.4 "要素-对象-信息"结构描述框架

上述对地形场景概念和内容信息的解析，是对地形场景内在结构与关系在概念层面的描述与表达，构建了一套以要素-对象-信息为核心的三级逻辑框架，该框架是在概念与认知上对地形场景中的实体、联系与时空变化过程的反映，这样的反映实质上是对地形场景内容、逻辑结构与内在关系的简化、抽象与提炼。地形场景由具体信息描述场景对象，并通过事件和现象要素描述对象所构成的事物要素在一定时空框架内动态演变，由此对场景内容之间的关系和发展过程做出整体表达。在这样的结构描述体系中，更加侧重从整体和系统的角度把握地形场景的内容，其具体的结构描述框架如图所示。在此框架下，地形场景将地形的内涵范围从空间几何形态升维到包含多要素的宏观系统，使其尽可能地涵盖了多模态、多维度、多层次的信息，并将这些信息纳入到统一的时空框架基准，以更加语义化的要素表述将场景中相关联的实体与信息组织起来，为进一步的场景对象关系推理与求解，以及关系的整体化表达奠定基础。